DE831413C

DE831413C - Schaltung zur Synchronisierung zweier elektrischer Schwingungen

Info

Publication number: DE831413C
Application number: DEP5031D
Authority: DE
Inventors: Bonifacius Johannes Hardenberg; Eduard Herman Hugenholtz
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1943-12-03
Filing date: 1948-10-02
Publication date: 1952-02-14
Also published as: NL73970C; US2505642A; GB633419A; BE458011A

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 14. FEBRUAR 1952

p 5031 VIIIa j 3i α¹

Eindhoven (Holland)

sind als Erfinder genannt worden

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Erzeugung einer Steuerspannung und zu ihrer Auswertung in mechanisch und elektrisch arbeitenden Anordnungen für die Synchronisierung von zwei elektrischen! Schwingungen.

Gemäß der Erfindung werden aus der einen elektrischen Schwingung zwei gegeneinander phasenverschöbene Wechselspannlungen gewonnen, welche mit der anderen Schwingung gemischt werden, und zwar in zwei Mischsitufen zur Erzeugung zweier Spannungen von der Differenzfrequenz mit einer Phasendifferenz, deren Vorzeichen mit dem Vorzeichen der Frequenzdifferenz der beiden zu synchronisierenden Spannungen wechselt, wobei die Mischstufen ausgangsseitig mit einem Phasendiskriminator galvanisch verbunden sind, dessen Ausgangsgleichspannung eine mit dem Vorzeichen der Phasendifferenz der beiden Seitenbandspannungen sich ändernde Polarität aufweist und die Steuerspan η umg bildet.

Mittels der !^.kannten Schaltungen zur selbsttätigen Frequenzregelung können die Frequenzen zweier Schwingungen meist nur annähemdeinander gleichgemacht werden. Die Anwendung der Schaltung nach der Erfindung bietet hingegen den Vor- as teil, daß die Frequenzen der beiden Schwingungen in einfacher Weise bis zum Gleichlauf regelbar sind. Die Schaltung bietet den weiteren Vorteil, daß die Wirkung unabhängig von den absoluten Werten der zu. vergleichenden oder zu regelnden Frequenzen ist, aber ausschließlich vom Frequenzunterschied der Schwingungen abhängt, natürlich mit Ausnahme desjenigen Teilles der Schaltung, der die beiden Spannungen von der Differenzfrequenz erzeugt. Ein sehr wichtiger Vorteil ist weiter, daß die Regelung bis zum Gleichlauf unabhängig von den verwendeten Schaltelementen, insbesondere von den Eigenschaften der verwendeten Entfladlungssysteme ist.

Es wird vorzugsweise dafür Sorge getragen, daß die nach Mischung erzeugten Differenzfrequenzen voneinander um 90⁰ in der Phase verschieden sind¹.

Besonders günstige Ergebnisse werden erzielt, werrn der Phasendiiiskriminator zwei. Entladiungissysterne enthält, die je außer einer Anode, einer Kathode und einem Steuergitter noch mindestens ein weiteres Gitter, vorzugsweise ein zweites Steuergitter, enthalten, wobei die Anode jedes der Systeme mit dem ersten Steuergitter des anderen Systems durch einen entsprechend 'bemessenen Widerstand verbunden ist und die genannten

ίο zweiten Steuergitter unmittelbar miteinander verbunden sind. Die eine der Zwischenfrequenzspannumgen wird dabei vorzugsweise in Gegentaktschaltung den ersten Steuergittern der beiden Röhren zugeführt, während die andere Zwischenfrequenzspannung den unmittelbar miteinander verbundenen zweiten Steuergittern im Gleichtakt zugeführt wird.

Der erwähnte Phasendiskriminator kann auch zwei Entladungssysteme enthalten, bei denen beide Mischspannungen jeEntladungssystemdemgleichen Steuergitter zugeführt werden, die eine gleichphasig und die andere gegenphasig an den Steuergittern der beiden Entladungssysteme.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen

as näher erläutert. In

Fig. ι ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt;

Fig. 2 zeigt den Verlauf der aus den zu synchronisierenden Spannungen gewonnenen Zwischenfrequenzspannungen; letztere sind um 90⁰ in der Phase verschieden; in

