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Röhrenkompensationsverstärker für kleine Gleichspannungen Für die
Messung und Regelung von Meßgrößen, die entweder unmittelbar oder durch eine Umformung
in Gestalt einer Gleichspannung oder eines Gleichstromes erhalten werden, sind seit
langer Zeit mechanische oder elektrische Verstärker bekanntgeworden, die deswegen
angewendet werden, weil die Meßgröße meist mit sehr schwacher Energie vorliegt oder
gewonnen werden kann. Eine unmittelbare Registrierung mit Tintenstift oder der Anschluß
von Regelrelais oder sonstigen Regelapparaten ist nicht möglich, sondern kann nur
unter Zuhilfenahme eines Verstärkers erreicht werden. Für diese Verstärker verwendet
man häufig das Prinzip der selbsttätigen Kompensation, bei dem die ursprünglich
vorliegende Meßgröße in einer Brücken-oder sonstigen Vergleichsschaltung mit einer
durch den Verstärker gelieferten Spannung verglichen wird, wobei die letztere als
Ergebnis dieses Vergleichs selbsttätig so beeinfluß wird, daß die der Messung zugrunde
liegende Gleichgewichtsbedingung erfüllt ist.
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Obwohl es für Laboratoriumsmessungen bekannt ist, für den Vergleich
Röhrenanordnungen zu verwenden, werden für Betriebsmessungen im allgemeinen doch
mechanische Vergleichsorgane, z. B. Drehspulinstrumente, verwendet, durch die eine
Einregelung des vom Verstärker an den angeschlossenen Verbrauchsapparat gelieferten
Gleichstromes mit verschiedenen Hilfsmitteln, z. B. iiber photoelektrische Steuerorgane
oder auch mit Hilfe von Kontakten, erfolgt.
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Die an und für sich wünschenswerte Vermeidung der mechanischen Vergleichsorgane,
die wegen- ihrer mechanischen Empfindlichkeit und Trägheit in vielen Fällen störend
sind, und ihr Ersatz durch Röhrenanordnungen stößt bei Betriebsmessungen auf die
Schwierigkeit,
daß sich solche Röhrenkompensationsverstärker nicht mit der wünschenswerten Konstanz
aufbauen lassen. Die zum Aussteuern von Röhren als Vergleichsorgane notwendigen
Gitterspannungen sind meist in der Größenordnung der zu messenden und verstärkenden
Ausgangsspannung. Eine Xnderung der äußeren Daten, z. B. der Gittervorspannung,
der Anodenspannungen oder auch der Röhrcncharakteristikcn. beeinilubt das Meßergebnis
in unzulässigem ATa¢e.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, diese Schwierigkeiten dadurch
zu vermeiden, daß die auf den Verstärker wirkende Differenzspannung durch einen
Umformer in eine proportionale Wechselspannung umgewandelt wird.
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Niit der Umformung der Gleichspannung in eine Wechselspannung sind
zwar die obengenannten Schwierigkeiten prinzipiell vermieden, da sich die so erhaltene
kleine Wechselspannung durch Transformation leicht vergrößern läßt, aber sie sind
in Wirklichkeit nur auf ein anderes Gebiet verlegt. Die Umwandlung kleiner Gleichspannungen
in Wecllselspannungen ist nämlich nur durch mechanisch wirkende Einrichtungen denkbar,
die eine dauernde Überwachung erfordern und daher eine rein elektrische Lösung des
Aufbaus eines solchen Kompensationsverstärkers verhindern. Als weitere Schwierigkeit
kommt hinzu, daß bei der Umwandlung der Gleichspannungen in Wechselspannungen die
Polarität der Ditierenzspamlullg verlorengeht und daher auch besondere Maßnahmen
ergriffen werden müssen, um die Polarität in dem Wechselstromverstärlier zum Einfluß
zu bringen.
