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Title:
INDUCTIVE, ELECTRICALLY-CONTROLLABLE COMPONENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1987/001505
Kind Code:
A1
Abstract:
An inductive component for universal use in any electrical/electronic circuits, whose coefficient of self-induction (L) is independent of the signal, is constant, electrically controllable and can be varied significantly. The component (10) comprises two mutually independent, identical ring-shaped and self-contained ferro-magnetic cores (11, 12) which individually carry the partial windings (15.1, 15.2) of an induction winding (15) and jointly carry a control winding (17). The direction of coiling of the windings (15.1, 15.2, 17) is such that the magnetic fields produced by currents through the windings are mutually weakened, but in the other core (12) they are reinforced. The component (10) is connected via its induction winding (15) to a controlled circuit (25), and via its control winding (17) to a controlling circuit (27), or forms with its windings (15, 17) an element of this circuit (25, 27). By varying the current (I) via the control winding (17) the controlling circuit (27) controls the value of the coefficient of self-induction (L) for the controlled circuit (25), a variation range of at least 1:100 being provided.

Inventors:
KISLOVSKI ANDRE (CH)
Application Number:
PCT/CH1986/000119
Publication Date:
March 12, 1987
Filing Date:
August 15, 1986
Export Citation:
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Assignee:
HASLER AG (CH)
International Classes:
H01F29/14; (IPC1-7): H01F29/14
Foreign References:
US2802186A1957-08-06
FR1098304A1955-07-22
GB966247A1964-08-06
BE639429A
DE1955153A11970-05-27
US3015059A1961-12-26
DE953713C1956-12-06
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Claims:
Patentansprüche
1. Induktives, elektrisch steuerbares Bauelement (10), umfassend zwei voneinander unabhängige, gleiche, koaxial angeordnete, ringförmig in sich geschlossene, ferromagnetische Kerne (11, 12), eine Steuerwicklung (17), die die beiden Kerne (11, 12) gemeinsam umwindet, und eine Induktionswicklung (15), die in Form zweier in Reihe geschalteter Teilwicklungen (15.1, 15.2) die beiden Kerne (11, 12) je einzeln umwindet, derart, dass die durch Ströme durch die Wicklungen (17, 15.1, 15.2) in den Kernen (11, 12) erzeugten Magnetflüsse im einen der Kerne (z.B. 11) gleichgerichtet und im anderen der Kerne (z.B. 12) inversgeriehtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionale Abhängigkeit der magnetischen Flussdichte (B) von der magnetischen Feldstärke (H) beim Kernmaterial einen Verlauf aufweist, der in seinem gesamten Bereich etwa gleichförmig gekrümmt und ohne S'ättigungsknick ist, der weichmagnetisch und damit für steigende und für fallende Feldstärke (H) weitgehend identisch ist, und dessen Steigung wenigstens im Verhältnis 1:100 variiert (Fig. 2, 3, 7, 8).
2. Bauelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmaterial hochfrequenztauglich ist.
3. Bauelement (10) nach Anspruch.1, dadurch gekennzeichnet, ' dass den beiden ersten Kernen (11, 12 bzw. 11a, 12a) wenigstens ein zweites Paar Kerne (11b, 12b) zugeordnet ist, deren Kernmaterial sich paarweise vom Kernmaterial der ersten Kerne (11a, 12a) unterscheidet, derart, dass jede Teilwicklung (15.1, 15.2) gemeinsam je einen Kern (Ha, 11b; 12a, 12b) jedes Paares umwindet, und dass die Steuerwicklung (17) alle Kerne (11a, 12a, 11b, 12b) gemeinsam umwindet (Fig. 4, 9).
4. Bauelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den beiden ersten Kernen (11, 12 bzw. 11a, 12a) wenigstens ein zweites Paar Kerne (11b, 12b) zugeordnet ist, deren Kernmaterial sich paarweise vom Kernmaterial der ersten Kerne (11a, 12a) unterscheidet, derart, dass jede Teilwicklung (15.1, 15.2) gemeinsam je einen Kern (11a, 11b; 12a, 12b) jedes Paares umwindet, und dass wenigstens zwei Steuerwicklungen (17a, 17b) vorgesehen sind, von denen jeweils eine die Kerne (Ha, 12a, 11b, 12b) je eines Paares gemeinsam umwindet (Fig. 4, 11).
5. Bauelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerwicklung (17 bzw. 17a) und der Induktionswicklung (15 bzw. 15a) wenigstens eine weitere Steuerwicklung (17b) und/oder eine weitere Induktionswicklung (15b) beigefügt ist, die zueinander parallel die Kerne (11, 12) gemeinsam umwinden (Fig. 10, 12).
6. Verfahren zum Betreiben des Bauelements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass.. durch die Steuerwicklung (17) ein Steuerstrom (I) geleitet wird, dessen Stromstärke beliebig, einschliesslich Null, einstellbar ist, und dass durch die Induktionswicklung (15) ein Signalstrom (S) beliebiger Form und Frequenz geleitet wird, dessen Amplituden einer Stromstärke entsprechen, die klein ist gegenüber der maximalen Stromstärke des Steuerstromes (I).
7. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Steuerwicklung (17b) vorgesehen ist, durch die je ein zusätzlicher Steuerstrom (Ib) geleitet wird (Fig. 10, 11).
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Induktionswicklung (15b) vorgesehen ist, durch die je ein weiterer Signalstrom (S) geleitet wird (Fig. 12).
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Amplitudenänderung des Steuerstromes (I) klein ist gegenüber der entsprechenden Änderung des SignalStromes (S).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennze'ichnet, dass der Steuerstrom (I) ein Quasigleichstrom und der Signalstrom (S) ein Wechselstrom mit einer Frequenz von wenigstens 1 kHz ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerstrom (I) ein erster Wechselstrom und der Signalstrom (S) ein zweiter Wechselstrom ist, wobei die Frequenz des ersten Wechselstromes kleiner ist als die Frequenz des zweiten Wechselstromes.
12. Verwendung des Bauelements (10) nach Anspruch 1 als Spule, durch die ein induktiv zu beeinflussender Signalstrom (S) fliesst, wobei die Stärke der Beeinflussung einstellbar ist durch die Stromstärke eines durch die Steuerwicklung (17) fliessenden, die Vormagnetisierung der Kerne (11, 12) einstellenden Steuerstroms (I), dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (10), eingefügt in eine beliebige elektrische/elektronische Schaltungsanordnung, den Signalstrom (S) unabhängig von seiner Form und Frequenz stets mit einer quasi konstanten Induktivität (L) und somit quasi verzerrungsfrei beeinflusst.
13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionswicklung (15) Bestandteil eines gesteuerten Schaltkreises (25) und die Steuerwicklung (17) Bestandteil eines steuernden Schaltkreises (27) ist (Fig. 13).
14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (10) als Stellglied in einen Regel oder Steuerkreis eingefügt ist.
15. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (10) als Messwandler eingesetzt ist.
Description:
Induktives, elektrisch steuerbares Bauelement

