-
Vorrichtung zur Messung oder zur Regelung einer Gleichspannung
Wenn
eine Spannung gemessen oder geregelt werden muß, stößt man bisweilen auf die Schwierigkeit,
daß die Zuführungsklemmen des Meß- oder Regelgerätes, im folgenden als Hilfsvorrichtung
bezeichnet, also die Klemmen, an welchen die zu messende oder zu regelnde Spannung
oder eine letzterer proportionale Spannung angelegt werden muß, nicht in unmittelbare
Verbindung mit den Klemmen gebracht werden kann, zwischen denen die zu messende
oder zu regelnde Spannung herrscht, weil eine der beiden Zuführungsklemmen mit einem
Punkt, ferner als fester Punkt zu bezeichnen, verbunden ist, welcher in bezug auf
die beiden Klemmen der zu messenden Spannung Potentialunterschiede aufweist.
-
Diese Schwierigkeit macht sich z. B. bemerkbar, falls eine der Klemmen
eines Voltmeters mit Erde verbunden ist und mit ihm die Spannung einer Stromquelle
oder eines Stromverbrauchers gemessen werden soll, deren bzw. dessen elektrische
Mitte mit Erde verbunden ist. Bei Wechselspannung läßt sich die Messung durch Verwendung
eines Trennungstransformators ermöglichen, bei Gleichstrom aber muß nach anderen
Mitteln gesucht werden.
-
Beim Messen von Gleichspannung kann man zwar einen Gleichstromverstärker
verwenden, aber auch dabei tritt dieselbe Schwierigkeit auf, weil in solchen Verstärkern
der Eingangskreis und der Ausgangskreis eine gemeinsame Anschlußklemme besitzen.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung
oder zur Regelung von Gleichspannung, bei der diese Schwierigkeit
beseitigt
ist. In dieser Vorrichtung sind das Gitter und die Kathode einer Verstärkerröhre
(Hochvakuumentladungsröhre mit Steuerelektrode) mit Punkten verbunden, zwischen
denen ein von der zu messenden oder zu regelnden Spannung abhängiger Potentialunterschied
herrscht. Der Anodenkreis dieser Verstärkerröhre enthält ein Element, auf welches
die Änderungen der zu messenden oder zu regelnden Spannung übertragen werden. Gleichzeitig
ist dieses Element in den anderen äußeren Kreis aufgenommen, welcher die beiden
Zuführungsklemmen der Hilfsvorrichtung miteinander verbindet. Die Hilfsvorrichtung
liegt daher nicht in Reihe mit dem erwähnten Element im Anodenkreis der Verstärkerröhre,
sondern der Anodenstromkreis und der äußere Kreis der Hilfsvorrichtung besitzen
ein gemeinsames Element, über welches Spannungsänderungen auftreten, die den Änderungen
der zu messenden oder zu regelnden Spannung gleich oder porportional sind.
-
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
-
Die Fig. I und 2 dieser Zeichnung dienen zur Erläuterung des durch
die Erfindung gelösten Problems, die übrigen Figuren stellen Schaltschemen von Ausführungsbeispielen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
-
Fig. I stellt ein einfaches Schaltschema dar, welches eine von Gleichstrom
durchfiossene Impedanz I enthält, so daß die Klemmen A und B einen Spannungsunterschied
V besitzen. Der Punkt 2 der Impedanz ist mit Erde verbunden. Die Klemmen A und B
weisen gegenüber dem Punkt 2 Spannungsunterschiede Va und VO auf. Das Problem besteht
nun darin, die Spannung V mittels eines Voltmeters 3 zu messen, von dem eine der
Zuführungsklemmen geerdet ist, so daß diese Klemme mit dem festen Punkt 2 verbunden
ist. Die geerdete Zuführungsklemme des Voltmeters läßt sich nicht mit einer der
Klemmen der zu messenden Spannung in direkter Verbindung bringen, denn dadurch würde
der zwischen der letztgenannten Klemme und dem festen Punkt 2 liegende Teil der
Impedanz kurzgeschlossen werden. Es kann daher nur eine der Spannungen Va und Vt
direkt gemessen werden, aber zum Messen der gesamten Spannung V, welche die algebraische
Summe der Spannungen Va und Vt ist, läßt sich die Anzeige des Meßinstrumentes nur
dann verwenden, falls die Sicherheit besteht, daß die Spannung Va stets der Spannung
Vb gleich oder zum mindestens proportional ist. Daß dies nicht stets der Fall ist,
wird sich aus den ferner erläuterten Beispielen ergeben.
