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Vorrichtung zum Schalten elektrischer Wechselspannungen Es ist bekannt,
Trockengleichrichter für Modulatorschaltungen und als Elektronenschalter zu benutzen.
Hat man z. B. die Aufgabe, eine Tonfrequenz- oder Hochfrequenzspannung durch eine
andere Spannung, die eine Gleichspannung oder eine ,Iiiederfrequente Wechselspannung
sei, zu schalten, so kann man sich einen Spannungsteiler aus einem festen Widerstand
und einem Gleichrichter aufbauen ur_d an einem der beiden Widerstände die geschaltete
Tonfrequenz- oder Hochfrequenzspannung abnel-:tuen. Man kann nun auch den Spannungsteiler
aus zwei gegeneinandergeschalteten Gleichrichtern aufbauen. Je nach Polarität der
Schaltspannung wird dann der eine Gleichrichter geöffnet sein, während der andere
sperrt. Unter der Voraussetzurig, daß der Scheitelwert der zu schaltenden Wechselspannung
klein ist gegen die Schaltspannung, kann man somit erreichen, daß an dem einen der
beiden Gleichrichter fast die volle Wechselspannung oder nur ein verschwindender
Bruchteil dieser Spannung zu liegen kommt.
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Vielfach ist die Aufgabe gestellt, im Takte einer tieffrequenten Wechselspannung
eine Tonfrequenz oder Hochfrequenz zu schalten und dabei die Flanken der Hochfrequenzimpulse
möglichst steil zu machen. Es ergibt sich damit die Forderung, die Anordnung so
zu gestalten, daß der Richtschalter, wie man die Anordnung z. B. nennen kann, schon
durch möglichst kleine Gleichspannungen geöffnet bzw. geschlossen wird.
Dies
ist nun erfindungsgemäß dadurch möglich, daß den Gleichrichtern Ohmsche Widerstände
parallel geschaltet werden. Dies erscheint zunächst paradox, da die Parallelwiderstände
die Sperrwiderstände der Gleichrichter herabsetzen. Nun ist jedoch zu bedenken,
daß der Gleichrichter nur dann ordentlich öffnet, wenn ein gewisser Mindeststronmdurch
ihn hindurchfließt. Bei Fehlen der Parallelwiderstände würde aber der zweite gesperrte
Gleichrichter das Fließen dieses Mindeststromes verhindern. Weiterhin ist zu berücksichtigen,
daß die nachfolgende Schaltung nicht immer so hochohmig sein kann, daß der Sperrwiderstand
des Gleichrichters, zu dem die Belastung parallel liegt, richtig ausgenutzt würde.
Durch die Parallelwiderstände wird somit die erreichbare Empfindlichkeit des Richtschalters
keineswegs herabgesetzt, sondern im Gegenteil erreicht, daß er schon bei verhältnismäßig
kleinen Schaltspannungen öffnet und schließt.
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Eine weitere wesentliche Verbesserung der Ansprechempfindlichkeit
und .damit der Form der geschalteten Hochfreqüenzimpulse läßt sich dadurch erzielen,
daß die Gleichrichter in an sich bekannter Weise bis zum Knick ihrer Kennlinie vorgespannt
werden. Es genügt dann schon eine sehr geringe Schaltspannung, um den Richtschalter
zum Ansprechen zu bringen. Die Knickspannung wird zweckmäßig dadurch erzeugt, daß
über die Gleichrichterparallelwiderstände ein Hilfsstrom geleitet wird, der hierin
einen Spannungsabfall in Größe der Gleichrichterknickspannung erzeugt.