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 2. Weiter betrifft sie ein Verfahren zum Betreiben und die Verwendung des Bauelements entsprechend den Oberbegriffen der anderen unabhängigen Ansprüche.

Induktive Bauelemente sind als Drosselspulen, induktive Widerstände, SignalÜbertrager usw. allgemein bekannt, desgleichen ihr Einsatz in elektrischen/elektronischen Schaltkreisen. Ihre Pendants als Komponenten solcher Schaltkreise sind Widerstand und Kondensator.

Die entscheidende Grosse eines induktiven Bauelements im Hinblick auf ein Nutzsignal ist die relative Permeabilität μ r seines Kernmaterials, die zusammen mit dem Quadrat der Windungszahl n der Wicklung proportional zur Induktivität L des Elements ist. Die Induktivität L wiederum ist die praktisch wichtige Grosse, die den Schaltungstechniker interessiert.

Bei den Komponenten Widerstand und Kondensator gibt es verschiedene Möglichkeiten, die zugeordneten Grossen Widerstandswert bzw. Kapazität in einer Schaltungsanordnung linear und elektrisch zu verändern. Beispiele für den elektrisch steuerbaren Widerstand sind die Elektronenröhre, insbesondere die Pentode, oder der Feldeffekttransistor. Ein Beispiel für den elektrisch veränderbaren Kondensator ist die in Sperrichtung gepolte Halbleiterdiode.

Die bekannten elektrisch steuerbaren induktiven Bauelemente wie Variometer, Magnetverstärker, Regeldrossel usw. sind in ihrer Wirkungsweise nicht mit den oben genannten Beispielen Feldeffekttransistor oder Halbleiterdiode vergleichbar. Sie arbeiten im wesentlichen unter Ausnützung nichtlinearer Magnetisierungskurven, wobei die zu regelnden Wechselströme bei jeder Wellenperiode einen wesentlichen Teil der Magnetisierungskurve durchlaufen und den Magnetkern mehr oder weniger lang in die Sättigung treiben. Hierbei wird die Wellenform jeweils drastisch verändert. Die genannten induktiven Bauelemente sind daher eher mit heutigen Phasenaπschnittsteuerungen, z.B. unter Verwendung eines Thyristors, zu vergleichen.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, als Pendant zu den elektrisch steuerbaren Widerständen und Kondensatoren eine induktive Komponente für den universellen Einsatz in beliebigen elektrischen/elektronischen Schaltkreisen anzugeben, deren für ein beliebiges WechselSignal wirksame Induktivität L stets konstant und trotzdem in weiten Grenzen variierbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gegeben durch die kennzeichnenden Teile der unabhängigen Ansprüche. Dies bedeutet, auf einen kurzen Nenner gebracht: Es wird ein induktives Bauelement angegeben mit für ein Nutzsignal konstanter relativer Permeabilität μ r , deren Wert elektrisch im Verhältnis von wenigstens 1:100 variierbar ist.

Diese letzere Kennzeichnung klingt wie die Erfüllung eines universellen Wunsches, was auch wirkTich der Fall ist. Das neue induktive Bauelement vereinigt für seine Induktivität erstmalig die fünf Eigenschaften signalunabhängig, linear bzw. konstant, elektrisch steuerbar, galvanisch getrennt und stark variierbar. Damit unterscheidet es sich von allen bekannten induktiven Elementen ganz wesentlich.

Das durch die Lösung der Aufgabe angegebene induktive Bauelement und die erfindungsgemäss gefundenen Verwendungen eröffnen den Weg für eine Vielzahl verschiedenster neuer Schaltungsanordnungen, für die sicherlich seit langer Zeit ein erhebliches Bedürfnis bestand, die jedoch bisher kaum realisierbar waren. Das neue induktive Bauelement und seine erfindungsgemässe Verwendungen sind damit geeignet, der elektrischen/elektronischen Schaltungstechnik neue Möglichkeiten und damit wesentliche Impulse zu geben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von 13 Figuren beispielsweise näher beschrieben, wobei diverse Hinweise auf den Stand der Technik und die Unterschiede zu diesem gegeben werden. Es zeigen:

Fig. 1 - Allgemeines Schema eines steuerbaren induktiven Bauelements

Fig. 2 - Abhängigkeit der magnetischen Flussdichte B von der magnetischen

Feldstärke F für einen ferromagnetisehen Kern

Fig. 3 - entsprechend Abhängigkeit für zwei gleiche Kerne

Fig. 4 - entsprechend Abhängigkeit für zwei Kernpaare mit unterschiedlichen

Kernen

Fig. 5 - Schematischer Aufbau eines elektrisch steuerbaren, induktiven

Bauelements gemäss der Erfindung

Fig. 6 - Praktischer Aufbau des Bauelements gemäss Fig. 5

Fig. 7 bis 12 - Symbolische Darstellungen von Varianten des Bauelements gemäss Fig. 5 und 6

Fig. 13 - Schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Verwendung des Bauelements gemäss der vorhergehenden Figuren.

