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Schaltungsanordnung zur Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom
Bei der Überführung von Wechselstrom in Gleichstrom ist es erforderlich, zwischen
Gleichrichter und Verbraucher entsprechende Siebmittel zu schalten, um dem Verbraucher
Leistung liefern zu können, die frei von Wechselkomponenten ist. Diese Siebmittel
sind in der Regel aus Gliedern aufgebaut, die aus einem Längswiderstand und einem
Querwiderstand bestehen. Als Längswiderstand sind Impedanzen mit hohem Wechselwiderstand
und nur geringem Gleichwiderstand, als Querwiderstand Impedanzen mit geringem Wechselwiderstand
und hohem Gleichwiderstand erwünscht. Als Längswiderstand benutzt man bekanntlich
Ohmsche Widerstände, Eisenwasserstoffwiderstände und Induktanzen in der Form von
Eisendrosseln und Streutransformatoren oder Kombinationen davon; als Querwiderstände
benutzt man Kondensatoren und Gasentladungsstrecken (Stabilisatoren, Glättungsröhren)
oder Kombinationen davon. Ohmsche Widerstände besitzen den Vorteil geringen Raumbedarfs
und geringen Gewichtes, den Nachteil des Energieverlustes, des Bedarfs an hoher
Speisespannung und eines Ladekondensators mit hoher Betriebsspannung. Das Verhältnis
von Wechselwiderstand zu Gleichwiderstand ist nur r. Für handelsübliche Eisenwasserstoffwiderstände
ist dieses Verhältnis etwa 6. Dies gilt jedoch nur für langsame Schwankungen der
Netzspannung, denen der Widerstand bezüglich der Herstellung seines Wärmegleichgewichtes
folgen kann. Für Frequenzen von-5o und zoo Hz ist das Verhältnis von Wechsel- zu
Gleichwiderstand
nur wenig größer als i. Bei Eisendrosseln kann obiges Verhältnis sehr groß gemacht
werden, aber nur mit wachsendem Raumbedarf und Gewicht. Streutransformatoren können
durch lose Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung mit hoher fiktiver Speisespannung
und hohem fiktivem innerem Widerstand hergestellt werden; selbstverständlich werden
durch die lose Kopplung Raumbedarf und Gewicht ebenfalls groß. Sie haben den weiteren
Nachteil, daß magnetisch empfindliche Elektronengeräte, wie Braunsche Röhren oder
Abbildungsgeräte, die möglicherweise im gleichen Gerät untergebracht sind, besonders
gegen den starken magnetischen Streufluß geschützt werden müssen. Kondensatoren
erfüllen bei genügender Größe ideal die Forderung eines geringen Wechselwiderstandes
und hohen Gleichwiderstandes, haben aber den i\Tachteil, daß die abgegebene Gleichspannung
von der Belastung abhängt. Gasentladungsstrecken als Querwiderstände können bei
geringem Raumbedarf und Gewicht mit geringem Wechselwiderstand hergestellt werden.
Der Nachteil der Leitfähigkeit für Gleichstrom wird durch den Vorteil der Unabhängigkeit
der gelieferten Gleichspannung von der Belastung kompensiert. Aus den Eigenschaften
der oben beschriebenen Schaltelemente folgt, daß man bei der Konstruktion eines
Gleichrichters, der auch extremen Anforderungen an Siebung und Spannungskonstanz
genügt, im allgemeinen Siebmittel benutzt, die folgendermaßen :aufgebaut sind: Dem
über einen Zweiweggleichrichter aufgeladenen Ladekondensator folgt ein Eisenwasserstoffwiderstand,
darauf eine aus mehreren von Eisendrosselli und Kondensatoren gebildeten Gliedern
bestehende Kette, und als abschließendes Querglied folgt eine stabilisierende Gasentladung.
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Die oft unumgängliche Benutzung von tragbaren Meßgeräten extrem hoher
Genauigkeit im Betriebe erfordert eine fast ideale Betriebsspannung aus einem Netzgerät
mit geringem Raumbedarf und Gewicht. Die Erfindung schlägt daher vor, die Schaltungsanordnung
zur Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom in der Weise auszubilden, daß als
Längswiderstände Elektronenstrecken mit Sättigungscharakter benutzt werden. Es werden
also Eisendrosseln möglichst vermieden.
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Die Abbildung zeigt ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, bei
dem als Siebwiderstände Fünfpolröhren verwandt werden. Über die Döppelweggleichrichterröhre
i wird derLadekondensator2 aufgeladen. - Die Fünfpolröhren 3 und d. sind, anodenseitig
nach dem - Verbraucher zeigend, in die Minusleitung der Siebkette gelegt. Der geringe
Schirmgitterstrom kann der Plusleitung entnommen und durch eine Siebkette, bestehend
aus den Widerständen 5, 7 und den Kondensatoren 6 und 8, genügend geglättet werden.
Der Kathodenwiderstand i i erzeugt die notwendige negative Gittervarspannung, die
über den Ultrakurzwellendämpfungswiderstand 12 mit der Größe von etwa iooo Q dem
Steuergitter zugeleitet wird. Es ist zweckmäßig, den Kathodenwiderstand nicht reit
einem Kondensator -zu überbrücken, da infolge der Gegenkopplung bei gleicher Änderung
der Anodenspannung die Stromänderung kleiner ist als mit Kondensator, d. h. der
Wechselwiderstand der Fünfpolröhre größer ist. Die Erhöhung des Wechselwiderstandes
steigt bei Benutzung einer Fünfpolröhre mit größerer Steuersteilheit. Das Bremsgitter
kann, wie im Siebglied I dargestellt, mit der Kathode der Fünfpolröhre verbunden
sein oder eine positive Spannung gegen Kathode haben. Letzteres ist besonders dann
vorteilhaft, wenn die Spannung an den letzten Siebkondensatoren zur Erzeugung einer
normalen Schirmgitterspannung nicht ausreicht; aber auch bei genügender Größe der
Schirmgitterspannung ist eine positive Bremsgitterspannung vorteilhaft, da die Sättigung
der Fünfpo-lröhre bereits bei geringerem Anodenspannungsabfall beginnt. Wie im Siebglied
II dargestellt; kann die Bremsgitterspannung der Schirmgitterspannung über den Widerstand
9 entnommen und im Bedarfsfall über den Kondensator to abgeblockt werden. Uni den
Gleichstrom konstant zu halten, ist zur Erzielung konstanter Spannuilgen am Verbraucher
fr bei Laständerungen ein Lastausgleich 14 parallel zum Verbraucher geschaltet,
z. B. eine oder mehrere hintereinandergeschaltete Gasentladungsstrecken oder auch
eine der bekannten, mit Hochvakuumröhren arbeitenden Regelschaltungen. Ein Zahlenbeispiel
soll die Überlegenheit einer Elektronenröhre gegenüber einer Eisendrossel zeigen.
Bei einer Anodenspannung von 130 V und einem Anodenstrom von ioo mA, also
einem Gleichwiderstand von 1,3 k2, hat eine Endpentode AL 5 oder
EL 12 bei konstant.r St.eiiergitterspannung einen Wechselwiderstand von 13
1.(Z; .das entspricht bei ioo Hz einer Selbstinduktion von 2o H. Die erforderliche
handelsübliche Eisendrossel hat ein Gewicht von etwa 2,5 kg; ihr Ohmscher Widerstand
beträgt etwa 4.oo P. Der Gleichwiderstand der Pentode ist also um etwa goo Q größer.
Das entspricht einem Mehrverbrauch von etwa 9 W. Ferner beträgt die Heizleistung
der Pentode 7,5 W und die zur Erzeugung und Siebung der Schirmgitterspannung notwendige
Leistung etwa ,4 W. Da Transformatoren zwischen 5o und Zoo W etwa o,o3 kglW wiegen,
wird der Netztransformator bei der Pentode um etwa o,6 kg schwerer. Dazu kommt das
Gewicht der Pentode selbst mit etwa o, i kg und das Gewicht der Kondensatoren 6
und 8 mit maximal o, t kg. Die Gewichtsersparnis bei Benutzung einer Pentode an
Stelle einer Eisendrossel ist also bei gleicher Größe des Siebwiderstandes gleich
dem Gewicht der Eisendrossel. vermindere um das Mehrgewicht des Netztransformators,
der Pentode und der beiden Kondensatoren, also -.5--(o.6+o.i+z.o.1)=iAkg. Zudem
handelt es sich hauptsächlich um die Einsparung von Eisen und Kupfer. Hält man nicht,
wie im Zahlenbeispiel angenommen, die Steuergitterspannung konstant, sondern benutzt
die in der Abbildung dargestellte Gegenkopplungsscllaltung,
so fällt
die obige Gewichtsbilanz noch günstiger für die Pentode aus. In vielen praktischen
Fällen wird es genügen, an Stelle der in der Abbildung dargestellten zweigliedrigen
Kette eine solche mit nur einem Glied zu benutzen.
