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Einrichtung zur Erzeugung von Spannungswellen, von welchen jede Halbwelle
aus je einem steilen und kurzdauernden, vorzugsweise rechteckigen Spannungsstöß
gebildet ist Für die verschiedensten Zwecke benötigt man in der Elektrotechnik öfters
Spannungskurven, von welchen jede Halbwelle aus einem möglichst steil ansteigenden
und anschließend wieder abfallenden schmalen Spannungsstoß besteht. Es sind bereits
Schaltungen zur Erzeugung solcher Spannungswellen vorgeschlagen worden, die im wesentlichen
aus einem Vierpol mit nichtlinearem Übertragungsmaß bestehen, welcher aus einer
Spule mit ferromagnetischem Kern und einem zu ihr in Reihe gelegten Ohmschen Widerstand
aufgebaut ist. Hierbei wird für den Spulenkern ein Material mit scharf ausgeprägtem
Sättigungsknie in der Magnetisierungskurve bevorzugt. Man legt nun z. B. eine gewöhnliche
sinusförmige Wechselspannung an, die größer ist als diejenige, bei welcher der Kern
gerade gesättigt ist. Ferner wählt man den Widerstand so, daß der Scheitelwert des
Stromes wesentlich größer ist als der Magnetisierungsstrom der Spule. Der Anfang
jeder Welle der Wechselspannung bis zum Moment der Sättigung wird dann zur Hauptsache
an der Spule wirksam, während der restliche Teil der sinusförmigen Spannungswelle
im wesentlichen am Widerstand auftritt. Man erhält also bei der bekannten Schaltung
an der Spule eine Spannung mit angenähert sinusförmigem Anstieg und steilem Abfall
und am Widerstand eine Welle, die zuerst steil ansteigt und ungefähr sinusförmig
abfällt.
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Diese Schaltung hat aber die folgenden Nachteile: Läßt man die Sättigung
der Spule ungefähr im Scheitelwert der Primärspannung erfolgen, so tritt sowohl
an der Spule als auch am Widerstand nahezu der Scheitelwert der Primärspannung auf.
Die Ausnutzung der
Primärspannung bezüglich der Spannungshöhe der
steil ansteigenden oder abfallenden Wellen ist somit in diesem Falle gut. Die Dauer
der Spannungswellen beträgt jedoch ungefähr 9o elektrische Grade der Prima= spannung.
Sie ist somit verhältnismäßig gro"13 und aus diesem Grunde für viele Zwecke, wie
z. B. für besondere Gittersteuerungen in Gleichrichteranlagen, unbrauchbar. Die
Dauer der erzeugten Wellen kann nun wesentlich kleiner als 9o° gewählt werden; wenn
man entweder die Sättigung,der Spule spät erfolgen läßt und die am Widerstand auftretende
Spannung verwendet oder wenn die Sättigung früh einsetzt und man an der Spule die
Nutzspannung abnimmt. In beiden Fällen ist aber nachteilig, daß nur ein geringer
Teil der Höhe der Primärspannung ausgenutzt wird und der Wirkungsgrad demzufolge
als mangelhaft angesprochen werden muß. Außerdem ist die Spannungskurve dreieckig,
so daß der Scheitelwert nur während einer Zeitdauer auftritt, die viel kürzer ist
als die Dauer der gesamten Welle bzw. des Impulses. Ferner ergibt sich bei später
Sättigung der weitere Nachteil, da,ß der Scheitelwert der Nutzspannung und der Zeitmoment
des Spannungsanstieges stark von Schwankungen der Primärspannung abhängt. Bei früher
Sättigung hingegen ist ein scharfer Anstieg überhaupt nicht möglich, da, wie bereits
ausgeführt, dieser Anstieg etwa nach einer Sinuskürve erfolgt. Man kann zwar im
letzteren Falle die Steilheit des Anstieges durch höhe Primärspannung und durch
Vergrößern des Reihenwiderstandes verbessern. Dadurch nimmt jedoch die Belastbarkeit
der Schaltung ab, und die erreichbare Steilheit des Anstieges bleibt doch hinter
der Steilheit des Abfalles zurück, wie alle veröffentlichten Spannungskurven zeigen;
die mittels dieser bekannten Schaltungen erzeugt wurden.