Fig. 3 ist eine elektrische Regelvorrichtung dargestellt, die als eine Ergänzung der in- Fig. 1 dargestellten Schaltung betrachtet werden kann.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung werden die zu synchronisierenden Schwingungen, deren Frequenzenkünftig mit f_t bzw. f₂ bezeichnet werden sollen, dem Klemimenpaar 1 bzw. 2 zugeführt. Die Schwingungen mit der Frequenz /_t werden über die Sekundärwicklung 3 bzw. 4 eines Transformators 5 auf zwei Mischstufen 6 bzw. 7 übertragen. Die Schwingungen mit der Frequenz /₂ werden einem Phasenschieber 8 zugeführt, der aus zwei Widerständen und zwei Kapazitäten besteht, die eine Brückenschaltung bilden. Diesem Netzwerk werden zwei Wechselspannunigen, beide von der Frequenz f_z, entnommen, die um 90⁰ phasenverschoben sind. Eine dieser Spannungen wird der Mischstufe 6 und die andere der Mischstufe 7 zugeführt.

Die Mischstufe 6 und 7 enthalten je zwei Gleichrichter 13' und 13" bzw. 14' und 14", die inGegentakt geschaltet sind, so daß die bei der Mischung auftretenden Gleichspanniungsikomponenten sich zu-■ mindest teilweise aufheben.

In jeder der Mischstufen 6 und 7 entsteht durch Mischung der Spannungen mit den Frequenzen f_t und /„ ein Mischprodukt vom Absolutwert der Differenzfrequenz (/₂—Z₁). Die ebenfalls entstehenden oberen Seitenbänder können nötigenfalls durch Filter von den^ weiteren Schältungsteilen ferngehalten werden. Die unteren Seitenbandfrequenzen (Zwischenfrequenzen) weisen einen gegenseitigen Phasenunterschied von 90⁰ auf. Sie werden den Ausgangswiderständen 9 bzw. 10 entnommen und über eine Gleichstrorrikopplung dem vorerwähnten Phasendisikriiminator zugeführt, der zwei stabile Gleichgewichtszustände hat.

Der Phasendiskriminator enthält zwei Entladungssysteme 11 und 12, die als Pentoden ausgebildet sind und bei denen jeweils Kathode, Schirmgitter und Bremsgitter der einen Röhre mit der gleichnamigen Elektrode der anderen Röhre verbunden sind.

Die eine in der Mischstufe 6 erzeugte Zwischenfrequenzspannung, künftig auch erste Zwischenfrequenzspannung genannt, wird¹ zwischen den Bremsgittern (zweiten Steuergittern) und den geerdeten Kathoden der beiden Pentoden 11 und 12 angelegt. In Reihe mit dieser Spannung ist noch eine Gleic'hspannungsquelle 15 aufgenommen.

Die andere in derMischstuf^erzeugteZwischenfrequenzspannung, künftig auch zweite Zwischenfrequenzspannung genannt, wird in Gegentaktschaltung den ersten Steuergittern der Entladungssysteme 11 und 12 zugeführt. Es ist zu diesem Zweck an die Ausgangsklemmen der Mischschaltung 7 ein Widerstand 16 angeschlossen, dessen Mitte über eine Gleichspannungswelle 17 mit -den Kathoden der Entladungssysteme verbunden ist. Die Enden des Widerstandes 16 sind über einen Widerstand 18 mit dem ersten Steuergitter des Systems 11 bzw. über einen Widerstand 19 mit dem ersten Steuergitter des Systems 12 in Verbindung gesetzt. Das erste Steuergitter des Entladungssystems 11 ist ül>er einen Widerstand 20 mit der Anode des Entladungssystems 12 und das erste Steuergitter des Systems 12 über einen Widerstand 21 mit der Anode des Systems 11 verbunden.

In den Anodenkreis des Entladungssystems 11 sind ein Widerstand 22 und die Erregerwicklung eines Relais 22, in Reihe aufgenommen,, ebenso ist in den Anodenkreis des Systems 12 ein Widerstand

24 in Reihe mit der Erregerwicklung eines Relais

25 geschaltet. Die Schirmgitter der Entladungssysteme sind mit einer nicht dargestellten Anodengleiohspannungsquelle unmittelbar verbunden.

