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Impulsformer Die Erfindung betrifft einen Impulsformer zur Umformung
von insbesondere kurzdauernden, nadelförmigen Eingangsimpulsen in solche von konstanter
Fläche. Eine bekannte Anordnung dieser Art arbeitet nach dem Prinzip der Kondensatorumladung.
Hierbei liegen zwei Kondensatoren gleicher Größe in Reihe an einer Konstantspannung
und werden mittels eines Wechslers, der durch die Eingangsimpulse betätigt wird,
abwechselnd über einen Widerstand überbrückt. Bei jedem Stellungswechsel des Wechslers
speist die Konstantspannungsquelle die Ladestrommenge für einen Kondensator ein,
eine Größe, die bei nicht zu schneller Folge der Schaltstellungswechsel lediglich
von der Höhe der Konstantspannung und der Kapazität der Kondensatoren abhängt. Steht
beispielsweise die Aufgabe an, am Ausgang eine der Frequenz der Eingangsimpulsfolge
proportionale einfach meßbare Größe zu erhalten, so ist hierbei lediglich der Mittelwert
dieser Ladestromimpulse zu messen.
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Diese Anordnung ist auf Grund des mechanischen Schaltgliedes nur beschränkt
verwendbar. So erreicht man für die Impulsfolgefrequenz schon für verhältnismäßig
niedere Werte einen Grenzwert, der nicht ohne Einbuße an Meßgenauigkeit überschritten
werden darf. Außerdem bemüht man sich nicht nur auf diesem Gebiet, sondern auch
in der ganzen Schwachstromtechnik, solche mechanischen Schaltglieder deshalb zu
ersetzen, weil sie störanfällig sind und nach verhältnismäßig kurzer Zeit ausfallen
können.
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In einem bekannten Fernmeßempfänger, der nach dem Impulsfrequenzverfahren
arbeitet, ist eine Impulsformerstufe vorgesehen, die aus einer der Fernmeßgröße
frequenzproportionalen Rechteckgleichspannung Impulse konstanterFläche formt. Bei
jedem Spannungssprung der Rechteckspannung liefert die ; Impulsformerstufe einen
solchen Impuls, der in Abhängigkeit von der Richtung des Spannungssprunges entweder
negativ oder positiv ist. Am Ausgang der Impulsformerstufe ist hierbei ein Doppelweggleichrichter
angeordnet, der die Impulse gleichrichtet. Der arithmetische Mittelwert einer Folge
solcher Impulse konstanter Fläche ist derFrequenz derFernmeßgröße proportional.
Zur Ermöglichung der Messung des arithmetischen Mittelwertes dieser Impulsfolge
muß diese allerdings erst geglättet werden, eine Maßnahme, die infolge der verhältnismäßig
hohen und schmalen Form der Einzelimpulse erheblichen Aufwand bedingt.
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Bei diesem bekannten Impulsformer ist ein Impulstransformator, der
einen hochpermeablen Kern ; mit praktisch rechteckförmiger Hystereseschleife besitzt,
mit einem anderen Impulstransformator, der im Kern einen Luftspalt und infolgedessen
eine lineare Magnetisierungskennlinie hat, primärseitig gleichwirkend und sekundärseitig
entgegenwirkend in Reihe geschaltet. An jedem Impulstransformator wird die Gesetzmäßigkeit
ausgenutzt, daß eine gleichgültig in welcherZeit vollzogeneFlußänderung von bestimmter
Höhe sekundärseitig eine ganz bestimmte Spannungszeitfläche hervorruft. Die Zusammenschaltung
zweier Transformatoren ist bei diesem Impulsformer aus dem Grunde erforderlich,
weil trotz des hochpermeablen Kernes des einen Transformators eine vollständige
Sättigungsinduktion ( dB = 0) nicht er.-reichbar ist. Betrachtet
man nur diesen einen Transformator, und nimmt man an, daß die primärseitig anliegende
Rechteckspannung in ihrer Höhe um einen gewissen Betrag schwankt, so wird der Kern,
vom Remanenzpunkt ausgehend, in Abhängigkeit von dieser Höhe verschieden weit in
die Sättigung getrieben. Die für die Größe der Spannungszeitfläche maßgebende Flußänderung
wird hierbei ebenfalls beeinflußt. Bei dieser bekannten Anordnung hat man aus diesem
Grunde, um weitgehende Unabhängigkeit der Spannungszeitfläche dieser Impulse von
der Höhe der Rechteckspannung zu gewinnen, diesen Transformator mit einem zweiten
zusammengeschaltet, dessen Magnetisierungskennlinie etwa die gleiche Steigung wie
der im Sättigungsgebiet verlaufende Ast des ersten Transformators hat. Sekundärseitig
gleichen sich hierbei die im Sättigungsgebiet induzierten Spannungen aus.
