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Schutzschaltung gegen Überspannungen bei kurzzeitigem Ausfallen des
Speisestromes Die Erfindung betrifft eine insbesondere für röhrenbestückte Oszillatoren,
Wechselspannungsgeneratoren und Verstärker zum Schutz gegen überspannungen nach
kurzzeitigem Ausfall der Netzspannung vorgesehene Schutzschaltung. Bekanntlich treten
bei Oszillatoren, Wechselspannungsgeneratoren und Verstärkern, wenn sie vor allem
stromabhängige Widerstände, z. B. Kaltleiter, zur Stabilisierung oder Regelung der
Ausgangsspannung enthalten, im Falle eines kurzzeitigen Netzausfalls Spannungsspitzen
mit Werten auf, die erheblich über den Werten des eingeschwungenen bzw. normal verstärkenden
Zustandes liegen. Solche Spannungsspitzen führen zu einer Überlastung insbesondere
der angeschlossenen Einrichtungen, wenn diese Teile - wie es oft zutrifft -in der
Nähe ihrer Belastungsgrenze betrieben werden. Eine solche plötzliche Spannungsspitze
kann dann zur Beschädigung vor allem von hochempfindlichen Instrumenten führen.
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Zur Erläuterung dieser Verhältnisse wird die Fig. 1. herangezogen.
Sie zeigt eine von einer Pentode 1 gebildete, in Hinblick auf die verfolgte Problemstellung
maßgebliche Stufe des Oszillators oder Verstärkers, deren Kathode 2 über einen Kaltleiter
3 und deren Steuergitter 4 über einen Gitterwiderstand 5 am Nulleiter 6 liegt. Bei
Netzausfall bricht die Anodengleichspannung im Gerät sehr schnell zusammen. Durch
den Kaltleiter 3 oder durch ein ihm in der Wirkung vergleichbares Schaltelement
fließt dann weder ein Kathodenstrom noch aus dem Gegenkopplungszweig 7 ein Wechselstrom,
und auf Grund der geringen Wärmeträgheit sinkt der Widerstand des Kaltleiters 3
augenblicklich stark ab. Dauert nun die Netzstörung nur eine kurze Zeit, so da.ß
schon nach wenigen Sekunden, z. B. innerhalb 15 bis 25 Sekunden, die Netzspannung
wieder zur Verfügung steht, so hat im allgemeinen die Kathode 2 noch eine sehr hohe
Temperatur und eine entsprechende Elektronenemissionsfähigkeit behalten. Infolgedessen
treten dann auf Grund des nun kleinen Gegenkopplungswiderstandes des Kaltleiters
3 kurzzeitig Überspannungen am Ausgang bzw. im Zuge der Schaltung von Oszillatoren,
Wechselspannungsgeneratoren und Verstärkern auf, die zu einer überlastung der internen
Schaltung bzw. der angeschlossenen Geräte führen können. Die Spannungsüberhöhung
wird um so größer, je größer der Unterschied zwischen den Widerstandswerten des
Gegenkopplungswiderstandes 3 im kalten und im warmen Zustand ist.
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Bekannte Schaltungen machen vor allem von Bimetall-Relaisschaltungen
mit dem Ziel Gebrauch, das betreffende Gerät bei Netzausfall mindestens so lange,
z. B. mindestens 30 Sekunden, ganz vom Netz abzutrennen, bis die Kathoden der Röhren
auf jeden Fall genügend abgekühlt sind, um keinen nennenswerten Elektronenstrom
mehr emittieren zu können. Bei Wiedereinschalten können daher keine Strom-und Spannungsspitzen
mehr eintreten, weil es sich dann lediglich um das betriebsgerechte langsame Einschwingen
mit langsamer Verstärkungszunahme handelt.
