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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Abgleich
einer Komponente eines komplexen Arbeitswiderstandes auf einen durch einen Vergleichswiderstand
gegebenen Wert, bei der durch vektorielle Differenzbildung zwischen einer der Spannung
am Arbeitswiderstand proportionalen ersten Spannungskomponente und einer dem Strom
im Arbeitswiderstand proportionalen zweiten Spannungskomponente, welch letztere
über einen Stromwandler durch Spannungsabfall am Vergleichswiderstand gewonnen wird,
eine Restspannungskomponente gebildet wird, deren Phase in einem Phasenindikator
mit der Phase einer dem Strom im Arbeitswiderstand proportionalen Spannung verglichen
und das Ergebnis angezeigt bzw. als Regelkriterium ausgenutzt wird.
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Es ist bereits eine Schaltung dieser Art zum Abgleich einer Realteilkomponente
eines komplexen Arbeitswiderstandes auf einen rein ohmschen Vergleichswiderstand
bekannt, bei der ein aus zwei Dioden und einem zwischen diesen Dioden geschalteten
Nullinstrument bestehender Phasenindikator vorgesehen ist und bei welcher der einen
Diode die der Spannung am Arbeitswiderstand proportionale Spannungskomponente und
der anderen Diode die der Differenz zwischen der Spannung am Arbeitswiderstand proportionalen
Spannungskomponente und der dem Strom im Arbeitswiderstand proportionalen Spannungskomponente
zugeführt wird. Sind die entgegengesetzten Richtströme der beiden Dioden gleich
und zeigt damit das Instrument Null an, so ist der Arbeitswiderstand bezüglich seiner
Realteilkomponente auf den ohmschen Vergleichswiderstand abgeglichen. Bei dieser
bekannten Schaltung ist nur ein ohmscher Vergleichswiderstand brauchbar. Ein Abgleich
auf die Realteilkomponente eines komplexen Vergleichswiderstandes, der in Abhängigkeit
von der Frequenz einen ganz speziellen vorbestimmten Realteilverlauf besitzt, wie
dies beispielsweise zum Abgleich von Abstimmnetzwerken bei der Anpassung von Antennen
in einem breiten Frequenzband an Senderendstufen der Fall sein kann, ist mit dieser
bekannten Schaltung nicht möglich.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung der eingangs erwähnten
Art so weiterzubilden, daß mit ihr auch eiri Abgleich auf frequenzabhängige komplexe
Vergleichswiderstände möglich ist, also auf Vergleichswiderstände, die in Abhängigkeit
von der Frequenz unterschiedliche Realteilkomponenten oder Imaginärteilkomponenten
besitzen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß, ausgehend von einer Schaltung
der eingangs erwähnten Art, dadurch gelöst, daß als Vergleichswiderstand ein komplexer
Widerstand verwendet wird und daß durch einen weiteren primärseitig vom Strom des
Arbeitswiderstandes durchflossenen Stromwandler zwei gleich große Hilfsspannungskomponenten
gebildet werden, von denen zur Phasenindikation in an sich bekannter Weise die eine
zu der Restspannungskomponente vektoriell addiert und die andere von dieser vektoriell
subtrahiert wird.
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Bei einer erfindungsgemäßen Schaltung kann damit beispielsweise ein
Vergleichswiderstand mit einem ' vorbestimmten Frequenzverlauf für seine Realteilkomponente
vorgesehen werden, so daß ein frequenzabhängiger komplexer Antennenwiderstand jeweils
mit seiner Realteilkomponente auf einen für verschiedene Frequenzen unterschiedlichen
Wert abgeglichen werden kann. Dies wird durch die Verwendung der erfindungsgemäß
vorgesehenen Phasenindikatorschaltung möglich, da durch diese auch ein durch den
komplexen Vergleichswiderstand erzeugter und damit nicht mit dem Strom phasengleicher
Spannungsvektor in der richtigen Zuordnung berücksichtigt wird.
