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Ringmodulatorschaltung In der Trägerfrequenztechnik hat sich in letzter
Zeit eine Schaltungsanordnung für Modulationszwecke eingebürgert, die im allgemeinen
mit dem Namen Ringmodulator bezeichnet wird. Es ist dies eine Schaltung mit vier
zueinander in Brücke liegenden Gleichrichteranordnungen, insbesondere Trockengleichrichtern.
Eine derartige Schaltung gestattet eine weitgehende Unterdrückung der Trägerfrequenz
und der Niederfrequenz. . Die Diagonalpunkte der Brücke werden dann mit den der
Gleichrichterbrücke zugekehrten Wicklungen der Ein- und Ausgangsübertrager, die
insbesondere als Ausgleichsübertrager ausgebildet sind, verbunden, während der zweite,
zur Modulation n.ot-#vendige Strom vorzugsweise an den beiden Symmetriepunkten der
Ausgleichsübertrager zugeführt wird.
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Bei derartigen Schaltungen liegt ein großer Vorteil darin, daß eine
weitgehende Unterdrückung des Trägerstromes erzielt wird. Utn dies aber praktisch
zu erreichen, war es bisher nötig, vier Gleichrichteranordnungen mit genau der gleichen
Charakteristik zu verwenden. In der Tat wurde damit die gewünschte Wirkung erzielt,
jedoch war speziell bei Trockengleichrichtern die Ausbeute einer Anlieferung sehr
gering, denn wenn man nur Abweichungen unter z % vom Sollwert zulassen wollte,
war nur ein geringer Bruchteil der Gleichrichter geeignet.
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Durch die vorliegende Erfindung wird nun eine weitgehende Unterdrückung
des Trägerstromes erzielt, dabei aber die Ausbeute an Gleichrichtern. auf etwa 70%
gesteigert, indem durch bestimmte Anordnung der Gleichrichter eine größere Abweichung
vom Sollwert zulässig ist.
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Durch die Erfindung wird die Lehre gegeben, wie die Gleichrichter
bei nicht völliger Übereinstimmung ihrer Kennlinien nun auszuwählen sind: als zwei
benachbarte, die parallel zu einer der Übertragerwicklungen liegen, werden die mit
dem Extremwert der gegenseitigen Abweichung gewählt, während die anderen beiden
durch die mit der geringeren Abweichung gebildet werden.
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An Hand eines Beispiels soll zunächst eine derartige erfindungsgemäße
Auswahl der Gleichrichter gezeigt und anschließend eine Ableitung der allgemein
gültigen Regeln gegeben werden.
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In Fig. r ist ein Ausführungsbeispiel einer Ringtnodulatorschaltung
gezeichnet, bei der die vier Gleichrichterelemente einen geschlossenen Ring bilden,
d. h. alle in der gleichen Richtung durchlässig sind. Die
Übertrager
des Ein- und Ausganges sind mit Ui und U2 bezeichnet. Das Klemmenpaar
H
zwischen den Mittelabgriffen der Übertragerwicklungen dient zur Zuführung
der Hochfrequenz. Die vier Gleichrichteranordnungpn seien von den Strömen i1, i2,
i3, i4 durchflossen. Die Amplituden der Grundwelle seien mit a, ,ß,
y, ä bezeichnet.
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Werden nun beispielsweise vier Gleichrichterelemente verwendet, deren
Leitwerte im Durchlaßbereich proportional den nachfolgenden Werten sind: 98, 99,5,
104, 107, so wird die obige Regel für das Auftreten des Minimums an Grundwelle durch
die nachfolgende Verteilung gewährleistet: 98 = a, 107 = ß, 99,5
= y, 104 = d. Es ergibt sich für die Auswahl der Gleichrichteranordnungen
mathematisch die Form (cc + ß) - (y -E- ö) = Minimum.
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Im Grenzfalle, d. h. für den Anteil Null der Grundwelle, wird dann
a - y = ö - ß. In dem angegebenen Beispiel folgt (a -I- ß) - (Y -(--
d) = 2o5 -a03,5 = 459
d. h. es bleibt ein Rest von o,75 % der
Grundwelle, was einer Trägerdämpfung von 4,9 Neper entspricht.
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Da in bezug auf die Wirkung die Ein- und Ausgangsklemmenpaare vertauschbar
sind, kann man, statt den beulen Gleichrichteranordnungen a und ß die Extremwerte
zuzuordnen, dies auch für y und ö machen.
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Diskutiert man diese Gleichung nun, so erkennt man die verschiedenen
möglichen Fälle für die vollständige oder größtmöglichste Unterdrückung des Trägerstromes.
Für die völlige Unterdrückung des Trägerstromes folgt zunächst der triviale Fall,
daß sämtliche vier Gleichrichteranordnungen einander absolut gleich sind, weiter
aber auch die Tatsache, daß es genügt, wenn a = y und ß = d ist. Bei zwei
paarweise einander gleichen Gleichrichtern ergibt sich' noch eine weitere Möglichkeit
der völligen Unterdrückung des Trägerstromes, nämlich für a = ö und ß = y. Darüber
hinaus ergibt sich noch eine völlige Unterdrückung des Trägerstromes bei Ungleichheit
aller vier Gleichrichteranordnungen, wenn a - y = d - ß ist. Für diese
letztgenannten Fälle ergeben sich vier Möglichkeiten, in denen ein progressives
Fortschreiten der Koeffizienten im Ring stattfindet, z. B. ß < y <
d < a, wobei aber ß - y = d - a sein muß. Man erkennt hieran
jedoch leicht, daß zwar stets eine Auslöschung der Trägerwelle selbst erfolgt, aber
die höheren Harmonischen keineswegs immer verschwinden, wie dies in Fig. _ gezeigt
ist. Dort sind die vier Teilströme aufgezeichnet und die restlichen Differenzströme.