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Die Notwendigkeit, zwei Impulstransformatoren vorzusehen, bedingt
hierbei einen hohen Aufwand und bringt außerdem den Nachteil mit sich, daß die ohnedies
nur in kleiner Höhe verfügbare, für die Leistungsabgabe jedoch maßgebende Flußänderung
noch
verkleinert wird. Die Nutzleistung dieses Impulsformers ist ebenfalls gering.
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Bekanntgeworden ist auch ein Sperrschwinger mit einem Transistor und
einem Übertrager, der durch einen elektrischen Impuls in den schwingenden Zustand
gesteuert werden kann. Der übertragerkern besteht aus einem Material mit rechteckförmiger
Hystereseschleife und weist eine dauernd wirkende Vormagnetisierung auf, die so
stark ist, daß sie den Kern nach der durch den Transistor hervorgerufenen Ummagnetisierung
wieder in den zweiten Sättigungspunkt zurückklappt. Es ist Aufgabe dieser Schaltungsanordnung,
durch einen nur sehr kurzzeitig angelegten Impuls den Sperrschwinger in den dauernd
frei schwingenden Zustand zu überführen. Dies wird durch die Verwendung eines Kernmaterials
mit rechteckförmiger Hystereseschleife in Verbindung mit der Vormagnetisierung erreicht.
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Die vorliegende Erfindung betrifft demgegenüber einen Impulsformer
zur Umformung von kurzdauernden nadelförmigen Eingangsimpulsen in solche von konstanter
Fläche, deren arithmetischer 'Mittelwert sich umgekehrt proportional zu dem Abstand
der eintreffenden Impulse verhält, wobei eine elektronische Kippschaltung mit je
einer Primärwicklung eines Übertragers in den zwei Zweigen verwendet wird. Die Erfindung
zeichnet sich dadurch aus, daß der aus einem hochpermeablen Kern und mindestens
vier Wicklungen bestehende Übertrager beim Kippen der Kippschaltung in an sich bekannter
Weise von einer Sättigungslage des Kernes in die andere überwechselt und zwecks
Erzielung monostabilen Verhaltens der Kippschaltung so in die Anordnung eingefügt
ist, daß ein im Kollektorzweig mit einem Widerstand und in Reihe dazu mit einer
der vier Wicklungen des Übertragers versehener Transistor an seinem Emitter-Kollektor-Kreis
parallel zu demjenigen eines anderen Transistors mit gleichartig bestücktem Kollektorzweig
an die Betriebsspannung geschaltet ist, und daß der Basiszweig des einen Transistors,
der mit einer weiteren Wicklung versehen ist, von den Eingangsimpulsen und derjenige
des anderen Transistors, der mit einem weiteren Widerstand versehen ist, vom Kollektorpotential
des ersten Transistors angesteuert wird, so daß die , Eingangsimpulse an der sekundärseitigen
vierten Wicklung des Übertragers die noch gleichzurichtenden Ausgangsimpulse auslösen.
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In der Zeichnung sind in den Fig. 1 und 2 Ausführungsbeispiele der
Erfindung ; dargestellt; in Fig. 3 sind Diagramme aufgetragen, die der Erläuterung
des Wirkungsprinzips des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 dienen.
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In Fig. 1 sind mit 1 und 2 die Eingangsklemmen des Impulsformers bezeichnet,
die von den kurzdauernden, nadelförmigen Impulsen beaufschlagt werden. Zwischen
diesen Klemmen ist ein übersichtsdiagramm gezeichnet, welches in beispielhafter
Darstellung Aufschluß über die mögliche Form und die mögliche zeitlicheFolge solcherEingangsimpulse
gibt. Nach diesem Diagramm fallen sowohl positive als auch negative Impulse an.
