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Amplitudenabhängiges Netzwerk in Form einer Brüdçenschaltung, insbesondere
zum Schutz von Meßinstrumenten gegen Uberströme
In der Fernmelde- und Meßtechnik
spielt das Problem der Amplitudenbegrenzung, d. h. der Begrenzung großer und der
Unterdrückung kleiner Amplituden, eine wesentliche Rolle. Die Begrenzung hat in
erster Linie den Zweck, die Gefahr einer Überlastung der Übertragungsmittel, z.
B. der Verstärker, oder die Beschädigung von Meßinstrumenten zu verringern. Es sind
zahlreiche Begrenzerschaltungen bekanntgeworden, die entweder als einfache Reihen-
oder Parallelwiderstände oder als Brückenschaltungen mit den zu schützenden Stromkreisen
kombiniert sind. Als amplitudenabhängige Widerstände dienen Röhren, Trockengleichrichter
oder Heiß- oder Kaltleiter.
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Von den Begrenzerschaltungen wird in vielen Anwendungsfällen verlangt,
daß sie für die nicht zu begrenzenden Amplituden nur eine geringe Zusatzdämpfung
hervorrufen, dagegen für die zu begrenzenden Amplitudenwerte eine möglichst hohe
Dämpfung darstellen. Handelt es sich um den Schutz von Meßinstrumenten gegen Überströme,
so soll im Anzeigebereich die Empfindlichkeit des Instrumentes nur wenig herabgesetzt,
dagegen in der Nähe des Endausschlages auch ein Schutz gegenüber sehr großen tberströmen
herbeigeführt werden.
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Das amplitudenabhängige Netzwerk gemäß der Erfindung ist in bekannter
Weise in Form einer Brückenschaltung aufgebaut, die für Amplituden ober- oder unterhalb
eines bestimmten Grenzwertes nicht abgeglichen, für darüber- bzw. darunterliegende
Amplitudenwerte dagegen abgeglichen ist. Gemäß der Erfin-
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enthält das amplitudenabhängige Netzwerk in allen vier Zweigen der Brücke nichtlineare
Glieder gleicher Amplitudenabhängigkeit, von denen zwei gegenüberliegende durch
Ohmsche Widerstände überbrückt sind. Die Polarität der nichtlinearen Glieder ist
so gewählt,-daß sie in den beiden Brückenhälften, die zwischen den mit den Eingangsklemmen
verbunde- -nen Diagonalpunkten der Brücke- liegen, gleichsinnig in bezug auf die
Änderung des Widerstandswertes in Abhängigkeit von dem durchfließenden Strom hintereinandergeschaltet
sind. Die hierbei auftretende doppelte Begrenzerwirkung hat zur Folge, daß innerhalb
des nicht zu begrenzenden Amplitudenbereiches nur eine geringe Dämpfung, dagegen
oberhalb dieses Bereiches auch durch die höchsten Überströme eine große Begrenzerwirkung
auftritt.
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In Fig. I ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens schematisch
dargestellt. Die beiden Eingangsklemmen E1 und E2 sind an die DiagonalpunkteD1 und
Da der aus den vier Gleichrichtern Gll, Gl2, Gl3 und GI, gebildeten Brücke gelegt.
Parallel zu den Gleichrichtern Gt1 und Gel3, also zwischen den Diagonalpunkten D1
und A2 bzw. D2 und A1, sind amplitudenunabhängige Widerstände R2 bzw. R1 geschaltet.
Der gegen Überströme zu schützende Verbraucher, in dem dargestellten Beispiel ein
Meßinstrument J, liegt zwischen den Diagonalpunkten A1 und A2.
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Die vier Gleichrichter sind einander gleich und :bilden daher ohne
die zusätzlichen Ohmschen Widerstände R1 und R2 eine abgeglichene Brücke. Für kleine
Ströme wird der Abgleich der Brücke durch die parallel liegen den Widerstände R1
und R2 gestört, so daß der an den Eingangsklemmen E1 und E2 zugeführte Strom nur
in geringem Maße geschwächt durch das Instrument J hindurchfließt. Mit zunehmendem
Eingangsstrom verringert sich der Widerstand der Gleichrichter. Die Gleiclrrichterwiderstände
werden gegenüber den konstanten Widerständen R1 und R2 niederohmig, so daß die Störung
des Brückengleichgewichtes durch die Widerstände R1 und R2 in immer geringerem Maße
in Erscheinung tritt. Dies hat zur Folge; daß von einem gewissen Wert des Eingangsstromes
ab der durch das Instrument hindurchfließende Strom praktisch keine Zunahme mehr
erfährt.
