DE886927C

DE886927C - Anordnung zur Erzeugung von harmonischen Frequenzen

Info

Publication number: DE886927C
Application number: DEW3477D
Authority: DE
Inventors: Leishman Newberry Wrathall
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1936-05-05
Filing date: 1937-05-05
Publication date: 1953-08-20
Also published as: GB477875A; FR821372A; FR49760E; GB516844A; US2117752A; CH204388A

Description

Bisher hielt man es bei Übertragungssystemen, die eine große Anzahl von Wechselströmen verschiedener Frequenzen erfordern, wie z. B. die Trägerwellen für die verschiedenen Kanäle einer Vielfachträgerfrequenztelephonieanlage, für wünschenswert, die verschiedenen Frequenzen gleichzeitig durch Verzerrung einer Grundfrequenz mittels Verzerrungsanordnung, wie z. B. einer Vakuumröhre oder einer Spule mit Eisensättigung, zu erzeugen. Vom Ausgang einer jeden Verzerrungsanordnung wurden die gewünschten harmonischen Frequenzen durch geeignete Kreise oder Filter abgeleitet. Es ist bekannt, daß bei den genannten Anordnungen die Amplitude der harmonischen Frequenzen für die höheren Harmonischen sehr stark abnimmt. Zweck der Erfindung ist es, von einer Grundfrequenz eine Gruppe von harmonischen Frequenzen nahezu gleichförmiger Amplitude, die über einen gewünschten Frequenzbereich verteilt sind, zu erzeugen.

Um dies zu erreichen wird erfindungsgemäß bei einer Schaltungsanordnung mit einer gesättigten Eisenkernspule, der die Grundfrequenz zugeführt wird, ein Ausgangskreis verwendet, der in Serie mit der Spule einen Kondensator und eine Ohmsche Belastung enthält, die entweder aus einer Impedanz mit hohem Widerstand oder aus einer Filterkette bestehen kann, wobei der Ausgangskreis so bemessen ist, daß Oszillationen durch die Schwingkreiswirkung der Kapazität und der niedrigen Selbstinduktion der Spule verhindert werden,

und daß der Sekundärkreis eine solche Zeitkonstante besitzt, daß die erzeugten Harmonischen über einen bestimmten Frequenzbereich eine gleichförmige Amplitude besitzen.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Verwendung einer Kupferoxydgleichrichterbrücke, die dem Ausgangskreis parallel geschaltet ist, um eine gewünschte Gruppe von geraden Harmonischen mit gleichmäßiger Amplitude über den gewünschten Frequenzbereich zu erzielen.

Bei der in Abb. ι dargestellten Ausführungsform der Erfindung erzeugt eine Wechselstromquelle io eine Grundfrequenz, vorzugsweise 4 kHz, die dem Primärkreis 11 mit der Induktivität L₁, dem Kondensator C₁

t5 und der nichtlinearen Induktivität L in Serienschaltung aufgedrückt wird. Der Primärkreis 11 ist mit der Grundfrequenz ganz oder nahezu in Resonanz, so daß diese einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf annimmt. Die Induktivität L, die einen nichtlinearen magnetischen Kern von geeignetem Aufbau besitzt, wie z. B. einen Kern aus geblättertem Eisen oder aus spiralförmig gewundenem Band, erzeugt in bekannter Weise eine gewünschte Gruppe von ungeraden Harmonischen der Grundfrequenz. Die Induktivität L ist vorzugsweise so ausgebildet, daß sie einen verhältnismäßig geringen Durchmesser besitzt, um bei verhältnismäßig Ideinen Magnetisierungsströmen hohe magnetisierende Kräfte zu erzielen, wobei man in der Lage ist, innerhalb ihres Sättigungsbereiches zu arbeiten. Der Primärkreis 11 ist so ausgebildet, daß er der Grundfrequenz einen Blindwiderstand entgegensetzt und außerdem für den gewünschten Bereich von ungeraden Harmonischen eine hohe Impedanz besitzt. Die Induktivität von L₁ ist im Verhältnis zu L groß. -.

Ein Sekundär- oder Ausgangskreis 14 enthält eine Impedanzbelastung R mit einem hohen Widerstand und einen Kondensator C, die beide mit der Induktivität L in Serie geschaltet sind.

