DE1616047C - Gleichstromwandler mit einer Brücken Schaltung mit vormagnetisieren Feldplatten - Google Patents

Description

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Es ist häufig wichtig, Ströme und Spannungen »Elektronik«, 1967, H. 5, S. 137/138, beschrieben

potentialfrei messen zu können. Bei Wechselströmen worden. In der Schwachstromtechnik spricht man

und -spannungen kann das leicht mit Hilfe von von (Gleichstrom-) Trennverstärkern; in der Stark-

Wechselstromwandlem ausgeführt werden. Aber auch Stromtechnik werden Geräte gleichen Prinzips als

Gleichströme und -spannungen müssen, z. B. in der 5 »Wandler« bezeichnet.

Regelungstechnik, potentialfrei erfaßt werden können. Bei Gleichstromwandlern bzw. Gleichspannungs-Gleichstromwandler und Gleichspannungswandler wandlern hat es sich weiterhin als günstig erwiesen, sind aber im Aufbau wesentlich komplizierter als stets zwei Feldplatten, die mit zwei festen Widerstän-Wechselstromwandler, weil sich die Gleichstrom- den zu einer Brückenschaltung ergänzt sind, zu vergrößen nicht transformatorisch übertragen lassen, io wenden. Das geschieht unter anderem deshalb, weil aber Ein- und Ausgang ebenso wie bei Wechsel- die einzelne Feldplatte häufig einen temperaturabhänstromwandlern galvanisch nicht gekoppelt sein dürfen. gigen Widerstandswert hat und weil dieser Wider-Vielfach werden in Halbleitergeräten zum Messen, standswert nicht unter den Grundwiderstand (beim Steuern und/oder Regeln, z. B. bei Multiplikatoren Magnetfeld Null) sinken kann. Die Magnetspulen des oder Gleichstromwandlern, magnetfeldabhängige Wi- 15 Steuerstroms (zu messender Gleichstrom) werden daderstände, die sogenannten »Feldplatten«, .verwendet bei im allgemeinen so aufgebaut, daß ein Ansteigen (Solid State Electronics, Pergamon Press, 1964, 7, des Stromes eine Widerstandserhöhung der einen S. 363 bis 371, und 1966, 9, S. 443, 451). Die Feld- Feldplatte und eine Widerstandserniedrigung der anplatten sind dabei galvanisch vom erregenden Gleich- deren Feldplatte verursacht, daß also die Brücke strom getrennt. Gleichstromwandler wurden schon ao verstimmt wird. Während das Gegenkopplungsfeld in mit Topfkernmagneten bestückt, um deren Kern die beiden Feldplatten antiparallel zum Steuerfeld ver-Steuerwicklung gelegt war. Zwischen Topfrand und läuft, ist das Vprmagnetisierungsfeld in der Regel in . Deckel befand sich dabei magnetfeldempfindliches der einen Feldplatte parallel und in der anderen Material, z. B. Wismut (siehe z. B. Archiv der elek- Feldplatte antiparallel zum Steuerfeld gerichtet. Die frischen Übertragung, 8, 1954, S. 269 bis 278, ins- 25 Gegenkopplungswicklungen können über einen auf besondere S. 276). Statt eines Topfkernmagneten wur- den Brückenausgang geschalteten Gleichstrornverden auch schon Magnete verwendet, die aus drei stärker, z. B. Transistorverstärker, angesteuert wer-Schenkeln bestehen, welche durch zwei Joche zu- den. Die Verstärkung ist dabei im allgemeinen erforsammengehalten werden. Die Erregerwicklung kann derlich, weil Brückenstrom- und -spannung relativ dabei um den mittleren Schenkel gelegt sein. Die bei- 30 klein sind.