-
Wird, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, zwischen das Voltmeter 3
und die Klemmen der zu messenden Spannung ein Gleichstromverstärker 4, eine Hochvakuumentladungsröhre
mit Steuerelektrode und zugehöriger Schaltung geschaltet, so ist es nicht möglich,
eine der Klemmen des Meßinstrumentes 3 außerdem mit Erde zu verbinden, da bei solchen
Verstärkern eine der Eingangsklemmen unmittelbar mit einer der Ausgangsklemmen verbunden
ist, wie es durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, weil der Gitterkreis und
der Anodenkreis beide über die Kathode laufen.
-
Aus Fig. 3 läßt sich erkennen, wie diese Schwierigkeit durch die
Erfindung gelöst werden kann. Die Glühkathode 5 einer Verstärkerröhre 6 ist hier
mit der negativen Klemme B der zu messenden Spannung und das Gitter 7 dieser Röhre
ist über eine Spannungsquelle 8 mit der positiven Klemme 4 verbunden. Das Gitter
und die Kathode sind daher mit Punkten verbunden, zwischen denen ein von der zu
messenden Spannung abhängiger Potentialunterschied herrscht, in diesem Falle gleich
der zu messenden Spannung selbst.
-
Der Anodenkreis der Röhre enthält eine Stromquelle 9 und einen Widerstand
10. Der Anodenstrom ändert sich in Abhängigkeit von der Gitterspannung, und gemäß
diesem Strom ändert sich auch der Spannungsabfall im Widerstand 10.
-
Letzterer bildet daher ein Element des Anodenkreises, auf welches
die Änderungen der zu messenden Spannung übertragen werden. Von der Hilfsvorrichtung
3, dem Meßinstrument, ist die Klemme II mit Erde, d. h. mit dem festen Punkt 2 verbunden.
Die nicht mit diesem Punkt verbundene Klemme 12 ist derart mit dem im Anodenkreis
der Röhre eingeschalteten Element IO verbunden, daß dieses dadurch gleichzeitig
in den äußeren Kreis aufgenommen wird, welcher die beiden Zuführungsklemmen II und
I2 des Meßinstrumentes miteinander verbindet. Dieser Kreis läuft von der Klemme
II über die Erdverbindung zum festen Punkt 2 und von dort über den Teil der Impedanz
1 ztvischen dem festen Punkt 2 und der negativen Klemme B und ferner über den Widerstand
IO zu der Klemme I2.
-
Auf das Meßinstrument wirkt nun die Summe zweier Spannungen, d. h.
der Spannungsabfall im Widerstand IO, welcher die Änderungen der zu messenden Spannung
V enthält, und die Spannung Vb. Die Änderungen der Spannung Vb werden daher nochmals
dem Meßinstrument zugeführt.
-
Anscheinend entspricht die Vorrichtung daher nicht den gestellten
Anforderungen. Der Fehler in der Anzeige, welcher durch die direkte Einwirkung der
Spannung zwischen der Klemme B und dem festen Punkt 2 auf das Meßinstrument verursacht
wird, ist aber verschwindend klein, wenn die Röhre 6 nur eine so große Verstärkung
gibt, daß die Änderungen der Spannung Vb, welche direkt geliefert werden, verschwindend
klein sind in bezug auf - diejenigen, welche dem Widerstand IO entnommen werden.
Bei einer hundertfachen Verstärkung z. B. wird in den meisten Fällen eine ausreichende
Annäherung des idealen Zustandes erhalten sein. In vielen Fällen wird eine kleinere
Verstärkung ausreichen.
