-
Anordnung zur Erzeugung von Wechselspannungen mit einstellbarer, von
der jeweiligen Frequenz möglichst unabhängiger, gegenseitiger Phasenverschiebung
Die Erzeugung von Phasenverschiebungen zwischen zwei Wechselspannungen, beispielsweise
für Meßzwecke, kann u. a. bekanntlich mit Hilfe sogenannter Phasenschieberbrücken
vorgenommen werden; dies sind besonders einfache Schaltanordnungen, die im wesentlichen
nur aus einer Kombination von Wirk- und Blindwiderständen in Spannungsteilerschaltung
bestehen. Die an dieser Schaltung abgenommene Wechselspannung kann gegenüber der
zugeführten Wechselspannung in ihrer Phasenlage durch einfache Änderung entweder
eines Wirkwiderstandes oder eines Blindwiderstandes verdreht werden. Für manche
Anwendungszwecke, insbesondere in der Meß- und Prüftechnik, kommt es nun darauf
an, zwei Wechselspannungen zur Verfügung zu haben, deren gegenseitige Phasenlage
in einem gewissen Bereich beliebig einstellbar ist und dabei von sonstigen Einflüssen
so unabhängig wie möglich sein soll, insbesondere von Spannungs- oder Frequenzschwankungen
der zugeführten Netzwechselspannung. In Fällen, wo keine genügende Konstanz der
zugeführten Frequenz gewährleistet werden kann, scheinen also Phasenschieberbrücken
der vorgenannten Art von vornherein unbrauchbar, da bekanntlich das Spannungsteilverhältnis
der dort
verwendeten Spannungsteiler infolge der Frequenzabhängigkeit
der verwendeten Blindwiderstände sich ebenfalls mit der Frequenz der zugeführten
Wechselspannung ändert; diese verursacht nicht nur eine Änderung des Arnplitudenverhältnisses
der am Spannungsteiler abgreifbaren Teilspannungen, sondern auch eine Änderung der
gegenseitigen Phasenlage der verschiedenen an der Phasenscbieberbrücke auftretenden
Wechselspannungen.
-
Die Erfindung zeigt, daß trotzdem mit einer besonders ausgebildeten,
auf dem Prinzip der Phasenschieberbrücke beruhenden Schaltung die Erzeugung von
Wechselspannungen möglich ist, deren gegenseitige Phasenverschiebung auch bei Schwankungen
der Frequenz der zugeführten Wechselspannung praktisch unverändert den jeweils eingestellten
Wert beibehält. Sie benutzt dabei eine aus Wirk- und Blindwiderständen aufgebaute
Brükkenschaltung. Solche Brückenschaltungen sind bereits angegeben worden, um ein
Frequenzband amplitudengetreu um einen festen Winkel von 9o° in der Phase verschieben
zu können. In einer Brückenschaltung enthalten zu diesem Zweck zwei aneinanderstoßende
Zweige eine Induktivität und eine Kapazität, während die beiden anderen Brückenzweige
aus zwei gleichen Ohmschen Widerständen gebildet sind. Der Wert der letzteren ist
von den Werten der induktiven und kapazitiven Impedanz wesentlich verschieden. Die
in der Phase zu verschiebende Schwingung wird zwischen dem Verbindungspunkt der
Kapazität und der Induktivität und dem Verbindungspunkt der beiden Ohmschen Widerstände
zugeführt und die um go°' phasenverschobene Schwingung an der anderen Brückendiagonale
abgenommen. Auf einer grundsätzlich ähnlichen Schaltungberuht auch die Erfindung.
