-
Kontaktgerät zur Erzeugung elektrischer Impulsfolgen Für die Erzeugung
elektrischer Impulse kurzer Dauer benutzt man üblicherweise die Entladung von Kondensatoren,
die im aperiodischen Fall eine kurz dauernde stromstarke Entladung gibt. Derartige
Entladungen werden z. B. für Zwecke der Lichtblitzstroboskopie, für die Beaufschlagung
der Zündstifte von Entladungsgefäßen (Ignitrons) und ähnliche Zwecke verwendet.
Die praktische Aufgabe, derartige Impulse mit regelbaren Frequenzen einzustellen,
wurde bisher meist unter Verwendung von Kippschaltungen gelöst, von denen ein Beispiel
in Fig. Z dargestellt ist. Bei dieser Schaltung liegt an den Klemmen r, 2 eine Gleichspannung.
3 ist der Verbraucher, 4 ein mit diesem in Reihe geschaltetes Rohr. 5 ist ein Gitterwiderstand,
6 ein regelbarer Vorschaltwiderstand und 7 ein Kondensator, der dem Verbraucher
und dem Rohr parallel geschaltet ist. Diese Schaltungen haben den Vorteil großer
Einfachheit und guter schneller Regelbarkeit, aber den entscheidenden Nachteil,
daß das eigentliche Kippgefäß zur Führung der Ströme imstande sein muß, die über
den Verbraucher, evtl. Stroboskoplampe oder auch Zündstift, hinweggehen. Besonders
für den letztgenannten Fall ist es dann nachteilig, daß die Brennspannung derartiger
Gefäße hochgradig undefiniert ist, so daß nicht mit Sicherheit gesagt werden kann,
welche Spannungen, insbesondere im ersten Augenblick der Beaufschlagung, an dem
meist spannungsabhängigen Verbraucherwiderstand zur Verfügung stehen.
-
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Impulsfolgen
durch Kondensatorentladung; Aufladung und Entladung des Kondensators wird über mechanisch
betätigte Kontakte vorgenommen,
wobei die Kontaktzeiten beider Schalter
einander nicht überdecken und die Aufladung des Kondensators aus einer Gleichspannungsquelle
über eine Drossel und einen Trockengleichrichter in einer Zeit vorgenommen wird,
die etwas kürzer ist als die Kontaktzeit des Ladekontakts. Es werden also für diese
Aufgabe die zuerst dafür sehr ungeeignet erscheinenden mechanischen Kontakte, wie
sie z. B. aus dem Kontaktumformer und auch aus dem Automobilunterbrecher bekannt
sind, nutzbar verwendet. Zur Einführung dieses Elements in derartigen Kreisen sind
zwei entscheidende Probleme zu lösen: i. Mit einem einfachen, mechanisch betätigten
Kontakt kann in einer Kippschaltung nach Fig. i das Entladungsgefäß nicht ersetzt
werden. Bekanntlich löscht das gasgefüllte Entladungsgefäß in Fig. i durch ein Überschwingen
der Entladung aus dem Kondensator über Verbraucher und Gefäß durch die natürlichen
Induktivitäten des Stromkreises und die Gesetze, die für die Ionen in der Gasentladung
gelten. Da das Gefäß eine einwandfreie Ventilwirkung hat, geht der Strom mit endlicher
Geschwindigkeit durch Null, so daß durch das nunmehr stark negativ gewordene Steuergitter
das Gefäß während der folgenden Neuaufladungsperiode des Kondensators gesperrt gehalten
werden kann.
-
2. Die verfügbaren mechanischen Kontakte, bei denen in der Mehrzahl
eine Öffnung der Kontaktelemente durch einen meist sinusförmig steuernden Nocken
in den Bereichen größter Öffnungsgeschwindigkeiten des letzteren herbeigeführt wird,
haben durchwegs Kontaktzeiten, die, auf die Länge der Arbeitsperiode bezogen, etwa
in der Größenordnung von 8o bis 18o' liegen. Diese Erscheinung macht den mechanischen
Kontakt für den Kippbetrieb noch ungeeigneter bzw. sie verlangt, daß man zwei phasenversetzt
arbeitende Kontakte in Reihe schaltet, um auf diese Weise zu kurzen Kontaktzeiten
zu kommen. Diese müßten aber auf jeden Fall der Dauer des Entladungsvorgangs angepaßt
werden, was, wenn es sich beim Lastwiderstand um Halbleiter handelt (Zündstifte),
zu Störungen führen kann, wenn diese bei einer einzelnen Beaufschlagung gerade einmal
erhöhte Widerstände besitzen (aussetzender Zündstift eines Ignitrons).
