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Schaltungsanordnung zur Erzeugung elektrischer Ströme vorgegebener
beliebiger Form Die Erfindung betrifft eine Anordnung zurErzeugung elektrischer
Ströme vorgegebener beliebiger Form. Der Begriff Strom in diesem Sinne soll kürzere
oder längere beliebige elektrische Vorgänge umfassen. Die Erfindung ist zunächst
für Meßzwecke gedacht, kann aber auch anderen Zwecken dienen, da der zugrunde liegende
Gedanke eine allgemeine Anwendung gestattet. Das Hauptkennzeichen der Erfindung
besteht darin, daß mit Hilfe eines an sich bekannten Schrittschaltwerkes eine Folge
von Impulsen erzeugt wird, deren jeweilige Amplituden den Augenblicksamplituden
der vorgegebenen Form des zu erzeugenden Stromes entsprechen. Auf diese Weise können
Ströme bzw. Spannungen jeder gewünschten Form und Dauer erzeugt werden. Dabei können
außerdem, falls gewünscht, beide Größen vor oder während des Arbeitens der Anordnung
geändert werden. Unter Schrittschaltwerk soll jede schrittweise arbeitende Einrichtung
verstanden werden, die elektrische Stromkreise steuern oder beeinflussen kann. Wird
das Schrittschaltwerk periodisch gesteuert, bestehen die erzeugten Stromformen aus
zeitlich folgenden Teilwerten von ungefähr gleicher Zeitdauer. Einen besonderen
Vorteil gewährt der Erfindungsgedanke, wenn schnell arbeitende Schrittschaltwerke,
insbesondere elektronische Schrittschaltwerke, verwendet werden, wodurch schnell
ablaufende Stromvorgänge von jeder gewünschten Form hergestellt werden können, die
einmalig oder periodisch sein können. Auf diese Weise ist es möglich, z. B. einen
allgemeinen elektrischen Generator zu schaffen, dessen Kurvenform beliebig einstellbar
ist.
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Es ist bekannt, Ströme durch Schrittschaltwerke, wie z. B. durch Wähler
und Relaisanordnungen, zu steuern. Dabei werden auf einzelnen Schritten Stromstöße
hervorgerufen, die voneinander als getrennt zu betrachten sind, wie z. B. in der
Fernsteuerungs- und Signaltechnik. Es ist ferner bekannt, für die Zwecke der Frequenzteilung
bzw. der Herstellung einer bestimmten Frequenz aus einer höheren Frequenz elektronische
Schrittschaltwerke zu verwenden, wobei auf bestimmten Schritten, z. B. am Ende einer
Dekade, Stromstöße erzeugt werden, die durch Siebmittel in entsprechend niedere
Frequenzen verwandelt werden. Auch elektronisch arbeitende Verteilersteuerungen
werden angewendet, z. B. für die Mehrfachübertragung von Nachrichten, wobei über
einen Teil einer Verteilerperiode durch Schaltung einer zugeordneten Röhre ein entsprechender
Kanal geöffnet wird. In den vorbezeichneten Fällen handelt es sich sämtlich um Stromstöße
bzw. Schaltungen, die nur auf Einzelschritten erzeugt bzw. ausgeführt werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen
beschrieben. In Fig. 1 stellt die gestrichelte Linie die gewünschte vorgeschriebene
Stromform dar. Durch ein Schrittschaltwerk wird die Stromform aus zehn Teilwerten
.hergestellt, die den Höhen der zehn gezeichneten Rechtecke entsprechen. Der stufenförmige
Verlauf läßt sich durch Siebmittel glätten, wie weiter unten beschrieben ist.
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Fig. 2 zeigt eine elektronische Schaltungsanordnung, die den Gedanken
der Fig.1 verwirklicht. S1, S2, S3 . . . S9, Si. stellen eine bekannte Schrittschaltung
mit Stromtoren dar, wobei an die Klemmen a, b
Steuerstromstöße von der gezeichneten
Form gelangen sollen. Die Steuerstromstöße sollen periodisch gegeben werden, wobei
zunächst das Stromtor S1 gezündet werde. Beim folgenden Steuerstromstoß wird über
die an die Klemmen a, b angeschlossene Leitung das Stromtor S2 gezündet und durch
Rückwirkung von .S2 das Stromtor S1 gelöscht. Beim nächsten Steuerstromstoß wird
in gleicher M7eise S3 gezündet und S2 gelöscht, usw. Die Leitungen 1-1', 2-2', 3-3'
usw. dienen einerseits zur Vorbereitung der Zündung des nächstfolgenden Stromtores,
andererseits zur Löschung des vorangehenden. Ist die ganze Kette durchlaufen und
Slo gezündet, so wird beim- elften Steuerstromstoß wieder S1 gezündet, und Slo erlischt.
