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Schaltungsanordnung zur Verhinderung der bleibenden Magnetisierung
eines Impulsübertragers Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verhinderung
der bleibenden Magnetisierung eines Übertragers mit Eisenkern, über den von einer
Impulsquelle zu einem Verbraucher bipolare Impulse übertragen werden, bei denen
der Anteil der einen oder der anderen Polarität überwiegt, und wobei die zu übertragenden
Impulse eine größere Amplitude aufweisen als die bei Abbau des Magnetfeldes entstehenden
Ströme.
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Oft ist es erforderlich, zwischen einer Impulsquelle und eitlem Verbraucher
einen Übertrager zu schalten, sei es, um den Strom oder die Spannung zu transformieren
oder um eine Potentialtrennung zwischen Impulsquelle und Verbraucher vorzunehmen.
Enthalten die zu übertragenden Impulse eine Gleichspannungs-bzw. Gleichstromkomponente,
d. h., das Spannungszeitintegral der positiven Werte über der Hauptinduktivität
des Übertragers entspricht nicht dem der negativen Werte, so verbleibt ein Rest,
der den Transformator aufmagnetisiert. Werden keine besonderen Maßnahmen getroffen,
so schaukelt sich dieser Magnetisierungsstrom von Impuls zu. Impuls auf, wodurch
die Übertragungseigenschaften .des Transformators erheblich verschlechtert werden
können.
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Aus der deutschen Auslegeschrift 1102 806 ist eine Schaltungsanordnung
zum Übertragen von unipolaren Impulsen bekannt, bei der in Reihe mit der Sekundärwicklung
des Übertragers und dem Lastw iderstand eine in Richtung der zu übertragenden Impulse
gepolte Diode ,geschaltet ist, über die die zu übertragenden Impulse nahezu ohne
Verluste an den Verbraucher gelangen, während die jeweils nach den Nutzimpulsen
auftretenden Entmagnetisierungsströme, die entgegengesetzte Polarität haben, den
Sperrwiderstand der Diode -vorfinden. Die Zeitkonstante dieser Reihenschaltung muß
dabei - gegebenenfalls mit Hilfe eines der Diode parallelgeschalteten Widerstandes
- so bemessen werden, daß die Entmagnetisierung beendet ist, ehe der nächste Impuls
eintrifft.
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Diese bekannte Anordnung läßt sich nicht ohne weiteres so erweitern,
daß sie für bipolare Impulse brauchbar ist. Würde man nämlich statt der einen Diode
eine zweite Diode entgegengesetzt gepolt parallel schalten, so würden auch .die
Entmagnetisierungsströme in jeder Richtung einen kleinen Widerstand vorfinden, und
-die beabsichtigte Wirkung würde nicht eintreten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Schwierigkeiten
.zu beseitigen und eine Schaltungsanordnung zur Übertragung von bipolaren Impulsen
mittels eines Impulsübertragers zu schaffen; bei der auch ein Überwiegen der einen
oder anderen Gleichspannungskomponente keine bleibende Magnetisierung verursacht.
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Erfindungsgemäß ist zwischen Sekundärwicklung des Übertragers und
Verbraucher in an sich bekannter Weise in Reihe ein Zweipol geschaltet, und dieser
Zweipol besitzt im Bereich der zu übertragenden bipolaren Impulse einen kleinen
Widerstand und nur im Bereich der Entmagnetisierungsströme einen hohen Widerstand.
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Zur Übertragung von Impulsen, bei denen eine Gleichspannungskomponente
nur in einer Richtung auftritt, braucht der in Serie -mit dem Verbraucher geschaltete
nichtlineare Widerstand im Bereich der Entmagnetisierungsströme nur nach einer Seite
einen hohen Widerstand zu besitzen. Tritt bei den zu übertragenden Impulsen die
Gleichspannungskomponente über längere Zeiträume jedoch nach beiden Seiten auf,
so muß ein nichtlinearer Widerstand verwendet werden, der im Bereich der Entmagnetisierungsströme
nach beiden Seiten einen hohen Widerstand aufweist.
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Als nichtlinearer Widerstand mit der Charakteristik nur nach der einen
Seite kann z. B. eine Zenerdiode, die Parallelschaltung von einer Diode und einem
Varistor, eine inverse Diode oder eine Parallelschalturig von einer Vierschichtdiode
oder Gasdiode mit einer normalen Diode Verwendung finden.