Fig. 1 zeigt rein schematisch und allgemein ein induktives Bauelement 10, das elektrisch über einen Steuereingang 16 steuerbar ist. Das Bauelement 10 umfasst einen ferromagnetisehen Kern 9 und eine Induktionswicklung 15. Nach aussen, d.h. gegen seine beiden Signalanschlüsse 14, weist das Bauelement 10 eine Induktivität L auf, die unabhängig von der Form, Amplitude und Frequenz des Nutzsignals S ist, das an die Signalanschlüsse 14 angelegt wird. Die Induktivität L ist somit eine echte Konstante, deren Wert jedoch über ein elektrisches Steuersignal, das an den Signaleingang 16 angelegt wird, d.h. insbesondere durch einen Steuerstrom I, in weiten Grenzen variierbar ist. Die Variierbarkeit, Einstellbarkeit bzw. Steuerbarkeit des induktiven Bauelements 10 ist in Fig. 1 durch einen Pfeil angedeutet, der den Kern 9 und die Induktionswicklung 15 kreuzt.

Das gezeigte induktive Bauelement 10 bildet eine echte, elektrisch steuerbare Komponente zum Aufbau beliebiger elektrischer und/oder elektronischer Schaltungen, deren Pendants elektrisch steuerbare Widerstände und elektrisch steuerbare Kondensatoren sind. Die

Induktivität L des Bauelements 10 ist daher analog zu verstehen wie der Widerstandswert R eines ' Bauelements "steuerbarer Widerstand" und die Kapazität C eines Bauelements "steuerbarer Kondensator". Wie diese Grossen R und C ist damit die Gr sse L des Bauelements 10 - es sei nochmals betont - Signalunabhängig.

Zur Erklärung des Aufbaus und der Wirkungsweise des erfindungsgemässen induktiven Bauelements 10 wird vorerst auf Fig. 2 verwiesen. Diese Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der magnetischen Flussdichte B " von der magnetischen Feldstärke H für einen Kern 9 aus einem geeigneten ferromagnetisehen Material, insbesondere einem Ferrit. Diese Abhängigkeit ist als Magnetisierungskurve oder Hysteresiskurve wohlbekannt. Bei der Kurve von Fig. 2 handelt es sich insbesondere um die Kurve eines weichmagnetischen Materials, bei dem die beiden Arme der Hysteresis im wesentlichen zusammenfallen, also für steigende und für fallende Feldstärke IT weitgehend identisch sind.

Auf der Abszisse ist zum einen die magnetische Gesamtfeldstärke T aufgetragen, die sich zusammensetzt aus einer

Vormagnetisierungsfeldstärke H und einer Signalfeldstärke h, auf der Ordinate die magnetische Gesamtflussdichte 1 " , zusammengesetzt aus der Vormagnetisierungsflussdichte B und der Signalflussdichte b.

Durch einen Steuerstrom I durch eine bisher nicht erwähnte, den Kern 9 beeinflussende Steuerwicklung, lässt sich nun im Kern 9 ein beliebiger

Arbeitspunkt A einstellen. Dies bedeutet, dass der Kern so vormagnetisiert wird, dass ϊ = H/\ und ¥ = BA- In diesem Zustand bewirkt ein Nutzsignal S, das über die Induktionswicklung 15 mit dem Kern 9 in Wechselwirkung kommt, am Arbeitspunkt A eine überlagerte Signalfeldstärke h und eine damit gekoppelte Signalflussdichte b. Die durch den Quotienten dieser beiden Grossen b und h gegebene jeweilige relative Permeabilität x/_ = b/μ o *h ( μ o = magnetische Feldkonstante bzw. Permeabilität des freien Raumes) entspricht für sehr kleine Signale S der Steigung a der Magnetisierungskurve im genannten Arbeitspunkt A. Für grössere Signale S ist μ/\ dagegen im allgemeinen nicht konstant, wodurch erhebliche SignalVerzerrungen entstehen.

Der im Zusammenhang mit Fig. 2 bis hierher beschriebene Sachverhalt ist z.B. aus H. Krakowski, Die magnetische Regeltechnik und ihre Anwendungen in den Stromversorgungsanlagen der Deutschen Bundespost, Der Fernmelde-Ingenieur, 8. Jahrgang, Heft 7, Seiten lff (15. Juli 1954), insbesondere Abschnitt "Induktivitätssteuerung" (Seiten 5 und 6) bekannt.

Zu jedem Arbeitspunkt A der Magnetisierungskurve lässt sich der

Zusammenhang zwischen b und h mathematisch in Form einer Taylorreihe darstellen. Diese lautet mit Gliedern jeder Potenz von h. Für sehr kleine Werte von h sind die

Glieder mit höheren Potenzen zu vernachlässigen. Für grössere Werte von h dagegen sind alle Glieder von Bedeutung, was eine erhebliche

Nichtlinearität zwischen b und h bedeutet und der mathematische Ausdruck

für die genannte Nichtkonstanz der jeweiligen relativen Permeabili ät μ\ ist.

Sollen SignalVerzerrungen durch die beschriebene Nichtlinearität vermieden werden, so ist der Arbeitspunkt A in einem linearen Bereich der Magnetisierungskurve zu wählen. Ein erster solcher Bereich mit maximaler Permeabilität μ liegt bei den meisten Kernmaterialien bei TT = H/\ = 0 und = BA = 0, also im Gebiet um den Nullpunkt der Magnetisierungskurve bzw. im Gebiet fehlender Vormagnetisierung. Dies ist daher der in der konventionellen Technik stark bevorzugte Bereich, in dem überwiegend gearbeitet wird.

