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Schaltungsanordnung für die Speisung eines gemeinsamen Verbrauchers
durch drei Hochfrequenzgeneratoren Die Hauptpatentanmeldung T 19085 IX d/21 a4 bezieht
sich auf eine Schaltungsanordnung, in welcher wenigstens zwei Hochfrequenzgeneratoren
mit einem gemeinsamen Verbraucher verbunden sind und ihre Ausgangsleistungen an
diesen abgeben. Solche Anordnungen können beispielsweise angewendet werden, wenn
die Leistung eines vorhandenen Generators nicht ausreicht und die Anlage durch einen
zweiten Generator ergänzt werden soll. Häufig nimmt man aber auch bei Neuplanungen
von Anlagen eine Aufteilung in mehrere unabhängig voneinander betriebsfähige Generatoren
vor, um beim Ausfall eines Generators mit der von dem anderen Generator an den Verbraucherwiderstand
abgegebenen Restleistung ohne Betriebsunterbrechung weiterarbeiten zu können. Aufgaben
dieser Art treten sowohl in Hochfrequenz-Nachrichtenanlagen als auch in Anlagen
zur industriellen Verwendung von Hochfrequenzenergie auf.
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Die genannte Hauptpatentanmeldung geht dabei von einer Schaltungsanordnung
für die Speisung eines gemeinsamen Verbrauchers durch zwei oder mehr Generatoren
aus, deren Ausgangsspannungen gleiche Frequenz und Phase aufweisen. Durch die der
Hauptpatentanmeldung zugrunde liegende Erfindung wird ein störender Nachteil einer
bekannten Schaltungsanordnung vermieden, der darin besteht, daß der in derartigen
Parallelschaltungsanordnungen erforderliche Lastausgleichwiderstand beidseitig auf
Hochfrequenzspannung gegenüber Erde bzw. Masse liegt. In der Hauptpatentanmeldung
wird eine Schaltungsanordnung angegeben, welche die Vorteile der erwähnten bekannten
Schaltungsanordnung, z. B. der vollsymmetrischen Beanspruchung beider Generatoren
bei allen Belastungszuständen, beibehält und einen einseitigen Anschluß des Lastausgleichwiderstandes
an Erde oder Masse ermöglicht.
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Bei einer Schaltungsanordnung für die Speisung eines gemeinsamen Verbrauchers
durch wenigstens zwei Hochfrequenzgeneratoren, deren Ausgangsspannungen gleiche
Frequenz und Phase aufweisen und deren miteinander gleichphasige Klemmen auf der
einen Seite miteinander und mit dem einen Anschluß des Verbraucherwiderstandes der
Größe R sowie vorzugsweise mit Erde oder Masse verbunden sind, während zwischen
den anderen untereinander gleichphasigen Generatorklemmen ein Blindwiderstände der
einen Art enthaltender (erster) Spannungsteiler liegt, mit dessen Teilpunkt der
andere Anschluß des mit einem Blindwiderstand der anderen Art vorzugsweise in Parallelschaltung
zusammengeschalteten Verbraucherwiderstandes verbunden ist, liegt entsprechend der
Hauptpatentanmeldung zwischen den genannten anderen Generatorklemmen außerdem ein
zweiter Spannungsteiler, dessen auf der einen Seite seines Teilpunktes liegender
Zweig durch ein /4-langes und dessen auf der anderen Seite seines Teilpunktes liegender
Zweig durch ein 3 A/4-langes Leitungsstück oder durch die quasistationären Ersatzglieder
der genannten Leitungsstücke gebildet wird, und der mit einem Blindwiderstand der
einen Art vorzugsweise in Parallelschaltung verbundene Lastausgleichwiderstand ist
zwischem dem Teilpunkt des zweiten Spannungsteilers und Erde oder Masse eingeschaltet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung nach der
Hauptpatentanmeldung sind die die Leitungsstücke vertretenden Ersatzglieder als
7c-Glieder ausgebildet.
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Durch die Erfindung wird eine Erweiterung des Anwendungsbereiches
der Hauptpatentanmeldung auf den Fall der Parallelschaltung dreier Sender erzielt.