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Für den nichtlinearenWiderstand mit der bestimmten Charakteristik
symmetrisch nach beiden Seiten kann z. B. eine Antiserienschaltung zweier Zenerdioden,
eine Antiparallelschaltung zweier normaler Dioden, ein Varistor, eine Antiparallelschaltung
zweier Vierschichtdioden oder eine Gasdiode dienen.
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Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können Stromimpulse
oder Spannungsimpulse an
einen Verbraucher übertragen werden. Der
Verbraucher kann entweder ein ohmscher Widerstand oder ein komplexer Widerstand
sein.
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Bei der Übertragung von Impulsen über einen Übertrager wird nur ein
- nach Möglichkeit kleiner -Teil der Energie der Impulse zum Aufbau des Magnetfeldes
verbraucht, der andere - größere Teil - wird als Nutzenergie verbraucht. Die Entmagnetisierungsströme
können außerdem durch die für sie wirksamen Widerstände beeinflußt, d. h. klein
gehalten werden.
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Der Erfindungsgegenstand wird nun an Hand der F i g. 1 bis 13 beispielsweise
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine bekannte Schaltungsanordnung zur Übertragung
von Impulsen mittels eines Übertragers, F i g. 1 a bis 1 c die entsprechenden Impulsformen
dazu, F i g. 2 bis 2 d eine bekannte Schaltungsanordnung für unipolare Impulse;
F i g. 3 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Übertragung von bipolaren
Impulsen, F i g. 3 a eine zu übertragende Impulsform, bei der die Gleichspannungskomponente
nur nach einer Seite auftritt, F i g. 3 b eine zu übertragende Impulsform, bei der
die Gleichspannüngskomponente nach beiden Seiten auftreten kann, F i g. 4 die idealisierte
Kennlinie eines erfindungsgemäß eingeschalteten nichtlinearen Widerstandes, für
Impulse nach der -F i g. 3 a, F i g. 5 eine idealisierte Kennlinie des erfindungsgemäß
eingeschalteten nichtlinearen Widerstandes, für Impulse nach der F i g. 3 b, F i
g. 6 bis 13 Beispiele von Kennlinien und Schaltungen für den erfindungsgemäß eingeschalteten
nichtlinearen Widerstand.
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In der F i g. 1 ist nun eine einfache Schaltung zum Übertragen von
Impulsen mittels eines Übertragers gezeigt. Die Impulse einer Impulsstromquelle
1 gelangen über den Übertrager 2 auf den Lastwiderstand 3. Die Impulsform 7 der
Impulsstromquelle 1 ist -in der F i g1 a- zu sehen. Ist das Tastverhältnis sehr
groß, so kann sich die während der Impulsdauer aufgeladene Induktivität des Übertragers
bis zum darauffolgenden Impuls nicht vollständig entladen, so daß bei periodischen
Vorgängen ein Aufschaukeln des Magnetisierungsstromes erfolgt, der sich dem Impulsstrom
im Sekundärkreis des übertragers überlagert. Die F i g. 1 b zeigt hierbei den Ausgangsimpuls
der -Sekundärwicklung des übertragers 2, und zwar zeigt .die anfängliche Impulsserie
8; wie sich nach mehreren Impulsen die Nullage dieser Impulse verschiebt. Nach einer
Vielzahl von Impulsen stellt sich ein mittlerer Zustand ein, wie sich aus der zweiten
Impulsserie 10 der F i g. 1 b ergibt. Bei diesen Impulsen 10 liegen die positiven
und negativen Anteile symmetrisch zur Null-Linie. Die F i g. 1 c zeigt nun das Aufschaukeln
des Magnetisierungsstromes des Übertragers 2, und zwar verläuft dieser Strom anfänglich
nach dem Kurventeil 11 und schaukelt sich dann auf den Kurventeil 12: auf. Dieser
Magnetisierungsstrom 12 entspricht dann der gleichstrommäßigen Verlagerung des Impulsstromes
10
gegenüber den Impulsen 7.
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Um diese Verlagerung des Impulsstromes zu vermeiden, ist bekanntgeworden,
die Schaltungsanordnung so abzuändern, --wie F i g. 2 zeigt. Dem Lastwiderstand
3 ist hier eine Diode 4 vorgeschaltet. Parallel zur Diode 4 kann ein Widerstand
6 geschaltet sein.
