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Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer oder mehrerer Wechselspannungen
gleicher und beliebig einstellbarer Frequenz und in weiten Grenzen beliebig unabhängig
von der jeweils eingestellten Frequenz einstellbarer Amplituden und Phasen Für viele
Zwecke der Wechselstrommeßtechnik, insbesondere für die Messung von Scheinwiderständen,
sind Einrichtungen erforderlich, mit denen Frequenz, Amplitude und Phase mehrerer
Spannungen in möglichst weiten Grenzen willkürlich um meßbare Beträge geändert werden
könxren. Dabei soll die Änderung der Phase und der Amplitude unabhängig bzw. nahezu
unabhängig von der Änderung der Frequenz sein. Diese Einrichtungen haben besondere
Wichtigkeit für Kompensationsmessungen.
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Von den bisher für diese Zwecke angegebenen Einrichtungen ist in erster
Linie die Wechselstrommaschine von Franke zu nennen, bei welcher mittels der durch
ein umlaufendes Polrad hervorgerufenen Flußänderungen in zwei getrennten Wicklungen
Spannungen induziert werden. Durch Verdrehung der beiden Wicklungen gegeneinander
kann die Phasendifferenz der in beiden induzierten Spannungen geändert werden. Die
Einrichtung hat den Nachteil, daß sie nur für einen verhältnismäßig kleinen Frequenzbereich
zwischen 300 und :240o Hertz anwendbar ist.
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Die übrigen bekannten Verfahren gehen im allgemeinen von symmetrischen
und unsymmetrischen Brückenschaltungen oder von go°- Schaltungen aus. Sie haben
alle mehr oder weniger den großen Nachteil, daß sich bei Veränderung der Frequenz
die Wechselstromwiderstände der Schaltelemente verhältnismäßig stark ändern, wodurch
es also unmöglich wird, die sehr wichtige Bedingung, <'\mplitude und Phase unabhängig
von der Frequenz zu ändern, zu erfüllen. Will man bei diesen Anordnungen die Abhängigkeit
von der Frequenz einschränken, so sind sehr umständliche Schaltungen und Änderungen
der Schaltelemente erforderlich, wodurch eine zuverlässige Eichung des Apparates
erschwert und die Meßgenauigkeit stark herabgesetzt wird.
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Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile vermieden. Sie gestattet
eine beliebige unabhängige Einstellung der Frequenz, der Amplituden und der Phasen
mehrerer Wechselspannungen und somit eine genaue und nur einmal vorzunehmende Eichung
der Schaltelemente. Die Erfindung geht von dem bekannten Prinzip des Schwebungssummers
aus. Bei diesem wird bekanntlich eine Wechselspannung der Frequenz V dadurch erhalten,
daß die Schwebungen zweier Wechselspannungen der Frequenz V, und V1 gleichgerichtet
werden. Die Schwebungsfrequenz V
ist gleich der Differenz der beiden
Grundfrequenzen V, und V1. Auf Grund dieser Beziehung ist es möglich, eine verhältnismäßig
niedrige Frequenz V unter Verwendung sehr hoher Grundfrequenzen V, und hi zu erzeugen.
Soll die Frequenz V über einen ausgedehnten, viele Oktaven umfassenden Bereich geändert
werden, so sind dafür bekanntlich nur verhältnismäßig geringe prozentuale Änderungen
der Grundfrequenzen V, und V1 oder auch nur einer dieser Frequenzen erforderlich.
Es genügen also ebenfalls immer nur prozentual sehr geringe Änderungen an den die
FrequenzenTlo und V1 bestimmenden Schaltelementen. Auf diese Weise hat man es in
der Hand, die Anordnung so zu dimensionieren, daß die Amplitude der gewünschtenWechselspannung
von der Einstellung ihrer Frequenz ganz oder nahezu unabhängig wird.
