DE836052C - Verfahren zur UEberwachung und Regelung der Frequenz einer sinusfoermigen Spannung durch Vergleich mit einer Eichfrequenz - Google Patents

Description

In der Fernmeldetechnik ist es häufig notwendig, über zwei oder mehrere Spannungserzeuger zu verfügen, die voneinander entfernt sind und deren Frequenzen möglichst übereinstimmen sollen. Dies trifft beispielsweise für Trägerstromübertragungen auf einem einzigen Seitenband zu.

Ein einfaches Mittel besteht darin, die Erzeuger auf elektronischem Wege zu synchronisieren. Dieses Mittel weist jedoch den folgenden schweren Mangel auf: ein Schwingungserzeuger, der von einer Spannung mitgenommen werden kann, deren Frequenz von seiner Eigenfrequenz vielleicht verschieden ist, kann nur eine verhältnismäßig geringe Stabilität besitzen. Wenn demnach die synchronisierende Spannung nachläßt oder verschwindet, wird der vorher in Zwang gehaltene Schwingungserzeuger sofort gegen die Frequenz des Führungsgenerators eine Abweichung zeigen, die erheblich sein kann und in jedem Fall unvorhersehbar ist.

Man kann diesen Nachteil vermeiden und eine empfindliche sowie genaue Regelung der Frequenz Fl eines örtlichen Generators einer sinusförmigen Spannung in bezug auf eine als Eichwert angenommene Führungsfrequenz Fp erzielen, wobei dennoch die örtliche Frequenz bei Verschwinden der Führungsfrequenz den Wert behalten kann, den sie im Augenblick dieses Verschwindens hatte und der sich ziemlich lange erhalten kann. Die eigene Stabilität des örtlichen Generators kann dabei nur günstig wirken.

Dieses Ergebnis kann erzielt werden durch Anwendung eines Verfahrens, das in der Ausnutzung des Umstandes besteht, daß, wenn zwei sinusförmige Spannungen Vj₄ und Vp sich auf der gleichen Frequenz befinden, zwischen ihnen eine konstante Phasenver-

Schiebung α besteht und daß, wenn die beiden betrachteten Frequenzen verschieden sind, die Phasenverschiebung α proportional mit der Zeit je nach dem Vorzeichen der Differenz zu- oder abnimmt.
Nach diesem V"erfahren wird die örtliche Spannung einerseits der Führungsspannung und andererseits dieser gleichen Spannung, die um einen Winkel Θ in der Phase verschoben ist, zugefügt. Die beiden so erhaltenen Summen werden gleichgerichtet und die sich

ίο ergebenden Ströme, je nach dem verfolglen Zweck, in verschiedener Weise verwendet.

Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung dieses Verfahrens mit dem Ziel, die Abweichung zwischen der Orts- und der Eichfrequenz zwischen zwei Grenzen zu halten und eine Berichtigung nur vorzunehmen, wenn die Abweichung der Frequenzen einen bestimmten Grenzwert erreicht.

Wie bei dem ei wähnt en Verfahren wird die örtliche Spannung einerseits der Führungsspannung und andererseits dieser Führungsspannung zugeführt, die um einen Winkel Θ in der Phase verschoben ist, dessen

Wert hier annähernd _< beträgt.

Wie bei der Durchführung des obenerwähnten Veras fahrens werden die beiden so erhaltenen Summen polarisierten Gleichrichtern in der Weise zugeführt, daß diese nur unter gewissen Phasenbeziehungen zwischen der Orts- und der Führungsspannung stromdurchlässig sind. Wenn sie nicht in Phase von einer der beiden zugeführten Spannungen erregt werden, befinden sie sich im allgemeinen nicht in den gleichen Betriebsbedingungen. Die Folge der möglichen Betriebszustände ist die: die beiden Gleichrichter sind zunächst gesperrt, dann tritt in dem ersten ein Strom auf und j wächst, während der zweite seinerseits zu liefern be- j ginnt; der Strom des ersten Gleichrichters verschwin- j det dann, danach der des zweiten und der ursprüngliche Zustand kehrt wieder. Es bestehen demnach vier mögliche Zustände: kein Strom, Strom in einem Gleichrichter, in beiden, in dem anderen Gleichrichter. Je nachdem die Phasenverschiebung

α = 2n(F_L — F_p)-t

positiv oder negativ ist, tritt die Folge dieser vier Zustände in dem einen oder anderen Sinne auf.

Der Strom des einen der Gleichrichter wird zur Berichtigung der Frequenz des örtlichen Generators benutzt, wobei die Wahl des Stromes, der die Berichtigung bewirkt, bestimmt wird durch die Reihenfolge, in welcher die vier oben beschriebenen Zustände aufeinander gefolgt sind.