den äußeren Schenkel, in denen die Feldplatten Wesentliche Nachteile dieser Anordnungen können untergebracht sind, können außer von dem Erreger- vor allem bei der Anwendung in der Starkstromfeld auch von einem Vormagnetisierungsfeld durch- technik im Überstrombetrieb, z. B. bei Kurzschluß, in flutet sein, das mittels Vormagnetisierungswicklungen Erscheinung treten. Mit einem solchen Fall muß imerzeugt wird (Electronic Engineering, November 1958, 35 mer gerechnet werden, wenn der Wandler, gleichgül-S. 664 und 666). . tig ob als Stromwandler oder als Spannungswandler Die Vormagnetisierung der Feldplatten, die per- an einem Nebenwiderstand, zur Strommessung dienen manent- oder elektromagnetisch erfolgen kann, ist soll. Ist ein Wandler z. B. für 100 AW Steuerdurcherforderlich, wenn man im linearen Bereich der flutung je feldplattenbestücktem Kern ausgelegt, so Widerstandskennlinie der Feldplatte arbeiten will. 40 ruft ein Kurzschlußstrom vom 20fachen des Nenn-Die Kennlinie verläuft für kleine Magnetfelder an- stromes eine Durchflutung von 200 AW je Kern hernähernd quadratisch. Durch Vormagnetisierungsfel- vor. Die Gegenkopplung kann in der Regel eine so der von wenigen kG, z. B. etwa 3 bis 5 kG, kann der hohe Durchflutung nicht aufbringen, da der Gleich-Arbeitspunkt der Feldplatte in den linearen Bereich stromverstärker die Gegenkopplung begrenzt. Liegt der Widerstandskennlinie verschoben werden. Auf 45 diese Grenze z.B. bei 200AW, so ist für den angeder linearen Widerstandsskala der Feldplatte kann führten Kurzschlußfall immer noch eine Durchflutung der zu messende Gleichstrom dann unmittelbar ab- von 2000—200= 1800 AW je Kern wirksam. Dagelesen werden. Außer dieser Linearisierung hat die durch kommt man weit aus dem durch die Vor-Vormagnetisierung auch den Vorteil, daß die Feld- magnetisierung eingestellten Arbeitsbereich der Kennplatte im linearen Bereich der Kennlinie wesentlich 50 linien der beiden Feldplatten der Brückenschaltung empfindlicher ist als in deren quadratischem Bereich. heraus, und es können sehr unerwünschte Wirkungen

Trotz der Linearisierung und der Empfindlichkeit eintreten, die sich folgendermaßen erklären:
von Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsmodulatoren Bezüglich des Nullpunktes des Steuermagnetfeldes können aber noch Meßfehler in das Meßergebnis ein-' werden die Kennlinien der Feldplatten durch Anlegen gehen, die z. B. von Störfeldern herrühren. Zur Ver- 55 eines Vormagnetisierungsfeldes parallel zur Magnetringerung solcher Fehler hat es sich als günstig er- feldachse verschoben. Sind die Feldplatten z. B. gegenwiesen, außer dem Steuerfeld, der zu messenden sinnig gleich (antiparallel) vormagnetisiert, so ist die Gleichstrom- oder Gleichspannungsgföße und dem eine Feldplattenkennlinie bezüglich der Nullachse des Vorniagnetisierungsfeld ein (dem Steuerfeld entgegen- Steuerfeldes (beim Steuerfeld Null ist auch das Gegengerichtetes) Gegenkopplungsfeld auf die Feldplatte 60 kopplungsfeld Null) um im wesentlichen ebensoviel wirken zu lassen, das vom Ausgangsstrom der letz- nach positiven Magnetfeldwerten verschoben wie die teren, z. B. über einen Verstärker, gesteuert ist. Sinn andere Feldplattenkennlinie nach negativen Magnetder Gegenkopplung ist dabei vor allem, das Steuer- feldwerten. Da jede Feldplattenkennlinie praktisch feld der Feldplatte stark, z.B. um den Faktor 100, ideal symmetrisch zur Nullachse des einwirkenden herabzusetzen. Dadurch können Meßfehler in glei- 65 (Gesamt-) Magnetfeldes verläuft, schneiden sich die ehern Maße verringert werden. Das Prinzip einer sol- Kennlinien der beiden gegensinnig vormagnetisieren clien Schaltung mit einer Feldplatte ist für den Fall Feldplatten also in einem {'unkt. Desitzen dagegen der Anwendung in der Schwachstromtechnik in die beiden Feldplatten, wie es oft vorkommt, im

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y-Ablenkfelder zu erzeugen, die zum Darstellen der und an der Kathode 40 anliegt. Die Diode 32 ist Linie AB benötigt werden. Die Spannungsgeneratoren in ihren Kennwerten mit der Diode 42 identisch, um 13 und 17 stellen jene Teile des Systems dar, welche den Spannungsabfall an der Diode 42 zu kompendiese Signale erzeugen. sieren.