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Man kann die nötige Steilheit der Flanken der geschalteten Hochfrequenzimpulse
statt durch Versteilerung der Richtschaltkennlinie auch dadurch erzielen, daß man
die Nulldurchgänge der Schaltwechselspannung möglichst steil macht. Das kann erreicht
werden durch eine an sich große Schaltspannung, die dann, um eine Überlastung der
Gleichrichter zu vermeiden, zweckmäßig noch durch Amplitudenbegrenzung beschnitten
wird. Die Erfihdung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsformen beispielsweise
veranschaulicht, und zwar zeigen Fig. i und 2 eine Schaltung mit Gleichrichterparallelwiderständen
in zwei verschiedenen Ausführungsformen; Fig. 3 zeigt eine Gleichrichterkennlinie
in schematischer Darstellung; Fig. ¢ und 5 zeigen Schaltungen entsprechend Fig.
r und 2, wobei jedoch über die Parallelwiderstände ein Hilfsstrom zur Vorspannung
der Gleichrichter geleitet wird; Fig_6 zeigt Schaukurven zur Veranschaulichung der
Wirkungsweise der Schaltungen nach Fig. 4 und 5, Fig. 7 einen Richtschalter mit
trapezförmig verzerrter Schaltwechselspannung, Fig: 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Richtschalteranordnung, Fig. 9 eine Abänderung der Ausführungsform nach Fig.
8, Fig. io eine Richtschalteranordnung in Gegentaktschaltung, Fig. i i eine Abänderung
der Ausführungsform nach Fig. io mit mehreren parallel geschalteten Richtschalteranordnungen,
Fig. i? zwei als. Umschalter zusammenwirkende Richtschalter, Fig. 13 zwei
in Kaskade geschaltete Richtschalter. In Fig. i ist U,die zu schaltende Ton- bzw.
Hochfrequenzspannung, US die Schaltspannung, d. h. die Spannung, in deren Abhängigkeit
der Richtschalter öffnet oder schließt. Die beiden Spannungsquellen liegen in Reihe
mit Gleichrichtern i und 2, die entgegengesetzt gerichtet sind. Parallel zu den
Gleichrichtern liegen Widerstände 3 und q. von einem Widerstandswert Rp. Die Schaltspannung
US setzt sich aus einer Wechselspannung und einer Gleichspannung zusammen. Durch
die Überlagerung einer Gleichspannung läßt sich je nach dem Amplitudenv erhältnis
der Gleichspannung zur Wechselspannung das Verhältnis der Öffnungszeit zur Sperrzeit
des Richtschalters bei konstanter Periode beeinflussen. An dem Gleichrichter 2 wird
die geschaltete Wechselspannung abgenommen. Da an diesem Widerstand gleichzeitig
die Gleichrichterschaltspannung liegt, wird diese durch eine nachfolgende, aus Kondensator
und Widerstand bestehende RC-Kette 5 zurückgehalten.
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Bei der Schaltung nach Fig. 2 sind zum Unterschied von der Schaltung
nach Fig. i die beiden Wechselspannungsquellen U und US nicht in Reihe gelegt. Die
zu schaltende Tonfrequenz oder Hochfrequenz wird über einen Kondensator 6 auf einen
Querwiderstand 7 übertragen, der nun seinerseits mit der Schaltspannung US in Reihe
liegt. Hierbei ist es möglich, den linken oder rechten Pol des Schaltspannungsgenerators
zu erden. Die Größe der Parallelwiderstände 3 und 4, ist nicht kritisch, sie beträgt
z. B. bei einem handelsüblichen Trockengleichrichter einige ioo ooo Ohm und läßt
sich annähernd berechnen.
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Man kann eine Gleichrichterkennlinie bekanntlich in ihrem unteren
Stück durch eine Parabel ersetzen. Ist u die an den Gleichrichter gelegte Spannung,
z der dadurch hervorgerufene Strom, so kann man die,Kennlinie in der Form schreiben
i = a - (at- b) 2.
Darin sind a und b Konstanten, deren Bedeutung
aus Fig. 3 hervorgeht. Die günstigste Größe des ., . Parallelwiderstandes Rp ergibt
sich damit zu I°b° Es ist nicht erforderlich, die beiden Gleichrichterparallelwiderstände
3 und 4 gleich groß zu machen, es kann im Gegenteil vorteilhaft sein, den als Querwiderstand
wirkenden Parallelwiderstand 4 kleiner zu machen als den längs wirkenden Widerstand
3, dann nämlich, wenn die Belastung des Richtschalters nicht sehr hochohmig ist.
