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Anordnung zur Übertragung des Stromes von Spannungsquellen von verschiedener
EM;K und gleichem Innenwiderstand auf einen oder mehrere gemeinsame Verbraucher
Es ist eine Anordnung zur Übertragung des Stromes mehrerer Spannungsquellen auf
einen oder mehrere Verbraucher vorgeschlagen worden, in der zwecks Vermeidung einer
gegenseitigen Beeinflussung der Spannungsquellen und Verbraucher parallel zu jeder
Spannungsquelle und, falls notwendig, auch parallel zu jedem Verbraucher ein Spannungsteiler
eingeschaltet ist. Der Widerstand dieser Spannungsteiler entspricht dem Dreifachen
des Innenwiderstandes einer Spannungsquelle bzw. eines Verbrauchers. Er ist in drei
Abschnitte von jeweils gleicher Größe unterteilt. Jeweils zwei dieser Abschnitte
sind mit einem Verbraucher bzw. einem entsprechenden Spannungsteilerabschnitt eines
Verbrauchers oder mit einer Spannungsquelle bzw. einem entsprechenden Spannungsteilerabschnitt
einer Spannungsquelle verbunden. Dabei haben die an einen Spannungsteiler angeschlossenen
Teile den mittleren Spannungsteilerabschnitt gemeinsam.
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Bei der vorgeschlagenen Anordnung tritt jedoch der folgende Nachteil
auf: Ist nämlich beispielsweise eine Stromquelle mehr als zwei Verbrauchern zugeordnet
oder ein Verbraucher mehr als zwei Stromquellen, so sind für diese Stromquellen
bzw. Verbraucher mehrere Spannungsteiler in Kaskadenschaltung erforderlich. Da jeder
in der Kaskade aufeinanderfolgende Spannungsteiler in der geschilderten Anordnung
den
Verlustfaktor 2 mit sich bringt, wird der Gesamtverlust bei Verwendung von Spannungsteilern
in Kaskadenschaltung verhältnismäßig groß.
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Der Anordnung nach der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die
geschilderte Anordnung derart abzuändern, daß dieser Nachteil nicht mehr auftritt.
Es soll also unter Vermeidung einer gegenseitigen Beeinflussung. der Spannungsquellen
und der Verbraucher der Gesamtverlust möglichst klein gehalten werden bei beliebiger
Anzahl der Spannungsquellen und Verbraucher.
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Das Kennzeichen der Anordnung nach der Erfindung unter Verwendung
von Spannungsteilern gemäß der oben geschilderten vorgeschlagenen Anordnung besteht
darin, daß jede Spannungsquelle und jeder Verbraucher nur je einen Spannungsteiler
erhält, dessen einer Abgriff zur Reihen- und dessen anderer Abgriff zur Parallelschaltung
verwendet wird, wobei, wenn nötig, jede Spannungsquelle durch einen Verteilertransformator
mit entsprechender Anzahl Wicklungen, Übersetzungsverhältnissen und Abgleichwiderständen
zunächst in eine Anzahl sekundärer Spannungsquellen aufgeteilt wird.
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Der Anordnung nach der Erfindung kommt vorwiegend auf dem Gebiete
der Schwachstromtechnik besondere Bedeutung zu, da man auf diesem Gebiet im Gegensatz
zur Starkstromtechnik den Verlustfaktor 2 leicht in Kauf nehmen bzw. durch Verstärkungsmaßnahmen
kompensieren kann.
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Daß durch die Anordnung nach der Erfindung die dem vorgeschlagenen
Verfahren anhaftenden Nachteile vermieden werden, sei an Hand der Abb. i bis 3 nachgewiesen.