Die Ausgangssignale der beiden Modulatoren 12 5 Das vom Bezugsgenerator 10 gelieferte Rechteck- und 16 werden einem Summiernetzwerk 18 zugeführt, signal wird auch dem fest eingestellten 90°-Phasenwelches die beiden Signale addiert und in bekannter schieber 14 zugeführt. Der Phasenschieber 14 besteht Weise ein einziges Wechselspannungssignal erzeugt, am einfachsten aus einem herkömmlichen Verzögedas der resultierenden Spannung V₃ entspricht. Die rungsglied. Zum Beispiel kann er als Verzögerungs-Größe V₃, die dem Vektor AB analog ist, hängt mit io leitung oder ein Paar in Kaskade geschalteter, V₁ und V₂ durch folgende Beziehung zusammen: monostabiler Multivibratoren ausgebildet sein. Der

Modulator 16 ist wie der Modulator 12 aufgebaut

V₃ = ]/Δ χ² + Δ y- sin (ω / + α), (6) und arbeitet in der gleichen Weise, außer, daß sein

Eingangssignal mit der vom Spannungsgenerator 17

wobei α = arctan -=p- bedeutet. ¹S gelieferten Spannung moduliert wird, die der Länge Δ y (F i g. 1) proportional ist.

Die Größe ]/Δχ² + /Iy², welche die Amplitude Das aus den Summierwiderständen 46 und 48 be-

von V₃ darstellt, ist ebenfalls der Größe L, also der stehende Summiernetzwerk 18 summiert die beiden Länge der Linie AB, analog, d.h., L steht mit Δ χ gegeneinander phasenverschobenen Ausgangssignale und Δγ durch denselben Ausdruck in Beziehung. 20 der Modulatoren, indem es sie gleich bewertet und

Das Ausgangssignal des Summiernetzwerkes 18 ein einziges Rechteckausgangssignal erzeugt, das sowird zunächst einem Filter 20 zugeführt, das die un- wohl die Grundfrequenz als auch Oberwellen enterwünschten Oberwellen aussiebt, und anschließend hält. Die Größe dieses Signals ist proportional der einem Spitzenwertdetektor 22. Das Ausgangssignal Länge L der Linie AB, wie es durch Gleichung (6) des Spitzenwertdetektors ist also eine Gleichspan- 25 dargestellt ist.

nung, die der Länge L der Linie AB proportional ist. Dieses Signal wird einem herkömmlichen Band-

Diese Spannung wird dann als Helligkeitssteuerspan- pass- oder Tiefpassfilter 20 zugeführt. Das Filter 20 nung der Anzeigeröhre 9 (Kathodenstrahlröhre) zu- muß alle Schwingungsanteile außer der Grundfregeführt. Somit stellt das System Linien mit Elektro- quenz der modulierten Rechteckschwingung beseitinenstrahl-Helligkeitswerten dar, die sich proportio- 30 gen, weil die durch den Phasenschieber 14 verurnal zu den Linienlängen verhalten. Da alle Linien sachte Phasenverschiebung sich auf die Grundin gleichen Zeitabschnitten dargestellt werden, haben schwingung bezieht. Die Phasenverschiebung kann sie somit gleiche optische Helligkeit auf dem Schirm aber auch bei einem anderen Schwingungsanteil beder Anzeigeröhre 9. werkstelligt werden, wobei das Filter 20 dann diese

Fig.3 zeigt im einzelnen den Aufbau des erfin- 35 Schwingung durchläßt. Jedoch wird üblicherweise dungsgemäßen Systems. Der Bezugsgenerator 10 die Grundfrequenz verwendet, weil sie den Schwinsollte wegen der erforderlichen Genauigkeit quarz- gungsanteil mit der höchsten Amplitude liefert. Auf gesteuert sein. Ebenso ist es wünschenswert, daß er jeden Fall sollte die Bandbreite des Filters 20 so groß Signale mit rechteckiger Kurvenform erzeugt, da- wie möglich bemessen werden, dabei aber trotzdem mit in der Schaltung die einfachen, aus Dioden auf- 4° noch unerwünschte Schwingungsanteile unterdrükgebauten Modulatoren 12 und 16 verwendet werden ken, um die Zeitkonstante des Filters so klein wie können, die nunmehr beschrieben werden sollen. möglich zu machen und damit dem System eine kurze

Das Signal vom Bezugsgenerator 10 wird der Ka- Ansprechzeit bei der ausgewählten Arbeitsfrequenz thode 30 einer Diode 32 im Modulator 12 zugeführt. zu verleihen.

