-
Gleichstromwandler Die Erfindung betrifft einen Gleichstromwandler
für ein Gleichstrommeßgerät mit einem möglichst geschlossenen magnetisierbaren Kern,
einer den zu wandelnden Gleichstrom führenden Eingangswicklung, einer einen impulsförmigen
Arbeitsstrom führenden und entgegen der Erregung des Kernes durch die Eingangswicklung
wirkenden Hilfswicklung und einer Ausgangswicklung.
-
Es sind bereits Einrichtungen zur Messung hoher Gleichströme bekannt,
bei denen in zwei getrennten Eisenkernen durch den zu messenden, durch eine Gleichstrommeßschleife
fließenden Gleichstrom und durch zusätzliche pulsierende Gleichströme zueinander
entgegengesetzt gerichtete Magnetisierungen erzeugt werden. Die pulsierenden Gleichströme
dienen dabei als Maß für die Größe des zu messenden Gleichstromes. Bei Einrichtungen
dieser Art sollen die Eisenkerne nicht bis in den Sättigungsbereich magnetisiert
werden.
-
Diese Einrichtungen erfordern einen verhältnismäßig hohen Aufwand
an einzelnen elektrischen und magnetischen Bauelementen und ermöglichen nur unter
Zuhilfenahme zusätzlicher Hilfseinrichtungen eine genaue Messung schwacher Gleichströme.
Die Verwendung zweier getrennter und damit in ihrer Gesamtanordnung räumlich aufwendiger
Eisenkerne mit deren Stromschleifen erschwert im allgemeinen die Durchführung eines
Meßvorgangs vor allem dann erheblich, wenn die insbesondere als Gleichstrommeßschleife
ausgebildete Meßsonde an sehr engen und für Meßgeräte unzugänglichen Meßstellen
eingesetzt werden soll. Die Art der verwendeten wellenförmigen pulsierenden Hilfsgleichströme
begrenzt überdies die Ansprechzeit dieser Meßeinrichtungen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten
Nachteile zu vermeiden, d. h. einen Gleichstromwandler für Gleichstrommeßgeräte
zu schaffen, der sich durch ein rasches Ansprechen auf eine plötzliche Gleichstromänderung
(<1 ms), durch einen minimalen Bedarf an elektrischen und magnetischen Bauelementen,
durch erschütterungsfreie Arbeitsweise, durch die Möglichkeit einer genauen Messung
in einem relativ großen Temperaturbereich auszeichnet, weitgehend nacheichungsfrei
ist, zu seiner Herstellung einer geringen Präzision bedarf und derart geringe geometrische
Abmessungen aufweist, daß die eigentliche Meßsonde auch an schwer zugängliche, d.
h. enge Meßstellen befördert werden kann. Der Wandler soll zudem derart beschaffen
sein, daß im Unterschied zu den vorerwähnten bekannten Einrichtungen auch schwache
Gleichströme
ohne zusätzliche Hilfseinrichtungen exakt meßbar sind.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Gleichstromwandler
der eingangs genannten Art vor, daß die Impulse des impulsförmigen Arbeitsstromes
eine unsymmetrische Dreiecksform mit möglichst steiler Anstiegsflanke haben und
daß der Kern aus einem Ferrit besteht, dessen Hystereseschleife einen möglichst
großen linearen Bereich der steilen Schleifenäste aufweist.
-
In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß Gleichstromwandler mit Ferritkernen
an sich bekannt sind und daß ferner auch bereits eine Anordnung zur Überwachung
der Größe bzw. Richtung eines Stromes in einem elektrischen Stromkreis bekannt ist,
bei welcher der zu überwachende Strom nur beim Durchschreiten eines bestimmten Wertes
bzw. einer Richtungsänderung eine änderung eines mit einem einzigen Stromkreis verketteten
Magnetflusses bewirkt, wobei ein Meldestromkreis nur an die Sekundärwicklung eines
einzigen, von dem zu überwachenden Strom erregten Magnetkernes angeschlossen ist,
der aus einem Material mit scharf geknickter geometrischer Kennlinie hoher Anfangspermeabilität
besteht.