Zu diesem Zweck sind erfindungsgemäß bei Sternschaltung der Zweige des ersten Spannungsteilers
und Verbindung des genannten anderen Anschlusses des Verbraucherwiderstandes mit
dem Sternpunkt die genannten zweiten Spannungsteiler in Dreieck geschaltet und die
einander entgegengesetzt gleichen Teile der Querreaktanzen der genannten n-Glieder,
die einander paarweise parallel liegen würden, weggelassen und insgesamt drei Lastausgleichwiderstände
vorgesehen,
von denen je einer zwischen jedem Teilpunkt der genannten zweiten Spannungsteiler
und Erde oder Masse liegt.
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Die erwähnte Dreieckschaltung der Zweige des genannten zweiten Spannungsteilers
ist nur bei der Parallelschaltung dreier Generatoren anwendbar. Wie später unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird, bilden die Querreaktanzen der
Eingänge der innerhalb der Dreieckschaltung einander abwechselnd aufeinanderfolgenden
vor- und rückdrehenden n-Glieder paarweise Sperrkreise, welche auf die mittlere
Baufrequenz der Parallelschaltungsanordnung abgestimmt sind. Aus diesem Grunde können
diese Querreaktanzen weggelassen werden, was eine besondere Wirtschaftlichkeit der
angegebenen Schaltungsanordnung im Hinblick auf ihren Bedarf an Bauelementen zur
Folge hat.
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In Fig. 1 der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung dargestellt. In den Brückenpunkten I, 1I und III sind die Hochfrequenzgeneratoren
S1, S2 und S3 angeschlossen. Es sei angenommen, daß diese Generatoren untereinander
gleiche Spannungen und Ströme an die Schaltungsanordnung abgeben, welche außerdem
miteinander in Phase sein sollen. In den Brückenpunkten V, VI und VII sind die Lastausgleichwiderstände
R5, RB und R7 angeschlossen, deren vom Brückenanschluß abgewendete Enden mit Erde
oder Masse verbunden sind. Von den Anschlußpunkten der Generatoren führen die durch
die Induktivitäten Lii, L12 und L13 gebildeten Zweige des in Sternschaltung angeordneten
ersten Spannungsteilers zu dem Sternpunkt IV, mit welchem der Anschluß des gemeinsamen
Verbraucherwiderstandes RA über ein ausgangsseitiges n-Glied in Verbindung steht,
über dessen-Bedeutung noch gesprochen werden soll.
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Zwischen den Anschlußpunkten der Hochfrequenzgeneratoren untereinander
liegen die Zweige des erwähnten zweiten Spannungsteilers, welche in Dreieckschaltung
angeordnet sind. Jeder dieser Zweige weist einen Teilpunkt auf, beispielsweise der
Zweig zwischen den Anschlußpunkten I und II den Teilpunkt V, die weiteren Zweige
die Teilpunkte VI und VII. In jedem Zweig liegen beiderseits des Teilpunktes auf
der einen Seite ein n-Glied der elektrischen Länge 2/4 und auf der anderen Seite
ein z-Glied der elektrischen Länge 32/4. Das letztere kann auch durch ein vorwärts
drehendes uc-Glied der elektrischen Länge 2/4 vertreten werden. Fig.1 zeigt, daß
beispielsweise zwischen dem Anschlußpunkt I und dem Teilpunkt V ein vorwärts drehendes
214-langes n-Glied liegt, welches durch die Bauelemente L1, C8, L, gebildet wird.
Auf der anderen Seite des Teilpunktes V liegt ein rückwärts drehendes 1/4-langes
a-Glied, welches aus den Bauelementen C5, L9, C2 gebildet wird. Entsprechende z-Glieder
mit den Bauelementen L." C9, L6 bzw. C6, Lio, C3 bzw. L3, Cio, L7 bzw. C,, £83
ei
befinden sich auch zwischen den übrigen Anschlußpunkten der Hochfrequenzgeneratoren.
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Auch die Zweige des in Sternschaltung angeordneten ersten Spannungsteilers
mit den Induktivitäten L11, Lit und Lia sind durch die eingangsseitigen Kondensatoren
C8, C9 und C1.. sowie den einen drei entsprechende Kapazitäten vertretenden ausgangsseitigen
Kondensator Cii zu entsprechenden z-Gliedern ergänzt.