Ein zweiter linearer Bereich der Magnetisierungskurve liegt bei grossen Werten von H, der als Sättigung bekannt ist. Hier ist die relative Permeabilität μ sehr gering, d.h. ihr Wert wird annähernd 1 und entspricht damit nur dem Wert von nicht- oder schwachmagnetischen Stoffen. Der Sättigungsbereich wird daher aus konventioneller Sicht als uninteressant betrachtet und bleibt, von Sonderfällen abgesehen, unbeachtet. In den Sonderfällen dient der Sättigungsbereich z.B. zum Auslösen von Triggersignalen, die das Erreichen der Sättigung anzeigen. Ein Beispiel hierfür bildet die Einrichtung nach der Schrift US 3541 428 (F.C. Schwarz, Unsaturating saturable core transformer).

Nach diesen, im wesentlichen den Stand der Technik darstellenden Betrachtungen wird im folgenden dargelegt, wie das Problem der mangelnden Linearität zwischen der magnetischen Signalflussdichte b und

der zugeordneten magnetischen Signalfeidstärke h überwunden wird. Hierzu wird der Kern 9 vorerst- in zwei gleiche Kerne 11 und 12 mit je dem halben Querschnitt des Kerns 9 aufgespalten. Ferner wird jeder dieser Teilkerne mit einer Induktionswicklung versehen, die beide die halbe Windungszahl aufweisen wie die Induktionswicklung 15 des bisher beschriebenen Bauelements 10. Die Kerne 11 und 12 besitzen somit identische Eigenschaften, werden jedoch unterschiedlich betrieben. Dies zeigt Fig. 3. Analog zu Fig. 2 ist auf der Abszisse die Gesamtfeldstärke T des Kerns 11 und die des Kerns 12 und auf der Ordinate entsprechend die Gesamtflussdichten B " aufgetragen. Die Kerne 11 und 12 besitzen auf Grund des gleichen Kernmaterials und der gleichen Kerngeometrie einen gleichen Verlauf der beiden Magnetisierungskurven wie der Kern 9 von Fig. 2.

Durch einen ersten Steuerstrom l wird analog zu Fig. 2 im Kern 11 ein Arbeitspunkt Aj eingestellt, der einer magnetischen Feldstärke = H I und einer magnetischen Flussdichte B = BAI entspricht. In der Darstellung ist die Ordinate durch diesen Arbeitspunkt A^ gelegt, was einer Verschiebung der Abszisse um den Betrag HAI nacn ün s bedeutet. Dies ist zulässig und hat physikalisch keine Konsequenz.

Durch einen zweiten Steuerstrom I wird im zweiten Kern 12 ebenfalls ein Arbeitspunkt Ä eingestellt, der jedoch im Gegensatz zum Arbeitspunkt Ai von Kern 11 nicht im 1. Quadranten, sondern im 3. Quadranten der Darstellung liegt. Weiter wird die zugehörige Abszisse um den Betrag HA der zugeordneten Vormagnetisierungsfeldstärke nach rechts verschoben, so dass beide Arbeitspunkte Ai und A auf der gleichen Ordinate liegen.

Schliesslich wird dafür gesorgt, dass H I betragsmässig gleich H 2 ist.

Für dόn Zusammenhang zwischen der durch den Kern 11 gegebenen

Signalflussdichte bx und der Signalfeldstärke h eines im Arbeitspunkt Ax wirkenden Signals S gilt analog zur Reihendarstellung im Zusammenhang mit

Fig. 2 bi = aχ«h + a2*h 2 + a3«h 3 + a4 « h 4 + ...

Entsprechend gilt für den Kern 12 unter Beachtung der Symmetrie der

Magnetisierungskurve und der Lage des Arbeitspunktes A2 im 3. Quadranten für das gleiche Signal S

-b 2 = aι(-h) + a2(-h) 2 + a 3 (-h)3 + a (-h) 4 + ...

Wirkt das Signal S gleichzei ti g und gleicharti g auf beide Kerne 11 und 12 mi t den symmetri sch .ei ngestel lten Arbei tspunkten A und A2, so gi lt für die dabei wi rksame, kombi ni erte Signalfl ussdichte b: b = ö + ( -b2) = 2aχ- h + 2a3« + ...

Dieser Ausdruck zeigt, dass durch die Kombination der Kerne 11 und 12 für jedes symmetrische Paar von Arbeitspunkten Aχ s A2 eine ganz wesentliche Linearisierung des Zusammenhangs von b und h erreicht wird, denn alle Glieder mit geradzahligen Potenzen von h heben sich gegenseitig auf. Für nicht zu grosse Signale S wird damit das erste Glied der Reihe dominierend, so dass von einem quasilinearen Zusammenhang zwischen b und h gesprochen werden kann, und zwar unabhängig von den jeweils paarweise gewählten Arbeitspunkten Ax, A2.

Der Faktor 2aχ des ersten verbleibenden Gliedes entspricht der doppelten

Steigung der beiden Magnetisierungskurven in den Arbeitspunkten Ax und A2. Da wegen der Halbierung der Induktionswicklungen 15 der Teilkerne 11, 12 für ein gegenüber Figur 2 unverändertes Signal S in Fig. 3 statt "h" richtiger < _ h > zu schreiben gewesen wäre, gleichen sich die Faktoren _ und 2 gegenseitig aus. Für die Vormagnetisierungsfeldstärke H = -H = 0 fallen die Arbeitspunkte Ax und A2 zusammen und es besteht ein Zustand wie bei einem einzelnen, nicht aufgespaltenen Kern 9.