Diese Anordnung bewirkt eine Berichtigung jedesmal, wenn die Phasenverschiebung α zwischen den verglichenen Spannungen einen vielfachen Wert von 2 π erreicht.

Damit die Berichtigung nur vorgenommen wird, wenn die Abweichung der Frequenzen einen vorbestimmten Grenzwert erreicht, sieht die Erfindung eine Verbesserung vor, die sich dadurch kennzeichnet, daß jede der beiden in der bekannten und obenerwähnten Weise erhaltenen Summen, nach Selektion, zu der mathematischen Ableitung der anderen addiert wird und die beiden so erhaltenen neuen Summen benutzt werden, um die Berichtigung der Ortsfrequenz zu bewirken und das Vorzeichen dieser Berichtigung zu bestimmen.

Zu diesem Zweck werden nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung, nachdem die örtliche Spannung einerseits mit der Führungsspannung und

andererseits mit der gleichen, um in der Phase ver-

schobenen Führungsspannung addiert und die beiden so erhaltenen Summen gleichgerichtet wurden, die resultierenden Ströme in die erste Spule eines Relais mit -zwei Wicklungen geschickt.

Die zweite Spule des ersten Relais wird von einem Strom durchflossen, der von dem das andere Relais durchfließenden Strom durch einen Kondensator abgeleitet ist, der ihn in solcher Weise in der Phase verschiebt, daß die beiden Wicklungen dieses ersten Relais der Sitz von Strömen sind, die ihren Höchstwert im gleichen Augenblick erreichen, in dem die Differenz der verglichenen Frequenzen das gewünschte Vorzeichen hat. Umgekehrt sind bei dem zweiten Relais die beiden Wicklungen der Sitz von Strömen, die ihren Höchstwert zu gleicher Zeit erreichen, wenn die Differenz der Frequenzen das entgegengesetzte, Vorzeichen hat.

Da die die zweiten Spulen jedes Relais durchfließenden Ströme durch Ableitung der Hauptströme erhalten werden, nehmen sie in dem Maße ab, wie deren Frequenz abnimmt, d. h. daß die Ortsfrequenz sich der Führungsfrequenz nähert. Wenn sie genügend angenähert ist, kann kein Relais mehr seinen Anker anziehen. Der kleinste Wert der Differenz der Frequenzen, von dem an das eine der Relais seinen Anker anzieht, kann durch die Wahl der Elemente des Stromkreises vorbestimmt werden.

Das Merkmal, daß eine Berichtigung nur eintritt, wenn die Abweichung der Frequenzen einen gegebenen wo Wert erreicht, bietet den Vorteil, daß diese Berichtigung nur mit dem unerläßlichen Minimum an Häufigkeit bewirkt wird. Infolgedessen wird der zu regelnde Schwingungserzeuger so selten wie möglich beeinflußt, und die Stabilität dieses Schwingungserzeugers wird ebenso selten in Gefahr gebracht, beeinträchtigt zu werden. Insbesondere im Fall von Schwingungserzeugern, die auf sehr kurze Wellenlängen abgestimmt sind, rufen nämlich die dauernd wiederholten Regelungen häufig eine gewisse !Instabilität des Schwingungserzeugers hervor.

Als Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zwei Schaltungen in Abb. 1 und 2 dargestellt.

Die Schaltung der Abb. 1 ist eine Ausführungsform mit zwei Relais, die zwei Wicklungen besitzen.

Die Schaltung der Abb. 2 ist eine geänderte Ausführung.

Abb. 3 veranschaulicht die verschiedenen, bei diesen Schaltungen auftretenden Spannungen.

Bei der Schaltung der Abb. 1 liegt die Führungsspannung U_p mit der Eichfrequenz F_p in bekannter Weise über einen Transformator 3 mit Mittelanzapfung und über die Phasenschieberanordnung der Widerstände 18, 18' und Kondensatoren ig, ic/ an den Kathoden der beiden Dioden 1 und 2. Der Mittelpunkt der Sekundärwicklung des Transformators 3 ist mit

dem Punkt niedrigen Potentials der Schaltung üben" die Sekundärwicklung eines Transformators 4 verbunden, dessen Primärwicklung von der Spannung Ul mit der Ortsfrequenz Fj, gespeist wird. Die Dioden 1 und 2 werden durch eine in Reihe mit der Sekundärwicklung des Transformators 4 geschaltete Batterie vorgespannt.

Die Spannung U_p ruft zwei Spannungen U_p ^l und Up- hervor, die annähernd um 90" in der Phase verschoben sind.

