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Unterbrecher für kleine elektrische Ströme Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zur Unterbrechung kleiner elektrischer Ströme, insbesondere für meßtechnische
Anwendungen. Unterbrecher werden bekanntlich in der elektrischen Meßtechnik für
eine Reihe verschiedenartiger Zwecke verwendet. So werden z. B. zum Zweck der Verstärkung
Gleichströme, denen auch relativ niederfrequente Wechselstromanteile beigefügt sein
können, mit einer relativ höheren Frequenz zerhackt und anschließend wechselstrommäßig
verstärkt, damit man die bekannten Schwierigkeiten einer direkten Gleichstromverstärkung
vermeidet. Ein weiteres Anwendungsgebiet liegt z. B. bei Einrichtungen zur direkten
Anzeige von Frequenzen vor, bei denen sich ein Kondensator mittels einer Gleichspannung
aufgeladen und mittels eines Unterbrechers, der von der anzuzeigenden Frequenz gesteuert
wird, periodisch wieder entladen wird. Ein Nachteil der bisher für -diese und ähnliche
Anwendungen verwendeten Unterbrecher liegt in der Tatsache, daß infolge der mechanischen
Trägheit ihrer nach Art eines Telegraphenrelais elektromagnetisch gesteuerten Kontaktsysteme
die Unterbrechungsfrequenz eine Größenordnung von 5oo Hz nicht wesentlich überschreiten
kann.
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Außer der unmittelbaren Beschränkung des erfaßbaren Frequenzbereiches
ruft dieser Umstand bei der Verwendung für Verstärkung von Gleichströmen auch insofern
Nachteile hervor, als im Bereich tiefer Frequenzen die Störungen durch Netzbrummen,
Funkeneffekt u:-dgl. relativ groß sind, wodurch die erreichbare Maximalempfindlichkeit
stark herabgesetzt wird.
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Auch die Erzielung einer sauberen, präzise einsetzenden Kontaktgabe
ist bei den bisher üblichen Unterbrechern schwer erreichbar, einerseits infolge
der
bekannten Prallerscheinungen, die mit der Größe der bewegten Massen zusammenhängen,
andererseits infolge des Auftretens von Kontaktverschmutzungen. Die durch diese
Ursachen hervorgerufenen Schwankungen der Kontaktdauer bewirken z. B. bei der Verwendung
von scharf abgestimmten Verstärkern, die an sich wegen der Erzielung einer hohen
Empfindlichkeit erwünscht ist, die Vortäuschung von Schwankungen der Amplitude der
zu verstärkenden Gleichspannung. Zur Verhinderung der Kontaktverschmutzung hat man
bereits vorgeschlagen, die Kontakte in einen evakuierten oder mit einem trägen Gas
gefüllten Gefäß zu betreiben, wobei jedoch die räumlichen Abmessungen der üblichen
Unterbrecher Schwierigkeiten verursachen.
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Auch eine vollständige Abschirmung des Verstärkereingangs gegen Störungen
aus dem Unterbrecherstromkreis ist bei den bisherigen Unterbrechern schlecht durchführbar,
und zwar nicht nur wegen der unbequem großen räumlichen Abmessungen, sondern auch
wegen der starken magnetischen Streufelder der Kontaktmagnete.
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Die erwähnten Nachteile wurden erfindungsgemäß dadurch vermieden,
daß die Unterbrecherkontakte durch einen elektrisch erregten Piezokristall, vorzugsweise
einen Biegungsschwinger mechanisch gesteuert sind. Die besonderen Vorteile der Verwendung
eines Biegungsschwingers liegen in den großen Schwingungsamplituden des Kristalls,
sowie in seiner großen elastischen Nachgiebigkeit, die im Hinblick auf saubere Kontaktgabe
erwünscht ist.
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Wegen der kleinenMassen undBewegungsamplituden kann man derartige
Unterbrecher mit h requenzen bis in die Größenordnung von ioo kHz betreiben, wobei
sich Prallerscheinungen noch gut vermeiden lassen. Die kleinen räumlichen Abmessungen
bieten ferner die Möglichkeit, den Piezokristallunterbrecher in einem kleinen geschlossenen
Hüllkörper unterzubringen, woraus sich günstige .Xlöglichkeiten für die Evakuierung
und die gegenseitige Abschirmung des unterbrechenden und des unterbrochenen Stromkreises
ergeben.
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Weitere Ausbildungen der Erfindung betreffen Einzelheiten der konstruktivenAnordnung.
Zwecks Vergrößerung des Kontakthubes wird vorgeschlagen, das Kontaktstück über eine
verlängernde Zunge an dem Piezokristall anzubringen. Der größere räumliche Abstand
der Kontaktstelle vom Kristall bringt zugleich eine weitere Erleichterung hinsichtlich
der Abschirmung der beiden Stromkreise untereinander.
