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Schaltanordnung zur selbsttätigen Begrenzung der Dauer eines elektrischen Vorganges.
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oder eine elektrische Verbindung aufhebt. Schaltuhren haben den Nachteil, dass die Feder jedesmal zuvor aufgezogen werden muss, wenn geschaltet wird, auch wenn die Zeiteinstellung unverändert bleiben soll. Bei Schaltuhren, die mit einem Spannen der Feder mehrere Male schalten können, besteht die Gefahr, dass man, nachdem die Feder entspannt ist, vergisst, sie aufs neue aufzuziehen. Ausserdem sind solche Sehaltinstrumente sehr kostspielig. Wegen dieser und anderer Nachteile werden gelegentlich Schaltanordnungen verwendet, bei denen die Zeit durch eine nach einem Exponentialgesetz vor sich gehende Spannungsänderung bestimmt wird und eine elektrische Entladungsröhre mit Hilfselektrode als Relais wirkt.
Das Potential der Steuerelektrode wird dabei durch Änderung des Ladezustandes eines mit der Steuerelektrode verbundenen Kondensators verschoben. Die zwei Werte, zwischen denen sich während des Vorganges das Potential der Steuerelektrode bewegt, sind derart gewählt, dass bei dem einen Wert ein Stromdurchgang durch die Entladungsröhre stattfinden kann, bei dem andern jedoch nicht. Es kann die Einrichtung derart sein, dass während des in seiner Dauer zu begrenzenden Vorganges die Röhre stromdurchflossen ist ; es lassen sich die Verhältnisse aber auch umgekehrt so wählen, dass gerade während dieser Zeit die Röhre stromlos ist. (Eine Schaltanordnung dieser Gattung zum Gebrauch als Zeitschalter in einer Röntgenanlage ist von W. K. Kearsley in der General Electric Review von 1931, Vol. 34, S. 128) beschrieben).
Bei den bekannten Sehaltanordnungen dieser Gattung wird in demselben Augenblick, in dem der elektrische Vorgang ausgelöst wird, der Entladestrom eines zuvor aufgeladenen Kondensators eingeschaltet. Dies bringt mit sich, dass bei Wechselstromanlagen möglicherweise der Kondensator bereits einen Teil seiner Ladung verloren hat, bevor die Anodenspannung der Entladungsröhre genügend positiv ist, um einen beträchtlichen Strom durch die Röhre zu schicken, so dass besondere Mittel erforderlich sind, um die Kondensatorentladung im richtigen Moment anfangen zu lassen.
Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung, die denselben Zweck hat wie die beschriebene, jedoch die angegebenen Nachteile nicht besitzt. Erfindungsgemäss wird nicht das Potential eines sieh entladenden Kondensators, sondern das eines sich aufladenden Kondensators zur Steuerung benutzt. Der Anfang der Aufladung fällt beim Wechselstrombetriebe, falls sie von derselben Stromquelle, die auch den Röhrenstrom
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der Anodenspannung zusammen.
Man kann zur Steuerung den Spannungsabfall in einem im Ladekreis liegenden Widerstand benutzen. Unmittelbar nach dem Einschalten des Ladestromes ist der Strom und dadurch der Spannungs- abfall gross, wodurch z. B. die Entladungsröhre leitend gemacht wird. Der Spannungsabfall nimmt nun mit dem Strom allmählich ab, bis er unter den Wert sinkt, bei dem die Röhre in der nächsten positiven Halbwelle der Anodenspannung noch zünden kann, und der Vorgang wird unterbrochen. Umgekehrt kann man die Anordnung so machen, dass der Anodenstrom der Röhre gerade während des Kondensatoraufladen unterbrochen ist (Ruhestrom).
Auch ist es möglich, das Potential des Kondensators direkt den Entladungsstrom der Röhre steuern zu lassen, indem man die Verhältnisse so wählt, dass zugleich mit dem Einschalten des Ladestromes die Röhre leitend gemacht wird und der Kondensator derart geschaltet wird, dass bei wachsender
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Kondensatorspannung das Potential der Hilfselektrode stetig sinkt, d. h. der negative Belag des Konden- sators soll mit der Hilfselektrode der Röhre verbunden sein.