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Die erfindungsgemäße Schaltung ist. insbesondere als Abstimmhilfe
bei der Abstimmung von Senderendstufen u. dgl. oder zur automatischen Abstimmung
von Reaktanzschaltungen, beispielsweise Transformationsschaltungen zur Einstellung
eines bestimmten Ubersetzungsverhältnisses, anwendbar. Sie eignet sich gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung vor allem zum Abgleich des Realteils eines komplexen
Arbeitswiderstandes, wobei in diesem Fall die beiden Hilfsspannungskomponenten durch
Spannungsabfall an zwei sekundärseitig am weiteren Stromwandler angeschaltete ohmsche
Widerstände gewonnen werden.
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Mit einer erfindungsgemäßen Schaltung ist mit einem komplexen, abstimmbaren
und geeichten Vergleichswiderstand auch auf einfache Weise gleichzeitig die genaue
Messung der Realteilkomponente bzw. der Imaginärteilkomponente eines unbekannten
komplexen Widerstandes möglich. Zu diesem Zweck ist die komplexe oder imaginäre
Komponente des Vergleichswiderstandes vorzugsweise einstellbar und geeicht, und
es ist ferner noch ein an die Restspannungskomponente angeschaltetes Nullinstrument
vorgesehen. Hierdurch kann nach Abgleich der Realteilkomponente des Vergleichswiderstandes
auf die Realteilkomponente des Arbeitswiderstandes anschließend der geeichte Imaginärteil
des Vergleichswiderstandes so lange verändert werden, bis die aus der Summenbildung
zwischen der ersten und zweiten Spannungskomponente gebildete Restspannungskomponente
zu Null wird, was über das Nullinstrument angezeigt wird. Der angezeigte Wert des
Irnaginärteils des Vergleichswiderstandes entspricht dann exakt dem Imaginärteilwert
des zu messenden Widerstandes. In analoger Weise kann auch die Realteilkomponente
bei vorhergehendem Abgleich der Imaginärteilkomponente gemessen werden.
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Bekanntlich kann jede Widerstandsschaltung in eine duale Leitwertschaltung
umgeformt werden. Wenn in machen Anwendungsfällen eine Messung bzw. ein Abgleich
von Leitwerten erwünscht ist, so kann dies gemäß der Erfindung unter Berücksichtigung
dieser bekannten dualen Zusammenhänge zwischen einer Widerstands- und einer Leitwertschaltung
auch für derartige Leitwertabgleiche verwendet werden, wobei bei der erfindungsgemäßen
Schaltung lediglich die Begriffe Arbeitswiderstand und Vergleichswiderstand jeweils
durch Arbeitsleitwert bzw. Vergleichsleitwert und die ausgegebenen spannungsproportionalen
Größen lediglich durch stromproportionale Größen und umgekehrt zu ersetzen sind.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt an Hand eines Prinzipschaltbildes den Abgleich bzw.
die Messung des Realteils eines komplexen Widerstandes; F i g. 2 zeigt eine analoge
Schaltung zum Abgleich bzw. zur Messung des lmaginärteils eines komplexen Widerstandes;
F i g. 3 zeigt die duale Schaltung zu F i g. 1 zur Messung bzw. zum Abgleich der
Realteilkomponente eines komplexen Leitwertes.
Bei der in F i g.
1 gezeigten Schaltung wird ein komplexer Arbeitswiderstand Z.r, der aus der Realteilkomponente
R" und der Imaginärteilkomponenfe jXx besteht, aus einer Wechselspannungsquelle
Q mit dem Innenwiderstand R; mit einem Arbeitsstrom J gespeist. Damit fällt am Arbeitswiderstand
Z" eine Wechselspannung U, ab.
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Parallel zu diesem Arbeitswiderstand ZX ist ein kapazitiver Spannungsteiler,
bestehend aus den Kondensatoren C I und C2, geschaltet. An dem Kondensator
C2 fällt eine der Spannung Ux proportionale Spannungskomponente Vx ab.