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In der Schaltung nach Fig. 2 kann man auch dem Widerstand 7 einen
Gleichrichter 8 parallel schalten, wie gestrichelt angedeutet. Da die Größe des
Querwiderstandes 7 im allgemeinen kleiner ist als der Parallelwiderstand 3 und 4,
ist der Gleichrichter 8 im Übergangsgebiet und Durchlaßgebiet des Richtschalters
unwirksam. Erst wenn an dem Widerstand 7 ein entsprechender Spannungsabfall der
Schaltspannung
Lls entsteht, öffnet auch dieser Gleichrichter 8 und bewirkt eine Verbesserung des
Sperrverhältnisses durch Vergrößerung der Querleitung. Voraussetzung dafür ist allerdings,
daß die Spannungsquelle der Ton- oder Hochfrequenz einen entsprechend großen inneren
Widerstand besitzt, oder daß ein Widerstand mit ihr in Reihe gelegt wird.
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Die Kennlinie eines solchen Richtschalters nach Fig. i oder 2 ist
durch die Kurve 9 in Fig. 6 dargestellt. Man erkennt hieraus, daß gewisse Mindestschaltspannungen
nötig sind, um den Richtschalter vollständig zu öffnen oder zu schließen, und daß
es dazwischen ein mehr oder weniger steiles Übergangsgebiet gibt. Fragt man nun
nach den Ursachen, wodurch dieses übergangsgebiet bedingt wird, so kann man feststellen,
daß es in erster Linie dadurch verursacht wird, daß zum Öffnen der Gleichrichter
eine gewisse Mindestspannung erforderlich ist, die dem Spannungswert b in Fig. 3
entspricht. Erst von dieser Vorspannung, die man als Knickspannung bezeichnen kann,
tritt eine merkliche Öffnung des Gleichrichters auf.
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Man kann nun die Gleichrichterwirkung dadurch erheblich verbessern,
daß man jedem Gleichrichter eine Spannungsquelle in Reihe legt, deren Spannung gleich
der Knickspannung ist. Dies ist natürlich meist technisch nicht durchführbar. Erfindungsgemäß
läßt sich jedoch dasselbe erreichen, wenn man, wie in Fig. q. und 5 gezeigt, aus
einer Spannungsquelle genügend hoher Spannung über einen Hilfswiderstand io einen
Hilfsstrom über die Gleichrichterparallelwiderstände schickt, der dann in den Widerständen
3 und q. einen Spannungsabfall in Höhe der Knickspannung b erzeugt. Der Hilfswiderstand
berechnet sich, wenn Uh die Hilfsspannung bedeutet, die den Hilfsstrom über den
Widerstand io und die Parallelwiderstände 3 und q. treibt, angenähert zu
Es ist hierzu noch zu bemerken, daß der richtige Spannungsabfall an den beiden Parallelwiderständen
3 und q. nur dann vorhanden ist, wenn die Hilfsspannung Uh groß ist gegen die Schaltspannung
US. Das ist der Fall, wenn die Schaltspannung angenähert Null ist, d. h. also in
dem Gebiet des Nulldurchgangs, für das die Anordnung auch allein Interesse hat.
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Die Schaltspannung setzt sich beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5
zusammen aus der tieffrequenten Spannung einer Wechselspannungsquelle 12 und einer
an einem Potentiometer i i abgegriffenen Gleichspannung, und zwar dem Spannungsabfall
zwischen Mittelabgriff 13 und einem Schleifkontakt 1q.. Die Gleichspannung Uh, die
gleichzeitig als Hilfsspannung für die Gleichrichter dient, wird ebenfalls an dem
Potentiometer i i abgenommen. Man kann sich entsprechend, wie oben zu Fig. q., leicht
überlegen, daß die richtige Hilfsspannung Uh
an den Gleichrichtern nur dann
vorhanden ist, wenn die Summe aus Momentanwert von Schaltwechselspannung und Schaltgleichspannung
angenähert Null ist. Jedoch soll die Anordnung nur für die nötige Steilheit der
Richtschalterkennlinie beim Nulldurchgang sorgen.
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In Fig. 6 ist die durch die Hilfsspannung Uh verbesserte Richtschalterkennlinie
15 dargestellt. Wie daraus ersichtlich, ist die Steilheit der Kennlinie im Übergangsgebiet
wesentlich erhöht worden, so daß weit geringere Spannungen genügen, um einen guten
Übertragungswert durch den Richtschalter zu erzielen.
