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Kapazitiver Spannungswandler mit negativem Widerstand im Meßkreis
Ein kapazitiver Spannungswandler besteht aus einem kapazitiven Teiler, an dessen
Teilerspannung ein induktiver Spannungswandler angeschlossen ist.
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Zur Erreichung einer genügenden Meßgenauigkeit enthält er ferner
eine Resonanzdrossel. Da sowohl Resonanzdrossel als auch induktiver Spannungswandler
Eisenkerne besitzen, besteht die Gefahr von Ferroresonanzschwingungen. Eine Vermeidung
bzw.
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Abdämpfung dieser die Meßeigenschaften beeinträchtigenden Schwingungen
erfordert, daß der aus Kondensator, Drossel und induktivem Spannungswandler bestehende
Primärkreis einen genügend hohen Dämpfungswiderstand besitzt. Andererseits lassen
sich die Anforderungen an die Meßgenauigkeit eines kapazitiven Spannungswandlers
nur dann bei vernünftigem Aufwand erfüllen, wenn die inneren ohmschen Widerstände
möglichst klein gehalten werden. Diese einander widersprechenden Forderungen haben
zu einer Reihe von Kunstschaltungen, geführt, bei denen die ohmschen Dämpfungswiderstände
nur für Ströme wirksam sind, deren Frequenz von der Netzfrequenz abweicht. Da die
Netzfrequenz bei 50 bzw. 60 Hz, also sehr niedrig liegt, erfordert diese Lösung
sehr große Induktivitäten und Kondensatoren, d. h. einen großen Aufwand.
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Nach einem anderen Vorschlag wird der Spannungsabfall an einem zusätzlichen
ohmschen Dämpfungswiderstand im Primärkreis des induktiven Spannungswandlers, der
meist als Zwischenwandler bezeichnet wird, durch einen zusätzlichen Hilfswandler
der Sekundärspannung des induktiven Zwischenwandlers wieder hinzugefügt. Diese Anordnung
hat den Nachteil, daß außer dem Aufwand für einen zusätzlichen, genau abgestimmten
Hilfswandler zusätzliche ohmsche Dämpfungsmittel erforderlich sind.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt die Vermeidung der Nachteile der
bekannten Kunstschaltungen und sieht vor, daß zur Kompensation des durch den Bürdenstrom
an den Dämpfungsmitteln im Primärkreis des Zwischenwandlers erzeugten Spannungsabfalls
erfindungsgemäß der Sekundärkreis des Zwischenwandlers ein Netzwerk mit Verstärkerwirkung
enthält, dessen Ausgang in Reihe mit der Bürde liegt und dessen Eingang mit einer
dem Bürdenstrom proportionalen Größe beaufschlagt ist.
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F i g. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines kapazitiven Spannungswandlers.
1 und 2 stellen die beiden Kondensatoren des kapazitiven Spannungsteilers dar, 3
ist die Resonanzdrossel mit Eisenkern und 4 der induktive Zwischenwandler mit dem
obere
setzungsverhältnis E. Die Bürde des kapazitiven Spannungswandlers wird durch
die Impedanz 5 dargestellt.
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Fig. 2 zeigt die Abänderung der Schaltung nach Fig. 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung. 6 ist der Dämpfungswiderstand im Primärkreis. Auf der Sekundärseite des
induktiven Zwischenwandlers 4 befindet sich in Reihe mit der Bürde 5 eine beispielsweise
Ausführungsform eines Netzwerkes mit Verstärkerwirkung. Die Eingangsspannung des
als Leistungsverstärker 7 ausgebildeten Netzwerkes wird an einem vom Bürdenstrom
i2 durchflossenen Shunt 8 abgenommen. Die AusBangsspannung Uv ist dann nach Größe
und Phase: direkt proportional dem Bürdenstrom i2 und wirkt für diesen als treibende
Spannung. Die Spannung UB an der Bürde beträgt dann UB = U2 +,, und der durch den
Verstärke,r,7' dargestellte Widerstand ist gegeben durch die BezieXiung R Da, wie
oben ausgeführt wurde', die Ausgangsspannung uv des Leistungsverstärkers 7 nach
Größe und Phase dem Bürdenstrom j2 direkt proportional ist, wobei die Größe der
Ausgängsspannung uv derart gewählt ist, daß der ohmsche Spannungsabfall an den Dämpfungsmitteln
im Primärkreis des Zwischenwandlers kompensiert wird, stellt das Netzwerk mit Verstärkerwirkung
bzw. der Leistungsverstärker einen dem Widerstand der Dämpiungsmittel unter Berücksichtigung
des Übersetzungsverhältnisses des Zwischenwandlers betragsmäßig gleichen, aber entgegengesetzten
Widerstand
(negativen Widerstand) dar.
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Die Größe des WiderstandesR muß so gewählt werden, daß gilt ü2.R+R1=
O.
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Die Meßgenauigkeit des kapazitiven Spannungswandlers ist am größten,
wenn R1 die Summe aller ohmschen Widerstände des Primärkreises des Zwischenwandlers
4 darstellt, nämlich die Summe aus dem Dämpfungswiderstand 6, dem Wicklungswiderstand
und dem Eisenverlustwiderstand der Resonanzdrossel 3 und dem primären Wicklungswiderstand
des induktiven Zwischenwandlers 4. Unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses
ü kann auch der sekundäre Wicklungswiderstand des induktiven Zwischenwandlers in
R1 enthalten sein.