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Die F i g. 2 a zeigt die Eingangsimpulse 13 des Impulsgenerators 1
und die F i g. 2b den Strom durch den Lastwiderstand 3. F i g. 2 c zeigt die Ausgangsspannung
.der Sekundärwicklung des Transformators 2, woraus zu sehen ist, daß sich die Hauptinduk=
tivität (Teil 18 der Kurve) sehr schnell in der Impulspause wieder zu Null entlädt.
Die Zeitkonstante 19 dieser Entladung wird durch die Hauptinduktivität des Übertragers
und die Widerstände 3 und 6 bestimmt. Durch entsprechende Bemessung des Widerstandes
6 kann die Entladekurve 18 beeinflußt werden, wobei vorausgesetzt ist, daß der Widerstand
3 nicht geändert werden kann. Die Ausgangsimpulse im Lastwiderstand 3 verschieben
sich also nicht gegenüber der Null-Linie, sondern sind in jedem Fall positiv wie
die Impulse der Impulsquelle 1. Sie besitzen lediglich eine leichte Dachschräge
15, die sich aus der Zeitkonstante ergibt, die von den Werten der Hauptinduktivität
und. dem Lastwiderstand 3 abhängt. Ein Aufschaukeln des Magnetisierungsstromes 22
(F i g. 2 d) erfolgt nicht, sondern der Magnetisierungsstrom steigt höchstens bis
zu seinem Spitzenwert 23 an, um dann während der Impulspause wieder auf Null zu
fallen.
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Der Nachteil dieser bekannten Schaltungsanordnung ist der, daß hiermit
nur unipolare Stromimpulse übertragen werden können. Sollen jedoch positive wie
auch negative, also bipolare Impulse übertragen werden, so gelangt man nicht zum
Ziel, wenn man zusätzlich eine weitere Diode für die andere Polarität vorsieht,
da bei dieser Anordnung die jeweiligen Entmagnetisierungsströme kurzgeschlossen
werden. Man mußte sich daher seither bei der Impulsübertragung mittels Übertrager
auf Impulsfolgen beschränken, die symmetrisch zur Null-Linie waren, also keine Gleichstromkomponente
enthielten, oder man mußte die Gleichstromverlagerung durch den sich aufschaukelnden
Magnetisierungsstrom in Kauf nehmen.
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Gemäß der Erfindung wird nun eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen,
mit der die Übertragung bipolarer Impulse mit größerem Tastverhältnis und wechselnder
Gleichstromkomponente möglich ist. Bei den hier zu betrachtenden unregelmäßigen
Impulsfolgen handelt. es sich z. B. um die der F i g. 3 a, wo die Impulsfolge 31
aus positiven und negativen Impulsteilen besteht. Es ist jedoch zu sehen, daß der
Anteil der negativen Impulse 33 den Anteil der positiven Impulse 32 übertrifft,
so daß also eine Vormagnetisierung--immer nur in einer Richtung zu erwarten ist.
Die F i g. 3 b zeigt dagegen eine Impulsfolge, die mit einem ersten Teil 34 anfängt
und später mit einem zweiten Teil 37 weitergeht. Beim ersten Teil 34 überwiegen
die negativen Impulse 35 die positiven Impulse 36; so daß hier also eine Vormagnetisierung
in der einen Richtung erfolgt. Beim zweiten Teil 37 ist es jedoch umgekehrt, und
die Vormagnetisierung erfolgt hier in der entgegengesetzten Richtung. Bei der Impulsfolge
nach der F i g. 3 b treten also Vormagnetisierungen über längere Zeiträume in beiden
Richtungen auf.
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F i g. 3 zeigt - nun die erfindungsgemäße Lösung, und zwar ist in
die an sich sonst bekannte Schaltungsanordnung zur Impulsübertragung mit einem Impulsgenerator
1, einem Transformator 2 und einem Verbraucher 3 in den Verbraucherkreis ein nichtlinearer
Widerstand 30 eingefügt. Dieser besitzt eine
solche Kennlinie, daß
er im Bereich der kleinen Magnetisierungsströme einen hohen und im Bereich der zu
übertragenden Signale einen niedrigen Widerstand hat. Hierdurch wird erreicht, daß
dieser nichtlineare Widerstand im Bereich der zu übertragenden Impulse durch sehnen
niedrigen Widerstand die Ausgangsspannung nur unwesentlich abschwächt, für die kleinen
Magnetisierungsströme jedoch hochohmig ist, so daß hierdurch die Abklingzeit des
Magnetisierungsstromes sehr. klein wird. Durch diese Maßnahme wird verhindert, daß
sich der Magnetisierungsstrom von Impuls zu Impuls aufschaukelt. Die Abklingzeit
der Entladung ist so klein, daß sich der Magnetisierungsstrom in den Impulspausen
wieder bis nahezu Null entladen kann.
