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Vorrichtung zur periodischen Antennenumschaltung bei Funkfeuern für
Feldstärkevergleich
Gerichtete Funksender, sog. Funkfeuer, sind bekannt, bei denen
die Sendung im Zusammenhang mit Umschaltung der Richtungscharakteristik unter gewöhnlicherweise
1 So 3 stattfindet. Diese Umschaltung findet in einem gewissen Takt statt, gewöhnlicherweise
entweder im Takt mit den Morsebuchstaben e und t oder a und n, aber auch bisweilen
im Takt mit anderen Morsebuchstaben. Die Folge hiers-on ist, daß ein Beobachter,
der sich auf der einen Seite von einer gewissen Ebene durch das Funkfeuer befindet,
nur den Buchstaben e (bzw. a) hört, während ein anderer Beobachter, der sidl auf
der anderen Seite dieser Ebene befindet, nur den Buchstaben t (bzw. n) hört. Wenn
der Beobachter jetzt von der einen Seite der Ebene zu der anderen Seite der Ebene
fährt, so wird er eine gewisse Lage einnehmen, und zwar die genannte Ebene, wo er
das Signal e und das Signal t (bzw. das Signal a und das Signaln) mit gleicher Stärke
hört. Da diese Signale durch Phasenumschaltung der Charakteristik des gerichteten
Funkfeuers entstanden sind, werden indessen die Signale einander komplettieren,
so daß ein zusammenhängender Ton gehört wird.
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Diese Funkfeuer pflegen als E-T-Feuer bezeichnet zu werden. Die Schärfe
bei der Bestimmung derjenigen Richtung, in welcher die beiden Signale mit gleicher
Stärke gehört werden, ist bei dieser Art von Funkfeuern gewöhnlicherweise sehr gut,
und deshalb werden sie immer mehr zwecks Anzeige von Fahrtrichtungen auf Land, auf
See und in der Luft benutzt.
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Obgleich die E-T-Feuer eine verhältnismäßig große Peilschärfe bieten,
haben sie doch auch gewisse Nach-
teile. Besonders groß ist die
Schwierigkeit, Phasenumschaltungseinrichtungen mit genügender Genauigkeit herzustellen.
Bislang benutzte Phasenumschalter waren gewöhnlich ziemlich kompliziert, und die
Forderung auf Genauigkeit mußte bei ihnen sehr hoch gestellt werden, damit die hohe
Peilschärfe wirklich erreicht werden konnte. Diese Umstände haben ihrem Eingang
in die Technik der E-T-Feuer entgegengewirkt.
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Die Genauigkeit bei der Peilung eines Feuers der obengenannten Art
wird nämlich erfahrungsgemäß in hohem Maße dadurch herabgesetzt, daß im Phasenumschalttmgsaugenblick
selbst, wenn die Aufmerksamkeit besonders gespannt sein muß, um zu hören, ob eine
Änderung der Tonstärke stattfindet, ein momentaner Stoß von höherer Tonstärke hörbar
wird, welcher mit der normalen Wirkungsweise des Feuers nichts zu tun hat. Die vorliegende
Erfindung gründet sich auf Untersuchungen, die ergeben haben, daß dieser Tonstoß
auf Grund einer augenblicklichen B elastungsänderung im Augenblick der Phasenumschaltung
entsteht. Zwecks Erklärung dieser Umstände wird auf Fig. I der Zeichnungen hingewiesen.
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Der Sender ist mit II bezeichnet. Er ist teils über einen Phasenumschalter
12 än eine gerichtete Antenne, z. B. eine Rahmenantenne 13, teils über einen Transformator
14 an eine ungerichtete Antenne 15 angeschlossen. Der Phasenumschalter besteht aus
einem Satz Kondensatorbelege, die durch einen Kodemechanismus I6 im Takt mit den
Morsebuchstaben e und t gesteuert werden.
