DE341119C - Schaltungsanordnung zum Schutz von Niederfrequenztransformatoren gegen UEberschlagenvon Hochfrequenzenergie bei drahtlosen Sendestationen mit Gegengewichtsantennen - Google Patents

Description

Es ist ein altbekannter Übelstand in der drahtlosen Telegraphic, daß die Niederfre-. quenztransf ormatoren, welche die Speisewechselspannung auf die zum Betriebe der Funkenstation erforderliche Hochspannung erhöhen, häufig durchschlagen. Bisher hat man geglaubt, daß die Ursache darin zu erblicken sei, daß Wanderwellen von den Hochfrequenzkreisen in die Sekundärwicklung eindringen, und daß die hohen Spannungsdifferenzen, welche zwischen den Polen oder auch zwischen Teilen der Sekundärwicklung auftreten, das Durchschlagen des Transformators herbeiführen. Die vorgeschlagenen Hilfsmittel laufen daher alle darauf hinaus, einen Überspannungsschutz zwischen den Polen der Sekundärwicklung zu schaffen und bestehen etwa in der Anwendung einer Schutzfunkenstrecke parallel zur Sekundärwicklung, welche durch Hochfrequenzüberspannungen durch- i schlagen werden sollen. Ferner ist bekannt das Einschalten von Schutzdfosseln vor die Pole der "Sekundärwicklung oder die Verstärkung der Endspulen des Transformators zwecks Vermehrung der Durchschlagssicherheit und ähnliche Mittel, z.B. Anwendung von Ausgleichsleitungen oder Schutzkapazitäten an den Polen der Sekundärwicklung. Alle diese Mittel haben den Zweck, einen Hochfreqüenzausgleich von Spannungsdiffe- - renzen zwischen den Polen der Sekundärklemmen gegeneinander bzw. gegen Erde zu ermöglichen.

Nun bestehen aber zwischen den Verhältnissen beim Betrieb der Sendestation mit Erde und im Gegensatz hierzu mit Gegengewicht ganz verschiedene Gründe für das Durchschlagen der Transformatoren. Während nämlich beim Betrieb mit Erde nur eine Hochfrequenzspannung zwischen den beiden Sekundärklemmen auftritt und die eine der Sekundärklemmen dauernd geerdet ist, tritt bei Gegengewicht eine die Zerstörung des Transformators herbeiführende Hochfrequenzspannung hinzu, die an den Sekundärklemmen des Transformators im wesentlichen gleichphasig und auch nahezu von gleicher Größe¹ ist. Auf Grund dieser Erkenntnis, die im folgenden näher begründet wird, lassen sich teilweise mit Hilfe von bekannten Maßnahmen die Ur-Sachen für die Zerstörung der Transformatoren beim Betrieb der Stationen mit Gegengewicht beheben.

Betrachtet man eine drahtlose Senderanlage mit geerdeter Antenne, wie sie Fig. 1 mit Antenne i, Verlängerungsspule 2, Erde 3, Stoßkreis 4, Kondensator 5, Funkenstrecke 6, Kopplungswindungen 7, Transformatorzuleitungen 8, Sekundärwicklung 9 und Primärwicklung 10 des Transformators sowie Generator 11 und Maschinenkreis 12 mechanisch darstellt, so liegt die Anlage, bevor die erste Funkenentladung einsetzt, infolge der Erdung im ganzen praktisch auf Erdpotential. Während der Ladeperiode des Kondensators erhebt sich über das Erdpotential praktisch nur

die obere Leitung 8, der obere Pol der Funkenstrecke 6 und die rechte Belegung des Kondensators 5. Hier wächst das Potential erheblich an, und zwar auf Spannungen, für welche die Sekundärwicklung 9 des Transformators berechnet ist, und welche den Überschlag der Funkenstrecke 6 herbeiführt. Im Moment des Leitfähigwerdens der Funkenstrecke 6 entsteht im Kreise 4 eine hochfrequente Schwingung, welche die Antenne 1 erregt und einen Strom in der Spule 2 zur Folge hat. Nach einer gewissen Zeit erlischt die Funkenstrecke 6, die Antenne schwingt aus, und das ganze System kehrt nach kurzer Zeit in die anfängliche Potentialverteilung zurück.

Während die Funkenstrecke 6 unterbrochen war, wurde in den Kopplungswindungen 7 durch die Spule 2 von der noch schwingenden Antenne 1 her eine Spannung induziert, welche über den Kondensator 5 und die Leitungen 8 an die Sekundärwicklung des- Transformators 9 gelangt. Diese Spannung hat zwei Wirkungen. Erstens beeinträchtigt sie die Löschfähigkeit der Funkenstrecke 6, zweitens beansprucht sie die Isolation der Wicklung 9 kapazitiv, und infolge direkter Induktion erhält auch die Primärwicklung 10 eine gewisse Hochfrequenz, welche zur Maschine 11 gelangt und hier noch Schädigungen · bewirken kann, wenn man nicht mit Hochfrequenzsicherungen arbeitet. Immerhin zeigt sich in der Praxis, daß bei geerdeten Stationen und normal dimensionierten Transformatoren und Maschinen Durchschläge nur sehr selten eintreten.

Anders liegen die Verhältnisse bei einer Senderschaltung mit Gegengewicht, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, welche sich von der Anlage nach Fig. 1 nur durch die Verwendung des isolierten Gegengewichtes 13 unterscheidet. Der Maschinenkreis 12 samt der Primärwicklung 10 des Transformators liegt praktisch auf Erdpotential. Dagegen ist der Kreis 4 mit allen leitend, angeschlossenen Teilen, also auch der Sekundärwicklung 9, der Antenne 1 und dem Gegengewicht 13, in seinem Potential frei. Durch die Verwendung des Gegengewichtes wird die Kapazität des Antennenkreises stets verkleinert, womit an und für sich schon die Spannungsamplituden der Antenne bei gleicher Senderenergie höher werden.

Nun wirken die Spulen 9, 10 des Transformators als Kondensatorbelegungen mit verteilter Kapazität und Selbstinduktion. Der Transformator kann also, wie Fig. 2 a schematisch veranschaulicht, für Hochfrequenz ströme als eine Art Kondensator mit den Belegungen 14 und iS aufgefaßt werden, die durch die Primärwicklung 10 und die Sekundärwicklung 9 gebildet werden. Der Kreis 12 stellt dabei nichts anderes als die Zuleitung zu der einen Belegung 14 dieses Kondensators dar, während zu der anderen Belegung 15 zwei Zuleitungen führen, von denen die eine die Kapazität 5 enthält. Das Gegengewicht 13 ist im Sinne der Fig. 2a als eine Kapazität gegen Erde zu zeichnen, und die Antenne 1 bildet eine teilweise gegen Erde und teilweise gegen das Gegengewicht wirksame Belegung. Bringt man in derselben Weise Fig. 1 in schematische Form, so ergibt sich die Fig. 1 a.

Eine Vergleichung von Fig. ia und 2 a zeigt, daß bei einer Anlage gemäß Fig. 2 a der Transformator in viel stärkerem Maße mit Hochfrequenz belastet ist. Im Stromkreis 17 besteht als wirksame hochfrequente elektromotorische Kraft nur die durch die Spule 2 in der Spule 7 induzierte Spannung. Diese Spannung beträgt bei den üblichen Verhältnissen von Primär- zu Antennenkapazität in der Größenordnung von 25 : 1 ungefähr den fünften Teil der maximalen Antennenspannung. Im Stromkreise 16 ist dagegen diese (hier zwischen den Punkten 18 und 19 induzierte) Spannung fast bedeutungslos gegenüber der am Gegengewicht 13 auftretenden Spannung, welche für den Fall, daß das Gegengewicht die gleiche Kapazität wie die Antenne hat, gleich der vollen Antennenspannung wird.

Der Gegengewichtsspannung wirkt der Phase nach um i8o° entgegen die Spannung in der Selbstinduktion 2, und es gibt natür-Hch einen Punkt in dieser Spule, der gegenüber der Erde keine Potentialschwankungen aufweist. Wenn man die Leitungen 18,19 an diesem Punkt oder symmetrisch zu ihm anschließen könnte, so würde in dem Kreise 16 kein Hochfrequenzstrom fließen. Aus praktischen Gründen ist jedoch die Innehaltung dieser Anschlußpunkte unmöglich. Einerseits ist der Indifferenzpunkt mit der Wellenlänge veränderlich, da es natürlich aus praktischen Gründen nicht angeht, Wellenveränderungen durch Zuschalten von Spulen sowohl in der Antenne als auch im Gegengewicht vorzunehmen. Andererseits sind auch die Stationen meistens dazu bestimmt, sowohl mit Erde als auch mit Gegengewicht arbeiten zu können, da man bei guten Grundwasserverhältnissen den Vorzug, welchen die direkte Erdung bietet, ausnutzen will. Die Praxis hat daher mit Stationen zu rechnen, bei denen die Anschlußleitungen 18,19 sich an denjenigen Stellen befinden, welche für das Arbeiten mit Erde am günstigsten sind, also an den ersten Windungen der Antennenspule. Aus der in Fig. 2 a punktiert, eingetragenen Kurve der Spannungsverteilung geht hervor, daß in diesem Falle in dem Kreise,i6 eine gleichphasige

Spannung wirksam wird, welche in den Leitungen 18, 19 fast mit gleicher Stärke vordringt und eine Gefährdung des Transformators zur Folge hat. Anders liegen die Verhältnisse in Fig. 1 a. Hier fällt die Gegengewichtsspannung fort.

Im Kreise 17 ist also nur ein Bruchteil der in dem Kreise 16 wirksamen Hochfrequenzspannung vorhanden. Die vom Gegengewicht 13 herrührende Spannung dringt über die beiden Leitungen 18, 19 fast gleichmäßig zu den beiden Enden der durch die Sekundärwicklung des Transformators gegebenen Kondensatorbelegung 15 vor und verursacht in dem ganzen Kreis 16 einen Hochfrequenzstrom, dessen Stärke durch die Gegengewichtsspannung als treibende E. M. K. bedingt wird. Das gleichphasige Vordringen der Spannung auf den beiden Leitungen 18, 19 erklärt, warum in diesem Falle die Funkenstrecke nicht als Sicherheitsfunkenstrecke wirken kann. An der Funkenstrecke ■ entsteht keine Potentialdifferenz, so daß sie nicht überschlagen oder leitfähig bleiben kann. Auf die Wicklung des Transformators wird daher praktisch die ganze Spannung des Gegengewichts; wirksam, ohne daß die parallel liegende Funkenstrecke irgendeinen Schutz gewährt.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 bzw. 1 a liegt dagegen die volle auf den Transformator wirkende Spannung zwischen beiden Klemmen der Funkenstrecke. Sie wirkt also als Sicherheitsfunkenstrecke. Da diese Spannung im Falle der Fig. 1 a auch absolut genommen viel kleiner ist, so ist die Transformatorwicklung bei Erdung viel schwächer beansprucht.

Die Erkenntnis des Grundes dieser viel stärkeren Transformatorbelastung, bei Senderschaltungen mit Gegengewicht ergibt auch die Mittel, um Beanspruchung des Transformators möglichst zu vermindern. Es handelt sich darum, Schaltungsanordnungen oder Schaltmittel' anzuwenden, welche geeignet sind, die Hochfrequenzspannung an. dem Vordringen nach dem Transformator zu verhindern oder diese Spannung ganz oder teilweise aufzuheben.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen, wie dies z. B. durch eine besondere Schaltung von Funkenstrecken erfolgen kann. Es ist klar, daß jede Schaltung, welche die beiden Leitungen 18, 19 des Schemas der Fig. 2 a nach der Übertragung der Energie in die Antenne zu unterbrechen gestattet, verhindern muß, daß die Gegengewichtsspannung überhaupt an die Sekundärklemmen des Transformators gelangt. Zu diesem Zwecke kann die in Fig. 2 angegebene Schaltung gemäß Fig. 3 in der Weise abgeändert werden, daß die Funkenstrecke 6 unterteilt und der Kondensator 5 unmittelbar an den Transformator 9 angeschlossen wird.

Der Primärkreis 4 hat dadurch in seinem elektrischen Verhalten keine Veränderung erfahren. Nach dem Erlöschen der Funkenstrecke ist jedoch eine selbsttätige Abschaltung des Kondensators 5 mit den ganzen daran hängenden Teilen 9, 10, 11, 12 eingetreten, was einer Unterbrechung der Leitungen 18, 19 des Schemas der Fig. 2 a gleichkommt. Eine andere! Lösung ist unter Beibehaltung der Schaltung nach Fig. 2 dadurch möglich, daß gemäß Fig. 4 die Mitte der Funkenstrecke 6 geerdet wird. In diesem Falle wirkt die Funkenstrecke als Sicherheitsfunkenstrecke, da ihre beiden Hälften durch die auf den Leitungen 18, 19 des Schemas der Fig. 2 a vordringende Spannung so lange leitfähig erhalten werden, bis die Spannung nicht mehr zum Durchschlagen der Funkenstrecke ausreicht und daher auch für den Transformator ungefährlich ist. In ähnlicher Weise wirkt auch die Anordnung nach. Fig. 5, bei der die Funkenstrecke 6 in eine der zum Transformator 9 führenden Leitungen eingeschaltet ist, während die andere durch eine geeignete Sicherheitsfunkenstrecke 20 geerdet ist. Die Funkenstrecke 6 tritt dann, nach Überträgung der Energie in die Antenne außer Wirksamkeit und unterbricht die zugehörige Leitung. Die Funkenstrecke 20 bleibt andererseits so lange leitend, bis die Spannung am Transformator einen zulässigen Wert angenommen hat.

Als Schutzmittel kann ferner das Anlegen von Hilfspotentialleitungen in Betracht kornmen, durch die das gegen den Erdboden gut zu isolierende System 12 im ganzen veranlaßt wird, an den Potentialschwankungen des Gegengewichts teilzunehmen. Die Fig. 6 zeigt eine solche Anordnung, bei der die Maschine 11 sowie die Primärwicklung 10, d. h das System 12, durch Isolationsunterlagen 21 isoliert und möglichst kapazitätsfrei aufgestellt ist und eine Hilfspotentialleitung 23 das System 12 mit der Sekundärwicklung 9 verbindet. Ferner kann man die am Gegengewicht auftretende Kondensatorspannung durch eine an, beliebiger Stelle des Kreises 16 erzeugte, in der Phase um 180 ° verschobene Gegenspannung aufheben oder vermindern. Diese Spannung kann man, wie Fig. 7 erkennen läßt, in einer Spule erzeugen, welche man etwa unter Zwischenschaltung von Phasenregelungsmitteln von der Antenne 1 her induktiv erregt, wobei das System 12 durch eine z. B. von der Maschine 11 ab-'gehende Leitung 25 an ein Gegengewicht 24 angeschlossen wird. Unzureichend ist die Einschaltung von Schutzdrosseln in die Transformatorzuleitungen. Dadurch kann nämlieh die am Transformator auftretende Spannung erhöht. werden, wenn das System 16

durch das Einschalten der Schutzdrosseln näher in Resonanz mit der jeweils in der Antenne herrsehenden Periodenzahl gelangt.

Claims (6)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Schaltungsanordnung zum Schutz von Niederfrequenztransformatoren gegen das Überschlagen von Hochfrequenzenergie bei drahtlosen Sendestationen mit Gegengewichtsantennen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Durchsehlägen die am Gegengewicht auftretende Spannung am Vordringen nach beiden Transformatorklemmen verhindert ist ■durch Anordnung an sich bekannter Schaltorgane (z. B. Funkenstrecken, Drosselspulen, Ausgleichsleitungen), welche den Weg für die schädliche Spannung unterbrechen oder kurzschließen oder durch Erzeugung von Gegenspannungen sperren.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegen- gewichtsspannung am Vordringen nach dem Transformator dadurch verhindert wird, daß die Senderfunkenstrecke in zwei Teile geteilt ist, welche in den beiden Zu-

   ■ leitungszweigen, welche vom Gegengewicht zu den Sekundärklemmen' des Transformators führen, eingeschaltet sind, und welche daher nach ihrem Erlöschen eine selbsttätige Unterbrechung herbeiführen.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in üblicher Weise angeordnete Serienfunkenstrecke in der Mitte geerdet ist, so daß die nach den Sekundärklemmen vordringende Gegengewichtsspannung die Leitfähigkeit der Funkenstrecke so lange aufrechterhält, bis die Hochfrequenzspannung eine dem Transformator nicht mehr gefährliche Höhe angenommen hat.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Senderfunkenstrecke zwecks Abhaltung der Hochfrequenzenergie von dem einen Sekundärpol in die eine Zuleitung des Transformatorkreises eingeschaltet ist, während der andere Sekundärpol über eine zweite Funkenstrecke geerdet ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hilfspotentialleitung, welche das von der Erde isolierte und möglichst kapazitätsfrei aufgestellte System, bestehend aus Maschine und Primärwicklung des Transformators, auf dasselbe absolute Hochfrequenzpotential bringt, welches an der Sekundärseite des Transformators herrscht.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Gegengewicht nach der Sekundärseite des Transformators vordringende Hochfrequenzspannung durch eine in der Phase um i8o° gegen die Gegengewichtsspannung verschobene Selbstinduktionsspannung aufgehoben wird, die in an sich bekannter Weise aus einer passend bemessenen, an beliebiger Stelle des Ausgleichkreises eingeschalteten Selbstinduktion besteht und durch Induktion etwa von der Antenne her erregt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.