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Zwecks Unterdrückung mechanischer Koppelschwingungen zwischen den
die Kontaktstücke tragenden Konstruktionsteilen wird vorgeschlagen, die Kontaktstücke
federnd zu lagern. Das Gegenkontäktstück kann gemäß einem weiteren Erfindungsvorschlag
so ausgeführt werden, daß es mit einer schweren Masse versehen ist und in Ruhestellung
dem am Kristall angebrachten Kontaktstück aufliegt. Man erreicht durch diese konstruktive
Maßnahme, daß sich der Kontaktabstand automatisch auf einen mittleren Wert einstellt,
der von der Größe der 1lasse abhängt.
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Eine derartige Konstruktion hat den Vorteil besonderer Einfachheit,
besitzt jedoch für manche Zwecke den Nachteil einer Lageabhängigkeit der Arbeitsweise.
Zur Erzielung einer größeren Unabhängigkeit von der Lage kann man gemäß eines weiteren
Anspruchs des Erfinders so vorgehen, daß das an einem Arm beweglich gelagerte Gegenkontaktstück
durch einen Magnet gegen das Kontaktstück gezogen wird.
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Eine von der Lage völlig unabhängige Arbeitsweise kann man erreichen,
wenn man das Gegenkonta:ktstück an einem leichten Bügel anbringt, der finit Federkraft
gegen das Kontaktstück gezogen und in seiner Beweglichkeit durch eine kräftige Bremsung
gedämpft ist.
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Durch die an sich bekannte Benutzung von Doppelkontakten kann man
eine Zerhackung mit der doppelten Unterbrecherfrequenz erreichen.
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Einige weitere Erfindungsmerkmale betreffen Schaltungsanordnungen,
in denen Unterbrecher der beschriebenen Art mit besonderem Vorteil verwendet werden.
Bei der Verwendung des Unterbrechers zur Zerhackung kleiner Gleichströme- zum Zweck
einer nachfolgenden wechselstrommäßigen Verstärkung wird der nachgeschaltete Verstärker
zwecks Erreichung einer hohen Empfindlichkeit auf die Unterbrecherfrequenz selbst
oder auf ein Vielfaches der Unterbrecherfrequenz abgestimmt. Um eine eindeutige
Vorzeichenanzeige des zu verstärkenden Gleichstromes zu erhalten, wird vorgeschlagen,
die Gleichrichtung der Ausgangswechselspannung durch einen zweiten in Phase mit
dem Eingangsunterbrecher arbeitendenUnterbrecher im Ausgangskreis vorzunehmen oder
aber der Eingangsspannung eine konstante Gleichspannung zu überlagern. Schließlich
wird noch die Verwendung des Unterbrechers in einem direkt anzeigenden Frequenzmesser
vorgeschlagen.
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Der Erfindungsgedanke wird nachstehend an Hand der Abbildungen erläutert.
In den Abbildungen bedeutet Abb. i die schematische Konstruktionsskizze einer beispielsweisen
Ausführungsform der Erfindung im Grund- und Aufriß, ,1bb. 2 die schematische Konstruktionsskizze
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, Abb. 3 eine beispielsweise Ausführungsform
mit magnetischer Anziehung des Gegenkontaktarmes, Abb. ,I eine beispielsweise Ausführungsform
mit federnder Anziehung und Bremsung des Gegenkontaktarmes, Abb. 5 eine Schaltungsanordnung
zur Verstärkung kleiner Gleichströme unter Verwendung eines Piezokristallunterbrechers,
Abb.6 eine Schaltungsanordnung zur direkten Anzeige der Frequenz unter Verwendung
eines Piezokristallunterbrechers.
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In Abb. i bedeutet i eine metallische Grundplatte, auf welcher das
Gehäuse 2 montiert ist. In diesem Gehäuse ist auf drei Stützen 3 aus federndem Material
der Piezokristall angebracht, der als
Biegungsschwinger aus den
beiden Hälften 4 und 5 zusammengesetzt ist. Die Spannungszuführung zum Kristall
erfolgt über die Folienstreifen 6, die über Isolierbuchsen 7 aus dem Gehäuse zu
den Anschlußklemmen 8 leerausgeführt sind, über welche die Unterbrecherspannung
mittels abgeschirmter Leitungen zugeführt wird. Auf dem freien Ende des Kristalls
ist als Kontaktstückträger eine Säule 9 angebracht, die durch eine Öffnung des Gehäuses
2 hindurchragt. Auf der Säulegistübereiner federnden Zwischenlage io ein Kontaktstück
ii befestigt. Das Gegenkontaktstück 12 ist über eine federnde Zwischenlage 13 auf
der Masse 14 angebracht, die über einen Arm 15 an dem Träger 17 drehbar um den Zapfen
16 gelagert ist. Die Stromzuführung zu den Kontaktstücken i i und 12 erfolgt über
die Folienstreifen 18, die zu den Anschlußklemmen i9 auf dem Träger 20 führen. Der
eine der beiden Folienstreifen ist mit der mittleren Belegung des Kristalls, der
andere mit den beiden äußeren Belegungen verbunden. Die Wirkungsweise dieser Anordnung
ist folgende: Bei Zuführung einer Wechselspannung über die Klemmen 8 wird das freie
Ende des Kristalls 4, 5 und damit auch das Kontaktstück i i in mechanische Schwingungen
in vertikaler Richtung versetzt. Das Gegenkontaktstück 12 kann diesen Schwingungen
nicht voll folgen, es stellt sich daher ein mittlerer Kontaktabstand ein, dessen
Betrag von der Größe der Masse 14 abhängt. Die federnden Zwischenlagen io und 13
verhindern das Auftreten von Prellerscheinungen. Die Abschirmung zwischen dem Unterbrecherstromkreis
und dem zu unterbrechenden Stromkreis wird nur durch die kleine Öffnung im Gehäuse
2 zur Durchführung der Kontaktsäule 9 unterbrochen, so daß Beeinflussungen des zu
unterbrechenden Stromkreises durch Stromfelder aus dem Unterbrecherstromkreis praktisch
völlig vermieden sind.