Die Wirkung des Phasendiskriminators kann wie folgt erklärt werden: Der die beiden Pentoden enthaltende Diskriminator hat zwei stabile Gleichgewichtszu'Stände; im einen Zustand führt die Pentode 11 den Strom und ist die Pentode 12 gesperrt; im anderen Zustand ist gerade das Umgekehrte der Fall. Mit Hilfe der von der Mischstufe 6 erzeugten Zwischenfrequenzspannung werden die beiden Entladungssysteme abwechselnd freigegeben und gesperrt, wenigstens solange die zu vergleichenden Frequenzen ungleich sind. Der Augenblick, in dem die Pentoden durch die Zwischenfrequenzspannungen freigegeben werden, wird unter anderem durch die von der Gleichspannungsquelle 15 herrührende Vorspannung bestimmt. Es werde angenommen, daß diese Vorspannung derart eingestellt ist, daß die Summe aus Vorspannung und Zwischenfrequenzspannung im betrachteten Augenblick den Wert Null hat, entsprechend dem Punkt P in Fig. 2 a, in welcher der Verlauf dieser Zwischenfrequertz-

spannung aufgetragen ist. In Fig. 2 b ist der Verlauf der anderen Zwischenifrequenzspannung dargestellt. Letztere weicht um 90⁰ in der Phase von der ersten Mischspannung ab und ist somitmaximal positiv oder negativ in dem Augenblick (Punkt P), in dem die erste Zwischenfrequenzspannung den Wert Null hat. Ferner werde angenommen, daß die zweite Zwischenfrequenzspannung in diesem Augenblick maximal positiv ist, wenn /₂ größer ale Zi (Kurve I) und maximal negativ, wenn Z₁ größer als Z₂ ist (Kurve II).

In dem Augenblic'k, wo der Diskriminator durch das Auftreten der ersten Zwischenfrequen>zspannung in Tätigkeit tritt, >wird also, je nachdem /₂ größer oder kleiner als Z₁ ist, das Steuergitter der Pentode 11 positiver und zugleich das Steuergitter der Pentode 12 negativer gemacht oder umgekehrt.

1st einmal eine der beiden Röhren stromführend

geworden, so hat die erste Zwisc'henfrequenzspannung keinen Einfluß mehr auf die Wirkung der Schaltung bis zum Augenblick, in dem diese wiederum hinreichend negativ geworden ist, um die stromführende Röhre zu sperren. Die Wahl eines der l>eiden Gleichgewichtszustände nach Arbeitsbeginn wird ausschließlich durch die Phasenlage der zweiten Mischspannung in· bezug auf die erste Mischspannung bestimmt. Wenn nun f₂ größer als Z₁ ist, ist das Steuergitter der Pentode 11 im Augenblick der Freigabe gemäß dem obigen Beispiel positiver als das erste Steuergitter der Pentode" 12. Die Vorrichtung nimmt infolgedessen den Gleichgewichtszustand ein, l)ei dem die Pentode 11 stromführend und die Pentode 12 gesperrt ist. Dieser Zustand bleibt bei geeigneter Wahl der Schaltelemente erhalten, bis die Pentode 11 infolge abnehmender und schließlich negativ werdender Amplitudenmomentanwerte der beiden Zwischenfrequenzsparanungen wiederum gesperrt wird. Solange Z₂ größer als Zi ist, wiederholt sich das Vorstehende, wobei die Pentode 11 abwechselnd stromführend und gesperrt ist, während die Pentode 12 dauernd gesperrt bleibt. Während des Zeitraumes,, in dom die Pentode 11 stromführend ist, wird das Relais 23 erregt, wodurch z. B. ein Motor eingeschaltet werden kann, der die Frequenz Z₂ auf kleinere Werte hin und/oder die Frequenz Z₁ in Richtung auf größere Werte regelt.

Das Relais 25 wird in ähnlicher Weise erregt, wenn die Frequenz Z₂ kleiner als Zi ist; in diesem Fall wird die Frequenz Z₂ vergrößert und/oder die Frequenz Z₁ verkleinert.

Diese Regelung dauert an, bis die Frequenzen Z₁ und Z₂ einander gleich sind; in diesem Fall liefern die Miischstufen 6 und 7 eine Gleichspannung, deren Größe und Richtung vom Pha se nun te r schied zwischen den beiden zu vergleichenden Frequenzen abhängig ist. Die Schaltung stellt sich nun infolge der gleichstrommäßigen Kopplung zwischen den Mischstufen und dem Diskriminator derart ein, daß die Summe aus Vorspannung 15 und der ersten. Zwischenfrequenzspannung (s. Fig. 2a) negativ wird und bleibt. Wenn diese Spannung nämlich einen positiven Wert annimmt, werden die beiden Pentoden dauernd freigegeben, wobei eine der beiden stromführend bleibt. Eines der Relais 23 oder 25 wird daher dauernd erregt, und die Motorregelung bleibt tätig, bis der Phasenunterschied «zwischen den jetzt synchronen Schwingungen durch vorübergehende, geringfügige Änderungen der Frequenz einer der zu synchronisierenden Schwingungen derart ist, daß die genannte Gleichspannung Null wird oder einen negativen Wert annimmt. Die beiden Entladungssysteme sind dann dauernd gesperrt. Die Motorregelung bleibt außer Tätigkeit, und die Frequenzen Z₁ und Z₂ bleiben einander gleich. Der Phasenuntersc'hied der 'beiden Frequenzen kann sich über einen Bereich von i8o° ändern, ohne daß die Vorrichtung betätigt wird. Dieser Bereich entspricht annähernd dem Bereich, in dem die erste Mischspannung negativ ist (s. Fig. 2a).