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Es ist ohne weiteres einzusehen, daß die mit derartigen Abhilfemaßnahmen
verbundene lange Ausschaltung des Gerätes über eine Zeit von mehr als 30 Sekunden,
z. B. bis etwa 60 Sekunden, nicht in allen Fällen tragbar ist, zumal viele Netzspannungsausfälle
oder Zusammenbrüche dieser Zeitspanne gegenüber nur von sehr kurzer Dauer sind.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, den Oszillator bzw. den Wechselstromgenerator
oder Verstärker praktisch nur für die Zeit des Netzausfalls außer Betrieb zu setzen
und dennoch jegliches überschwingen der Strom- und Spannungsamplitude zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Schutzschaltung für insbesondere röhrenbestückte,
stromabhängige Widerstände, wie z. B. Kaltleiter, enthaltende Oszillatoren, Wechselspannungsgeneratoren
und Verstärker zur Sicherung gegen Überspannungen bei kurzzeitigem Ausfall des Speisestromes
gelöst, welche die an einer Elektrode
einer Elektronenröhre der
Schaltung liegende Spannung selbsttätig regelt, um einen für die Ausgangsspannung
vorgegebenen Sollwert nicht überschreiten zu lassen, und die sich durch eine Kombination
einer Hilfsspannungsquelle, eines Kondensators und eines diesen überbrückenden niederohmigen
Entladewiderstandes kennzeichnet, welche Organe einen Zweig eines Spannungsteilers
bilden, von dessen Teilungspunkt nach Ausfall der Speisespannung einer Elektrode
der Röhre einer Schaltungsstufe infolge einer sehr kleinen Entladungszeitkonstante
der Kondensator-Widerstands-Kombination eine die Röhre sperrende Vorspannung zugeführt
wird, welche Vorspannung sich nach Wiederbereitstellung der Speisespannung in Abhängigkeit
von der um Größenordnungen längeren Zeitkonstante für die Aufladung des Kondensators
allmählich unter Öffnung der Röhre bis auf ihren den stationären Betriebszustand
kennzeichnenden Wert verkleinert.
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Eine derartige Schaltungsausbildung ist dann nach einem kurzzeitigen
Ausfall der Speisespannung, wenn diese wieder zur Verfügung steht, gegen überspannungen
geschützt, die sonst infolge großer Unterschiede des Kaltdeitwertes gegenüber dem
Warmleitwert der in. der Schaltung benutzten Kaltleiter einerseits und der Abkühlgeschwindigkeit
der Kaltleiter gegenüber der Abkühlgeschwindigkeit der beheizten Röhrenkathoden
andererseits verursacht würden. Es handelt sich somit um Zielsetzungen und Maßnahmen,
die verschieden sind sowohl von bekannten selbsttätigen Relaisschaltungen zum laufend
wiederholten Ein- und Ausschalten z. B. einer Röntgenröhre in Abhängigkeit von der
ausgestrahlten Energie als auch von Schutzmaßnahmen gegen Nachwirkungseffekte beim
Ausschalten von Kathodenstrahlröhren aus dem Zustand einer geringen Kathodenstrahldichte.