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Die Konstruktion nach Abb. 2 unterscheidet sich von der nach Abb.
i nur durch die seitliche Heraus-Führung des Kontaktes aus dem Gehäuse. Der Kontaktträger
ist hier ein horizontales Verlängezungsstück 21, auf den das Kontaktstück 23 über
die federnde Zwischenlage 22 angebracht ist. Das Gegenkontaktstück 24 ist in der
gleichen Weise, wie inAbb. i, über eine federnde Zwischenlage an einer schweren
drehbar gelagerten Masse befestigt. In dieser Anordnung wird eine Vergrößerung des
Kontakthubes erreicht. Aufbau und Wirkungsweise des Unterbrechers nach Abb. 2 sind
im übrigen die gleichen wie bei der Konstruktion nach Abb. i. Die Konstruktion nach
Abb.3 besitzt zwecks magnetischer Anziehung eine Spule 25 mit einem Eisenkern 26.
Bei der Konstruktion nach Abb. 4 ist eine Zugfeder 27 zur Anziehung des Gegenkontaktstücks
vorgesehen, ferner ist der leichter federnde Arm 28 mit einer Bremsfläche 29 zur
Bremsung durch Luftwiderstand versehen.
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In Abb. 5 ist eine beispielsweise Schaltung zur Verstärkung eines
Gleichstromes unter Benutzung eines Piezokristallunterbrechers dargestellt. Der
von dem Generator 3o mit dem inneren Widerstand 31 erzeugte Gleichstrom durchfließt
die Primärseite des Transformators 32, dessen Sekundärseite im Gitterkreis der Röhre
33 liegt. Parallel zu dem Transformator 32 ist der Unterbrecher 34 geschaltet, der
den Piezokrista1135 mit dem Kontaktstück 36 und das Gegenkontaktstück 37 enthält.
Die Unterbrecherspannung wird von dem Generator 38 geliefert. Zweckmäßigerweise
wird der Unterbrecher so einjustiert, daß Kontaktdauer und Pause etwa gleich groß
sind. In diesem Falle ist die Grundwelle am stärksten im Frequenzspektrum vertreten,
woraus sich bei Verwendung eines abgestimmten Verstärkers die größte Empfindlichkeit
ergibt. Der zerhackte Strom wird von der Röhre 33, deren Anodenkreis 39 auf die
Unterbrecherfrequenz abgestimmt ist, verstärkt und der nächsten Verstärkerstufe
mit der Röhre 40 zugeleitet. Der Anodenstrom dieser Röhre durchfließt den Ausgangstransformator
41, an dessen Sekundärwicklung ein Doppelkontaktunterbrecher 42 mit dem Piezokristall
43, dem schwingenden Kontaktstück 44 und den Gegenkontaktstücken 45 angeschlossen
ist. Der Ausgangsunterbrecher 42 wird von dem gleichen Wechselspannungsgenerator
38 betrieben, wie der Eingangsunterbrecher 34, jedoch mit dem Unterschied, daß bei
dem Ausgangsunterbrecher die Kontaktzeiten möglichst groß, die Pausen möglichst
klein gemacht werden. Man erhält auf diese Weise eine vorzeichenabhängige Vollweggleichrichtung
des Ausgangsstromes, der im Instrument 46 zur Anzeige kommt.
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In Abb. 6 ist eine übliche Schaltungsanordnung zur Messung von Frequenzen
als weiteres Anwendungsbeispiel dargestellt. 47 bedeutet eine Wechselspannungsquelle,
deren Frequenz gemessen werden soll, 48 einen Unterbrecher mit Doppelkontakten,
49 eine konstante Gleichspannungsquelle, die bei Schließung des linken Unterbrecherkontaktes
den Kondensator 5o auflädt. Die Anzeige des Gleichstrominstrumentes 51, über welches
der Kondensator bei Schließung des rechten Kontaktes entladen wird, liefert dann
bekanntlich ein Maß für den Wert der Frequenz des Wechselspannungsgenerators 47.