Es werden sich nun aber nicht immer solche Anordnungen finden lassen, wo eine absolute
Unterdrückung des Trägerstromes möglich ist. Vielmehr wird in den meisten Fällen
d i = (i1 - i2) - (i3 - i4) = o sein. Die Anordnung
ist in diesem Falle nach der oben angegebenen Regel zu treffen, damit die Amplitude
der Grundwelle ein Minimum wird.
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Das Ergebnis läßt sich folgendermaßen erklären: Der durch die Verschiedenheit
der vier Gleichrichter bedingte verschieden große Anteil der Grundwelle (Trägerwelle)
sei in einem Beispiel angedeutet. Aus der Fig.2 ist ersichtlich, welche Form der
Ausgangsstrom während einer Periode annimmt. Man erkennt leicht, daß bei dein gewählten
Beispiel keine Grundwelle mehr darin enthalten ist. Der Reststrom zeigt vielmehr
nur noch die zweite -Harmonische. Es ist dies also ein Fall, in dem d i Grundwelle
= o ist, es ist hier die Gleichung a - y = d - ß erfüllt.
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In Fig. 3 sind die Verhältnisse für 4i = o
dargestellt, d. h.
also für a + ß = y -i- 6. Es ergeben sich dann die stark ausgezogenen
Kurven. Wird aber, wie die gestrichelten Kurven der ersten Halbperiode andeuten,
nicht die Bedingung des Minimums der Trägerwelle eingehalten, so zeigt sich ein
sehr rasches Zunehmen des Grundwellengehaltes.
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Im folgenden wird nun gezeigt, daß die Furieranalyse der in Fig.3
angenommenen ungleichen Trägerrestwellen dieselbe Bedingung für ein Minimum von
d i der Grundwelle ergibt, wie oben verlangt.
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Man setzt ik=ak-sinkcot+bk-coskcot, worin k die Zahl der zu errechnenden
Teilschwingung bedeutet. Die Koeffizienten ak und bk errechnen sich aus
Für die Kurvenform nach Fig. 4 ist
Im Falle ca = i, d. h. bei Gleichheit der Amplituden beider Trägerhalbwelien
in Uü, verschwindet die Grundwelle des Trägers; die Oberwelle 2 c0 erreicht hierbei
ihr Maximum mit 42 % der Trägerwelle. Im Falle a = - i erreicht die Grundwelle
co ihr Maximum.
Unter I3eranziehung des obigen Beispiels soll dies
erläutert werden. Die Minimumsbedingung lautete: (a + fl) - (y + ö) =
205 - 203,5 = 1,5,
und dies entsprach
0,75 % der Grundwelle oder einer Trägerdämpfung von 4,9 Neper. Dasselbe ergibt
die Furieranalyse: a- y ist I,5 °/o und ß - d = 3 % der Trägeramplitude.
3 °/o der Trägeramplitude bedeutet 3,5 Neper. ca ist = o,5o, was 1,4 Neper entspricht.
Zusammen sind dies wieder 4,9 Neper.
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Man kann noch a und ß vertauschen (also x = 107 und ß = 98),
was für die Grundwelle dasselbe ergibt. Wir hätten dann eine progressive Reihe ß
< y < ö < a. Es läßt sich aber sofort übersehen, daß in diesem Falle
bei gleichem Anteil an Grundwelle die zweite Harmonische stärker durchkommt, so
daß eine Anordnung, wie zuerst angenommen, vorteilhafter ist.
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Wenn nun infolge der vorhandenen Gleichrichteranordnungen sich eine
völlige Unterdrückung des Trägerstromes nicht erzielen läßt, so kann zufolge weiterer
Erfindung trotzdem noch eine bedeutende Verbesserung, unter Umständen sogar eine
völlige Unterdrückung dadurch herbeigeführt werden, daß die Übertragerwicklungen
nicht völlig gleich gewählt werden. Insbesondere können vorhandene geringe Unsymmetrien
der LWicklungshälften vorteilhaft zur weiteren Unterdrückung des Trägerrestes benutzt
werden.
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Da bei höheren Frequenzen die dynamische Kennlinie wesentlich von
der mit Gleichstrom gemessenen durch die beträchtliche Kapazität des Gleichrichters
abweicht, genügt es für die Unterdrückung des Trägerstromes nicht mehr, wenn die
Amplituden der beiden Halbwellen gleich groß sind; es muß vielmehr - auch die Phasendifferenz
zwischen il und i2 gleich Null sein, das Auswahlverfahren also für höhere Frequenzen
entweder nach Betrag und Phase durchgeführt werden, oder man muß durch geeignete
Schaltungsmaßnahmen die Kapazität des Gleichrichters zum Verschwinden bringen.