DE892346C - Verfahren zur Herstellung zweier Spannungen mit 90íÒ Phasenverschiebung - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 5. OKTOBER 1953

S 18410 VIIIc 121g

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnungen, die es ermöglichen, aus einer einzigen Wechselspannung in einem bestimmten Frequenzbereich zwei Wechselspannungen zu gewinnen, deren Phasenbeziehung und Amplitudenbeziehung frequenzunabhängig sind.

Bei den Phasenschiebernetzwerken, die auf der Verwendung von Impedanznetzwerken beruhen, ist vielfach wenigstens eine dieser beiden Bedingungen nicht erfüllt, wenn die Frequenz sich ändert. Beispielsweise erhält man bei dem Schema der Abb. i, wo ein Wechselstromerzeuger ι einen Kondensator 2 und einen Widerstand 3 in Reihe speist, an den Klemmen dieser beiden Elemente zwei Spannungen U₁ und U₂, deren Phasen bei jeder Frequenz um 90° verschoben sind, deren Amplituden jedoch nur bei der Frequenz f — -r—r gleich sind, wobei R der Wert

des Widerstandes, C der Wert der Kapazität ist. Nach dem Schema der Abb. 2, wo ein Wechselstromerzeuger drei Widerstände 5, 6, 7, von denen die Widerstände 5 und 6 gleich sind, speist, die mit einem Kondensator 8 zu einer Brücke geschaltet sind, erhält man zwar zwischen den diagonalen Klemmenpaaren der Brücke zwei Spannungen mit von der Frequenz unabhängigen Amplituden, jedoch befinden sich diese

Spannungen in Phasenquadratur nur bei der Fre-

Wenn nicht besondere Schaltmaßnahmen getroffen werden, steht fest, daß einfache Schaltungen aus Widerständen einerseits, d. h. von Elementen, deren Impedanz in Abhängigkeit von der Frequenz konstant ist, und aus Kapazitäten andererseits, d. h. von Elementen, deren Impedanz zu der Frequenz umgekehrt proportional ist, nicht zur Erzeugung von Spannungen dienen können, die in einem fortlaufenden Frequenzbereich eine Phasenverschiebung von 90⁰ und zugleich gleiche Amplituden haben.

Es sind bereits Schaltungen bekannt, welche eine mit einem Rückkopplungskreis verbundene Röhre aufweisen und bei welchen dem Gitter dieser Röhre ein um 90⁰ in der Phase verschobener Bruchteil ihrer Anodenspannung zugeführt wird. Bei derartigen Schaltungen besteht jedoch die Schwierigkeit, in einem breiten Frequenzband eine konstante Phasenverschiebung zu erreichen.

Die Erfindung bezieht sich auf die Realisierung von Netzwerken, die jedoch diesen Amplituden- und Phasengang in einem bestimmten Frequenzbereich aufweisen, und betrifft ein Verfahren, um in einem weiten Frequenzbereich gleichzeitig zwei Spannungen von gleicher Amplitude und mit einer Phasenverschiebung von 90⁰ zu erhalten, und besteht darin, daß wenigstens eines der Schaltelemente eines Netzwerkes, bei dem die an zwei Klemmenpaaren auftretenden Spannungen eine von der Frequenz unabhängige Phasenbeziehung haben, durch einen spannungsabhängigen Wirk- bzw. Blindwiderstand ersetzt wird, welcher zwischen seinen Klemmen eine dem ersetzten Schaltelement gleichartige, jedoch in der Größe unter Einwirkung einer Regelspannung veränderliche Impedanz aufweist. Eine solche spannungsäbhängige Impedanz kann beispielsweise durch eine Vakuumröhre mit veränderlichem Innenwiderstand oder durch eine als veränderliche Reaktanz geschaltete Vakuumröhre oder durch einen Widerstand mit Heißleiter- bzw. Kaltleitercharakteristik oder dergleichen realisiert werden. Dabei steuert die Regelspannung, die ge-bildet wird aus dem Amplitudenunterschied zwischen den an den obengenannten zwei Klemmenpaaren auftretenden, auf Amplitudengleichheit zu regelnden Spannungen, den spannungsabhängigen Wirk- bzw. Blindwiderstand durch Rückwärtsregelung, wenn die gerade herrschende Frequenz sich betragsmäßig von derjenigen unterscheidet, bei welcher das gewünschte Phasen- und Amplituden-Verhalten ohne Nachregelmaßnahmen von selbst auftritt. Diese Rückwärtsregelung wird unter Verstärkung und derartiger Polung der Regelspannung durchgeführt, daß der Amplitudenunterschied zwischen den Spannungen an den zwei Klemmenpaaren selbsttätig auf einen praktisch vernachlässigbaren Wert vermindert wird, und zwar in einem großen Frequenzbereich.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Abb. 3 und 4 erläutert, die ein Schema einer Anordnung gemäß der Erfindung bzw. ein Schaltbild einer praktischen Ausführungsform einer solchen Anordnung zeigen.

Ganz allgemein kann man Netzwerke entwerfen, von denen eines in Abb. 3 durch das Rechteck 9 symbolisch dargestellt ist, welches aus einer Zusammenschaltung von Wirkwiderständen und Blindwiderständen besteht und an seinem Klemmenpaar 10, 11 von einer äußeren Quelle 12 mit veränderlicher Frequenz gespeist wird, so daß die zwischen den Klemmenpaaren 13, 14 bzw. 15, 16 abgenommenen Spannungen F₁ und F₂ eine von der Frequenz unabhängige Phasen- (oder Amplituden-) Beziehung aufweisen. Es gibt ferner Netzwerke dieser Art, bei welchen die von der Frequenz unabhängige Phasen- (oder Amplituden-) Beziehung auch unabhängig ist von dem Wert einer der das Netzwerk bildenden Impedanzen, und eine solche Impedanz sei die zwischen die beiden Klemmen 18 und 19 angeschlossene Impedanz 17. Eine der Impedanz 17 auferlegte Änderung beeinüußt demnach nur die Amplituden- (oder nur die Phasen-) .Beziehung zwischen den Spannungen F₁ und F₂.

Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß in einem Netzwerk der vorstehend definierten Art die Impedanz 17 ersetzt wird durch einen ScheinwiderstandZ von gleicher Art, der jedoch in Abhängigkeit von einer Regelspannung veränderlich ist. Die Erfindung besteht ferner darin, daß man die Regelspannung aus den Amplituden- (oder Phasen-) Abweichungen der beiden Spannungen F₁ und F₂ mittels eines Regelspannungserzeugers 20 gewinnt, der zwischen die Klemmen 13, 14,15,16 des Netzwerkes 9 und die Klemmen 21 und 22 desjenigen Schaltungsteils eingefügt wird,. der die Steuerung der Impe- danz Z mittels der Regelspannung bewirkt. Man kann beispielsweise annehmen, daß das Netzwerk 9 an seinen Klemmen 10 und 11 von einer Quelle mit konstantem Strom I = I₀ e '^iUi mit veränderlicher Kreisfrequenz ω und konstanter Stromstärke I₀ gespeist wird, und man kann die Spannungen F₁ und F₂ durch die Gleichungen F₁ = Z₁I und F₂ = Z₂I wiedergeben, wo Z₁ und Z₂ die gegenseitigen Impedanzen zwischen den Klemmen 10, 11 und 13, 14 bzw. 10, 11 und 15, 16 darstellen. Z₁ und Z₂ sind komplexe Größen: Z₁ = rjf* und Z₂ = r₂e^, wo r_lt r₂ die Beträge, φ₁ und sp₂ die Phasen darstellen und folglich, von der Konstanten I₀ abgesehen, die Amplituden und die Phasen der Spannungen F₁ und F₂.

Es sei nunmehr mit Z (h) die veränderliche Impedanz bezeichnet, welche an die Stelle der Impedanz 17 tritt, wobei mit h die Regelspannung zur Steuerung von Z bezeichnet werde. Es sei angenommen, daß das Netzwerk 9 so ausgebildet ist, daß die von der Frequenz unabhängige Beziehung zwischen den Spannungen F₁ und F₂ eine Phasenbeziehung ist, z. B. <p_x — φ₂ = φ_Φ und daß nach den oben dargelegten Grundsätzen Z₁ und Z₂ Funktionen von der Impedanz Z (Ji) sind, während jedoch Cp₁ — <p₂ von Z (h) unabhängig ist. Schließlich sei angenommen, daß die durch die Steuerung auferlegte, von der Frequenz abhängige Amplitudenbeziehung Y₁ — r₂ = r₀ ist, wobei V₁ — r₂ eine Funktion von Z (h) ist, die mit dem Ausdruck innere Funktion bezeichnet werden kann.