Im erstgenannten Falle ist es erforderlich, dass die den Kondensator über einen Gleichrichter speisende Wechselstromquelle derart geschaltet wird, dass die Arbeitswechsel ihrer Spannung mit den positiven Halbwellen des Anodenpotentials zusammenprallen. Aber auch im zweiten Falle ist es zweck- mässig, die Verbindung in diesem Sinne zu wählen. Es fängt somit die Aufladung in einem Augenblicke an, in dem auch die Anodenspannung der Röhre in der wirksamen Phase ist. Am einfachsten benutzt man eine und dieselbe Transformatorwicklung für die Aufladung und für die Lieferung des Anoden- stromes, wobei die Kathode der Röhre mit einer Anzapfung dieser Wicklung verbunden wird und der
Ladekreis zu der einen, der Anodenkreis zu der andern Seite dieser Anzapfung an die Wicklung ange- schlossen wird.
Zum Ausführen des Schaltvorganges kann ein Schalter im Ladekreis des Kondensators dienen.
Der Kondensator wird vor und nach der Betriebsperiode zweckmässig kurzgeschlossen, damit keine Restladung die Zeitdauer des Vorganges beeinflussen kann. An Hand der im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele soll näher erläutert werden, wie die gegenseitige Verbindung der einzelnen Teile der
Schaltanordnung sein kann.
Es ist Fig. 1 ein Schaltschema, bei dem der Spannungsabfall in einem Widerstand den Anodenstrom einer Relaisröhre steuert, die mit Ruhestrom arbeitet. Bei den Anordnungen gemäss den Fig. 2,3, 4 und 5 geschieht dies durch die Kondensatorspannung und die Röhre arbeitet mit Arbeitsstrom.
In jeder der Figuren wird mit 1 die als Relais wirkende Entladungsröhre angedeutet, die eine
Glühkathode 2, eine Hilfselektrode 3 und eine Anode 4 hat. Der Kondensator, der sich während des durch die Schaltanordnung selbsttätig zu unterbrechenden Vorganges aufladet, ist mit 5 bezeichnet. Mit ihm liegt ein Regulierwiderstand 6 in Reihe. Der Anodenstrom wird der Röhre 1 über eine Magnetspule 7 zugeführt, die einen Schalter 8 betätigt. Der Schalter 8 liegt z. B. im Primärkreis des Hochspannungstransformators einer Röntgenanlage. Der selbsttätig zu unterbrechende elektrische Vorgang ist in diesem Falle der Strom, der über den Schalter 8 zum Transformator fliesst.
Der Ladestrom des Kondensators 5 fliesst durch eine Gleichrichterröhre 9, die eine Glühkathode 10 und eine Anode 11 hat.
Die Entladungsröhre 1 ist zweckmässig eine gasgefüllte Bogenentladungsröhre. Wird eine Hochvakuumröhre verwendet, so empfiehlt es sich, sie mit Sättigungsspannung zu betreiben. Hochvakuumröhren sind aber zu dem vorliegenden Zweck weniger geeignet, da ihr Strom mit dem Gitterpotential allmählich steigt bzw. abnimmt. Bei Bogenentladungsröhren wird bei unveränderlicher Anodenspannung der Stromdurchgang nicht durch das Sinken des Potentials der Hilfselektrode unterbrochen. Liegt aber an der Anode eine Wechselspannung, so erlischt der Bogen in jeder Halbperiode. Ist in der nächsten positiven Halbperiode das Hilfselektrodenpotential genügend hoch, so zündet die Röhre und lässt den vollen Strom durch. Der Spannungsabfall in der Röhre ist ganz unwesentlich.
Ist jedoch das Potential auch nur um etwas niedriger als der Zündwert, so bleibt der Strom praktisch vollständig aus.
In Fig. 1 wird der Anodenkreis der Röhre 1 von einem Transformator gespeist, der eine Primärwicklung 12 und Sekundärwicklungen 13 und 14 hat. Die Wicklung 13 dient zur Speisung des Anodenkreises der Röhre 1. Ein Teil dieser Wicklung dient zum Heizen der Glühkathode 2. Ebenso dient ein Teil der Wicklung 14 zum Speisen der Glühkathode 10.
Mit dem Kondensator 5 liegt ein Schalter 15 in Reihe. Dieser kann die zwei Stellungen I und II einnehmen. In der Stellung I ist der Kondensator kurz geschlossen. Legt man den Schalter in die Stellung II um, so kann der Ladestrom des Kondensators von der Wicklung 14 aus über den Widerstand 6, den Kondensator 5, den Schalter 15 und den Gleichrichter 9 zur Wicklung 14 zurückfliessen. Der Widerstand 6 ist mit dem einen Ende mit einem Punkt der Wicklung 13 verbunden, dessen Potential zwischen Anoden-und Kathodenpotential liegt. Das andre Ende ist mit der Hilfselektrode 3 verbunden. Der Spannungsabfall in diesem Widerstand ruft also eine Potentialverschiebung der Hilfselektrode 3 in negativem Sinne hervor.