Im letzteren Falle soll nämlich ein als sogenannter »Strahlstrom« bekannter störender
Nachwirkungseffekt beim Ausschalten und nicht bei der Wiederbereitstellung der Speisespannung
unterdrückt werden. Schließlich stimmt der Erfindungsgedanke in seinem Wesen auch
nicht mit einer bekannten Sicherheitsschaltung für Elektrodenstrahlröhren überein,
welche bei Ausfall der im normalen Betriebszustand eine negative Regelspannung liefernden
Stabilisierstufe durch Gegenkopplung schädliche Wirkungen zu vermeiden sucht. Da
bei diesen bekannten Schutzeinrichtungen verschiedener Art andere Zielsetzungen
bestanden, liegen auch hinsichtlich der Schaltungsmaßnahmen wesentliche Abweichungen
von dem Vorschlag der vorliegenden Erfindung vor. So sollte bei der erstgenannten
Röntgeneinrichtung allein die Auflad'ung eines Kondensators nach der Inbetriebsetzung
der Röntgenröhre wirksam werden, um nach Ausstrahlung einer bestimmten Röntgenenergie
selbsttätig die Röntgenröhre wieder auszuschalten. Bei der zweitgenannten bekannten
Einrichtung zum Schutz einer Kathodenstrahlröhre gegen einen Nachwirkungseffekt
werden ein Kondensator und ein in Serie zu ihm liegender Widerstand in einem Hilfssteuerkreis
dazu benutzt, um eine die Intensität des Elektronenstrahles steuernde Spannung möglichst
lange aufrechtzuerhalten, indem die Zeitkonstante für die Entladung des Kondensators
beim Ausschalten der Kathodenstrahlröhre vergrößert wird. Bei der letztgenannten
Sicherheitsschaltung spielt schließlich der Unterschied zwischen der Entladezeit
und der Auflad'ezeit eines Kondensators keine Rolle, vielmehr wird von einer Rückkopplungsschaltung
mit differenzierenden Kopplungsfunktionen der vorhandenen Kondensatoren Gebrauch
gemacht.
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Demgegenüber soll das Wesen der vorliegenden Erfindung an Hand einiger
Figuren eingehender erläutert werden.
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Fig.2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung für die selbsttätige Regelung
der Bremsgitterspannung einer Röhre des Oszillators oder Verstärkers, während Fig.
3 die für die selbsttätige Regelung der Spannung am Steuergitter einer Eingitterröhre
des Oszillators oder des Verstärkers geeignete Schaltung veranschaulicht. Fig.4
betrifft schließlich eine Ausführungsform des Erfindungsgedankens mit einer kathodenseitigen
selbsttätigen begrenzenden Regelung.
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Der Grundgedanke der Erfindung wird, wie das Ausführungsbeispiel der
Fig.2 zeigt, dadurch verwirklicht, daß das Bremsgitter 8 der Mehrgitterröhre 1 an
einen zwischen der positiven Anodenspeisespannungsleitung 9 und dem Nulleiter 6
liegenden Spannungsteiler 10 angeschlossen wird, dessen mit dem Nulleiter verbundener
Teil im wesentlichen aus der Serienschaltung einer mit ihrem positiven Pol am Nulleiter
6 liegenden Hilfsspannungsquelle 11 und eines Kondensators 12 mit einem zu diesem
parallelliegenden Widerstand 13 besteht. Vorzugsweise wird aber noch der mit dem
Bremsgitter 8 bzw. mit der zur Begrenzung herangezogenen Elektrode verbundene Abgriff
des Spannungsteilers 10 mit dem Nullleiter 6 durch einen richtungsabhängigen Widerstand
14, insbesondere durch eine Diode 14 mit geringem Widerstand in der von dem positiven
Spannungspol 9 zum Nulleiter 6 führenden Durchlaßrichtung und mit einem sehr hohen
Widerstand in der Sperrichtung, verbunden, um die Begrenzerwirkung auch bei sehr
kurzen, wenige Sekunden dauernden Stromunterbrechungen ausnutzen zu können. Der
andere, am positiven Speisespannungspol9 liegende Abschnitt des Spannungsteilers
10 besteht lediglich aus einem hochohmigen Widerstand 15.
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Infolge dieser aus der Figur ersichtlichen Maßnahmen hat im normalen
Betriebszustand das Bremsgitter durch den Anschluß an den Spannungsteiler 10 ein
geringes negatives Potential gegenüber dem Nullleiter 6. Die parallel,zu dem mit
dem Nulleiter verbundenen Abschnitt des Spannungsteilers liegende Diode 14 ist daher
gesperrt und führt keinen Strom. Der Kondensator 12 ist auf einen dem Spannungsteilerverhältnis
entsprechenden Teil der zwischen dem Pol 9 und dem Nulleiter 6 liegenden Spannung
aufgeladen. In einem Ausführungsbeispiel haben die Widerstände 13 und 15 des Spannungsteilers
10 die Werte 100 kSL bzw. 1,2 kQ, der Kondensator 12 eine Kapazität von 25 #tF.
