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Schaltungsanordnung zur Speicherung einer Spannungs- oder einer Stromgröße
Für viele Zwecke, insbesondere in der Regel- und Steuertechnik, ist eine Speicherung
von Spannungs- oder Stromwerten für längere Zeit wünschenswert. Die bisher für diese
Zwecke benutzten Anordnungen arbeiten mit mechanischen Mitteln, die die Anlagen
träge und störanfällig machen. Außerdem ist es schwierig, den gespeicherten Spannungswert
kontinuierlich den zu speichernden Werten anzupassen. Die Erfindung hat sich die
Aufgabe gestellt, eine elektrisch wirkende Schaltungsanordnung zu schaffen, die
es ermöglicht, eine Strom- oder Spannungsgröße, die durch eine der Schaltungsanordnung
zugeführte Strom- oder Spannungsgröße (im folgenden kurz Eingangsgröße genannt)
erzeugt bzw. gesteuert wird, auch nach Fortfall der zugeführten Eingangsgröße aufrechtzuerhalten.
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Es ist bekannt, daß Spannungen dadurch gespeichert werden können,
daß sie einem Kondensatorkreis zugeführt werden. Die Zeitdauer, während welcher
der Kondensator seine Spannung von dem Ladewert bis zu einem bestimmten kleinen
Wert heruntersetzt, hängt dabei von der Größe der Ladespannung und von der Zeitkonstante
des Kreises ab. Die Zeitkonstante wird durch die Größe der kapazität und die der
angeschlossenen Widerstände bestimmt. Durch geeignete Bemessung der Elemente des
Entladestromkreises lassen sich verhältnismäßig große Zeitkonstanten erreichen.
Es läßt sich aber trotzdem nicht vermeiden, daß die Ladespannung des Kondensators
kontinuierlich, und zwar zu Anfang verhältnismäßig schnell, abnimmt. Um aber eine
Wirkung, die durch die zu speichernde Spannung ausgelöst wurde, nach Fortfall dieser
Spannung aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, daß die gespeicherte Spannungsgröße
den im Augenblick des Fortfalles der zu speichernden Größe eingenommenen Wert wenigstens
innerhalb eines gewissen Zeitraumes beibehält.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, bei der eine von
der zu speichernden Eingangsgröße (Spannung oder Strom) erzeugte oder gesteuerte
Ausgangsgröße auch nach Fortfall der Eingangsgröße mit Hilfe eines durch den Eingangsstrom
aufgeladenen Kondensators aufrechterhalten ist. Sie ist dadurch gekennzeichnet,
daß der= Speicherkondensatorkreis nach Fortfall der Eingangsgröße über ein Regelglied
entladen wird, des-,
sen Dämpfung bzw. Widerstand durch die Entladespannung
bzw. durch den Entladestrom eines .auf eine konstante Steuerspannung aufgeladenen
Steuerkondensatorkreises von gleicher Zeitkonstante wie der Speicherkondensatorkreis
derart gesteuert wird, daß die dem Regelglied entnommene Ausgangsgröße trotz der
Änderung der Entladespannung des Speicherkondensators während der Dauer des Entladevorganges
praktisch konstant bleibt. Auf diese Weise ist es mit rein elektrischen Mitteln
möglich, eine Spannungs-bzw. Stromgröße zu erzeugen, die gleich der zu speichernden
Größe ist bzw. zu dieser in einem bestimmten konstanten Verhältnis steht und sich
stetig jedem Wert der zu speichernden Größe anpaßt.
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An Hand der in den Fig. i bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele
sollen der Grundgedanke der Erfindung und weitere Einzelheiten näher erläutert werden.
In Fig. i ist der Speicherkondensator mit 2 bezeichnet. Hinter dem Speicherkondensator
2 liegt das Regelglied 5, von dessen Ausgang bei 8 die gespeicherte Größe (Ausgangsgröße)
abgenommen wird. Zwischen dem Speicherkondensator und dem Regelglied sind ein Gleichstromverstärker
3 und ein Zerhacker q. eingeschaltet. Der Steuerkondensator 6 beeinflußt über den
Gleichstromverstärker 7 das Regelglied. 7,u seiner Aufladung auf einen konstanten
Spannungswert dient die Gleichstromquelle E'o. Es ist ferner ein Relais R1 mit den
Kontakten rij und r111 vorhanden.