-
Infolge dieser Verstärkung könnte die an der Hilfsvorrichtung angelegte
Spannung und die von der Quelle g zu liefernde Spannung - in einigen Fällen für
praktische Anwendung zu hoch werden.
-
Aus Fig. 4 ist ersichtlich, wie dieser Nachteil auf einfache Weise
ausgeschaltet werden kann.
-
In dieser Figur sind I3, 14 und I5 die Stromleiter eines Dreileiternetzes
für Gleichstrom, das von zwei in Reihe geschalteten Generatoren 16a und I6b gespeist
wird, deren gegenseitige Verbindung mit Erde verbunden ist. Der Leiter 15 ist der
Nulleiter, I3 ist der positive, 14 der negative Leiter. Die Aufgabe besteht in der
Messung der Spannung zwischen den Leitern I3 und 14 an einer weit vom Speisepunkt
entfernten Stelle mittels eines Meßinstrumentes, von dem eine der beiden Klemmen
geerdet ist. Die Messung der Spannung von nur einem der Leiter in bezug auf Erde
ist daher nicht hinreichend, da infolge der Ableitung und ungleichmäßigen Belastung
die Spannungen, welche die Leiter I3 und 14 in bezug auf Erde besitzen, nicht stets
gleich oder entsprechend variierend sind, auch wenn dies mit den Klemmenspannungen
der Dynamos 15 und 16 wohl der Fall wäre. Werden nun die vollen Spannungsänderungen,
welche beispielsweise 20 °/o des Nominalwertes der Netzspannung betragen, am Gitter
der Verstärkerröhre angelegt und werden diese hundertmal verstärkt auf das Meßinstrument
übertragen, so muß letzteres für eine Spannung geeignet sein, welche zum mindesten
zwanzigmal so groß wie die Netzspannung sein muß. Daß dies in vielen Fällen erschwerlich
ist, ist selbstverständlich, aber dieser Nachteil läßt sich leicht dadurch beseitigen,
daß die Steuerspannung Spannungsteilern entnommen wird, und zwar einem Spannungsteiler
I7 für die positive Klemme, welche den Leiter I3 mit Erde verbindet, und einem Spannungsteiler
18 für die negative Klemme, welche den Leiter 14 mit Erde verbindet. Hier entsteht
daher wieder ein fester Punkt 2, der in bezug auf die Klemmen der zu messenden Spannung
die Potentialunterschiede Va und Vb besitzt und der mit einer der Zuführungsklemmen
der Hilfsvorrichtung, des Meßinstrumentes, verbunden ist. Das Gitter und die Kathode
der Verstärkerröhre 6 sind jetzt nicht mit den Leitern I3 und I4, sondern mit Punkten
19 und 20 der Spannungsteiler verbunden, welche derart gewählt sind, daß ihre Potentialunterschiede
gegenüber dem festen Punkt 2 im gleichen Verhältnis zu den Spannungen Va und Vb
stehen. Im übrigen ist die Schaltung gleich derjenigen nach Fig. 3.
-
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, bei welcher der Nachteil einer zu großen Spannung am Meßinstrument
ebenfalls vermieden ist, in dieser Ausführung sind, wie in derjenigen nach Fig.
4, die Klemmen der zu messenden Spannung über Spannungsteiler mit dem festen Punkt
2 verbunden.
-
Das Gitter der Verstärkerröhre 6 ist wieder mit einem Punkt 19 des
Spannungsteilers für die positive Klemme verbunden, aber statt der Verbindung, wie
in Fig. 4, mit einem Punkt des Spannungsteilers für die negative Klemme, ist die
Kathode jetzt mit dem festen Punkt 2 verbunden, und zwar über einen Widerstand 2I.
Die Anodenstromquelle g ist mit einem Punkt des Spannungsteilers für die negative
Klemme, dem Punkt22, verbunden.
