DE1152730B

DE1152730B - Circuit for limiting an electrical alternating voltage

Info

Publication number: DE1152730B
Application number: DES54170A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Erich Metzger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1957-07-05
Filing date: 1957-07-05
Publication date: 1963-08-14

Description

Schaltung zur Begrenzung einer elektrischen Wechselspannung Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Begrenzung einer elektrischen Wechselspannung, vorzugsweise einer größeren Wechselspannung, bei der die Begrenzung durch einen oder mehrere Gleichrichter erfolgt, die durch eine elektrische Spannung vorgespannt sind, insbesondere für die elektrische Nachrichtenübertragungs- und Meßtechnik.Circuit for limiting an alternating electrical voltage. The invention relates to a circuit for limiting an electrical alternating voltage, preferably a larger alternating voltage, which is limited by one or more Rectifier takes place, which are biased by an electrical voltage, in particular for electrical communications and measurement technology.

Es ist bekannt, vorgespannte Gleichrichter parallel zu einem Widerstand, der aus einer Quelle hohen Innenwiderstandes gespeist wird, zur Begrenzung der Spannung an diesem Widerstand zu benutzen. Zum Beispiel kann man die Ausgangsspannungen von Röhrenschaltungen dadurch begrenzen, daß man parallel zum Anodenwiderstand einen oder mehrere vorgespannte Gleichrichter schaltet. Die Begrenzung ist dann gut, wenn die Gleichrichtervorspannung unabhängig vom Strom über die Gleichrichter konstant bleibt, d. h. wenn die Vorspannungsquelle einen kleinen Innenwiderstand hat. Die Vorspannungen für diese Gleichrichter werden aus Spannungsteilern entnommen, die erhebliche Querströme aufweisen müssen, wenn man eine gute statische Begrenzung erzielen will. Neben dem zusätzlichen Leistungsbedarf für diese Spannungsteiler macht sich oft auch deren Wärmeentwicklung störend bemerkbar.It is known to have biased rectifiers in parallel with a resistor, which is fed from a source of high internal resistance to limit the voltage to use this resistance. For example you can get the output voltages from Limit tube circuits by placing a parallel to the anode resistor or several biased rectifiers switches. The limitation is good when the rectifier bias is constant regardless of the current through the rectifier remains, d. H. when the bias source has a small internal resistance. the Bias voltages for these rectifiers are taken from voltage dividers that Must have significant cross currents if you have a good static limitation wants to achieve. In addition to the additional power requirement for these voltage dividers often their heat development is also noticeable in a disturbing way.