Die negative Hilfsspannung beträgt 20 V bei etwa 200 V Spannung zwischen dem positiven
Pol 9 und dem Nulleiter 6.
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Fällt nun die Netzspannung aus, so brechen die positive Anodenspannung
sowie die negative Hilfsspannung auf Grund der geringen Zeitkonstanten in normalen
Netzteilen momentan zusammen. Daher wird sich der Kondensator 12 entweder über den
im Vergleich zum Widerstand 15 niederohmigen Widerstand 13 oder über die
Diode 14, die nun in Durchlaßrichtung unter Spannung steht, und über die Hilfsspannungsquelle
11, deren innerer Widerstand im Vergleich zu den Widerstandswerten des Spannungsteilers
10 sehr gering ist und in der Größenordnung von einigen hundert Ohm liegt, in wenigen
Millisekunden
entladen. Die Zeitkonstante dieser Schaltungsteile
ist also jetzt sehr klein.
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Steht dann die Netzspannung nach Ablauf einer so kurzen Zeit, in der
die Kathodentemperatur wegen der Wärmeträgheit nur wenig absinkt und zur Elektronenemission
noch ausreicht, wieder zur Verfügung, so kann die vorher erwähnte Überspannung nicht
auftreten, da das Bremsgitter 8 jetzt stark negativ vorgespannt ist. Denn der entladene
Kondensator 12 schließt im ersten Augenblick den unteren Abschnitt des Spannungsteilers
10 praktisch kurz, so daß das Bremsgitter 8 an der vollen negativen Hilfsspannung
liegt. Diese negative Vorspannung des Bremsgitters klingt nun mit der vergleichsweise
großen Aufladezeitkonstante des aus dem Kondensator 12 und den hochohmigen Widerständen
15 und 13 gebildeten Schaltungszweiges ab, welche Konstante um mehrere Größenordnungen
höher als die Entladezeitkonstante ist.
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In dem Maße, wie dann die Spannung am Bremsgitter 8 mit der Rufladung
des Kondensators 12 allmählich ,auf den stationären, schwach negativen Wert abklingt,
nimmt die Verstärkung der Röhre 1 wieder zu. Bis die Röhre ihre volle Verstärkung
erreicht, hat auch der Kaltleiter 3 seinen Warmwiderstandswert angenommen, da je
während dieser Zeit dauernd Anodenstrom fließt. Es kommt aber nicht zu überspannungen
und nicht zu Stromspitzen.
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Man ersieht daraus, daß die Wirksamkeit der Schutzschaltung entscheidend
von den Zeitkonstanten für die Entladung und für die Rufladung der Kondensator-Widerstands-Kombination
des Spannungsteilers 10 bestimmt wird, d. h. von dem Unterschied zwischen den Widerstandswerten
des Spannungsteilers und den niederohmigen Widerständen der Diode in der Durchlaßrichtung
und der Hilfsspannungsquelle. Da die Spannungsteilerwiderstände in der Größenordnung
von MP bzw. kQ liegen, der Widerstand der Diode in der Durchlaßrichtung dagegen
vernachlässigbar ist, während der innere Widerstand der Hilfsspannungsquelle nur
in der Größenordnung von etwa höchstens 100 S2 liegt, wird der erwünschte Effekt
ohne weiteres erzielt. Demnach beträgt die Zeitkonstante für die Entladung einige
Millisekunden, für die Rufladung dagegen einige Sekunden, wodurch die praktische
.augenblickliche Bereitschaft dieser erfindungsgemäßen selbsttätigen Regelschaltung
gegeben ist.