Sie sieht jedoch mit Rücksicht auf den andersartigen Verwendungszweck im einzelnen
einen etwas anderen Aufbau der Brückenzweige und vor allem eine andere Bemessung
der Widerstands- bzw. Impedanzwerte in den einzelnen Zweigen vor, ganz abgesehen
davon, daß im Gegensatz zu der bekannten Anordnung ein Teil der Brückenzweige nicht
mit festen Widerständen, sondern mit einstellbaren, und zwar in ganz bestimmter
Weise gleichzeitig veränderbaren Widerständen ausgerüstet ist. Erfindungsgemäß wird
die speisende Wechselspannung einer Brückenschaltung zugeführt, deren beide Zweige
aus je einem Ohmschen Widerstand in Reihe zu einem Kondensator bzw. einer Drossel
bestehen, wobei die beiden regelbaren Ohmschen Widerstände zur Einstellung der gegenseitigen
Phasenlage zweier Ausgangsspannungen dienen, die entweder an den beiden Wirkwiderständen
oder an den beiden Blindwiderständen oder aber an dem Wirkwiderstand des einen und
dem Blindwiderstand des anderen Brückenzweiges abgegriffen sind.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Regelwiderstände
miteinander derart gekuppelt, daß bei Vergrößerung des einen Regelwiderstandes zwangsläufig
der zweite verkleinert wird, und umgekehrt; besonders vorteilhaft arbeitet die Anordnung
dann, wenn die beiden regelbaren Zweigwiderstände so abgestuft sind, daß bei Änderung
der Regeleinrichtung das Produkt beider Widerstände wenigstens angenähert konstant
bleibt.
-
Die Ausführung des Erfindungsgedankens und die Wirkungsweise der Anordnung
sei nachstehend an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
beschrieben. Fig. z zeigt ein Beispiel für die Schaltung. Die Wechselspannung des
Netzes i, 2 wird einer Brücke zugeführt, die in einem Zweig einen Widerstand R1
in Reihe zu einem Kondensator Cl enthält, im anderen Zweig einen Widerstand R2 in
Reihe zu einem Kondensator C2. Die beiden Spannungen, deren gegenseitige Phasenverschiebung
möglichst frequenzunabhängig sein soll, werden beispielsweise an den beiden Widerständen
Ri und R2, d. h. an den Klemmen _4, A, einerseits und den Klemmen A, A2 andererseits,
abgenommen. Zur Einstellung der gegenseitigen Phasenlage dieser beiden Spannungen
UR i und UR 2 sind die beiden Widerstände R, und R.2 regelbar. Die Einstellabgriffe
der beiden Regelwiderstände sind, wie dies in der Zeichnung schematisch angedeutet
ist, miteinander gekoppelt, und zwar so, daß bei Vergrößerung des Widerstandes R,
zwangsläufig der Widerstand R., kleiner wird, und umgekehrt. An Hand der Fig. und
3 läßt sich die Wirkungsweise der Schaltung verfolgen. Beide Figuren stellen die
Vektordiagramme der an der Phasenschieberbrückenschaltung auftretenden Spannungen
dar. Fig. a zeigt, wie sich die abgenommenen Spannungen verändern, wenn die Einstellung
der Brücke geändert wird. Dabei ist zunächst angenommen, daß die Frequenz der zugeführten
Wechselspannung U konstant sei. Für jeden Brückenzweig wird die zugeführte Wechselspannung
U in zwei Teilspannungen aufgeteilt. Im ersten Zweig sind dies die beiden Spannungen
UR, und Ucl, im zweiten Zweig die beiden Spannungen UR2 und Uo2. Zunächst sei vorausgesetzt,
daß die beiden Widerstände Ri und R2 auf fast gleiche Werte eingestellt sind. Dann
ergeben sich die Vektor-.diagramme U, UR,', Uc 1' und Ur, UR 2 ; Uc 2 " Zwischen
den beiden abgenommenen Spannungen URi', und UR.' ist eine verhältnismäßig geringe
Phasenverschiebung q.' eingestellt.
-
Soll der gegenseitige Phasenwinkel vergrößert werden, so wird im Ausführungsbeispiel
der Widerstand Rl, der bereits im betrachteten Fall einen kleineren Wert wie der
Widerstand R2 besaß, verkleinert, der Widerstand R2 dagegen vergrößert. Es ergeben
sich dann die beiden Vektordiagramme U, UR i ", Uc 1 " und U, UR 2", UC
2". Der Phasenwinkel (f" zwischen den beiden abgenommenen Spannungen UR,"'
und UR." ist jetzt entsprechend größer geworden.