Der Regelspannungserzeuger 20 bezweckt, die Steuerspannung h für die veränderliche Impedanz Z

in Abhängigkeit von der Veränderlichen zu bringen, die geregelt werden soll, d. h. im vorliegenden Fall von r₁ — ν». Diese Einrichtung kann durch irgendein bekanntes Mittel hergestellt werden und beispielsweise Verstärker mit passenden Verstärkungswerten umfassen, auf welche Gleichrichter folgen, die in Differentialschaltung wirken, um eine Steuerspannung zu liefern, wenn die Nachsteuerung, wie hier allerdings nur beispielsweise ständig angenommen wird, mittels ίο einer Spannung erfolgt. Welche Ausführungsform auch gewählt wird, r_x — r ₂ ist somit ebenfalls durch den Regelspannungserzeuger und durch die davon herrührende Regelspannung h eine Funktion von Z, und man kann diese Funktion mit dem Ausdruck äußere Funktion bezeichnen.

Nachdem die Arbeitsweise der selbsttätigen Rückwärtsregelung grundsätzlich erläutert ist, steht fest, daß bei einer Abweichung der (Kreis-) Frequenz ω von der (Kreis-) Frequenz <w₀, bei welcher die Beziehung r_x — r_% durch die Ausbildung des Netzwerkes selbst befriedigt wird und dadurch der Regelspannungserzeuger keine Nachregelspannung liefert, r_x — r₂ einen Gleichgewichtswert annimmt, der von r₀ wenig abweicht, sofern die aus den inneren und äußeren Funktionen resultierenden Änderungen von r_x — ^₂ umgekehrte Vorzeichen haben und die Amplitude der aus der äußeren Funktion resultierenden Änderung genügend groß ist gegen diejenige, die aus der inneren Funktion resultiert.

Um gemäß def Erfindung in einem weiten Frequenzbereich eine Regelung von Y_x — r₂ durchzuführen, müssen das Grundnetzwerk und die Einrichtung zur Regelspannungserzeugung und zur Steuerung der Impedanz vorzugsweise so ausgebildet sein, daß die innere und die äußere Funktion monoton sind und ihre Ableitungen entgegengesetzte Vorzeichen haben. Um den praktischen Regelbereich in bezug auf die verwendeten Frequenzen richtig zu legen, wird man vorzugsweise eine mittlere (Kreis-) Frequenz ω₀ festlegen, d. h. man wird die veränderliche Impedanz Z so einstellen, daß sie bei dieser Frequenz einen Wert besitzt, der gleich demjenigen Wert ist, bei welchem die gewünschte Beziehung in natürlicher Weise von dem Netzwerk befriedigt wird.

Um die Regelgenauigkeit zu erhöhen, wird man schließlich den Regelspannungserzeuger mit genügend leistungsfähigen Verstärkungsmitteln ausstatten.

Wenn auch bei der vorhergehenden Erläuterung von einer natürlichen und besonderen Phasenbeziehung auf Grund der als Beispiel gewählten Netzwerkkonfiguration ausgegangen wurde, erstreckt sich die Erfindung auch auf alle anderen Anordnungen, bei welchen die gewünschte Amplitudenbeziehung von vornherein bei dem Netzwerk vorhanden ist und die gewünschte Phasenbeziehung durch die Regelschaltung hergestellt wird.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf die Einrichtungen zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens. Im folgenden wird eine besondere, in Abb. 4 dargestellte Anordnung beschrieben, die auf der Verwendung eines besonders einfachen Netzwerkes beruht, bei welchem eine frequenzunabhängige Phasenverschiebung von go° ohne besondere Maßnahmen als gegeben vorausgesetzt werden kann, während die Gleichheit der Amplituden erst erzwungen werden muß. Die Herstellung von zwei Spannungen mit frequenzunabhängigem Amplitudengang und frequenzunabhängiger (^"-Phasenverschiebung ist für zahlreiche Anwendungen von erheblichem Interesse.