-
Infolgedessen ist der Teil des Spannungsteilers I8 zwischen den Punkten
2 und 22 im Anodenstromkreis der Verstärkerröhre eingeschaltet. Die Klemme II des
Meßinstrumentes 3 ist wieder mit Erde verbunden, also mit dem festen Punkt 2, und
die Klemme I2 ist mit dem Punkt 22 verbunden.
-
Der Teil zwischen 2 und 22 des Spannungsteilers I8 bildet hier das
gemeinsame Element des Anodenkreises und des äußeren Kreises der Hilfsvorrichtung,
auf welche die Änderungen der zu messenden Spannung übertragen werden. Die Änderungen
der Spannung Va werden dem zwischen den Punkten 19 und 2 liegenden Teil des Spannungsteilers
I7 entnommen und auf das Gitter 7 der Röhre 6 übertragen.
-
Die Änderungen der Steuerspannung verursachen Änderungen im Anodenstrom,
die ihrerseits entsprechende Änderungen im Spannungsverlust über den vom Anodenstrom
durchflossenen Widerstand 22-2 herbeiführen. Dieser Spannungsverlust enthält außerdem
die Änderungen der Spannung Vb.
-
Sie werden beide also in diesem Widerstand addiert, und bei geeigneter
Wahl des Widerstandes 21 und der Anzapfpunkte 19 und 22 sind die gesamten auf das
Meßinstrument einwirkenden Spannungsänderungen über den Widerstand 22-2 proportional
denjenigen der gesamten Spannung V. Dies läßt sich wie folgt nachweisen. Besitzt
der Widerstand 21 eine Größe rc, so verursacht der Anodenstrom ic der Verstärkerröhre
6 in diesem Widerstand einen Spannungsverlust iC rc. Der Strom ia im Spannungsteiler
17 verursacht über den Teil ra (I9-2) einen Spannungsabfall ia ra. Die Gitterspannung
der Röhre 6 besteht daher aus einer positiven Komponente ia- ra und einer negativen
Komponente Oc . rce Der Anodenstrom der Röhre 6 wird sich nun derart einstellen,
daß ie r ungefähr gleich ia- ra wird.
-
Die Widerstände können leicht derart gewählt werden, daß die resultierende
Gitterspannung gering ist gegenüber dem Produkt ia ra. Einfachheitshalber wird angenommen,
daß rc gleich ra ist, so wird ic gleich ia. Der Strom verursacht im Widerstand rb
(22-2) einen Spannungsverlust ic 1a rb. Durch diesen Widerstand fließt außerdem
ein von der Spannung Vb gelieferter Strom ib. Der Spannungsabfall vb im Widerstand
rb ist also Vb = ia r6 rb + ib rb.
-
Wird der Widerstand des Spannungsteilers 17 gleich Ra und derjenige
des Spannungsteilers 18 gleich Rb gesetzt, so ist Vb = ib Rb Rb + ia rb, also ist
ib = R zea 1b = Rb oder, da = Va Ra b Va 1b = R Rb Rb Rt
für veb
läßt sich daher schreiben Va Va r2 Vt Vt = - Yb Ra R" Rb Wählt man Ra = Rb = so
ist
Das Glied mit dem Minuszeichen ist, da in der Regel R sehr groß sein wird in bezug
auf rb, in den meisten Fällen vernachlässigbar in bezug auf Y, so daß die Änderungen
des Spannungsverlustes am Widerstand rb, welche dem Meßinstrument 3 zugeführt werden,
tatsächlich proportional denjenigen der zu messenden Spannung V zwischen den Leitern
I3 und I4 wird.
-
Wenn von den Änderungen von Va ein größerer Prozentsatz auf den Widerstand
rb übertragen wird als von den Änderungen von Vb, so kann dennoch eine richtige
Anzeige dadurch erreicht werden, daß die Klemme 12 des Meßinstrumentes nicht mit
dem Spannungsteiler I8 im gleichen Punkt wie die negative Klemme der Stromquelle
9 verbunden wird, sondern in einem anderen Punkt 23, wie es in Fig. 5 durch gestrichelte
Linien angedeutet ist. Je ferner der Punkt 23 vom festen Punkt 2 entfernt gewählt
wird, um so größer wird der Einfluß, welchen die Spannung Vb auf die Anzeige des
Meßinstrumentes ausübt.