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In die Zuleitung zu dem Arbeitswiderstand ZX ist ein erster Stromwandler
L I eingeschaltet, dessen Primärseite vom Arbeitsstrom J durchflossen ist und der
je nach seinem Ubersetzungsverhältnis auf der Sekundärseite einen proportionalen
Strom J" erzeugt. Der Wickelsinn dieses Stromwandlers ist so gewählt, daß der sekundärseitig
induzierte Strom J" gegenphasig zu dem Strom J ist (Kopplung -M1). Im Sekundärstromkreis
dieses Wandlers L1 ist ein Vergleichswiderstand Z" eingeschaltet, in dem gezeigten
Ausführungsbeispiel ein komplexer Widerstand mit einer Realteilkomponente R" und
einer Imaginärteilkomponente jX". Damit fällt an diesem Vergleichswiderstand Z"
eine Spannungskomponente Y;, ab, die dem durch den Arbeitswiderstand- Z" fließenden
Strom J proportional ist und infolge des gewählten Wickelsinnes des Wandlers L1
gegenphasig (180° Phasenverschiebung) zu der Spannungskomponente V" ist. Aus diesen
beiden Spannungskomponenten V" und V" wird durch Reihenschaltung die vektorielle
Differenz Ur = V" - V" gebildet.
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Des weiteren ist ein zweiter Stromwandler L2 vorgesehen, der so geschaltet
ist, daß in den auf seiner Sekundärseite eingeschalteten ohmschen Widerständen R
jeweils gleich große Hilfsspannungskomponenten U,, erzeugt werden, die in Phase
mit dem Strom J auf der Primärseite des Wandlers sind (Kopplung +M2). Am Mittelpunkt
2 wird die Spannungskomponente U, zugeführt. An den Anschlußpunkten 1 und
3 der Widerstände R entstehen dadurch zwei der vektoriellen Addition bzw. Subtraktion
dieser Spannungskomponenten entsprechende Spannungskomponenten U1 und U2, die einer
Gleichrichterschaltung G zugeleitet und dort verglichen werden, beispielsweise derart,
daß die gleichgerichteten Spannungskomponenten U 1 und U 2 einem auf
die Differenz zwischen zwei Spannungen ansprechenden Nullinstrument zugeführt werden.
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Unter der Voraussetzung, daß o) L 1 » Z" und v, L2 » R2 ist,
gilt folgende Beziehung:
Wählt man
(k = Spannungsteilerverhältnis C 1/C 2 und M 1 = der Kopplungsfaktor
des Wandlers L I), so ergibt sich folgende Vereinfachung: Ur = k'J[(R.x-R.)+J(Xx-X")].
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Daraus ergibt sich, daß für R" = R" die verbleibende Restspannung
U, senkrecht auf dem Arbeitsstrom J
stehen muß, da für diesen Fall nur noch
eine reine I maginärteilkomponente verbleibt. Aus dem in F i g. I gezeigten Vektordiagramm
ergibt sich ferner, daß dieser Zustand dann gegeben ist, wenn die beiden Spannungskomponenten
U 1 und U 2 gleich groß sind, was in an sich bekannter Weise
durch das Prinzip des Phasendiskriminators festgestellt wird. Der Abgleich erfolgt
beispielsweise derart, daß der Arbeitswiderstand Z" bzw. seine Realteilkomponente
Rx so lange verändert wird, bis über die Gleichrichterschaltung G Gleichheit zwischen
den Spannungskomponenten U 1 und U 2 festgestellt wird. Für diesen
Fall entspricht dann die Realteilkomponente Rx des Arbeitswiderstandes der Realteilkomponente
R" des Vergleichswiderstandes, und zwar unabhängig von den Werten der Imaginärteilkomponenten
jX" und .l X x# Die in F i g. 1 gezeigte Abgleichschaltung kann auch
auf einfache Weise zur exakten Messung der Imaginärteilkomponente.jXx benutzt werden.