Die Anode 34 der Diode 32 ist über einen Wider- 45 Das Ausgangssignal des Filters 20 ist sinusförmig, stand 36, der zur Vorspannungserzeugung dient, mit und seine Amplitude ist der Länge L der Linie AB einer positiven Spannungsquelle verbunden, die als (F i g. 1) analog. Das Ausgangssignal des Spitzenwert-Batterie 38 dargestellt ist. detektors 22 stellt somit eine der Länge L proportio-

Eine Gleichspannung, die der Länge Δ χ der nale Gleichspannung dar. Diese Spannung wird dann x-Komponente der Linie (F i g. 1) proportional ist, 5° der Anzeigeröhre 9 als Vorlaufheilsteuerspannung wird durch den Spannungsgenerator 13 erzeugt und zugeführt. Sie eignet sich jedoch auch als Helligder Kathode 40 einer Diode 42 zugeführt. Die Anode keitssteuerspannung für andere Arten von Anzeige-44 der Diode 42 ist mit der Anode 34 und mit Masse geräten, z. B. für einen x-y-Koordinatenschreiber. über die Summierungswiderstände 46 und 48 ver- Natürlich kann auch ein herkömmlicher Spannungsbunden. 55 verstärker und, falls erforderlich, eine geeignete Off-

Es sei angenommen, daß die Spannung der Batterie setschaltung, zwischen dem Spitzenwertdetektor 22 38 größer ist als die Spannung, die der Kathode 40 und der Anzeigeröhre 9 eingeschaltet werden,
der Diode 42 zugeführt wird und daß die letztere Die Arbeitsgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen

Spannung positiv ist. Ferner sei angenommen, daß Steuersystems hängt von der Frequenz des Bezugsdas vom Bezugsgenerator 10 gelieferte Rechteck- 60 generators 10 und den Zeitkonstanten des Filters 20 signal sich zwischen Massepotential und einem post- und des Spitzenwertdetektors 22 ab.
tiven Spannungswert ändert, der größer ist als die Da das Helligkeitssteuersystem eine endliche An-

an der Kathode 40 liegende Spannung. Durch das Sprechzeit besitzt, müssen die den Linienlängen Δ χ Hinzukommen des vom Bezugsgenerator 10 geliefer- und Δ y proportionalen Spannungen an der Anzeigeten Rechtecksignals ändert sich das Potential am 65 röhre 9 anliegen, bevor die Linie AB auf dem Schirm Verbindungspunkt der Anode 44 und des Summie- der Röhre dargestellt wird. Bei einem Anzeigesystem, rungswiderstandes 46 zwischen Massepotential und welches die vorstehend beschriebene Rechteckspandem Spannungswert, der der Länge Δ χ entspricht nung als Trägersignal verwendet, synchronisiert das

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System vorzugsweise das Schreiben des Vektors A B mit dem Signal vom Bezugsgenerator 10, so daß der Spitzenwertdetektor 22 ein Helligkeitssteuersignal liefert, sobald das Schreiben des Vektors beginnt. Bevor jedoch die Steuerspannung geliefert werden kann, müssen die mit Δ χ und Ay modulierten Spannungen beide vorhanden sein. Wenn daher z. B. der Vektorbeginn mit dem Beginn des positiven Teils des Signals vom Bezugsgenerator 10 synchron ist, beträgt die maximale Verzögerungszeit, bevor eine Abtastung vorgenommen wird, V₄ einer Schwingungsperiode (d. h. die Zeit, die vergeht, bis der positive Teil des Signals dem Modulator 16 zugeführt wird).

