DE619079C - Verfahren zur Erzeugung von konstanten Gleichstroemen oder -spannungen bzw. Wechselstroemen oder -spannungen technischer Frequenz - Google Patents

Description

Aus der Hochfrequenztechnik her ist bekannt, daß man bei Fernempfang Schwankungen der von einer Antenne aufgenommenen Empfangsenergie z. B. mit Hilfe von S sogenannten Exponentialröhren fast vollständig kompensieren kann. Durch Verändern der negativen Steuergittervorspannung und die hierdurch bedingte Verlagerung des Arbeitspunktes dieser Röhren, deren Kennlinie über einen gewissen Bereich einen nahezu exponentiellen Verlauf aufweist, in ein Gebiet anderer Steilheit auf der Kennlinie läßt sich erreichen, daß der Anodenwechselstrom bei Änderung der Steuergitterwechselspannung praktisch seinen Wert 'behält.

Bisher wurden solche Röhren lediglich in der Hochfrequenztechnik verwendet. Bei der Erfindung wird ihre Eigenschaft zum ersten Male in der Starkstromtechnik bei mittleren und niederen Frequenzen benutzt.

In der Starkstromtechnik besteht häufig ein starkes Bedürfnis nach konstanten Gleichoder Wechselströmen bzw. Spannungen für . den Fall, daß die zur Verfügung stehende Wechselspannung mehr oder weniger starken Schwankungen, sei es willkürlicher oder unwillkürlicher Art, unterworfen ist. Das ist z. B. der Fall, wenn die Frequenz einer stark in ihrer Höhe veränderlichen Wechselspannung gemessen werden soll. Es war z. B. bisher nötig, Zungenfrequenzmesser, deren zulässiger Spannungsbereich recht eng begrenzt ist, durch Vorschaltung von Widerständen oder durch Benutzung von Anzapf transformatoren der jeweiligen Nennspannung anzupassen. Ein Versehen in der Umschaltung des Spannungsbereiches kann zur Überschreitung der zulässigen Spannungsgrenze und zu einer Beschädigung des Gerätes führen. Dieser Mangel kann nur durch selbsttätig arbeitende Anordnungen vermieden werden.

Ferner ist es in der Relaistechnik bisweilen erwünscht oder notwendig, daß irgendwelche Betätigungskreise oder Steuerkreise konstante Gleich- oder Wechselströme bzw. -spannungen erhalten. Hierzu waren bisher besondere Einrichtungen, wie Generatoren, Batterien, Kabel und Zuleitungen o. dgl., erforderlich. Dies war mit zum Teil recht erheblichen Kosten verknüpft.

Auch bei der Steuerung von elektrischen Maschinen und Apparaten ist oft eine Konstanthaltung der Steuerspannung bei schwankender Betriebsspannung notwendig.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des Verfahrens zur Erzeugung von konstanten Gleichströmen oder -spannungen bzw. zur Erzeugung von konstanten Wechselströmen oder -Spannungen technischer Frequenz mittels gittergesteuerter Röhren, deren Gitterwechselspannung in ihrer Höhe stark veränderlich ist, beschrieben. Erfindungsgemäß wird der ganz oder teilweise exponentielle Kennlinienverlauf von Elektronenröhren ausgenutzt, indem die in ihrer Höhe stark veränderliche Gitterwechselspannung technischer

Frequenz einer ebenfalls, und zwar derart veränderlichen Gittergleichspannung überlagert wirdj daß der Arbeitspunkt auf der exponentiellen Röhrenkennlinie verlagert -wird und dadurch der Anodenwechselstrom trotz Änderung der Gitterwechselspannung konstant bleibt und im Bedarfsfalle, gegebenenfalls nach Verstärkung, gleichgerichtet wird. Das Verfahren sowie die Schaltung ίο hierfür werden für den besonderen, lediglich als Anführungsbeispiel angezogenen Fall, daß die Frequenz einer hinsichtlich ihrer Größe stark schwankenden, zur Gittersteuerung mittelbar oder unmittelbar mit herangezogeneu Wechselspannung U₁ gemessen werden soll, beschrieben.

Bei Änderung derjenigen Wechselspannung U₁, deren Frequenz gemessen werden soll, über einen prozentual sehr großen Be-, 20 reich soll die dem Frequenzmesser zugeführte Wechselspannung U₂ möglichst konstant bleiben. Dies wird imter Benutzung einer Elektronenröhre, deren J_ffi-£_ff-Kennlinie einen nahezu exponentiellen Verlauf besitzt, dadurch erreicht, daß sich der Arbeitspunkt auf der Kennlinie unter Einwirkung der Wechselspannung U₁ selbsttätig so weit verlagert, wie entsprechend ihrer Größe-bzw. einer ihr proportionalen Gitterwechselspannung E_g _ zur Erzielung eines gleichbleibenden Anodenwechselstromes T_a _ notwendig ist; die Exponentialröhre muß also bei kleinen Gitter-Wechselspannungen E_s_ im Bereich großer Steilheit und umgekehrt arbeiten," d. h. am Steuergitter muß eine sich mit B_SJ proportional ändernde negative Gleichspannung E_s= wirksam sein.

