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Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer frequenzunabhängigen Phasendifferenz
zwischen zwei Wechselspannungen Die Erfindung stellt sich .die Aufgabe, eine frequenzunabhängige
Phasendifferenz zwischen zwei Wechselspannungen über einen gewissen Frequenzbereich
von beispielsweise 5o bis 5oo oder 5 ooo bis 5ooooHz herzustellen. Ferner strebt
die Erfindung an, auch das Amplitudenverhältnis dieser Wechselspannungen unabhängig
von der Frequenz und der Phasenlage konstant zu halten. Die Einstellung einer derartigen
frequenzunabhängigen Phasendifferenz ist für viele meßtechnische Zwecke, z. B. für
die Ablenkspannungen bei .der oszillographischen Aufzeichnung mittels Braunscher
Röhren erwünscht.
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Um zwischen zwei Wechselspannungen eine gewünschte Phasendifferenz
von beispielsweise go° einzustellen, bedient man sich üblicherweise eines sogenannten
Phasenschiebers, z. B. eines Hullschen Phasenschiebers, dessen Schaltschema Fig.
z zeigt. An die Wechselstromquelle Uo ist über einen Transformator Tr eine Serienschaltung
von Widerstand Rph, und Kondensator Cpjt angeschlossen. Durch Veränderung des Kondensators
Cpjt kann die gewünschte Phasenlage zwischen o und go° zwischen den Spannungen U1
und U2 eingestellt werden. Ändert sich die Frequenz von U., so muß der Kondensator
Cpjt nachgestellt werden. Um diese Nachstellung vornehmen zu können, ist eine Anzeigevorrichtung,
die d e Phrasenlage der Spannungen Ui und U2 erkennen läßt, erforderlich. Bei häufigem
oder schnellem Frequenzwechsel macht eine
derartige Phaseneinstellung
nicht unerhebliche Schwierigkeiten.
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Umliese Schwierigkeiten zubeseitigen, nutzt die Erfindung die Phasenbeziehung
aus,- die zwischen den Strömen bzw. Spannungen in einem Stromkreis besteht, der
einen Ohmschen Widerstand und eine Kapazität enthält, und zwar derart, d aß Vorsorge
getroffen ist, daß der Widerstandswert des kapazitiven Teils und des Ohmschen Teils
des Stromkreises bei Änderung der Frequenz selbsttätig erhalten bleibt. Mit anderen
Worten, die aus Widerstand und Kapazität bestehende Kombination wird dazu benutzt,
mittelbar oder unmittelbar die Frequenz des die Speisespannung liefernden Generators
so zu steuern, daß der Widerstandswert bzw. das Verhältnis des W iderstandswerts
der Elemente der Kombination erhalten bleibt. Dieser Gedanke kann in der Weise verwirklicht
werden, daß eine Parallelschaltung eines Ohmschen Widerstands und einer Kapazität
als frequenzbesti.mmen.des Element in einem die Speisespannung liefernden Schwingungserzeuger
Verwendung findet. Wird dabei die Anordnung so. getroffen, daß bei Änderung der
Größe .der den, einen Zweig bildenden Kapazität C sich die Frequenz (o in dem Sinne
ändert, d.aß das Produkt co C konstant bleibt, so behält Ader Widerstand des kapazitiven
Zweiges einen konstanten, von der jeweils eingestellten Frequenz unabhängigen. Wert
bei. Damit bleibt aber auch sowohl das Phasen- als auch das Amplitudenverhältnis
der in beiden Zweigen fließenden Ströme konstant. Von den in den beiden Zweigen
Ader P,arallietschaltung fließenden Ströme, die eine konstant-- Phasendifferenz
von 9o° gegeneinander aufweisen, können dann z. B. durch Abgriff an Ohm.schen W.iderstände
ndie gewünschtenNutzspannungen abgeleitet werden, die dann ihrerseits ebenfalls
eine konstante, von der Frequenz unabhängige Phasendifferenz aufweisen.
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Die, praktische Ausführung kann so erfolgen, daß eine Kombination
von Ohmschem Widerstand und Kapazität als frequ-enzbe-stimme,rid.es Element in einem
sogernannten RC-Generator Verwendung findet. Ein solcher Generator kann aus einem
über die beiden frequenzabhängigen Zweige einer Wienschen Brücke rückgekoppelten
Verstärker aufgebaut werden, wobei die beiden Zweige der Brücke je aus einem Widerstand
R und je einem Kondensator C vorzugsweise gleicher Größe gebildet werden.
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Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines solchen Generators. Die beiden.
Zweige der Brücke bestehen aus einer Serien- und Parallelschaltung aus je einem
Widerstand R1 und R2 und je einem Kondensator C1 und C2 vorzugsweise gleicher Größe.
Für eine diskrete Frequenz tritt Phaseneinheit der von dem Verstärker V gelieferten.
Rückkopplungsspannung mit der Eingangsspannung ein, so daß bei dieser Frequenz der
Verstärker in einer Sinusschwingung erregt wird. Hierbei gilt die Beziehung
d. h. die Frequenz der Schwingung wird beistimmt durch das Produkt aus Ohmschen
Widerstand und Kapazität in .den beiden Zweigen der Wienschen Brücke. Das bedeutet
aber, @daß in der aus dem Widerstand R1 und der Kapazität Cl. gebildeten Parallelschaltung
die Widerstände und damit die in (der Phase um 9o° verschobenen Ströme in ihrer
Amplitude einander bleich sind. Das entsprechende gilt auch für die aus R2 und C,
gehi.ldete Serienschaltung bezüglich der Spannungen, und zwar gilt dies für jede
Einstellung der Kondensatoren C1 und C2 bzw. Widerstände R1 und R2, d. h. für jede
beliebige Frequenz des Generators. Es ist also hier die eingangs gestellte Bedingung
erfüllt, daß sich bei einer Änderung der Kapazität die Frequenz in dem Sinne ändert,
daß das Produkt co C konstant bleibt.
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Zweckmäß:igerwei:se erfolgt bei dieser Anordnung die Einstellung der
Frequenz durch Änderung der Kapazitäten C1 und C2 für die die aus der Rundfunktechnik
bekannten Zweigarngdrehkondensatoren Verwendung finden können. -Wenn auch an sich
die über R2 und C.. auftretenden einander gleichen, um 90'° verschobenen Spannungen
bereits die gewünschte konstante, von der Frequenz unabhängige Phasendifferenz aufweisen,
so. ist doch die praktische Ausnutzung dieser Spannungen mit gewissen.Schwierigkeiten
verbunden, da ein geeibmrneter Spannungsbezugspunkt fehlt. Es erscheint deshalb
im allgemeinen vorteilhafter, die gewünschten Spannungen aus dem durch,die Parallelschaltung
von! R1 und C1 gebildeten. Stromkreis zu entnehmen. Dies kann in der Weise geschehen,
daß, wi"e Fig. 3 zeigt, noch je ein Widerstand W1 und W2 -in Reihe mit R1 bzw. C1
geschaltet wird. Der Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände kann, wie ersichtlich,
geerdet wenden, so daß gegen Erde symmetrische Spannungen erhalten werden. Von den
beiden Hilfswiderständen W1 und W2 können die gewünschten um 9o° gegeneinander phasenverschobenen
Nutzspannungen abgegriffen werden. Wird .die Größe der Hilfswiderstände genügend
klein gegenüber der Größe der Widerstände R1 und C1 gewählt, so werden durch die
Einschaltung der Hilfswiderstände die Phasenverhältnisse nicht merklich gestört.
Da die Widerstände R1 bzw. R2 für die eingangs angegebenen Frequenzbereiche ohne
Schwierigkeiten in der Größenordnung von ro¢ bis zo5 Ohm gewählt werden können,
so sind für die Widerstände W1 bzw. W2 Werte in der Größenordnung von z. B. roo
Ohm ohne weiteres tragbar.
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Falls (die an den Widerständen W1 und W2 abgegriffenen Spannungen
noch nicht die für den praktischen Gebrauch erforderliche Größe aufweisen, kann
eine Verstärkung z. B. mittels eines geeigneten Röhrenverstärkersvorgenommenwerden.
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Werden -die Widerstände W1 .und W2 gleich groß gemacht, so sind auch
die von ihnen abgenommenen Spannungen gleich groß. Durch passende Wahl der Widerstände
kann jedoch auch ein anderes Verhältnis der Spannungsamplituden eingestellt werden,
das dann ebenfalls unabhängig von der Frequenz
ist. Dabei weisen
die an den Widerständen: W1 und W2 abgegriffenen Spannungen U1 und U2 eine feste
Phasendifferenz von praktisch 9o° auf.
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Soll eine beliebig einstellbare frequenzunabhängige Phasendifferenz
erhalten werden, so kann zusätzlich ein sogenannter Drehfeldregler Anwendung finden.
Fig. 3 zeigt schematisch einen solchen Drehfeldregler D in: Verbindung mit der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung. Durch die auf einem ringförmigen Eisenkern versetzt angeordneten
Spulen S1 und S2 wird bei Anlegen der um 90° phasenverschobenen Spannungen Ui und
U2 ein Drehfeld erzeugt. In einer inmitten des Ringkerns drehbar angeordneten -
Spule S3 kann eine Spannung U, abgenommen werden, deren Phasenlage gegen -die Spannungen
Ui bzw. U2 nur durch die Winkellage der drehbaren Spule gegen die Ständerspulen
S1 und S2 bestimmt ist. Soll dabei die Amplitudeder in der :dritten Spule induzierten
Spannung-unabhängig von der Winkellage, also auch unabhängig von der eingestellten
Phasenlage konstant bleiben, so muß .das erzeugte Drehfeld kreisförmig sein, was
der Fall ist, wenn die an die Stän.derwicklung gelegten, um 9o° phasenverschobenen
Spannungen Ui und U2 gleiche Amplitude aufweisen. Diese Bedingung ist, wie dargelegt,
bei der erfindungsgemäßen Anordnung erfüllt, sofern die Widerstände W1 und W2 gleich
groß gewählt werden.