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Die nötige Steilheit der Flanken der Hochfrequenzimpulse kann man
statt durch Versteilerung der Richtschalterkennlinie auch dadurch erzwingen, daß
man die Impulse der Schaltwechselspannung groß macht. Dies hat jedoch zur Folge,
daß die Sperrspannung der Gleichrichter überschritten wird. Eine Erhöhung der Gleichrichterzellenzahl
zwecks Erreichung einer höheren Spannung scheidet aus, da hierdurch die Knickspannung
des Gleichrichters im gleichen Maße steigen und damit die Erhöhung der Schaltwechselspannung
nutzlos werden würde. Man kann sich nun dadurch helfen, daß man bei der Schaltwechselspannung
eine Amplitudenbegrenzung einführt, d. h. die Schaltwechselspannung trapezförmig
verzerrt. In Fig. 7 ist ein Schaltbeispiel hierfür dargestellt. Es ist hier die
bekannte Amplitudenbegrenzung mit Hilfe von zwei Gleichrichtern 16 und 17 vorgesehen.
Die Schaltwechselspannung US arbeitet über einen Widerstand 18 auf die beiden. Gleichrichter
16, 17, die entgegengesetzt parallel geschaltet sind. Wird die Knickspannung eines
dieser Gleichrichter überschritten, so öffnet dieser und schneidet die Spannungsspitzen
ab. Es kann ferner noch ein Kondensator z9 zur überbrückung der Anordnung für Hochfrequenzen
vorgesehen sein.
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In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist über den Schaltwechselspannungsgenerator,
das ist die Wechselspannungsquelle, die zusammen mit der beispielsweise vom Potentiometer
i i (Fig. 5) gelieferten Gleichspannung das Umschalten des Richtschalters bewirkt,
nichts ausgesagt. Um nun von einem Schwanken der Batteriespannungen und der Spannungsversorgung
des Schaltwechselspannungsgenerators freizukommen, muß man fordern, daß die Spannungen
im Potentiometer und die Schaltwechselspannungen sich proportional ändern. Dies
läßt sich nun am einfachsten so erreichen, indem man, wie in Fig. 8 veranschaulicht,
den Schaltwechselspannungsgenerator als Drehpotentiometer 2o, 21 ausbildet. Das
Drehpotentiometer und das Potentiometer 22 werden aus derselben Spannungsquelle
23 betrieben. Dieses Verfahren hat außerdem den Vorteil, daß sich durch entsprechende
Kalibrierung des Drehpotentiometers beliebige Kurvenformen der Schaltwechselspannungen
und somit auch der mit dem Richtschalter erzielten Steuerwerte erreichen lassen.
Wie bereits oben ausgeführt, ist es günstig, mit möglichst großen Schaltspannungen
zu arbeiten und die Summenspannung vom Potentiometer 22 und Drehpotentiömeter 2o,
21 durch einen Amplitudenbegrenzer 16, 17, 18 zu begrenzen, damit die Richtschaltergleichrichter
3, 4 nicht überlastet werden.
Will man von einer mechanischen Spannungserzeugung
durch Drehpotentiometer, Umformer od.,dgl. absehen, so kann man einen Röhrengenerator
verwenden. Dies hat vor allen Dingen den Vorteil, daß sich innerhalb großer Betriebsspannungsgrenzen
und Temperaturgrenzen die Schaltfrequenz leichter stabilisieren läßt. Man kann hierbei
eine Unabhängigkeit des 'Steuerbereichs von der Betriebsspannung dadurch erreichen,
daß man die Amplitude der Schaltwechselspannung von der Potentiometerspannung abhängig
macht. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 9 dargestellt. Die Röhrenschaltung mit dem
Rohr 24 auf der rechten Seite der Schaltung ist der Schaltwechselspannungsgenerator
und die linke Wicklung des Übertragers 25 ist an die Mitte des Potentiometers 22
angeschlossen, so daß man der Schaltwechselspannung eine positive oder negative
Gleichspannung zuaddieren kann. Die beiden nach oben gehenden Leitungen 26 sind
die Leitungen zum Amplitudenbegrenzer und darüber hinaus zum Richtschalter. Die
Generatorspannung wird nun von der Potentiometerspannung durch folgende Anordnung
abhängig gemacht: übersteigt die Spitzenspannung des Generators die Spannring im
unteren Teil des Potentiometers, so wird über einen Gleichrichter 27 ein Kondensator
28 aufgeladen, der eine negative Gitterv orspannung auf das Rohr 24 gibt. Auf diese
Weise wird die Verstärkung des Generatorrohres 24 heruntergeregelt.
