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Wechselstromstabilisator mit einem ein ferroelektrisches
Dielektrikum enthaltenden nichtlinearen Element
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Stabilisierung eines von der Umgebungstemperatur ab- hängigen Wechselstromes, in welcher als stromstabilisierendes Element ein ein ferroelektrisches Di- elektrikum enthaltendes nichtlineares Element angewendet wird, welches im temperaturautostabilisieren- den Bereiche in der Umgebung der Curie-Temperatur, d. i. in'der Zone mit abfallendem Verlauf der Abhängigkeit der beiden Komponenten der komplexen Permitivität e von der Temperatur des angewendeten Dielektrikums, betrieben wird.
Das nichtlineare dielektrische Element wird auf die Temperatur in der Nähe des Curie-Punktes durch die im Dielektrikum des nichtlinearen dielektrischen Elementes, an welches eine Wechselspannung gelegt wird, infolge der Verluste freigegebene Wärme erhitzt. Der gewünschte Arbeitspunkt (die Temperatur des nichtlinearen dielektrischen Elementes und daher auch seine elektrischen Parameter) wird auf Grund des Gleichgewichtes zwischen der im Dielektrikum ausgeschiedenen und jener in die Umgebung abgeführten Wärmemenge erzielt.
Eine der vorteilhaften Eigenschaften des in solchem Bereiche betriebenen dielektrischen nichtlinearen Elementes ist die charakteristische Abhängigkeit des durch das Element fliessenden effektiven Stromes von der an das nichtlineare dielektrische Element gelegten Wechselspannung.
Diese Eigenschaft ermöglicht es, das nichtlineare dielektrische Element, welches im temperaturautostabilisierenden Bereiche in der Umgebung der Curie-Temperatur betrieben wird, zur Stabilisierung des Wechselstromes zu benutzen, wobei der Wert des Wechselstromes in definierter Art von der Umgebungstemperatur abhängig gemacht wird, z. B. so, dass mit wachsender Temperatur der Wert des stabilisierten Stromes abnimmt.
Der Gegenstand der Erfindung ist ein Wechselstromstabilisator mit einem ein ferroelektrisches Dielektrikum enthaltenden nichtlinearen Element, welches im temperaturautostabilisierenden Bereiche betrieben wird und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert der realen Komponente der Permitvität des ferroelektrischen Dielektrikums sich im Temperaturbereich der Autostabilisierung befindet und das dielektrische Element in Reihe mit der Belastungsimpedanz an die Stromquelle angeschaltet ist.
Einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens werden im weiteren mit Hilfe der Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen Fig. l die grundsätzliche Schaltung des Stabilisators nach der Erfindung, Fig. 2 die Strom-Spannungs-charakteristik eines nichtlinearen dielektrischen Elementes im temperaturautostabilisierenden Bereiche, Fig. 3 den Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Charakteristik nach Fig. 2, Fig. 4 eine allgemeine Schaltung des Stromstabilisators nach der Erfindung und Fig. 5 ein praktisches Beispiel der Ausführung der Schaltung nach der Erfindung.
Nach Fig. l ist ein nichtlineares dielektrisches Element 1 in der Reihe zwischen die Stromquelle 2 und die Belastungsimpedanz 3 geschaltet. Die von der Quelle 2 gelieferte Wechselstromleistung speist die Belastung 3 und dient auch zur dielektrischen Erwärmung des nichtlinearen di-
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elektrischen Elementes 1. Ein solches Element, solange es im thermisch autostabilisierenden Bereiche in der Umgebung des Curie-Punktes betrieben wird, sorgt für eine annähernde Stabilisation des in die Last 3 fliessenden Stromes ; ist die Belastungsimpedanz 3 linear, wird gleichzeitig auch eine Spannungsstabilisierung an den Klemmen der Last erreicht.
Diese stabilisierende Wirkung kann am leichtesten mit Hilfe der Fig. 2. d. i. der Abhängigkeit leff = f (Ueff)' bewiesen werden.
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logischen Behandlung des nichtlinearen dielektrischen Elementes, verschiedene Steilheit aufweisen, was durch drei verschiedene Linien dargestellt ist. Die Charakteristik kann einen grossen positiven oder negativen, ausnahmsweise auch unendlichen differentialen Widerstand aufweisen.
In der Fig. 3 ist die Verschiebung der Charakteristik unter Einwirkung der Umgebungstemperatur dargestellt. Mit wachsender Temperatur verschiebt sich die Charakteristik in niedrigere Stromwerte, ohne dabei ihren differentialen Widerstand wesentlich zu ändern. Da der differentiale Widerstand immer ziemlich gross bleibt, ist der Wert des durch das nichtlineare dielektrische Element fliessenden Stromes von der Klemmenspannung dieses. Elementes praktisch unabhängig und wird überwiegend durch die Umgebungstemperatur bestimmt.