-
Diese bekannte Anordnung dient lediglich als ein beispielsweise in
Sicherungseinrichtungen als Signalgeber verwendeter Signalisator, der beim Über-
oder Unterschreiten eines bestimmten Stromgrenzwertes in Tätigkeit tritt. Dementsprechend
unterscheidet sich diese Anordnung hinsichtlich ihres Gesamtaufbaus und ihrer Funktion
von dem Gleichstromwandler nach der Erfindung, der sich einer impulsweisen Sättigung
des Magnetkernes bedient, deren Richtung entgegengesetzt zur Richtung des zu messenden
Gleichstromes ist, während die bekannte Überwachungsanordnung
einen
konstanten Sättigungszustand benötigt, dessen Richtung mit der Richtung des durch
den zu messenden Gleichstrom hervorgerufenen Erregungszustandes des Magnetkernes
zusammenfällt oder hierzu entgegengesetzt gerichtet ist.
-
Das Material des magnetisierbaren Kernes der bekannten Überwachungsanordnung
besitzt eine Rechteckcharakteristik der Hystereseschleife, d. h., daß die ansteigenden
und die abfallenden Aste der Hystereseschleife einen weitgehend vertikalen Verlauf
aufweisen, um die geforderte plötzliche Ummagnetisierung des Kernes zu ermöglichen.
-
Im Unterschied hierzu werden beim Gleichstromwandler nach der Erfindung
weitgehend schrägliegende Aste gefordert, deren oberer linker sowie unterer rechter
Knick möglichst auf der B-Achse des Koordinatensystems liegen. Der Gleichstromwandler
nach der Erfindung bedient sich des Zeitintegrals der in den Spannungsschleifen
induzierten Spannung als Meßwert, während beim Gegenstand nach der bekannten Anordnung
der Auslösewert des durch das Rechteckmaterial hervorgerufenen automatischen Induktionssprunges
von der positiven in die negative magnetische Sättigung ausgewertet wird.
-
Diese bekannte Überwachungsanordnung ermöglicht somit keine Gleichstrommessung,
sondern lediglich eine Grenzwertkontrolle, d. h., daß mit dieser bekannten Anordnung
kein stetig veränderlicher Strom gemessen werden kann.
-
Zur Behebung dieser Nachteile, d. h. insbesondere zur Messung stetig
veränderlicher Ströme oder Spannungen, bei der die Stromwerte allerdings nur in
ganzen Einheiten, insbesondere in digitaler Form, also nicht stetig wie bei üblichen
Meßgeräten meßbar sind, ist darüber hinaus bereits eine Anordnung bekanntgeworden,
die einen Satz Magnetkerne mit angenähert rechteckiger Hystereseschleife aufweist,
die sämtlich mit einer den Meßstrom führenden Meßschleife und einer einen pulsierenden
Strom führenden Schleife verkettet sind, wobei Meßstrom und Impuls strom in den
Kernen ein entgegengerichtetes Feld erzeugen und das magnetische Verhalten der Kerne,
vorzugsweise durch unterschiedliche Magnetisierung der verschiedenen Kerne durch
die Ströme in den einzelnen Schleifen, gegeneinander stufenweise so abgestimmt ist,
daß nur ganz bestimmte Kerne ihren Magnetisierungszustand wiederholt ändern, wobei
das Ummagnetisieren der Kerne zur Anzeige der gemessenen Ströme herangezogen wird.
-
Wie bereits an Hand der ersterwähnten bekannten Anordnung erläutert,
erfolgt auch bei dieser bekannten Anordnung eine Grenzwertkontrolle, wobei durch
die Verwendung mehrerer Magnetkerne nicht nur ein einziger, sondern mehrere Grenzwerte
festgelegt werden können und mit steigender Zahl dieser Grenzwerte die Messung mehr
oder weniger genau durchführbar ist.
-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der F i g. 1 bis 6 näher erläutert.
-
Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Gleichstromwandlers für ein Gleichstrommeßgerät. Die mit
1 bezeichnete Gleichstromleitung ist bei a und b aufgetrennt. Diese Anschlußpunkte
a, b sind mit einer Gleichstrommeßschleife verbunden, die derart durch einen ringförmigen
Magnetkern 3 aus Ferrit geführt ist, daß der magnetisierbare Kern 3 bei Durchfluß
eines Gleichstromes IG durch die Leitung 1 rnagneti-
siert wird. Der magnetisierbare
Kern 3 ist zusätzlich mit einer einen impulsförmigen Arbeitsstrom führenden Hilfswicklung
4, die im folgenden als Tastschleife bezeichnet wird, versehen. Diese Tastschleife
hat die Aufgabe, den Magnetkern 3 mittels Tastimpulsen, d. h. den vorerwähnten impulsförmigen
Arbeitsströmen, rhythmisch impulsförmig zu magnetisieren.