Ist nun die Wicklung 14 derart geschaltet, dass die Halbperioden des Stromdureh- ganges mit den positiven Halbperioden der Anodenspannung zusammenfallen, so verhindert die Abnahme des Potentials der Hilfselektrode die Zündung der Röhre 1, die bisher in jeder Halbperiode, in der die Anode positiv war, erfolgte. Je nachdem die Spannung des Kondensators 5 steigt, wird der Ladestrom und dadurch der Spannungsabfall im Widerstand 6 schwächer und nach einiger Zeit, die durch Regulierung des Widerstandes genau eingestellt werden kann, ist er so gering, dass er den Anodenstrom der Röhre nicht weiter sperren kann. Der Anodenstrom fängt dann wieder zu fliessen an und der Schalter 8 wird umgestellt. Dabei wird je nach der Schaltung, an der man die beschriebene Anordnung nutzbar machen will, entweder ein Strom unterbrochen oder eingeschaltet.
Die Röhre 1 wirkt in diesem Ausführungsbeispiel als Ruhestromrelais.
Wie gesagt, ist der Zeitverlauf, währen dessen die Zündung der Röhre nicht möglich ist, mittels des Widerstandes genau regulierbar. Gegebenenfalls kann auch die Kapazität des Kondensators zu diesem Zweck variabel sein. Die Schaltanordnung eignet sich daher ausgezeichnet als Zeitschalter für
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Rolle spielt. Das von der Spule 7 und dem Schalter 8 gebildete Relais muss natürlich der pulsierenden Natur des Betätigungsstromes angepasst sein.
Um den elektrischen Vorgang sich wiederholen zu lassen, legt man den Schalter in die Stellung I zurück. Es entlädt sieh dann der Kondensator, und bei späterer Wiedereinschaltung des Ladestromes wird das Gitterpotential wiederum zeitweise herabgesetzt.
Die Anordnung nach Fig. 2 unterscheidet sich in mehreren Einzelheiten von der nach Fig. 1. Sie wirkt mit Arbeitsstrom, und es liegt der Gleichrichter 9 auf der andern Seite des Widerstandes. Das Potential der Hilfselektrode 3 wird bei dieser Anordnung von der Spannung des Kondensators bestimmt. Der Anodenstrom und der Ladestrom des Kondensators werden derselben Transformatorwicklung 16 entnommen (was übrigens auch in der Anordnung gemäss Fig. 1 möglich wäre). Der Schalter 15 verbindet den Kondensator mit einem Punkt 17 der Wicklung 16, der zwischen dem Anschlusspunkt der Kathode 2 und dem Ansehlusspunkt des Anodenleiters liegt. Die Anzapfung 17 wird zweckmässig einstellbar gemacht.
Der Ladestrom fliesst von hier aus über den Schalter 15, den Kondensator, den Regulierwiderstand 6 und den Gleichrichter 9 zur Wicklung 16 zurück, wobei die Kathode des Gleichrichters mit einem Punkt der Wicklung 16 verbunden ist, dessen Potentialunterschied mit der Kathode in Gegenphase gegenüber dem der Anode 4 ist. Liegt der Schalter in der Stellung, so ist der Kondensator kurzgeschlossen und das Gitter 3 ist durch die Emission der Glühkathode 10 negativ mit Bezug auf die Kathode 2 geladen. Der Stromdurchgang durch die Röhre 1 ist also gesperrt. Legt man den Schalter in die Stellung II um, so liegt zwischen Gitter und Kathode die Summe der Spannungen des Kondensators 5 (anfangs Null) und des Teiles der Wicklung 16 zwischen dem Anschlusspunkt 17 und der Kathode.
Die letztgenannte Spannung erhöht das Gitterpotential in der wirksamen Halbperiode. Es muss eine solche anfangen, bevor die Aufladung des Kondensators anfängt, so dass die Zeitdauer des Vorganges nicht von dem zufälligen Moment abhängt, in dem man einschaltet. Je nachdem das Potential des Kondensators steigt, wird das Potential des Gitters niedriger, da der Kondensator mit seiner negativen Elektrode am Gitter 3 liegt, bis endlich die Zündung der Röhre wegen zu niedrigen Gitterpotentials ausbleibt und der Vorgang unterbrochen wird. Diesen Augenblick kann man durch Einstellung des Kontaktes auf dem Transformator, durch Änderung des Widerstandes oder der Kapazität vorher beliebig wählen.
