-
Schaltungsanordnung zur Effektivwertanzeige von Wechselspannungen
mit Gleichrichtern
Um bei Wechseispannungen oder Strömen, deren kurvenformenirgendwie,
auchsunsymmetrisch, stakr verzertt sein können, eine Effektivwertanzeige zu erhalten,
sieht die Erfinldunlg vor, nicht wie bisher mit einer quadratischen Gleichrichtung
zu arbeiten, sondern zur Gleichrichtung einen im lvesentlichen linearen Gleichrichter
zu benutzen und die quadratische Beziehung durch Verzerrung des Gleichstromes zu
gewinnen. Hierdurch wird es möglich, einen gegenüber der üblichen quadratischen
Gleichrichtung bedeutend größeren Aussteuerungsbereich und Wirkungsgrad zu erhalten.
Ebenso ergibt sich damit aber auch ein großer Frequenzbereich, da der Frequenzbereich
im wesentlichen nur durch die lineare Gleichrichtung festgelegt ist.
-
Da es sich bei den Effektivwertmessungen oft um stark, auch unsymmetrisch,
verzerrte Kurvenformen handelt, wird die zunächst erforderliche lineare Gleichrichtung
zweckmäíßig in einer Doppelwegschaltung vorgenommen. Zur linearen Gleichrichtung
können beispielsweise Dioden oder auch Kupferoxydulgleichricdher verwendet werden.
-
Dioden haben den Vorteil weitgehender Frequenzunabhängigkeit und einer
sehr linearen Gleichrichtung, erfordern allerdings große Spannungen.
-
Man hat dabei auch die Möglichkeit, die Dioden in
einem
Glaskolben zu vereinigen. Wird sowieso ein Verstärker vorgeschaltet, so kann durch
Verwendung der bekannten Verbundröhren, die Dciodenstrecken enthalten, der Aufbau
noch weiter vereinfacht werden.
-
Bei Kupferoxydulgleichrichten stört vor allem der Einfluß ihrer großen
Kapazität, die insbesondere bei höhere Frequenzen die Messung beeinflußt.
-
Die Doppelwegschaltung kann, wie es z. B. in Ider Fig. 1 rdargestellt
ist, als normale Doppeltwegschaltung mit symmetrischem Eingang, z.B. Übertrager
(Drossel oder Gegentaktverstärker), oder als Graetzschaltung ausgebildet sein. Die
Art der Schaltung hängt vom geforderten Frequenzbereich und der erforderlichen Anpassung
ab.
-
Zur Verzerrung des durch den Gelcihrichter, z.B. die Duodiode DD,
gelieferten Gleichstromes wird insbesondere in zusätzlicher Gelichrichtet Gl und
ein so gewählter linearer Widerstand Rv benutzt, daß der durch Idiese Reihenschaltung
fließende Strom i sich im wesentlichen quadratisch mit der angelegten Gleichspannungu
ändert. Das in Reihe mit dem Widerstand Rv liegende Anzeigeinstrument J, dessen
Wiedestand insbesondere klein gegenüber dem Widerstand Rv sein soll, z. B. mindestens
etwa 1/3 Rv, zeigt dann den zeitlichen Mittelwert des Stomes i der Reihenschaltung
amn. Wrid P, nicht zur Temperaturkompensation benutzt, sondern die Temperatur z.
B. durch Einbau in einen Thermostaten konstnat gehalten, kann Rv voll durch den
Instrumentenwiderstand gebildet werden, wodruch der Wrikungsgrad noch größer wird.
Infolge der vorgangegangen linearen Gliehcrichtung entspricht die Anzeige dem erfkrtiven
Mittelwert der Meß spannung M-Besonders vorteilhaft benut man als zusätzlchen Gleichrichter
Gl einen Kupferxoydulgeichrichter und als Reihenwiderstand Rv einen Kupferoxydwinderstand.
Der Temperaturkoeffiziernt eines Kupferoxydwiedestandes stimmt etwa mit dem des
Kupferoxydulgeichrichters bei einer Aussteuerung von etwa + 200 mV je Scheibe überein.
Auf diese Weisebleibt auch bie großen Temperaturänderungen der Exponent n # 2 der
Kennlinie weitgehend er -halten.
-
In der Fig. 2 sind für eine Reihenschaltung von Kupferoxydulglichrichter
und Kupferoxydwiderstand edie einzelnen Kennlinier für den in Frage kommenden Aussteuerungsbereich
aufgezeichnet.
-
An Stelle des Stromes @ sit die Stro@@@@@@ @@@ F getragen, so daß
die Kennlinie allgemeingültig für alle Scheibengrößen ist. die Kurve 1 ist die Kennlinie
für den Vorschaltwiderstnad RV, die Kurve 2 die Kennlinie des Kupferoxydulgleichrichters
ohne Vorwiderstna dun die Kurve 3 die Kennlinie der Reichernschaltung asu Gelcihrichtet
und Vorwiderstand. Außerdem istnochein Kurve 4 eingezeichnet, die die ideale Kennlinie
für die Beziehung = = const # u2 darstellt. Aus dieser Kennliniendarstellung ist
ender günstige Einfluß des Reihenwiderstandes R, sofort zu ersehen. Der Strom i
in dieser Reihenschaltung ändert sich nämlich über einen großen Aussteuerungsbereich
annähernd nach einem quadratischen Gesetzt mit der an ihr liegenden Gleichspannung
u (u und i sind die Momentanwerte). Es gilt also mit großer Annäherung i = const
un, wobei n = 2 ist. Der günstigste Wert für Rv ist bei + 25°C 100# Rvohm # # m,
Fcm2 wobei F die Fläche der Gleichrichterscheibe und m die Anzahl der in Reihe geschalteten
Scheiben bedeuten. Dieser Wert gilt zunächst nur für die eine Tempertur von + 25°C
genau. Bei Anwendung in einem großen Temperaturbereidh wird man bie sehr hohen Anforderungen
an die Meßgenauigkeit die Schaltung zweckmälßig in einem Thermostaten einbauen.