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Die Wirkung der Vorrichtung ist aus Fig. 2 ersichtlich. Die Charakteristik
der ungerichteten Antenne ist in dieser Figur mit I7 bezeichnet und die Charakteristik
der gerichteten Antenne mit I8. Die beiden Charakteristiken setzen sich zu einer
gerichteten Charakteristik 19 zusammen. Es wird hierbei angenommen, daß der mit
vollen Linien gezeigte Teil der Charakteristik I8 in Phase mit der Charakteristik
17 liegt, während der mit gebrochenen Linien gezeigte Teil der Charakteristik 18
in Gegenphase liegt. Bei Phasenumschaltung des Stromes zur Rahmenantenne I3 wird
infolgedessen auch die Phase der Charakteristik I8 umgekehrt, und als Folge davon
erhält die ganze Anlage anstatt dessen die Charakteristik 20.
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Wenn die Phasenumschaltung im Takt mit den Morsebuchstaben e und
t erfolgt, welche einander bekanntlich komplettieren, so wird ein Beobachter, der
sich in der Richtung 21 vom Feuer befindet, die Buchstaben e mit einer Stärke hören,
die durch den Punkt 2z im Diagramm wiedergegeben wird, und die Buchstaben t mit
einer Stärke, die durch den Punkt 23 im Diagramm- veranschaulicht wird. Zieht sich
aber der Beobachter derart weg, daß er sich anstatt dessen in der Richtung 24 im
Verhältnis zum Diagramm befindet so hört er offenbar die Buchstaben e und t mit
der gleichen Stärke durch den Punkt 25 im Diagramm wiedergegeben.
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Bei den bislang benutzten Anlagen dieser Art hat man deshalb bei
der Beobachtung eine Richtung gesucht, in welcher ein kontinuierlicher Ton gehört
wurde. Es war indessen nicht zu vermeiden, daß der Phasenumschalter so gearbeitet
hat, daß beim Übergang des beweglichen Kondensatorbeleges von dem einen festen Kondensatorbeleg
zu dem anderen festen Kondensatorbeleg eine zufällige Belastungsänderung in denjenigen
Kreisen entstanden ist, die die Rahmenantenne I3 speisen. In dem Fall, daß der bewegliche
Kondensatorbeleg wie gewöhnlich kleiner oder gleich groß wie die Öffnung zwischen
zwei festen Kondensatorbelegen ist, wird der Sender II einer Belastungsänderung
ausgesetzt, wodurch die Belastung am kleinsten in dem Augenblick wird, wenn der
bewegliche Kondensatorbeleg des Phasenumschalters sich in der Mitte zwischen zwei
festen Kondensatorbelegen befindet. Dies führt zu einer Impedanzänderung in der
die Antenne speisenden Leitung 26, und auf Grund dieser Impedanzändenng wird die
Feldstärke der Antenne 15 verändert, beispielsweise in solcher Richtung, daß sie
vom Wert 17 (Fig. 2) zum Wert 27 vergrößert wird.
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Diese Vergrößerung tritt ein, wie oben erwähnt, in dem Augenblick,
wenn man eine eventuelle Tonstärkenänderung abhorchen soll, um zu entscheiden, ob
man sich in der Richtung 24 oder in einer davon abweichenden Richtung befindet,
und wie aus dem Diagramm ersichtlich, entsteht auf Grund der Vergrößerung eine Tendenz
zur falschen Schätzung innerhalb- eines Winkels, der durch die Linien 28 und 29
begrenzt ist. Es ist ohne weiteres aus Fig. 2 ersichtlich, daß in diesem Fall die
Genauigkeit nicht besonders hoch werden kann.
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Gemäß der Erfindung wird, mit dem Antennenumschalter mechanisch gekuppelt,
eine weitere Schaltvorrichtung angeordnet, die entsprechend dem Unstetigkeitsverlauf
des Hauptumschaltvorganges den Sender mit einer der umzuschaltenden Antenne äquivalenten
Nachbildung in der Weise zusätzlich belastet, daß die resultierende Belastung annähernd
konstant bleibt.
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Bei der in Fig. I gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ordnet man also im Zusammenhang mit dem Phasenumschalter einen Kompensationskreis
30 so im Verhältnis zu der gerichteten Antenne 13 an, daß jede vom Phasenumschalter
veranlaßte Belastungsänderung im Kreis der gerichteten Antenne weitgehend durch
eine Belastungsänderung in entsprechender Richtung im Belastungskreis 30 kompensiert
wird, so daß die Belastung des Kreises 26 sowohl mit Rücksicht auf Größe wie mit
Rücksicht auf Phase annähernd konstant bleibt, unabhängig von den vom Phasenumschalter
veranlaßten B elastungsänderungen.