Der quasilineare Zusammenhang zwischen b und h beim Gesamtarbeitspunkt A ist in Fig. 3 mit der Bezugszahl 18 eingetragen. Jedes beliebige Nutzsignal S (z.B. ein Rechtecksignal von 1,7 V ss , einem Tastverhältnis von 5 zu 2 und einer Frequenz von 37,6 kHz) beeinflusst das geschilderte Bauelement 10 einzig in diesem Arbeitspunkt A. Die hierbei wirkende Induktivität L ist proportional zur jeweiligen, durch b und h gegebenen Permeabilität μA, d.h. proportional zur Steigung 2aχ des Zusammenhangs 18 von b und h.

Durch symmetrische Veränderung der Vormagnetisierung der Kerne 11 und 12 durch Verändern der gegensinnigen Vormagnetisierungsfeldstärken H bzw. -H verschieben sich die Magnetisierungskurven beider Kerne 11, 12 gegensiπnig längs der Abszisse H. Hierdurch gleiten die Arbeitspunkte Ax und A2 auf der Ordinate gegensinnig entweder auf bzw. ab. Gesamthaft stellt sich im Gesamtarbeitspunkt A damit jeweils eine veränderte Steigung 2aχ ein, die für das genannte Nutzsignal S einen entsprechend veränderten Indukti itätswert L darstellt.

Bei den üblichen ferromagnetisehen Kernmaterialien schwankt die Steigung der Magnetisierungskurve vom Nullpunkt bis zur tiefen Sättigung ganz erheblich. Entsprechend lässt sich durch die gezeigte symmetrische Arbeitspunkteinstellung Ax, A2 der Induktivitätswert L in jedem Fall im Verhältnis von wenigstens 1 : 100 variieren. Bei gewissen Kernmaterialien ist ohne weiteres ein Verhältnis von 1 : 1000 erreichbar.

Ein Bauelement 10 mit zwei Kernen 11 und 12, die gegensinnig gleich stark vor agnetisiert werden, stellt damit eine lineare (bzw. konstante), elektrisch steuerbare Induktivität L dar, wie sie zu Beginn der Beschreibung als Pendant zum elektrisch gesteuerten Widerstand R und zur elektrisch gesteuerten Kapazität C geschildert wurde. Die Steuerung erfolgt dabei über die Steuerströme Iχ und I und die damit zusammenhängende Vormagnetisierung +H bzw. -H der Kerne 11, 12.

Der Bereich, in dem jeweils L als konstant betrachtet werden kann, wird durch die angegebene Taylorsche Reihe b = bx + b2 und deren Glieder bestimmt. Die Nutzsignale S müssen in ihrer Grosse an diesen Bereich angepasst sein. Dies bedeutet, dass die Signalfeldstärke h des jeweiligen Nutzsignals S stets klein ist gegenüber dem Variationsbereich, in dem die Vormagnetisierungsfeldstärken H und -H einstellbar sind. Die Amplitude eines Nutzsignals S muss daher stets so klein sein, dass sie bei weitem nicht ausreicht, die Kerne 11, 12 in die Sättigung zu treiben. Dies soll auch ausgedrückt werden durch die Wahl der Kleinbuchstaben h für die Signalfeldstärke und b für die

Signalflussdichte gegenüber den Grossbuchstaben H und B der entsprechenden Vormagnefisierungsgrössen.

Soll - wie gewünscht - der Bereich 18 für jedes Arbeitspunktpaar Ax, A2 möglichst lang und möglichst linear sein, so ergibt sich die Forderung an die Magnetisierungskurve des zu verwendenden Kernmaterials, dass diese in ihrem gesamten Bereich möglichst gleichmässig gekrümmt und ohne Sättigungsknick verläuft. Durch die Taylorreihe b = aχ«h + a2*h2 + ... ausgedrückt bedeutet dies, dass in jedem Arbeitspunkt Ax bzw. A2 der Faktor ax des ersten Gliedes möglichst gross und die Faktoren a2, 83, a 4 ... der anderen Glieder vergleichsweise möglichst klein sein sollen. Durch die erste Ableitung dB * /dlϊ = f( ) ausgedrückt bedeutet es, dass die Ableitung möglichst wenig ausgeprägte Wendepunkte aufweisen soll. Ein gut geeignetes Material, das darüber hinaus auch hochfrequenztauglich ist, ist z.B. das Material "H" der Firma Magnetics, das bei einem toroidalen Kern 22,1 x 13,71 x 6,35 einen Aι_-Wert von rund 18000-lO" 9 H/w2 aufweist.

In Weiterbildung der Erfindung lassen sich folgende grundlegenden

Varianten angeben: a) Varianten betreffend die Kerne 11 und 12: aa) Unter Wahrung der aufgezeigten Symmetrie der voneinander unabhängigen Kerne (11, 12) kann jeder Kern zusammengesetzt werden aus zwei oder mehr Teilkernen, wobei die Gesamtquerschnitte aller Teilkerne im Paar gleich sein müssen. Die Zusammenfassung der Teilkerne kann konzentrisch oder axial erfolgen.

ab) Als bevorzugte und praktisch- ichtige Weiterbildung können zwei oder mehr Paare von Kernen 11, 12 eingesetzt werden, die unterschiedliches Kernmaterial aufweisen. Hierdurch entsteht eine Überlagerung von verschiedenen Magnetisierungskurven, die insgesamt jedoch für die Steuerströme Iχ und I2 und die sich ergebenden Arbeitspunkte Aj und A2 symmetrisch ist. Näheres hierzu wird anhand von Fig. 4 gesagt, b) Varianten betreffend die Steuerung: ba) Die gegensinnige Vormagnetisierung der Kerne 11 und 12 lässt sich erreichen durch gegensinnige Richtung der Steuerströme Iχ und I oder durch gegensinnigen Wicklungssinn der Steuerwicklungen. bb) Die Vormagnetisierung der Kerne 11, 12 lässt sich durch Einzelströme Iχ, I2 erreichen oder durch Überlagerung der Wirkung verschiedener Steuerströme i n , die z.B. durch verschiedene Steuerwicklungen fliessen, d.h. durch Iχ =_ _i n χ und I2 = in2- bc) Bei zwei oder mehr Paaren von Teilkernen lässt sich die Vormagnetisierung jedes Paares von Teilkernen unabhängig von der Vormagnetisierung der jeweils anderen Paare von Teilkernen vornehmen. Dies zeigt Fig. 4, die im wesentlichen der Darstellung von Fig. 3 entspricht. Gegenüber dieser Darstellung sind jedoch zwei Paare unterschiedlicher Magnetisierungskurven gezeigt, die Kernen verschiedenen Kernmaterials nach Variante ab) entsprechen, die zudem unterschiedlich vormagnetisiert sind. Hierdurch ergeben sich insgesamt vier Teilarbeitspunkte Aχχ s Aχ2 und A2X, A22 » die sich symmetrisch und paarweise zum Gesamtarbeitspunkt A zusammenfügen. Die Steigung 2aχ des Linearbereiches 18 ist durch Änderung der Vormagnetisierung jedes der Kernpaare einzeln variierbar.