-
Daß bei der Vorrichtung nach Fig. 5 nur ein gewisser Prozentsatz
der Spannungsänderungen auf das Meßinstrument übertragen wird, kann in einigen Fällen
zur Erweiterung dieser Vorrichtung mit einer zweiten Verstärkerröhre Anlaß geben.
Eine sehr einfache Anbringungsweise besteht darin, diese Röhre zwischen den beiden
Spannungsteilern in Reihe mit der ersten Verstärkerröhre zu schalten. Die Anode
dieser zweiten Röhre 24 kommt dann, wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, am festen Punkt
zu liegen. Das Gitter 25 der Röhre 24 wird über eine Spannungsquelle 26 mit einem
Punkt 27 des Spannungsteilers fiir die negative Klemme verbunden. Der zweite Punkt,
an welchen die Hilfsvorrichtung angeschlossen wird, der erste Punkt ist wie immer
der feste Punkt, ist hier die Kathode der Röhre 24. Das Element des Anodenkreises
der ersten Verstärkerröhre, das gleichzeitig in den äußeren Kreis aufgenommen ist,
welcher die beiden Zuführungsklemmen der Hilfsvorrichtung miteinander verbindet,
ist in diesem Falle nicht ein normaler Widerstand, sondern eine Entladungsröhre.
-
Fig. 7 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei
dem die Hilfsvorrichtung nicht zur Spannungsmessung. sondern zur Spannungsregelung
dient, so daß diese Spannung sich auf eine bestimmte Weise ändert oder aber gleich
bleibt.
-
Es handelt sich hier um eine Regelröhre, eine Hochvakuumentladungsröhre
mit Steuerelektrode, welche mit einem Stromverbraucher in Reihe geschaltet ist,
dessen Spannung moduliert werden muß, und zwar in der Weise, daß das Potential der
Kathode von demjenigen der negativen Klemme des Stromverbrauchers abweicht. Für
diese Schaltung ist die Erfindung von besonderer Bedeutung, da die in der Einleitung
beschriebenen Schwierigkeiten hier nicht durch symmetrische Ausbildung der Hilfsvorrichtung
beseitigt werden können und außerdem die Regelröhre selbst im Stromkreis liegt und
eine sehr veränderliche Spannung aufnimmt, so daß Va und Vb keinesfalls mehr gleich
oder proportional bleiben.
-
In Fig.7 ist mit 3I eine Stromquelle bezeichnet, welche einen Stromverbraucher
32 über eine Triode 33 speist. Die Zuführungsklemmen der Hilfsvorrichtung zur Regelung
der Spannung am Stromverbraucher liegen hier am Gitter 34 und an der Glühkathode
35 der Triode 33. Die Kathode 35 ist mit der negativen Klemme 36 der Stromquelle
verbunden, also mit einem Punkt, der in bezug auf die Klemmen A und B der zu regelnden
Spannung Potentialunterschiede Va und Vb aufweist. Va ist in diesem Falle die Klemmenspannung
der Stromquelle 3I und Vb der Spannungsabfall über die Regeltriode 33. Der feste
Punkt ist hier die negative Klemme 36 der Stromquelle 31.
-
Für die positive Klemme,4 der zu regelnden Spannung ist ein Spannungsteiler
I7, für die negative Klemme B ein Spannungsteiler I8 vorhanden.
-
Eine Verstärkerröhre 6 ist auf ähnliche Weise wie in Fig. 4 mit diesen
Spannungsteilern verbunden.
-
Die nicht mit dem festen Punkt 36 verbundene Zuführungsklemme der
Hilfsvorrichtung, das Gitter 34, ist über eine Spannungsquelle 37 derart mit dem
Widerstand 10 verbunden, daß dieser Widerstand dadurch in den die beiden Zuführungsklemmen
der Hilfsvorrichtung verbindenden äußeren Kreis auf gleiche Weise wie in Fig. 4
aufgenommen ist.