-
Durch die angegebene zwangsläufige Kupplung der beiden veränderlichen
Zweigwiderstände wird erreicht, daß das Produkt der jeweils eingestellten Widerstandswerte
mehr oder weniger gleiche Werte beibehält. Dies ist aber maßgebend für die Erzielung
einer möglichst großen Frequenzunabhängigkeit der Schaltung. Eine nähere Nachprüfung
zeigt
nämlich, daß etwa die in Fig. 1 dargestellte Schaltung in
der `'eise bezüglich der Phasenlage der abgegebenen Spannungen von der Frequenz
der zugeführten Spannung abhängig ist, daß der gegenseitige Phasenwinkel der beiden
Spannungen UR, und UR, für sehr kleine Frequenzen zunächst mit der Frequenz anwächst,
dann ein Maximum durchläuft und für sehr hohe Frequenzen mit steigender Frequenz
wieder kleiner wird. Die größtmögliche Frequenzunabhängigkeit der Schaltung wird
erfindungsgemäß in demjenigen Frequenzbereich erzielt, in welchem die Tendenz der
Frequenzabhängigkeit der im Einzelfall- gegebenen Phasenverschiebung gerade ihren
j@'echselpunkt durchläuft. Zu diesem Zweck wird nicht nur die Abstufung der beiden
regelbaren und- miteinander gekoppelten Widerstände R1 und R2 so getroffen, daß
ihr Produkt möglichst konstant bleibt, sondern es werden sämtliche Zweigwiderstände
der Brücke, insbesondere also die beiden Kondensatoren Cl und C" von vornherein
so bemessen, daß das Produkt Cl . C2 # R1 . R2 mindestens angenähert gleich dem
Kehrwert des Quadrats derjenigen Frequenz ist, die sich als mittlere Frequenz aus
den zu erwartenden Schwankungen der der Brücke zugeführten Wechselspannung U ergibt.
-
Die Fig. 3 a und 3 b zeigen die Frequenzabhängigkeit der Schaltung
für zwei verschiedene Einstellungen der Widerstände RI und R,. hl Fig. 3 a ist ein
verhältnismäßig kleiner Phasenwinkel T von beispielsweise 8°' mittels der Widerstände
R, und R2 zwischen den beiden Ausgangsspannungen- Eingestellt. Da mit wachsender
Frequenz der kapazitive Teilwiderstand jedes Brückenzweiges kleiner wird, lädt sich
-die Frequenzabhängigkeit des Vektordiagramms durch den am Ortskreis angetragenen
Pfeil f-f' andeuten; d. h. daß das Vektordiagramm der Schaltung für eine verhältnismäßig
kleine Frequenz durch die Spannungspfeile URI, Uci bzw: UR 2, UC
2 gegeben ist, für eine größere Frequenz der zugeführten Wechselspannung
U durch die Spannungspfeile URl' und UCl' bzw. UR2 und UC 2 . Ein Vergleich
beider Vektordiagramme zeigt, daß der Phasenwinkel (p zwischen den beiden abgenommenen
Spannungen UR 1 und UR.. bzw. URI'. (IR.' praktisch unverändert bleibt, vorausgesetzt,
daß die obenerwähnteBemessungsvorschrifteinigermaßen eingehalten bleibt. Daß dies
unabhängig von der Größe des jeweils eingestellten Phasenwinkels gilt, zeigt die
Fig. 31). Das Diagramm der Fig. 3 1)
entspricht genau demjenigen der Fig.
3 a, lediglich mit dem Unterschied, daß zwischen den beiden Ausgangsspannungen durch
die beiden Widerstände R, und R2 ein größerer Phasenverschiebungswinkel von etwa
30° eingestellt ist. Die Fig. a zeigt, daß auch dieser Winkel bei Frequenzschwankungen
angenähert erhalten bleibt.