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Schematisch wird die Vorrichtung nach Fig. I in Form von zwei Kondensatoren
31 und 32 gezeigt, in mechanischer Verbindung mit jedem der beweglichen Kondensatorbelege
33 und 34 im Phasenumschalter angeordnet, und so eingestellt, daß die Kapazität
jedes der Kondensatoren 31 und 32 sich gleichzeitig vergrößert, und zwar in dem
gleichen Maße, wie die Kapazität zwischen dem beweglichen Beleg 33 bzw. 34 und dessen
entsprechendem festen Beleg abnimmt. Die Kondensatoren 3r und 32 sind weiter an
einen Belastungskreis angeschlossen, beispielsweise aus einer Induktionsspule 35,
einem Kondensator 36 und einem Widerstand 37 bestehend,
welche im
Verhältnis zueinander so eingestellt sind, daß sie zusammen mit den Kondensatoren
3I und 32 sowohl mit Rücksicht auf Phase wie Größe der gerichteten Antenne 13 zusammen
mit den aus den beweglichen Belegen 33 und 34 gebildeten Kapazitäten entsprechen.
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In Fig. 3 wird der Kapazitätsveriauf im Phasenumschalter graphisch
gezeigt in der Annahme, daß die verschiedenen Kondensatorbelege so ausgeführt sind,
daß die Veränderung der Kapazität sinusförmig im Verhältnis zum Drehwinkel des Phasenumschalters
stattfindet. Die Kurve 38 zeigt die Kapazität zwischen dem Rotorbeleg 33 und dem
einen Statorbeleg, beispielsweise dem Statorbeleg 39 in Fig. I, während die Kurve
40 die Kapazitätsveränderung zwischen dem Rotorbeleg 33 und dem zweiten Statorbeleg
41 im Phasenumschalter wiedergibt. Die Kurve 42 zeigt den Unterschied zwischen den
Kurven 38 und 40.
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Wie ersichtlich, läuft die Kurve 42 durch den Nullwert mitten in der
Öffnung des Phasenumschalters, deren Begrenzungslinien durch die Lagen 43 und 44
veranschaulicht werden. Unter den oben angegebenen Voraussetzungen sollte somit
in diesem Fall eine entsprechende Belastungskompensation mit Hilfe des Kreises 30
veranlaßt werden, und zwar dadurch, daß die Kapazität der Kondensatoren 3I und 32
nach Kurven zunimmt, die in Fig. 3 mit 45 bzw. 46 bezeichnet sind. Der Unterschied
zwischen den Kurven 45 und 46 wird als Kurve 47 angegeben.
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Zur näheren Erklärung des Verlaufs im Phasenumschalter bei Kompensation
der Tendenzen zur änderung der Belastung des Senders wird auf die Fig. 4, 5, 6 und
7 hingewiesen.
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In Fig. 4 ist ein Phasenumschalter derselben Art wie der in Fig.
I gezeigte angeordnet, wobei indessen die Zeichnung insofern schematisch ist, als
der Phasenumschalter zwischen dem Sender II und derAntenne I3 in derselben Weise
gezeichnet wurde wie der Phasenumschalter zwischen dem Sender 11 und der Belastung
30.
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Die Kapazität zwischen dem beweglichen Teil 33 und dem festen Teil
39 des Phasenumschalters ist mit C, bezeichnet worden, und die Kapazität zwischen
dem beweglichen Teil 33 und dem festen Teil 41 ist mit C. bezeichnet worden. Die
gleichzeitigen Kapazitäten zwischen dem beweglichen Teil in dem gegen die Belastung
30 gerichteten Phasenumschalter und den entsprechenden festen Belegen sind mit Ca
und C4 bezeichnet worden.
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Im schematischen Diagramm bilden die verschiedenen Kapazitäten C1
und C sowie die verschiedenen Kapazitäten Ca und C4 eine Brückenschaltung in einer
Weise, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist. Bei der Bewegung des Phasenumschalterswird
die KapazitätC, Maximumwert annehmen, während die Kapazität C gleich Null wird,
und die Kapazität C Maximumwert annehmen, während die Kapazität C, gleich Null wird.
