-
Anordnung, um aus einer Wechselspannung einen der Frequenz proportionalen
Gleichstrom zu gewinnen
Die Aufgabe, aus einer sich in Amplitude bzw.
-
Effektivwert, Kurvenform und Frequenz in weiten Grenzen ändernden
Wechselspannung einen Gleichstrom zu gewinnen, der nur von der Frequenz abhängt
und ihr proportional ist, wird durch die nachstehend beschriebene Erfindung mit
bisher nicht bekannter Einfachheit und Genauigkeit gelöst. Dadurch wird das Messen,
Regeln und Oszillographieren von Frequenzen und, mittelbar, auch von verwandten
Größen, wie Drehzahl, Geschwindigkeit usw., sehr vereinfacht.
-
Aus der französischen Patentschrift 808 356 ist bereits eine Anordnung
bekannt, die eine Wechselspannung in einen frequenzproportionalen Gleichstrom umwandelt.
Im weiteren Verlauf dieser Beschreibung wird an passender Stelle auf jene ältere
Erfindung eingegangen und gezeigt, daß die vorliegende Erfindung dieselbe Aufgabe
wesentlich besser löst.
-
Es ist bekannt, daß man den Scheitelwert Us einer Wechselspannung
messen kann, indem man einen Kondensator C an diese Wechselspannung legt und mit
Hilfe von elektrischen Ventilen und einem Drehspulinstrument den Halbwellenmittelwert
des durch den Kondensator fließenden Wechselstromes mißt.
-
Dieser Mittelwert i hängt mit der Scheitelspannung US nach der Beziehung
i=4 f C U5 zusammen, worin f die Frequenz der Wechselspannung ist. Diese Scheitelwertmessung
setzt also konstante Frequenz voraus. Außerdem ist Bedingung, daß die Kurve der
Wechselspannung nur ein Maximum je Halbperiode hat.
-
Nach demselben Gesetz läßt sich aus einer Wechselspannung U1 ein
nur von der Frequenz abhängiger
Gleichstrom gewinnen, wenn es gelingt,
die Spannung U1 so in eine frequenzgleiche Spannung U2 umzuformen, daß diese je
Halbwelle nur ein Maximum hat, das in einem möglichst weiten Bereich von der Spannung
U1 gänzlich unabhängig ist (stabilisierter Scheitelwert).
-
Diese Spannungsumformung erreicht die vorliegende Erfindung bei annähernd
sinusförmiger Eingangsspannung U1 durch die in Abb. I dargestellte Schaltung. Einer
Glimmstrecke Gs ist eine passend bemessene Induktivität L sowie ein Vorwiderstand
V beliebiger Art (zweckmäßig ein stromregelnder Eisenwasserstoffwiderstand) vorgeschaltet.
Legt man diese Kombination an eine annähernd sinusförmige Spannung U1, so entsteht
an dem aus Glimmstrecke und Induktivität gebildeten Zweipol eine Spannung U2 ungefähr
wie in Abb. 2a, die in jeder Halbperiode einen scharf ausgeprägten Scheitelwert
I, sonst aber keine Maxima hat. (Ließe man die Induktivität L weg, so ergäbe sich
für U2 ungefähr die in Abb. 2b gezeigte Kurvenform mit den zwei Maxima I und 2 je
Halbperiode.) Hat die Eingangsspannung Ui hingegen stark ausgeprägte Oberwellen
oder können solche auftreten, wird also eine vielseitig verwendbare Schaltung verlangt,
so führt man, wie Abb. 3 zeigt, den Vorwiderstand als Drossel D aus oder man legt
parallel zur Glimmstrecke einen Glättungskondensator Og oder wendet beides zugleich
an. Die Induktivität L muß in diesen Fällen wegbleiben. Man erhält so an der Glimmstrecke
wiederum eine Spannung U2 mit. nur einem Maximum, ähnlich Abb. 2a.
-
Die Spannung U2 an dem aus einer Glimmstrecke Gs und einem Blindwiderstand
L bzw. C, gebildeten Zweipol wird im folgenden kurz Zweipolspannung genannt.
-
Bei der überwiegenden Mehrzahl der praktischen Anwendungen kommt
man mit der Induktivität L aus, deshalb ist diese auch in den Abb. 4 bis 9 eingezeichnet.
-
Der Scheitelwert der auf die eine oder andere Art gewonnenen Zweipolspannung
U2 ist die Zündspannung der Glimmstrecke und hängt daher weder von der Frequenz
noch vom Effektivwert noch von der Kurvenform der Eingangsspannung U1 ab. Voraussetzung
ist lediglich, daß die Glimmstrecke in beiden Halbperioden zündet. Die hervorragende
Konstanz der Zündspannung von Glimmstrecken ist bekannt und wird in der elektrischen
Meßtechnik seit langem ausgenutzt, bisher allerdings noch nicht zur Frequenzmessung.