An den Klemmen 1 und 2 liegt die Reihenschaltung eines Einweggleichrichters 3 und
eines Widerstandes 4, der seinerseits in Reihenschaltung mit einer Wicklung 5 eines
Spezialübertragers im Basis-Emitter-Kreis eines Transistors 6 angeordnet ist. Dieser
Transistor ist an seinem Emitter an positives Potential, an seinemKollektor über
einen Widerstand 7 und eine weitere Wicklung 8 des Spezialübertragers
an negatives Potential angeschlossen. Der Emitter-Kollektor-Kreis eines anderen
Transistors 9 ist dem Emitter-Kollektor-Kreis des Transistors 6 parallel geschaltet
und schließt sich von positivem Potential über den Emitter, den Kollektor, einen
Widerstand 10 und eine dritte Wicklung 11 des Spezialübertragers zu negativem Potential.
Der i Kollektor des Transistors 6 ist über einen Widerstand 12 mit der Basis des
Transistors 9 und diese über einen Widerstand 13 mit dem dazugehörigen Emitter verbunden.
Schließlich besitzt der Spezialübertrager als Sekundärwicklung noch eine vierte
Wicklung 14, deren Enden an die Ausgangsklemmen 15 und 16 geführt sind. Der Kern
des Übertragers besteht aus hochpermeablem Werkstoff mit praktisch rechteckförmiger
Hystereseschleife. Die Form und zeitliche Folge der Ausgangsimpulse ist in einem
zwischen den Klemmen 15 und 16 eingezeichneteri Übersichtsdiagramm zu erkennen.
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Der Einweggleichrichter 3 sucht aus den an den Eingangsklemmen
1 und 2 eintreffenden Impulsen die Impulse einer vorgegebenen Polarität
aus, die die nach dem Prinzip einer monostabilen Kippschaltung ausgeführte Schaltungsanordnung
beeinflussen. Beispielsweise lösen positive Impulse demnach das Kippen und das anschließende
Zurückkippen in die stabile Lage aus, wobei an den Ausgangsklemmen 15 und 16 unabhängig
von der Intensität und zeitlichen Folge der Eingangsimpulse flächengleiche Impulse
in Rechteckform erscheinen. Die an dieser Impulsformerstufe hierbei ablaufenden
Vorgänge sollen im folgenden kurz geschildert werden.
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Im Ruhezustand ist der Transistor 6 geöffnet. Sein Kollektorstrom
magnetisiert den Kern des Spezialübertragers bis in die Sättigung. Auf Grund der
hierbei am Widerstand 7 abfallenden Spannung ist das Basispotential des Transistors
9 in Richtung auf positive Werte angehoben, so daß dieser Transistor gesperrt ist.
Trifft nun ein Impuls über die Wicklung 5 an die Basis des Transistors 6, so wird
dieser gesperrt. Da nunmehr der Spannungsabfall am Widerstand 7 verschwindet, kommt
die Basis des Transistors 9 über den Widerstand 12 an negatives Potential zu liegen.
Hierbei wird dieser leitend und verursacht infolge der an der Wicklung 11 entstehenden
Durchflutung die Ummagnetisierung des Kernes des Spezialübertragers aus derpositiven
in die negativeSättigung. Während dieses Vorganges bildet sich eine rechteckförmige
Induktionsspannung einerseits an der Wicklung 14 und andererseits an der Wicklung
5 aus, die den Transistor 6 gesperrt hält. Sobald der Kern des Spezialübertragers
die negative Sättigung erreicht hat, bricht die Spannung an der Wicklung 5 zusammen
und der Transistor 6 kann erneut öffnen. Der Transistor 9 wird über den Widerstand
12 wieder gesperrt, und der Kern des Übertragers wird bis in die positive Sättigung
zurückmagnetisiert. An der Wicklung 14 schließt sich während dieses Vorganges an
den bereits abgeklungenen Rechteckimpuls ein weiterer Impuls entgegengesetzter Polarität
an.
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Ein großer Vorteil dieses Impulsformers besteht darin, daß man durchVariation
der Betriebsspannung die Impulsbreite unter Beibehaltung der Impulszeitfläche verändern
kann. Wenn man hierbei am Ausgang dieser Schaltungsanordnung einen Einweggleichrichter
vorsieht, der nur den um die Dauer des
beispielsweise positiven
Rechteckimpulses versetzten negativen Impuls durchläßt, so hat man die Möglichkeit,
ein um diese Zeitdauer gegenüber dem Eingangssignal verzögertes Ausgangssignal zu
gewinnen. Diese Verzögerungszeit kann durch die Wahl der Betriebsspannung in weiten
Grenzen eingestellt werden.