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Die 'zu speichernde Spannung U wird bei t angelegt. Das Relais R1
spricht an und schließt die Kontakter,' und r111. Der Speicherkondensator 2 wird
infolgedessen aufgeladen. Der Gleichstromverstärker 3 liefert einen der Spannung
U proportionalen Strom, der im Zerhacker q., der z. B. durch- einen einfachen Selbstunterbrecher
gebildet werden kann, in Wechselstrom umgewandelt wird. Dieser Wechselstrom fließt
durch das gesteuerte Dämpfungsglied 5 und kann im Ausgang von diesem bei 8 als Strom-
oder Spannungsgröße abgenommen werden. Durch das Schließen des Kontaktes r111 wird
die konstante Gleichspannung E" an den Kondensator 6 und an den Eingang des Gleichstromverstärkers
7 gelegt. Das Regelglied 5 erhält dadurch einen der Größe F, entsprechenden konstanten
Steuerstrom.
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Wird die an i angelegte, zu steuernde Eingangsspannung abgeschaltet,
so öffnen sich die Kontakte des Relais R" und die Kondensatoren 2 und 6, deren Entladestromkreise
gleiche Zeitkonstanten aufweisen, entladen sich langsam. Hierdurch verringert sich
die im Eingang des Regelgliedes 5 liegende Wechselspannung, in demselben Maße aber
auch der das Regelglied 5 steuernde Strom. Das Dämpfungsglied ist so aufgebaut,
daß bei fallendem Steuerstrom die Dämpfung abnimmt. Auf diese Weise kann die Ausgangsgröße,
die bei 8 abgenommen wird, konstant gehalten werden. Es ist also im Punkt 8 auch
noch längere Zeit nach der Abschaltung der Spannung U vom Punkt i eine Spannung
vorhanden, die ebenso groß ist wie U, unabhängig davon, welchen Wert die ursprünglich
angelegte Spannung U jeweils auftmist. Die Schaltung ist von Schwankungen in den
Gleichstromverstärkern sowie von Temperaturfehlern der Kondensatoren unabhängig,
da sich diese Einflüsse bei der verwendeten Schaltungsanordnung gegenseitig aufheben.
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In Fig.2 ist ein Ausführungsbeispiel für das Regelglied 5 dargestellt.
Es besteht aus zwei quer liegenden Trockengleichrichtern, die mit den vorgeschalteten
Längswiderständen zu einem Spannungsteiler vereinigt sind. Das Dämpfungsglied ist
in der dargestellten Weise zwischen dem Zerhacker ¢ und dem Ausgang 8 einzuschalten.
Die beiden anderen Pole des dargestellten Sechspoles werden an den Ausgang des Gleichstromverstärkers
7 angeschlossen.
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In Fig.3 ist der Entladestromkreis des Speicherkondensators 2 näher
dargestellt. Durch Schließen des Relaiskontaktes r,' wird der Kondensator auf den
Wert der Spannung U aufgeladen. lach Öffnung des Kontaktes erfolgt die Entladung
über die beiden Widerstände W, und W, die einen Spannungsteiler im Eingangskreis
des Gleichstromverstärkers 3 bilden. Wählt man für den Speicherkondensator einen
Wert von 15 Mikrofarad und werden die Widerstände IV, und 1V. zu 2 Megohm
bzw. 6o 1Iegohm bemessen, so beträgt die Zeitkonstante ungefähr i ooo Sekunden.
Ist beispielsweise der Bereich, innerhalb dessen der Wert von U sich ändern kann,
i Neper und der Regelbereich des Regelgliedes 5 gleich 3 Neper, d. h. darf sich
die Eingangswechselspannung des Regelgliedes 5 um 3 - i = 2 Neper (zeitlich) ändern,
so erhält man eine Speicherungsdauer von 2ooo Sekunden, d. h. von über i/2 Stunde.
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Der in Fig. i angegebene Zerhacker kann in Fortfall kommen, wenn als
Regelglied 5 ein Element benutzt wird, dessen Dämpfung bzw. Widerstand für Gleichstrom
durch eine Gleichspannung stetig gesteuert werden kann. Das Regelglied ließe sich
beispielsweise als Spannungsteiler aus einem festen Widerstand und dem inneren Widerstand
einer Röhre aufbauen, der durch Änderung der Gittervorspannung beeinflußt wird.
Auch könnte ein Gleichstromverstärker Verwendung finden, dessen Verstärkungsgrad
durch die von dem
Kondensator 6 gelieferte Gleichspannung gesteuert
wird.