In Fig. 3 tritt ein Mehrfachschalter 18 an die Stelle des Schalters 15 der Fig. 2. Dieser Schalter kann drei Stellungen einnehmen. In der Stellung II ist der Kondensator über das Kontaktsegment 19 kurzgeschlossen. In der Stellung III, die mit der Stellung II des Schalters 15 übereinstimmt, erfolgt die Aufladung des Kondensators. Der Schalter ist hier nicht direkt mit der Transformatorwieklung, sondern mit einem als Potentiometer über einen Teil dieser Wicklung geschalteten Widerstand 20 verbunden, wodurch sich ein verstellbarer Kontakt 21 besser anordnen lässt, mit dem die Vorspannung der Hilfselektrode 3 gewählt werden kann.
Um diese Vorspannung besser der Charakteristik der Röhre anpassen zu können, überbrückt der Widerstand einen Teil der Wicklung 16, an dem die Kathode 2 liegt,
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arbeiten lassen kann.
In der Stellung I schliesst der Mehrfachsehalter 18 den Kondensator 5 über das Kontaktsegment 19 kurz, verbindet ihn aber gleichzeitig mit dem Kontakt 21. Das Potential des Gitters behält dann dauernd den Zündwert und der Anodenstrom fliesst, solange man den Schalter in der Stellung I hält. Dies ist von Vorteil, wenn man denselben Schalter benutzen will, um den Vorgang nach Belieben vorübergehend oder dauernd erfolgen zu lassen. Bei Röntgenanlagen kann man den Schalter 18 sowohl für die Herstellung einer gezielten Aufnahme als für die Durchleuchtung benutzen.
Zweckmässig wird er dabei mit einem Betriebssehalter kombiniert, der bei der Stellung I des Schalters 18 diejenigen Verbindungen in der Röntgenanlage herbeiführt, durch die die Spannung und Stromstärke der Röntgenröhre die Werte annehmen, die für die Durchleuchtung verlangt werden, während in der Stellung III des Sehalters 18 der mit ihm kombinierte Betriebssehalter dafür sorgt, dass die Schaltung den Betriebsbedingungen der Aufnahme entspricht.
In Fig. 4 ist die Glühkathode nicht direkt mit der Transformatorwicklung verbunden ; sie wird von einer Hilfswicklung 22 aus mit Heizstrom versorgt. Die Anzapfung 17 ist hier nicht mit dem Kontakt II des Schalters 15, wie in Fig. 2, sondern mit dem Drehpunkt dieses Sehalters und somit dauernd mit dem Kondensator verbunden. Die Verbindung mit der Kathode 2 der Röhre 1 erfolgt über den Schalter 15, wenn dieser die Stellung II einnimmt. Dies hat den Vorteil, dass nicht durch Ursachen, die man nicht in der Hand hat, die Röhre trotz des negativen Gitterpotentiales in einem ungewünsehten Moment, z. B. zufolge eines Spannungsstosses, zündet.
Der Anodenstromkreis ist nämlich, wenn der Schalter 15 die Stellung I hat, unterbrochen, so dass Durchgang des Anodenstromes unter allen Umständen verhindert wird.
Verlässt der Schalter den Kontakt I, so wird der Kurzschluss des Kondensators 5 aufgehoben und die Ladung des Kondensators fängt sofort an. Danach erreicht der Schalter die Stellung II, wobei der Anodenstromkreis geschlosen wird. Die Ausschaltung des Anodenstromes bei den oben betriebenen Schaltungen ist bisweilen mit Störungen verknüpft. Es kann nämlich u. a. geschehen, dass die Röhre, nachdem die Spule 7 den Schalter 8 losgelassen hat, von neuem zündet oder bei der nächsten Periode
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wieder einen so starken Strom durchlässt, dass der Schalter 8 wieder vorübergehend geschlossen wird, so dass ein Klappern des Relaissehalters entsteht. Dieser Nachteil wird durch eine Schaltung, wie sie in Fig. 5 angegeben ist, beseitigt.
Dabei ist der Kondensator 5 einerseits dauernd mit der Anzapfung 17 der Transformatorwieklung 16 und anderseits mit dem Gitter 3 der Schaltröhre 1 verbunden. Er wird vom Relaisschalter 23 überbrückt, wenn kein Strom über die Anode 4 und durch die Magnetspule Y fliesst. Im Anodenstromkreis der Schaltröhre 1 liegt der Relaisschalter 24 und parallel zu diesem der Kontaktgeber 25. Wird letztgenannter geschlossen, so fliesst, vorausgesetzt, dass die Primärwicklung 12 des Transformators unter Spannung steht,
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durchgang, da das Gitter 3 der Röhre über den Schalter 23 an der Anzapfung 17 des Transformators liegt und somit gleichzeitig mit der Anode ein positives Potential mit Bezug auf die Kathode hat.