Bel gericntern Anforderungen genügt es im allgemeinen jedoch, den Reihenwidestand
Rv als Kupferoxydwidestnd auszubilden.
-
Da sich der Absolutwert das Stromes i bei konstanter Meßspannungu,
d. h. also die Empfindlichkeit der Schaltung mit der Temperatur ändert, wird vorteilhaft
noch eine zweite Temperaturkompensation z.B. durch Kupferoxydwiderstände vorgesehen,
die entweder im kreis des linearen Gleichrichters oder in einem vorgeschalteten
Verstärker angeordnet sein kann. Da bei konstanter Spannung u der Anzeigestrom i
mit wachsender Temperatur zunimmt, muß zur Kompensation dieses Fehlers das Verhätlnis
von Gelichspannung u zm Meßspannung uM mit wahender Temperatur abnehmen. Bei Strommessungen,
bei denen im allgemeinen ein großer Widerstand Rgr vorgeschaltet ist, wie es z.
B. die Fig. 3 a und 3b zeigen, kann Idie Temperaturkompensation in einfacher Weise
durch einen neiderhomige Parallelwider tand Rp z.B. aus Kupfexoyd erfolgen. Bei
Schaltungne mit voegeschaltetem Verstärker, wie es z. B. in der Fig. 4 schematisch
dargestellt ist, kann diese Temperaturkompensation z.B. durhc eine temepraturabhängige
Spannungsgegenkopplung z.B. über einen Kupferoxydwiderstand Rg erfolgen.
-
Durch die Anwendung feder Erfindung wird es möglich, den Exponenten
fl 2 über einen sehr großen Aussteuerungsbereich bei einer verhältnismäßig großen
Stromaussteuerung des Kupferoxydulgleichrichters einzuhalten, wie es z.B. die Fig.
2 zeigt. Im Bereich von etwa 20 bis 200 mV verläuff dort die Knenlinie des Gleichrichter
smit Vorwiderstand in der logairthmishc Darstellung ziemlich genau geradlinig. Man
hat so die Möglichkeit, den Anzeigebereich zu erweitern; z. B ist es möglich, ein
Aniegeinstrument mit wurzehläßiger Abhängigeit des Instrumentenausschlages vom Stom
zu verwenden, beispielwaeise ein Instrument mit ausgeschliffenen Poslchuhen. Man
erhält dann eine Effektivwertanzeige mit annähernd linearer Skala. Der Wirkungsgrad
ist dabei außerordentlich gut, trotz der sich bei Anwendung der doppelten Temperaturkompensation
ergebenden Verluste. Es wird daher möglich, eine gewisse Übersteuerungs-
reserve
vorzusehen, so daß auch bei stark verzerrten Kurvenformen der Effektivwert ncoh
recht genau angezeigt wird. Infolge der großen Stomaussteuerung des Kupferoxydulgeichrichters
ergitbt sich ein verhältnismäßig kleiner Scheiben'durchmesser, wodurch der Aufbau
noch vereinfacht wird.
-
Der Frequenzbereich ist im wesentlichen durch die lineare Gleichrichtung
festgelegt. Insbesondere verwendet man bei leder Anordnung Dioden, um auch bei höheren
Frequenzen günstigere Werte zu erhalten. Bei Verwendung von Kupferoxydulgleichrichtern
kann eine gewisse Abweichung der Anzeige vom Effektivwert (zu große Anzeige) bei
hohen Frequenzen duch die Zeitkonstante #gl des Kupferoxydulgleichrichters hervorgerufen
werden. Diese ist gegeben durch den aussteuerungsabhängigen Gleichrichterwiderstand
Rgl und die Gleichrichterkapazität Cgl. Bei +20 mV je Scheibe, das entspricht also
etwa 1/ioo der günstigsten größten Stromaussteuerung, erhält man einen Wert xgl
von etwa 2 # 10-5, das entspreicht einer Frequenz von 50 kHz.
-
Messungen an einer einfachen Schaltung entsprechend Fig. I haben bestätigt,
daß tatsächlich erst über 50 kHz ein Anstieg Ider Anzeige gegenüber dem Effektivwert
eintritt. Durch Einschalten eines niederohmigen Parallelwiderstandes zu Rj + Rv
+ Rgl, der übrigens auch zur Temperaturkompensation nach Fig. 3 benutzt werden kann,
wird in an sich bekannter Weise der schädliche Einfluß der Gleichrichterkapazität
vermindert und der Frequenzbereich noch weiter nach oben erweitert.