Das kann hier im Gegensatz zur Hochfrequenztechnik, wo zunächst eine Verstärkung der einfallenden Antennenspannung notwendig ist, in· einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß die Wechselspannung U₁ über einen Transformator und einen Gleichrichterkreis unmittelbar auf einen im Gitter-4-5 kreis der Exponentialröhre liegenden Widerstand wirkt. Der an diesem erzeugte Gleichspannungsabfall erteilt dann dem Steuergitter eine sich milder Wechselspannung U₁ proportional -ändernde negative Spannung.
Abb. ι zeigt das Schaltbild, das im folgenden beschrieben wird.

Der Transformator 1 besitzt drei Wicklungen, eine Oberspannungswicklung 2, an deren Klemmen die veränderliche Wechselspannung U₁, deren Frequenz gemessen werden soll, liegt, eine erste Unterspannungswicklung 3, die in den Gitterkreis der Elektronenröhre 4 geschaltet ist und zur Erzeugung derjenigen Gitterwechselspannung E_g _ dient, die der Spannung U₁ proportional ist. In Abb. 4 ist die Abhängigkeit des Anodenstromes I_a von der Gittergleichspannung E_g_ für eine bestimmte Anoden- und Schirmgitterspannung graphisch dargestellt, und zwar zeigt sie einen nahezu exponentiellen Verlauf. Soll nun trotz veränderlicher Spannung U₁ bzw. E_g„ am Verbraucherkreis 5, in diesem Falle also an dem Frequenzmesser, eine konstante Wechselspannung U₂ Hegen, so muß der Anodenwechselstrom I_a «. der Elektronenröhre 4 und somit der durch ihn verursachte Spannungsabfall am Widerstand 6 des Anodenkreises ebenfalls konstant sein. Dies ist aber hier nur möglich, wenn der Arbeitspunkt der Röhre 4 bei steigender Spannung U₁ bzw. E„ _ in einen Bereich größerer negativer Gittervorspannung verlagert wird und umgekehrt. Arbeitet die Röhre 4 im ganzen Bereich von U₁ bzw. E_g _, der in Abb. 4 durch den Arbeitsanfangspunkt A und den Arbeitsendpunkt B gekennzeichnet ist, so muß bei stetiger Änderung von U₁ bzw. E_g.„ auch die Änderung der Gittervorspannung E_g== im angegebenen Sinne stetig erfolgen. Dies geschieht mit Hilfe des Gleichrichterkreises. .

In der zweiten Unterspannungswicklung 7 des Transformators 1 wird eine EMK von erforderlicher Höhe induziert; sie wird z. B. durch eine oder mehrere Hochvakuumröhren 8 gleichgerichtet und über einen Glättungskreis 9 dem Spannungsteiler 10, mit dem der gewünschte Regelbereich (A bis E in Abb. 4) eingestellt wird, zugeführt. Dieser Spannungsteiler 10 ist so in den Gitterkreis der Röhre 4 eingeschaltet, daß das Potential des Steuergitters entsprechend dem am Spannungsteiler 10 abgegriffenen und vom gewünschten Regelbereich bestimmten Spannungsanteil mit wachsender Wechselspannung U₁ bzw. E_g „ gegenüber dem der Ka- ^l°° thode stärker negativ wird. Damit ist aber schon die oben gestellte Forderung erfüllt. Es bleibt nur noch der ArbeitsanfangspunktA (siehe Abb. 4), also für JJ₁ = O, auf der Kennlinie festzulegen, was von vornherein i°5 durch Anlegen einer negativen Gleichspannung E_g0 __ an das Steuergitter geschieht. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten; man kann erfindungsgemäß z. B. folgendermaßen vorgehen: no