-
Die Tastschleife 4 ist über Klemmen c, d mit einem Impulsgenerator
5 verbunden, der die Tastschleife mit Impulsen einer Impulsfolgefrequenz von beispielsweise
1 bis 20 kHz speist. Die Tastimpulse besitzen eine unsymmetrische Dreiecksform mit
möglichst steiler Anstiegsflanke. Der Magnetkern 3 ist außerdem mit einer Ausgangswicklung
bzw. mit einer Spannungsschleife 6 versehen, in der bei Induktionsänderungen im
magnetisierbaren Kern Spannungen u induziert werden. Die in der Spannungsschleife
6 induzierten Spannungen werden über Anschlußpunkte e, k zu einem Spannungsanzeiger
7 geführt.
-
Als Spannungsanzeiger kann beispielsweise ein Spitzenspannungsmesser,
ein Schwellwertanzeiger, z. B. unter Verwendung eines bistabilen Multivibrators,
oder eine Meßeinrichtung einer Fernübertragungsanlage dienen.
-
An Hand der F i g. 2 und 3 ist das der Erfindung zugrunde liegende
Prinzip erläutert. In der F i g. 2 ist die Hystereseschleife B = 1(11) dargestellt.
Die mamagnetische FeldstärkeH verhält sich dem erregenden Strom J proportional.
In der Fig. 3 ist der Zeitverlauf der an einen Ferritringkern gelegten magnetischen
FeldstärkeH dargestellt. Der Punkt entspricht der Magnetisierung des Ferritringkernes
in den Tastimpulspausen. Während dieser Zeit wird der Ringkern nur durch den zu
messenden Gleichstrom IG magnetisiert. Die Induktion beträgt dabei BG. Bei einem
Tastimpuls JT wird der magnetisierbare Ringkern entlang der eingezeichneten Pfeile
in die negative Sättigung -B, gebracht. Dabei wird der Punkt auf dem unteren Ast
der Hystereseschleife erreicht.
-
Nach dem Abklingen des Tastimpulses JT wird wiederum der Punkts erreicht.
Während des Anstiegs bzw. Abfalls der Impulse JT wird in der Spannungsschleife 6
eine Spannung u induziert, die sich dem Differentialquotienten der Induktion über
der Zeit
proportional verhält. Bei fehlendem Gleichstrom IG wird eine Induktionsdifferenz
von A B = Bs - B0 erreicht. Auf diesen Nullwert wird dann der Spannungsanzeiger
geeicht, so daß diesem Wert eine Stromanzeige IG = 0 entspricht. Das Gerät sollte
derart eingestellt sein, daß die maximal zu messenden Ströme kein größeres Feld
als Hmax, entsprechend dem Punkt C auf der Hystereseschleife, ergeben, da andernfalls
durch die starke Krümmung der Hystereseschleife oberhalb dieses Punktes C eine Skalaeichung
sehr schwierig wird und eine Messung von Unterschieden der Stromstärken im Sättigungsbereich
der Hysteresekurve überhaupt unmöglich ist.
-
Durch Verwendung mehrerer Strommeßschleifen verschiedener Windungszahlen
kann der Strommeßbereich varüert werden.
-
In der Fig. 4 ist der Prototyp einer Hystereseschleife dargestellt,
die für ein für das erfindungsgemäß Meßgerät verwendetes Kernmaterial geeignet ist.
Dieser Prototyp der Hystereseschleife besteht aus zwei parallel verlaufenden ansteigenden
bzw. abfallenden Hystereseästen, die rechts bzw. links der Knickprmkte D, E, G und
F in die horizontale Sättigung
übergehen. Stimmt der KnickpunktF,
an dem die Hystereseschleife anzusteigen beginnt, mit der negativen Remanenzinduktion
- Bs überein, dann wird bei fehlendem Gleichstrom überhaupt keine Spannung an der
Spannungsschleife 6 induziert. Die Eichung des Spannungsanzeigers 7 ist dabei außerordentlich
einfach. Mit ansteigendem Gleichstrom IG wird direkt proportional die Spannung u
induziert bis zu einem Wert, der dem oberen KnickpunktE entspricht. Gleichströme,
die einer Erregung oberhalb dieses Knickpunktes E entsprechen, können nicht mehr
gemessen werden. Für diese wird jeweils nur der dem Knickpunkt E entsprechende Spannungswert
angezeigt. Der Meßbereich ist daher bis dahin begrenzt. Diesem Prototyp der Hystereseschleife
kommen folgende Werkstoffe in ihrem Magnetisierungsverhalten nahe: Schaltkernferrite
mit langen Schaltzeiten auf Mg-Mn-Zn-Ferritbasis und wegen der günstigen Temperaturstabilität
induzierte Rechteckferrite auf Ni-Zn-Co-Ferritbasis.