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Eine entsprechende Veränderung liegt auch mit Bezug auf die Kapazitäten
C3 und C4 vor. Es ist hierbei unmittelbar klar, daß die Spannungszuführung zur Antenne
13 umgepolt wird. Im Diagramm (Fig. 5) ist wegen der Ubersichtlichkeit die eine
Klemme des Senders mit + und die andere Klemme mit bezeichnet worden. Wenn die Kapazität
C2 gleich Null ist, wird der Stromkreis der Antenne 13 von der positiven Klemme
des Senders 11 durch die Kapazität C, und die Antenne in Richtung von links nach
rechts und danach zurück zur negativen Klemme des Senders über die zweite Kapazität
C1 verlaufen.
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Wenn die Kapazität C1 gleich Null ist, entsteht ein entsprechender
Kreis durch die Kapazität C2, und der Strom verläuft hierbei durch die Antenne in
Richtung von rechts nach links.
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In der dazwischenliegenden Lage, wenn weder C1 noch C gleich Null
ist, wird indessen die positive Klemme des Senders zur einen Seite der Antenne z.
B. über den Kondensator C, geschaltet sein, während die andere Seite des Senders
an dieselbe Seite der Antenne über den Kondensator C2 geschaltet ist.
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Wenn jetzt als Nullspannungspunkt der geerdete Mittelpunkt in der
Ausgangsseite des Senders gewählt wird und die Spannung über jede Hälfte des Senders
mit E bezeichnet wird, so erhält man offenbar eine zugeführte Spannung zur Antenne
C1 - C2 E .
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C1 + C2 oder, mit anderen Worten, proportional zu (C1 - C2).
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Dies zeigt, daß die Schaltung zwischen dem Sender und der Antenne
durch den Unterschied zwischen den beiden Kapazitäten bestimmt wird, welcher in
Fig. 3 mit der ausgezogenen Kurve 42 gezeichnet wurde.
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In entsprechender Weise wird die Schaltung zwischen dem Sender und
der Belastung 30 durch den Unterschied zwischen den Kapazitäten C und C4 bestimmt,
welcher in Fig. 3 mit der ausgezogenen Kurve 47 gezeichnet wurde.
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Es ist jetzt möglich, mathematisch auf Grund des in Fig. 5 gezeigten
Diagramms die Bedingungen dafür zu berechnen, daß. die Belastung des Senders konstant
bleiben soll. Wenn man C, = a, Q b1 f, (O) bzw. C = a3 + b3 f;a (0-) einführt, in
welchen Formelnal, bl, a3 und ba willkürliche Konstanten bezeichnen, während 0 der
Drehwinkel des Phasenumschalters ist, so erhält man als Bedingung für konstante
Senderbelastung: a12- [b1f1(O)}-' + asa - [bafa(0%)JDic.
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2 al 2 a3 In dieser Formel bezeichnet IC eine beliebige Konstante.
Die Bedingung nach dieser Formel kann selbstverständlich für jede beliebige Funktion
f,(O) erfüllt werden, da sich dann eben fa (O) entsprechend zu verhalten hat. Eine
besonders einfache Lösung erhält man indessen, wenn man einführt: b1 ba ~~ b al
a3 a Die in dieser Gleichung enthaltenen Glieder al, bl, aa und b3 sind willkürliche
Konstanten, die abhängig von der mechanischen Konstruktion des Phasenumschalters
sind, und unter der Voraussetzung, daß der gegen die Antenne gewendete Teil des
Phasenumschalters und der gegen die Belastung gewendete Teil des Phasenumschalters
in den Hinsichten, die für diese Konstante eine Redeutung haben, gleich
ausgeführt
sind, vereinfacht sich die Bedingung für konstante Belastung zur Formel: b2 a -
~ [(f, (o))2 (f3 (O))2j oder nach Ausscheidung sämtlicher Konstanten: (f, (o))2
+ (fig(0))2 = I.
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Die letztgenannte Formel ist wohl bekannt. Sie wird durch f1 = (0)
cos o F (@) (0) sin 0 erfüllt.
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Um jetzt auf Fig. 4 überzugehen, ist es möglich, unter obiger Anleitung
schließlich zu entscheiden, wie die in den verschiedenen Kondensatoren Cl, C2, C3
und C4 enthaltenen Belege verteilt werden sollen.