In der folgenden Beschreibung der Wirkungsweise der Schaltung bezeichnet I₁ den Augenblickswert des sinusförmigen Stromes, der von der Wechselstromquelle 10 durch den Primärkreis 11 fließt. I₂ bezeichnet den Augenblickswert des Stromes, der in der Induktivität L fließt. I₃ ist der Augenblickswert des durch den Ausgangskreis 14 fließenden Stromes. Die Wirkungsweise der Schaltung nach Abb. 1 läßt sich leichter verstehen, wenn man die elektromagnetischen Eigenschaften des Kreises über eine Periode der Grundfrequenz verfolgt. Es soll angenommen werden, daß der ο Strom I₁ einen sinusförmigen Verlauf nach der Gleichung

I₁ = I₀ cos pt

besitzt, wie es in Abb. 3 dargestellt ist.

Bekanntlich ist ein Potential, das sich an einer Induktivität ausbildet, bei Vernachlässigung der Kupferverluste bestimmt durch die Gleichung

dB . dB

Jh

e = η Α ■ ίο⁸ ·

dt

— nA · io⁸

Die Induktivität ergibt sich aus der Gleichung
4η* Α dB

dH

— io~⁹ Henry, und die magnetisierende Kraft ist

Hierin ist η die Windungszahl, A die Querschnittsfläche und d der mittlere Durchmesser des magnetischen Pfades. Die 2?-U-Kurve der Spule ist in Abb. 4 dargestellt.

Nimmt man an, daß J₁ seinen positiven Maximalwert nach Abb. 3 besitzt, so hat die magnetisierende Kraft der Induktivität L einen Wert + JJ₀, der, wie Abb. 4 zeigt, größer ist als die Sättigungsfeldstärke H_s ■ An

J TT '

dieser Stelle, ft — 0, ist — im wesentlichen gleich 0,

dt

dB

und — ist sehr klein, weil der Wert von H größer als

+ H_s ist. Wenn J₁ abnimmt, aber oberhalb der Sättigungsfeldstärke -f Hs bleibt, läßt sich die Impedanz der Induktivität L vernachlässigen mit Ausnahme des Wertes, bei dem ein" Kupferverlust in ihren Windungen auftritt. Daher bildet sich für Werte von J₁ zwischen + H₀ und 4- Hs ein verhältnismäßig kleines Potential an der Induktivität L aus. Der im Ausgangskreis 14 fließende Strom J₃ hat einen vernachlässigbaren Wert, und J₁ und J₂ sind im wesentlichen gleich. Aus Abb. 4 ist zu ersehen, daß eine Änderung des Wertes von H oberhalb von -j- U₅ sehr geringe Veränderungen im Wert von B verursacht. Für die obengenannten Stromwerte hat die Induktivität L, wie Abb. 5 zeigt, einen verhältnismäßig niedrigen Wert Ls-

Wenn J₁ so weit abnimmt, daß H unter den Wert + H₈ sinkt, aber innerhalb der positiven und negativen

Sättigungswerte + H₈ und ·

- H₃ bleibt, so wird -τ-==

CL ti

, , dB .
hat —?- semen
at

verhältnismäßig groß, so daß die Werte des Potentials 0 und: der Induktivität L in den obigen Gleichungen, wie Abb. 5 und 6 zeigen, plötzlich auf die verhältnismäßig großen Werte e₀ und L₀ ansteigen. In diesem Intervall

Maximalwert. Infolge dieser Flußveränderung entwickelt sich an der Induktivität L eine Spannung, die einen Strom J₃ im Ausgangskreis 14 fließen läßt. Der Strom J₃ lädt den Kondensator C auf, aber wegen des verhältnismäßig großen Wertes L₀ der Induktivität L erfolgt die Ladung langsam. Der Ladestrom J₃ für die Werte e₀ und L₀ liegt, wie Abb. 7 zeigt, zwischen ^t₁ und ^»inzwischen den Sättigungswerten -j- Hs und — H& hat der in der Induktivität L fließende Strom einen geringeren Wert als J₃, es ist also

J₂ = V₁ —I₃.

Der Strom I₂ ist in der gestrichelten Kurve der Abb. 3 dargestellt. Wenn I₂ unter den negativen Sättigungs-

wert — Us absinkt, wird —== verhältnismäßig klein, so

dH ° '

daß die Werte der Spannung β und der Induktivität L, wie die Abb. 5 und 6 zeigen, plötzlich auf verhältnismäßig niedrige Werte sinken. Damit ist die Ladung des Kondensators C beendet, der sich dann über die Belastung R und die Induktivität L entlädt, so daß ein Strom I₃ im Ausgangskreis 14 fließt. Infolge des ver-

hältnismäßig niedrigen Wertes L_s der Induktivität L entlädt sich der Kondensator C, wie Abb. 7 zeigt, in Form eines sehr scharfen Impulses.

