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Verfahren zur Messung der Verzerrung bei elektrischen Schaltvorgängen.
Es ist bekannt, dass in allen elektrischen Netzwerken, deren Bestandteile nicht nur reelle Widerstände sind, bei Anlegung von Gleich-oder Wechselspannungen der eingeschwungene Zustand erst nach mehr oder weniger heftigen Einschaltvorgängen erreicht wird. Insbesondere die Operatorenrechnung nach Oliver Heaviside ermöglicht die rechnerische Erfassung auch komplizierter Vorgänge ; die ziffernmässige Auswertung praktischer Fälle ist jedoch langwierig.
Das oszillographische Verfahren gestattet, vornehmlich bei Wechselstrom infolge der Abhängigkeit von Ein-und Aussehaltvorgängen von Phase und Frequenz, im allgemeinen nur das Herausgreifen bestimmter charakteristischer Fälle.
Den Gegenstand der Erfindung bildet eine einfache und rasche Messmethode, die einen Überblick über die zu erwartenden Verzerrungen in einem zu behandelnden Netzwerk gibt. Besonders kritische oder interessante Fälle können dann durch Rechnung oder das Oszillogramm weiter verfolgt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass sowohl der eingeschwungene Wert derjenigen elektrischen Grösse, von der die Schaltverzerrung zu bestimmen ist, festgestellt als auch der Wert dieser Grösse gemessen wird, wenn die Gleich-oder Wechselspannung mit einer bestimmten Steuerfrequenz an-und abgeschaltet wird.
In der Zeichnung sind Schaltungen und Diagramme zur Erläuterung des den Gegenstand der Erfindung bildenden Verfahrens dargestellt.
Fig. 1 zeigt das Schema einer Anordnung zur Messung der Verzerrung bei elektrischen Schaltvorgängen.
Mit Hilfe eines durch eine Wechselspannung Es als Steuerrelais SR betriebenen polarisierten Relais üblicher Bauart werden nach Betätigung der Taste T einmal an eine Spannung Eo die Klemmen x-x eines Zwei-oder Vierpols, das andere Mal an die Klemmen x-x bzw. an den Widerstand r ein im allgemeinen Fall komplexer Widerstand Rangelegt (strichlierte Stellung des Umschalters U).
In der Stellung "Eichen" (ausgezogene Stellung des Umstalters U) schaltet der Umschalter an Stelle von x-x einen reellen Widerstand l'an. A muss ein auch Wechselstrom anzeigendes Amperemeter sein.
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in der gezeichneten Stellung), a2 der Ausschlag von A bei gedrückter Taste T. Co werde so bestimmt, dass in der Eichstellung ko = 1 ist. Im reellen Widerstand r erreicht der Strom im Augenblick des Einschalten sofort seinen Endwert.
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man in ähnlicher Weise natürlich auch z. B. das kv des durch R3 fliessenden Stromes oder etwa der an einem Teil des Widerstandes R4 auftretenden Spannung messen.
Ist z. B. das ko eines Vierpols von grosser Längenähsdehnung (Fig. 3)-etwa einer langen Doppelleitung-zu messen, so kann man wieder in ähnlicher Weise die notwendigen Ablesungen etwa im Punkte y-y der Leitung vornehmen. Bei langen Fernmeldeleitungen z. B. kann ko so hohe Werte erreichen, dass der eingesehwungene Wert am Messpunkt so'kleiSSst, dass er nicht mehr direkt gemessen werden kann. Man kann dann den Sollwert mit Hilfe der bekannten Dämpfung aus dem am Anfangspunkt gemessenen Wert errechnen.
Insbesondere bei Gleichstrom ist es wichtig, dass die Lade-und Entladezeit des Netzwerkes einander gleich sind, damit nach Beendigung einer-Steuerperiode keinerlei elektrische oder magnetische
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Energien in dem Netzwerk verbleiben. Diese Bedingung - sie sei ,,Symmetrierung" des Relais genannt-kann etwa nach Fig. 4 in der Weise erfüllt werden, dass der Kontaktweg des Relais so lange geändert wird, bis das Drehspuleninstrument A den Ausschlag Null anzeigt. a ist der Relaisanker, b und c sind die Anschlagschrauben des Relaisankers. Das Relais wird mit einer möglichst hohen Steuerspannung betrieben.
Die Spannung der genau gleich grossen Batterien werden praktisch nur einige Volt betragen, die Grösse des ohmschen Widerstandes r richtet sich nach der Batteriespannung und nach dem für A zulässigen Maximalstrom.
Bei Verwendung von üblichen Spannungsquellen für die Steuerspannung und für Eo bei Mes- sungen mit Wechselstrom wird die Phase von Eo im Moment der Ein- bzw. Ausschaltung bei jeder Steuerspannungsperiode eine andere sein. Dieser Umstand ist jedoch gerade erwünscht, weil dann der Ausschlag a2 sozusagen summarisch alle möglichen Phasenlagen beinhaltet. Bei allen nur denkbaren praktischen Fällen der Telephonie und Wechselstromtelegraphie z. B. wechselt naturgemäss auch fortwährend die Ein-und Aussehaltphase. Ist es jedoch möglich, die Ein-und Aussehaltphase zwangsläufig zu bestimmen, versagt die Methode natürlich auch nicht.