An der Diode 1 sind die Ortsspannung Uj, und die Ftihningsspannung f_p ^l in Reihe wirksam; an der Diode 2 die Ortsspannung und eine Führungsspannung fp², die um ' gegen fp¹ in der Phase verschoben

und von gleicher Amplitude ist.

Die Dioden 1 und 2 speisen zwei Relais 6 und 7, von denen jedes zwei Wicklungen besitzt. Da die Schaltung symmetrisch ist, wird nur die eine Hälfte beschrieben werden.

Die erste Wicklung des Relais 6 (in Abb. 1 links) wird von der Diode 1 direkt gespeist. Bei α geht ein Abzweig ab, der einen Kondensator C in Reihe mit einem Widerstand R umfaßt. Bei b geht eine Verbindung zu der zweiten Wicklung des Relais 7 ab. Im Fall der dargestellten Schaltung erfolgt diese Verbindung über eine Triode 20.

Die Relais 6 und 7 steuern das Öffnen oder Schließen der Leitungen Li und Li, welche eine Bericht ig ungseinrichtung je nach dem Vorzeichen der erforderlichen Korrektion in dem einen oder anderen Sinne betätigen. Wenn die Ortsfrequenz Fj₄ von der Führungsfrequenz/<",, abweicht, haben die Summen (fp¹ + Ul) und (U₁,- 4 Ul) eine zeitlich veränderliche Amplitude mit der Frequenz Fj, — F₁,und erreichen ihr Maximum

bei einer Verschiebung von (<>>j, — "■>?) · t — _; .

Es sei angenommen, daß (Up¹ + UJ₄) durch sein Maximum vor (fp² t UJ₁) hindurchgeht und daß dies einer Voreilung der Ortsfrequenz entspricht (Pfeil 17 in Abb. 3).

In dem Augenblick, wo der durch die Diode 1 gleichgerichtete Strom ein Maximum hat, ist die Spannung Ua an den Klemmen der ersten Wicklung des Relais 6, die als reiner Widerstand betrachtet wird, negativ. Wenn dieser Strom abnimmt und das Verhältnis zwischen den Amplituden von Up¹ (— U_p ^l) und Uj, so groß gewählt wurde, daß die gleichgerichteten Ströme im wesentlichen sinusförmig sind, nähert sich die Spannung Ua einem Nullwert, und dank dem Kondensator C und dem ■ Widerstand R erscheint in dem Punkt b eine positive Potentialdifferenz Ub, die

ihr Maximum ---- ¹^' ^J '

4· (Pl

einheit) nach dem des von 1 gleichgerichteten Stromes erreicht.

Das ist gerade der Augenblick, in dem der von 2 gleichgerichtete Strom selbst ein Maximum aufweist (Kurve Uc in Abb. 3). Die bei b entwickelte Spannung wird dem Gitter der in der Nähe des Kennlinienknickes vorgespannten Röhre 20 zugeführt und gestattet, wenn sie positiv ist, den Durchgang eines Stromes in der zweiten Wicklung des Relais 7, das, wäh-

v,- Sekunden (-- als Winkel-

Fp) ^v 2

end seine erste Wicklung von dem durch 2 gleichgerichteten Strom durchfbssen wird, seinen Anker anziehen kann. Die Relais 6 und 7 sind so eingestellt, daß sie unter der Wirkung der ihre erste Wicklung durchfließenden gleichgerichteten Ströme allein nicht arbeiten können, sondern nur dank einer genügenden zusätzlichen Wirkung, die von den Anodenströmen der Röhren 20 oder 21 hervorgebracht wird.

Wenn der von 2 gleichgerichtete Strom derart abnimmt, daß die Spannung Ud in dem Punkt d ihren höchsten positiven Wert erreicht, befindet sich der von ι gleichgerichtete Strom in diesem Augenblick in der Nähe seines Minimums, und das Relais 6 kann nicht arbeiten.

Umgekehrt könnte bei einer Nacheilung der Ortsfrequenz gegen die Führungsfrequenz nur das Relais 6 seinen Anker anziehen, der den Kontakt schließt, welcher die Leitung Li schließt, die zur Berichtigung des örtlichen Generators in dem gewünschten Sinne benutzt wird.

Es sei Ω = 2 π ■ (Fl — Fp) die Differenz zwischen den örtlichen und den Führungspulsationen. Bei einer gegebenen Potentialdifferenz an den Punkten λ und c bestimmt das Produkt RC zugleich den Wert der Phasenverschiebung zwischen Ua und Ub einerseits, Uc und Ud andererseits und die Amplitude der Spannungen Ub und Ud. Das Produkt RC wird demnach in Abhängigkeit von den Freqaenzabweichungen gewählt werden, die zu erwarten sind und die man erfassen will. Wenn Ω unter dem festgesetzten Minimum liegt, reichen die Spannungen bei b und d nicht aus, um die erforderliche Anregung der Relais zu liefern, und es wird keine Korrektion vorgenommen.