Infolge der Glühemission der Gleichrichterröhren fließt in dem. Gleichrichterkreis der sogenannte Anlaufstrom. Er erzeugt in dem Spannungsteiler 10 einen Gleichspannungsabfall von einigen Volt. Das Steuergitter der Exponentialröhre 4 wird also' dadurch je nach der durch den Regelbereich bestimmten Stellung- des Spannungsteilers 10 mehr oder weniger stark negativ vorgespannt. Diese negative Vorspannung wird jedoch im allgemeinen nicht mit derjenigen übereinstimmen, die der Arbeitsanfangspunkt A (für U₁ = o) er- ■

fordert. Um die dem gewählten Arbeitsanfangspunkt A entsprechende notwendige negative Gittervorspannung zu erzielen, ist daher in den Gitterkreis zusätzlich eineGitterbatterie Ii nebst Spannungsteiler 12 mit der erforderlichen Polarität einzuschalten. Eine derartige Einstellung ist aber nur brauchbar, wenn mit'Sicherheit darauf zu rechnen ist, daß während des Betriebes der Anlaufstrom, der von der Fadentemperatur der Gleichrichterröhren nach einem exponentiellen Gesetz abhängig ist, konstant bleibt, da sich andernfalls der Arbeitsbereich auf der Kennlinie verlagert, d. h. die Gleichrichterröhre 8 muß konstant beheizt sein. Ist eine Gewähr hierfür nicht vorhanden, so ist eine Kompensierung des Anlaufstromes erforderlich. Hierzu dienen entsprechend Abb. 2 die Kompensationsbatterie 13 und der Spannungsteiler 14.

Das Steuergitter der Röhre 4 erhält dann seine dem Arbeitsanfangspunkt A entsprechende notwendige negative Vorspannung nur von der Batterie n.

Für den Fall, daß die Größe des konstanten Anodenwechselstromes I_a _ der Röhre 4 für einen gewünschten Zweck nicht ausreicht, ist eine Verstärkerstufe vorgesehen. Die Verstärkung hat im allgemeinen linear zu erfolgen, damit auch die Wechselspannung U₂ am Frequenzmesser konstant bleibt. Es wird zweckmäßig das bekannte Prinzip der Widerstandsverstärkung angewendet. Die hierfür erforderlichen Schaltungselemente bestehen, wie allgemein üblich, aus dem Widerstand 6, dessen durch den Anodenwechselstrom I_a _ der Röhre 4 hervorgerufener Spannungsabfall über den Kondensator 15 an das Steuergitter der Verstärkerröhre 17 gelegt wird. Ein Transformator 18 soll den Anodengleichstrom der Röhre 17 vom Verbraucherkreis 5, im Falle des gewählten Ausführungsbeispiels also vom Frequenzmesser, fernhalten. Die Anoden-und Gittervorspannungen erhalten die Röhren von einer oder mehreren Gleichstromquellen über die Leitungen 19, 20, 21 und 22. Es sind die Leitungen 19 mit den Anoden und, falls als Exponentialröhre eine sogenannte Schirmgitterröhre verwendet wird, die Leitung 20 mit dem Schirmgitter der Röhre 4, die Leitung 21 mit den Kathoden und die Leitung 22 über einen Gitterwiderstand 16 mit dem Gitter der Verstärkerröhre 17 verbunden. Für den Fall, daß besondere Batterien verwendet werden, liegt also die Anodenbatterie zwisehen den Leitungen 19 und 21, etwa der Mittelpunkt der Anodenbatterie an der zum Schirmgitter führenden Leitung 20, und die die Vorspannung für die Röhre 17 liefernde Batterie zwischen den Leitungen 21 und 22.

In dem in Abb. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verwendung einer Schirm gitterröhre 4 angenommen; grundsätzlich kann jedoch jede andere Röhre verwendet werden unter der Voraussetzung, daß ihre /_a-.S_g-Kennlinie einen nahezu exponentiellen Verlauf besitzt. Der Übersicht halber sind die Leitun- · gen, die an die Heizfäden der Röhren führen, fortgelassen. Die Heizung kann durch Gleichoder Wechselstrom erfolgen; es sind jedoch zwei voneinander getrennte Heizkreise vorzusehen, nämlich einer für das Gleichrichterrohr S und einer für die Röhren 4 und 17.

Durch die angegebenen Schaltungen wird erfindungsgemäß folgendes erreicht:

Im Arbeitsanfangspunkt A ist die Gitterspannung gleich dem einmal fest eingestellten Wert B_g0=; mit wachsender Wechselspannung U₁ wächst auch proportional die gleichgerichtete Spannung am Spannungsteiler 10, d. h. die negative Gitterspannung E_g_., sowie die an der Steuerwicklung 3 herrschende Steuerwechselspannung E_s _. Dadurch, daß die Exponentialröhre bei jeweils höheren negativen Gittergleichspannungen E_s__ im Bereiche jeweils kleinerer Steilheiten arbeitet, wird erreicht, daß trotz Anwachsens dier Steuerspannung Eg„ der Anodenwechselstrom I_a~ über einen sehr großen Bereich konstant bleibt.