Ändert sich die Phasenlage der beiden synchronisierten Schwingungen, so wird die erste Zwischenfrequenzspannung schließlich wiederum positiv. Ändert sich die Phase in der einen Richtung, so wird zuerst die eine Pentode freigegeben; ändert sich die Phase in der anderen Richtung, so wird durch das dann entgegengesetzte Vorzeichen der zweiten Zwischenfrequenzspannung die andere Pentode zuerst stromführend. Innerhalb des Bereiches von annähernd i8o°, in dem die von der Mischstufe 6 gelieferte Zwischenfrequenzspannung negativ ist, reagiert die Schaltung also nicht aufPhasenuntersc'hiede zwischen den ursprünglichen Schwingungen, während bei größeren Phasenabweichungen die Regelung in Tätigkeit gesetzt wird und diese Abweichungen korrigiert.

Die oben beschriebene Regelung der Frequenz einer der Schwingungen oder der Frequenzen der beiden Schwingungen, die ausschließlich durch Vermittlung einer mechanischen RegeLapparatur (im vorliegenden FaM eines Motors) bewirkt wird, kann zweckmäßig mit einer Regelung einer der Frequenzen oder beider Frequenzen auf elektrischem Wege vereinigt werden.

In Fig. 3 ist eine Schaltung dargestellt, die sich auf eine solche Regelung bezieht. Diese Schaltung kann von einer der Zwischenfrequenzspannungen (s. Fig. 2) gesteuert werden. Diese Spannung, die der Mischstufe 7 der Schaltung nach- Fig. 1 entnommen werden kann, wird dem in der Fig. 3 mit 26 bezeichneten Klemmenpaar zugeführt.

Der Schwingungskreis des Oszillators, dessen Frequenz nachgeregelt werden muß, z. B. des Oszillators, der die Frequenz Z₁ erzeugt, ist in der Figur schematisch mit 27 bezeichnet. Parallel zu diesem Schwingungskreis sind zwei Zweige 28 und 29 geschaltet. Der erste Zweig besteht aus der Reihenschaltung einer Diode 30, eines Kondensators 31 und eines Trennkondensators 32. Der zweite Zweig besteht aus der Reihenschaltung einer Diode 33, letzterer ist zusätzlich ein Kondensator 34 parallel geschaltet, aus einem Widerstand 35 und zwei Trennkondensato'ren 36 und 37. Eine der Klemmen des Klemmenpaares 26 ist über einen Widerstand 41 mit der Anode der Diode 30 verbunden, während

die andere Klemme über einen Widerstand 39 mit ! der Kathode der Diode 30 -und über einen Widerstand 40 mit der Anode der Diode 33 verbunden ! ist. Die Kathoden der beiden Dioden 30 und 33 | sind über die bereits erwähnten Trennkondensatoren 32 und 37 miteinander verbunden.

Die Impedanz des Zwerges 28 wird im wesentlichen durch die Kapazität des Kondensators 31 und durch den Wert des inneren Widerstandes der Diode 30 bestimmt; die Impedanz des Zweiges 29 wird in der Hauptsache durch den Wert des Widerstanes 35, die Kapazität des Kondensators 34 und den Wert des inneren Widerstandes der Diode 33 !»stimmt.