In Abb. 4 ist 23 eine Verstärkerröhre, deren Kathode 24 über einen Widerstand 25 an Erde gelegt ist (Kathodenverstärker). Das Steuergitter 26 ist mit einem Wechselspannungserzeuger 27 von veränderlicher Frequenz verbunden, und die Anode 28 ist bei 29 an eine Anodengleichspannungsquelle angegeschlossen. Parallel zu den Klemmen des Widerstandes 25 ist ein Kondensator 30 und hierzu in Reihe eine Röhre 31 mit veränderlichem Innenwiderstand angeordnet. Die Anode 32 der Röhre 31 ist bei 34 über einen Widerstand 35 an eine Anodenspannungsquelle angeschlossen. Die Gitter-Kathodenstrecke der Verstärkerröhre 36 ist an die Klemmen des Kondensators 32 und die Gitter-Kathodenstrecke der Verstärkerröhre 36' ist an die Anoden-Kathodenstrecke der Röhre 31 angeschlossen, während die Anoden dieser Röhren 36 und 36' in Differentialschaltung mit zwei Außenwiderständen 37 und 37' verbunden sind, deren gemeinsamer Punkt bei 38 an eine Anodenspannungsquelle angeschlossen ist. Die Anoden der Röhren 36 und 36' sind andererseits mit zwei Kondensatoren 39 und 39' verbunden, deren andere Klemmen an zwei Dioden 40 bzw. 40' geführt sind, die in umgekehrter Richtung an zwei Widerständen 41 und 41' liegen. Der gemeinsame Punkt der Dioden 40 und 40' ist mit einem Widerstand 42 verbunden, dessen andere Klemme an Erde liegt. Der gemeinsame Punkt der Widerstände 41 und 41' ist ebenfalls an Erde gelegt. Der gemeinsame Punkt der Dioden 40 und 40' ist andererseits mit dem Steuergitter 43 der Röhre 31 über einen Widerstand 44 verbunden. Ein Kondensator 45 ist zwischen das Gitter 43 und Erde geschaltet.

Diese Anordnung arbeitet in folgender Weise: Die Röhre 23 ist als Kathodenverstärker geschaltet. Sie liefert an die Klemmen des Kathodenwiderstandes 25 eine Spannung, die proportional ist zu derjenigen Spannung, welche der bei 27 angelegte und ihr Gitter steuernde Wechselspannungserzeuger mit veränderlicher Frequenz liefert. Die innere Impedanz des Kathodenverstärkers ist so klein, daß die Spannung an den Klemmen des Kathodenwiderstandes 25 sehr wenig von den Impedanzänderungen der parallel zu ihm liegenden Schaltelemente beeinflußt wird.

Die Wechselspannungen, welche den Klemmen des Kondensators 30 bzw. der Anoden-Kathodenstrecke der Röhre 31 zugeführt werden, werden von den Röhren 36 und 36' verstärkt, die auf die Außenwiderstände 37 und 37' arbeiten. Die so verstärkten Spannungen werden durch die Kondensatoren 39 und 39' auf die Gleichrichterdioden 40 und 40' übertragen. Die gleichgerichteten Ströme durchfließen in umgekehrter Richtung den Widerstand 42 und entwikkeln zwischen seinen Klemmen eine resultierende Spannung, die verschwindet, wenn diese beiden Ströme gleiche Stromstärke haben, d. h. wenn die sie erzeugenden Wechselspannungen gleich sind, nämlich

die Spannungen an den Klemmen des Kondensators 30 und an der Anoden-Kathodenstrecke der Röhre 31. Diese Gleichheit tritt ein bei der Frequenz, welche

_r der Gleichheit der Kapazitanz -^- des Konden-

2 nfC

sators 30 und des Innenwiderstandes der Röhre 31 entspricht. Wenn die Frequenz im einen oder anderen Sinne von diesem Wert abweicht, ergibt sich daraus am Widerstand 42 ein Spannungsabfall, der mit der Frequenzabweichung zunimmt. Diese Spannung wird der Gitter-Kathodenstrecke 43-33 der Röhre 31 zugeführt, wobei der Widerstand 44 und die Kapazität 45 zur Aussiebung der der Regelgleichspannung überlagerten Wechselspannungen dienen.