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Es soll weiterhin angenommen werden, daß die beweglichen Belege auf
der Drehwelle des Phasenumschalters in symmetrischer Lage angeordnet sind.
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In einem Diagramm, das 360 elektrische Grade umfaßt, wie es die Bewegung
des Phasenumschalters umfaßt, werden in Fig. 6 die beiden Rotorbelege 57 und 58
gezeigt. Mit elektrischen Graden wird die Verteilung um die sich drehende Achse
bezeichnet, wobei 360 Grade einer vollen Umschaltperiode entsprechen. Die gegen
die Antenne gewendeten festen Belege sind mit 59 und 60 bezeichnet worden, und die
gegen die Belastung gewendeten festen Belege sind mit 6r und 62 bezeichnet worden.
Wenn jetzt das Diagramm nach Fig. 6 in der Nullage aufgeschnitten und in die Ebene
ausgewickelt wird, so erhält man statt dessen das in Fig. 7 gezeigte Bild.
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Ein Phasenumschalter, der im Prinzip mit der in Fig. 7 gezeigten
Vorrichtung übereinstimmt, wird in Fig. 8 gezeigt, wo der bewegliche Teil 57 den
Statorbelegen 63, 64, 65 und 66 entspricht, während der bewegliche Teil 58 den Statorbelegen
67, 68, 69 und 70 entspricht. In gleicher Weise werden die festen Belege 59 und
60 von den Rotorflügeln 7I, 72, 73 und 74 gebildet, während der Beleg in Fig. 7
durch die Flügel 75 und 76 in Fig. 8 gebildet wird, und die beiden halben Belege
62 in Fig. 7 entsprechen den beiden halben Belegen 77 und 78 bzw. 79 und 80 in Fig.
8.
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Die beiden Rotoren sind auf derselben Welle angebracht. Sie wirken
in der folgenden Weise: Die Statorbelege 63, 64, 65 und 66 (Fig. 8) umfassen genau
ein Achtel einer Umdrehung. Dagegen sind die Rotorbelege 7I-72 und 73-74 doppelt
so breit gemacht worden, aber sind in zwei Flügel aufgeteilt worden, welche je für
sich dieselbe Form haben.
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Auf Grund der Kongruenz dieser Flügel wird während der Bewegung von
der Zeitlage 44 in die Zeitlage 54 (Fig. 3) die Kapazität des Flügels 72 zum Statorbeleg
66 mit genau derselben Geschwindigkeit herabgesetzt wie diejenige, mit welcher die
Kapazität des Flügels 71 zum Statorbeleg 66 zunimmt. Die gesamte Kapazität zwischen
den Flügeln 7I und 72 einerseits und dem Statorbeleg66 andererseits wird somit konstant
bis zu dem in Fig. 8 gezeigten Augenblick 54, wenn der Flügel 72 die Statorbelege
66 verlassen hat und zwischen die Statorbelege 63 einzutreten beginnt. Gleichzeitig
beginnt der Flügel 71 aus dem Zwischenraum zwischen den Statorbelegen 66 herauszutreten,
so daß die Kapazität des Rotors zu diesen Statorbelegen herabgesetzt wird.
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Wenn keine Rücksicht auf eventuell vorhandene Randkapazitäten genommen
wird, so wird die Form der Flügel 71, 72, 73 und 74, welche der Phasenumschaltung
den in Fig. 3 gezeigten Sinuscharakter erteilt, dadurch erreicht, daß man in radialer
Richtung Stücke absetzt, welche nach einer Sackoidfunktion, also einer sackförmigen
Kurve, bestimmt werden, d. h. nach der Formel
In dieser Formel bezeichnet r den Radiusvektor vom Zentrum zum äußeren Rand der
Belege, (9e bezeichnet die Zahl der elektrischen Grade in dem polaren Koordinatensystem,
und R bezeichnet den inneren Durchmesser. k schließlich ist eine Konstante.
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Die Rotorbelege 75 bis 80 haben eine entsprechende Form erhalten.
Auf Grund der Phasenverschiebung zwischen den Kapazitätsänderungen des eigentlichen
Phasenumschalters und den kompensierenden Kapazitätsänderungen der Kondensatoren
3I und 32 erhält indessen der Rotor die rechts unten in Fig. 8 gezeigte Form, wo
ein ganzer Flügel 75 bzw. 76 auf jeder Seite zwei Halbflügel 77 bzw. 78 und 79 bzw.
