Spannungsteiler für Messzwecke
Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsteiler für Messzwecke, der beispielsweise dazu dienen kann, den Weg eines mit dem Spannungsteiler gekoppelten Stellgliedes in einen entsprechenden elektrischen Messwert zu übersetzen. Es kommt bei solchen Spannungsteilern auf die genaue Linearität zwischen Stellweg und abgegriffener Spannung an.
Es ist bekannt, an einer Folge fester Anzapfungen eines Autotransformators Spannungsgrobstufen abzugreifen und mehrere Spannungsteilerwiderstände vorzusehen, an denen von einem Schleifkontakt Spannungszwischenwerte abgenommen werden. Diese Spannungsteilerwiderstände können bei der Verstellung des Schleifkontaktes in zyklischer Folge an aufeinanderfolgende Abgriffpaare gelegt werden.
Die bekannten Spannungsteiler sind nur schwach belastbar, wenn man eine gute Linearität zwischen Stellweg und abgegriffener Spannung behalten will.
Die Spannungsteilerwiderstände, an denen die Teilspannungen abgegriffen werden, liegen nämlich direkt zwischen den Anzapfungen des Autotransformators, so dass bei starker Belastung die Spannung zwischen den Anzapfungen mehr oder weniger zusammenbricht.
Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden.
Erfindungsgemäss wird, wenn eine Teilspannung jeweils an einer Hilfswicklung abgegriffen wird, die mit dem Autotransformator induktiv gekoppelt ist, diese Hilfswidclung mit einer Anzapfung des Autotransformators leitend verbunden, derart, dass in keiner Schaltstellung ein Abschnitt zwischen benachbarten Anzapfungen des Autotransformators durch nur eine Hilfswicklung überbrückt ist. Die Spannung kann dabei von den Hilfswicklungen abgegriffen werden und die Abschnitte des Autotransformators sind nicht mit einem Feinpotentiometer belastet, wie das bei den bekannten Anordnungen der Fall ist. Man kann daher, ohne dass die Linearität des Spannungsteilers darunter leidet, Ströme bis zu einigen hundert Milliampere abgreifen, so dass man mit den abgegriffenen Strömen schon ohne weiteres einen kleinen Motor treiben kann.
Dadurch lassen sich bei vielen Anwendungsfällen elektronische Verstärker vermeiden.
Zweckmässigerweise wird die Anordnung so getroffen, dass wenigstens zwei Hilfswicklungen derart bemessen und mit je einer Autotransformatoranzapfung verbindbar sind, dass jeweils währenddem die eine Hilfswicklung auf die nächsthöhere Autotransformatoranzapfung umgeschaltet wird, die Teilspannung an der anderen Hilfswicklung abgegriffen wird.
Es braucht dann auch durch die Hilfswicklungen in keiner Schaltstellung ein Abschnitt zwischen benachbarten Anzapfungen des Autotransformators überbrückt zu sein.
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt und im folgenden beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
Fig. 2 ist eine tabellenmässige Zusammenstellung der Schaltfolgen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der zeitlichen Aufeinanderfolge der Schaltvorgänge, die bei der Betätigung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 erfolgen.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der zeitlichen Aufeinanderfolge der Schaltvorgänge, wie sie bei der Betätigung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 erfolgen.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem ein Autotransformator 20 von einer nicht dargestellten Wechselstromquelle bei W-W gespeist wird und an einer Anzahl von in gleichem Abstand voneinander liegenden Punkten 1 bis 11 angezapft ist.
Zwei Hilfswicklungen 21 und 22 sind mit dem Autotransformator 20 induktiv gekoppelt. Zweckmässig weist der Autotransformator einen Ringkern auf und sind die in gleichen Abständen angeordneten Anzapfungen 1 bis 11 zu kommutatorartigen Kontakten herausgeführt. Die Hilfswicklungen 21 und 22 können auf den gleichen Ringkern gewickelt sein, wobei ein Ende jeder Hilfswicklung 21 und 22 zu geeigneten Punkten zu Schaltzwecken herausgeführt ist, wie das bei 23 bzw. 24 dargestellt ist.