Mit den Stromtoren sind die Gitterkreise von Röhren 1, 2, 3 ... 9, 10 verbunden,
wobei zwischen Gitter- und Kathodenzuführung Widerstände Rgl, R12 USW. geschaltet
sind. Diese Widerstände liegen gleichzeitig parallel zll Stromkreisen der Stromtore.
Wird z. B. das Stromtor S1 gezündet, so fließt über Rgl ein Strom, der so bemessen
sein soll, daß zusammen mit dem Spannungsfall über den Kathodenwiderstand Rkl die
Röhre 1 eine Vorspannung erhält, die bei einer Grundeinstellung des Anodenwiderstandes
Ra, einen bestimmten Anodenstrom (Ruhestrom) hervorruft. Die
Gitterspannung
kann z. B. in diesem Fall 0 Volt betragen, aber auch davon verschieden sein. Die
Verhältnisse seien für alle Röhren die gleichen, so daß beire Durchlaufen der Stromtorkette
in sämtlichen Anodenkreisen nacheinander sich ein Stromwert (Ruhewert) entsprechend
der Linie m-m (Fig. 1) einstellt. Durch entsprechende Verkleinerung der Widerstände
Ra am Anfang der Kette. und Vergrößerung am Ende der Kette läßt sich im Querwiderstand
des Spannungsteilers Sp die vorgegebene Stromform nach Fig. 1 erreichen. Der Widerstand
des Spannungsteilers soll für die Bemessung des Ruhestromes in den Anodenwiderstand
mit - einbezogen sein. Eine merkliche Belastung des Spannungsteilers S, durch einen
Parallelwiderstand zwischen den Klemmen c, d kann durch entsprechende Bemessung
dieses Widerstandes oder z. B. auch durch Anschaltung einer weiteren Röhre ausgeschlossen
werden. Durch Einstellung des Abgriffes am Spannungsteiler kann die erzeugte Stromform
größer oder kleiner gemacht werden, ohne daß die eigentliche Form sich ändert.
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Auf die geschilderte Weise ist zunächst nur die Herstellung von Stromformen
mit nur einer Stromrichtung möglich. Sollen beide Stromrichtungen übertragen werden,
z. B. der in Fig. 3 dargestellte Teil einer Sinusschwingung, so läßt sich nach Fig.
4 verfahren. Die Röhren 1, 2. .. können mittels der Schalter T1, T2 usw. wahlweise
an die Leitungen e oder f gelegt werden, die zu beiden Enden des Spannungsteilers
S.' Sp" führen, dessen Mittelpunkt g mit der Anodenstromquelle E" verbunden ist.
Die Einstellung der Anodenstromwerte erfolgt hier durch entsprechenden Abgriff der
Gitterzuführungsleitungen an den Gitterwiderständen RI1, R12 usw. Das eigentliche
Schrittschaltwerk ist hierbei weggelassen und soll der Fig. 2 entsprechen. Bei nicht
gezündetem Stromtor sei die Vorspannung für die Röhren so eingestellt, daß kein
Anodenstrom fließt. Nach Zünden z. B. des Stromtores Si fließt über den Gitterwiderstand
Rnl ein derartiger Strom, daß infolge entsprechender Gitterspannungsänderung der
gewünschte Anodenstrom - nach Fig. 3 der der Höhe des ersten Rechteckes entsprechende
- fließt. Entsprechend der Kurve nach Fig. 3 müssen die Schalter T1, T2, T3 nach
rechts, die Schalter T9, Tlo nach links gelegt sein, wenn ein von S, nach Klemme
c fließender Strom positiv bezeichnet werden soll. Zwischen den Spannungsteiler
und die Klemmen c, d ist ein Filter F geschaltet, das den gestuften Verlauf der
über c, d fließenden Ströme bzw. dort erzielten Spannungen glättet.