8o aufweist.
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Wenn man jetzt von der in Fig. 8 gezeigten Lage ausgeht, so ist es
offenbar, daß der Flügel 7I sich im Kapazitätsverhältnis zum Statorbeleg 66 befindet,
während der Flügel 72 sich mitten in der Öffnung zwischen den Statorbelegen 66 und
63 befindet.
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Gleichzeitig befindet sich der Flügel 79 in der Öffnung zwischen den
Statorbelegen 70 und 67, während die linke Hälfte des Flügels 76 sich im Kapazitätsverhältnis
zum Statorbeleg 70 befindet. Gleichzeitig befindet sich indessen der Flügel 80 im
Kapazitätsverhältnis zum Statorbeleg6g, und auf Grund der Symmetrie sind die Kapazitäten
zwischen Rotor und jedem der Statorbelege 67-69 und 68-70 gleich groß, so daß der
Kapazitätsunterschied den Wert Null erhält, wie aus Fig. 3 ersichtlich.
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Während der fortgesetzten Drehung findet jetzt die eigentliche Phasenumschaltung
statt. Gleichzeitig wird der Flügel 80 aus dem Kapazitätsverhältnis zum Beleg 69
herausgedreht, während dagegen der Flügel 76 ganz im Kapazitätsverhältnis zum Statorbeleg
70 hineingedreht wird, so daß nach einem Drehwinkel von zu,5" die Kapazität zwischen
dem Rotor und den Statorbelegen 68 und 70 ein Maximum erreicht hat, während die
Kapazität zwischen dem Rotor und den Statorbelegen 67 und 69 gleich Null geworden
ist. Der Kapazitätsunterschied hat somit jetzt seinen in Fig. 3 angegebenen Maximumwert
erreicht.
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Während der hiernach folgenden Drehung von 22,5° werden indessen
die Flügel 78 und 79 in Kapazitätsverhältnis zu den Statorbelegen 69 und 67 gebracht,
während der halbe Flügel76 aus dem Kapazitätsverhältnis zum Statorbeleg 70 heraustritt.
Infolgedessen ist Kapazitätsgleichgewicht wieder erreicht, und der Kapazitätsunterschied
ist in dem Augenblick
Null, wenn die Phasenumschaltung vollführt
worden ist. In dem eigentlichen Phasenumschalter bleiben jetzt die Kapazitätsverhältnisse
konstant während eines Drehwinkels von 450, bis die nächste Phasenumschaltperiode
beginnt. Während derselben Zeit soll auch die Kapazität zu den Belegen 6I und 62
konstant bleiben. Dies ist auch der Fall, wie leicht eingesehen wird, wenn man bedenkt,
daß der im Ivapazitätsverhältnis zu den Statorbelegen 70 zurückgebliebene Teil des
Flügels 76 mit dem Flügel 80 kongruent ist. Infolgedessen vermindert sich die Kapazität
zwischen dem Flügel 76 und dem Beleg 70 mit genau demselben Betrag wie demjenigen,
mit welchem sich die Kapazität zwischen dem Flügel 80 und dem Beleg 70 vergrößert.
In dieser Weise setzt die Drehung während 22,5° fort, bis der Flügel76 ganz und
gar aus den Belegen 70 hinausgetreten ist, während statt dessen der Flügel 80 zwischen
diese Belege hineingekommen ist. Während danach folgenden 22,5 wird der Flügel sich
vollkommen im Kapazitätsverhältnis zu den Belegen 70 bewegen, während dagegen der
Flügel 79 immer mehr aus dem Kapazitätsverhältnis zu den Belegen 67 hinaustritt,
und zwar mit gleichen Kapazitätsbelegen wie diewenigen, welche durch das Eindringen
des Beleges 76 im Kapazitätsverhältnis zu den Belegen 67 entstehen.
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Hiernach ist eine Phasenumschaltperiode vollführt, und die Lage ist
jetzt dieselbe wie beim Ausgangsaugenblick, nur mit dem Unterschied, daß auf Grund
der Viersymmetrie in Fig. 8 sämtliche Teile 90 umgekehrt werden müssen.