-
Die obenerwähnten beiden Probleme werden nach Vorschlag der Erfindung
auf folgenden Wegen gelöst: i. Der den Arbeitsimpuls liefernde Kondensator 7 wird
auf den Verbraucher 3 gemäß Fig. 2 mit einem Entladekontakt E aufgeschaltet. Außerdem
enthält der Kontaktapparat einen zweiten, zu anderen Phasenzeiten schaltenden Ladekontakt
L, der die Aufladung des Kondensators aus einer weitgehend geglätteten leistungsfähigen
Gleichspannungsquelle über eine Drosse18 und ein ungesteuertes Gleichrichterelement
9 vornimmt. Diese an sich bekannte Schaltung führt hier dazu, daß der in Form einer
Sinuskuppe verlaufende Ladestrom kurz vor dem Ende der Schließungszeit des Ladekontaktes
L durch Null geht. Durch den vorgeschalteten Gleichrichter 9 tritt ein Rückschwingen
der Kondensatorladung ins Netz i, 2 nicht ein, vielmehr öffnet der Kontakt strom-
und spannungslos kurz nach dem Zeitpunkt, an dem der Kondensator voll aufgeladen
ist. Es ist gerätebaulich dabei noch vorteilhaft, daß der Kondensator sich auf eine
erheblich höhere Spannung auflädt als die speisende Gleichspannung beträgt. Der
Betätigungsplan für die Kontakte L und E ist neben Fig. 2 gezeigt. Die Schließzeit
der Kontakte ist schwarz markiert.
-
2. Das Problem der Erhöhung der Impulsfrequenz läßt sich durch häufigere
Betätigung der Steuerkontakte nicht lösen, da mechanisch der Kontaktantrieb .bei
dem geforderten Hub nicht oberhalb gewisser Drehzahlen betrieben werden kann, ohne
daß in kurzer Zeit Zerstörungen am Gerät auftreten. Rechnet man mit einer Kontaktzeit
von etwas weniger als 9o°, bezogen auf eine Periode der Betätigung (gleich 36o°),
dann läßt sich eine Abwandlung der Schaltung gemäß Fig. 3 ausbilden. Die Bezeichnungen
sind zum Teil dieselben wie vorher. Die Schaltung besitzt aber drei Kontakte L,
El, E2 und wird mit der doppelten Arbeitsfrequenz betrieben, dadurch, daß ein gemeinsamer
Kontakt über gemeinsame Drossel und getrennte Gleichrichter zwei Kondensatoren gleichzeitig
auflädt, daß unmittelbar anschließend durch einen Entladekontakt der eine Kondensator
und genau i8o° später der zweite Kondensator auf die Belastung entladen wird. Die
beiden Entladekontakte El, E2 arbeiten dabei zu getrennten Zeiten (s. Betätigungsplan),
so daß die Ladungen der Kondensatoren 7', 7" sich gegeneinander über die Entladekreise
ebenfalls nicht ausgleichen können. Die entsprechende Verriegelung auf der Ladeseite
erfolgt durch die Trockengleichrichter 9', 9".
-
Man sieht aber, daß auf diesem `'Fege die Arbeitsfrequenz nicht sehr
erheblich gesteigert werden kann. Nimmt man als drittes Element nun auch noch in
jeden Entladekreis einen Trockengleichrichter io', io" . .. ion herein, bei dem
die Bemessung auf hohe Scheitelströme keine Schwierigkeiten macht und der auch unabhängig
von der Temperatur immer gleiche Spannungsabfallverhältnisse besitzt, dann kann
man in der Schaltung gemäß Fig. 4 beliebige Zahlen von Lade- und Entladekreisen
kombinieren. Zur Ver-nfachung der Arbeitsfrequenz sind n Kondensatoren,
2 n Kontaktschalter und 2 n Trockengleichrichtergruppen erforderlich.