Die Röhre 31 ist so beschaffen, daß ihr Innen-' widerstand in Abhängigkeit von der ihrem Gitter 43 zugeführten Gleichspannung erheblich schwankt. Die nicht dargestellte mittlere Vorspannung ist so gewählt, daß bei einer bestimmten Frequenz, die in passender Weise in dem Änderungsbereich der dem System zugeführten Frequenz gelegen ist, dieser Innenwiderstand dem Betrage nach gleich der Kapazitanz des Kondensators 30 wird, wodurch die Amplituden der Spannungen an den Klemmen 30 und 31,

die immer um 90⁰ verschoben sind, gleichgemacht werden. Wenn die zugeführte Spannung von der so definierten Frequenz abweicht, wird die Spannung des Gitters 43 geändert, indem zu der mittleren Vorspannung die dann am Widerstand 42 erzeugte

Spannung hinzugefügt wird. Die Änderung der Spannung des Gitters 43 hat eine Änderung des Innenwiderstandes der Röhre 31 zur Folge. Diese Änderung tritt in der Richtung auf, daß sie die betragsmäßige Differenz dem Innenwiderstand der Röhre 31 und der Kapazitanz des Kondensators 30 auszugleichen sucht, welche sich umgekehrt proportional zu der Frequenz ändert. Die Arbeitsweise des Systems ist demnach selbstregelnd. Das Gitter 43 nimmt eine solche Gleichgewichtsspannung an, daß die betragsmäßige Differenz zwischen dem Innenwiderstand der Röhre 31 und der Kapazitanz des Kondensators 30 größtenteils bis auf den sog. Regelrest ausgeglichen wird. Der Ausgleich kann im Bedarfsfall groß gemacht werden, sofern die Steuerspannung des Gitters 43 groß genug ist, d. h. wenn die Verstärkung der am Kondensator 30 und der Röhre 31 auftretenden Wechselspannungen vor oder nach Gleichrichtung recht erheblich ist. Man kann folglich die Amplituden der Wechselspannungen an den Klemmen des Kondensators 30 und an der Anoden-Kathodenstrecke der Röhre 31 weitgehend gleich halten. Zwischen den Klemmen A-B bzw. A-G treten somit in einem be^ stimmten Frequenzbereich Spannungen mit gleichen Amplituden und 90⁰ gegenseitiger Phasenverschiebung auf. Um sie ohne Störung der Arbeitsweise der Anordnung auszunutzen, braucht man sie nur den Gitterkreisen von zwei Verstärkerröhren zuzuführen, die nicht weiter dargestellt sind.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung zweier Spannungen mit 90° Phasenverschiebung und praktisch konstantem Amplitudenverhältnis aus einer Wechselspannung von veränderlicher Frequenz, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Netzwerkes aus Wirk- und Blindwiderständen, bei welchem eine bestimmte Impedanz, die entweder nur auf den Phasenunterschied oder ausschließlich auf das Amplitudenverhältnis der Netzwerk-Ausgangsspannungen von Einfluß ist, durch eine Rückwärtsregelung in ihrem Impedanzwert so beeinflußt wird, daß die gewünschte Phasenrelation bzw. die gewünschte Amplitudenrelation der Ausgangsspannungen des Netzwerks, die ohne die selbsttätige Regelung nur bei einer einzigen Frequenz erzielbar wäre, auch bei Frequenzen erreichbar ist, die von dieser bestimmten Frequenz abweichen.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Serienschaltung eines festen Blindwiderstandes und eines in der Größe durch selbsttätige Rückwärtsregelung veränderbaren Wirkwiderstandes derart, daß, abgesehen von der bei allen Frequenzen erzielbaren 9O°-Phasenverschiebung, zwischen den am Wirkwiderstand und den am Blindwiderstand auftretenden Spannungen der Wirkwiderstand bei Änderungen der Frequenz der Eingangsspannung durch die selbsttätige Rückwärtsregelung seinem Betrage nach so verändert wird, daß ein sonst nur bei einer bestimmten Frequenz herrschendes Amplitudenverhältnis der am Wirkwiderstand und am Blindwiderstand auftretenden Spannungen über einen gewissen, vergleichsweise weiten Frequenzbereich aufrechterhalten bleibt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der. veränderliche Wirkwiderstand durch die Anoden-Kathodenstrecke einer Elektronenröhre gebildet wird, auf deren Steuerelektrode die Regelspannung einwirkt.

4. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Wirkwiderstand ein Widerstand mit Heißleiter- bzw. Kaltleitercharakteristik ist, auf dessen Heizelement die Regelspannung einwirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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