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Die Abb. i zeigt ya Spannungsquellen, beispielsweise elektroakustische
Empfänger Cl bis C,t mit gleichem Innenwiderstand Ri. Diese Empfänger sind in Parallelschaltung
über einen Transformator
T, dessen
n + i-Wicklungen beispielsweise
alle die gleiche Windungszahl haben, mit einem Verbraucher verbunden, der den Widerstand
Ra aufweist. Für irgendeinen der Empfängerstromkreise gilt die Spannungsgleichung
in der 1i" den Strom im Verbraucherkreis bedeutet. Durch Summierung über alle n
Spannungsquellen folgt hieraus
aus der sich für den Verbraucherstrom die
| Gleichung |
| iv = R2 + n R, (3) |
ergibt. Aus der Gleichung (i) läßt sich die Größe des in einem beliebigen Empfänger
fließenden Stromes bestimmen und man erhält
Für die Parallelschaltung mehrerer Spannungsquellen gleichen Innenwiderstandes gilt
bekanntlich die allgemeine Anpassungsgleichung
Aus den Gleichungen (3) und (5) ergibt sich somit
Setzt man in die Gleichung (4) die für den Außenwiderstand und den Verbraucherstrom
gefundenen Werte nach den Gleichungen (5) und (6) ein, so erhält man
Der Widerstand, durch den eine einzelne Spannungsquelle g" abgeschlossen erscheint,
ist
Setzt man hierin den durch Gleichung (7) ermittelten Wert für i" ein, so erhält
man
Der bei Ri stehende Faktor sei mit vu bezeichnet. Die Gleichung (g) geht dann über
in Rd u _-_ Ri
. vu
. (i0) Diese Gleichung (io) bedeutet, daß eine
Einzelanpassung nur dann vorhanden ist, wenn TJu
= i bzw.
ist. Nach Gleichung (7) ist dann zugleich auch keine gegenseitige Beeinflussung
der Spannungsquellen vorhanden.
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Dieselbe Überlegung wird für eine Serienschaltung von n Spannungsquellen
Cl bis C" mit ebenfalls gleichem Innenwiderstand durchgeführt. Die einzelnen Spannungsquellen
seien über Transformatoren T1, T2 usw. bis Tn, deren Übersetzungsverhältnisse alle
beispielsweise gleich sind und deren Sekundärspulen in Serie geschaltet sind, mit
dem Verbraucher vom Innenwiderstand R¢ verbunden (Abb. a). Für diese Schaltung ergibt
sich unter Berücksichtigung
der allgemeinen Anpassungsgleichung
Ra = ia - Ri bei Reihenschaltung mehrerer Spannungsquellen gleicher
Innenwiderstände die Gleichung
Für den Fall der Reihenschaltung ist die Einzelanpassung also ebenfalls nur dann
vorhanden, wenn v@=i bzw.
ist. Desgleichen ist dann auch keine gegenseitige Beeinflussung vorhanden. Es zeigt
sich, daß der in Gleichung (ii) bei der Größe Ri stehende Faktor gleich dem reziproken
Wert des in der Gleichung (g) bzw. (io) bei Ri stehenden Faktors ist. Die Anpassungsverhältnisse
bei Parallel- und Reihenschaltung sind demnach reziprok. Es kann also vermutet werden,
daß eine geeignete Kombination beider Schaltungen zu richtiger Einzelanpassung und
Vermeidung der gegenseitigen Beeinflussung führt.