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Als Begrenzerröhren können sowohl Ein- als auch Mehrgitterröhren benutzt
werden. Für Eingitterröhren 16 muß dann natürlich die Aussteuerung und Regelung
am Steuergitter 11 angreifen, wie Fig. 3 in einem Ausführungsbeispiel zeigt. Zweckmäßig
liegt dann aber noch zwischen dem Abgriffpunkt des Spannungsteilers 10 a und dem
Steuergitter 17 der Ableitungswiderstand 18.
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Grundsätzlich könnte die Schafung auch ohne den Diodenzweig 14 wirksam
werden, allerdings wird dann die Zeitkonstante für die Entladung beträchtlich länger,
so daß für sehr kurzzeitige Stromunterbrechungen die Begrenzerschaltung nicht mehr
wirksam werden kann.
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Schließlich könnte die selbsttätige Regelung zur Begrenzung von Spannungsspitzen
auch an der Kathode 2 angreifen. Man bedient sich dazu einer ähnlichen Spannungsteilerschaltung,
wie Fig.4 zeigt. Im normalen Betriebszustand hat der Punkt 30 des Gittervorspannungszweiges
gegenüber der über den Kathodenwiderstand 23 am Nulleiter 26 liegenden Kathode 22
eine negative Vorspannung, so daß die Diode 34 in Sperrichtung beansprucht wird.
Der Kondensator 32 ist auf eine dem Widerstand 33 entsprechende Teilspannung an
dem vom Widerstand 33 (z. B. 100 ko.) und vom Widerstand 35 (z. B. 1 MSZ) gebildeten
Spannungsteiler für die Hiflfsspannungsquelle 31 aufgeladen. Deren Spannung muß
jetzt allerdings größer bemessen sein als in den anderen Ausführungsbeispielen.
Bei Netzausfall bricht nun die Spannung an der Kathode zusammen, so daß sich der
Kondensator 32 von beispielsweise 25 J Kapazität mit relativ sehr kleiner Zeitkonstante
über die nun in Durchlaßrichtung unter Spannung stehende Diode 34 und den Kathodenwiderstand
23 entladen kann. In dem Augenblick, da die Netzspannung wieder zur Verfügung steht,
erhält das Gitter 24 der Röhre 21
infolge des jetzt bestehenden Kurzschlusses
über den Kondensator 32 eine so große negative Vorspannung gegenüber der Kathode
22, daß die Röhre 21 praktisch gesperrt ist. Erst mit der allmählichen Rufladung
des Kondensators 22 durch die Hilfsspannungsquelle 31, wobei jetzt der hohe Widerstand
35 die verhältnismäßig große Aufladezeitkonstante bestimmt, wird die große negative
Vorspannung des Gitters 24 gegenüber der Kathode 22 allmählich abgebaut, bis die
normalen Arbeitsspannungsverhältnisse vorliegen. Auf diese Weise kommt die angestrebte
Schutzwirkung beim Wiedererscheinen der Netzspannung zustande. Man erkennt so, daß
das Erfindungsprinzip mehrere Ausführungsmöglichkeiten zuläßt.
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Die Begrenzerschaltung gemäß der Erfindung braucht nur bei Stromausfällen
wirksam zu werden, die etwa zwischen 10 und 30 Sekunden dauern, .da bei kürzeren
Ausfallzeiten der Kaltleiter noch warm ist und nach längerem Ausfall - wie auch
beim normalen Einschalten des Gerätes - die Kathodentemperatur schon so weit abgesunken
ist, daß kein Elektronenstrom mehr emittiert wird. In diesen Fällen verhütet also
das langsame Anlaufen der Emission ganz von selbst ein Überschwingen und die damit
verbundenen Spannungs- und Stromspitzen. Selbstverständlich bleibt die Schaltung
erforderlichenfalls auch bei Netzausfall, der länger als 30 Sekunden dauert, voll
wirksam.
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Eine der vorliegenden Begrenzerschaltung entsprechende Schaltung läßt
sich in analoger Weise auch für transistorbestückte Oszillatoren, Wechselspannungsgeneratoren
und Verstärker finden, ohne grundlegend neue Überlegungen anstellen zu müssen.