c) betreffend das Nutzsignal S: .Durch Einführung von mehreren Induktionswicklungen 15^ ist es möglich, die jeweils eingestellte relative Permeabilität μ auf mehrere Nutzsignale S wirken zu lassen. Dies bedeutet bei gleicher Windungszahl der Induktionswicklungen gleiche Induktivität L, bei unterschiedlicher Windungszahl der Wicklungen 15 jedoch entsprechend unterschiedliche Werte der Induktivität L sowie eine Kopplung der Signale S.

Nachdem vorstehend das elektrisch, steuerbare, induktive Bauelement 10 bezüglich seiner Eigenschaften und seiner Varianten eingehend beschrieben wurde, zeigt Fig. 5 schematisch zwei Möglichkeiten für den sehr einfachen physikalischen Aufbau, der zwar darstellungsmässig, jedoch nicht funktions ässig, altbekannt ist, beispielsweise aus der bereits zitierten Schrift US 3 541428 oder aus US 2 802 186 (G.H. Dewitz, Saturable core apparatus).

Nach Fig. 5 umfasst das Bauelement 10 jeweils zwei bezüglich ihrer Geometrie und des Kernmaterials gleiche, ferromagnetische, ringförmig in sich geschlossene, von einander magnetisch unabhängige Kerne 11 und 12. Weiter umfasst das Bauelement 10 eine Induktionswicklung 15, die sich aus zwei Teilwicklungen 15.1 und 15.2 zusammensetzt, die in Serie geschaltet sind, die gleiche Windungszahlen aufweisen und je einen der Kerne 11, 12 einzeln im gleichen Wicklungssinn umwinden.

Das Bauelement 10 umfasst sehliesslich nach Fig. 5a eine Steuerwicklung 17, die sich ebenfalls aus zwei Teilwicklungen 17.1 und 17.2

zusammensetzt, die in Serie geschaltet sind, die die gleiche Windungszahl aufweisen und ebenfalls je einen der Kerne 11, 12 einzeln umwinden, jedoch die eine TeilWicklung 17.1 im einen und die andere Teilwicklung 17.2 im anderen Wicklungssinn. Nach Fig. 5b umfasst das Bauelement 10 eine einzige Steuerwicklung 17, die die beiden Kerne 11, 12 gemeinsam umwindet.

In beiden Aufbauvarianten von Fig. 5 werden die Steuerströme Iχ und I2 zur Vormagnetisierung der Kerne 11 und 12 zwangsweise gleich, so dass die Vormagnetisierungsfeldstärken H bzw. -H dem Betrag nach ebenfalls gleich sind. Die Richtung der Vormagnetisierungsfelder ist in den beiden Kernen 11, 12 gegensinnig (angedeutet durch die Pfeile H bzw. -H), was Ausdruck ist für das Minuszeichen (-) der Feldstärke H im Kern 12. Die durch ein Nutzsignal S durch die Induktionswicklung 15 entstehende und sich in den Kernen 11, 12 den Vormagnetisierungsfeldern H bzw. -H überlagernden Signalfeldstärken h sind ebenfalls dem Betrag nach gleich und weisen gleichen Umlaufsinn auf, was durch die Pfeile h aufgezeigt ist. Im Kern 11 verstärkt damit das Feld h jeweils das Vormagnetisierungsfeld H, im- Kern 12 schwächt das Feld h dagegen das Vormagnetisierungsfeld -H. Dies ist gerade das Verhalten, wie es anhand von Fig. 3 ganz allgemein für ein Bauelement 10 mit zwei Kernen geschildert wurde. Ein Element entsprechend Fig. 5a oder 5b stellt damit eine erste, und zwar äusserst einfache, Realisierung des geschilderten Bauelements 10 dar.

In praktischer Hinsicht wird ein. etwas modifizierter Aufbau des Bauelements 10 nach Fig. " 5b bevorzugt, wie ihn Fig. 6 als Schnittzeichnung darstellt. Danach sind die ferromagnetisehen Kerne 11, 12 zwei gleiche, koaxial angeordnete, zylindrische oder besser toroidale Ringkerne (insbesondere Ferritkerne), von denen jeder im wesentlichen über seinen gesamten Winkelbereich gleichmässig mit einer Teilwicklung 15.1 bzw. 15.2 gleicher Windungszahl umwickelt ist. Diese Teilwicklungen haben entgegengesetzten Wicklungssinn. Die Steuerwicklung 17 ist in einem zweiten Arbeitsgang gemeinsam über die koaxial zusammengefassten Kerne 11, 12 und deren Teilwicklungen 15.1, 15.2 gewickelt, ebenfalls gleichmässig über den gesamten Winkelbereich, wodurch sie im Nebeneffekt die Kerne 11 und 12 mechanisch zusammenhält. Bei diesem Aufbau weisen die Vormagnetisierungsfelder H und -H gleichen Umlaufsinn auf, während die Signalfelder h gegensinnigen Umlaufsinn in den beiden Kernen 11, 12 aufweisen. Dies ist durch die Symbol (__) und Θneben den Schnittflächen der Kerne 11, 12 angedeutet.