Es ist leicht zu übersehen, daß auf diesem Wege die Apparatur außerordentlich umfangreich
wird.
-
Die beiden grundlegenden Lösungsgedanken zu den vorliegenden Problemen
lassen sich nun aber in Weiterbildung des ursprünglichen Erfindungsgedankens noch
dadurch wesentlich vorteilhafter als bisher ausführen, daß man durch geeignete Kombinationen
der zugehörigen Lade- und Entladekontakte und ihrer Kontaktzeiten Vereinfachungen
bewirkt. Die Fig. 5 stellt einen weiteren Schritt in dieser Richtung dar. Es sind
zwei Ladekontakte L1, 2, L3, 4 und vier Entladekontakte El E4 sowie vier Kondensatoren
7'-7n' vorgesehen. Die vier Entladekontakte werden gemäß dem Betätigungsplan der
Abbildung so gegeneinander gestaffelt, daß sie, auf eine Periode gleichmäßig verteilt,
jeweils für etwas weniger als 9o° geschlossen sind und sich gegenseitig gerade nicht
überdecken. Die zu diesen Entladekontakten gehörigen Kondensatoren
werden
auf der Ladeseite gruppenweise zusammengefaßt mit dem Ziel, daß die beiden Kondensatoren
7', 7", die innerhalb der ersten i8o' der Periode entladen werden, innerhalb der
zweiten i8o' der Periode gemeinsam aufgeladen werden können und umgekehrt. Dadurch
steht einmal für die Ladung eine längere Zeit zur Verfügung, wodurch die Effektivwerte
der Ströme und damit die Typenleistungen der beteiligten Geräte kleiner werden.
Außerdem lassen sich gegenüber der vorhin angegebenen Regel für die Ver-n-fachung
zwei Ladekontakte einsparen.
-
Das eben'beschriebene Verfahren kann gemäß Fig. 6 mit der doppelten
oder mehrfachen Anzahl von Lade-und Entladekontakten doppelt bzw. mehrfach ausgeführt
werden, wenn in die gemeinsame Entladeleitung von je vier Entladekontakten El-E4
ein Trockengleichrichter io' eingeschaltet wird. In der zweiten Gruppe der Entladekontakte
E.-E8 muß dasselbe geschehen, wobei die Trockengleichrichter io', io" eine Durchflußrichtung
zum Verbraucher 3 hin besitzen. Wenn die Entladekontakte beider Gruppen, und natürlich
auch die Ladekontakte, dabei um 45° der Periode gegeneinander versetzt sind, dann
erfolgt zwar eine Entladung der zweiten Gruppe auf den Verbraucher zu einer Zeit,
wo von der ersten Gruppe ein bereits entladener Kondensator über seinen Entladeschalter
nach dem Lastwiderstand verbunden ist. Der Rückfluß der Ladung zu dem entladenden
Kondensator hin wird aber durch die Trockengleichrichter unterbunden. Man sieht,
claß diese Anordnung zu einer erheblichen Einsparung bzw. besseren Ausnutzung der
im Entladekreis liegenden Trockengleichrichter führt.
-
Die Fig. 7 zeigt eine weitere Fortbildung der Erfindung, bei der bei
einer Verachtfachung der ursprünglichen Frequenz, d. h. bei acht Kondensatoren und
Entladeschaltern nur zwei Ladeschalter L1-4, L.-,-s Verwendung finden. Wiederum
wird von dem Gedanken ausgegangen, die Ladung für eine Gruppe von Kondensatoren
in die Zeit zu verlegen, in der diese Gruppe leer zur Verfügung steht. Die Reihenfolge
ist also die, daß vier zugehörige Kondensatoren mit dem gewünschten Abstand der
Einzelimpulse über die Entladekontakteentladen werden. Da sich die Schließzeiten
der Entladekontakte dabei überdecken, müssen zwei getrennte Ladewege mit zwei Trockengleichrichtern
io', io" im Entladezweig vorgesehen sein. Ist der Entladezyklus der vier ersten
Kondensatoren abgeschlossen, dann. beginnt der gleiche Zyklus für die vier anderen
Kondensatoren, und während der gleichen Zeit können die ersten Kondensatoren über
ihren gemeinsamen Ladeschalter L1-,. und einzelne Trockengleichrichter o', g" .