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Bei bisher bekannten Einrichtungen, die ebenfalls nach dem Prinzip
des Schwebungssummers arbeiten, wird die Wechselspannung der Schwebungsfrequenz
Schaltelementen zugeführt, die es ermöglichen, die Amplitude und Phase der zugeführten
Spannung beliebig zu ändern. Diese Art der Schaltung bringt den Nachteil, daß die
die Änderung der Phase und Amplitude bewirkenden Schaltelemente von der Schwebungsfrequenz
abhängig sind. Dabei ist die Abhängigkeit der die Amplitudenänderung bewirkenden
Schaltmittel von der Schwebungsfrequenz nicht so groß wie die Abhängigkeit der die
Phasendrehung bewirkenden Schaltelemente. Es würde sich also bei Änderung dieser
Frequenz die einmal eingestellte Phase verhältnismäßig stark und die Amplitude im
geringeren Maße ändern.
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Die Erfindung beschreitet einen anderen Weg, indem sie die die Phasendrehung
bewirkenden Schaltelemente derart in die Gesamtanordnung einschaltet, daß sie von
Wechselströmen der Grundfrequenz durchflossen werden. Ds' sich nun, wie oben erwähnt,
die Grundfrequenzen bei der Regelung prozentual nur wenig ändern, ändern sich -dieWechselstromwiiderstände
der Schaltelemente bei dieser Anordnung nur um geringe Beträge, und es ist verhältnismäßig
leicht, die Schaltmittel so zu bemessen, daß die dadurch bedingten Meßfehler nur
klein sind.
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Handelt es sich darum, die Amplituden in sehr weiten Grenzen zu ändern,
oder will man die Abhängigkeit der eingestellten Amplituden von der Frequenz so
klein wie möglich machen, so empfiehlt es sich, gemäß einem weiteren Gedanken der
Erfindung die für die Amplitudenänderung vorgesehenen Schaltelemente ebenfalls derart
einzuschalten, daß sie von Wechselströmen der Grun:lfrequenzen durchflossen werden.
Einen weiteren Vorteil ergibt die Tatsache, daß die Amplitude der Schwebungsfrequenz
im wesentlichen nur von der Amplitude der Grundfrequenz mit der"kleineren Amplitude
abhängt. Da es für die Änderung der Schwebungsfrequenz nur erforderlich ist, eine
der beiden Grundfrequenzen zu ändern, hat man es in der Hand, durch Beeinflussung
der Frequenz der Grundschwingung mit der größeren Amplitude die Sehwebungsfrvquenz
zu ändern, ohne dabei ihre Anplitude wesentlich zu beeinflussen. Für die Änderung
der Phase der Schwebung genügt es, die Phase einer der beiden Grundfrequenzen zu
ändern.
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Die für die Einstellung der Amplituden und Phasen erforderlichen Schaltmittel
lassen sich unter Berücksichtigung der oben ausgesprochenen Grundsätze in verschiedenen
Kombinationen an die Spannungsquellen für die beiden Grundfrequenzen V1 und Tlo
anschließen. Auf diese Weise erhält man einen weiten Spielraum für die Ausbildung
der Schaltung, und es ist ein leichtes, die Abordnung so zu variieren, daß sie den
jeweiligen Anforderungen der Frequenzunabhängig-Iccit und Meßgenauigkeit entspricht.
Ebenso ist es möglich, durch geeignete Schaltungen mehrere Spannungen der Schwebungsfrequenz
zu erhalten, ohne daß dabei die. Frequenzunabhängigkeit der Phasen- und Amplitudeneinstellungen
beeinträchtigt wird.
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In den Abb. i bis 3 sind einige Ausführungsbeispiele dargestellt,
an denen Einzelheiten des Erfindrngsgedankens näher erläü= tert werden, für den
besonderen Fall, daß zwei Wechselspannungen der Schwebungsfrequenz erzeugt werden
sollen.
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In Abb. i sind a und b die beiden Primärgeneratoren, von denen
der erste die unveränderliche Frequenz ho, der zweite die veränderlicher Frequenz
T-1 besitzt. Damit beide Generatoren sich nicht gegenseitig beeinflussen, erfolgt
die Erzeugung von Schwebungen erst nach Zwischenschaltung von je einem . Hochfrequenzverstärker
d und e, so daß die Generatoren elektrisch voneinander getrennt sind.