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Bringt man jedoch am Ausgang des Impulsformers einen Doppelweggleichrichter
an, so schließen sich der positive und der negative Rechteckimpuls zu einem einzigen
Impuls zusammen. Da diese Impulse in einer der Frequenz der Eingangsimpulsfolge
proportionalen Häufigkeit erscheinen, ist der arithmetische Mittelwert der Ausgangsgröße
der Frequenz der Eingangsgröße proportional. Die Glätteng der Ausgangsimpulsfolge
zum Zwecke der leichten Meßbarkeit erfordert hierbei nur verhältnismäßig geringen
Aufwand, da die Rechteckimpulse schon ihrer Entstehung nach ziemlich breit und niedrig
sind, ihre Breite jedoch außerdem noch verstellbar ist und sich so weitgehend den
Bedürfnissen anpassen läßt. Die Impulsbreite kann beispielsweise von solcher Größe
sein, daß sich für die höchste an den Eingangsklemmen anliegende Impulsfolgefrequenz
die Ausgangsimpulse praktisch lückenlos folgen.
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Steuert man die Betriebsspannung des Impulsformers in Abhängigkeit
von der frequenzproportionalen Ausgangsgröße, so kann man das Verhältnis von Impulsdauer
zu Periodendauer unabhängig von der Frequenz konstant halten. Die geglättete Ausgangsimpulsfolge
stellt hierbei die Steuergröße für die Betriebsspannung dar. Bei der Wahl dieses
Verhältnisses muß allerdings darauf Rücksicht genommen werden, daß auch bei der
höchst auftretenden Änderungsgeschwindigkeit der Frequenz oder bei einer sprungartigen
Frequenzänderung in Richtung auf hohe Werte der Kippvorgang des Impulsformers abgeschlossen
ist, wenn ein neuer Ansteuerimpuls eintrifft. Während des Kippvorganges ankommende
Impulse werden nicht verarbeitet und würden hierbei in untragbarer Weise verlorengehen.
Es hat sich gezeigt, daß in normalem Betrieb ein Verhältniswert von 0,5 bis 0,6
befriedigende Ergebnisse bringt.
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Eine Anordnung, die die Erhöhung dieses Verhältniswertes bis nahezu
1 erlaubt, ist in Fig. 2 dargestellt und beruht auf dem Gedanken, daß diejenigen
Eingangsimpulse, auf die der Impulsformer infolge des gerade ablaufenden Kippvorganges
nicht anzusprechen vermag, an einer anderen ähnlich wie der Impulsformer aufgebauten
Kippschaltung Kippvorgänge auslösen. Diese zweite Kippschaltung, die im folgenden
Beschleuniger genannt wird, ist eingangsseitig dem Impulsformer parallel gsech.altet.
In Fig. 2 ist unter anderem ein Impulsformer gezeichnet, der im großen und ganzen
dem Impulsformer nach Fig. 1 entspricht und für die entsprechenden Schal- ; tungsteile
die gleichen Bezeichnungen trägt. Die Sekundärwicklung 14 ist jedoch hierbei mit
ihren Enden abweichend zu Fig. 1 über einen Doppelweggleichrichter 1.7 und über
ein Glättungsglied, das einen Widerstand 18 und einen Kondensator 19 besitzt, mit
den Ausgangsklemmen 20 und 21 verbunden. Außerdem kommt bei diesem Impulsformer
eine weitere Sekundärwicklung 22 hinzu, die ebenfalls über einen Doppelweggleichrichter
23 und ein aus einem Widerstand 24 und einem Kondensator 25 f bestehendes Glättungsglied
an einen Verstärker 26 angeschlossen ist. Der Beschleuniger, der eingangsseitig
dem Impulsformer parallel geschaltet ist, unterscheidet sich in seinem Aufbau vom
Impulsformer nur durch die zusätzliche Anordnung einer Wicklung 27, die induktiv
mit dem Übertrager des Impulsformers gekoppelt ist, und durch einen wechselstrom-5
seitig an diese angeschlossenen Doppelweggleichrichter 28, der gleichstromseitig
im Basis-Emitter-Kreis eines Transistors 29 liegt. Der Transistor 29 des Beschleunigers
hat die gleiche Funktion wie derTransistor 6 des Impulsformers. Eine Sekundärwicklung
30 des Beschleunigers ist in derselben Weise mit einem zweiten Eingang des Verstärkers
26 verbunden wie die Sekundärwicklung 22 des Impulsformers. Die Ausgangsgröße dieses
Verstärkers beeinflußt nötigenfalls unter Zwischenschaltung eines weiteren Verstärkers
oder Reglers 31 die Betriebsspannung des Impulsformers im gewünschten Sinne.