Die elektrische Verbindung zwischen den Hilfswicklungen 21 und 22 und dem Autotransformator 20 wird durch Schaltmittel hergestellt, die schematisch als Schleifringe 25 und 26 und Kontaktarme 27 und 28 dargestellt sind. Die Schaltvorgänge werden durch die Bewegung der Kontaktarme 27 und 28 bewirkt, von denen jeder mit einem Ende mit dem zugeordneten Schleifring in leitender Verbindung steht, während das andere Ende des Kontakt armes fortschreitend mit Autotransformatorabgriffen verbunden wird. Auf diese Weise verbindet der Kontaktarm 27 die Hilfswicklung 21 über den Schleifring 25 mit den Anzapfungen 1 bis 11 des Autotransformators 20. In ähnlicher Weise verbindet der Kontaktarm 28 die Hilfswicklung 22 über den Schleifring 26 mit den Autotransformatorabgriffen 1 bis 11.
Ein Schleifkontakt 29 ist so angeordnet, dass er jede Teilspannung der in den Hilfswicklungen 21 und 22 induzierten Spannung abgreifen kann und derart synchron mit den Schaltmitteln verstellbar ist, dass er stets mit einer Hilfswicklung zusammenwirkt, die zusätzlich zu der induktiven Kopplung durch leitende Verbindung gespeist wird.
Der Schaltmechanismus kann in bequemer Weise von einem Innen- und Aussenverzahnungs-Getriebe gebildet werden, bei welchem ein Zahnrad exzentrisch um eine zentrale Drehachse verdrehbar ist und die Verbindung zwischen den Anzapfungen des Autotransformators 20 und den Feineinstellmitteln 21, 22, 29 in richtiger Reihenfolge herstellt.
Die Feineinstellmittel nach der vorliegenden Erfindung können auch ähnlich ausgebildet sein.
Die Tabelle gemäss Fig. 2 zeigt die aufeinanderfolgenden Schaltvorgänge, wie sie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erfolgen. Die Daten der Tabelle zeigen die Wirkungsweise der Vorrichtung während zehn Umdrehungen des Schleifkontaktes 29, wobei jede Umdrehung in Winkelbereiche unterteilt ist, die in Grad angegeben sind, wie in Linie A gezeigt ist. In Linie B ist die Verbindung des Schleifringes 26 mit den Autotransformatorabgriffen tabellarisch zusammengestellt, während in Linie C die Verbindungen des Schleifringes 25 mit den Autotransformatorabgriffen längs der Folge aufgeführt sind.
Aus der Tabelle nach Fig. 2 kann man sehen, dass, wenn der Schleifkontakt 29 ursprünglich in einer Null-Grad-Stellung steht, die Hilfswicklungen 21 und 22 über Schleifringe 25 und 26 mit ihren zugeordneten Kontaktarmen 27 und 28 und der Anzapfung 1 der Folge von Anzapfungen des Autotransformators 20 verbunden sind, die Ausgangsspannung bei W'-W' ist dann null.
Wenn der Schleifkontakt 29 gegen den Uhrzeigersinn um 900 verdreht wird, so ist die Wirkungsweise der Schaltmittel so, dass der Kontaktarm 27 von dem Autotransformatorabgriff 1 abgehoben wird. Während der Schleifkontakt 29 in eine 1800 Stellung bewegt wird, stellt der Kontaktarm 27 eine Verbindung zwischen dem Schleifring 25 und der Anzapfung 2 des Autotransformators 20 her.
Bei seiner Verdrehung von 180 bis 360 wirkt der Schleifkontakt 29 so, dass er die Spannung abgreift, die an der Hilfswicklung 21 abfällt. Bei etwa dem 2700-Punkt der Drehbewegung des Schleifkontaktes 29 wird der Schleifring 24 von dem Kontakt 1 des Autotransformators 20 abgetrennt und daraufhin mit der Anzapfung 2 des Autotransformators 20 verbunden, ehe der Schleifkontakt 29 seine zweite Umdrehung auszuführen beginnt.
In jeder der Hilfswicklungen 21 und 22 wird eine Spannung induziert, die gleich der Hälfte der Spannung zwischen benachbarten Abgriffen des Autotransformators 20 ist. Man sieht, dass, wenn die Hilfswicklung 22 mit dem Autotransformatorabgriff 1 verbunden ist, der Schleifkontakt 29 wahlweise so eingestellt werden kann, dass er jede gewünschte Spannung zwischen der, die am Autotransformator 1 anliegt, und der Hälfte der Potentialdifferenz zwischen den Autotransformatorabgriffen 1 und 2 abgreifen kann.
Die Hilfswicklungen 22 bzw. 21 sind so angeordnet, dass die darin induzierten Spannungen zu den Spannungen, die an den Autotransformatorabgriffen 1 bis 11 liegenden Spannungen entweder addiert oder von ihnen subtrahiert werden. So ist bei den eben erläuterten Schaltvorgängen die in der Hilfswicklung 22 induzierte Spannung zu der am Autotransformatorabgriff 1 liegenden Spannung addiert. Anderseits ist die in der Hilfswicklung 21 induzierte Spannung von der Spannung am Autotransformatorabgriff 2 subtrahiert. Der Schleifkontakt 29 kann somit jeden gewünschten Spannungswert zwischen benachbarten Autotransformatorabgriffen abgreifen, ohne dass die Hilfswicklungen 21 oder 22 irgendeinen Teil des Autotransformators 20 kurzschliessen.
Es ist besonders vorteilhaft, dass ein Verbraucher, der an den Schleifkontakt 29 angelegt wird, Strom nur von der Hilfswicklung abnimmt, so dass verhältnismässig hohe Stromstärken von dem Verbraucher abgenommen werden können, ohne dass ein Zusammenbrechen der Spannung oder Spannungssprünge beim Umschalten auftreten. So wird eine ausserordentlich gute Linearität erreicht, und es können Ströme in der Grössenordnung von einigen 100 mA von kleinen Ausführungsformen abgenommen werden, und es ist doch eine Genauigkeit erreicht, wie sie sonst nur bei Anordnungen mit verhältnismässig geringer Ausgangsleistung zu finden ist.
Bei der zweiten bis zur zehnten Umdrehung wiederholt sich die gleiche Schaltfolge, wie sie oben beschrieben ist. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind zum Zwecke der Erläuterung zehn Umdrehungen gezeigt und die Wirkungsweise in Fig. 2 zusammengestellt. Es ist jedoch selbstverständlich, dass die Anzahl von Umdrehungen nicht beschränkt ist.
Fig. 3 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, welches wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zwei Hilfswicklungen 21 und 22 enthält. Die Bauteile des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wie ihre Gegenstücke in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt jedoch die Art und Weise, wie Widerstände 30 und 31 jeder der Hilfswicklungen 21 bzw. 22 parallel geschaltet werden können, so dass der Schleifkontakt 29 jede gewünschte Teilspannung der in den Hilfswicklungen 21 und 22 induzierten Spannung dadurch abgreift, dass er auf einem der Widerstände 30 oder 31 schleift.
Es ist oben erklärt worden, dass ein Vorteil des beschriebenen Spannungsteilers darin besteht, dass er in der Lage ist, grosse Belastungsströme zu liefern, ohne merklich etwas von der hohen Genauigkeit und Linearität seines Ausgangs in bezug auf seinen Analogeingang zu opfern. Es ist deshalb wünschenswert, dass die Hilfswicklungen wie 21 und 22 Leiter mit grossem Querschnitt sind, so dass der Ohmsche Widerstand auf ein Mindestmass herabgesetzt wird.
Wenn solche schweren Leiter auf einen Ringkern gewickelt sind, so haben sie notwendigerweise verhältnismässig wenige Windungen verglichen mit einem Feindrahtpotentiometer.
Während es wünschenswert ist, die Hilfswicklungen aus starken Leitern herzustellen, so ist dabei die maximal erzielbare Auflösung zwischen benachbarten Windungen der Hilfswicklungen wesentlich kleiner, als sie mit einem Feindrahtpotentiometer möglich wäre. Durch Parallelschaltung eines Widerstandes zu jeder der Hilfswicklungen, wie das in Fig. 3 dargestellt ist, kann jedoch erreicht werden, dass die Auflösung nicht verschlechtert wird.
Die Schaltfolge ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 die geiche, wie sie in Fig. 2 für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zusammengestellt ist. Nur ein Ende der Hilfswicklungen ist mit aufeinanderfolgenden Abgriffen des Autotransformators verbunden. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wirkt ebenfalls in der gleichen Weise wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, indem nämlich die Hilfswicklungen 21 und 22 die Autotransformatorabgriffe niemals kurzschliessen. Die Tabelle der Schaltvorgänge, die in Fig. 2 aufgestellt ist, ist daher in gleicher Weise für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 anwendbar.
Fig. 4 veranschaulicht schematisch die Aufeinanderfolge der Schaltvorgänge, die durch die Kontaktarme 27 und 28 der in Fig. 1 und Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiele erfolgen. Das kreisförmige Diagramm nach Fig. 4 stellt einen vollständigen Zyklus von Schaltvorgängen während einer Umdrehung des Schleifkontaktes um 3609 dar. Die Punkte A, B, C und D entsprechen den ebenso bezeichneten Punkten in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 3. Die bogenförmigen Symbole 27 und 28 entsprechen dem Winkelbereich, in welchem die Kontaktarme 27 bzw. 28 während der Umdrehung des Schleifkontaktes 29 Kontakt mit den Abgriffen des Autotransformators 20 haben.
Man erkennt, dass sich die Winkelbereiche der Schaltarme 27 und 28 an den Punkten DA und CB überlappen, so dass von dem Schleifkontakt 29 eine gleichmässig und sich linear ändernde Ausgangsspannung ohne eine Unstetigkeit abgegriffen werden kann. Wie schematisch in Fig. 4 durch die Trennung der Symbole, die den Winkelbereich der zwei Kontaktarme 27 und 28 bezeichnen, dargestellt ist, ist während des Zeitabschnittes, in welchem sich die Winkelbereiche bei CD überlappen, durch die Kontaktarme 27 und 28 eine leitende Verbindung zu be benachbarten Autotransformatorabgriffen hergestellt.
Fig. 5 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit einem Autotransformator 40 ähnlich dem der in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 3 gezeigt ist. Eine Mehrzahl von Abgriffen 1 bis 11 sind in der gleichen Weise angeordnet, wie oben im Zusammenhang mit den anderen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert wurde. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 unterscheidet sich von dem nach Fig. 3 dadurch, dass drei Hilfswicklungen 41, 42 und 43 vorgesehen sind. Zweien der Hilfswicklungen 41 und 42 sind ständig Widerstände 44 bzw.
45 parallel geschaltet.
Ein Schleifkontakt ist derart drehbar angeordnet, dass er jede Teilspannung von der in den Hilfswicklungen 41, 42 und 43 induzierten Spannung abgreifen kann. Die Hilfswicklungen 42 und 43 sind miteinander in Reihe geschaltet, und der Widerstand 45 ist der Hilfswicklung 42 parallel geschaltet.
Die Verbindungsstelle zwischen den Hilfswicklungen 42 und 43 ist ausserdem mit einem Schleifring 47 verbunden. In ähnlicher Weise ist ein Ende der Hilfswicklung 41 mit einem Schleifring 48 verbunden. Zwei Kontaktarme 49 und 50 sind so angeordnet, dass sie die leitende Verbindung zwischen den jeweiligen Hilfswicklungen und den Autotransformatorabgriffen herstellen können, indem sie die Verbindung zwischen den Schleifringen 47 und 48 und entsprechenden Autotransformatorabgriffen 1 bis 11 herstellen.
So weit ist die Beschreibung der Fig. 5 ähnlich dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, bei welchem zwei Hilfswicklungen vorgesehen sind, die in weitgehend gleicher Weise geschaltet und angeordnet sind wie die Hilfswicklungen 41 und 42 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5. Die zusätzliche Hilfswicklung 43 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 ist mit einem Ende mit einem Schleifring 51 verbunden, während ein Ende der Hilfswicklung 42 zu einem anderen Schleifring 52 geführt ist. Ein Ende der Hilfswicklung 41 ist mit einem Kommutator 53 verbunden.
Synchron mit dem Schleifkontakt 46 sind Kontaktarme 54 und 55 und die Kontaktarme 49 und 50 so fortschaltbar, dass sie die drei Hilfswicklungen 41, 42 und 43 in zyklischer Folge mit benachbarten Autotransformatorabgriffen verbinden, wobei die zwei Hilfswicklungen 41 und 42 stets so geschaltet sind, dass an ihnen durch Einstellung des Schleifkontaktes 46 ein Spannungszwischenwert abgegriffen werden kann.
Die Hilfswicklungen 42 und 43 sind in Reihe geschaltet, und die Hilfswicklung 43 ist so geschaltet und bemessen, dass sie die gleiche Spannung liefert. wie die, welche an der Hilfswicklung 41 abfällt. Folglich ist die Spannung, die von der Hilfswicklung 42 erzeugt wird, die zweite Hälfte der Spannung, die an benachbarten Autotransformator abgriffen liegt.
Es ist zu bedenken, dass der Autotransformator und die verschiedenen Hilfswicklungen üblicherweise auf denselben Ringkern gewickelt werden und dadurch notwendigerweise induktiv miteinander gekoppelt sind. Die schematischen Darstellungen in den Zeichnungen zeigen die Windungen des Autotransformators und die Hilfswicklungen lediglich zum Zwecke der Erläuterung und der Klarheit halber getrennt voneinander.
