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Schaltungsanordnung zur Gewinnung von derLeerlaufspannung und dem
Kurzschluß strom einer Stromquelle proportionalen Größen und/oder einer der Reflexionsdämpfung
proportionalen Größe
Bei Übertragungssystemen, die im Übertragungsweg frequenzabhängige
Glieder enthalten, oder bei Meßschaltungen, bei denen ähnliche Verhältnisse vorliegen,
tritt oft die Notwendigkeit auf, Meßpunkte für Spannungen oder Ströme zu schaffen,
die die Messung der interessierenden Werte gestatten. Beispielsweise ist in Fig.
I der Zeichnungen ein Übertragungsglied V (Filter, Weiche u. dgl.) dargestellt,
welches von einer Stromquelle mit der Leerlaufspannung #0 und dem inneren Widerstand
Ri gespeist wird und mit dem Außenwiderstand Ra abgeschlossen ist. In diesem Obertragungssystem
ist die an Ra abgegebene Leistung gegeben durch die Betriebsdämpfung von V.
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Da diese Betriebsdämpfung bekannt ist (das Übertragungsglied V ist
für eine bestimmte und damit bekannte Betriebsdämpfung dimensioniert) erhält man
also ein Maß für die an #a abgegebene Leistung bzw. für die dort vorhandenen Leistungs-
oder Spannungspegel durch Messung der Leerlaufspannung (20. Eo und U2 unterscheiden
sich, abgesehen von einer durch Ri und Ra gegebenen Größe, nur durch die Betriebsdämpfung
von V. Das gleiche gilt bezüglich der Ströme Jr und J2, wenn die Stromquelle der
Fig. I durch die der Fig. 2 ersetzt wird. Beide Stromquellen haben an ihren Ausgangsklemmen
identisches Verhalten.
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In den meisten praktisch vorkommenden Fällen haben Stromquellen,
deren Ersatzbilder immer durch den linken umrahmten Teil der Fig. I bzw. durch
Fig.
2 darstellbar sind, die Eigenschaft, daß ihre Leerlaufspannung bzw. ihr Kurzschlußstrom
nur im Leerlauf bzw. im Kurzschluß selbst meßbar sind.
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Das gilt z. B. für alle Röhrenschaltungen mit angespanntem Innenwiderstand
oder auch für alle Stromquellen, die in sich bereits angepaßte Übertragungsglieder
enthalten. Als Beispiel hierfür ist in Fig. 3 eine Trägerstromzw eidrahtverstärkeranordnung
dargestellt, die aus Reflexionsgründen an ihren Leitungsklemmen an den Wellenwiderstand
der Leitung angepaßt sein muß. Hierfür ist die Spannung, d. h. die Einhaltung eines
vorgegebenen Wertes, sowohl für den Innenwiderstand Rfl des Verstärkers I als auch
für die Eingangswiderstände Rf2 der Gruppenweiche 2, z3 der Trennweiche 3 und Rf4
der Leitungsweiche 4 erforderlich. In dieser Anordnung wird z. B. die Weiche 3 von
einer Stromquelle mit dem Innenwiderstand Ri2 gespeist, deren Leerlaufspannung (bzw.
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Kurzschlußstrom) nur im Leerlauf (bzw. Kurzschluß) meßbar ist, also
nicht während des Betriebes, sondern nur bei Unterbrechung des Übertragungsweges
und damit des Betriebes.
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Es sind zwar Schaltungen, insbesondere Röhrenschaltungen, bekannt,
bei denen eine unmittelbare Messung von Leerlaufspannung oder Kurzschlußstrom möglich
ist. Man kann z. B. durch Gegenkopplung einen verschwindend kleinen Innenwiderstand
realisieren, also eine Stromquelle mit praktisch konstanter Klemmenspannung, die
gleich der Leerlaufspannung ist. Andererseits kann man durch Anwendung von Pentoden
mit sehr hohem Innenwiderstand Stromquellen mit konstantem Strom erhalten, der gleich
dem Kurzschlußstrom ist. In beiden Fällen ist jedoch, um die erforderliche Anpassung
zu erzielen, die Zuschaltung des Innenwiderstandes Ri erforderlich, und zwar im
ersten Fall in Reihe zum Verbraucher, im zweiten Fall parallel zu ihm. Dieser Widerstand
verbraucht jedoch von der abgegebenen Leistung die Hälfte und verkleinert damit
den maximal abgebbaren Leistungspegel des Rohres um 0,35 N oder bei gegebenem Leistungspegel
die Klirrdämpfung um den entsprechenden Betrag. Röhrenschaltungen mit angepaßtem
Innenwiderstand weisen diesen Nachteil nicht auf; die Messung der Leerlaufspannung
bzw. des Kurzschlußstromes bei Betriebsabschluß ist jedoch hierbei nicht ohne weiteres
möglich.