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Eine weitere Ausführungsform, in der das gesteuerte Regelglied durch
eine einzige Röhre gebildet wird und die zu einer besonders einfachen Schaltungsanordnung
führt, ist schematisch in Fig. 7 dargestellt. Darin bedeutet 23 den Speicherkondensator
für die Eingangsgröße (Spannung U) und 24 den Steuerkondensator für die konstante
Gleichspannung Eo. Die Kondensatoren sind mit den beiden Steuergittern der Röhre
25 verbunden und entgegengesetzt gepolt. Die gespeicherte Ausgangsgröße wird dann
durch den Anodengleithstrom 1a der Röhre 25 dargestellt. Legt man die bereits erwähnten
Zahlenwerte zugrunde, so kommt man zu folgenden Beziehungen: Die Spannung am Kondensator
23 kann sich um max. 3 N ändern; die Spannung am Kondensator 2q. ändert sich (zeitlich)
um höchstens 2N. Dann ändert sich der Anodenstrom IR der Röhre 25 im Höchstfall
um i N, d. h. im Verhältnis I : 2,7. Es ' erscheint ohne weiteres möglich, Röhren
herzustellen, die in einem derartigen verhältnismäßig geringen Bereich einen weitgehend
linearen Zusammenhang zwischen den beiden Steuerspannungen und dem Anodenstrom aufweisen.
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Durch einen gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken vorgesehenen Zusatz
läßt sich die Speicherzeit der Schaltungsanordnung theoretisch unbegrenzt und praktisch
beträchtlich erhöhen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. ¢ dargestellt.
Das Ausführungsbeispiel zeigt die Schaltung nach der Erfindung in Verbindung mit
einer Anordnung zur Pegelregulierung bei einer übertragungsleitung. Die Regelung
des überträgungsmaßes ist eines der wichtigsten Anwendungsgebiete des Erfindungsgedankens.
Es ist dabei gleichgültig, ob es sich um eine Vorwärts- oder Rückwärtsregelung handelt.
Auch können beide Arten von Regelung gleichzeitig zur Anwendung gelangen.
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Der zur Regelung des in der Leitung liegenden Regelgliedes io dienende
Regelstrom bzw: Spannungsstoß wird bei 9 angelegt. Der Dämpfüngswert des Gliedes
io soll entsprechend der Amplitude dieses Spannungsstoßes eingestellt werden und
diese Einstellung so lange beibehalten, bis ein neuer Steuerstromstoß ankommt. Es
spricht zunächst das Relais R1 an, so daß der Speicherkondensator I i über den Verstärkergleichrichter
17 auf die Größe der zu speichernden Eingangsspannung aufgeladen wird. Außerdem
wird entsprechend der konstanten Spannung E" über den Gleichstromverstärker 12 die
Dämpfung des Regelgliedes 13 auf einen bestimmten Wert gebracht. Die in dem Ausgang
des an das Regelglied 13 angeschlossenen Verstärkergleichrichters 16 vorhandene
Spannung entspricht also dem an den Punkt 9 angelegten Spannungswert. Die mit 14
und 15 - bezeichneten Schaltelemente entsprechen den mit 3 und ¢ bezeichneten Schaltelementen
in Fig. i. Der Ausgangsstrom des Verstärkergleicbrichters 16 dient zur Steuerung
der Dämpfung des zur Pegelregelung dienenden Gliedes io. Die Schaltung ist so getroffen,
daß die Eingangsspannung an dem Gleichstromverstärker 1¢ zu Beginn des Speichervorganges
gleich der Ausgangsspannung des Verstärkergleichrichters 16 ist.
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Wird die bei 9 zugeführte Steuerspannung abgeschaltet, so bleibt die
Spannung hinter dem Regelglied 13 und damit die Steuerspannung an dem Glied i o
unverändert, da sich die Kontakte r,1 und rlIl öffnen und die Kondensatoren i i
und 18 langsam entladen. Die hierbei zustande kommende Wirkung entspricht der an
Hand der Fig. i erläuterten.
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Nimmt nach einiger Zeit der Steuerstrom, der dem' Glied 13 von dem
Gleichstromverstärker 12 zugeführt wird, unter einem bestimmten Wert ab, so spricht
das Relais F2.> an und schaltet mit seinem Kontakt rj die Relaisschaltung I( ein.