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Daß diese Vermutung richtig ist, sei an Hand der Abb.3 bewiesen. Die
Abb.3 zeigt eine Spannungsquelle e" mit dem Innenwiderstand Ri. Parallel zu dieser
Spannungsquelle ist ein Spannungsteiler eingeschaltet, dessen Widerstand dem Dreifachen
des Innenwiderstandes der Spannungsquelle entspricht. An den linken, den Widerstand
2 Ri aufweisenden Abschnitt des Spannungsteilers sei ein Verbraucher angeschlossen,
der den Widerstand Ri -
aufweist, während an den rechten, ebenfalls den Widerstand 2 Ri aufweisenden Abschnitt
des Spannungsteilers ein Verbraucher vom Widerstand Ri # vu angeschlossen ist. Der
eine Verbraucher entspricht der Bedingung nach Gleichung (ii) und der andere der
Bedingung nach Gleichung (io). Durch die Spannungsquelle fließt der Strom i",, während
die Ströme in den Verbrauchern
bzw. i" sind. Es gilt dann die Spannungsgleichung
aus der sich der Strom i,, bestimmen läßt. Er ist gegeben durch die Gleichung
Die Spannungsgleichung läßt sich jedoch auch derart aufstellen, daß man einen der
beiden Verbraucher mit in die Gleichung einbezieht. Dann ergibt sich, wie leicht
einzusehen ist,
bzw.
Aus dieser Gleichung folgt
und analog
Setzt man die für ip, und
gefundenen Werte nach Gleichung (i7) bzw. (i8) in die Gleichung (i4) ein, so ergibt
sich
Setzt man endlich den für i" nach Gleichung (ig) gefundenen Wert in die Gleichung
(8) ein, so ergibt sich die Gleichung Rag = Ri. (20)
Damit ist nachgewiesen,
daß die nach Abb. 3 vorgenommene Schaltung die richtige Einzelanpassung und die
Vermeidung der gegenseitigen Beeinflussung ermöglicht, wenn bei der Zusammenschaltung
von n Spannungsquellen an einem Verbraucher jede Spannungsquelle und der Verbraucher
mit einem Spannungsteiler nach Abb.3 versehen und von jedem Spannungsteiler der
eine Abgriff zur Reihen-und der andere zur Parallelschaltung verwendet wird.
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In der Abb. 4 ist eine Anordnung nach der Erfindung beispielsweise
dargestellt. Diese Abbildung zeigt n Spannungsquellen, die verschiedene EMK, aber
gleiche Innenwiderstände Ri aufweisen. Zu jeder dieser Spannungsquellen ist ein
Spannungsteiler parallel geschaltet. Jeder dieser Spannungsteiler besitzt einen
Widerstand, der dem dreifachen Innenwiderstand einer Spannungsquelle entspricht.
Jeder Spannungsteiler ist in drei gleiche Abschnitte aufgeteilt. Jeder der auf der
einen Seite sämtlicher Spannungsteiler liegenden Abschnitte von der Größe
2 Ri ist mit einem Transformator Ti, T2 usw. bis T" verbunden, deren Sekundärseiten
in Serie geschaltet sind. Diese Transformatoren T1 bis
Tn sind an
einen Abschnitt von der Größe 2 Rd eines Spannungsteilers angeschlossen, der parallel
zu einem Verbraucher mit der EMK (2 und dem Innenwiderstand R2 liegt. Dieser Spannungsteiler
weist einen Widerstand auf, der dem Dreifachen des Innenwiderstandes des Verbrauchers
C entspricht. Die auf der anderen Seite der zu den Spannungsquellen Cl bis en parallel
geschalteten Spannungsteilern liegenden Abschnitte von der Größe 2 Ri sind mit je
einem Transformator T1', T2' bis T,1 verbunden. Die Sekundärseiten dieser Transformatoren
sind parallel geschaltet und mit dem zweiten Abschnitt des zum Verbraucher C parallel
geschalteten Spannungsteilers verbunden. Die beiden Abschnitte dieses Spannungsteilers
haben einen Abschnitt von der Größe des Innenwiderstandes des Verbrauchers gemeinsam.