Während der Entladung des Kondensators C besitzt die Induktivität L eine verhältnismäßig niedrige Impedanz, so daß der Impuls des Stromes J₃ durch die Impedanz der Belastung R beträchtlich begrenzt ist. Demzufolge fällt J₂ plötzlich auf seinen Minimalwert und nimmt danach im wesentlichen exponentiell ab, bis die Ladung des Kondensators C verbraucht ist. An diesem Punkt ist, wie Abb. 3 zeigt, der Strom J₂ wieder im wesentlichen gleich dem Strom J₁. Der geschilderte Vorgang wiederholt sich dann in entgegengesetzter Richtung, wobei J₁ Werte annimmt, durch die die Induktivität L in ihrem Wert verändert wird. Infolgedessen ergeben sich wieder die genannten Werte von I₂ und J₃ in entgegengesetzter Richtung, wie dies Abb. 3 und 7 zeigen.
Der scharfe Impuls des Stromes I₃, der bei der Entladung des Kondensators C auftritt, bewirkt, wie vorher beschrieben, eine gleichförmige Amplitude in der gewünschten Gruppe von ungeraden Harmonischen in der Induktivität L. Die Form der J₃-Kurve wird durch die Werte der Impedanz R und des Kondensators C des Ausgangskreises und außerdem durch die verhältnismäßig kleine Induktivität von L während der Entladeperiode des Kondensators C bestimmt. Diese Werte können vorher festgelegt werden, um eine gewünschte Gestaltung oder Konstante des Kreises zu erhalten.

Aus der Kurve des Stromes I₃ in Abb. 7 ist folgendes zu ersehen: erstens, daß während jeder Periode von J₁ der Strom J₃ zwei Impulse bildet, zwischen denen verhältnismäßig niedrige Werte von J₃ liegen, und zweitens, daß jeder Impuls scharf in zwei Abschnitte unterteilt ist. Dabei zeigt der erste Abschnitt von pt_t bis ftt₂ eine geringe Zunahme des Stromes entsprechend einem Potential, das einem Kreis mit einer verhältnismäßig großen Induktivität aufgedruckt wird; der zweite Abschnitt von pf₂ bis π + Pt₁ entspricht der Entladung eines Kondensators über eine verhältnismäßig kleine Induktivität und einen Widerstand.

Die nichtlineare Induktivität L kann auch als Induktivität mit zwei verschiedenen Werten betrachtet werden, wobei jeder für einen der Abschnitte von J₃ zwischen Pt₁ und π + Pt₁ in Abb. 7 gilt. Wie vorher gesagt, ist einer der Induktivitätswerte beträchtlich niedriger als der andere. Der niedrigere Induktivitätswert muß daher so klein sein, daß das aufgedrückte Grundpotential vernachlässigbar wäre, um das Fehlen eines merklichen stationären Grundstromes während dieser Zeit zu bewirken. Außerdem muß die Entladung des Kondensators C plötzlich erfolgen, um den vernachlässigbaren Teil des Stromes J₃, der in diesem Ab- -schnitt fließt, zu erklären.

Es ergibt sich daher aus Abb. 7, daß für jeden scharfen Impuls von J₃ der Kondensator C in weniger als einer Halbperiode des Grundstromes aufgeladen und entladen wird.

Der größere Wert L₀ ergibt sich in Verbindung mit der Anfangspermeabilität des magnetischen Kerns der Induktivität L, während der Wert Ls für die Sätti-■ gungspermeabilität des magnetischen Kerns gilt.

Die Abb. 8 und 9 zeigen oszillographische Aufnahmen der Ströme J₂ und J₃, die mit einer ähnlichen Schaltung wie die oben beschriebene sich ergeben.

Abb. 2 zeigt eine Abänderung der in Abb. 1 dargestellten Schaltung und unterscheidet sich von dieser lediglich in ihrem Ausgangskreis. In Abb. 2 ist der Ausgangskreis 30 so ausgebildet, daß er ungerade und gerade Harmonische liefert, die beide für Trägerfrequenzkabel und koaxiale Leitungen verwendet werden können. Der Ausgangskreis 30 der Abb. 2 ist mit der Primärwicklung eines Transformators 34 verbunden, dessen Sekundärwicklung an einer Filterkette 35 liegt, die beispielsweise sechs Glieder enthält und in Parallelschaltung angeordnet ist, so daß nur die gewünschte Gruppe von ungeraden Harmonischen durchgelassen wird. Zur Erzielung einer gewünschten Gruppe von geraden Harmonischen wird eine Kupferoxydgleichrichterbrücke 36 verwendet, bei der das eine Paar der entgegengesetzten Brückenenden mit dem Sekundärkreis 30 verbunden ist und das andere Paar der entgegengesetzten Brückenenden mit der Primärwicklung des Transformators 37 verbunden ist. Die Sekundärwicklung des letzteren ist mit einer Filterkette 38 verbunden, die sechs Glieder enthält und parallel geschaltet ist, so daß nur die gewünschten Gruppen von geraden Harmonischen durchgelassen werden.