In der Fig. 1 ist eine bekannte Begrenzerschaltung schematisch dargestellt, bei der die Vorspannung für den die Begrenzung bewirkenden Gleichrichter G an dem Spannungsteiler Rl, R., abgegriffen wird. Die in diesem Spannungsteiler R1, R., auftretenden Wechselströme werden durch den zu dem Spannungsteilerwiderstand R1 parallel liegenden Kondensator Cl kurzgeschlossen. Der Spannungsteiler hat also für Wechselstrom einen kleinen, für Gleichstrom aber einen relativ hohen Innenwiderstand. Demnach ist die begrenzende Wirkung dieser Schaltung für rasche Spannungsänderungen gut, für langsame Spannungsänderungen jedoch schlecht. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung wirkt als Verstärkerschaltung. Die Wirkungsweise der nicht besonders erläuterten Schaltungsteile ist daher ohne weiteres verständlich. In der Fig. 2 sind die Kennlinien der Schaltung nach Fig. 1 für langsame Spannungsänderungen (statische Kennlinien) aufgezeichnet. Man sieht, daß mit zunehmendem Begrenzerstrom JR die Gleichrichtervorspannung'UR relativ stark ansteigt und deshalb die statische Begrenzung, wie der Verlauf der Kurve u" zeigt, gering ist.In Fig. 1 a known limiter circuit is shown schematically, in which the bias for the limiting effecting rectifier G to the Voltage divider Rl, R. is tapped. The in this voltage divider R1, R., Occurring alternating currents are through the to the voltage divider resistor R1 capacitor Cl lying in parallel short-circuited. So the voltage divider has a small internal resistance for alternating current, but a relatively high internal resistance for direct current. Accordingly, the limiting effect of this circuit is for rapid voltage changes good, but bad for slow voltage changes. The one shown in FIG Arrangement acts as an amplifier circuit. The mode of operation of the not specifically explained Circuit parts can therefore be easily understood. The characteristic curves are shown in FIG. 2 the circuit according to Fig. 1 for slow voltage changes (static characteristics) recorded. It can be seen that with increasing limiter current JR, the rectifier bias'UR increases relatively sharply and therefore the static limitation, such as the course of the Curve u "shows is low.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wird die Schaltung gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß die für die Vorspannung der Gleichrichter erforderliche Spannung am Kathodenwiderstand einer Röhren-Schaltung abgegriffen ist, bei der die an sich bekannte Gegenkopplung der für die Verstärkung der Wechselspannung benutzten Röhre durch Anlegen einer im Vergleich zum Absolutwert der Betriebsgittervorspannung großen positiven Spannung an das Gitter bei einer solchen Bemessung des Kathodenwiderstandes, daß zwischen Gitter und Kathode die Betriebsgittervorspannung auftritt, derart bemessen ist, daß am Kathodenwiderstand die für die Vorspannung der Gleichrichter erforderliche Spannung auftritt. Dadurch wird für langsame Spannungsänderungen eine wesentlich bessere Begrenzung erzielt als bei den bisher bekannten Schaltungen, bei denen die Vorspannung für die Gleichrichter an einem besonderen Spannungsteiler abgegriffen wzird. Ferner wird die Röhre durch den einsetzenden Gleichrichterström derart geregelt, daß die begrenzende Wirkung des Gleichrichters unterstützt wird. Auch wird der Leistungsbedarf für den bei den bekannten Schaltungen erforderlichen ohmschen Spannungsteiler mit verhältnismäßig hohem Spannungsteilerstrom eingespart und die durch diesen Spannungsteiler bedingte störende Wärmeentwicklung vermieden.To avoid these disadvantages, the circuit according to the invention designed so that the voltage required to bias the rectifier is tapped at the cathode resistance of a tube circuit, in which the per se known negative feedback of the tube used for amplifying the alternating voltage by applying a large compared to the absolute value of the operating grid bias positive voltage to the grid with such a measurement of the cathode resistance, that the operating grid bias occurs between grid and cathode, dimensioned in such a way is that the cathode resistor is the one required for biasing the rectifier Tension occurs. This makes an essential for slow voltage changes better limitation than in the previously known circuits in which the Bias voltage for the rectifier tapped at a special voltage divider wzird. Furthermore, the tube is regulated by the onset of the rectifier current in such a way that that the limiting effect of the rectifier is supported. Also will the power requirement for the ohmic voltage divider required in the known circuits relatively high voltage divider current saved by this voltage divider conditional disruptive heat development avoided.