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Um die Bedeutung: des ausgangsseitigen ergänzenden ii-Gliedes mit
den Bauelementen C12, L14, C13 erläutern zu können, wird darauf Bezug genommen,
daß es bereits bekannt ist, daß günstigere Verhältnisse bei Einschwingvorgängen
erzielt werden können, wenn die elektrische Länge des Verbindungsweges zwischen
dem Ausgang eines Hochfrequenzgenerators und dem Verbraucherwiderstand, beispielsweise
der Antenne, auf bestimmte Werte abgeglichen ist (deutsche Patentschrift 940 7l7).
Beispielsweise soll die elektrische Länge des Kopplungsnetzes einschließlich Leitung
zwischen der Ausgangsröhrenstufe eines Generators und dem Verbraucherkreis gleich
einem geradzahligen Vielfachen von 2/4 gewählt werden, wenn der Verbraucherkreis
den Charakter eines Parallelresonanzkreises besitzt. Umgekehrt soll die elektrische
Länge des Kopplungsnetzes einschließlich Leitung gleich einem ungeradzahligen Vielfachen
von 2/4 gewählt werden, wenn der Verbraucherkreis den Charakter eines Reihenresonanzkreises
besitzt. Da ein solcher Abgleich der Leitungslänge gestört wird, wenn - wie dies
unter praktischen Betriebsbedingungen häufig erforderlich ist - eine Parallelschaltungsbrücke
ohne spürbare Betriebsunterbrechung ein- oder ausgeschaltet werden soll, wurde bereits
vorgeschlagen, das Phasenmaß derartiger Parallelschaltungsbrücken zwischen ihren
mit den Hochfrequenzgeneratoren verbundenen Eingangsklemmen und ihren mit dem Verbraucherwiderstand
oder der zu diesem führenden Leitung verbundenen Ausgangsklemmen derartig abzugleichen,
daß ihre Ein- bzw. Ausschaltung an dem Abgleichzustand der Verbindungsleitung, in
der sie enthalten ist, keine Änderung oder jedenfalls doch nur solche Änderungen
bewirkt, welche exakt erfaßbar sind und auf einfache Weise kompensiert werden können.
Diese Wirkung wird besonders dann erzielt, wenn das Phasenmaß derartiger Parallelschaltungsbrücken
zwischen ihren Eingängen und dem gemeinsamen Ausgang ein ganzes Vielfaches von 90°
unter Einschluß des Multiplikators Null, vorzugsweise 0 oder 180°, beträgt. - Die
in Fig. 1 gezeigte ausgangsseitige Ergänzung durch das n-Glied mit den Bauelementen
C12, LW ei. dient diesem Zweck der elektrischen Ergänzung des Phasenmaßes auf einen
bestimmten gewünschten Wert. Außerdem dient dieses zz-Glied, wie noch zu beschreiben
ist, auch zur Transformation zwischen dem am Sternpunkt IV in Erscheinung tretenden
Anpassungswiderstand und dem Widerstand des Verbrauchers RA. Um den Anpassungszustand
bei Aufrechterhaltung der Entkopplung zwischen den Generatoranschlüssen über ein
möglichst breites Frequenzband zu erhalten, sind die Wellenwiderstände der im Übertragungszuge
aufeinanderfolgenden Abschnitte der Schaltung nach dem Gesetz der geometrischen
Progression gewählt. In Fig.1 betrifft dies die Wellenwiderstände der zwischen den
Anschlußpunkten der Generatoren und dem Verbraucherwiderstand aufeinanderfolgenden
Zweige mit den Längsinduktivitäten L11, L12 und L", welche durch die zugehörigen
Kapazitäten zu a-Gliedern ergänzt wurden, deren Wellenwiderstand mit Z1 bezeichnet
ist, und den Wellenwiderstand des ausgangsseitigen Ergänzungsgliedes mit den Bauelementen
C12, j'147 C13, der mit Z2 bezeichnet ist.