-
Die Spannungen va und ab, deren algebraische Summe die positive Komponente
der Gitterspannung der Röhre 6 bildet, sind hier zueinander entgegengesetzt gerichtet,
und die positive Komponente ist daher gleich dem Unterschied der Absolutwerte von
Va und Vb.
-
Dieselbe Schaltung läßt sich vermeiden, wenn auch an der Anodenseite
der Regelröhre eine elektromotorische Kraft wirksam ist. Die Stromquelle kann beispielsweise
aus zwei in Reihe geschalteten Generatoren 3I und 39 bestehen, von denen letzterer
in Fig. 7 durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Diese Schaltung dürfte in einigen
Fällen derjenigen mit einer unmittelbar mit dem Stromverbraucher verbundenen Regelröhre
vorzuziehen sein, so kann es erwünscht sein, die Kathode 35 zu erden, während es
Nachteile mit sich bringt, eine der Klemmen des Stromverbrauchers oder eine der
Klemmen der Stromquelle mit Erde zu verbinden, z. B. weil die andere Klemme nicht
die volle Spannung des Stromverbrauchers bzw. der Stromquelle gegen Erde aushalten
kann. In diesem Falle wird die Triode 33 zwischen den beiden Teilen der Stromquelle
ein-
geschaltet. Die Erdung der Kathode 35 ist in Fig. 7 durch eine
gestrichelte Linie angedeutet.
-
Die Schaltung nach Fig. 7 kann zur Regelung oder zum Konstanthalten
einer hohen Spannung, z. B. der Spannung einer Röntgenröhre oder eines Gerätes zur
Prüfung von Isolatoren dienen. Durch Verwendung einer Spannungsquelle 37 mit veränderlicher
elektromotorischer Kraft läßt sich die zwischen den Klemmen,4 und B herrschende
Spannung V ändern. Letztere Spannung ist innerhalb weiter Grenzen der Spannung der
Quelle 37 proportional, unabhängig davon, wie die Spannung des Generators 3I oder
der Generatoren 3r und 39 ist. Liefert die Quelle 37 eine gleichbleibende Spannung,
so bleibt die Spannung V gleich, auch wenn sich die Spannung der Stromquelle ändert.
-
Dies ist von Bedeutung, falls als Stromquelle ein Kondensator oder
eine Batterie von Kondensatoren verwendet wird.
-
Auch die Schaltung nach den Fig. 5 und 6 läßt sich bei einer Regelvorrichtung
nach Fig. 7 verwenden.
-
Die Erfindung ist auch anwendbar zur Regelung einer Spannung mittels
anderer Hilfsvorrichtungen, wie elektromagnetisch wirkender Regelgeräte, von denen
eine der Klemmen durch Erdung oder auf andere Weise mit einem Punkt verbunden ist,
der stets einen bestimmten Potentialunterschied sowohl gegenüber der Klemme,4 als
auch gegenüber der Klemme B aufweist.
-
PATENTANS PR t; CHE 1. Vorrichtung zur Messung oder zur Regelung
einer Gleichspannung mittels einer Hilfsvorrichtung (Meß- oder Regelgerätes), von
der eine der beiden Zuführungsklemmen mit einem Punkt verbunden ist, der in bezug
auf die beiden Klemmen der zu messenden oder zu regelnden Spannung die Potentialunterschiede
(Va und Vb) besitzt (der feste Punkt), dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstärkerröhre
verwendet ist, deren Gitter und Kathode mit Punkten verbunden sind, zwischen denen
ein von der zu messenden oder zu regelnden Spannung abhängiger Potentialunterschied
herrscht und deren Anodenkreis ein Element enthält, auf welches die Änderung der
zu messenden oder zu regelnden Spannung übertragen wird, und mit welchen die nicht
mit dem festen Punkt verbundene Zuführungsklemme derart verbunden ist, daß es dadurch
gleichzeitig in den äußeren Kreis aufgenommen wird, welcher die beiden Zuführungsklemmen
der Hilfsvorrichtung miteinander verbindet.