Die Bevorzugung toroidaler Kerne 11, 12 ergibt nicht nur eine sehr kompakte Konstruktion aus auf dem Markt vorhandenen Teilen, sondern ergibt auch optimale elektrische Eigenschaften, weil das magnetische Feld H in einem Torus gleichverteilt ist und daher nur minimale magnetische Streuungen auftreten. Die Kopplung der Wicklungen 15 und 17 mit den Kernen 11, 12 ist zudem maximal, während die Kopplung zwischen den Kernen 11, 12 untereinander wiederum minimal ist. Ein solches, aus toroidalen Kernen 11, 12 aufgebautes Bauelement 10 besitzt damit zusätzlich zu den anhand von Fig. 3 geschilderten Eigenschaften solche,

die es tauglich machen für die Verwendung bei Hochfrequenzen bis wenigstens 100 kHz. Dies bedeutet vor allem, dass kaum schädliche Wechselwirkungen zwischen den Wicklungen 15 und 17 und/oder schädliche Kapazitäten an den Wicklungen 15 und 17 auftreten. Die Wicklungen 15 und 17 sind bezüglich ihrer Funktion an und für sich gegenseitig vertauschbar. Wegen der geschilderten

Hochfrequenzeigenschaften ist es jedoch vorteilhaft, die Wicklung 15 - wie bisher beschrieben - als Signalwicklung und die Wicklung 17 als Steuerwicklung einzusetzen.

Die Grosse und Form der Kerne 11, 12, das Kernmaterial, die Windungszahlen, die Drahtstärken und der Bewicklungsbereich der Wicklungen 15 und 17 sind rein nach praktischen Bedürfnissen, die sich aus der Art des Einsatzes des jeweiligen Bauelements 10 ergeben, wählbar. Sie sind für das prinzipielle Verhalten des Bauelements 10 irrelevant. Insbesondere können prinzipiell die Kerne 11, 12 statt ringförmig geschlossen (insbesondere als toroidaler Ferritkern) auch geschlitzt oder gar stabförmig ausgebildet sein. Dies hat jedoch durch die dann unvermeidlichen magnetischen Streuflüsse eine so erhebliche Verschlechterung sämtlicher Eigenschaften zur Folge, dass eine solche Ausführung eines Bauelements 10 kaum als sinnvoll zu bezeichnen ist.

Zur übersichtlichen Erläuterung der technischen Realisierungen der unter den Punkten a) bis c) aufgezeigten Varianten des Bauelements 10 wird eine symbolische Darstellung gewählt.

Fig. 7 zeigt die symbolische Darstellung für ein Element 10 entsprechend Fig. 5b. Dieses Element 10 weist die zwei Kerne 11 und 12 auf, die beide in Wechselwirkung mit der Steuerwicklung 17 stehen, und zwar bedingt durch die Wicklungsart entsprechend Fig. 5 gegensinnig. Dies ist durch die beiden invers gerichteten Pfeilspitzen in den Kernen 11, 12 neben der Wicklung 17 angedeutet. Die in Reihe geschalteten Teilwicklungen 15.1 und 15.2 weisen gleichen Wicklungssinn auf, was durch Punkte neben den Teilwicklungen und durch gleichgerichtete Pfeilspitzen in den Kernen 11, 12 neben den Teilwicklungen 15.1, 15.2 dargestellt ist.

Fig. 8 zeigt die symbolische Darstellung eines Bauelements 10, das dem Bauelement von Fig. 6 entspricht. Bei diesem Element weisen die Teilwicklungen 15.1 und 15.2 verschiedenen Wicklungssinn auf, während der Wicklungssinn der Steuerwicklung 17 für beide Kerne 11, 12 gleich ist.

Fig. 9 zeigt die symbolische Darstellung eines Bauelements mit zwei Kernpaaren, die paarweise zusammengefasst sind (z.B. koaxial oder konzentrisch). Die Steuerwicklung 17 umwindet alle vier Kerne 11a, 11b, 12a, 12b gemeinsam mit einheitlichem Wicklungssinn. Die Teilwicklungen 15.1 und 15.2 umwinden je zwei Kerne 11a, 11b bzw. 12a, 12b mit inversem Wicklungssinn. Dieses Bauelement entspricht der aufgezeigten Variante aa). Ist das Kernmaterial der Kerne 11a, 11b verschieden vom Material der Kerne 12a, 12b, so entspricht das Bauelement der Variante ab).

Fig. 10 zeigt die symbolische Darstellung eines Bauelements 10 entsprechend der Variante bb). Dieses Bauelement 10 weist zwei Steuerwicklungen 17a und 17b auf, die z.B. gleichen Wicklungssinn und unterschiedliche Windungszahlen besitzen. Beide Steuerwicklungen 17a, 17b wirken, galvanisch getrennt, auf die Kerne 11 und 12. Ein solches Bauelement 10 erlaubt damit die bequeme Überlagerung von zwei Steuerströmen I a , ϊ_ , wobei völlige Potentialtrennung automatisch gewährleistet ist.

Fig. 11 zeigt die symbolische Darstellung eines Bauelements 10 entsprechend der Variante bc). Dieses Element weist zwei Paare von Kernen Ha, 12a und 11b, 12b gleichen oder unterschiedlichen Kernmaterials auf. Jedem der Paare ist eine Steuerwicklung 17a bzw. 17b zugeordnet, eventuell mit unterschiedlichem Wicklungssinn wie gezeichnet. Die Teilwicklungen 15.1 umwinden die Kerne Ha und 11b, die Teilwicklungen 15.2 die Kerne 12a und 12b. Durch die Steuerströme I a und I D lassen sich die Kernpaare Ha, 12a und 11b, 12b unabhängig vormagnetisieren, entweder im gleichen Sinne (wie gezeigt) oder auch gegensinnig. Hierdurch lassen sich Störeffekte auf den Steuerleitungen kompensieren und/oder eine weiter verbesserte Linearisierung der jeweiligen, für das Nutzsignal S wirksamen Permeabilität μA erreichen.