Um das angegebene Verfahren in weitem Maße möglichst unabhängig von der Wartung zu machen, kann auf die Verwendung von besonderen Spannungsquellen für die Anodengleichspannung auch dann verzichtet werden, wenn kein Gleichspannungsnetz zur Verfügung steht. Infolge des außerordentlich geringen DurchgrifFes von Exponentialröhren ist es nämlich erfindungsgemäß auch möglich, die erforderlichen Anodengleichspannungen über eine Gleichrichteranordnung üblicher Bauart unmittelbar oder mittelbar aus dem Netz mit der veränderlichen Wechselspannung U₁ zu entnehmen, sofern vorauszusehen ist, daß die Höhe der nun proportional mit der Wechselspannung U₁ veränderlichen Anodengleichspannung den Wert der Schinngittergleichspannung nicht unterschreitet. Hierbei ist angenommen, daß das Schirmgitter des Rohres 4 an einer Batterie konstanter Spannung liegt, die infolge ihrer geringen Beanspruchung keiner nennenswerten Wartung bedarf. Zur Erzeugung der Anodengleichspannung kann der schon für die Erzeugung der Gittergleichspannung E_g_ benötigte Gleichrichterkreis benutzt und die Anodengleichspannung am Spannungsteiler 10 abgegriffen werden. Von besonderem Vorteil ist hier also, daß für die Anodenspannungen nicht eine besondere Gleichstromquelle benötigt wird.

In Abb. 3 ist die Spannung U₂ am Verbraucher über der veränderlichen Wechsel-

spannung U'l aufgetragen, -beide in Prozent ihres Höchstwertes.

Durch Regeln an den Spannungsteilern io und 12, also durch eine Vergrößerung oder Verkleinerung und ein Verlagern des Arbeitsbereiches auf der RöKrenkennlinie, ist es möglich, den Verlauf der Kurve der Abb. 3 und insbesondere ihren Anstieg zu ändern. Mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich nicht nur nahezu konstante Wechselspannungen erzeugen, sondern es ist auch möglich, die Wechselspannungen des Ausgangskreises gleichzurichten. Damit ist es also auch möglich, konstante Gleichspannungen zu erhalten, wenn die zur Verfugung stehende Wechselspannung U₁ sich in ihrer Höhe ändert.

Die Erfindung· bringt wesentliche Vorteile bei einer großen Anzahl von Meß- und Steueraufgaben, wenn es sich darum handelt, daß Geräten oder Apparaten o. dgl. eine konstante Gleich- oder Wechselspannung zugeführt werden soll und wenn die Größe der zur Verfugung stehenden Wechselspannung mehr oder weniger starken Veränderungen unterworfen ist.

Die gleichen Vorteile bietet das Verfahren in der Relaistechnik, wenn es sich darum handelt, Steuer- oder Betätigungsspannungen konstant zu halten, ferner als Hilfsmittel zur Regelung elektrischer Maschinen oder Apparate.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Erzeugung von konstanten Gleichströmen oder -spannungen bzw. zur Erzeugung von konstanten Wechselströmen oder -spannungen technischer Frequenz mittels gittergesteuerter Röhren, deren Gitterwechselspannung in ihrer Höhe stark veränderlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der ganz oder teilweise' exponentiell Kennlinienverlauf von Elektronenröhren ausgenutzt wird, indem die in ihrer Höhe stark veränderliche Gitterwechselspannung technischer Frequenz einer ebenfalls, und zwar derart veränderlichen Gittergleichspannung überlagert wird, daß der Arbeitspunkt auf der exponentiellen Röhrenkennlinie verlagert wird und dadurch der Anodenwechselstrom trotz Änderung der Gitterwechselspannung konstant bleibt und im Bedarfsfälle, gegebenenfalls nach Verstärkung, gleichgerichtet wird.
2. 2. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens: nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Verlagerang des Arbeitspunktes auf der exponentielleh Röhrenkennlinie bewirkende veränderliche Gittergleichspannung dem Gleichspannungsabfall an einem Widerstände entnommen wird, der von einem sich mit der Gitterwechselspannung proportional ändernden Gleichstrom durchflossen wird.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Gleichspannungsabfalles ein durch einen Widerstand belasteter Gleichrichter und zur Erzeugung der Gitterwechselspannung die hierzu erforderlichen elektrischen Kreise von der zur Verfugung stehenden, in ihr er Höhe stark veränderlichen Wechselspannung unmittelbar gespeist werden.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3 für Glühkathodengleichrichterröhren, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlaufstrom der Gleichrichterröhren durch eine Hilfsspannungsquelle kompensiert wird.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 3 für Glühkathodengleichrichterröhren, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlaufstrom der Gleichrichterröhren zur Erzeugung der negativen Gittergleichspannung herangezogen wird.
6. 6. Anordnung nach Anspruchs bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderlichen Anodenspannungen einem Gleichrichterkreis entnommen werden, der von der zur Verfügung stehenden, in ihrer Höhe stark veränderlichen Wechselspannung gespeist wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen