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Anordnung zur verzerrungsfreien Addition und Verstärkung von Gleichströmen
Das Problem der Verstärkung von Wechselströmen macht bekanntlich- in der Technik
keine besonderen Schwierigkeiten. Dagegen sind die bisher bekanntgewordenen Anordnungen
zur Verstärkung von Gleichströmen durchweg insofern Kompromißlösungen, als jeweils
gewisse Nachteile in Kauf genommen werden müssen.
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In der Steuer- und Regeltechnik werden häufig zwei Bedingungen für
die Verstärkung von Gleichströmen aufgestellt, die sich nicht gleichzeitig mit den
bekannten Anordnungen erfüllen lassen: r. sollen bei Gleichstromverstärkern eingangsseitig
mehrere voneinander unabhängige Gleichströme ohne gegenseitige Beeinflussung addiert
werden können, und 2. ist es erwünscht, daß der Ausgang des Gleichstromverstärkers
an sehr verschiedene Verbraucherwiderstände angepaßt werden kann.
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Es sind zwar Anordnungen bekannt, die eine der erwähnten beiden Bedingungen
zu erfüllen gestatten. So ist beispielsweise der sog. Magnetverstärker
geeignet,
mehrere gleichstrommäßig voneinander unabhängige Eingangsspannungen zu verarbeiten.
Der Nachteil eines M,aignetverstärkers liegt aber darin, daß es nicht möglich ist,
seinen Ausgang an beliebige Verbraucher anzupassen, und überdies treten Schwierigkeiten
in bezug auf die Nullpunktsicherheit auf, weil die bei Magnetverstärkern benutzten
Gleichrichter bekanntlich um so stärker mit ihrer Ungleichheit eingehen, je höher
der Verstärkungsgrad ist. Dazu kommt noch, daß die für die Steuerungstechnik wesentlichen
Forderungen nach kleiner Zeitkonstante nicht die an sich mögliche Verstärkung auszunutzen
gestatten.
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!Eine Anpassung des Verstärkerausganges an den Verbraucherwiderstand
ist mit dem sog. Zerhackerverstärker durchführbar. Bei diesem Gerät handelt es sich
um die Umwandlung des zu verstärkenden Gleichstroms in einen Wechselstrom, der alsdann
durch einen Röhrenverstärker verstärkt und danach wieder phasenrichtig gleichgerichtet
wird. Wie bei jedem anderen Wechselstromverstärker ist also auch hier die Nullpunktsicherheit
und die Anpassungsmöglichkeit gewährleistet. Jedoch ist der Zerhackerverstärker
nicht brauchbar, wenn mehrere gleichstrommäßig voneinander unabhängige Eingangsspannungen
summiert werden sollen.
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Die Erfindung zeigt nun einen Weg, auf dem es gelingt, die obenerwähnten
beiden Forderungen gleichzeitig zu erfüllen, und zwar dienen zu diesem Zweck gemäß
der Erfindung bei einer Anordnung zur verzerrungsfreien Addition und Verstärkung
von Gleichströmen diese Gleichströme zur Vormagnetisierung einer Steuerdrossel nach
Art eines Magnetverstärkers an sich bekannter Bauart, dessen Verstärkungsgrad (Ausgangsleistung
: Eingangsleistung) jedoch mindestens annähernd i beträgt, und die Ausgangsgleichspannung
des Magnetverstärkers wird mittels eines Zerhackerverstärkers an sich bekannter
Bauart verstärkt und alsdann dem Verbraucher zugeführt.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt.
Bei der Anordnung nach Fig. i werden die zu verstärkenden Gleichströme an die Steuerwicklungen
a der Drossel gelegt, deren Eisenkern i durch die Wicklungen z vormagnetisiert wird.
Durch diese Vormagnetisierung werden die in den Wicklungen 4, q.' fließenden Wechselströme
aus der Quelle 3 in bekannter Weise derart beeinflußt, daß sich hinter den Gleichrichtern
5, 6 an den Punkten 7 und 8 eine Gleichspannung ergibt, die nach Größe und Vorzeichen
der Summe der Amperewindungen in den Eingangswicklungen a verhältnisgleich ist.
Die Gleichspannung zwischen den Punkten 7 und 8 wird nun über den Wechselrichterkontakt
9 eines schwingenden oder umlaufenden Zerhackers in Wechselspannung umgewandelt
und über eine oder mehrere Röhren i i verstärkt, wobei die Verstärkung im Gegensatz
zu den Verhältnissen bei einem einfachen Magnetverstärker bei sehr kleiner Zeitkonstante
beliebig hoch getrieben werden kann. Die verstärkte Wechselspannung wird einem Anpassungstransformator
1a zugeführt und dann durch den Kontakt 13 des Zerhackers gleichgerichtet.
Da der Kontakt 13 synchron und phasengleich mit dem Wechselrichterkontakt 9 arbeitet,
findet die Gleichrichtung in bekannter Weise so statt, daß die Ausgangsgleichspannung
an den Klemmen 14, 15 ihr Vorzeichen sinngemäß mit der Spannung an den Punkten 7,
8 ändert; sie ist also nach Größe und Richtung .der Summe der Eingangsströme verhältnisgleich.
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Es ist ohne weiteres einzusehen, daß diese Anordnung einerseits gestattet,
mehrere galvanisch getrennte Eingangsgleichströme verzerrungsfrei zu addieren und
zu verstärken und daß andererseits mit Hilfe des Ausgangstransformators 1a das Gerät
an jeden beliebigen Verbraucher angepaßt werden kann. Außerdem ergeben sich aber
durch die Benutzung eines Magnetverstärkers mit einem Verstärkungsfaktor, der mindestens
annähernd gleich i ist, folgende Vorteile: Der Nullpunktfehler, der sonst bei großen-
Verstärkungsgraden durch die notwendige starke Aussteuerung der Gleichrichter bedingt
ist, ist beim Verzicht auf die Verstärkung nur entsprechend schiwach. Außerdem kann
man aber zur Erhöhung der Nullpunktfestigkeit und Verzerrungsfreiheit die Steuerdrossel
mit verhältnismäßig starker Gegenkopplung ausrüsten, die bekanntlich die wirksame
Verstärkung herabsetzt. Solche Gegenkopplungen sind bei den bekannten Magnetverstärkern
unerwünscht, beim Gegenstand der Erfindung jedoch tragbar, da der Gleichstrommagnetverstärker
nur als Gleichstromübertrager benutzt wird. Es werden also durch die Anordnung nach
der Erfindung die Vorteile des Magnetverstärkers (verzerrungsfreie Mischung) mit
denen des Zerhackerverstärkers (Anpassungsfähigkeit an beliebige Verbraucher, kleine
Zeitkonstante bei großer Verstärkung) vereinigt, wobei die Nachteile der beiden
Einzelgeräte weitgehend unterdrückt werden.
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Bei der Anordnung nach Fig. i findet im Magnetmischvorsatz zunächst
eine Gleichrichtung der gesteuerten Wechselströme statt, anschließend eine Wechselrichtung
am Zerhackerkontakt 9 und eine nochmalige Gleichrichtung mittels des Gleichrichterelementes
13 hinter den Verstärkerröhren ii. Dies ist dadurch bedingt, daß der Kontakt 13
synchron und phasengleich mit ,der Eingangswechselspannung an der Röhre i i arbeiten
muß, weil sonst der Ausgangsgleichstrom im Vorzeichen nicht mit dem Eingangsgleichstrom
übereinstimmen würde.
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Fig. z zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Kontakt 13 des Zerhackers
mit gleicher Frequenz und Phase wie die Speisespannung des Magnetmischgerätes arbeitet.
Bei dieser Anordnung ist also nur eine Wechselrichtung und eine Gleichrichtung erforderlich.
Die Wechselstromsp.ulen 4, 4' des Magnetmischgerätes werden hierbei nicht mehr aus
einem Wechselstromnetz (3 in Fig. i), sondern aus einem Gleichstromnetz 16 über
den Wechselrichterkontakt 9 des Zerhackers und einen Transformator 17 gespeist.
Die in den Wicklungen 4, 4' fließenden Wechselströme werden in bekannter Weise infolge
der Vormagnetisierung durch die in
den Steuerwicklungen 2 fließenden
Gleichströme beeinflußt und bilden an den Punkten 7 und 8 eine Wechselspannung,
deren Größe und Phase durch Größe und Vorzeichen der Summe der Eingangsamperewindungen
gegeben ist, denn die Wicklungen 4 und q.' bilden mit ;den Widerständen. 18 und
i9 eine Phasenbrücke, bei der sich die Wechselstromwiderstän.de 4, 4' unter dem
Einfluß der Vormagnetisierung des Eisenkerns i ändern.
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Die an den Punkten 7 und 8 auftretende Wechselspannung wird über einen
Transformator io der Röhre oder den Röhren ii zugeführt. Die verstärkte Wechselspannung
wird hinter dem Ausgangstransformator 12 durch den Gleichrichterkontakt 13 des Zerhackers,
der mit dem Kontakt 9 synchron und phasenrichtig arbeitet, gleichgerichtet. An den
Ausgangsklemmen 14, 15 entsteht demnach eine Gleichspannung, deren Größe der Summe
der Eingangsspannungen oder -ströme verhältnisgleich ist und deren Vorzeichen dem
der Summe der Eingangsströme entspricht.
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Die Wechsel- bzw. Gleichrichterkontakte 9, 13 des Zerhackers können
durch den schwingenden Anker eines entsprechend aufgebauten Elektromagneten angetrieben
werden; sie können ebenso durch eine umlaufende kommutatorähnliche Vorrichtung geschaltet
werden, die beispielsweise mittels eines Synchronmotors vom Wechselstromnetz angetrieben
wird. In diesem Fall kann man die Wechselstromspulen 4, q.' des Magnetmischgerätes
direkt vom Wechselstromnetz speisen, wobei der Gleichrichterkontakt 13, da er synchron
mit der Netzfrequenz arbeitet, die verstärkte Wechselspannung mit richtiger Phase
gleichrichtet. Eine solche Anordnung zeigt Fig. 3. Sie ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel
nach Fig.2 nur unwesentlich abgeändert. Es stellt 2o eine umlaufende Kontaktvorrichtung
dar, die so ausgebildet ist, daß die mit der Ausgangsklemme 14 verbundene Bürste
24 wechselweise mit der Bürste 2a oder 23 in leitende Verbindung gebracht wird.
Die Kontaktvorrichtung 20 wird dabei durch den Synchronmotor 21 angetrieben, der
von dem gleichen Wechselstromnetz 3 wie der Magnetmischvorsatz gespeist wird.
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Es empfiehlt sich, die als Wechsel- bzw. Gleichrichterelemente benutzte
Kontaktzunge mechanisch abzustimmen oder aber zur Vermeidung von Kontaktschwierigkeiten
als mechanische Wechsel- bzw. Gleichrichterelemente Kommutierungsvorrichtungen zu
benutzen, bei denen eine Mehrzahl umlaufender oder schwingender Kontakte synchron
oder phasengleich betätigt wird.