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Es ist nun naheliegend, an Stelle von Leerlaufspannung bzw. Kurzschlußstrom
die zwischen den einzelnen Übertragungsgliedern vorhandenen Spannungen bzw. Strömen
zu messen, was mit leistungslosen Spannungs- bzw. Strommessern in einfacher Weise
möglich ist, ohne die Zusammenschaltung der vor und hinter der Meßstelle liegenden
Geräte oder Geräteteile und damit den Betrieb zu unterbrechen.
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Im Beispiel gemäß Fig. I wurde demnach die Messung der Leerlaufspannung
H0 durch die der Klemmenspannung U1 ersetzt. Es zeigt sich jedoch, daß bei frequenzabhängigen
Übertragungsgliedern 12~ erhebliche lineare (frequenzabhängige) Verzerrungen von
U1 gegen Eo und damit auch gegen die interessierende Spannung U2 auftreten, die
den praktischen Wert dieser Messung für Funktionsüberwachungen u. dgl. stark herabmindern,
da die anzubringenden frequenzabhängigen Korrekturen verschieden sind je nach den
Eigenschaften des Übertragungsgliedes V. Diese Verzerrungen zwischen Eingangsklemmenspannung
und Ausgangsspannung am Abschlußwiderstand sind durch die Schwankungen des Eingangswiderstandes
lte von V bedingt und treten nicht nur bei Filtern auf, sondern in gleicher Weise
bei Weichen zwischen der Klemmenspannung an einem ihrer Ausgänge und der am abgeschlossenen
Stiel auftretenden Nutzspannung.
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In der in Fig. 3 gezeigten Schaltung ist daher die besonders interessierende
Messung des Sendepegels durch Messung der Klemmenspannung zwischen den Gliedern
I und 2 oder 2 und 3 oder 3 und 4 ohne Verzerrungen nicht möglich.
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Die Aufgabe, eine verzerrungsfreie Pegelmessung zwischen zwei in
sich angepaßten frequenzabhängigen Übertragungsgliedern zu ermöglichen, läßt sich
nach dem weiter oben Gesagten zurückführen auf dieAufgabe, die Leerlaufspannung
oder den Kurzschlußstrom einer Stromquelle mit dem Innenwiderstand Rf, die auf einem
Außenwiderstand Sc, z arbeitet, zu messen, d. h. einen Spannungs- oder Strommeßpunkt
zu realisieren, dessen Meßwert unabhängig von Ra ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Schaltungsanordnung zur Gewinnung
einer zu der Leerlaufspannung oder zu dem Kurzschlußstrom einer Stromquelle mit
vorgegebenem beliebigem Innenwiderstand und mit Belastung mit einem beliebigen Außenwiderstand
proportionalen Größe oder zur Gewinnung einer der Reflexionsdämpfung zwischen Innen-
und Außenwiderstand proportionalen Größe angegeben, die erfindungsgemäß darin besteht,
daß diese Größe sich entweder aus der Summe oder Differenz einer zu der am Außenwiderstand
liegenden Spannung proportionalen Spannung und zu dem im Außenwiderstand fließenden
Strom proportionalen Spannung zusammensetzt, wobei letztere im Kurzschlußfall (Außenwiderstand
= o) gleich oder nahezu gleich der ersteren im Leerlauffall (Außenwiderstand = x)
ist, oder daß sie sich aus der Summe oder Differenz eines zu dem im Außenwiderstand
fließenden Strom proportionalen Stromes und eines zu der am Außenwiderstand liegenden
Spannung proportionalen Stromes zusammensetzt, wobei letztere im Leerlauffall gleich
oder nahezu gleich dem ersteren im Kurzschlußfall ist.
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In den folgenden Ausführungen wird der Einfachheit halber nur die
Messung der Leerlaufspannung behandelt; sie haben selbstverständlich in sinngemäßer
Übertragung auch für den widerstandsreziproken Fall der Kurzschlußstrommessung volle
Gültigkeit, für den im folgenden nur noch Ausführungsbeispiele angegeben werden.