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Es ist auch für Verstärkerschaltungen in Fernsprechanlagen und in
anderen tZbertragungssystemen bekannt, eine selbsttätige Pegel regelung durchzuführen,
indem der Pegel auf der Empfangsseite, d. h. die Leistung, die an den Verbrauchsapparat
abgegeben wird, unabhängig von der auf der Übertragungsstrecke auftretenden Dämpfung
selbsttätig konstant gehalten wird. Hierfür werden Einrichtungen vorgesehen, die
den Empfangspegel zu Beginn einer Ubertragung oder auch laufend messen und den Verstärkungsgrad
des Verstärkers so einregeln, daß der vorgeschriebene Pegel vorhanden ist.
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Auch für einen Kompensationsverstärker für Gleichstrom, bei dem das
Vergleichsorgan zu der obenerwähnten Gattung der mechanischen Vergleichsglieder
gehört, ist eine selbsttätige Uberwachung der in der Schaltung verwendeten Röhre
vorgesdlagen worden.
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Die vorliegende Erfindung gibt einen einfachen Weg an, wie Röhrenkompensationsverstärker,
bei denen die zu verstärkende Meßspannung mit einer dem Ausgangskreis entnommenen
Spannung oder einer Teilspannung hiervon unter Vermeidung mechanischer Vergleichsglieder
durch die Röhrenschaltung selbst verglichen wird, auch für Betriebsmessungen brauchbar
gemacht werden können.
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Erfindungsgemäß wird der Nullpunkt und erforderlichenfalls auch der
Verstärkungsgrad des Röhrenkompensationsverstärkers durch vorübergehende, in bestimmten
Zeitabständen wiederholte selbsttätige Umschaltung auf Eichspannungen fortlaufend
überwacht und nachgestellt. Dies wird z. B. dadurch erreicht, daß durch eine Umschaltvorrichtung
der Kompensationsverstärker in bestimmten Zeitabständen kurzzeitig von der zu messenden
und zu verstärkenden Spannung abgeschaltet und auf eine Eichspannung, z. B. die
Spannung Null, geschaltet wird, wobei gleichzeitig der Verbrauchsapparat ab- und
statt dessen eine Verstellvorrichtung eingeschaltet wird, die die Richtigstellung
in dem gewünschten Sinn vornimmt. Wie später gezeigt wird, ist der Nullpunkt eines
solchen Kompensationsverstärkers sehr empfindlich, so daß die laufende Nachstellung
für ihn erforderlich ist. Nach dem Grundgedanken der Erfindung macht es aber auch
keine Schwierigkeiten, neben dem Nullpunkt des Verstärkers auch seinen Verstärkungsgrad
laufend zu überwachen und nachzustellen.
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In der Abbildung ist ein Beispiel für einen Kompensationsverstärker
nach dem Erfindungsvorschlag gegeben. Es bedeuten: I, 2, 3, 4 Verstärkerröhren,
die nach Art einer Gegentaktschaltung zu einem zweistufigen Verstärker zusammengeschaltet
sind; 5, 6, 7, 8 sind die Sekundärwicklungen eines Transformators 9, die die Anodenspannungen
für die Röhren liefern; 10 ist die Primärwicklung dieses Transformators, die an
einer Netzspannung von z. B. 50 Perioden liegt.
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Diese Spannung wird zweckmäßigerweise für sehr empfindliche Kompensationsverstärker
durch geeignete Mittel konstant gehalten, wodurch die Schwankungen der üblichen
Versorgungsnetze unschädlich gemacht werden.
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II, I4, I5, I6 sind die Stromquellen für die Gittervorspannungen der
vier Röhren. Die Gittervorspannung für die Röhre 1 kann durch einen Spannungsteiler
I2, der durch einen Motor 13 verstellt wird, eingeregelt werden. I7 und I8 sind
Widerstände, die im Anodenkreis der Röhren I und 2 liegen und an denen die Gitterspannungen
für die Röhren 3 und 4 abgegriffen werden können.
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I9, 20, 21. sind weitere Widerstände, deren Zweck bei der Beschreibung
der Wirkungsweise erläutert wird. 22, 23 sind die beiden Klemmen, an die der Verbrauchsapparät,
z.