Ist dagegen der Linienbeginn mit dem Ende des negativen Teils des Signals vom Bezugsgenerator 10 synchron, so beträgt die maximale Abtastverzögerung V2 Schwingungsperiode (d. h. die Zeit, die vergeht, bis der nächste positive Anteil des Signals vom Bezugsgenerator 10 eintrifft). Der Wunsch nach schneller Erzeugung der Steuerspannung ist auch der Hauptgrund für die Anwendung des Spitzenwertdetektors22. Der Spitzenwertdetektor hat entsprechend der Art der von ihm erfüllten Aufgabe eine ihm eigene schnelle Anstiegs- aber langsame Abklingzeit. Muß eine ganze Reihe von Linien geschrieben werden, so ist die neue Abklingzeit nicht erwünscht. Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, wird am Ende der Schreibzeit für den Vektor ein Entladesignal 22 a an den Spitzenwertdetektor angelegt. Andere Bauteile zum Erzeugen der Steuerspannung, wie z. B. eine Schaltung zur Mittelwertbildung, können mehrere Periodendauern des vom Bezugsgenerator 10 gelieferten Signals benötigen, um die geeignete Steuerspannung zu liefern, wodurch die Ansprechzeit des Systems zu sehr verlängert wird.

Wie vorstehend erwähnt, können die Spannungsgeneratoren 13 und 17 beliebig ausgebildet sein,-sofern sie nur Spannungen erzeugen können, die proportional zu den Längen der Vektorkomponenten Δ χ und Δ y sind. In einem typischen Anzeigesystem können Δ χ und Δ y ζ. B. in digitaler Form in einem geeigneten Speicher gespeichert sein und dann in analoger Form (d. h. Spannungen) umgewandelt und den Modulatoren 12 und 16 wie vorstehend beschrieben zugeführt werden.

Auch die Rechtecksignale, die den Modulatoren 12 und 16 zugeführt werden, können digital erzeugt werden. F i g. 4 zeigt solch einen digitalen Rechteckgenerator, der allgemein mit 52 bezeichnet ist. Er enthält einen herkömmlichen Zeitgeberfrequenzgenerator 54 und ein Paar Multivibratoren 56 und 58 (Flipflop). Die Ausgangsklemmen 0 und 1 des Multivibrators 56 sind über die UND-Glieder 60 und 62 mit der Rückstell- bzw. Einstelleingangsklemme des Multivibrators 58 verbunden. Umgekehrt sind die Ausgangsklemmen 0 und 1 des Multivibrators 58 über die UND-Glieder 64 und 66 mit der Einstellbzw. Rückstelleingangsklemme des Multivibrators 56 verbunden. Das Signal vom Zeitgeberfrequenzgenerator 54 stellt das andere Eingangssignal für jedes der UND-Glieder 60 bis 66 dar. Aufeinanderfolgende Impulse vom Zeitgeberfrequenzgenerator 54 schalten die Multivibratoren weiter, so daß die Rechteckspannungen V₁ und V₂ mit 90° Phasenverschiebung an der Ausgangsklemme 1 des Multivibrators 56 bzw. 58 erscheinen. Soll der im Helligkeitssteuersystem benutzte Generator 52 ein Trägersignal von 1 MHz haben, so muß der Zeitgeberfrequenzgenerator 54 eine Frequenz von 4 MHz liefern.

Das in F i g. 3 dargestellte Linienanzeigesystem enthält ein Bezugs- oder Trägersignal mit rechteckiger Kurvenform, weil dies die Verwendung von einfachen Diodenmodulatoren in der Schaltung ermöglicht. In der Schaltung muß daher grundsätzlich ein Filter 20 vorgesehen sein, das die unerwünschten Oberwellen, die im Ausgangssignal des Summiernetzwerkes 18 enthalten sind, unterdrückt. Das Filter entfällt, wenn der Bezugsgenerator 10 ein sinusförmiges Signal erzeugt. In diesem Fall müssen jedoch herkömmliche Modulatoren verwendet werden, die aufwendiger sind als die hier gezeigten Modulatoren.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, erzeugt das erfindungsgemäße, einfache und vollelektronische Linienanzeigesystem schnell eine Spannung, die der Länge der darzustellenden Linie genau proportional ist, und führt sie während der Bildung der Linie als Steuergröße dem Anzeigegerät zu. Bei diesem System bleibt somit äußerst genau die Helligkeitssteuerung bei allen Linien einer Darstellung erhalten, gleichgültig, wie lang diese Linien sind und welche Bezugswinkel sie auch haben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen