DE510102C - Messschaltung (Bruecken- oder Ausgleichsschaltung) zur Untersuchung von Netzwerken mit konstantem, reellem Wellen- oder Scheinwiderstand - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Meßschaltungen zur Untersuchung von Netzwerken mit konstantem, reellem Wellen- oder Scheinwiderstand und die damit auszuführenden Untersuchungsverfahren. Wenn man ein Netzwerk z. B. mit konstantem Wellenwiderstand K auf der Ausgangsseite mit einem dem Wellenwiderstand gleichen Widerstand belastet, so ist der Eingangsscheinwiderstand bei allen Frequenzen gleich dem Wellenwiderstand. Nach der Erfindung kann die Prüfung des Netzwerkes und seiner Elemente oder Zweige auch geschehen, ohne daß es auseinandergenommen wird.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Abbildungen, die sich auf eine Anzahl von Ausführungsbeispielen beziehen, erläutert.

in der Zeichnung zeigt Abb. 1 das Schaltschema eines bestimmten Netzwerkes mit konstantem Wellenwiderstand und Abb. ia widerstandsreziproke Zweige dieses Netzwerkes in einer Brücke zur Prüfung der zur Erzielung des konstanten Wellenwiderstandes notwendigen Widerstandsreziprozität. Abb. 2 stellt eine Schaltung zur Prüfung des Wellenwiderstandes dar; Abb. 3 eine Schaltung zur Prüfung anderer Eigenschaften des Netzwerkes. In beiden Fällen braucht das Netzwerk nicht aufgetrennt zu werden. Abb. 4 erläutert ein Verfahren zur Messung des Scheinwiderstandes von Teilen des Netzwerkes ohne Zerlegung des Netzwerkes. Abb. S stellt eine besondere Brückenschaltung mit Übertragern dar, die zur Prüfung des in Abb. 5a herausgezeichneten Netzwerkes dient, das dem Netzwerk nach Abb. 1 elektrisch gleichwertig ist. In Abb. 6 sind die Übertrager der Abb. 5 durch zwei gleichwertige Schaltungen ersetzt, und in Abb. 6a sind diese beiden Schaltungen zu einer einzigen gleichwertigen Schaltung zusammengezogen. Abb. 7 zeigt den Ersatz der Übertrager der Abb. 5 durch gleichwertige Widerstände bezüglich eines anderen Armes der Brücke in Abb. 5. Abb. 8 erläutert gegenüber der Schaltung Abb. 6a die Einführung eines passenden Kompensationswiderstandes. Abb. 9 zeigt im Vergleich zu Abb. 7 die Einschaltung von Kompensationskondensatoren und Widerständen, und Abb. 10 gibt schließlich die mit den Kompensationseinrichtungen versehene, in Abb. 5 ohne diese dargestellte Brückenschaltung wieder. Abb. 11 stellt dieselbe Anordnung mit dem in Abb. 1 dargestellten Netzwerk an Stelle des Netzwerkes nach Abb. 5a dar. Abb. 12 ist eine graphische Darstellung der Laufzeiten in Abhängigkeit von der Frequenz und dient zur Erklärung der Erfindung.

Bei dem Netzwerk der Abb. ι mit den Eingangsklemmen A₁A und den Ausgangsklemmen B, B kann leicht gezeigt werden, daß der Eingangswiderstand für alle Frequenzen = K ist, wenn der Scheinwiderstand der Schaltung L_xC = Z₁ und der der Schaltung /, C = Z₂ und Z₁Z₂ = K- ist, worin Ιζ konstant ist, und wenn weiter die Ausgangsklemmen über einen Widerstand vom

ίο Werte K verbunden werden. Der Wellenwiderstand ist daher konstant.

Es kann weiter gezeigt werden, daß die Laufzeiten der elektrischen Vorgänge in einem solchen Netzwerk als Funktion der Frequenz entsprechend den Kurven in Abb. 12 verlaufen, worin b ein Bemessungsparameter ist, der die Kurvengestalt bestimmt. Die weiter unten angegebenen Gleichungen zeigen, wie dieser Parameter und andere wichtige Beziehungen durch meßbare Größen bestimmt sind.

Um die Konstanz des Wellenwiderstandes des Netzwerkes (Abb. 1) zu prüfen, versieht man die Brücke (Abb. la) mit gleichen Widerständen iv in einem Paar gegenüberliegender Arme und einer Schaltung L₁ C und einer Schaltung/, c in den beiden anderen Armen. W^Tenn ein Wechselstrom veränderlicher Frequenz in einer Brückendiagonale aus der Stromquelle £ aufgedrückt wird und der Brückenstrom im Anzeiger R_c bei allen Frequenzen des gewünschten Bereiches verschwindet, und wenn dasselbe für die beiden anderen Schaltungen L, C und /, c des NetzAverkes der Fall ist, hat das Netzwerk für diese Frequenzen den konstanten WellenwiderstandK.

Wenn das Brückengleichgewicht in der Anordnung nach Abb. ia nicht vorhanden ist, läßt es sich durch Regelung der Widerstände und irgendeines der Reaktanzelemente herstellen. Der Wellenwiderstand des Netzwerkgliedes ist dann gleich der Wurzel aus dem Produkt der beiden Widerstände. Ein anderes Einstellungsverfahren besteht darin, zwei Reaktanzelemente zu verändern, und dies ist vorzuziehen, wenn man den Wellenwiderstand des Netzwerkes nicht ändern will. In diesem Fall sollten die beiden einzustellenden Reaktanzelemente nicht eine Induktivität in einem Brückenafm und eine Kapazität im anderen Brückenarm sein, weil man dann im allgemeinen kein Gleichgewicht bekommt. Man hat daher zweckmäßig irgendein anderes Paar von Elementen zu wählen und kann dann das Gleichgewicht herstellen.

Im Ausführungsbeispiel der Abb. 2 wird das Netzwerk nach Abb. 1 als Ganzes geprüft und nicht die Zweige einzeln wie in Abb. ia. Die Stromquelle E gibt einen zusammengesetzten Wechselstrom, z. B. einen Sprechstrom aus einem Mikrophon, und der Anzeiger R_c ist ein Telephon. Man sieht, daß die Ströme aus der Quelle sich auf die beiden Widerstände K verteilen, und wenn das Netzwerk zwischen den Klemmen A₁ A und B₁ B konstanten Wellenwiderstand K hat, bietet es einen konstanten Eingangswiderstand vom konstanten Werte K bei allen Frequenzen dar, so daß Gleichgewicht vorhanden ist und im Telephon R_c kein Schall gehört wird.

Wenn das Gleichgewicht nicht vollkommen ist, können zwei Reaktanzelemente des Netzwerkes verändert werden (mit der obenerwähnten Einschränkung, daß es nicht eine Induktivität in einem Zweig und eine Kapazität im anderen sein soll), bis Gleichgewicht eintritt, oder es kann ein Reaktanzelement gleichzeitig mit den beiden Widerständen JC eingestellt werden.

Während nach Abb. ia die Einstellung für verschiedene Frequenzen durch Veränderung der Frequenz der Stromquelle E ermöglicht wurde, erhält man nach Abb. 2 die verschiedenen Frequenzen durch Verwendung einer zusammengesetzten elektromotorischen Kraft, in der eine Anzahl von Frequenzen überlagert sind. Abb. 2 erspart nicht nur das Auseinandernehmen des Netzwerkes, sondern prüft außerdem, ob das Netzwerk richtig zusammengestellt ist, z. B. ob die Elemente richtig verbunden sind.

Nach Abb. 3 wird das Netzwerk gegenüber einem regelbaren Widerstand R ausgegleichen, und ein Schalter 5 erlaubt, die Ausgangsklemmen des Netzwerkes kurzzuschließen oder leer laufen zu lassen. Wenn S geschlossen ist, liegen L, C und I, c parallel und diese Kombination in Reihe zu einer gleichen. Der Ausgleichwiderstand R und die Frequenz wer- 1°° den eingestellt, bis ein Ausgleich mit einem niederen Widerstandswert da ist. Diese Frequenz ist die Resonanzfrequenz f₀ jeder Induktivitätswiderstandskombination. Man muß darauf achten, daß der Widerstand R >°5 auf den niedrigsten Wert gebracht wird, der das Gleichgewicht ermöglicht. Denn man kann für zwei andere Einstellungen mit hohen Widerstandswerten ebenfalls Gleichgewicht erhalten.

Diese beiden weiteren Gleichgewichtslagen bei hohen Widerstandswerten sind auf Stromresonanz in den beiden Teilkreisen des Netzwerkes zurückzuführen.

Darauf wird >S geöffnet, so daß die L, C- und /, c-Schaltungen in Reihe liegen, und zwar zwei solche Reihenkombinationen parallel zueinander. Wiederum werden Frequenz und Widerstand eingestellt, bis Gleichgewicht mit einem geringen Wert des Widerstandes vorhanden ist. Dies erfolgt für zwei verschiedene Frequenzen, die einer Viertelwellenlänge

des Abschnitts entsprechen, das heißt für zwei Frequenzen J₁ und /„, deren Phasenverschiebung beim Durchgang durch das Netzwerk 90 ° ist.

Die folgenden Beziehungen bestehen zwischen den drei gemessenen Frequenzen und der vorher erwähnten Konstanten b:

fi-i/T* ι/Τι

ο~-γτΓγ /ν

Während nach dem in Verbindung mit Abb. ia und 2 geschilderten Verfahren die Konstanz und der Wert des Wellenwiderstandes geprüft wurden, gibt das an Hand der Abb. 3 geschilderte Verfahren die Werte der wichtigen Parameter f₀ und b.

Abb. 4 zeigt eine Anordnung, die nicht nur mittelbar das Netzwerk auf konstanten Wellenwiderstand prüft, sondern eine Untersuchung der einzelnen Teile oder Zweige ohne Auseinandernähme des Netzwerkes zeigt. Wenn der Stromwender ^₁ in einer Richtung geschlossen wird, werden an beiden Enden des Netzwerkes Spannungen angelegt. Diese Spannungen sind von gleicher Größe und können entweder in Phase oder Gegenphase sein, je nach der Stellung des Stromwenders S₁. Wenn diese Spannungen in Phase sind, wird kein Strom in den Schaltungen L, C fließen, und die Impedanzmessung durch Einstellung von Z' auf Gleichgewicht gibt eine Messung der beiden Schaltungen /, c parallel zueinander. Z' ist vorteilhaft eine Kombination aus Induktivitäten und Kapazitäten. Darauf wird der Stromwender umgelegt, so daß die beiden Spannungen in Gegenphase sind und kein Strom in den /, c-Schaltungen fließt. Der bei Gleichgewicht eingestellte Wert von Z' gibt den Scheinwiderstand der beiden Schaltungen.^, C parallelmiteinander. In Abb. 11 ist ein Netzwerkglied gleich dem von Abb. 1 in einer Brückenanordnung dargestellt, die den Vorteil der Abb. ia hat ohne den Nachteil, daß das Netzwerk auseinandergenommen werden muß. Abb. 5 a und 10 sind Ersatzschaltungen, die der Reihe nach zur Abb. 11 überleiten.

Es läßt sich zeigen, daß das in Abb. 5a dargestellte Netzwerk dem von Abb. 1, sowohl was den Schein- oder Wellenwiderstand als auch was die Fortpflanzungsgröße angeht, für alle Frequenzen gleichwertig ist. Hierbei ist angenommen, daß die Kapazitäten und Induktivitäten die in der Abb. 5a angegebenen Werte im Vergleich zu den Werten L₁ C₁ I und c der Abb. 1 haben.

In Abb. 5 ist das Netzwerk (nach Abb. Sa) durch Übertrager 15 und 16 an zwei gegenüberliegende Arme einer Wheatstone-Brücke angeschlossen. Es ist ersichtlich, daß, wenn die Übertrager vollkommen wären, im Arm 14 bis 18 nur die Elemente zwischen den Punkten 13 und 17 wirksam werden würden und im Arm 11 bis 19 nur der Kondensator c/2 und die dazu parallel liegende Induktivität der beiden gekoppelten Spulen Z/2. Um zu einer Abänderung zu kommen, die einem System mit vollkommenen Übertragern ' gleichwertig ist, führt man zunächst, wie in Abb. 6 gezeigt ist, für die Übertrager, deren Primärwicklungen 11, 12 und 12, 19 sind, die gleichwertigen H-S chaltungen ein. In Abb. 6a sind dann die beiden H-Schaltungen zu einer einzigen, gleichwertigen H-Schaltung zusammengezogen.

In den Brückenarm 20, 21 der Abb. 5, der die Elemente Z./2 und 2 C enthält, bringen die Übertrager nur scheinbaren Widerstand hinein. In Abb. 7 ist dieser Teil-der Schaltung mit den gleichwertigen Widerständen R₃ auf jeder Seite herausgezeichnet.

Abb. 8 zeigt den geeigneten Kompensationswiderstand Α?/2 R_s eingeführt (gegenüber Abb. 6a), und Abb. 9 zeigt die geeigneten Kompensationskapazitäten und -widerstände eingeschaltet (gegenüber Abb. 7). Nachdem die Größe der Kompensationselemente festgestellt ist und sie mit Hilfe der gleichwertigen Η-Schaltungen und der gleichwertigen Widerstände der Abb. 6a und 7 eingeführt sind, ergibt sich aus Abb. 5 die Abb. 10, in der wieder die Übertrager selbst und außerdem die Kompensationselemente eingezeichnet sind. Ein Arm der Brücke in Abb. 10 enthält nun wirksam nur noch die Reihenschaltung L/2 und 2 C und der andere Arm die Parallelschaltung c/2 und die Spule aus den beiden Teilen //2 und der Gegeninduktivität Ij 2. Daher gibt die Brücke der Abb. 10 dieselbe Messung wie die der Abb. 1, ohne daß die Zweige des Netzwerkes wirklich herausgenommen werden müssen.

In Abb. 11 ist das Brückennetzwerk der Abb. ι an die Stelle des ihm gleichwertigen (Abb. 5a), in der Brücke nach Abb. 10 eingeschalteten Netzwerkes gesetzt worden.

Mit einer Meßschaltung, wie sie rechts von den Punkten^, A, B₁ B in entweder Abb. 10 oder 11 liegt, kann jedes beliebige Netzwerk konstanten Wellenwiderstandes auf den Wellenwiderstand hin untersucht werden, wenn es links von diesen Punkten angeschlossen wird. Bei der Messung nach Abb. 11 braucht das Netzwerk ebensowenig auseinandergenommen zu werden wie bei der Messung nach Abb. 10.

Wenn die Reaktanzen des Netzwerkes nicht genau die erforderlichen Werte haben, macht sich der Unterschied als Reflexionswirkung geltend, und es wird die Regelung einiger

oder aller dieser Reaktanzen notwendig. Es hat sich gezeigt, daß eine geringe Abweichung vom richtigen Impedanzwert bei irgendeiner der Impedanzen (z.B. der vier verschiedenen Impedanzen der Abb. i) in jedem Fall annähernd die gleiche Reflexionswirkung ergibt.