Es ist hervorzuheben, daß der Wert der Pnasenverschiebung zwischen b und α oder c und d in keine: Weise kritisch ist und diß, wenn sie von dem optimalen

Wert _; infolge einer Zunahme von Ω abweicht, die

bei b entstehende Spannung gleichzeitig ansteigt, wodurch das Relais, welches arbeiten soll, in jeder W^reise am meisten bevorzugt bleibt.

Wenn die Spannungen U_p und Uj₁ verschiedene Amplituden haben, werden die Dioden so vorgespannt, daß die Gleichstromkomponenten, die sich aus dieser Differenz ergeben wurden, unterdrückt oder vermindert werden.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Abb. 2 ist prinzipiell die gleiche wie die der Abb. 1. Die Röhren 22 und 23 sind so weit über den Knick hinaus vorgespannt, daß die negativen Spannungen Ua und Uc, die' an den Klemmen der Kathodenwiderstände 13 und 14 auftreten, nicht ausreichen, um sie zu entsperren. Die bei b und d von den Spannungen Ua und Uc abgeleiteten positiven Spannungen liefern unter den obenerwähnten Phasenverhältnissen die Anregung, die für das Auftreten eines Anodenstromes in einer der Röhren 22 oder 23 erforderlich ist, je nach dem Vorzeichen der Differenz der örtlichen und der Führungsfrequenz, und wenn diese Differenz das vorher gewählte Minimum unterschreitet. Der so erhaltene Anodenstrom durchfließt eine der Verbrauchsimpedanzen 15 oder 16 (Wicklung eines Motors, Wähler usw.), welche die erforderliche Korrektion vornimmt.

Bei der Schaltung der Abb. ι besteht die Hauptrolle der Röhren 20 und 21 darin, daß sie die Verwendung eines hohen Widerstandes R in Verbindung mit dem Kondensator C gestatten, so daß dieser einen annehmbaren Wert auch in dem Fall hält, wo das Gerät äußerst geringe Frequenzabweichungen berichtigen soll.

Bei größeren Abweichungen, die z. B. erhalten werden, wenn man mit hohen Vielfachen der Grundfrequenzen arbeitet, wäre es möglich, die zweiten Spulen der Relais 6 und 7 unmittelbar als Speisewiderstände für die Kondensatoren C zu verwenden.

Bei der Schaltung der Abb. 2 haben die Röhren 22 und 23, außer der oben dargelegten Rolle, die Aufgäbe, die Summe der Spannungen Ua, Ud und Uc₁ Ub zu bilden, und zwar unter Herstellung der erforderlichen Phasenumkehrungen.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Verfahren zur Berichtigung der Frequenz einer

   sinusförmigen Spannung durch Vergleich mit der Frequenz einer sinusförmigen Eichspannung, bei welchem die zu vergleichende Spannung einerseits zu der Eichspannung und andererseits zu dieser

   ungefähr — in der Phase verschobenen Spannung

   zugefügt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden so erhaltenen Summen nach Gleichrichtung zu der mathematischen Ableitung der anderen addiert wird und die beiden so erhaltenen neuen Summen dazu benutzt werden, um die Frequenz der zu vergleichenden Spannung in dem gewünschten Sinne zu berichtigen.
2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Elemente für die Steuerung der Berichtigung umfaßt, von welchen jedem unmittelbar eine der gleichgerichteten Summen und außerdem eine von der anderen Summe abgeleitete Spannung zugeführt wird, die durch einen Phasenschieberkreis

   um — verzögert wird, wobei diese Steuerelemente

   nur unter der Einwirkung der abgeleiteten Spannung, welche ihnen zugeführt wird, in Tätigkeit treten können.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelemente Relais mit zwei Wicklungen sind, von denen die eine die der einen der beiden gleichgerichteten Summen entsprechende Spannung und die andere die von der anderen Summe abgeleitete Spannung erhält.

   4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelemente Röhren sind, die an einer ihrer Elektroden die der einen der gleichgerichteten Summen entsprechende Spannung und an einer anderen Elektrode die von der anderen gleichgerichteten Summe abgeleitete Spannung erhalten, wobei eine dritte Elektrode die Einrichtung zur Berichtigung der zu vergleichenden Frequenz speist.

   5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeleiteten Spannungen den Steuerelementen über Verstärkerröhren zugeführt werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   3795 3. S2