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Die in Serie geschalteten Transformatoren T1 bis T" weisen das Übersetzungsverhältnis
auf, während die Transformatoren T1' bis Tn das Übersetzungsverhältnis
besitzen. Die in der Abb. 4 beispielsweise dargestellte Anordnung nach der Erfindung
kann in verschiedener Weise abgeändert werden. So lassen sich beispielsweise die
Transformatoren T1' bis T,z durch einen Sammeltransformator mit demselben Übersetzungsverhältnis
ersetzen. Ebenso ist es möglich, die Spannungsteilerabschnitte einer der beiden
Gruppen galvanisch in Serie bzw. parallel zu schalten und über einen einzigen entsprechend
bemessenen Transformator mit dem zugehörigen Spannungsteilerabschnitt des Verbrauchers
zu verbinden. Bei der Verwendung eines Verbrauchers, dessen Widerstand der Summe
der Innenwiderstände der Spannungsquellen entspricht, kann die Ankoppelung der in
Serie zu schaltenden Spannungsteilerabschnitte an den zugehörigen Abschnitt des
Spannungsteilers des Verbrauchers galvanisch erfolgen. In diesem Falle erfolgt die
Ankoppelung der anderen Gruppe von Spannungsteilerabschnitten über Transformatoren
mit dem Übersetzungsverhältnis
Ist der Innenwiderstand des Verbrauchers gleich dem raten Teil des Innenwiderstandes
einer Spannungsquelle, so kann die Ankoppelung der parallel zu schaltenden Spannungsteilerabschnitte
an den zugehörigen Abschnitt des Spannungsteilers des Verbrauchers galvanisch erfolgen.
Die Ankoppelung der anderen Gruppe von Spannungsteilerabschnitten erfolgt über einen
Transformator mit dem Übersetzungsverhältnis
In den Abb. 5 bis 8 sind verschiedene Abänderungen der Anordnung nach Abb.4 beispielsweise
dargestellt.
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Die Abb. 5 zeigt wieder n Spannungsquellen Cl bis en mit dem Innenwiderstand
Ri. Jeder dieser Spannungsquellen ist ein Spannungsteiler von der Größe 3 Ri vorgeschaltet.
Die eine Gruppe der Spannungsteilerabschnitte ist in Serie geschaltet und über einen
Transformator T, der das Übersetzungsverhältnis
aufweist, mit dem zugehörigen Abschnitt des Spannungsteilers des Verbrauchers C
verbunden. Die Ankoppelung der anderen Gruppe von Spannungsteilerabschnitten an
den zugehörigen Abschnitt des zum Verbraucher parallel geschalteten Spannungsteilers
erfolgt über einen Sammeltransformator mit dem Übersetzungsverhältnis
Bei der Anordnung nach Abb. 6 erfolgt die Ankoppelung der in Serie zu schaltenden
Spannungsteilerabschnitte über sekundärseitig in Serie geschaltete Transformatoren
T1, T2 USW.
bis T" mit dem Übersetzungsverhältnis
Die Abschnitte der anderen Gruppe sind parallel geschaltet und über einen Transformator
T mit dem Übersetzungsverhältnis
angekoppelt. Die Abb. 7 zeigt eine Anordnung nach der Erfindung unter Verwendung
eines Verbrauchers C mit dem Innenwiderstand st - Ri. Der zu diesem Verbraucher
parallel geschaltete Spannungsteiler weist nunmehr den Widerstand 3 n - Ri
auf. Die der einen Gruppe angehörenden Abschnitte der Spannungsteiler der Spannungsquellen
sind in Serie geschaltet und galvanisch mit dem zugehörigen Abschnitt des Spannungsteilers
des Verbrauchers verbunden. Die Ankoppelung der parallel zu schaltenden Spannungsteilerabschnitte
erfolgt über einen Sammeltransformator T,
Die Abb. 8 zeigt schließlich
die galvanische Ankoppelung der parallel geschalteten SpannungsteHerabschnitte und
die induktive Ankoppelung der in Serie zu schaltenden Abschnitte über sekundärseitig
in Serie geschaltete Transformatoren T1 bis Tn. Der Verbraucher weist in diesem
Falle den Innenwiderstand
auf. Der zum Verbraucher parallel geschaltete Spannungsteiler besitzt den Widerstand
Das Übersetzungsverhältnis der Transformatoren T, bis Tn ist
Bei den bisher geschilderten Anordnungen nach der Erfindung war angenommen, daß
der Verbraucher selbst wieder als Spannungsquelle dienen kann. Die Übertragung bei
diesen Anordnungen kann also in beiden Richtungen erfolgen. Setzt man nun voraus,
daß eine Übertragungsrichtung bevorzugt werden soll, daß beispielsweise der Verbraucher
keine eigene EMK aufweist, so lassen sich die Anordnungen nach der Erfindung in
verschiedener Weise vereinfachen. Solche vereinfachten Anordnungen nach der Erfindung
sind in den Abb. g bis 12 beispielsweise dargestellt. Dabei ist angenommen, daß
die Übertragung nur von den n Spannungsquellen zum Verbraucher erfolgt. In diesem
Falle führen die gemeinsamen Abschnitte der beiden Abschnitte einer jeden Spannungsquelle
und die beiden Außenabschnitte des Spannungsteilers des Verbrauchers keinenStrom,
so daß sie durch den Widerstand Null oder Unendlich ersetzt werden können.
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Die Abb. g zeigt n Spannungsquellen (i1 bis en mit dem Innenwiderstand
Ri. Parallel zu jeder Spannungsquelle ist ein Spannungsteiler von der Größe 2 Ri
geschaltet, der in zwei gleiche Abschnitte unterteilt ist. Die linken Abschnitte
sind in Serie geschaltet und galvanisch mit dem Verbraucher verbunden, dessen Widerstand
gleich
ist. Die Ankoppelung der rechts liegenden Spannungsteilerabschnitte erfolgt induktiv
über einen Sammeltransförmator T. In der Anordnung nach Abb. g sind also die mittleren
Abschnitte der in den Abb. ¢ bis 8 dargestellten Spannungsteiler der Spannungsquellen
durch den Widerstand Null ersetzt. Ebenso sind die Außenabschnitte des Spannungsteilers
des Verbrauchers durch den Widerstand 'Null ersetzt. Die Abb. io zeigt eine Anordnung
nach der Erfindung, in der die nicht stromführendenSpannungsteilerabschnittedurch
den Widerstand Unendlich ersetzt sind. Die Ankoppelung der in Serie geschalteten
Spannungsteilerabschnitte erfolgt galvanisch und die Ankoppelung der parallel zu
schaltenden Spannungsteilerabschnitte induktiv über einen Sammeltransformator. Die
Bezeichnungen in dieser Abbildung sind ' dieselben, wie in den früheren Abbildungen.
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Die Abb. ii und ia zeigen Anordnungen nach der Erfindung unter Verwendung
von Verbrauchern mit dem Innenwiderstand 2 n - Ri. In der Anordnung nach Abb. ii
sind die nicht stromführendenSpannungsteilerabschnittedurch den Widerstand Null,
in der Anordnung nach Abb. 12 durch denWiderstandUnendlich ersetzt. Die Ankoppelung
erfolgt wieder teils galvanisch, teils induktiv. Die Bezeichnungen entsprechen ebenfalls
wieder den Bezeichnungen in den vorangehenden Abbildungen.
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Die Abb. i3 a und 13b zeigen ein spezielles Anwendungsbeispiel einer
Anordnung nach der Erfindung. Die Abb. 13a zeigt schematisch drei Empfänger i bis
3. Diese Empfänger gehören einer UnterwasserpeiIanlage an, und zwar gehört der Empfänger
i zur Steuerbordgruppe, der Empfänger 3 zur Backbordgruppe und der Empfänger 2 zu
beiden Gruppen. Die Übertragerschaltung nach der Erfindung zeigt die Abb. 13b.