Bei g ist an den Verstärker e ein Stromkreis mit zwei Spulen angeschlossen, dessen
Stromstärke abgelesen werden kann. In zwei Spulen bei i werden die Wechselspannungen
U3 und U4 der Frequenz Vi induziert. Die Phasenverschiebung zwischen U3 und U4 ist
unabhängig von V1 gleich Null. Die Amplituden U3 und U4 sind verhältnismäßig unwichtig;,
es schadet also nichts; wenn sie sich bei Einstellung der Frequenz etwas ändern.
Sie werden durch Beobachtung des Amperemeters bei g roh nur so eingestellt, daß
sie groß sind gegen die Amplituden der im Anschluß an den Generator a erzeugten
Spannungen Ui und U2 und daß die Gleichrichter bei ?i und o
im linearen
Teil ihrer Amplitudencharaleteristik arbeiten. Die Einstellung der Amplituden U5
und Ua und der Phasenverschiebung der gewünschten Spannungen US und LT, geschieht
in der an den Generator a. angeschlossenen Schaltung. Bei k befinden sich, durch
den Stromkreis f beeinflußt, zwei miteinander gekoppelte Schwingungskreise, die
beide auf die Frequenz VO abgestimmt -und deren Spulen so dimensioniert sind, daß
bei Z ein kreisförmiges Drehfeld entsteht. Im Drehfeld befindet sich eine Drehspule
m (in der Zeichnung ist sie der Übersicht halber außerhalb des Drehfeldes gezeichnet);
je nach ihrer Stellung werden in ihr Spannungen immer derselben Amplitude Ui, jedoch
beliebiger Phase induziert. Mit dem Stromkreise f ist ferner bei lt eine Spule gekoppelt,
in der eine Spannung UZ induziert wird. Die Phasenverschiebung zwischen U1 und U2
ist allein abhängig von der Stellung der Drehspule, kann also mit dieser beliebig
eingestellt werden. Die Spannungen U1 und U3 einerseits und U2 und U4 andererseits
sind jeweils einfach hintereinandergeschaltet und zu Gleichrichtern n und o, am
besten Richtverstärkern mit Ohmsehen Widerständen in den Anodenkreisen, geführt.
über Endröhren p und q und Ausgangstransformatoren r und s, welche zwecks Anpassung
an verschiedene Stromverbraucher angezapft sind, können die Wechselspannungen US
und U,1 der Schwebungsfrequenz abgenommen werden. Nach dem Gesagten wird die Frequenz
dieser Wechselspannungen bei b, ihre Phasenverschiebung bei m eingestellt. Bezüglich
der Amplituden U5 und Ur, interessiert meistens vor allem- deren gegenseitiges
Verhältnis. Dies kann einfach durch Veränderung der Kopplung bei h eingestellt werden,
während die Absolutwerte von U5 und U, im gleichen Verhältnis bei i eingestellt
und am Amperemeter A des Kreises f mit genügender Genauigkeit abgelesen
werden können. Nach obigem ist sofort zu ersehen, daß alle Einstellungen unabhängig
voneinander sind, und daß es auf Grund einer einmaligen Eichung in einfacher Weise
möglich ist, die gewünschten Spannungen nach Frequenz, Amplituden und Phasen einzustellen
oder nach erfolgter experimenteller Einstellung die interessierenden Größen abzulesen.
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In Bild 2 ist eine ganz ähnliche Schaltung verwendet. Sie unterscheidet
sich von der vorigen nur dadurch, daß die Amplituden US und UB auf andere Weise
eingestellt werden. Hier sind die. Verhältnisse so gewählt, daß die Amplituden U3
und U4 kleiner sind als U1 und U_, daß also U5 und U,; wesentlich durch US und U4
bestimmt sind, während die Werte U1 und U2 nur die erwähnte untergeordnete Rolle
spielen. Bei ia wird das Amplitudenverhältnis Ua : U5 eingestellt, während
bei h die Absolutwerte von U, und UB durch Veränderung der Kopplung zweier Spulen
im gleichen Verhältnis beeinflußt werden.