Es folgt hieraus, daß die Reflexion, die durch irgendeine dieser Unregelmäßigkeiten ίο hervorgerufen wird, im wesentlichen durch eine geeignete Veränderung in irgendeinem der drei anderen Elemente beseitigt werden kann. Man nehme z.B. an, daß ein Brückennetzwerk aus vier Elementen aufgebaut werden soll. Besondere Genauigkeit in den Reaktanzwerten ist dann nicht für alle vier Elemente notwendig, sondern drei brauchen nur angenähert zu passen, und alle notwendigen Verbesserungen können durch Einstellung des vierten Elementes soweit gemacht werden, daß für das Netzwerk der gewünschte Grad von Genauigkeit erreicht wird.

Die entwickelten Grundsätze sind bei der Einstellung von Hand ebenso von Bedeutung wie bei automatischer Einstellung. Ein Zuwachs an Induktivität für ein Paar von Spulen, wie z. B. L, L in Abb. 1, erfordert einen proportionalen Zuwachs für das andere Paar wie I, I in Abb. I. Wenn die Spulen veränderliche Induktivität haben, z. B. bei verschiedenen Graden der Sättigung, und wenn sie aus demselben Stoff gemacht sind mit gleicher Menge von Eisen und Kupfer, wird die Veränderung der Induktivitäten bei beiden Arten von Spulen im gleichen Verhältnis vor sich gehen, und so wird der Ausgleich von selbst erfolgen.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Meßschaltung (Brücken- oder Ausgleichsschaltung) zur Untersuchung von Netzwerken mit konstantem, reellem Wellenwiderstand oder ihrer Zweige, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zweig (oder gleichartige Zweige) des Netzwerkes und ein Zweig (oder mehrere Zweige) anderer Art des Netzwerkes entweder nacheinander getrennt oder in verschiedenen Kombinationen im gleichen Arm der Meßschaltung oder gleichzeitig in zwei gegenüberliegenden Armen der Meßschaltung wirksam sind.

2. Brückenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Arme der Meßschaltung, welche sich an

die je einen der Zweige des Netzwerkes enthaltenden oder mit ihm wirksam verbundenen Arme anschließen, aus Ohmschen Widerständen von der Größe des Wellenwiderstandes bestehen (Abb. ia, 5, 10, 11).

3. Brückenschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle der Meßschaltung gleichzeitig oder nacheinander Ströme verschiedener Frequenz liefert. ·

4. Brückenschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Brückenarm (11, 19) die Primärwicklungen zweier Übertrager (15, 16) liegen, an deren Sekundärwicklungen je eine zum Eingang und Ausgang des Netzwerkes gehörende Klemme (A, B) angeschlossen ist, und daß die Symmetriepunkte der Sekundärwicklungen der Übertrager mit den beiden anderen Klemmen (20, 21) der Brücke verbunden sind (Abb. 5 bis 11).

5. Brückenschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jeden der mit den Übertragern verbundenen Brükkenarme Widerstände oder Widerstände und Kapazitäten zur Aufhebung der Scheinwiderstandsumbildung durch die Übertrager geschaltet sind (Abb. 10).

6. Ausgleichsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Arm der Ausgleichsschaltung einen festen Ohmschen Widerstand (K) und der gegenüberliegende Arm das Netzwerk enthält, das mit einem gleichfalls festen Ohmschen Widerstand (K) ^abgeschlossen ist (Abb. 2).

7. Ausgleichsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Arm der Ausgleichsschaltung einen einstellbaren Ohmschen Widerstand und der gegenüberliegende Arm das Netzwerk enthält, an dessen Ausgangsklemmen ein Schalter liegt, durch den der Ausgang des Netzwerkes entweder kurzgeschlossen oder offengehalten wird (Abb. 3).

8. Ausgleichsschaltung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein Arm die Primärwicklung eines Übertragers mit ^l°5 zwei Sekundärwicklungen enthält, die an die Eingangsklemmen bzw. Ausgangsklemmen des Netzwerkes unmittelbar oder über einen Stromwender angeschlossen sind, und daß der gegenüberliegende Arm aus einer einstellbaren Impedanz (Z') besteht (Abb. 4).

Hierzu ι Blatt Zeichnungen