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Befindet sich der Impulsformer nach Anstoß durch einen beispielsweise
positiven Impuls (es werden nur gleichsinnige Impulse verarbeitet) im Kippvorgang,
so wird bei dieser Anordnung auch an der Wicklung 27 eine Spannung induziert, welche
mittels des Doppelweggleichrichters 28 gleichgerichtet ist. Diese Spannung erhöht
das Basispotential des Transistors 29, ist jedoch allein nicht imstande, den während
dieses Vorganges leitenden Transistor zu sperren. Fällt jedoch während dieser Zeit
am Eingang der Anordnung ein weiterer positiver Impuls an, so wird das Basispotential
weiter erhöht, und der Transistor 29 sperrt.
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Der Beschleuniger liefert während seines hierdurch angeregten Kippvorganges
in der für die Impulsformerstufe beschriebenen Art einen Rech-teckimpuls, der auf
den Verstärker 26 einwirkt. In Fig. 3 ist in einem Diagramm B die Impulsform und
Impulsfolge der an den Sekundärwicklungen 14 und 22 entstehenden bereits gleichgerichteten
Ausgangsgröße der Impulsformerstufe und in einem Diagramm C diejenige der an der
Sekundärwicklung 30 entstehenden, ebenfalls gleichgerichteten Ausgangsgröße des
Beschleunigers in Abhängigkeit von den in einem Diagranen A dargestellten Eingangsimpulsen
wiedergegeben. Wie aus den Diagrammen hervorgeht, wird die Frequenz anfänglich kleiner,
um daraufhin wieder größer zu werden. Bei Frequenzverkleinerung ergibt sich nach
Diagramm B im ersten Augenblick eine größere Impulspause, die sich jedoch nach kurzer
Übergangszeit wieder auf den verhältnisrichtigen Wert einspielt. Die Impulsbreite
vergrößert sich hierbei unter gleichzeitiger Verkleinerung der Impulshöhe bei gleichbleibendem
Flächeninhalt. Bei der darauffolgendenFrequenzvergrößerung verringert sich der zeitliche
Abstand zwischen den Eingangsimpulsen, so daß an der Impulsformerstufe der Kippvorgang
noch abläuft, wenn ein neuer positiver Impuls eintrifft. Dieser Impuls, der demnach
vom Impulsformer nicht verarbeitet werden kann, bewirkt am Beschleuniger die Abgabe
eines Rechteckimpulses, der die Erhöhung der Betriebsspannung der Impulsformerstufe
und infolgedessen das stetige Anwachsen der Impulshöhe nach sich zieht. Auch hier
bricht der Impuls dann ab, wenn der konstante Flächeninhalt erreicht ist. Der vom
Beschleuniger erzeugte Rechteckimpuls muß von solcher Größe sein, daß die auch hier
auftretende Impulspause nicht eine Verkleinerung, sondern eine Vergrößerung des
arithmetischen Mittelwertes zur Folge hat. Der Beschleuniger ist demnach unter Mitberücksichtigung
der speziellen Gegebenheiten auszulegen. Auch bei Frequenzvergrößerang
stellt
sich nach kurzer Übergangszeit das vorgegebene Verhältnis von Impulsdauer zu Periodendauer
wieder ein.
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Die Sekundärwicklung 14 nach Fig. 2 mit dem angeschlossenen Ausgangskreis
kann auch wegfallen, wenn der Verstärker 26 nicht nur als Steuerkreisverstärker
für die Betriebsspannung, sondern auch als Ausgangsverstärker verwendet wird. Dieser
besitzt in diesem Falle zwei Ausgangsklemmen, an welchen die geglätteten Ausgangsimpulsfolgen
des Impulsformers und des Beschleunigers summiert und verstärkt erscheinen.
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Bei dieser Ausführung folgen sich im Beharrungszustand die Impulse
mit so geringem zeitlichem Abstand, daß sie sich praktisch zu einem Gleichstrom
ergänzen. Das Glätten wird -hierdurch stark erleichtert.