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Bei den 'Schaltungen nach Fig. i bis 7 ist zum Fernhalten der Schaltwechselspannung
vom Ausgang des Richtschalters in den Ausgang eine RC-Kette als Filter eingeschaltet.
Man kann die Schaltspannung auch dadurch unterdrücken, daß man zwei Richtschalter,
wie in Fig. io dargestellt, im Gegentakt zueinander arbeiten läßt. Hierbei wirkt
die zu schaltende Hochfrequenzspannung über einen Transformator 3o auf die beiden
in Gegentakt geschalteten Richtschalter 31 und 32 ein, die über einen gemeinsamen
Transformator 33 auf den Ausgang 34 der Richtschalteranordnung arbeiten. Die zwischen
der Mittenanzapfung der Sekundärspule des Transformators 3o und dem gemeinsamen
Pol der beiden im Gegentakt arbeitenden Richtschalter liegende Schaltspannung hebt
sich in der Primärspule des Ausgangstransformators.33 auf, so daß sie sich im Ausgang
34 rticht bemerkbar machen kann.
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Um insbesondere für die Parallelschaltung mehrerer Richtschalteranordnungen
eine Vielzahl von Transformatoren zu vermeiden, trotzdem aber die Gegentaktschaltung
anwenden zu können, kann man auch die zu schaltende Hochfrequenz, wie in Fig. i
i dargestellt, in der gleichen Weise wie bei der einfachen Richtschalteranordnung
über einen Kondensator lediglich dem einen Richtschalter 31 zuführen, während der
andere Richtschalter 32 an der Schaltung der Hochfrequenz nicht beteiligt ist, sondern
lediglich den Zweck hat, durch Gegenschaltung die Schaltwechselspannung vom Ausgang
34 der Anordnung fernzuhalten. Bei der Gegentaktschaltung sind zweckmäßig die beiden
Ausgänge der zugehörigen Richtschalter durch Schutzwiderstände 35 zu entkoppeln.
Bei mehreren, z. B. wahlweise auf den gleichen Ausgang 34, einschaltbaren Richtschalteranordnungen
können diese über denselben Transformator 33 unter Zwischenschaltung von Schutzwiderständen
35 mit dem Ausgang 34 verbunden sein.
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Fig. r2 zeigt eine Schaltung, um auf einen gemeinsamen Ausgang wahlweise
zwei Spannungen verschiedener Frequenzen zu schalten. Damit wirkt eine gemeinsame
Schaltspannung US auf zwei Richtschalter 36, 37 ein, deren entsprechende Gleichrichter
entgegengesetzt gepolt sind, so daß die auf die beiden Richtschalter gegebenen Hochfrequenzspannungen
U1 und U2 wechselweise auf den gemeinsamen Ausgang 38 durchgelassen werden. Auch
hier sind Schutzwiderstände 35 in die Ausgänge der beiden Richtschalter eingeschaltet.
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Um die Sperrwirkung des Richtschalters zu erhöhen, kann man, wie in
Fig. 13 gezeigt, mehrere, z. B. zwei Richtschalter 39, 40 in Kaskade zusammenschalten,
auf beide Richtschalter wirkt dieselbe Schaltspannung US ein. Die zu schaltende
Hochfrequenzspannung U gelangt zunächst auf den Richtschalter 39, während durch
den Richtschalter 40, der während der Sperrzeit des Richtschalters 39 von diesem
noch durchgelassene restliche 'Strom durch die Querleitung des Richtschalters 4o
weiter herabgesetzt wird.
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Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Beispiele
beschränkt, vielmehr sind noch mancherlei Abänderungen und andere Ausführungen möglich.