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Die dreiEmpfänger i bis 3 besitzen die elektromotorischen Kräfte e1,
e2 bzw. (23 und die Innenwiderstände Ri. Jeder dieser Empfänger ist an einen eigenen
Transformator q. bzw. 5 bzw. 6 angeschlossen. Diese Transformatoren weisen je zwei
Sekundärwicklungen auf. Das Übersetzungsverhältnis der Transformatoren beträgt
d. h. es ist so groß, daß jeder Empfänger richtig abgeschlossen ist. Die an die
Verbraucher anzuschließenden Sekundärspulen sind durch einen Spannungsteiler von
der Größe 2 Ri überbrückt. Jeder dieser Spannungsteiler ist in zwei gleiche Abschnitte
unterteilt. Die nicht mit den Verbrauchern zu verbindenden Sekundärspulen sind durch
je einen Widerstand von der Größe R; überbrückt. In den Spannungsteilern sind die
nicht stromführenden Abschnitte durch die Widerstände Null ersetzt. Die linken Abschnitte
der den Empfängern i und 2 zugeordneten Spannungsteiler sind in Serie geschaltet
und galvanisch mit dem Verbraucher 7 verbunden, der einen Widerstand von der Größe
¢ Ri aufweist. Die rechts liegenden Spannungsteilerabschnitte der Empfänger i und
2 sind parallel geschaltet und über einen Sammeltransformator 8 an den Verbraucher
7 angeschlossen. Das Übersetzungsverhältnis des Sammeltransformators 8 beträgt
In entsprechender Weise sind die Spannungsteilerabschnitte der Empfänger 2 und 3
an den Verbraucher g angeschlossen, der ebenfalls den Innenwiderstand q. Ri aufweist.
Die Ankoppelung der in Serie geschalteten Spannungsteilerabschnitte erfolgt wieder
galvanisch, die Ankoppelung der parallel geschalteten Spannungsteilerabschnitte
induktiv über einen Sammeltransformator
io. Da der Empfänger 2
sowohl der Backbordgruppe als auch der Steuerbordgruppe zugeordnet ist, sind beide
Sekundärspulen des Transformators 5 durch Spannungsteiler überbrückt. In Serie mit
den Sekundärspulen der Transformatoren q. bis 6 sind noch Abgleichwiderstände ii
eingeschaltet, die dafür sorgen, daß jede Sekundärspule den Innenwiderstand Ri erhält.
Das Übersetzungsverhältnis der Transformatoren q. bis 6 ist dementsprechend in bekannter
Weise zu erhöhen.
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Soll einer oder mehrere der Empfänger an mehr als zwei Verbraucher
angeschlossen werden, so müssen die an die Empfänger angeschlossenen Transformatoren
eine der Zahl der Verbraucher entsprechende Anzahl von Sekundärwicklungen aufweisen.
Hierbei sich ergebende freie Sekundärspulen der Transformatoren sind dann durch
Widerstände abzuschließen, die den Abschlußwiderständen der übrigen Sekundärspulen
entsprechen. Sind mehr als drei Empfänger vorhanden, so ist die Zahl der Verteilertransformatoren
zu erhöhen und ebenso die Anzahl der Primär«icklungen der Sammeltransformatoren.
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Der Spannungsteiler kann selbstverständlich auch durch jede andere
Schaltung ersetzt werden, die ein unabhängiges gleichzeitiges Reihen-und Parallelschalten
gestattet, z. B. durch einen Transformator mit Mittelabgriff, der in der gemeinsamen
Leitung einen Widerstand von der Größe des Innenwiderstandes der Spannungsquelle
enthält.
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Die Gesamtschaltung gemäß der Erfindung ist endlich noch besonders
geeignet, die Verzögerungsketten von Mehrkettenkompensatoren richtig anzupassen
und ohne gegenseitige Beeinflussung auf den Empfangsverstärker zu schalten und dadurch
dem Mehrkettenkompensator einen bedeutenden Vorteil gegenüber dem Einkettenkompensator
zu geben.