-
Im Ausführungsbeispiel wurde bisher lediglich der Fall behandelt,
daß die Brückenzweige aus Kondensatoren und Ohmschen Widerständen aufgebaut sind.
Selbstverständlich lädt sich die Erfindung auch dann anwenden, wenn beispielsweise
an Stelle von Kondensatoren Drosseln als Blindwiderstände \'erw-endüng finden. Die
Bedingung für die bestmögliche Bemessung der Brückenelemente ändert sich dann erfindungsgemäß
dahin, daß der Quotient
wenigstens angenähert gleich dem Kehrwert des Quadrats der mittleren Frequenz der
der Brücke zugeführten Wechselspamlung sein soll. Allgemein lädt sich also die Bemessungsvorschrift
unabhängig von der Art der verwendeten Blindwiderstände der beiden Brückenzweige
so formulieren, daß das Produkt aus den Zeitkonstanten der beiden aus Wirk-und Blindwiderständen
bestehenden Brückenzweige möglichst gleich dem Kehrwert des Quadrats der mittleren
Frequenz der zugeführten Wechselspannung zu bemessen ist.
-
Es ist selbstverständlich im Rahmen der oben beschriebenen Maßnahmen
und Bemessungsgrundlagen auch möglich, in einem Brückenzweig einen kapazitiven und
im anderen Brückenzweig einen induktiven Blindwiderstand vorzusehen. Um möglichst
einfache Berechnungen zu erhalten, können ohne Beeinflussung der Wirkungsweise die
Blindwiderstände beider Brückenzweige gleich groß bemessen sein, wenn die beiden
Wirkwiderstände nach Fig. 1 veränderlich sind.
-
Aus der Bemessungsvorschrift geht weiter auch hervor, daß in Weiterbildung
des Erfindungsgedankens die angestrebte Wirkung auch dann ererzielt wird, wenn beispielsweise
die Wirk- und Blindwiderstände einesBrückenzweiges fest und sowohl der Wirk- als
auch der Blindwiderstand des anderen Brückenzweiges veränderlich gemacht werden.
Die Einstellorgane dieses Wirk- und Blindw'iderstandes sind dann so zu koppeln und
die Veränderlichkeit beider Widerstände ist zweckmäßig so zu stufen, daß bei Einstelländerungen
die Zeitkonstante des betreffenden Brückenzweiges, also z. B. das Produkt Cl . R
I oder der Quotient
möglichst unverändert bleibt (konstante Frequenz vorausgesetzt).
-
Ebenso ist es auch möglich, die angestrebte Phasenverschiebung dadurch
zu erzielen, daß an Stelle der beiden Wirkwiderstände die beiden Blindwiderstände
der beiden Brückenzweige in dem angegebenen Sinn veränderlich gemacht werden, und
schließlich kann die Einstellung der Phasenlage auch beispielsweise dadurch erfolgen,
daß im einen Zweig der Wirkwiderstand, z. B. R1, und im anderen Zweig der Blindwiderstand,
z. B. C2, verändert wird; auch hierbei ist selbstverständlich die oben angegebene
Bemessungsvorschrift sowie die angegebene Zwangskopplung der beiden veränderlichen
Widerstände und vorteilhaft auch eine entsprechende Abstufung derselben einzuhalten.
-
Wie die Fig. 3 zeigt, verbleibt bei Anwendung des Erfindungsgedankens
zunächst lediglich eine Amplitudenabhängigkeit der beiden Ausgangsspannungen von
der Frequenzschwankung der zugeführten Wechselspannung. Falls diese Amplitudenabhängigkeit
stört, kann sie leicht in an
sich bekannter Weise beseitigt werden,
indem an die beiden Brückenausgänge Pegelregler oder Amplitudenbegrenzer bekannter
Bauart angeschlossen werden, die an dieser Stelle im einzelnen nicht beschrieben
zu werden brauchen.