-
Die Kurvenform der Zweipolspannung entspricht damit allen eingangs
gestellten Forderungen. Speist man also mit U2 einen Kondensator C (Abb. I und 3),
so hängt der Mittelwert des gleichgerichteten Kondensatorstromes nur von der Frequenz
ab und ist ihr proportional. Für den Gleichrichter Gr wird man meistens so wie in
Abb. I und 3 die Brückenschaltung (Graetzschaltung) wählen, die beide Stromrichtungen
voll erfaßt. In bestimmten Fällen kann allerdings auch eine Halbwellenschaltung
Vorteile haben, wie dies bei der Beschreibung der Gleichspannungskompensation (Abb.
9) noch erläutert wird.
-
Demgemäß ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß bei einer
Anordnung zur Gewinnung eines Gleichstromes, der nur von der Frequenz einer Wechselspannung
abhängig und ihr proportional ist, und bei der ein Zweipol, enthaltend eine Glimmstrecke
und einen Blindwiderstand, über einen Vorwiderstand an der Wechselspannung liegt,
die Zweipolspannung einen Kondensator speist, so daß der Gleichstromanteil des gleichgerichteten
Kondensatorstromes die ob engen nannte Eigenschaft hat.
-
Die in der schon erwähnten französischen Patentschrift beschriebene
Schaltung enthält ebenfalls eine Glimmstrecke, die über einen Vorwiderstand an der
Wechselspannung liegt. Dabei kommt es dem Erfinder jedoch nicht auf den durch die
Zündspannung der Glimmstrecke gegebenen Scheitelwert an, sondern auf einen möglichst
genau waagerechten Verlauf der Spannung während der Brenndauer der Glimmstrecke.
-
Hierzu wird ein beträchtlicher zusätzlicher Schaltungsaufwand angegeben.
Die so stabilisierte Wechselspannung wird einem frequenzabhängigen Vierpol (Schwingkreis
oder Tiefpaß) zugeführt, der für den zu erfassenden Frequenzbereich bemessen ist
und an dessen Ausgang sich ein frequenzproportionaler Strom entnehmen läßt, der
auch gleichgerichtet werden kann.
-
Der jeweils durch die Daten des Vierpols beschränkte Frequenzbereich
und die viel verwickeltere Schaltung sind wesentliche Nachteile gegenüber der vorliegenden
Erfindung. Die theoretischen Zusammenhänge sind bei der bekannten Anordnung verwickelter
und nicht durch eine so einfache Formel, wie sie auf Seite 1 dieser Beschreibung
gegeben ist, darstellbar.
-
Soll die Erfindung z. B. zur Frequenzmessung dienen, so wird- an
die Gleichstromklemmen des Gleichrichters ein Drehspulinstrument, A in Abb. r, angeschlossen.
In den übrigen Abbildungen ist der Gleichstromkreis zum Teil nur durch eine gestrichelte
Linie angedeutet, da sein Aufbau für das Wesen der Erfindung nebensächlich ist.
-
Der Glättungskondensator C, in Abb. 3 kann auch mit dem Kondensator
C vereinigt werden, wodurch der Gleichstrom entsprechend zunimmt, die Glättungswirkung
jedoch praktisch dieselbe bleibt, weil am Gleichrichter nur ein ganz kleiner Teil
der Zweipolspannung liegt.
-
Wenn die Eingangsspannung U1 in Abb. I SO tief sinkt, daß die Glimmstrecke
nicht mehr oder nicht mehr in beiden Halbperioden zündet, so ist der Gleichstrom
nicht nur frequenz-, sondern auch spannungsabhängig. Dies kann z. B. bei Meßschaltungen
(Abb. 1) zu Falschmessungen führen. Dem kann man durch ein vom Gesamtwechselstrom
abhängiges Unterstromrelais UR vorbeugen, das entweder, wie z. B. in Abb. I, alle
von der Zweipolspannung gespeisten Teile der Schaltung oder, wie in Abb. 3, nur
den Gleichstromkreis stromlos macht, sobald der Gesamtwechselstrom einen bestimmten
Wert unterschreitet. Um Falschmessungen sicher zu vermeiden, muß das Unterstromrelais
ansprechen, bevor die Glimmstrecke erlischt.
-
Wird die Anordnung, wie weiter unten beschrieben, mehrphasig betrieben
(Abb. 5), so muß das Unterstromrelais von dem Gesamtwechselstrom jeder Phase beeinflußt
werden, derart, daß es die erwähnten Ab-
schaltungen bewirkt, sobald
der Strom auch nur einer Phase einen bestimmten Wert unterschreitet. Statt dessen
kann man auch jeder Phase ein besonderes Unterstromrelais zuordnen und alle Relaiskontakte
entsprechend zusammenwirken lassen, z. B. durch Reihenschaltung.