B. das Registrierinstrument oder der Regelapparat, angeschlossen wird. 24, 25 sind
die beiden Klemmen, an die die zu messende und verstärkende Meßspannung angelegt
wird; 26, 27 sind zwei Wechselkontakte eines nicht näher gezeichneten Relais, das
normalerweise seine Kontakte in der gezeichneten Ruhelage hält und beim Umlegen
nach unten die erfindungsgemäße Nachstellung des Verstärkernullpunktes veranlaßt.
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28 ist ein Spannungsteiler, an dem ein bestimmter einstellbarer Teil
der Ausgangsspannung des Verstärkers für die Kompensation entnommen wird.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist die folgende: Die Röhren I und
3 sind an die Transformatorwicklungen 5 und 7 angeschlossen, so daß sie z. B. für
die positive Halbwelle der Wechselspannung durchlässig sind. Die beiden Röhren 2
und 4 sind umgekehrt so angeschlossen, daß sie während der negativen Halbwelle Strom
führen. Sind die beiden Endröhren 3 und 4 gleich ausgesteuert, so sind ihre beiden
Anodenströme entgegengesetzt gleich. An den beiden Hälften des Widerstandes 21 entstehen
also gleiche Spannungsabfälle, der Spannungsunterschied an den beiden Enden des
Widerstandes, der auch gleichzeitig als Ausgangsspannung des Verstärkers über die
Klemmen 22, 23 dem Verbrauchsapparat zugeführt wird, ist also Null.
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Die beiden Endröhren 3 und 4 werden ihrerseits mit Gitterspannungen
betrieben, die von den Anodenströmen der Röhren 1 und 2 und den von diesen in den
Widerständen 17, 18 hervorgerufenen Spannungsabfällen erzeugt werden, wenn man von
den Gittervorspannungen 15 und 16 absieht, deren Größe so gewählt werden muß, daß
die Röhren auf dem gewünschten Punkt ihrer Kennlinie arbeiten. Werden also beide
Röhren I und 2 bei sonst gleichen Daten mit derselben Gitterspannung betrieben,
so sind auch ihre Anodenströme einander gleich, und der resultierende Strom der
Endstufe ist Null. Die Gitterspannungen. für die Röhren 1 und 2 werden, wenn man
- wieder von den Gittervorspannungen II und 14 absieht, an den beiden Widerständen
19 und 20 abgegriffen.
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An diesen beiden Widerständen in Reihe liegt ein über den Spannungsteiler
28 abgegriffener Teil der Spannung, die als Differenzspannung an den beiden Hälften
des Widerstandes 21 auftritt, und mit umgekehrter Polarität die zu verstärkende
Meßspannung an den Klemmen 24 und 25.
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Dies ist der eigentliche Sinn der Kompensationsschaltung des Verstärkers.
Wird angenommen, daß die zu verstärkende Spannung Null sei, so arbeitet der Verstärker
so, daß auch der Spannungsunterschied am Widerstand 21 zU Null gemacht wird, da
nur dann die Spannung an den Widerständen 19 und 20 Null ist und die beiden Gitter
der Röhren I und 2 gleiche Spannung haben, also gleiche Anodenströme führen und
die beiden Endröhren 3 und Ungleich aussteuern. Hat die Meßspannung an den Klemmen
24 und 25 einen von Null abweichenden Wert, so wird immer jede der beiden Röhren
I und 2 im umgekehrten Sinn beeinflußt. Das Gitter der Röhre I wird also um einen
bestimmten Betrag stärker positiv, das Gitter der Röhre 2 um einen bestimmten Betrag
stärker negativ.
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Diese Spannungsdifferenz ist allerdings nur klein gegenüber der Meßspannung
und damit auch gegenüber dem Spannungsabfall am Widerstand 21. Sie genügt aber,
um den Strom in der Röhre I so weit zu vergrößern und den Strom in der Röhre 2 so
weit zu verkleinern, daß die Endröhren 3 und 4 Strom erhalten, deren Differenz die
Ausgangsspannung und die Vergleichsspannung am Widerstand 21 liefert.