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Dem Bekannten gegenüber bezweckt die vorliegende Erfindung, Spannungsstöße
oder Impulse zu erzeugen; die schroff ansteigen, während eines bestimmten Zeitabschnitts
einen möglichst hohen Spannungswert im Vergleich zur Primärspannung beibehalten
und anschließend rasch wieder abfallen, wie in Fig. i angedeutet. Dies wird unter
Verwendung eines Vierpols mit nichtlinearem Übertragungsmaß dadurch erreicht, daß
der Vierpol zwei Spulen mit ferromagnetischem Kern aufweist und die Sättigung der
beiden ferromägnetischen Kerne zeitlich nacheinander erfolgt. Ausführungsbeispele
des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung sinnbildlich dargestellt. Fig.
2 zeigt eine einfache Schaltung, bei welcher der Vierpol im wesentlichen aus zwei
hintereinandergeschalteten Spulen besteht, bei welchen der Verbraucher zu der einen
Spule parallel liegt, während Fig. 3 ein anderes Ausführungs-@:]@eispie@ in bezüg
auf die Erzielung der Sättixng der anderen mit dem Verbraucher in weihe liegenden
Spule wiedergibt.
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" In Fig. 2 bedeuten 2o und 2,1 die primären "Eingangsklemmen des
Vierpols, an welche die vorzugsweise sinusförmige Primärwechselspannung angelegt
wird. An den Sekundärklemmen 22 und 23 wird der Verbraucher 24 angeschlossen, an
welchem also eine annähernd rechteckig verlaufende Spannung auftreten soll. Zu dem
Verbraucher 24, der am besten einen Ohmschen Charakter aufweisen soll, ist die eine
der beiden mit ferromagnetischem Kern versehenen Spulen 25 bzw. 26 parallel gelegt,
während die andere Spule sowie ein Begrenzungswiderstand 27 mit dem Verbraucher
in Reihe liegen.
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Die Bemessung der Schaltelemente erfolgt nun zweckmäßig folgendermaßen:
Bei nicht gesättigten Spulen 26 und 25 soll die Spule 26 einen Wechselstromwiderstand
aufweisen, der wesentlich höher ist als der resultierende Wechselstromwiderständ,
gebildet aus der Parallelschaltung der Spule 25 und dem Verbraucher 24. Für den
gesättigten Spülenkern von 26 und die immer noch ungesättigte Spule 25 soll hingegen
der .aus der Parallelschaltung von 25 und 24 gebildete Wechselstromwiderständ beträchtlich
höher :sein als der Wechselstromwiderstand der Reihenschaltung von Begrenzungswiderstand
27 und gesättigter Spule 26. Ferner wird die Spule 25 derart ausgeführt, daß bei
Sättigung des Kernes von 25 ihr Wechselstromwiderstand möglichst klein ist gegenüber
dem Ohmschen Widerstand des Verbrauchers 24. Unter diesen vereinfachten Maßnahmen
die erfahrungsgemäß ' einen Bestwert hinsichtlich der zu erzielenden Endwirkung
ergeben, kann die Wirkungsweise wie folgt gedeutet werden: Der Anfang der Welle
der Primärspannung tritt nach Voraussetzung zur Hauptsache an der Spule 26 auf,
solange beide Spulen noch nicht gesättigt sind. Wird nun zuerst die Spüle 26 im
Verlauf der Primärwelle gesättigt, so bricht die Spannung an ihr zusammen und tritt
momentan praktisch in ihrer vollen Höhe am Verbraucher 24 auf. Man wählt nun Kern
und Windungszahl der Spule 25 so, daß nach einem Zeitabschnitt, welcher etwa der
gewünschten Breite des rechteckigen Spannungsstoßes entspricht, wegen des weiteren
Anstiegs der Stromstärke auch die Spule 25 gesättigt wird. Die Spannung am Verbraucher
fällt rasch zusammen und bleibt auch bis zum Nulldurchgang der Primärwelle vernachlässigbar
klein. Etwa zur Zeit dieses Nulldurchganges erhalten die Spulen 25 und 26 wieder
die volle Selbstinduktion, so daß beim
nächsten Anstieg der Primärspannung
der Vorgang sich wiederholt mit dem Unterschied, daß wegen des Vorzeichenwechsels
der Primärspannung auch die erzeugte rechteckige Sekundärspannung ihre Richtung
umkehrt. Die Spule 26 bewirkt also das scharfe Ansteigen, die Spule 25 den scharfen
Abfall der Sekundärspannung, während der dazwischenliegende Teil hauptsächlich einen
der Primärspannung ,ähnlichen Verlauf annimmt. Wählt man demnach die Spulen derart,
daß die Sättigung von 26 kurz vor dem Scheitelwert der Primärspannung erreicht wird,
dann wird die am Verbraucher wirkende Spannung diesem Scheitelwert entsprechen,
wodurch sich eine volle Ausnutzung der Primärspannung erzielen läßt. Es ist ferner
leicht einzusehen, daß die rechteckigen Impulse der Sekundärspannung beliebig kurz
gemacht werden können, wenn nur der Zeitmoment der Sättigung der Spule
25 kurz nach der Sättigung der Spule 26 erfolgt.