Nachdem der Strom zu fliessen angefangen hat, legt die Spule 7 den Satz von Schaltern um. Dadurch wird, da mit den Schaltern 23 und 24 auch der Hauptschalter 8 verbunden ist, der elektrische Vorgang im Stromkreis dieses Schalters ausgelöst. Der Kontaktgeber 25 wird von dem Schalter 24 überbrückt, so dass erstgenannter ausgeschaltet werden kann. Der Kurzschluss des Kondensators durch den Schalter 23 wird aufgehoben und von diesem Moment ab fängt der Kondensator an, sich aufzuladen. Der Ladestrom des Kondensators fliesst von der Anzapfung 17 durch den Kondensator 5, die Impedanz 6 und über die Anode 11 und die Kathode 10 des Gleichrichters 9 zur Transformatorwicklung.
Das Potential des Gitters wird negativ und der Potentialunterschied mit der Kathode 2 wird nach einiger Zeit (deren Dauer von dem Wert der Impedanz 6, der Kapazität des Kondensators 5 und der Spannung im Ladestromkreis abhängt) so gross, dass die Schaltröhre, wenn sie gasgeffillt ist, nicht mehr zündet oder, wenn sie eine Röhre mit reiner Elektronenentladung ist, praktisch keinen Strom mehr durchlässt. Die Spule 7 verliert dann ihre Erregung, und der Anodenstromkreis der Röhre 4 wird durch den Schalter 24 unterbrochen, so dass die Röhre 1 nicht mehr naehzünden kann und Klappern des-Relaissehalters verhindert wird. Ist der Hauptschalter 8 einmal ausgeschaltet, so bleibt der zu steuernde Vorgang unterbrochen.
Die Schaltungsanordnung ist für eine folgende Schaltung unmittelbar betriebsbereit ; denn der Kondensator 5 wird durch den Schalter 23 entladen. Wird nun mit dem Schalter 23 wieder Kontakt gegeben, so wiederholt sich das Spiel in gleicher Weise.
Es soll darauf geachtet werden, dass die Verbindung über den Kontaktgeber 25 so lange aufrechterhalten bleibt, bis der Relaisschalter 24 die Verbindung von ihm übernommen hat. Damit diese Bedingung von selbst erfüllt wird, verwendet man für den Kontaktgeber 25 zweckmässig einen Schalter mit selbsttätiger Ausschaltung, dessen Schliessungsdauer wenigstens die Zeit beträgt, die der von ihm überbrückte Relaissehalter für seine Schliessung braucht.
Umgekehrt wird durch die selbsttätige Ausschaltung auch erzielt, dass die Verbindung nicht länger dauert als die Zeit, während deren man den Schalter 8 geschlossen halten will. Würde sie länger dauern, so würde dadurch der Anodenstromkreis der Schaltröhre geschlossen und die Möglichkeit, dass das Relais klappert, bestehen bleiben. Braucht z. B. der Relaissehalter 24 für seine Schliessung 0-05 Sek. und ist die kürzeste Zeit, die man einstellen will, O'l Sek., so benutze man einen Kontaktgeber, der die Verbindung selbsttätig während 0'07 Sek. geschlossen hält. Solche Schalter sind an sich allgemein be-' kannt und brauchen deshalb nicht beschrieben zu werden. Er kann z.
B. mit einer Drehscheibe versehen sein, die mit einer bestimmten Geschwindigkeit zurückläuft und bei ihrem Rücklauf die Verbindung macht und wieder unterbricht, so wie dies bei den Kontaktgebern von automatischen Fernsprechapparaten der Fall ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur selbsttätigen Begrenzung der Dauer eines elektrischen Vorganges, wobei die Leitfähigkeit einer-gegebenenfalls gasgefüllten-Entladungsröhre durch Verschiebung des Potentials einer Hilfselektrode mittels Änderung des Ladezustandes eines Kondensators beeinflusst wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem-Einschalten des Kondensatorladestromes der Beginn des elektrischen Vorganges ausgelöst wird und durch die Aufladung des Kondensators das Potential der Hilfselektrode bis auf einen Wert verschoben wird, der nach einer vorbestimmten Zeit erreicht wird und die Beendigung des Vorganges verursacht.