-
Da die Ausgangsspannung u dem Differentialquotienten der Induktion
B über der Zeit t proportional ist, verwendet man vorteilhafterweise TastimpulseJT
mit einer kurzen Anstiegszeit, d. h. mit einer großen Anstiegssteilheit.
-
Im allgemeinen ist es erwünscht, als Kernmaterial des magnetisierbaren
Kerns ein Material mit sehr kleinem Temperaturkoeffizienten zu verwenden. Wird jedoch
mit Rücksicht auf eine gewünschte Charakteristik der Hystereseschleife ein Kernmaterial
mit einem nicht unerheblichen Temperaturkoeffizienten der Permeabilität bzw. Induktivität
verwendet, dann ist in Anlehnung an ein bekanntes Verfahren parallel zur Spannungsschleife
ein temperaturabhängiger Spannungsteiler geschaltet.
-
In der F i g. 5 ist als Beispiel ein derartiger temperaturabhängiger
Spannungsteiler dargestellt. Dieser Spannungsteiler wird zwischen die Spannungsschleife
6 und den Spannungsanzeiger 7 eingeschaltet.
-
Die Widerstandselemente 8 und 9 weisen ein temperaturabhängiges Verhalten
auf. Zur Ankopplung wird ein Kondensator 10 verwendet. Als temperaturabhängige Elemente
eignen sich beispielsweise Heißleiter bzw. Kaltleiter. Selbstverständlich können
auch andere bekannte Möglichkeiten zur Temperaturkompensation verwendet werden,
z. B. eine weitere Schleife, in der ein durch einen Heißleiter temperaturabhängiger
Strom fließt, der ein temperaturabhängiges Gegenmagnetfeld hervorruft, so daß die
Ausgangsspannung temperaturunabhängig wird.
-
Als Ausführungsbeispiel für die Anwendung des Erfindungsgedankens
auf ein Netzgerät mit elektronischer Überstromsicherung dient eine mit einem Netzteil
15 und mit einem Generator 16 versehene Schaltungsanordnung gemäß Fig. 6. Als Magnetkern
3 dient ein mit 6 mm Durchmesser versehener Kern aus einem Ferritmaterial auf Mg-Mn-Zn-Basis,
der die Gleichstrommeßschleife 2, die Einkoppeltastschleife4 für die Tastimpulse,
die Auskoppelspannungsschleife 6 und eine Temperaturkompensationswicklung 11 trägt.
Bei einer bestimmten Stromstärke des aus dem Netzteil 15 entnommenen Hauptstroms
(z. B. 1 A), dessen einer Teil durch den Magnetkern 3 geführt ist, werden die Ausgangsimpulse
so groß, daß unter ihrer Wirkung ein dem Gleichstromwandler nachgeschalteter bistabiler
Multivibrator 12 umkippt.
-
Die Charakteristik der Hystereseschleife des Magnetkernes aus Mg-Mn-Fn-Ferritmaterial
ist so günstig, daß die Amplitude in der Umgebung der kritischen Stromstärke des
durch die Gleichstrommeßschleife 2 fließenden Stroms in Abhängigkeit von der Stromstärke
besonders rasch ansteigt. Ein Ansteigen der Stromamplitude beispielsweise von 100
auf 110 mm bewirkt dabei eine Verdoppelung der Amplitude der Ausgangsimpulse. Die
Ansprechempfindlichkeit dieser elektronischen Sicherung übertrifft somit die Ansprechempfindlichkeit
jeder bekannten anderen Sicherung, z. B. Schmelzsicherung und Magnetsicherung, bei
weitem. Im umgekippten Zustand bewirkt der bistabile Multivibrator 12 eine Sperrung
eines in das Netzgerät 15 geschalteten Serientransistors 14. Durch Betätigung einer
Rückholtastel3 ist der ursprüngliche Zustand wiederherstellbar.