Eine solche Schaltung kann als Thermometer dienen, wenn anstatt der Last 3 ein direkt anzeigendes in Temperaturgraden geeichtes Wechselstrommessgerät eingeschaltet wird.
Wird das nichtlineare dielektrische Element in einem zumindest grob thermostatisierten Raum eingebaut, ist es möglich, die Abhängigkeit des stabilisierten Stromes von der Umgebungstemperatur zu beseitigen und dadurch eine einfache und verhältnismässig gute Quelle konstanten Wechselstromes zu gewinnen.
Die Schaltung nach Fig. l besitzt aber einen Nachteil, da eine vollkommene Unabhängigkeit des Stromes von der Eingangswechselspannung nicht erreichbar ist. Daraus geht hervor, dass die Strom- Spannungs-Charakteristik des nichtlinearen dielektrischen Elementes im Stabilisationsbereich einen unendlichen differentialen Widerstand nicht aufweist, so dass sich das Element im nutzbaren Stabilisierbereich als eine Parallelschaltung einer idealen Wechselstromquelle mit einer linearen positiven (aus-
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gespeist werden soll. Die Hauptquelle 21 dient auch zur Erwärmung des nichtlinearen dielektrischen Elementes 1 auf die Temperatur oberhalb des Curie-Punktes.
Die Quellen 21 und 22 bilden mit den linearen Impedanzen 4 und 5 eine Brücke, in deren Diagonale die Last 3 geschaltet ist. Durch Einstellen der Verhältnisse der Spannungen der Quellen 21 und 22, bzw. des Verhältnisses der Impedanzen 4 und 5, kann die Brücke ausgeglichen werden, so dass an der Last 3 die von den Änderungen der Spannungen der Quellen 21 und 22 abhängige Spannungskomponente nicht erscheint. Der Last. 3 strömt jedoch der Wechselstrom über den unendlichen differentialen Innenwiderstand des nichtlinearen dielektrischen Elementes 1 zu, wodurch praktisch eine einwandfreie Stabilisation des Stromes der Last 3 auch bei beträchtlichen Schwankungen der Spannung der Quellen 21 und 22 erreicht wird.
Nach Bedarf muss die erwähnte Brücke nicht genau ausgeglichen werden, wodurch ein positiver oder negativer Wert des differentialen Wechselstromwiderstandes des Stromstabilisators erzielbar ist.
Die Schaltung nach der Erfindung hat also den Vorteil, dass beliebige Werte des differentialen Widerstandes des Stabilisators einstellbar sind. Bei unendlichem differentialem Widerstand ist der stabilisierte Strom nur Funktion der Umgebungstemperatur und ist von den Spannungsschwankungen vollkommen unabhängig. Der stabilisierte Wert des Stromes sinkt mit der wachsenden Umgebungstemperatur ab.
Die Fig. 5 zeigt endlich ein praktisches Ausführungsbeispiel der Schaltung nach der Erfindung. Die Quellen 21 und 22 sind hier durch die Sekundärwicklungen 201 und 202 des Transformators 20 gebildet, dessen Primar an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist. Die lineare Impedanz 4 ist durch den Kondensator 41, die andere lineare Impedanz 5 durch den Kondensator 51 gebildet.
Diese Schaltung nach der Erfindung ermöglicht es, durch geeignete Einstellung der Brücke des Stabilisators den Wechselstrom mit einem von der Umgebungstemperatur abhängigen Wert zu stabilisieren, wobei die Stabilisierung entweder unabhängig oder in definierter Weise von der Speisespannung abhängig werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wechselstromstabilisator mit einem ein ferroelektrisches Dielektrikum enthaltenden nichtlinearen Element, welches im temperaturautostabilisierenden Bereiche betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert der realen Komponente der Permitivität des ferroelektrischen Dielektrikums sich im Temperaturbereich der Autostabilisierung befindet und das dielektrische Element (1) in Reihe mit. der Belastungsimpedanz (3) an die Stromquelle (2) angeschaltet ist.
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dass dieBelastungs-impedanz (3) über das nichtlineare dielektrische Element (1) mit bezugsweise parallelgeschalteter linearer Impedanz (4, 41) an die Hauptwechselstromquelle (21,201) und über eine andere lineare Impedanz (5,51) an eine Hilfswechselstromquelle (22, 202) mit derselben Frequenz und der Amplitude der Spannung der Hauptwechselstromquelle (21, 201) proportionaler Amplitude angeschaltet ist, wobei die gegenseitige Grösse der Spannungen und Phasen der beiden Stromquellen (21, 201 ;
22,202) und die Grösse und die Phasencharakteristik der andern linearen Impedanz (5,51) derart gewählt werden, dass durch die entstandene Brückenschaltung in den Grenzen der geforderten Stabilisationsgenauigkeit der differentiale Leitwert des nichtlinearen dielektrischen Elementes (l) und seiner überbrückenden linearen Impedanz (4, 41) kompensiert wird.