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Wie eingangs schon erwähnt, zeichnet sich die Anordnung gemäß der
Erfindung durch eine doppelte Strombegrenzerwirkung aus. Diese besteht darin, daß
die Spannung zwischen den Eingangsklemmen E1 und E2 infolge der Stromabhängigkeit
des Brückenwiderstandes zwischen den Diagonalpunkten A1 und A2 nicht proportional
mit dem Gesamtstrom, sondern in geringerem Maße zunimmt. Außerdem tritt infolge
der abnehmenden Gleichrichterwiderstände ein mit zunehmendem Gesamtstrom abnehmender
Parallelwiderstand zum Instrument in Erscheinung.
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Bei gutem Abgleich der Brücke, der sich, wie Versuche ergeben haben,
in ausreichender Weise erfüllen läßt, wenn die Gleichrichter ähnlich wie bei Ringmodulatoren
ausgesucht werden, ergibt sich eine Begrenzerwirkung, wie sie in den Fig. 3, 3a
und 4 in Form von:Meßergebnissen dargestellt ist. Die Messung erfolgte an Hand der
später zu erläuternden, in Fig. 2 dargestellten Schaltung. Die Kurven A und B gelten
für zwei verschiedene lRemessungsfälle; In Fig. 3 ist der durch das Instrument hindurchfließende
Strom in Mikroampere in Abhängigkeit von dem Gesamtstrom in Milliampere dargestellt.
Fig. 3a zeigt die Begrenzerwirkung -in vergrößertem'Maßstab für kleine Ströme.
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Zum Vergleich ist die Kurve O für das Instrument ohne Begrenzer eingezeichnet.
Es zeigt sich, daß im Bemessungsfall A für kleine Ströme die Empfindlichkeit nur
wenig gegenüber dem Instrument ohne Begrenzer zurückgeht. Die Begrenzerwirkung ist
in beiden Bemessungsfällen für große Ströme so stark, daß ober--halb etwa 0,2 mA
Gesamtstrom praktisch keine Zunahme des das Instrument durchfließenden Stromes eintritt.
Es läßt sich ein Verhältnis der Nullempfindlichkeit zu Vollausschlagempfindlichkeit
von Ion:1 und mehr bei nur geringer Einbuße an Empfindlichkeit in der ersten Skalenhälfte
erzielen.
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In Fig. 4 ist außer den Instrumentenströmen noch die Eingangsspannung
für beide Bemessungsfälle in Abhängigkeit von dem logarithmisch aufgetragenen Gesamtstrom
dargestellt. Die Spannungskurven UEjg zeigen, daß, wie oben ausgeführt wurde, die
Spannung nicht proportional, sondern in geringerem Maße mit der Zunahme des Gesamtstromes
ansteigt.
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Soll der Instrumentenanzeiger im Arbeitsbereich des Begrenzers die
Skala nicht überschreiten, werden der Bemessungsfall B und ein Instrument mit +
Mikron ampere Vollausschlag gewählt. Die Empfindlichkeit geht dabei in der ersten
Skalenhälfte um etwa. 30 bis 500!o zurück. Die obere Grenze ist durch die Belastbarkeit
der als Begrenzer benutzten Gleichrichter gegeben und liegt bei etwa 2 mA Gesamtstrom,
also bei rund hundertfachem Überstrom.
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Soll dagegen ein Übersteigen der Skala im Rahmen eines für das Instrument
unschädlichen Überstromes zugelassen werden, so wird eine Bemessung entsprechend
den Kurven A gewählt, und die Instrumentenempfindlichkeit so groß gemacht, daß der
Zeiger bei dem im Gebiet mittelgroßer Gesamtströme erfolgenden Rückgang des Instrumentenstromes
noch am Anschlag liegenbleibt. Auf diese Weise wird eine Irreführung durch die Umkehrung
der Zeigerbewegung. verhindert und eine sehr hohe Oberlastbarkeit erreicht. Gleichzeitig
gehen die Anforderungen an die Symmetrie der Brückenschaltung zurück, da die Instrumentenströme
im Gebiet: größerer Gesamtströme bei wechselnder Stromrichtung verschieden groß
sein dürfen, weil sie nicht beobachtet werden können. Wählt man z. B. einen maximalen
fünffachen Überstrom im Instrument, so beträgt die im Begrenzer verursachte Empfindlich
keitsverringerung bei kleinen Strömen nur etwa zu 0/, über die ganze Skala, während
andererseits bei voller Ausnutzung der Gleichrichter eine fünfhundertfache Überschreitung
des bei Vollausschlag fließenden Stromes zugelassen werden kann.