. . gemeinsam aufgeladen werden. Wie man aus dem Arbeitsdiagramm der Kontakte sieht,
überdecken sich die Ladeperioden der beiden Kondensatorgruppen nicht, so daß im
gesamten Ladekreis eine einzige Ladedrossel 8 Verwendung finden kann.
-
Bei zahlreichen der für solche Schaltungen in Frage kommenden Aufgaben
ist es wünschenswert, die Arbeitsfrequenz nicht nur stetig, sondern auch stufenweise
ändern zu können. Für die stetige Regelung kommt üblicherweise ein regelbarer Elektromotor
als Antrieb für die Kontakte in Frage, der aber mit Rücksicht auf gleichmäßigen
Lauf und tragbaren Aufwand in nicht gar zu weichen Grenzen geregelt werden sollte.
Man strebt daher an, die Arbeitsfrequenz bei gleicher Umlaufgeschwindigkeit des
Kontaktapparates durch schaltungsmäßigen Anteil in Stufen zu verändern. Derartige
Möglichkeiten entstehen im vorliegenden Fall auf sehr einfache Weise dadurch, daß
man von den für die höchste Frequenz verfügbaren Kreisen nur die Hälfte oder ein
Viertel für kleinere Frequenzen benutzt. In Fig. 8 ist die schaltungsmäßige Ausführung
einer solchen aus der Schaltung Fig. 7 gebildeten Anordnung dargestellt, bei der
gewisse Kondensatorgruppen bzw. deren Entladewege durch Wahlschalter S1, S2, S3
abgetrennt werden können. Der Schaltplan ist daneben für verschiedene Frequenzen
dargestellt, wobei die jeweils geschlossenen Schalter durch ein Kreuz markiert sind.
-
Für die Zwecke der Lichtblitzstroboskopie ist es ebenso wie auch in
manchen Fällen bei der Beaufschlagung der Zündstifte von Ignitrons unbedingt wünschenswert,
sicherzustellen, daß die Einzelimpulse in genau gleichen zeitlichen Abständen aufeinanderfolgen.
Die Mittel zur phasenmäßigen Einstellung einzelner Kontaktsätze gegeneinander sind
allgemein bekannt und brauchen hier nicht beschrieben zu werden. Es ist aber ein
besonderer Vorteil der vorliegenden Anordnung, daß man die gegenseitige Lage der
Einzelimpulse dann sehr gut kontrollieren kann, wenn man mit dem Einzelimpuls unter
Umständen in einer einfachen Glimmlampe Lichtblitze hervorruft und mit dieser die
Nockenwelle, die die einzelnen Kontakte antreibt, direkt beleuchtet. Ein auf dieser
Welle angebrachter Zeiger muß dann in der stroboskopischen Beleuchtung auf einerKreisskala
in so viel Stellungen sichtbar werden, als die Zahl der Einzelimpulse pro Umdrehung
beträgt (in der letzten Darstellung achtmal pro Umdrehung). Spielt der Zeiger in
seiner scheinbaren Stellung dabei nicht auf Winkelbeträge ein, die gegeneinander
genau 45' Differenz haben, dann muß der zugehörige Einzelkontakt in der Phase etwas
verstellt werden. Sieht man vor den Einzelkontakten Hilfsschalter vor, mit denen
man sie außer Tätigkeit setzen kann, dann ist es auch für den Ungeübten einfach
und leicht, Einzelelemente in die vorgeschriebenen Stellungen zu bringen. Ein besonderer
Vorteil dieser Methode ist der, daß die Anzeige unabhängig von der Umlaufgeschwindigkeit
der Welle ist, so daß sie auch bei sehr unruhigen Netzen jederzeit leicht vorgenommen
werden kann. An Stelle der vollkommenen Winkelteilung genügt auf der feststehenden
Skala eine Teilung in so viel gleiche Winkelbeträge, wie Impulse während einer Umdrehung
der Welle erzeugt werden. Umgekehrt kann eine entsprechende Teilung auf der Nockenwelle
in Verbindung mit einer einzigen feststehenden Marke verwendet werden, wenn man
die Glimmlampe jeweils nur über einen Kontakt betreibt.