Ein gemäss Fig. 4"symmetriertes"Relais werde in die Schaltung nach Fig. 1 gebracht und mit
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Anschlägen liegen, sind infolge der Symmetrierung gleich gross, die Umschlagzeit sei To (Fig. 5). Die Spannung Eo sei eine Gleichspannung der Grösse Eo = i r, wobei r der Eichwiderstand ist. Die Relais-
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mit Gleich-und Wechselstrom durchgeführt werden. Selbstverständlich kann durch Bestimmung von Co auch n und damit #0 errechnet werden.
Um diejenigen Grössen festzustellen, die auf ka Einfluss besitzen, sei der ganz allgemeine Fall angenommen, dass Ein-und Ausschaltphase fortwährend wechsle, dass also die Zeitfunktionen der zu betrachtenden Grösse, z. B. des Stromes, Fi (t), F2 (t)... Fm (t), während m Steuerperioden lauten.
Man erhält daher für den quadratischen Mittelwert während n Perioden
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Schaltverzerrungsfaktor definiert, steigt also z. B. bei Telegraphie mit der Telegraphiergeschwindigkeit oder-anders ausgedrückt-je grösser die Verzerrung eines Übertragungssystems ist, desto geringer wird die zulässige Telegraphiergeschwindigkeit. Messungen bei verschiedenen Steuerfrequenzen geben
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Wechselstrom auf homogenen Leitungen mit reflexionsfreiem Abschluss.
Das Oszillogramm gemäss Fig. 6 zeigt auf homogenen Leitungen zu erwartende Kurvenformen bei verschiedenen Frequenzen. Die unteren Kurven sind die Anfangsströme, während die oberen Kurvenzüge die Spannung in bestimmten Leitungspunkten angeben. Die aus der von Carson (John R. Carson"Elektrische Ausgleichsvorgänge und Operatorenreehnung", erweiterte deutsche Bearbeitung von Ollendorf und Pollhausen, Verlag Springer, Berlin 1929) angegebenen Formel für Gleichstrom
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kabeln von 0'8 mm Durchmesser der kupfernen Adern bei verschiedenen Frequenzen und verschiedenen Längen festzustellen. Die ziffernmässige Auswertung der obigen Formel auch nur für zehn Fälle würde Wochen in Anspruch nehmen.
Die Bestimmung des Schaltverzerrungsfaktors ist rasch geschehen.
Fig. 7 zeigt z. B. die Ergebnisse bei einer Steuerfrequenz von 50 Hertz. Man erkennt die wichtige Tatsache, dass bei einer Frequenz von etwa 7000 Hertz ein Maximum von ku auftritt. Daraus sind für den Fernmeldebetrieb wichtige Schlüsse zu ziehen.
Dieses Beispiel zeigt übrigens die bemerkenswerte Tatsache, dass z. B. für Rundfunkübertragungen über derlei Kabeln der Klirrfaktor und damit die Übertragungsgüte durch die Ein-und Aussehaltvorgänge bei verhältnismässig kleinen Längen schon merklich verschlechtert werden.
Es sei nun 2. die Schaltverzerrung auf einer Leitung mit Verstärkern zu bestimmen und die Frage zu beantworten, wie ein in einer Fernmeldeleitung eingeschalteter Zweidrahtverstärker üblicher Bauart die Ein-und Aussehaltvorgänge beeinflusst. Es wurde (Fig. 8) das ku der Spannung am Ende dieser Leitung einmal mit und einmal ohne Verstärker bestimmt. (Bemerkt sei, dass in der Literatur noch keine rechnerische Behandlung von Einschaltvorgängen in Verstärkern bekannt ist. ) Der Ver- stärker sperrt-wie üblich-unterhalb 300 und oberhalb 2400 Hertz, er lässt daher (s.
Oszillogramm, Fig 6) die tiefen aus den Schaltvorgängen entstandenen Frequenzen nicht durch, daher wird ku im unteren Übertragungsbereich kleiner, im oberen Bereich wird ku jedoch grösser, da die geschaltete Frequenz nun immer weniger verstärkt wird, während die Schaltfrequenzen normal verstärkt werden, bis schliesslich die geschaltete Frequenz aus dem Bereich herausfällt, ku also unendlich wird. Diese Erkenntnis bietet Anlass zu der Erwägung, mit Rücksicht auf die Schaltvorgänge z. B. die Frequenz der sogenannten Teilnehmertelegraphie, die die normalen Fernsprechleitungen fallweise benutzt, möglichst der unteren Grenze des Verstärkerübertragungsbereiebes zu nähern.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Messung der Verzerrung bei elektrischen Schaltvorgängen bzw. zur Bestimmung eines Schaltverzerrungsfaktors, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der eingeschwungene Wert derjenigen elektrischen Grösse, von der die Schaltverzerrung bzw. der Schaltverzerrungsfaktor zu messen ist, festgestellt, als auch der Wert dieser Grösse gemessen wird, wenn die Gleich-oder Wechselspannung mit einer bestimmten Steuerfrequenz an-und abgeschaltet wird.