Diese legt daraufhin die Kontakte hl bis hlv aus der in Fig. q. gezeichneten Stellung
in die andere Arbeitsstellung um, so daß nunmehr die Kondensatoren i9 und 2o an
den Eingängen der Gleichstromverstärker 12 bzw. 14 liegen. Der Kondensator i9 ist
auf die Spannung E" aufgeladen, da er vor Betätigung der Relaisschaltung I( über
den Kontakt hl an der Spannungsquelle E" lag. Der Kondensator 2o ist auf die gespeicherte
Spannung aufgeladen, da er über den Kontakt hjIl mit dem Ausgang des Gleichrichters
16 verbunden war, dessen Ausgangsspannung die gespeicherte Spannung ist. Nunmehr
entladen sich die Kondensatoren i9 und 20 in derselben Weise wie vorher die Kondensatoren
18 und i I. Die Folge ist, daß die Ausgangsspannung des Gleichrichters 16 wiederum
konstant bleibt. Sinkt nach einiger Zeit die Spannung am Relais R., wieder unter
den festgelegten Grenzwert, so spricht dieses Relais, das nach Betätigung der Relaiskontakte
hl bis hü' wieder abgefallen war, erneut an und schaltet die Schaltanordnung I(
wieder ein. Darauf werden die entladenen Kondensatoren i9 und 2o ab- und die inzwischen
wieder aufgeladenen Kondensatoren i i und 18 wieder angeschaltet. Das Spiel wiederholt
sich von neuem und kann sich unbegrenzt fortsetzen.
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In Fig.5 ist eine Ausführung für die in Fig. q. schematisch dargestellte
Relaisschaltung I( angegeben. Durch den Kontakt r,' (Fig. q.) wird eine Spannung
an die Zitleittin-
.gen 2 i und 22 der Relaisschaltung gelegt, Das
Relais R3 gelangt zum Ansprechen und erregt über seinen Kontakt r31 das Relais R4,
das sich über seinen Kontakt r,111 selber hält. Durch den Kontakt r41 wird der Stromkreis
des Relais R3 wieder unterbrochen. Gleichzeitig wird über den Kontakt r411 das Relais
R;, an die Zuleitungen 2 i und 22 angelegt. Das Relais R4 hat bei diesem Vorgang
seine weiteren Kontakte hl bis hlv betätigt, die die Umschaltung der Kondensatoren
in der an Hand von Fig. 4 erläuterten Weise bewirkten.
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Gelangt nach erneutem Ansprechen durch das Relais R. ein weiterer
Spannungsstoß an die Zuleitungen 2 i und 22, so wird das Relais R5 erregt, das mittels
seines Kontaktes r;,' den Haltestromkreis des Relais R unterbricht, so daß die Kontakte
hl bis hlv wieder in ihre ursprüngliche Lage .zurückkehren und über die Kontakte
r41 und rill wieder das Relais R; an Stelle des Relais R;; an die Zuleitungen 2
i und 22 angeschlossen ist. Die Schaltung erzeugt also aus kurzen Strom- bzw. Spannungsstößen
abwechselnde Umschaltungen, wie dies in Fig.6 veranschaulicht ist. In dem oberen
Teil dieser Abbildung sind die an die Zuleitungen 21 und 22 angelegten Spannungsstöße
S>> in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. In der darunter gezeichneten Darstellung
ist der Zustand der Kontakte h ebenfalls in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt.
Bei a sind die Kontakte geöffnet und bei z geschlossen.
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An Stelle der in Fig. 5 dargestellten Relaiskombination kann auch
ein an sich bekanntes Schrittschaltwerk benutzt werden, um kurze Spannungs- bzw.
Stromstöße in Umschaltungen umzuwandeln. Auch könnte ein Synchronlaufwerk für diesen
Zweck zur Anwendung kommen.
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In der Schaltung nach Fig.4 ist es erforderlich, daß die Ausgangsspannung
des Gleichrichters 16 zu Beginn eines jeden Schaltvorganges möglichst genau
gleich der Eingangsspannung des Gleichstromverstärkers 14 ist. Um auch nicht besonders
konstante Verstärker 14 und 16 verwenden zu können, kann eine zusätzliche Kompensationsschaltung
in folgender Weise vorgesehen werden: Aus den erwähnten Spannungen im Ausgang des
Gleichrichters 16 und dem Eingang des Gleichstromverstärkers 14 wird die Differenz
gebildet und diese so zu der Spannung E addiert, daß infolge der auf diese Weise
verursachten Dämpfungsänderung des Regelgliedes 13 die Differenz sehr klein
gehalten wird. Die gleiche Wirkung ließe sich auch mit einem mechanischen Regler
erreichen, der die Verstärkung der Glieder 14 oder 16 entsprechend ändert. Dieser
Regler, der z. B. die Form eines Wählerrelais haben könnte, , benötigt nur wenige
Regelstellungen, da nur die verhältnismäßig kleinen Ungenauigkeiten in der Verstärkung
zwischen den Gliedern i 4 und 16 auszugleichen sind.