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Aus der die Prinzipschaltung einer Leerlaufspannungsmessung wiedergebenden
Fig. 4 ergibt sich
Setzt man die zu gewinnende Spannung u", = 111 + U2 (3)
zusammen
aus und so wird
unabhängig von Ra, wenn man die Konstanten c, und c2 so wählt, daß c2 = C1 (7) wird.
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Die Meßspannung ist dann um=c1##o (8) und damit proportional der
Leerlaufspannung 0, wobei die Proportionalitätskonstante c, frei wählbar ist. Im
Leerlauf (Rc, = cc) wird lti = c1 #0; U2 = ° (9) im Kurzschluß (R, = o) u2=c1#c1##0#u1=0
(10) Eine allgemeine realisierende Schaltung für die Messung der Leerlaufspannung
ist in Fig. 5 angegeben.
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Sie verwendet für die Spannungs- und Stromtransformation zwei Übertrager
Ü1 und U2 mit den Spannungsübersetzungsverhältnissen 1:ü1 und 1:ü2 (Meßwicklungen
= Sekundärseite). Es ist dann (nach Formel g) C1 = ü1 (II) und unter der für die
Bedingung ##i (12) notwendigen Voraussetzung, daß a# #i##i;a#1 (13) ist, ergibt
sich
Daraus folgt: =c1/a=ü1/a. (15) Für eine direkte Anzeige des Spannungspegels (der
sich bei Anpassung ¢tf = Ra ergibt) wählt man 1 1 u1=/2; u2=/2a, (10) so daß um=#o/2
wird.
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Ist beispielsweise #i=600Q, ü1=1/2, a=1/36(d.h.
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Erhöhung von #i auf R'i = 617 Q durch die Meßschaltung), so erhält
man ü2=18. Die Messung der Spannung um muß hochlhmig gegenüber dem Innenwiderstand
der Meßschaltung erfolgen; dieser ergibt sich zu
Für a = on wird
Für das obige Beispiel wird #M max=5550.
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Durch Verkleinerung von ü1, d. h. durch Verkleinerung der Meßspannung
um, läßt sich auch RM niedriger halten und damit die Meßschaltung an vorhandene
Pegelmeßgeräte anpassen. Will man z. B. für Ü, und Ü2 die gleiche Ubertragertype
verwenden, so ergibt sich ü1=1/ü2, (I9) und damit aus (15) ü12 = a. (20) Für das
vorliegende Beispiel mit #i=600Q, a=1/36 wird dann
Bei Verwendung eines in Neper geeichten Pegelzeigers für die Messung wird der Reduktionsfaktor
von zum gegenüber #o/2 zweckmäßig als ganzzahlige Potenz von e gewählt.
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Diese Dimensionierungsbeispiele lassen sich nach den verschiedensten
Gesichtspunkten erweitern. Beispielsweise läßt sich die Innenwiderstandserhöhung
von #i auf Ri' durch Parallelschaltung von Widerständen zur Stromquelle oder zum
Objekt wieder ausgleichen.
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In Fig. 6 ist die zu Fig. 5 widerstandsreziproke Kurzschlußstrommessung
dargestellt, für die sinngemäß das gleiche gilt.
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In den Fig. 7 bis 12 sind Ausführungsbeispiele angegeben, die verschiedenen
Bedingungen angepaßt sind. In Fig.7 ist c1=1 gewählt d.h. als Spannung u1 ind der
Meßschaltung ist die Klemmenspannung selbst gewählt. Dadurch erspart man den Spannungsübertrager.
Die Meßspannung um ist dann gleich der Leerlaufspannung o.
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Die in Fig. 8 gezeigte Meßschaltung enthält nur Ohmsche Widerstände,
welche die Größenbeziehung #1##i, R2+R3##i einhalten müssenn.
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In Fig.9 ist die Meßanordnung am Stiel einer Leitungsweiche mit Anpaßübertrager
dargestellt, bei der die Spannungswicklung auf diesem aufgebracht und der Stromübertrager
leitungssymmetrisch ausgeführt ist. Die Anpassung an verschiedene Leitungsarten
erfolgt durch die am Anpaßübertrager vorhandenen Anzapfungen. Wird daher, wie in
Fig. 9 dargestellt, die Spannungswicklung der Meßschaltung konstant gehalten und
mit der Anpaßumschaltung gleichzeitig die Bürde des Stromiibertragers umge-
schaltet,
so ist die Meßspannung um unabhängig vom Anpaßwert, d. h. U,,t ist ein Maß für den
Leistungspegel. Wird hingegen mit der Anpassungsumschaltung die Spannungswicklung
umgeschaltet und dafür die Stromübertragerbürde konstant gehalten, so ist um ein
Maß für den Spannungspegel. Diese Anordnung der Meßschaltung gemäß der Erfindung
am Eingarg der Leitungsweiche bzw. überhaupt am Eingang der Ausgangsweiche eines
Übertragungssystems hat den besonderen Vorteil, daß sie eine Funktonsüberprüfung
des Systems für sich ermöglicht, ohne daß dabei Leitungsfehler, die sich in ihrem
Scheinwiderstand bemerkbar machen, den Meßwert beeinflussen.