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In Fig. 2 ist dieselbe Schaltung wie in Fig. 1 dargestellt, jedoch
sind die Paare der einander kompensierenden Querreaktanzen parallel zu den Hochfrequenzgeneratoren
weggelassen. Außerdem sind praktische Bemessungswerte eingetragen, welche sich ergeben,
wenn man sich auf den normierten Widerstandswert
1 für den Verbraucher
RA bezieht und wenn der Wert der Lastausgleichwiderstände gleich o bzw. ebenfalls
gleich dem normierten Wert 1 gemacht wird. Durch das ausgangsseitige Ergänzungsglied
ist das Phasenmaß der ganzen Schaltungsanordnung auf 180° bzw. -i gebracht. Die
eingetragenen normierten Blindwiderstandswerte beziehen sich auf die mittlere Baufrequenz
der Anordnung.
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Bei Dimensionierung der Wellenwiderstände der aufeinanderfolgenden
Teile nach der geometrischen Progression, welche zwecks Einebnung des Impedanzverlaufes
zu bevorzugen ist, ergibt sich:
| also ist der Wellenwiderstand jedes von einem |
| Z1 = 3 |
| f . 13- = 0,439 S2 ; 3 e ö 439ran lchluß . kommenden
i/4-Gliedes gleich |
| Z2 = 1/1 . -# = 0,760 S2. |
| 3 |
Bei der praktischen Dimensionierung werden zweckmäßigerweise die in C11 vereinigten
Ausgangskapazitäten der von den Speisepunkten I, II und III ausgehenden 7/4-.-r-Glieder
mit der Eingangskapazität des ausgangsseitigen Ergänzungsgliedes vom Wellenwiderstand
Z, zusammengefaßt, wodurch sich ein kapazitiver Widerstand von
ergibt. Um die Bemessung der Zweige der in Dreieck geschalteten Spannungsteiler
zu ermitteln, stellt man sich zweckmäßigerweise die zwischen den Speisepunkten und
den Teilpunkten liegenden 2./4-Glieder als noch in vollständiger Form bestehend
vor, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind. Wie sich aus einer einfachen, hier nicht
wiedergegebenen Rechnung ergibt, müßten die Lastausgleichwiderstände die normierten
Werte 3 besitzen, wenn sie in die zwischen den Speisepunkten liegenden Kompensationszweige
in Reihenschaltung eingeschaltet wären. Denkt man sich jetzt den Speisepunkt
111 gegen Erde kurzgeschlossen, so ist der Eingangswiderstand des 2/4-Gliedes
VII, lII beim Punkt VII gleich unendlich. Der Widerstand des im Punkt VII angeschlossenen
Lastausgleichwiderstandes o muß also durch die Reaktanz x zwischen den Punkten I
und VII zum Punkt I hin auf den Wert 3 transformiert werden. Daraus ergibt sich
In entsprechender Weise läßt sich auch der Wellenwiderstand des zwischen den Punkten
III und VII liegenden j./4-Gliedes berechnen, wenn man sich die bei I angeschlossene
Spannung kurzgeschlossen denkt.
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Die Betrachtung zeigt, daß man in der Wahl des Widerstandswertes von
p und damit auch der Reaktanzen x völlig frei ist, wobei allerdings nach unten durch
die praktische Ausführbarkeit eine gewisse Grenze gesetzt ist.
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Bei ungestörtem Parallelbetrieb der drei Generatoren müssen die Anschlußpunkte
V, VI, VII der drei Lastausgleichwiderstände aus Symmetriegründen untereinander
gleiche Spannungen besitzen, so daß sie also als miteinander verbunden angesehen
werden können. Da auch die Speisespannungen an den Punkten 1, 1I und III untereinander
gleich sind, können auch diese Punkte als miteinander verbunden angesehen werden.