-
In den Fällen, wo jeder Glimmstrecke eine Induktivität vorgeschaltet
wird, kann man auch zu jeder Glimmstrecke, oder zu zwei nach Abb. 7 parallel geschalteten,
ein Unterstromrelais in Reihe legen (UR in Abb. 7), so daß die passend bemessene
Relaiswicklung zugleich die erforderliche Induktivität ergibt.
-
Das Relais hängt dann nur vom Glimmwechselstrom ab, worauf es ja gerade
ankommt. Bei Verwendung mehrerer Relais müssen auch hier alle Kontakte zusammenwirken.
-
Der Gleichstrom muß neben der Frequenzproportionalität vor allem
eine für den jeweiligen Fall hinreichend geringe Welligkeit und hinreichende Stärke
haben. Nachstehend werden verschiedene technische Lösungen zur Erfüllung dieser
Forderungen beschrieben.
-
Man kann auch mehrere Glimmstrecken Gs,, Gs. ... gleichphasig parallel
betreiben, wenn man, so wie z. B. in Abb. 4 für zwei Glimmstrecken gezeigt, jeder
einen besonderen Vorwiderstand V,, V2 gibt, wobei jedoch alle Vorwiderstände dieselbe
Phasenverschiebung ergeben müssen und auch jeder Glimmstrecke einen Kondensator
C1, C2 zuordnet. Die gleichphasigen Kondensatorströme werden summiert und durch
einen Gleichrichter in Brückenschaltung Gr gleichgerichtet. Diese Anordnung bringt
eine Erhöhung des Gleichstromes bei unveränderter Welligkeit. Die beiden Glimmstrecken
sind in Abb. 4 in einem Gefäß vereinigt dargestellt, eine Maßnahme, die Platz spart
und die Schaltung vereinfacht und die bei allen hier besprochenen Schaltungen anwendbar
ist, in denen mehrere Glimmstrecken vorkommen.
-
Steht ein mehrphasiges System zur Verfügung, so läßt sich mit dem
Gewinn an Stromstärke noch die Verminderung der Welligkeit verbinden, indem man
je eine Glimmstrecke Ges1, Ges2 .. . mit zugehörigem Vorwiderstand V,, V2 . und
Kondensator C,, C2... über je einen Isoliertransformator T1, T2 . . an je eine der
Spannungen legt. Die Primärwicklungen der Transformatoren können dabei im Stern
oder Vieleck geschaltet sein. Abb. 5 zeigt diese Schaltung am Beispiel eines Dreiphasensystems.
Die phasenverschobenen Kondensatorströme werden durch je einen Gleichrichter Gar1,
Gr2 . . . gleichgerichtet und gleichstromseitig summiert. Die Isoliertransformatoren
T1, T2. sind nötig, damit im Gleichstromkreis keine Störströme auftreten können.
-
Auch bei einphasigem Anschluß läßt sich die Welligkeit des Gleichstromes
vermindern, wenn mehrere parallel arbeitende Glimmstrecken phasenverschoben brennen,
was sich durch Vorwiderstände mit verschiedenen Phasenwinkeln erreichen läßt. In
Abb. 6 ist diese Schaltung z. B. für zwei um rund go" phasenverschoben brennende
Glimmstrecken Gs, und Gs2 gezeigt (als Beispiel auch hier eine Mehrstreckenglimmröhre),
wozu die eine einen Kondensator Cv, die andere einen Wirkwiderstand W als Vorwiderstand
erhält.
-
Auch hier ist wieder ein Isoliertransformator T erforderlich. Die
verringerte Welligkeit wird zwar in diesem Fall mit der Frequenzabhängigkeit einiger
oder auch aller Vorwiderstände erkauft. Trotzdem ist keine schädliche Überlastung
der Glimmstrecken zu befürchten, weil geringe Welligkeit vor allem bei Kompensationsschaltungen
erforderlich ist, die, wie weiter unten noch ausgeführt wird, nur bei engen Frequenzbereichen
in Frage kommen.
-
Natürlich kann die Welligkeit des Gleichstromes auch durch bekannte
Glättungsmittel auf der Gleichstromseite vermindert werden, wovon weiter unten noch
die Rede ist.