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Die beschriebene Anordnung vermag nur in geringem Maße Änderungen
der NTetzspannung auszugleichen. Eine Steigerung der Netzspannung z. B. bewirkt
unweigerlich eine Steigerung der Gleichspannung a.tn Ladekondensator 2 und damit
der Schirmgitterspannung der Siebröhre 3. Das Anwachsen des Pentodenstromes wird
zwar durch die Gegenkopplung mittels des Kathodenwiderstandes i i reduziert, aber
nicht völlig unterdrückt, wodurch auch die Spannung am Verbraucher in unerwünschter
Weise anwächst. Indessen kann das Anwachsen der Schirmgitterspannung durch ein entsprechendes
Anwachsen der negativen Steuergitterspannung völlig kompensiert werden, indem mit
Hilfe einer Sekundärwicklung des Transformators über den Gleichrichter i 9 an den
Kondensatoren 18 und 16 eine Gleichspannung erzeugt wird, die, mit dem negativen
Pol mit dem Widerstand 12 verbunden, in die Gitterleitung gelegt ist.
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i7 ist ein Siel)«-i-derstand. Es ist zweckmäßig, als speisende Sekundärwicklung
die Heizwicklung der betreffenden Siebröhre zu benutzen. Als Gleichrichter i9 genügt
ein Trockenplattensystem, das aus eine in oder nur wenigen Elementen zusammengesetzt
ist. Die bei Änderung der Netzspannung amWiderstand 15 auftretende Spannungsänderung
kann durch Wahl des Vorwiderstandes 20 und oder durch Spannungsteilung an den Widerständen
17 und 15 so eingestellt werden, daß die Änderungen der Schirmgitterspannung und
darüber hinaus auch der Anodenspannung keinen Einfluß auf die Größe des Anodenstromes
haben; somit sind die Änderungen der Gleichspannung am Ladekondensator 2 von der
Siebröhre 3 abgefangen und können nicht als Änderungen der Verbraucherspannung in
Erscheinung treten. Bei Vorhandensein sehr großer Netzschwankungen sind auch die
Schwankungen der mittleren Anodenspannung an der ersten Siebröhre 3 groß. Während
bei Steigerung der mittleren Anodenspannung der Wechselwiderstand der Siebröhre
unverändert bleibt, sinkt dieser beträchtlich, sobald die Anodenspannung einen bestimmten
Wert unterschreitet. Dieser Umstand ist besonders in dem Fall lästig, wenn die Siebröhre
außerdem einen großen Brumm aufzunehmen hat, was im Fall der sofort hinter dem Ladelcolidensator
angeordneten Siebröhre zutrifft. Bei großen Netzschwankungen ist es daher vorteilhaft,
dieAusregelung auf zwei,oder drei usw. Siebröhren, falls vorhanden, so zu verteilen,
daß jede Röhre nur 1/2, 1/s usw. der gesamten Spannungsschwankungen aufzunehmen
hat. Es ist auch zweckmäßig, eine ungleichmäßige Verteilung der Spannungsschwankungen
derart vorzunehmen, daß die Siebröhre mit dem stärksten Brumm nur wenig oder gar
keine Änderungen der mittleren Anodenspannung erfährt. Die gewünschte Verteilung
kann durch verschieden starke Regelung der einzelnen Siebröhren vorgenommen werden,
die in jedem Fall durch passende Dimensionierung der Widerstände 20, 17 und
15 erfolgt. Die Abbildung zeigt, daß auch das zweite Glied II mit einer Gitterregelung
versehen ist. Die beschriebene Anordnung übertrifft Eisenwasserstoffwiderstände
gleicher Verlustleistung, da sie den Verbraucherstrom völlig konstant zu halten
vermag.