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In Fig. 10 ist eine angepaßte Röhrenschaltung angegeben, bei der
zur Messung der Leerlaufspannung eine Hilfswicklung am Ausgangsübertrager in Reihe
mit der Sekundärwicklung des Stromübertragers zwar liegt. Die Möglichkeit, die Meßschaltung
gemäß der Erfindung an solchen Verstärkerausgängen zu verwenden, ist besonders vorteilhaft,
da an dieser Stelle der Leistungspegel im Hinblick auf die Entzerrung und Niveau
interessiert.
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Fig. II zeigt eine andere Ausführung der Schaltung, die ohne zusätzliche
Übertrager auskommt.
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Fig. 12 zeigt die gleiche Röhrenschaltung unter Anwendung einer Schaltungsanordnung
zur Messung des Kurzschlußstromes, bei der die Gegenkopplungswicklung den spannungsabhängigen
Strom liefert.
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Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist nun nicht nur zur
Gewinnung der Leerlaufspannung bzw. des Kurzschlußstromes einer Stromquelle mit
Innenwiderstand # und Außenwiderstand Ra geeignet, sondern kann gleichzeitig auch
zur Messung der Reflexionsdämpfung b, von X, gegen , verwendet werden, wobei
ist. Setzt man nämlich im Gegensatz zu Formel (3) ur = tli Uz u2, (22) so erhält
man unter Einführung der gleichen Konstanten c, und c2 = c1
und damit durch Vergleich mit (8)
Die Einführung von ll2 mit entgegengesetztem Vorzeichen in die Gleichung (2I) ist
in der Schaltung gleichbedeutend mit der Umpolung einer Spannung, die in einfacher
Weise durch Umpolung der entsprechenden Übertragerwichlung erreicht wird. Aus (24)
ergibt sich, daß bei Messung mit einem in Neper geeichten Spannungsmeßgerät die
Differenz der Meßwerte um und u2 die Reflexionsdämpfung zwischen Innen- und Außenwiderstand
darstellt.
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An Hand des in Fig. g gezeigten Beispiels sei der praktische Wert
einer solchen Reflexionsdämpfungsmessung erläutert. Wie bereits ausgeführt, ist
die Messung der Spannung um geeignet zur Funktionsüberprüfung des Übertragungssystems
einschließlich der Leitungsweiche; durch Umpolung, z. B. der Spannungswicklung,
erhält man als Meßwert ur.
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Entspricht um nicht dem Sollwert, so ist eine Störung im System vorhanden.
Ist jedoch der Sollwert von 21, eingehalten, nicht aber der von ur, so muß ein Leitungsfehler
vorliegen, der sich auf den Scheinwiderstand der Leitung auswirkt. Die Anwendung
einer Meßschaltung gemäß der Erfindung ermöglicht demnach in diesem Fall eine schnelle
Fehlereingrenzung, ohne das ganze Übertragungssystem außer Betrieb setzen zu müssen.
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PATENTANSPRACHE I. Schaltungsanordnung zur Gewinnung einer der Leerlaufspannung
einer Stromquelle mit vorgegebenem beliebigem Innenwiderstand und mit Belastung
mit einem beliebigen Außenwiderstand proportionalen Größe oder zur Gewinnung einer
der Reflexionsdämpfung zwischen Innen- und Außenwiderstand proportionalen Größe,
dadurch gekennzeichnet, daß diese Größe sich aus der Summe oder Differenz einer
zu der am Außenwiderstand liegenden Spannung proportionalen Spannung und einer zu
dem im Außenwiderstand fließenden Strom proportionalen Spannung zusammensetzt, wobei
letztere im Kurzschlußfall (Außenwiderstand = o) gleich oder nahezu gleich der ersteren
im Leerlauffall (Außenwiderstand = x) ist.