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Die Bemessung der Spulen bereitet offensichtlich keine nennenswerten
Schwierigkeiten, solange die Primärfrequenz nicht derart hoch ist, daß die schädlichen
Kapazitäten eine Rolle spielen. Die angestrebte Wirkung wird ferner um so besser,
je ausgeprägter das Sättigungsknie in den Magnetisierungskurven der Spulenkerne
ist. Gegebenenfalls können auch Kernmateriale verwendet werden, bei welchen die
Magnetisierungskurven in das Sättigungsgebiet unstetig überspringen. Ist der Verbraucher
selbst ein nicht Ohmscher Widerstand, so kann durch die an sich bekannten Maßnahmen
der Parallel- und Hintereinanderschaltung geeigneter Schaltelemente stets erreicht
werden, daß sich der resultierende Zweipol möglichst angenähert wie ein Ohmscher
Widerstand verhält. Die eingezeichnete Verbraucheranordnung 2q. ist daher in diesem
erweiterten Sinne aufzufassen. Es ist ferner möglich, den Begrenzungswiderstand
27 unmittelbar in die Wicklung der Spule 26 zu verlegen. Bei genügend hohem innerem
Widerstand der Spannungsquelle kann er auch ganz fortgelassen werden.
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In Fig. 3 ist eine Verbesserung der Schaltung nach Fig. 2 angegeben,
die, eine größere Freiheit hinsichtlich der Bemessung der einzelnen Schaltelemente
erlaubt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Sättigung der mit dem Verbraucher in
Reihe liegenden Spule 36 zur Hauptsache durch eine Hilfswicklung 38 erfolgt, die
über einen Schutzwiderstand 39 unmittelbar an die Primärklemmen 30 und 31
angeschlossen ist. Die Wirkungsweise bleibt jedoch grundsätzlich .dieselbe mit dem
Unterschied, daß der Magnetisierungsstrom für den Kern der Spule 36 nicht mehr über
den Verbraucher 3q., sondern über den eingezeichneten Hilfskreis, d. h. über den
Widerstand 39 und über die Hilfswicklung 38 fließt. Auch hier ist es möglich, den
Begrenzungswiderstand 37 in die Wicklung der Spule 36 und den Schutzwiderstand 39
wenigstens teilweise in die Wicklung der Spule 38 zu verlegen. Die Wicklung 38 gibt
ferner die Möglichkeit, durch Wahl ungleicher Windungszahl der beiden Wicklungen
der Spule die an den Ausgangsklemmen 32 und 33 auftretende Spannung noch zu verändern.
Die dem Verbraucher 3,4 parallel geschaltete Spule ist mit 35 bezeichnet.
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Die beschriebenen Schaltungen sind insbesondere zur Erzeugung von
Steuerimpulsen geeignet. Soll die Sekundärspannung nur aus Wellen: einer Polarität
bestehen, dann ist es möglich, den eigentlichen Verbraucher über ein elektrisches
Gleichrichterelement anzuschließen, wenn dafür Sorge getragen wird, daß der resultierende
Widerstand an den Sekundärklemmen etwa einem Ohmschen Widerstand entspricht. Die
einzelnen Schaltelemente, wie die Widerstände, die beiden Eisenspulen oder auch
der Verbraucher, können in die Schaltung mittelbar über möglichst verzerrungsfreie
Transformatoren eingefügt werden. Auch kann die Reihenfolge der einzelnen Schaltelemente
anders sein als in den Fig. 2 und 3. Solche Schaltungen ermöglichen die Erzielung
rechteckiger Impulse, sofern sie nach den Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung
aufgebaut sind.