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Der Erfindungsgedanke ist nicht auf die gezeigten Beispiele beschränkt,
sondern soll in diesen nur das Wesentliche erläutern. Die Erzeugung einer Stromform
kann einmalig, mehrmalig oder periodisch erfolgen. In letzterem Falle wird ein elektrischer
Generator erzielt, dessen Schwingungsform beliebig eingestellt werden kann, z. B.
als Sinuskurve oder Rechteckkurve oder Dreieckkurve oder nach einer anderen gewünschten
Form. Derartige Kurven eignen sich für die Untersuchung von Verstärkern oder beliebigen
Netzwerken, Vierpolen usw. Die Frequenzgenauigkeit dieser in Form und Größe beliebig
veränderbaren Schwingungen ist nur von der Genauigkeit der Steuerfrequenz (Leitungen
a, b in Fig. 2) abhängig. Letztere kann sehr hoch getrieben werden, insbesondere
bei Verwendung von Kristall- oder Stimmgabeloszillatoren für die Erzeugung der Steuerfrequenz,
wobei auch in bekannter' Weise eine Frequenzv erminderung erfolgen kann. Die in
Fig. 2 und 4 dargestellten Ketten können hinsichtlich ihrer Gliederzahl beliebig
aufgebaut sein, z. B. auch mehr als zehn Glieder für die Darstellung einer Stromform
enthalten. Entscheidend ist die in jedem Falle gewünschte Feinheit der Darstellung
der Stromform hinsichtlich aller in dieser Form vorhandenen Eigenarten. Eine Änderung
der Frequenz der erzeugten Stromform läßt sich dadurch erzielen, daß für die einzelne
Form mehr oder weniger Schritte angesetzt werden. Daneben gibt es die Möglichkeit,
die Steuerfrequenz zu ändern. Die Schrittzahl kann dadurch geändert werden, daß
die Rückschalteng vom Endglied auf das Anfangsglied der Kette z. B. nach Fig. 2
oder 4 von einem anderen Glied erfolgt als dem dargestellten (S1,). Es können auch
Glieder übersprungen oder die Rückschaltungen zwischen beliebigen Gliedern vorgenommen
werden. In manchen Fällen kann es erwünscht sein, daß nur eine bestimmte Zahl von
Stromformen erzeugt werden soll, z. B. für Prüfung von Schrittschaltwerken, wie
Wählern usw. Dann ist ein Zählwerk notwendig, das nach der erfolgten Zahl von Schritten
für das zu prüfende Schrittschaltwerk, die Pausen mit eingerechnet, das Schrittschaltwerk
abschaltet, das die Prüfströme im Sinne der Erfindung liefert. Derartige Zählwerke
sind bekannt. Zum Beispiel kann in den Schaltungen nach Fig. 2 oder 4 eine ähnliche
Schaltung, wie sie durch die Röhrenkette Sr, S2 usw. angedeutet ist, verwendet werden,
um nach mehreren Durchgängen das Schrittschaltwerk für die Röhren 1, 2 usw. abzuschalten.
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Als Strom von vorgegebener Form im @inflf@!!!!@'!!'@il''t Erfindung
ist auch ein Vorgang anzusehen, der durch Pausen unterbrochen ist, z. B. eine Kette
von verschieden langen Rechteckstromstößen, zwischen denen Pausen von gleicher oder
verschiedener Länge liegen. Nach den Beispielen der Fig. 2 und 4 ist dies durchführbar,
wenn während der Pausen ein Fließen des Anodenstromes in den Röhren 1, 2 usw., die
auf den Pausenschritten liegen, unmöglich gemacht wird. Gegebenenfalls ist hierfür
eine größere Röhrenzahl notwendig. Eine Vereinfachung läßt sich dadurch erzielen,
daß eine Kettenschaltung mit dem Schrittschaltwerk für die Erzeugung der Stromstöße
derart in Verbindung gebracht wird, daß nach jedem Stromstoß und nach jeder Pause
eine Rückschaltung des Schrittschaltwerkes in die Anfangsstellung erfolgt. Derartige
Schaltungen haben auch für Steuerungen beliebiger Art Bedeutung, wobei sich insbesondere
für Steuerungen mit hochfrequenten Schaltimpulsen Möglichkeiten eröffnen. So können
z. B. Stromstoßreihen mit untereinander verschiedenen Stromstößen (zeitliche Dauer,
Amplitude) hergestellt werden, die wie bei einem Sicherheitsschlüsselsystem nur
eine bestimmte Einrichtung beeinflussen und dies praktisch augenblicklich bewirken,
wenn hochfrequente Schrittschaltwerke benutzt werden. Von besonderem Wert ist hierbei
die zeitlich genaue Bemessung der Stromform bzw. der Stromstoßreihe, wenn für die
Steuerfrequenz des erzeugenden Schrittschaltwerkes ein äußerst zeitgenauer Generator,
wie z. B. ein Kristallgenerator, verwendet wird. Dies gilt auch für die Einzelheiten
der Stromform bzw. Stromstoßreihe.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf Fälle, bei welchen mehrere gleiche
oder verschiedene Stromformen gleichzeitig erzeugt werden sollen. So kann z. B.
parallel zu den Schaltungen nach Fig. 2 und -1 (Röhren 1, 2. ..
10) eine weitere gleiche oder ähnliche Schaltung von dem gleichen Schrittschaltwerk
(S1, S2 ... Sr.) gesteuert werden. Die Ströme in beiden Schaltungen können
gleiche oder verschiedene Form haben und einmalig oder periodisch, im letzten Falle
mit gleicher oder verschiedener Frequenz ablaufen.
So lassen sich
eine Sinusschwingung und eine Kippschwingung beispielsweise gleichzeitig mit der
gleichen oder verschiedener Frequenz herstellen. Durch entsprechende Einstellung
der Stromformen bei beiden Röhrengruppen können beliebig verlaufende Ströme und
auch beliebige Phasenverschiebungen zwischen diesen Strömen hervorgerufen werden.
Ebenso können auch mehr als zwei Stromkreise auf diese Weise gesteuert werden. Die
Erfindung läßt es weiter zu, die in den Stromkreisen gleichzeitig entstehenden Stromformen
in einer gemeinsamen Anordnung, z. B. in einem Widerstand oder in einem mit oder
ohne Röhre gekoppelten Kreis, miteinander zu mischen. So lassen sich auch Sinusschwingungen
von verschiedener Frequenz, Amplitude und Phase herstellen und überlagern, wobei
die genannten drei Größen auch während des Betriebes einstellbar sind. Die Frequenzgenauigkeit
entspricht dabei der Schrittfrequenz des erzeugenden Schrittschaltwerkes, die, wie
erwähnt, äußerst genau gemacht werden kann. Je höher die zu erzeugenden Frequenzen
(Stromformen) sein sollen, um so höher muß auch die Schrittfrequenz liegen. Die
Anordnung mit mehreren parallelen Stromkreisen ist insbesondere in denjenigen Fällen
von Wert, wo die zu erzielende Stromform ein Summenwert aus verschiedenen Einzelformen
ist und die Einstellung der Summe umständlicher als die der Einzelformen. Auf diese
Weise kann man z. B. einen Klang oder ein beliebiges Spektrum für akustische Untersuchungen
zusammensetzen und die Wirkung auf beliebige Empfänger feststellen. Auch für Anschauungs-und
Lehrzwecke sind solche Anordnungen geeignet, wenn gewünschte Vorgänge z. B. auf
dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre sichtbar gemacht werden sollen.
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An Stelle der in Fig. 2 und 4 dargestellten Eingitterröhren können
andere geeignete Röhren oder sonstige steuerbare Schaltelemente, wie z. B. Transistoren,
benutzt werden. Die Stromformen lassen sich auch dadurch erzielen, daß durch die
steuerbaren Schaltelemente Stromkreise mehr oder weniger kurzgeschlossen werden,
z. B. in der Schaltung nach Fig. 2 durch Parallelschaltung der Röhren 1, 2 usw.
zu den Widerständen Ra. Je nach den gewünschten Energieverhältnissen ist es ferner
möglich, auf besondere gesteuerte Schaltelemente ganz zu verzichten und die Stromformen
durch die Elemente S des Schrittschaltwerkes direkt zu erzeugen, indem bei der Schaltung
des Elements der durch dieses fließende Strom oder ein Zweigstrom für den Aufbau
des entsprechenden Teilelements der zu erzeugenden Stromform benutzt wird.
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Als Schrittschaltwerk können alle bekannten Anordnungen im I'Tiederfrequenzbereich
und Hochfrequenzbereich dienen, wobei, wie erwähnt, die Schrittfrequenz bzw. Genauigkeit
der zu erzeugenden Stromform abhängig ist. Eine besondere Bedeutung erlangt die
Erfindung durch die Verwendung von Hochfrequenzschrittschaltwerken, da in diesem
Falle auch die zu erzeugenden Stromformen von hoher Frequenz sein können. Der Aufbau
der Schrittschaltwerke kann auch in mehreren Stufen in bekannter Weise erfolgen,
z. B. als Mehrdekadenwerk oder entsprechendes duales Schrittschaltwerk. In letzterem
Falle kann von einer bekannten Schaltung Gebrauch gemacht werden, die in einfacher
Weise die Überführung von dualen Schritten in ein anderes Schrittsystem, z. B. in
ein dekadisches, ermöglicht. Die nach Fig. 2 und 4 beschriebene Anordnung mit Stromtoren
S1, & .... stellt nur ein Beispiel dar. Für höherfrequente
Schaltungen kann auch von der bistabilen Schaltung mit Elektronenröhren Gebrauch
gemacht werden, wobei nach dem dualen oder dekadischen Verfahren gearbeitet werden
kann: Auch bekannte Transistorenschaltungen oder auf magnetischer Basis beruhende
Schrittschaltwerke sind für die Erfindung geeignet.