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Die F i g. 4 und 5 zeigen idealisierte Kennlinien für den in den Lastkreis
eingeschalteten nichtlinearen Widerstand. In der F i g. 4 sind zwei idealisierte
Kenulinienzüge gezeichnet, und zwar besteht der erste aus den Teilen 40, 41 und
42, während die zweite Kennlinie aus den Telien 40, 41, 43, 44 und 45 besteht. Diese
beiden idealisierten Kennlinienzüge entsprechen einem nichtlinearen Bauelement 30
für solche zu übertragenden Impulsformen, wie sie in F i g. 3 a gezeigt sind, bei
denen also eine Vormagnetisierung des Impulstransformators 2 nur in einer (negativer)
Richtung erfolgen kann. Aus diesem Grund ist der Verlauf des Kurventeils 40 der
Kennlinie (F i g. 4) uninteressant, er muß nur niederohmig sein. Bei der normalen
Impulsübertragung wird der Bereich des Kennlinienteils 42 ausgenutzt, der einen
sehr niedrigen Widerstand aufweist. In den Impulspausen jedoch setzt das Element
dem niedrigen Mägnetisierungsstrom einen hohen Widerstand entgegen, wodurch die
Entladezeit geringer wird. Der Kurventeil 42, der bei Vorhandensein eines Impulses
zutage tritt, bedeutet aber nicht nur einen niedrigen Widerstand,' sondern daß in
Serie mit dem Lastkreis eine Spannungsquelle eingefügt ist. Diese Spannung, deren
Wert dem Abstand des Kurvenzuges 42 und der Null-Linie entspricht, darf nicht zu
groß sein, weil sie von der Impulsquelle 1 zusätzlich aufgebracht werden muß.
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Der zweite Kurvenzug 40, 41, 43, 44, 45 besitzt gegenüber dem ersteren
wesentliche Vorteile. Nimmt der Strom im Sekundärkreis einen größeren Wert an, so
liegt mit diesem in Serie ein sehr niedriger Widerstand. Die .in Serie mit dem Sekundärkreis
liegende Spannung, die dem Abstand des Teils 45 von der Null-Linie entspricht, ist
dabei sehr gering, so daß wesentlich weniger Leistung im nichtlinearen Glied verbraucht
wird und außerdem auch nicht vom Impulsgenerator aufgebracht werden muß.
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Soll jetzt mit der Schaltungsanordnung nach der F i g. 3 eine Impulsfolge
nach der F i g. 3 b übertragen werden, d. h., die Vormagnetisierungen können negativ
und positiv sein, so muß als nichtlineares Bauelement 30 ein solches mit einer idealisierten
Kennlinie nach der F i g. 5 vorgesehen werden. Die Kurvenzüge der F i g. 5 unterscheiden
sich von denen der F i g. 4 nur dadurch, daß die Kurventeile des ersten Quadranten
gleich denen des dritten Quadranten sind. In diesem Fall der Übertragung von bipolaren
Impulsen, bei denen die Vörmagnetisierung in beiden Richtungen erfolgen kann, sind
also die Kennlinien für positive wie auch für negative Signale gleich. Im Bereich
der kleinen Magnetisierungsströme gilt der Kennlinienteil 51 a, 51 b, 53 a; 53
b, während für den Bereich der zu übertragenden Impulse je nach Bauelement entweder
die Teile 50a und 50b
oder aber die Teile 54a, 55a und 54b und
55b
gelten.
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Die idealisierte Kennlinie 40, 41, 42 der F i g. 4 kann durch verschiedene
Bauelemente realisiert werden: 1. durch eine Zenerdiode 63 (F i g. 6), deren Sperrbereich
61, 62 dem Bereich der Kennlinienteile 41 und 42 entspricht und deren Durchlaßbereich
60 dem Kennlinienteil 40; 2. durch die Parallelschaltung einer normalen Diode 66
und einem Varistor 67 (F i g. 7). Dem idealisierten Kennlinienteil 41, 42 entspricht
der Kennlinienteil65, der hauptsächlich durch den Varistor bestimmt wird. Dem Kennlinienteil
40 entspricht der Durchlaßbereich 64 der Diode 66; 3. durch eine inverse Diode (backward
rectifier), wobei der durch die Überdotierung sehr niederohmig gemachte Sperrbereich
68 der Diode dem Kennlinienteil 40 entspricht und bei dem die sogenannte Durchlaßrichtung
der inversen Diode 69 dem Kennlinienteil 41, 42 entspricht.