Die beiden Dioden 30 und 33 werden durch die an das Klemmenpaar 26 angelegte Spannung gesteuert. Wenn die Klemme, die über den Widerstand 41 mit der Anode der Diode 30 verbunden ist, positiv in bezug auf die andere Klemme ist, so wird

ao die Diode 30 leitend, während die Diode 33 gesperrt ist. Dies hat zur Folge, daß die kapazitive Wirkung des Zweiges 28 vergrößert wird und der Wert der parallel zum Osizillatofkreis 27 geschalteten Kapazität zunimmt. Wenn hingegen die andere Klemme positiv wird, so wird die Diode 33 leitend, und die Diode 30 wird gesperrt. Dies hat zur Folge, daß der Kondensator 34 durch die Diode 33 mehr oder weniger kurzgeschlossen wird, wodurch die kapazitive Wirkung des Zweiges 29 verkleinert wird, mit anderen Worten, der Wert der parallel zum Oszillatorkreis geschalteten Kapazität wird herabgesetzt. Je nach der Richtung, welche die an die Klemmen 26 angelegte Spannung hat, wird somit die zum Oszillatorkreis gehörige Kapazität vergrößert oder verkleinert und daher die Frequenz des Oszillators verkleinert oder vergrößert. Diese Regelung tritt jedoch nur dann in der richtigen Weise in Wirksamkeit, wenn die an Hand der Fig. 1 beschriebene Motorregetung dafür gesorgt hat, daß die beiden

♦o Schwingungen der Frequenzgleichheit nahegekommen sind.

Die Oben beschriebene zusätzliche Regelung auf elektrischem Wege ist deshalb von Bedeutung, weil mit einer mechanischen Regelapparatur al leim, infolge der vorhandenen Trägheit, im allgemeinen keine stabile Regelung erzielt werden kann. Die l>eschriebene mechanische Regelung hat jedoch den Vorteil, daß beim kurzzeitigen Ausfallen einer der Schwingungen die bereits erreichte Regelung auf Frequenzgleichheit nicht gestört wird.

Die elektrische Regelung kann außer von einer der Zwischenfrequenzspanmingen beispielsweise auch durch den Unterschied der Anodenspannungen der Entladungssysteme 11 und 12 vorgenommen werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Schaltung zur Synchronisierung zweier elektrischer Schwingungen durch Erzeugung einer Steuerspannung und ihre Auswertung in mechanisch und elektrisch arbeitenden Anordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß aus der einen elektrischen Schwingung (f₂) zwei gegeneinander phasenverschobene Wechselspannungen gewonnen werden, welche mit der anderen Schwingung (Z₁) gemischt werden, und zwar in zwei Mischstufen (6 und J) zur Erzeugung zweier Spannungen von der Differenzfrequenz und mit einer Phasendifferenz, deren Vorzeichen mit dem Vorzeichen der Frequenzdifferenz der beiden zu synchronisierenden Spannungen wechselt, wobei die Mischstufen (6 und 7) ausgangsseitig mit einem Phasendiskriminator (11-12) galvanisch verbunden sind, dessen Ausgangsspannungen von dem Vorzeichen der Phasendifferenz der beiden Seitenibandspannungen abhängen und die Steuerspannungen bilden.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der einen der zu synchronisierenden Spannungen zwei um 90⁰ phasenverschobene Wechselspannungen gewonnen werden, so daß in den beiden Mischstufen Differenzfrequenzen erzeugt werden, die gegenseitig um 90⁰ in der Phase verschoben sind.
3. Schaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminator mindestens zwei Entladungssysteme enthält, die je außer einer Kathode, einer Anode und einem Steuergitter noch mindestens ein weiteres Gitter, vorzugsweise ein zweites Steuergitter, enthalten, wobei die Anode jedes der Systeme mit dem ersten Steuergitter des anderen Systems durch einen entsprechend bemessenen Widerstand verbunden ist, während die erwähnten zweiten Steuergitter unmittelbar miteinander verbunden sind, wobei die eine der Zwischenfrequenzspannungen in Gegentaktschaltung etwa den ersten Steuergittern der beiden Röhren zugeführt wird und die andere Zwischenfrequenzspannung den unmittelbar miteinander verbundenen zweiten Steuergittern im Gleichtakt zugeführt wird.
4. Schaltung nach Anspruch 1 zur Synchronisierung zweier Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Steuerspannung eine mechanische Regelvorrichtung steuert und außerdem eine elektrische Regelvorrichtung angeordnet ist, die von einer der Mischspannungen gesteuert wird, wobei letztere Regelvorrichtung nur in einem schmalen Bereich in der Nähe des Gleichlaufs der beiden Frequenzen wirksam ist.
5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung derart eingestellt ist, daß derNachregelmechanismus beim Ausfallen einer der zu synchronisierenden Schwingungen ausgeschaltet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

3058 2.52