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Für die Anwendung hochfrequenter Schrittschaltwerke kann auch von
einem besonderen Prinzip Gebrauch gemacht werden, das in Fig. 5 erläutert ist. Eine
Schutzgitterröhre habe auf Grund der getroffenen Wahl von Schutzgitter- und Anodenspannung
den in Fig. 5 dargestellten Verlauf der Abhängigkeit des Anodenstromes von der Anodenspannung.
Die Einsenkung des Anodenstromes zwischen den Punkten 1 und 2 werde in bekannter
Weise durch die Sekundäremission der Anode hervorgerufen. Die Anodenspannung sei
von dem Wert 0 an gesteigert gedacht, bis für den Anodenstrom der Wert ial erreicht
ist. Die Begrenzung des Anodenstromes bei gegebener Betriebsspannung E, erfolge
durch einen im Anodenkreis liegenden Widerstand, dessen Charakteristik der Geraden
1-2 entspreche. Durch geringfügige Vergrößerung der Anoden- bzw. Betriebsspannung
um den Betrag Aua durch einen zusätzlichen Stromstoß sinkt der Anodenstrom zunächst
auf den dem Punkt 2' entsprechenden Wert und nach Ablauf des Stromstoßes auf den
Wert 2a2. Durch einen entgegengesetzten Stromstoß kann der vorhergehende Wert ial
wieder erreicht werden. Die Widerstandscharakteristik wird, wie die Fig. 5 zeigt,
im einen oder anderen Sinne verschoben. An Stelle einer Änderung der Anodenspannung
können auch im Gitterkreis zusätzliche Spannungsstöße gegeben werden. Im Sinne der
Erfindung soll jede Beeinflussung verstanden werden, bei welcher sich, wie dargestellt,
durch Sekundäremission mehrere stabile Stromzustände zwischen beliebigen Elektroden
herstellen lassen, z. B. auch durch eine Dynatronschaltung. Ob beim »Zünden« oder
»Löschen« der Zustand mit kleinerem oder größerem Strom erreicht wird, soll für
die Erfindung unerheblich sein, da für das Schrittschaltwerk allein das Vorhandensein
von zwei stabilen Zuständen der Schaltelemente von Bedeutung ist. Auch die Größe
der Stromunterschiede (?,l, i,2) soll für den hier vorliegenden Gedanken unerheblich
sein, da es in bekannter Weise möglich ist, die vollständige oder teilweise Kompensation
eines Reststromes bzw. einer Restspannung, falls gewünscht, herbeizuführen. Die
hochfrequenten Schrittschaltwerke werden durch das praktisch trägheitslose Auftreten
der Sekundärelektronen erreicht.
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An Stelle von Röhren mit Sekundäremission kann auch von solchen Röhrenschaltungen
Gebrauch gemacht werden, bei welchen durch Stromverteilung zwischen mehreren Elektroden
Stromkreise mit labiler Stromführung entstehen, die durch Einschaltung entsprechender
Widerstände stabil werden, und zwar für mehrere Stromzustände. Letztere lassen sich
bei Änderung der Elektrodenpotentiale abwechseln, wenn ähnlich wie im Beispiel der
Sekundäremission verfahren wird, z. B. eine fallende Charakteristik erzeugt wird.
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Im Bereich der Erfindung soll auch die Anwendung der beanspruchten
Schaltungen für die Zwecke der Starkstromtechnik liegen, z. B. für die Erzeugung
von kurzzeitigen Prüfspannungen für Materialuntersuchungen usw. Der Verlauf der
Stromform kann dabei, wie beschrieben, genauestens -festgelegt werden. Ferner läßt
sich der Erfindungsgedanke für Zwecke der Regelungs- und Steuerungstechnik verwenden.
wobei die Einstellung der Stromformen von Hand
oder auch selbsttätig,
z. B. in Abhängigkeit von einer zu -regelnden Größe, erfolgen kann. Für Zwecke der
Fernsteuerung läßt sich eine außerordentlich große Genauigkeit des zeitlichen Ablaufes
der Stromformen erzielen. Es ist ein besonderes Kennzeichen der Erfindung, daß für
einen großen Anwendungsbereich eine allgemeine Anordnung geschaffen werden kann,
die beliebige Stromvorgänge zu erzeugen gestattet, wobei der jeweilige Vorgang oder
auch mehrere gleichzeitig hinsichtlich des zeitlichen Verlaufes genauestens eingestellt
und je nach Wunsch auch während des Betriebes geändert werden können. Hierbei kann
auf mechanische Teile auch vollkommen verzichtet werden.