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Der idealisierte Kennlinienteil40, 41, 43, 44, 45 der F i g. 4 kann
durch die Parallelschaltung einer normalen Diode 72 mit einer Vierschichtdiode 73
oder einer Gasdiode 90 realisiert werden, wie in der F i g. 9 gezeigt ist.
Der Teil 71a entspricht hier dem Teil 40, der Teil 71 b dem Teil 41, der Teil 71
c dem Teil 43, der Teil 71 d dem Teil 44 und der Teil 71 e dem Teil 45.
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Bei- allen diesen Bauelementen nach den F i g. 6 bis 9 ist es wichtig,
daß die Polarität der Einschaltung des nichtlinearen Widerstandes 30 entsprechend
den Klemmenbezeichnungen a und b mit denen der Fig. 3 übereinstimmen.
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Zur Realisierung der idealisierten Kennlinie. 50a,
51 a,
51 b, 50 b der F i g. 5 sind nun folgende Möglichkeiten gegeben: 1. durch die
Antiserienschaltung zweier Zenerdioden (F i g. 10). Durch diese Antiserienschaltung
ergeben sich die beiden Kurvenzüge 76a und 76b; die dem Zenerbereich der beiden
Zenerdioden 77 a und 77 b entsprechen; 2. durch die Antiparallelschaltung zweier
normaler Dioden 79 a und 79 b (F i g. 11). Die hierdurch erzeugten Kennlinienteile
78 a und 78 b entsprechen dem Durchlaßverhalten der beiden normalen Dioden; 3. durch
einen Varistor 81 (F i g. 12), der nach beiden Polaritäten die Kurvenzüge 80
a und 80 b
aufweist. Die Kennlinie 55 a, 54 a, 53 a, 51 a; 51 b,
54 b, 55 b
der F i g. 5 kann durch die Antiparallelschaltung zweier Vierschichtdioden
83 a und 83 b (F i g. 13) oder durch eine einzige symmetrische Gasdiode
91 realisiert werden. Es ergeben sich somit gegeneinander symmetrische Kurvenzüge
82 a und 82 b.
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Dadurch, daß durch die Kurvenzüge 42 bzw. 50 a
und
50 b in Serie mit dem Sekundärkreis des Transformators eine Spannung eingeprägt
wird; ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung insbesondere für Stromimpulsübertragung
geeignet. Hierbei spielt
es nämlich keine Rolle, wieviel Spannung
der Impuls-Stromgenerator 1 bereitstellen muß, um einen bestimmten Strom durch die
Last 3 zu treiben. Wird jedoch ein nichtlinearer Widerstand 30 eingefügt, der die
Kurvenzüge 43, 44, 45 bzw. 55.b, 54b, 53a, 54a,
55 ä
besitzt, so bedeutet dies, daß nur eine sehr niedrige Spannung in den Sekundärkreis
des Transformators 2 eingeprägt wird. In diesem Fall ist also auch eine Übertragung
von Spannungsimpulsen möglich, weil der sehr niedrige Spannungsabfall, der durch
den Kennlinienteil 45 bzw. 55 bestimmt wird, bei höheren Impulsspannungen in Kauf
genommen werden kann. Für die Impulsquelle 1 muß in diesem Fall jedoch eine Bedingung
eingehalten werden, nämlich daß sie zum Zeitpunkt der zu übertragenden Impulse niederohmig
ist. Eine solche Impulsquelle 1 kann z. B. durch die Serienschaltung einer Batterie
mit einem Schalter oder aber auch mit einer Transistorschalterstufe realisiert werden.
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Welche der verschiedenen Bauelementekombinationen F i g. 6 bis 13
angewendet wird, hängt von dem jeweiligen Verwendungsfall ab. Während die Vierschichtdioden
sowie die inversen Dioden und Zenerdioden noch verhältnismäßig teuer sind, sind
jedoch die übrigen Bauelemente verhältnismäßig billig. Die Auswahl der Bauelemente
wird schließlich durch die maximale Zulässigkeit von Verschiebungen durch die Magnetisierungsströme
bestimmt.