Die gleichstromgegengekoppelte Röhrenschaltung kann in an sich bekannter Weise so aufgebaut und bemessen sein, daß sie entweder als Verstärker oder als Schwingungserzeuger für die zu begrenzende Spannung dient. Die für die Begrenzung erforderlichen Gleichrichter können entweder im Anodenkreis oder im Gitterkreis angeordnet sein.The DC tube circuit with negative feedback can be known per se Way to be constructed and dimensioned so that they can be used either as an amplifier or as a vibration generator is used for the voltage to be limited. The rectifiers required for the limitation can be arranged either in the anode circle or in the grid circle.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Gleichspannung, die für die Vorspannung der Gleichrichter benötigt wird, eine modulierende Spannung überlagert werden. Man kann auch dem Gitter derjenigen Röhre, an deren Kathodenwiderstand die V orspannung für den Gleichrichter entnommen wird, eine modulierende Spannung zuführen. Durch diese Maßnahmen ergeben sich zur Erzeugung von Amphtudenmodulation vorteilhaft anwendbare Schaltungsanordnungen. Die Amplitudenmodulation ist praktisch verzerrungsfrei, da die Gleichrichter die Ausgangsspannung auf einen ihrer momentanen Vorspannung proportionalen Wert begrenzen. Dadurch ist es z. B. möglich, in einer Einröhrenschaltung eine hochkonstante Schwingung zu erzeugen und diese praktisch verzerrungsfrei in der Amplitude zu modulieren. Demgegenüber wird bei den bekannten Amplitudenmodulatoren zur Modulation die Nichtlinearität von Röhrenkennlinien ausgenutzt, so daß oft erhebliche Verzerrungen auftreten. Die Erfindung soll jedoch nicht auf die genannten Ausführungsformen beschränkt sein, sie kann beispielsweise auch vorteilhaft als Glied im Rückkopplungsweg einer Frequenzmodulatoranordnung angewendet werden, wenn die Anordnung so ausgebildet ist, daß die Frequenzmodulation durch Phasendrehung im Rückkopplungsweg erzeugt wird. Bei Anwendung der Erfindung können zur Begrenzung alle bekannten Gleichrichter, wie z. B. sogenannte Richtleiter oder auch Röhrendioden, verwendet werden. Ebenso kann man an Stelle von Röhren Transistoren benutzen. Man kann im Bedarfsfalle auch die Vorspannung an einem Teil des Kathodenwiderstandes abgreifen.In a further embodiment of the invention, the DC voltage, the A modulating voltage is required for biasing the rectifier are superimposed. You can also use the grid of the tube whose cathode resistance the Bias voltage for the rectifier is taken, a modulating Apply voltage. These measures result in the generation of amphitheater modulation advantageously applicable circuit arrangements. The amplitude modulation is useful distortion-free, since the rectifier adjusts the output voltage to one of its momentary Limit the preload proportional to the value. This makes it z. B. possible in a Single-tube circuit to generate a highly constant oscillation and this is practical to modulate distortion-free in amplitude. In contrast, the known Amplitude modulators for modulation exploit the non-linearity of tube characteristics, so that often considerable distortions occur. However, the invention is not intended to the embodiments mentioned may be limited; it can also be advantageous, for example be used as a link in the feedback path of a frequency modulator arrangement, if the arrangement is designed so that the frequency modulation by phase rotation is generated in the feedback path. When applying the invention can be used to limit all known rectifiers, such as. B. so-called directional conductors or tube diodes, be used. You can also use transistors instead of tubes. Man If necessary, the bias voltage can also be applied to part of the cathode resistor tap.

Die Erfindung wird an Hand der in den Fig. 3 und 5 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiele sowie an Hand der in der Fig. 4 dargestellten Diagramme näher erläutert.The invention is illustrated in FIGS. 3 and 5-8 Exemplary embodiments and with reference to the diagrams shown in FIG. 4 in more detail explained.

In der Fig. 3 ist eine Begrenzerschaltung schematisch dargestellt, bei der die Spannung an dem Kathodenwiderstand RK der für Gleichstrom stark gegengekoppelten Röhre Rö als Vorspannung für den Gleichrichter G, der die Begrenzung bewirkt, verwendet wird. Der Kathodenwiderstand RK und die durch den Spannungsteiler Rg, R' eingestellte Gittervorspannung sind so bemessen, daß bei dem gewünschten Röhrenstrom die als V orspannung für den Gleichrichter G benötigte Spannung am Kathodenwiderstand RK entsteht. Bei dieser Schaltung spart man den Leistungsbedarf des bei bisher bekannten Schaltungen verwendeten Spannungsteilers (vgl. R1, R, der Schaltung nach Fig. 1) und hat gleichzeitig eine relativ starre Vorspannungsquelle gewonnen. Der Gleichstrominnenwiderstand zwischen Kathode und Masse ist wie bei einer Kathodenstufe 1/S, wenn man mit S die Steilheit der Röhre bezeichnet. Dieser liegt üblicherweise zwischen 30 und 300 9. So kleine Werte lassen sich mit Spannungsteilern normalerweise nicht realisieren. Außerdem tritt bei dieser Schaltung ein Regeleffekt auf, der die Begrenzung noch unterstützt: bei zunehmender Eingangsspannung wird der Kathodenstrom der Röhre (Anodenstrom Ja ;- Schirmgitterstrom Jg,) in dem Maße geringer, wie der Gleichrichterstrom zunimmt, wodurch die Steilheit der Röhre herabgesetzt wird. Die starre Gleichrichtervorspannung zusammen mit der Regelwirkung dieser Schaltung ergeben eine sehr gute statische Begrenzung.In FIG. 3, a limiter circuit is shown schematically in which the voltage at the cathode resistor RK of the tube Rö, which has a strong negative feedback for direct current, is used as a bias voltage for the rectifier G, which effects the limitation. The cathode resistance RK and the grid bias voltage set by the voltage divider Rg, R 'are dimensioned so that the voltage required as a bias voltage for the rectifier G is produced at the cathode resistor RK for the desired tube current. This circuit saves the power requirement of the voltage divider used in previously known circuits (cf. R1, R, the circuit according to FIG. 1) and at the same time a relatively rigid bias voltage source is obtained. The internal direct current resistance between cathode and ground is 1 / S, as with a cathode stage, if S denotes the steepness of the tube. This is usually between 30 and 300 9. Values that are so small cannot normally be achieved with voltage dividers. In addition, a control effect occurs with this circuit, which further supports the limitation: with increasing input voltage, the cathode current of the tube (anode current Yes; - screen grid current Jg,) decreases as the rectifier current increases, which reduces the steepness of the tube. The rigid rectifier bias together with the control effect of this circuit result in a very good static limitation.