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Die Größe dieser Gitterspannungsdifferenz, also die Größe der an
den Widerständen 19 und 20 auftretenden Differenzspannung kann durch die Wahl der
Widerstandsverhältnisse und Röhrenkennlinien beliebig gewählt werden, z. B. so klein,
daß sie immer I °/o der zu verstärkenden Meßspannung beträgt. Ist diese z. B. im
größten Fall 1 V, so ist die an dem Spannungsteiler 28 abgegriffene Vergleichsspannung
ebenfalls nahezu 1 V bis auf die Differenzspannung von O,OI V, die zur Aussteuerung
des Verstärkers nötig ist. Da der Prozentsatz aber über den ganzen Bereich konstant
ist, wenigstens solange die Kennlinie in dem verwendeten Bereich nicht gekrümmt
ist, so kann diese Abweichung in die Anordnung mit eingeeicht werden, indem also
z. B. die an dem Spannungsteiler 28 abgegriffene Vergleichs spannung um I °/o kleiner
gemacht wird, als er für den genauen Abgleich erforderlich wäre.
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Dieser Verstärker würde also die gestellte Aufgabe vollständig einwandfrei
lösen, wenn nicht die Möglichkeit einer Nullpunktverschiebung bestünde. Bei den
angegebenen Verhältnissen ist die größte Gitterspannungsdifferenz der Röhren I und
2 nur O,OI V.
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Wenn man bedenkt, daß alle üblichen Verstärkertypen Gitterspannungen
von der Größenordnung von einigen Volt benötigen, so erkennt man leicht, daß eine
Anderung der Gittervorspannung oder der Röhrenkennlinien, die nicht bei allen Röhren
in demselben Maße erfolgen würde, die Meßgenauigkeit in gewissem Maße beeinträchtigen
könnte.
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Hier setzt nun der erfindungsgemäße Vorschlag ein, indem der Nullpunkt
des Verstärkers
laufend selbsttätig überwacht und nötigenfalls
richtiggestellt wird. Zu diesem Zweck wird durch irgendeine Einrichtung, z. B. ein
mechanisches Zeitlaufwerk oder eine Kippschaltung an sich bekannter Art, das Relais
mit den Kontakten 26 und 27 in bestimmten Zeitabständen kurzzeitig umgelegt.
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Durch den Arbeitskontakt von 26 werden die Widerstände I9 und 20 kurzgeschlossen.
Der Potentialunterschied an ihren Enden ist infolgedessen zwangsläufig Null. Gleichzeitig
wird auch der Kontakt 27 umgelegt. Dadurch wird der Verbraucher an den Klemmen 22
und 23 abgeschaltet und statt dessen der Verstellmotor I3 für den Spannungsteiler
I2 der Gittervorspannungsbatterie 11 der Röhre I in den Stromkreis eingeschaltet.
Wenn dann nicht, wie es sein muß, der Verstärker bei der Steuerspannung Null auch
den Strom Null liefert, läuft der Motor im einen oder im anderen Sinne und stellt
so den Nullpunkt wieder richtig. Dies geschieht, indem die Gittervorspannung für
die Röhre I und damit der Anodenstrom der Röhre I und damit die Gitterspannung der
Röhre 3 im entsprechenden Sinn geändert wird. Durch diese Maßnahme wird also der
Nullpunkt des Kompensationsverstärkers, wenn er durch äußere Einflüsse, z. B. durch
Temperaturänderungen oder Alterserscheinungen der Röhren usw., nicht mehr stimmen
sollte, wieder richtiggestellt.
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Die periodische Umlegung der Kontakte muß in denjenigen Zeitabständen
erfolgen, die mit Rücksicht auf die Größe und Schnelligkeit der Änderungen wünschenswert
ist.
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Durch die bereits erwähnte Konstanthaltung der Spannung an den Klemmen
der Primärwicklung io des Transformators 9 kann die Aufgabe wesentlich erleichtert
werden, weil dann die mit den Spannungsschwankungen des Netzes verbundenen Änderungen
nicht mehr den Kompensationsverstärker beeinträchtigen. In einem solchen Fall kann
die Überwachung und Nachstellung in viel größeren Zeitabständen erfolgen.