Zu diesem Zweck ist es lediglich erforderlich, die Spannungskomponente Ur durch
ein zusätzliches gestrichelt eingezeichnetes Nullinstrument -A zu messen und die
Imaginärteilkomponente jX" des Vergleichswiderstandes einstellbar auszuführen und
zu eichen. Nachdem gemäß dem erfindungsgemäßen Abgleichverfahren Gleichheit zwischen
den Realteilkomponenten R, und R" hergestellt ist, wird die Imaginärteilkomponente
jX" des Vergleichswiderstandes so lange verändert, bis durch das Nullinstrument
A eine Kompensation der Restspannungskomponente Ur zu Null angezeigt wird. Für diesen
Fall ist dann auch Gleichheit zwischen j X. und jXx gegeben.
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In F i g. 2 ist der analoge Fall zum Abgleich der I maginärteilkomponente
j X" eines komplexen Arbeitswiderstandes Zx auf einen vorbestimmten Imaginärteilwert
jX" eines Vergleichswiderstandes Z" dargestellt. Die Schaltung nach F i g. 2 entspricht
derjenigen nach F i g. 1, mit dem Unterschied, daß an Stelle der ohmschen Widerstände
R auf der Sekundärseite des Wandlers L2 reine Blindwiderstände geschaltet sind,
hier Kondensatoren C. Damit sind die beiden Hilfsspannungen U,, in diesem Ausführungsbeispiel
gegenüber dem Strom J um 90° phasenverschoben. Es gelten wiederum die in obiger
Gleichung aufgezeigten Beziehungen. Für jXx = jX", was beispielsweise durch
Abgleichung der Imaginärteilkomponente des Arbeitswiderstandes Zx herbeigeführt
werden kann, ist die Restspannung U, in Phase mit dem Strom J. Dieses Kriterium
wird durch das Zusetzen der um 90° gegenüber dem Strom J phasenverschobenen Hilfsspannungen
U,, zur Anzeige in einer GIeichrichterschaltung G benutzt. Sind die beiden Spannungskomponenten
U 1 und U 2 gleich, so stehen die Hilfsspannungskomponenten U,, senkrecht
auf der Restspannungskomponente U" und es liegt damit nur noch eine reine Realteilkomponente
dieser Restspannung U, vor, während die Imaginärteilkomponenten kompensiert sind.
Auch bei der Schaltung nach F i g. 2 kann in analoger Weise die exakte Messung der
Realteilkomponente R" des Arbeitswiderstandes Z" durchgeführt werden, wenn ein zusätzlicher
Nullspannungsindikator A für die Restspannung U, vorgesehen wird und der Realteil
R" des Vergleichswiderstandes einstellbar und geeicht ist.
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In F i g. 3 ist eine zu dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 duale
Parallelleitwertschaltung gezeigt. Für diese Schaltung gilt mit
die analoge Beziehung: Ur = V" - V" = U ' R2 [(G» - G.) + .%
(Y. - Yx)]
Für G" = G" steht die Restspannung dieser vektoriellen
Summe senkrecht auf U. Unter diesen Voraussetzungen stehen wieder die beiden Hilfsspannungskomponenten
U,, senkrecht auf dieser Summenrestspannung Ur, was durch Gleichheit der beiden
Spannungskomponenten U 1 und U 2 durch die Gleichrichterschaltung
G angezeigt wird. Auch der Imaginärteil j Y" des Arbeitsleitwertes kann in analoger
Weise zu dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 auf diese Weise auf einen vorbestimmten
Imaginärteilwert j Y" eines Vergleichsleitwertes abgestimmt werden. Ebenso ist in
analoger Weise zu den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 1 und 2 die Realteilmessung
bzw. Imaginärteilmessung des Leitwertes möglich.