Es ergibt sich dann das Ersatzschaltbild gemäß Fig.3. Man erkennt daraus, daß bei
normalem Parallelbetrieb jeder der Generatoren S1, S2 und S, außer durch die eigentliche
Brücke auch noch durch die Reihenschaltung eines Lastausgleichwiderstandes o und
eines Parallel-Resonanzkreises vom Resonanz-Blindwiderstand 3 o belastet wird, bei
kleinen Verstimmungen
also durch die Serienschaltung von Q und -
Da man bei der praktischen Anwendung im allgemeinen nicht mit größeren Betriebsbandbreiten
als ± 5 % zu rechnen hat, ist der mit o in Serie liegende Blindwiderstand 10
- y'3 p = 17,3 O, wogegen O praktisch verschwindet. Dieser Blindwiderstand
wirkt sich aber günstig aus hinsichtlich der Kompensation des bei der doppelten
7,/4-Transformation verbleibenden Eingangs-Blindwiderstandes. Als paralleler Wirkwiderstand
zu dem an jeder Eingangsklemme in Erscheinung tretenden Eingangswiderstand 1 verbleibt
praktisch der Wert von 300 0. Wenn man eine Widerstandsverkleinerung von 3% als
zulässig erachtet, darf also O bis etwa zum Werte 0,19 absinken.
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Die Berechnung des Entkopplungsverhaltens der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung hat grundsätzlich unter der Annahme zu erfolgen, daß von den
drei vorhandenen Hochfrequenzgeneratoren ein Generator oder zwei Generatoren ausfallen.
Der letztere Fall der Störung von zwei Generatoren ist aber so selten, daß sich
die Betrachtung auf den Ausfall eines Generators beschränken kann. Für diesen Fall
wurde daher die sich dann ergebende Ersatzschaltung betrachtet und die von den Anschlußpunkten
der in Betrieb befindlichen beiden Generatoren auf den Anschlußpunkt des ausgefallenen
Generators übertragene Spannung berechnet. In Fig. 4 ist das Ergebnis dieser Rechnung
graphisch dargestellt. In der Abszissenachse ist die relative Verstimmung f o aufgetragen,
worin f die jeweilige Arbeitsfrequenz und fo die mittlere Betriebsfrequenz der Parallelschaltungsbrücke
sind. Es wurde angenommen, daß die an den Speisepunkt III angeschlossene Spannung
des Generators S, sich durch Ausfall dieses Generators auf Null vermindert habe.
In der Ordinatenachse ist das Verhältnis der Spannung am Speisepunkt III, welche
von den in Betrieb befindlichen Generatoren S1 und S, auf diesen Punkt übertragen
wird und die mit U3, bezeichnet ist, zu der normalen Speisespannung U an jedem der
drei Speisepunkte I, 1I und III aufgetragen. Außerdem zeigt das Schaubild den Verlauf
des Realteiles des Eingangswiderstandes an jedem der drei Speisepunkte, der mit
RE bezeichnet ist. Ferner zeigt das Schaubild auch den Verlauf des Blindwiderstandsanteiles
des Eingangswiderstandes, der mit XE bezeichnet ist. Da für praktische Erfordernisse
eine Entkopplung von etwa 35 db verlangt werden muß.
ist die 35-db-Grenze
in dem Schaubild eingezeichnet.
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Man erkennt, daß der Realteil des Eingangswiderstandes innerhalb des
betrachteten Frequenzbereiches praktisch konstant gleich 1 ist. Die Blindwiderstandsanteile
fallen innerhalb des in Betracht kommenden Frequenzbereiches überhaupt nicht ins
Gewicht. Für das Spannungsverhältnis Ü'°- sind zwei Kurven angegeben, von denen
die eine für einen Wert der Lastausgleichwiderstände o = 1, die andere für einen
Wert o = 0,1 gültig ist. Man erkennt, daß für beide Bemessungen von o eine ausnutzbare
Betriebsbandbreite von ±5,7°/0. gegeben ist. Welcher Wert von o gewählt wird, hängt
innerhalb dieses Bereiches von der technischen Ausführbarkeit der Lastausgleichwiderstände
ab. Wenn man dafür kleine Ohmwerte wählt, können bei unmittelbarer Siedekühlung
sehr kleine Abmessungen erreicht werden.
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Das Ersatzschaltbild nach Fig. 3 zeigt deutlich, daß für höhere Harmonische
die Lastausgleichwiderstände o über die kapazitive Reaktanz der Parallelresonanzkreise
als zusätzliche Belastungswiderstände für die zugehörigen Generatoren wirken. Dadurch
wird eine zusätzliche erwünschte Bedämpfung der Oberwellen bewirkt.
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Außerdem stellt die ganze Brückenanordnung als doppelter .l/4-Transformator
mit kapazitiven Quergliedern ein Oberwellensieb dar.