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Mit der beschriebenen Schaltung ist ein Ubelstand verbunden, der
darin besteht, daß der Verbrauchsapparat 22, 23 während der Nachstellung abgeschaltet
wird. Dieser Übelstand kann durch eine entsprechende Bemessung der Umschaltezeiten
unschädlich gemacht werden, wenn man nämlich die Umschaltung verhältnismäßig häufig
vornimmt, jedoch immer nur so kurzzeitig, daß eine Änderung des Ausschlages am Instrument
wegen der Trägheit nicht zu bemerken ist.
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Die Wirkung dieser Stromstöße auf den Motor kann durch an sich bekannte
Speichermittel, z.B. Kondensatoren in Vebindung mit einer Röhrenschaltung vergrößert
werden. Auch kann eine etwa dadurch verursachte Fehlanzeige des Instrumentes, das
ja kurzzeitig keinen Strom führt, dadurch vermieden werden, daß das Verhältnis der
AS schaltezeit zur ganzen Zeit und die in demselben Maße verursachte Änderung des
Mittelwertes im Ausschlag des Instrumentes berücksichtigt wird.
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Für besonders empfindliche Anordnungen kann der genannte über stand
auch durch eine doppelte Anordnung des Verstärkers vollständig vermieden werden.
Es wird dann immer eine Verstärkeranordnung nachgestellt, während die andere den
Verbrauchsapparat speist.
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Wenn die Anordnung so getroffen ist, daß mit einer so kleinen Spannungsdifferenz
von z. B. 1 O/o, wie beschrieben, bereits die vollständige Aussteuerung des Verstärkers
erreicht wird, so ist eine laufende Überprüfung des Verstärkungsgrades nicht notwendig,
weil dieser durch die Bemessung von festen Widerständen gegeben ist und von äußeren
Einflüssen und den Röhrenkennlinien nicht mehr viel abhängt. Wo es aber z.B. wegen
der Kleinheit der Meßspannung erwünscht ist, mit einem größeren Verhältnis der Aussteuerspannung
zur ganzen Meßspannung zu arbeiten, so kann in ähnlicher Weise, wie für den Nullpunkt
beschrieben, auch der Verstärkungsgrad laufend selbsttätig überwacht werden. Dies
kann z. B. in der Weise erreicht werden, daß eine Umschaltung in zwei Stufen vorgenommen
wird, wobei in der ersten der Nullpunkt eingestellt wird, wie beschrieben, und in
der zweiten Stufe der Umschaltung auf eine genau konstante Hilfsmeßspannung umgeschaltet
wird, die z.B. aus einem Normalelement oder aus der Netzspannung über Gleichrichter
und Stabilisatoren gewonnen werden kann. Der Endstrom muß dann in diesem Fall auf
einen zweiten Verstellmotor und ein zweites Verstellglied einwirken, das den Verstärkungsfaktor
einzustellen gestattet. Eine solche Einstellung ist z. B. durch die Abgriffswiderstände
17 und I8 möglich, die dann mechanisch miteinander gekuppelt werden können und den
Verstärkungsfaktor für positive und negative Spannung in gleicher Weise beeinflussen.
Auf diese Weise wird der Kompensationsverstärker nicht nur in einem einzigen Arbeitspunkt,
sondern in zwei Arbeitspunkten laufend überwacht und nachgestellt, so daß also nicht
nur die Nullage, sondern auch der Verstärkungsgrad überwacht wird.
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Die beschriebene Ausführung ist nur ein Beispiel für den erfindungsgemäßen
Grundsatz der selbsttätigen, laufenden Nachstellung eines Kompensationsverstärkers,
durch die dieser erst die für seine Anwendung in der
Betriebsmeßtechnik
erforderlichen Eigenschaften bekommt. Der Aufbau eines solchen Kompensationsverstärkers
kann auch in anderer als der beschriebenen Weise erfolgen, z. B. läßt sich die Schaltung
vereinfachen, wenn die Meßspannung ihr Vorzeichen nicht wechselt. Auch die Nachstellung
kann durch andere Glieder erfolgen, als beschrieben.