In Fig. 4 sind die statischen Kennlinien der Schaltung nach Fig. 3 dargestellt. Diese Kennlinien können mit den in der Fig. 2 dargestellten Kennlinien, die, wie bereits erwähnt, der bekannten Schaltung nach Fig. 1 entsprechen, verglichen werden, da die in den Fig.2 und 4 dargestellten Kurven an Schaltungen nach den Fig. 1 und 3 gemessen wurden, die bis auf die Art der Vorspannungserzeugung für die Gleichrichter völlig gleich aufgebaut waren. Ein Vergleich der Kurven für u,, in den Fig. 2 und 4 zeigt die Überlegenheit der Schaltung nach Fig. 3.FIG. 4 shows the static characteristics of the circuit according to FIG. 3 shown. These characteristics can be compared with the characteristics shown in Fig. 2, which, as already mentioned, correspond to the known circuit according to FIG. 1, compared because the curves shown in FIGS. 2 and 4 are based on circuits according to FIGS. 1 and 3 were measured, except for the type of bias generation for the rectifiers were constructed in exactly the same way. A comparison of the curves for u i in FIGS. 2 and 4 shows the superiority of the circuit according to FIG. 3.

Liegt der Gleichrichter für die Begrenzung an der vollen Anodenwechselspannung, so wird, da der Gleichrichterstrom nur maximal etwa ein Drittel des Anodenwechselstromes betragen kann, der Röhrenstrom durch den Begrenzerstrom nur wenig verringert. Demnach ist für diesen Fall auch der Anteil der Regelwirkung an der Begrenzung gering. Liegt der Gleichrichter an einem Teil der Anodenwechselspannung, so steht um den Faktor der Stromübersetzung mehr Begrenzerstrom zur Verfügung, und die Regelwirkung wird stärker. In vielen Fällen kann der Gleichrichter nicht an die volle Anodenwechselspannung gelegt werden, da er sonst überlastet werden würde. Da die gute Begrenzerwirkung der Schaltung nach der Erfindung jedoch hauptsächlich durch die starre Gleichrichtervorspannung bedingt ist, ist die statische Begrenzung bei jedem übersetzungsverhältnis wesentlich besser als bei einer der bekannten Schaltungen mit Vorspannungserzeugung durch Spannungsteiler. Die Begrenzung von raschen Spannungsänderungen ist aber bei beiden Schaltungsarten gleich gut, da für diesen Fall die Vorspannungen durch die Parallelkapazitäten Cl in Fig. 1 bzw. CK in Fig. 3 konstant gehalten werden. In den meisten Fällen muß man jedoch von einem Begrenzer verlangen, daß er nicht nur dynamisch, sondern auch statisch begrenzt.If the rectifier for the limitation is connected to the full anode alternating voltage, so, because the rectifier current is only a maximum of about a third of the anode alternating current can be, the tube current is only slightly reduced by the limiter current. Therefore In this case, the proportion of the control effect in the limitation is also small. Lies the rectifier at a part of the anode alternating voltage, is by the factor the current transmission more limiter current available, and the control effect is stronger. In many cases the rectifier cannot supply the full anode AC voltage should be placed, otherwise it would be overloaded. Because the good limiting effect the circuit according to the invention, however, mainly by the rigid rectifier bias is conditional, the static limitation is essential for every gear ratio better than one of the known circuits with bias voltage generation by voltage divider. However, the limitation of rapid voltage changes is with both types of circuit equally good, since in this case the biases due to the parallel capacitances Cl in Fig. 1 and CK in Fig. 3 are kept constant. In most cases it must However, one requires of a delimiter that it is not only dynamic, but also statically limited.

In der Fig. 5 ist als weiteres Ausführungsbeispiel eine symmetrische Begrenzerschaltung nach dem Prinzip der Schaltung nach Fig.3 dargestellt. Die Gleichrichter sind wie bei einem Spannungsverdoppler geschaltet und beschneiden beide Halbwellen der Anodenwechselspannung. Mit dem Potentiometer P kann die Gittervorspannung der Röhre Rö und damit die Ausgangsspannung ZIA in weiten Grenzen verändert werden, ohne daß die Begrenzung wesentlich beeinträchtigt wird.In FIG. 5, a symmetrical one is shown as a further exemplary embodiment Limiter circuit based on the principle of the circuit shown in Figure 3. The rectifiers are connected like a voltage doubler and cut both half-waves the anode alternating voltage. With the potentiometer P the grid bias of the Tube tube and thus the output voltage ZIA can be changed within wide limits, without the limitation being significantly impaired.

Die Schaltungen nach den Fig.3 und 4 stellen Verstärker dar. Die hier angewendete Art der Begrenzung eignet sich aber auch besonders gut zur Begrenzung und Regelung der Ausgangsspannung von Oszillatoren. Bei manchen Quarzoszillatoren verlangt die Belastbarkeit der Quarze bekanntlich eine Rückkoppelspannung, die so klein ist, daß keine Audionbegrenzung der Oszillatorschwingung mehr möglich ist. Auch für diese Fälle eignet sich die Begrenzerschaltung nach der Erfindung sehr gut.The circuits according to FIGS. 3 and 4 represent amplifiers. The one here The type of limitation used is also particularly suitable for limitation and regulation of the output voltage of oscillators. With some crystal oscillators As is well known, the resilience of the crystals requires a feedback voltage that is like this is small that no audio limitation of the oscillator oscillation is possible any more. The limiter circuit according to the invention is also very suitable for these cases Well.

Führt man in Reihe zur festen Gleichrichtervorspannung noch eine Modulationsspannung zu, so erhält man einen Amplitudenmodulator. Bei dem in der Fig. 6 dargestellten Amplitudenmodulator wird die Modulationsspannung U," über den übertrager Ü," zugeführt. Die Gleichrichtervorspannung ist dann amplitudenmoduliert und damit auch die zu begrenzende Ausgangsspannung 2[A. Die erzeugte Amplitudenmodulation ist praktisch verzerrungsfrei, da die Gleichrichter G1, G., die Ausgangsspannung 1(A auf einen ihrer momentanen Vorspannung proportionalen Wert begrenzen.If you add a modulation voltage to the fixed rectifier bias in series to, an amplitude modulator is obtained. In the case of the one shown in FIG The modulation voltage U, "via the transformer U," is fed to the amplitude modulator. The rectifier bias is then amplitude-modulated and thus also the too limiting output voltage 2 [A. The amplitude modulation produced is practical distortion-free, since the rectifiers G1, G., the output voltage 1 (A to a limit their current preload proportional value.