Die Zweige der Gleichrichterbrücke sind so gepolt, daß die Impulse des Stromes J₃ umgekehrt werden, wobei jedesmal ein Strom in derselben Richtung durch die Primärwicklung des Transformators 37 zum Fließen kommt. Infolgedessen erhalten nur die geraden Harmonischen eine gleichförmige Amplitude über den -95 gewünschten Frequenzbereich.

Wenn die Filterketten 35 und 38 einen weiten Frequenzbereich umfassen, um eine im wesentlichen gleichförmige Impedanz zu geben, ähnelt die Wirkungsweise des Sekundärkreises 30 der Abb. 2 stark der Wirkungsweise des widerstandsbelasteten Sekundärkreises 14. Die Form des Stromes J₃ des Ausgangskreises 30 der Abb. 2 würde daher im wesentlichen der Form des Stromes J₃ des Kreises der Abb. 1, wie er in Abb. 9 dargestellt ist, entsprechen. Daher würde sich im Ausgangskreis der Abb. 2 eine gleichförmige Amplitude über den gewünschten Frequenzbereich für die erzeugten ungeraden Harmonischen ergeben.

Wenn die Arbeitsweise des Sekundärkreises 30 wesentlich davon abweicht, kann man eine der folgenden Abgleichungen vornehmen. Zunächst können die Filterketten mit Hoch- und Tiefpaßfiltern ausgerüstet werden, um über den gesamten gewünschten Frequenzbereich eine ausreichend gleichförmige Impedanz zu erhalten. Ferner kann ein Kondensator einem oder beiden der Transformatoren 34 und 37 parallel geschaltet werden. Schließlich kann ein Transformator mit ausreichend großer Windungskapazität an Stelle eines der Transformatoren 34 oder 37 eingesetzt werden. Es ist jedoch zu beachten, daß die Verwendung der genannten Elemente die Form des Stromes J₃ in der Weise ändert, daß er, wie in Abb. 10 dargestellt, eine besondere Schleife enthält und daß außerdem die Verteilung des Stromes J₃ gleichförmig bleibt, obwohl die Amplitude der erzeugten Harmonischen etwas angewachsen ist. Abb. 10 zeigt ein Oszillogramm des Stromes von

einem Ausgangskreis, der die obengenannten Elemente enthält.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Anordnung zur gleichzeitigen Erzeugung einer Anzahl von harmonischen Frequenzen, bei der einer Induktionsspule mit Eisenkern über einen Primärkreis Wechselstrom der Grundfrequenz zugeführt wird und der Eisenkern während eines Teiles der

ίο Wechselstromperiode gesättigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärkreis außer der Kapazität einen Ohmschen Widerstand in Reihe zu der Spule enthält, der so bemessen ist, daß Oszillationen durch die Schwingkreiswirkung der Kapazität und der niedrigen Selbstinduktion der Spule verhindert werden, und daß der Sekundärkreis eine solche Zeitkonstante besitzt, daß die erzeugten Harmonischen über einen bestimmten Frequenzbereich eine gleichförmige Amplitude besitzen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des zweiten Kondensators, der effektive Widerstand der Belastung und die kleinste Induktivität der Eisenkernspule so gewählt sind, daß die Harmonischen innerhalb des gewünschten Frequenzbereichs eine gleichmäßig große Amplitude besitzen.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangskreis Mittel vorgesehen sind, um bestimmte Harmonische innerhalb des gewünschten Frequenzbereichs auszusieben.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Aussiebung bestimmter ungerader Harmonischer vorgesehen sind.
5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kupferoxydgleichrichterbrücke dem Ausgangskreis parallel geschaltet ist, um einen Teil der Energie der erzeugten ungeraden Harmonischen gleichzurichten, und daß an die gegenüberliegenden Ecken der Brücke ein Kreis geschaltet ist, um gerade Harmonische der Grundfrequenz abzuleiten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

I 5334 8.53