Fig. 12 zeigt die symbolische Darstellung eines Bauelements 10 entsprechend der Variante c) mit zwei Induktionswicklungen 15a und 15b,

die beispielsweise als Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators oder Impulsübertragers einsetzbar sind und gleiche oder verschiedene Windungszahlen aufweisen können.

Weitere, hier nicht im einzelnen aufgezeigte Varianten entstehen durch Kombinationen aus den Elementen nach den Figuren 7 bis 12 und/oder durch Erweiterungen um dritte und vierte Wicklungen der gleichen Art, wobei gesamthaft die anhand der Figuren 3 und 4 aufgezeigte Symmetrie gewahrt bleiben muss.

Als generelle, elektrisch steuerbare Komponente mit bei jeder Einstellung konstanter Induktivität L lässt sich das Bauelement überall dort einsetzen, wo in einem elektrischen und/oder elektronischen Schaltkreis eine elektrisch steuerbare Induktivität sinnvoll ist. Einfache Beispiele einer erfindungsgemässen Verwendung sind z.B. ein variabler induktiver Widerstand oder ein über seine Induktivität abstimmbarer Schwingkreis. Bei solchen Verwendungen ist das Bauelement 10 entsprechend Fig. 13 mit seiner Induktionswicklung 15 stets an einen gesteuerten Schaltkreis 25 und mit seiner Steuerwicklung 17 an einen steuernden Schaltkreis 27 angeschlossen bzw. bildet mit diesen Wicklungen einen Bestandteil dieser Schaltkreise, und zwar so, dass der steuernde Schaltkreis 27 für den gesteuerten Schaltkreis 25 eine lineare Induktivität L eines zwischen weiten Grenzen liegenden Wertes einstellt.

Bei mehreren Induktionswicklungen 15a, 15b und/oder mehreren Steuerwicklungen 17a, 17b lassen sich diese Wicklungen an verschiedene

Eingänge der gleichen Schaltkreise 25 bzw. 27 anschliessen oder an entsprechende getrennte Schaltkreise.

Gegenüber den vergleichbaren Komponenten steuerbarer Widerstand R und steuerbare Kapazität C hat das induktive Bauelement 10 den wesentlichen Vorteil, dass seine Stromkreise von Natur aus galvanisch getrennt sind. Unterschiedliche Potentiale bei den Stromkreisen, z.B. 25 und 27, spielen daher keine Rolle.

Die Steuerung des Bauelements 10 erfolgt über beliebige Ströme I nicht zu hoher Frequenz. Von besonderer Bedeutung sind hierbei der Gleichstrom, der einem Wechselspannungsnetz zugeordnete, sinoidale Strom und der pulsierende, ungeglättete, durch Gleichrichtung eines sinoidalen Stroms gewonnene Gleichstrom. Die Steuerung kann damit statisch oder auch dynamisch wirken, wobei jedoch wesentliche induktive Rückwirkungen der Steuerwicklung 17 auf den Steuerstrom I vermieden werden sollten. Dies im Gegensatz zu den Nutzsignalen S, die bevorzugt hochfrequent (Frequenz grösser ca. 1 kHz) sind und bei denen eine induktive Wirkung gerade erwünscht ist.

Ein Bauelement 10 ist mit bekannten Methoden aus auf dem Markt erhältlichen Teilen herstellbar und damit billig. Gegen zerstörende Einflüsse jeglicher Art ist es unempfindlich. Sehliesslich ist es durch die erfindungsgemässen Ausführungsformen sowie praktische Massnahmen an verschiedene Anwendungsarten anpassbar, z.B. an Anwendungen im

Hochfrequenzbereich, an die Gegebenheiten bei Energiewandlern, an Aufgaben der Digital- und Analogtechnik, an Probleme der Mess- und Regeltechnik usw. Im letzeren Fall kann das Bauelement (10) sehr günstig als Stellglied zur Beeinflussung der jeweiligen Regelgrösse, z.B. einer Wechselspannung, dienen.

Bei anderen Anwendungen steht die Signalwandlung im Vordergrund, z.B. mittels eines induktiven. Übertragers bzw. eines Transformators. Bei diesen Anwendungen wird das jeweilige Nutzsignal S einem variablen induktiven Einfluss unterworfen, und zwar so, dass das Nutzsignal S selbst oder eine von ihm abgeleitete Grösse in einem Masse verstärkt oder abgeschwächt wird, die dem jeweiligen induktiven Einfluss entspricht.

Als Beispiele hierzu seien genannt ein potentio etrischer Abschwächer für ein Wechselsignal, bestehend aus der Reihenschaltung eines induktiven Festwiderstandes und eines Bauelements 10. Oder ein Transformator mit variablem, steuerbaren "Windungsverhältnis" zwischen Primär- und Sekundärwicklung, bei dem das Nutzsignal mehr oder weniger abgeschwächt der Primärwicklung zugeführt wird, so dass die abgeleitete Grösse, d.h. die Spannung an der Sekundärwicklung, entsprechend grösser oder kleiner ist.

Derartige Schaltungsanordnungen -sind in einer anderen Anmeldung (schweizerisches Patentgesuch 3964/85-7) im einzelnen beschrieben.

Insgesamt gesehen lässt sich damit ohne Übertreibung sagen, dass das Bauelement 10 eine grundlegend neue Komponente mit hervorragenden Eigenschaften bildet, deren Einsatzmöglichkeiten so zahlreich sind, dass sie im einzelnen kaum aufgezeigt werden können.