Man kann auch die amplitudenmodulierte Gleichrichtervorspannung, wie in Fig.7 dargestellt, direkt an der Kathode der Röhre Rö erzeugen, indem man die Modulationsspannung U", dem Steuergitterkreis der Röhre zuführt und die Röhre im Bereich der Modulationsfrequenzen für die Modulationsspannungen als Kathodenverstärker arbeiten läßt. In diesem Fall ist zur Steuerung des Modulators keine Leistung erforderlich. Der Kathodenkondensator CK ist hier so bemessen, daß sein Blindwiderstand für die zu begrenzende Hochfrequenz klein und für die höchste Modulationsfrequenz noch groß gegenüber dem Innenwiderstand liS zwischen Kathode und Masse ist. Da außerdem in der Regel der Kathodenwiderstand RK>1/S gewählt wird, erhält man für die Modulationsspannung eine Gegenkopplung, die dafür sorgt, daß die Modulationsspannung fast unverzerrt an der Kathode erscheint. Der Gleichrichterstrom kann die Kathodenspannung praktisch nicht beeinflussen, da der Innenwiderstand für die Modulationsfrequenzen an der Kathode sehr klein ist (11S).One can also use the amplitude modulated rectifier bias, such as shown in Fig.7, produce directly at the cathode of the tube tube by turning the Modulation voltage U ", the control grid circuit the tube feeds and the tube in the range of the modulation frequencies for the modulation voltages can work as a cathode amplifier. In this case it is used to control the modulator no performance required. The cathode capacitor CK is dimensioned here so that its reactance is small for the high frequency to be limited and for the highest Modulation frequency still high compared to the internal resistance liS between the cathode and mass is. Since the cathode resistance RK> 1 / S is usually chosen, a negative feedback is obtained for the modulation voltage, which ensures that the modulation voltage appears almost undistorted at the cathode. The rectifier current can practically not influence the cathode voltage, since the internal resistance for the modulation frequencies at the cathode is very small (11S).

Wird der Schaltung nach Fig. 7 noch eine Rückkopplung hinzugefügt (gestrichelt gezeichnet), so erhält man einen amplitudenmodulierbaren Oszillator mit den bereits erläuterten guten Eigenschaften. Fig. 8 zeigt ein Beispiel eines sehr einfachen amplitudenmodulierbaren Oszillators, bei dem die Vorspannung für den die Begrenzung bewirkenden Gleichrichter G, der in diesem Fall im Gitterkreis L/C angeordnet ist, ebenfalls am Kathodenwiderstand Rg der gleichstromkgegengekoppelten Röhre Rö abgegriffen wird. Die Modulationsspannung U," wird dem Steuergitterkreis zugeführt. Diese Schaltung gestattet außerdem noch eine rückwirkungsfreie Auskopplung, die z. B. für Meßsender besonders erwünscht ist.A feedback is added to the circuit of FIG (shown in dashed lines), an amplitude-modulable oscillator is obtained with the good properties already explained. Fig. 8 shows an example of one very simple amplitude modulable oscillator in which the bias for the rectifier G causing the limitation, which in this case is in the grid circle L / C is arranged, also at the cathode resistor Rg of the DC counter-coupled Tube tube is tapped. The modulation voltage U, "is the control grid circuit fed. This circuit also allows a reaction-free decoupling, the z. B. is particularly desirable for measuring transmitters.

Claims

PATENT CLAIMS-1. Circuit for limiting an electrical alternating voltage, preferably a larger AC voltage, in which the limitation by a or more rectifiers takes place, which are biased by an electrical voltage are, in particular for electrical communications and measurement technology, characterized in that the necessary for biasing the rectifier Voltage at the cathode resistance of a tube circuit is tapped, in which the known negative feedback that is used for amplifying the alternating voltage Tube by applying a compared to the absolute value of the operating grid bias large positive voltage on the grid with such a dimensioning of the cathode resistance, that the operating grid bias occurs between grid and cathode, dimensioned in such a way is that the cathode resistor is the one required for biasing the rectifier Tension occurs.

2. Circuit according to claim 1, characterized in that the Tube circuit is constructed and dimensioned so that it can be used as a vibration generator for the alternating voltage is used.

3. Circuit according to claim 1 or 2, characterized in that that the rectifier required for the limitation is arranged in the anode circuit are.

4. A circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the for the Limitation required rectifiers are arranged in the grid circle.

5. Circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the voltage for the A modulation alternating voltage is superimposed on the rectifier bias.

6th Circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the A modulation alternating voltage is fed to the grid of the tube. Considered Publications: Austrian Patent No. 178 646; British patent specification No. 521490; "Funkechnik", 1953, issue 12, p. 372; German interpretation document T 10192 VIII ai 21 a4 (published on November 10, 1955).