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Durch Wahl anderer Gleichrichter, anderer Widerstände R1, R2 und
eines anderen Instrumentenwiderstandes lassen sich entsprechende B egrenzerwirkungen
auch für beliebige andere Instrumentenströme erzielen.
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Bei der Bemessung kommt es lediglich auf eine günstige Anpassung der
Spannungsabhängigkeit des Instrumentes an die Spannungsabhängigkeit der Gleichrichter
an.
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Die in Fig. I dargestellte Begrenzerschaltung wirkt wegen der Richtwirkung
der Gleichrichter nur bei Strömen in einer Richtung. Um beide Stromrichtungen zu
begrenzen, können die Gleichrichter in jedem Brückenzweig doppelt, in entgegengesetzter
Durchlaßrichtung geschaltet, ausgeführt werden. Da eine solche Maßnahme eine erhöhteAbgleicharbeit
zur Folge hätte, ist es günstiger, nur eine abgeglichene Brückenschaltung zu verwenden
und dieEingangsklemmen an dieBrücke entsprechend der Schaltung nach Fig. 2 anzuschalten.
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Es wird also eine aus den Gleichrichtern G15 bis G18 gebildete Graetzschaltung
davorgeschaltet. Die Anforderungen an die Symmetrie der zusätzlichen Gleichrichterschaltung
sind gering, so daß ein besonderer Abgleich nicht notwendig ist.
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Die Schaltung nach Fig. 2 zeigt außerdem die zusätzliche Einschaltung
eines Potentiometerwiderstandes P zwischen den beiden Gleichrichtern Gt1 und Gel4.
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Auf diese Weise kann durch Einstellen des Potentiometerabgriffes,
an dem der Diagonalpunkt D1 angeschlossen ist, der Briickenabgleich bei großen Strömen
wesentlich erleichtert werden.
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Die dargestellten Schaltungen können nicht nur zum Schutz von Meßinstrumenten
dienen, sondern lassen sich auch als Amplitudenbegrenzer für Wechselstromkreise
verwenden. Eine Frequenzgrenze ist dabei lediglich durch die Eigenkapazität der
Gleichrichter bzw. anderer in der Schaltung verwendeter, nichtlinearer Glieder gegeben.
Durch Umpolung des Steuerstromes und Anwendung geeigneter Gleichrichter in der Brückenschaltung
G11 bis G14 kann ein trägheitsloser Amplitudendehner erhalten werden.
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Werden an Stelle der Gleichrichter Heiß- oder Kaltleiter verwendet,
so erhalten infolge der Wärmeträgheit dieser Elemente die Amplitudensiebe eine träge
Wirkung, so daß sie für Dynamikdehner und Dynamikpresser verwendet werden können.
Amplitudensiebe mit träger Wirkung lassen sich auch mit Gleichrichtern verwirklichen,
wenn der Steuerstrom der Brückenschaltung durch einen Kondensator geglättet wird
und vom Speisegleichrichter herrührende Verzerrungen durch einen genügend kleinen
Innenwiderstand der Wechselspannungsquelle unwirksam gemacht werden.
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PATENTANSPUCHE I. Amplitudenabhängiges Netzwerk in Form einer Brückenschaltung,
die für Amplituden ober-oder unterhalb eines bestimmten Grenzwertes nicht abgeglichen,
für darunter- bzw. darüberliegende Amplitudenwerte jedoch abgeglichen ist, insbesondere
zum Schutz von Meßinstrumenten gegen Überströme, dadurch gekennzeichnet, daß in
allen vier Zweigen nichtlineare Glieder gleicher Amplitudenabhängigkeit liegen,
von denen zwei gegenüberliegende durch Ohmsche Widerstände überbrückt sind, und
daß die Polarität der nichtlinearen Glieder so gewählt ist, daß diese in den beiden
Brückenhälften, die zwischen den mit den Eingangsklemmen verbundenen Diagonalpunkten
liegen, gleichsinnig (in bezug auf die Änderung des Widerstandswertes in Abhängigkeit
von dem durchfließenden Strom) hintereinandergeschaltet sind.