-
Die Speisung mit Wechselstrom gestattet auch auf einfache Weise,
wie in Abb. 7 gezeigt, zwei Glimmstrecken Gsl und Gs2, deren Zündspannung je nach
der Polarität der angelegten Spannung verschieden ist, z. B. mit ungleichen Elektroden,
wie in der Abbildung schematisch angedeutet, gegensinnig parallel zu schalten, so
daß sie abwechselnd jeweils in einer Halbperiode brennen. Bei gleicher thermischer
Belastung jeder Glimmstrecke erreicht man dadurch den doppelten Kondensatorstrom
oder bei gleichem Kondensatorstrom eine schwächere Belastung und somit noch längere
Lebensdauer der Glimmstrecken.
-
Der Erfindungsgedanke bleibt unverändert, wenn statt einer Glimmstrecke
zwei oder mehr in Reihe brennen, wobei zweckmäßig alle in einem Gefäß vereinigt
werden. Die Zwischenelektroden müssen dabei bekanntlich über besondere Zündwiderstände
angeschlossen werden. Auch diese Reihenschaltung hat eine festliegende Zündspannung.
Man kann so die Zweipolspannung beliebig erhöhen. Abb. g zeigt als Beispiel eine
Reihenschaltung von zwei Glimmstrecken Gsl und Gs2; Z ist der Zündwiderstand.
-
Wenn die Frequenz, Drehzahl usw. nur in einem engen Bereich erfaßt
werden soll, so geschieht dies bei der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft
durch Kompensation im Gleichstromkreis (Unterdrückung des Anfangsbereichs). Der
kompensierende Gleichstrom (bzw. Gleichspannung) wird erfindung gemäß auf an sich
bekannte Weise aus einer oder mehreren der vorhandenen Zweipolspannungen gewonnen.
Die Welligkeit ist dann nämlich viel geringer und der Gleichstrom von der Eingangsspannung
viel unabhängiger als wenn man diese selbst hierzu verwenden würde.
-
Abb. 8 zeigt das Beispiel einer Gleichstromkompensation. Der frequenzproportionale
Gleichstrom wird vom Gleichrichter Grl geliefert, der Kompensationsstrom vom Gleichrichter
Gr2, der über einen Isoliertransformator T an der Zweipolspannung liegt. Durch die
Drossel D und die Parallelkondensatoren Cp1 und Cp2 werden die Gleichströme geglättet.
Der Kompensationsgleichstrom wird außerdem durch den Glimmstreckenstabilisator St
konstant gehalten. Der Widerstand Rs gestattet die Einstellung eines Sollwertes
der Frequenz, bei dem dann im Strommesser SI kein Strom fließt. Die Einrichtung
dient also in der hier dargestellten Schaltung zur genauen Messung von Frequenzabweichungen.
Beide Glimmstrecken Gs und St sind auch hier in einem Gefäß vereinigt dargestellt.
-
Die auf dem Erfindungsgedanken beruhende Schaltung liefert zunächst
einen frequenzproportionalen Gleichstrom. Wird hingegen eine Gleichspannung gewünscht,
so leitet man den Gleichstromanteil des gleichgerichteten Kondensatorstromes über
eine Drossel D (Abb. g) und einen Ohmschen Widerstand R1, den Wechselstromanteil
über einen zu beiden parallelen Kondensator Cp,. An dem Widerstand R1 entsteht dar.n
die frequenzproportionale Gleichspannung.
-
In Fällen, wo der Parallelkondensator die Gleichspannung schon hinreichend
glättet, kann die Drossel wegbleiben.
-
Demgemäß zeigt Abb. g eine Schaltung mit Gleichspannungskompensation.
Dabei kann man, sofern man nur eine Halbperiode zur Kompensation benutzt, den Isoliertransformator
sparen bzw., soweit nötig, durch einen Vorwiderstand Rv ersetzen. Die Drossel D
und die Parallelkondensatoren Cp1 und Cp2 dienen zur Aussiebung der Wechselspannungsanteile.
Die frequenzproportionale Gleichspannung tritt am Widerstand R1, die Kompensationsspannung,
wiederum durch St stabilisiert, an R2 auf. Mit dem verstellbaren Abgriff an R2 wird
der Sollwert eingestellt. Im übrigen ist die Wirkungsweise analog wie bei Abb. 8;
die Abweichungen von der Sollfrequenz zeigt der Gleichspannungsmesser au. Die drei
Glimmstrecken Ges1, Gs2 und St sind auch in diesem Beispiel in einem Gefäß untergebracht.
-
Die in den Schaltungen Abb. 8 und 9 auftretenden Differenzströme
bzw. -spannungen können natürlich anstatt zur Anzeige ebensogut zur Steuerung, Aufzeichnung
usw. verwendet werden.
-
Der Frequenzbereich, in dem die Erfindung brauchbar ist, beschränkt
sich nicht auf technische Frequenzen; er reicht auch noch weit in das Gebiet der
Tonfrequenzen hinein.