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In Bild 3 stimmt die rechte Seite genau überein mit der rechten Seite
von Bild 2. Es werden also auch Frequenz und AmplituderL der gewimschten Spannungen
in der gleichen Weise eingestellt. Die Herstellung der verlangten Phasenverschiebung
geschieht jedoch auf eine ganz andere Weise, und zwar unter Verwendung einer unsymmetrischen
Brückenschaltung, in der nur Ohmsche Widerstände und Kapazitäten enthalten sind.
Die Brückenschaltung ist parallel zu einer Spule des Stromkreises e gelegt. Bei
Änderung der in ihm enthaltenen Kapazität werden dem Gitter der Verstärkerröhre
hl Spannungen aufgedrückt, die sich nur hinsichtlich ihrer Phase unterscheiden.
Man erhält unter Verwendung normaler Schaltmittel leicht beliebige Phasenänderungen
bis zu 9o° am Gitter der Röhre. Hinter der Röhre bewirkt ein weiterer Brückenkreis
f, nochmalige Phasenverschiebung bis zu 9o°, so daß im ganzen beliebige Phasenwinkel
zwischen o und i8o° am Gitter einer zweiten Röhre h2 verfügbar sind. Durch Betätigung
der miteinander gekoppelten Drehkondensatoren der beiden Brückenkreise lassen sich
also auch Phasendrehungen der Spannung U2 um Winkel bis zu iSo° bei gleichbleibender
Amplitude erreichen. Durch Anwendung eines Umschalters bei k kommt man zu Drehungswinkeln
bis 36o°, so daß sich nach obigem also auch jede beliebige Phasenverschiebung zwischen
den gewünschten Spannungen US und U, erzielen läßt. Wie man sieht, erfolgen auch
bei dieser Schaltung alle Einstellungen- in einfacher Weise und unabhängig voneinander.
Die Einstellung der Amplituden läßt sich u. a. auch dadurch erreichen, daß entweder
auf der Seite der Grundfrequenzen oder hinter den Gleichrichtern auf der Seite der
Schwebungsfrequenz Spannungsteilerschaltungen angewendet werden.
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Während sich die Ausführungsbeispiele auf die Erzeugung von zwei Spannungen,
deren gegenseitige Phasenlage geändert werden kann, beziehen, muß darauf hingewiesen
werden, daß der Erfindungsgedanke auch ohne weiteres anwendbar ist, wenn nur eine
einzige Spannung erzeugt werden soll. In diesem Falle wäre die Phase dieser Spannung
gegen eine Bezugsspannung anzugeben, die beispielsweise dem Netz entnommen werden
kann und daher nicht besonders erzeugt zu werden braucht. Es müßte nur dafür gesorgt
werden, daß die Phase der beiden Generatoren, die in Abb. i beispielsweise mit a
und b
bezeichnet sind, sich gegenüber der dem Netz
entnommenen
Bezugsspannung nicht ändert. Dies. ließe sich beispielsweise dadurch in sehr einfacher
Weise erreichen, daß man die beiden Generatoren aus dem Netz speist. Wollte man
sich mit der Erzeugung einer einzelnen Spannung begnügen, so könnten in !Abb. i
die für die Erzeugung der Spannungen U2 und U4 erforderlichen Schaltmittel h, i,
der Gleichrichter 0, die Endröhre q und der Transformator s fortfallen.
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Die hinter den Gleichrichtern verwendeten Endröhren sollen in erster
Linie zur Verstärl:ung der Spannung bzw. zur Erhöhung der Leistung dienen. Sie sind
für den Grundgedanken der Erfindung nicht unbedingt erforderlich. Die Dimensionierung
dieser Röhren muß mit Rücksicht auf ihre Aufgabe, eine möglichst frequenzunabhängige
Verstärkung hervorzurufen, erfolgen.
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Eine praktisch ausreichende Konstanz der Grundfrequenz V, kann durch
bekannte Mittel, beispielsweise durch ein Piezokristall oder durch Verwendung von
Stimmgabeln, erzielt werden. Es wäre auch denkbar, die erforderlichen Grundfrequenzen
durch Vervielfältigung der Netzfrequenz, die im allgemeinen außerordentlich konstant
ist, zu erzeugen.