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Legt man die Anordnung beispielsweise so aus, daß bei Nennbelastung
des kapazitiven Spannungswandlers der ohmsche Spannungsabfall an R1 etwa 10% der
Teilerspannung uc beträgt, so muß die Verstärkerspannung uv auch 10% der sekundären
Leerlaufspannung betragen; die abzugebende Leistung des Verstärkers 7 beträgt dann
10% der Meßleistung des kapazitiven Spannungswandlers. Etwaige Fehler des Verstärkers
7 gehen in diesem Fall nur mit einem Zehntel ihres Wertes in die Meßgenauigkeit
des kapaztiven Spannungswandlers ein.
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Da bei der vorliegenden Anordnung der Dämpfungswiderstand R1 nicht
als einzelnes Element benötigt wird, ist es möglich, ihn mit der Resonanzdrossel
3 zu vereinigen. Dadurch ist es weiterhin möglich, auf eine hohe Güte der Resonanzdrossel
zu verzichten und diese als reine Luftdrossel auszuführen, wodurch bereits ein großer
Teil der mög? lichen Ferroresonanzschwingungen wirksam vermieden wird.
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Die Anordnung nach Fig. 2 hat noch den Nachteil, daß der Verstärker
7 an seinen Klemmen 9 eine fremde Stromversorgung benötigt. Dies wird in der Anordnung
gemäß Fig. 3 vermieden. Darin stellen 1 und 2 wieder den kapazitiven Spannungsteiler,
4 den induktiven Spannungswandler und 5 seine Bünde darm Die Resonanzdrossel 11
ist jetzt eine reine Luftdrossel; der Dämpfungswiderstand R1 ist als -Wicklungswiderstand
der Resonanzdrossel 11 und des induktiven Spannungswandlers 4 ausgeführt.
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Da es bekannt ist, ein als negativer Widerstand wirkendes Netzwerk
auch z. 3. durch Verwendung eines pnpn-Transistors zu verwirklichen, wurde das Netzwerk
12 auf der Sekundärseite des Zwischenwandlers 4 in F i g. 3, reine schematisch dargestellt.
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Seine Speisung an den' Klemmen 13 erfolgt über eine Gleichrichteranordnung
14 parallel zur Bürde direkt durch den kapazitiven Wandler; so daß man auf eine
fremde Stromquelle verzichten kann. Durch eine Pufferbatterie 15 kann man erreichen,
daß das Netzwerk-12- auch bei einem Zusammenbruch der Netzspannung noch eine gewisse
Zeit wirksam bleibt.
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Ein wichtiges Kennzeichen der- vorliegenden Erfindung besteht gegenüber
bereits bekannten Anordnungen darin, daß das Netzwerk mit Verstärkerwirkung auf
der Sekundärsfte des induktiven Zwischenwandlers angeordnet ist und,' nur von dem
Sekundärstrom' gesteuert wird. Das hat die Vorteile, das erstens keine zusätzliche
Verbindung zur Primärseite des Zwischenwandlers vorhanden sein muß, vor allem aber,
daß zweitens das Netzwerk mit Ver-
stärkerwirkung nur für den Sekundärstrom des Zwischenwandlers
wirksam ist, während die Differenz von Sekundär- und Primärstrom, nämlich der für
die .Kippschwulgungserscheinungen verantwortliche Magnetisierungsstrom des induktiven
Zwischenwandlers; -durch ~ die ohmschen Widerstände des Primärkreises gedämpft wird,
ohne daß diese Dämpfung durch ein Netzwerk mit Verstärkerwirkung wieder aufgehoben
wird. Der beanspruchte kapazitive Spannungswandler besitzt also durch das Vorsehen
ohmscher Dämpfungsmittel im Primärkreis seines induktiven Zwischenwandlers günstige
Eigenschaften hinsichtlich der Kippschwingungsunterdrückung, ohne daß die Übertragung
der netzfrequenten Schwingungen hierdurch beeinflußt wird, während umgekehrt die
zur unbeeinflußten Übertragung der netzfrequenten Schwingungen vorgesehenen Mittel
und Maßnahmen die Kippschwingungsunterdrückung nicht beeinflussen. Denn von der
Bürde 5 her gesehen hat der kapazitive Span: nungswandler mit eine.m-Netzwerk mit
Verstärkerwirkung im Sekundärkreis- einen sehr kleinen Innen; widerstand, vom induktiven
Zwischenwandler her gesehen jedoch den durch die ohmschen Widerstände des Primärkreises
gegebenen Innenwiderstand.
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Bei einem sekundärseitigen Kurzschluß des induktiven Spannungswandlers-
und genauer Resonanzabstimmung des Primärkreises wird der Kurzschlußstrom durch-den
ohmschen Dämpfungswiderstand R1 begrenzt, bei der beispielsweise erw'ähnte"n' Auslegung
auf den zehnfache,n Nennstrom, wenn dafür gesorgt wird, daß z. B. der Verstärker
7 nur bis zum Nennstrom als »negativer Widerstand« arbeitet und für größere Ströme
übersteuert wird. Bei Aufheben des Kurzschlusses des induktiven Zwischenwandlers
kann durch die Trägheit des primären Stromkreises eine hohe Überspannung an den
Klemmen des induktiven Zwischenwandlers erzeugt werden, wodurch einmal die angeschlossenen
Meßgeräte ge fährdet werden, zum anderen die Gefahr besteht, daß der induktive Zwischenwandler
sich sättigt und damit Anlaß zu Ferroresonanzschwingungen gibt.
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Zur Vermeidung dieser Überspannungen wird deshalb an die Primär-
oder Sekundärklemmen des induktiven Zwischenwandlers eine selbstlöschende Funkenstrecke
16 oder ein Überspannungsableiter geschaltet, wodurch die Überspannungen auf ungefährliche
Werte begrenzt werden. Gemaß der vorliegenden Erfindung gelingt es, einen kippschwingungssicheren,
kapazitiven Spannungswandler mit genügender Meßgenauigkeit und kleinem' Aufwand
zu bauen.