Fig. 6 zeigt schematisch die Aufeinanderfolge der Schaltvorgänge, die von den verschiedenen Kontaktarmen 49 und 50, 54 und 55 zusammen mit den Schleifringen 47, 48, 51 und 52 und dem Kommutator 53 bewirkt werden. Das kreisförmige Diagramm nach Fig. 6 zeigt einen vollständigen Zyklus von Schaltvorgängen während einer 3600- Drehung des Schleifkontaktes 46. Die Punkte A, B, C und D entsprechen den gleich bezeichneten Punkten in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5. Die bogenförmigen Symbole 49, 50, 54 und 55 von Fig. 6 entsprechen den Winkelbereichen, in denen die Kontaktarme 49, 50, 54 und 55 jeweils während einer vollen Umdrehung des Schleifkontaktes 46 zur Wirkung kommen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 erkennt man, dass die Winkelbereiche der Kontaktarme 49 und 50 sich in den Bereichen DA und CB überlappen müssen. Die Überlappung der Winkelbereiche des Kontaktarme 49 und 50 muss mit einem Teil des Winkelbereiches des Kontaktarmes 54 übereinstimmen, aber darf keinen Teil des Winkelbereiches von Kontaktarm 55 überlappen. In ähnlicher Weise muss die Überlappung der Winkelbereiche der Kontaktarme 49 und 50 im Sektor CB übereinstimmen mit einem Teil des Winkelbereiches des Kontaktarmes 55, aber darf keinen Teil des Winkelbereiches von Kontaktarm 54 überlappen. Eine andere Forderung ist, dass sich die Winkelbereiche der Kontaktarme 54 und 55 nicht überlappen.
Der Sektor DA kann als die Kommutatorüberlappung bezeichnet werden. Es hat sich gezeigt, dass die Lücke zwischen den Winkelbereichen der Kontaktarme 54 und 55 der Kommutatorüberlappung gleich sein sollte. In der Darstellung von Fig. 6 ist jede dieser Lücken etwa 30". Ohne Einschränkung der Erfindung können diese Lücken von 609 zwischen den Winkelbereichen der Kontaktarme 54 und 55 der theoretische Winkelbereich bis zu 1800 betragen, ohne dass deren Wirkungsweise beeinträchtigt würde.
So liefert die beschriebene Anordnung einen ausserordentlich breiten Spielraum hinsichtlich Toleranzen und macht es möglich, einen Spannungsteiler mit hoher Präzision zu bauen, welcher nur ganz gewöhnliche und leicht einhaltbare mechanische Toleranzen erfordert.
Bei vielen bekannten Spannungsteilern wird ein unerwünschter Spannungsabfall in den Feinpotentiometern durch Ströme verursacht, die direkt von der Spannungsquelle der Spannungsgrobstufen, wie z. B. dem Autotransformator, abgenommen werden. Je höher die Belastung ist, desto mehr tritt diese Fehlerquelle in Erscheinung. So war es in einer bekannten Anordnung notwendig, für das Feinpotentiometer einen hohen Widerstand zu wählen, um Belastungsfehler auf ein Mindestmass herabzudrücken. Bei den beschriebenen Spannungsteilern ist jedoch das Feinpotentiometer niemals der Hauptspannungsquelle für die Spannungsgrobstufen parallel geschal. et. Deshalb wird der Ausgangsstrom von den Hilfswicklungen abgenommen. Das macht es möglich, Feineinstellmittel vorzusehen, die einen geringen Widerstand haben, ohne dass unerwünschte Belastungseffekte auftreten.
Infolgedessen können hohe Ausgangsströme erreicht werden.
Zusätzlich sind die Schaltvorgänge gegenüber bekannten Anordnungen. Bei einer Anzahl von typischen bekannten Anordnungen sind die Schaltvorgänge verhältnismässig kompliziert, da vier oder mehr Leitungen der Feineinstellmittel umgeschaltet werden müssen, während bei der einfachsten Form nur zwei Leitungen der Feineinstellmittel umgeschaltet zu werden brauchen.
Weiterhin ist dann, wenn die Spannungsquelle (das heisst die Hilfswicklungen in den Ausführungsformen nach Fig. 3 und 5) ständig mit Feineinstellmitteln verbunden ist, der Eingangswiderstand des Wandlers konstant, und es entstehen keine Spannungssprünge beim Umschalten. Dadurch wird eine weitere Fehlerquelle ausgeschaltet.