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Verfahren zum Ableiten eines Gleichstroms aus zwei Wechselspannungen
gleicher Frequenz Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ableiten eines Gleichstroms
aus zwei Wechselspannungen gleicher Frequenz, wobei die Größe des Gleichstroms von
dem Phasenunterschied zwischen einer Meßwechselspannung und einer Hilfswechselspannung
abhängt, deren Amplitude groß gegenüber der Amplitude der Meßwechselspannung ist,
und wobei dieser Gleichstrom einem Anzeige- oder Regelgerät zugeführt wird. Ein
derartiges Verfahren kann besonders vorteilhaft für die Steuerung eines Null instrumentes
bei Wechselstrombrückenschaltungen Verwendung finden, da hierbei die Richtung feststellbar
ist, in der das Gleichgewicht der Brückenschaltung gestört ist.
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Für derartige Zwecke sind bereits Brüclcenschaltungen bekanntgeworden,
die mindestens zwei Gleichrichter enthalten und an die einerseits die Meßspannung,
andererseits eine Hilfsspannung angelegt ist, die groß gegenüber der Meßspannung
ist, wobei sowohl die vektorielle Summe als auch die vektorielle Differenz der beiden
Spannungen gleichgerichtet werden. Hierbei bildet man die Differenz der beiden gleichgerichteten
Ströme und gibt sie auf das Gleichstrominstrument, das je nachdem, ob der Phasenwinkel
zwischen der Meßspannung und der Hilfsspannung positiv oder negativ ist, nach rechts
oder nach links ausschlägt.
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Derartige bekannte Schaltungen weisen jedoch den Nachteil auf, daß
sie für höhere Frequenzen sich sehr schlecht eignen. Bekanntlich lassen sich zwar
Brückenschaltungen auch für Hochfrequenzen ausführen, erfordern aber verhältnismäßig
umständ-
liche Hilfsmaßnahmen und sorgfältigen Aufbau.
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Außerdem wird die Meßspanuung bei den bekannten Anordnungen im allgemeinen
mit Hilfe von Übertragern in die Brücke eingekoppelt, die ihrerseits ebenfalls die
Breite des Frequenzbandes beschneiden.
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Das Verfahren nach der Erfindung vermeidet diese Nachteile und kennzeichnet
sich dadurch, daß die Meßspannung über einen Trennkondensator 8 der Reihenschaltung
zweier entgegengesetzt geschalteter Gleichrichter I, 2 bzw. 11, I2 und die Hilfsspannung
einem dieser Gleichrichter zugeführt wird, wobei ein Gleichstrommeßwerk parallel
zur Reihenschaltung der Gleichrichter liegt.
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Diese Schaltung ist praktisch frequenzunabhängig, und ein weiterer
Vorteil besteht darin, daß bei sinusförmiger Meßspannung der Ausgangsstrom praktisch
linear mit der Amplitude der Wechselspannung zunimmt.
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Zum Erzeugen eines Gleichstroms, dessen Richtung sich bei einer Phasendifferenz
von 1800 zwischen der Vergleichs- und der Meßwechselspannung umkehrt, bzw. zum Anzeigen
der Größe und des Vorzeichens des Phasenwinkels zwischen Meßspannung und Hilfsspannung
wird gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der - Erfindung eine Anordnung benutzt,
bei der zwei Reihenschaltungen I, 2 bzw. II, 12 von je zwei entgegengesetzt geschalteten
Gleichrichtern parallel zueinander angeordnet sind, denen ein gemeinsamer, das Gleichstrommeßwerk
enthaltender Ausgangskreis parallel liegt, wobei die Gleichrichter in den beiden
Reihenschaltungen einander entgegengesetzt gepolt sind und wobei Mittel, z. B. ein
Gegentakttrans-£ormator 5', vorgesehen sind, um zwei gleich große Hilfswechselspannungen
je einem Gleichrichter 1, II jeder Reihenschaltung gegenphasig zuzuführen.
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Bei dieser Anordnung ist zwar, wenn auch nur beispielsweise, ein Gegentakttransformator
vorgesehen, doch treten die obenerwähnten Nachteile hierbei nicht besonders in Erscheinung,
da dieser Transformator nur für die Hilfswechselspannung benötigt wird.
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An Hand der Figuren, in denen Schaltungsanordnungen nach der Erfindung
dargestellt sind, werden die Erfindung und ihre weiteren Vorteile näher erläutert.
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Fig. I und 2 zeigen zwei Schaltungen nach der Erfindung mit je einem
Gleichrichterpaar; Fig. 3 und 4 zeigen Spannungsdiagramme, an denen die Wirkungsweise
der Schaltungen nach Fig. I und 2 erläutert wird; in Fig. 5 ist eine vorteilhafte
Anwendungsmöglichkeit einer Schaltung nach der Erfindung mit zwei Gleichrichterpaaren
bei einer Wechselstrombrückenschaltung veranschaulicht, und Fig. 6 zeigt den Zusammenhang
zwischen der Amplitude der Meßwechselspannung und dem infolgedessen auftretenden
Höchstausgangsgleichstrom für die Schaltung nach Fig. 5.
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In Fig. I bezeichnen I und 2 zwei entgegengesetzt in Reihe geschaltete
Gleichrichter, die der Einfachheit halber als Zweipolröhren dargestellt sind.
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Zwischen Kathode und Anode des Gleichrichters I ist die Reihenschaltung
eines Strombegrenzungswiderstandes 3 und der Sekundärwicklung4 eines Transformators
5 eingeschaltet, dessen Primärwicklung über Eingangsklemmen 6 die Vergleichswechselspannung
ev zugeführt wird. Die Meßwechsel spannung em wird den Eingangsklemmen7 zugeführt
und über einen Trennkondensator 8 an die Reihenschaltung der Gleichrichter I, 2
gelegt.
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Parallel zu der Reihenschaltung der Gleichrichter I, 2 liegt ein Gleichstromausgangskreis
mit einem Gleichstrommesser g und einem Vorschaltwiderstand 10.
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Ist die an den Gleichrichter I gelegte Vergleichsspannung mit der
an die Reihenschaltung der Gleichrichter gelegten Meßspannung in Phase und weist
im übrigen die Vergleichsspannung eine größere Amplitude als die Meßwechselspannung
auf, so tritt im Ausgangskreis kein Strom auf. Liegt eine Phasenverschiebung zwischen
den beiden zugeführten Wechselspannungen vor, so wird der Ausgangskreis in der mit
einem Pfeil bezeichneten Richtung von einem Gleichstrom ig durchflossen, dessen
Größe von der Phasenverschiebung abhängig ist und einen Höchstwert bei einer Phasenverschiebung
von IsoO zwischen den zugeführten Wechselspannungen aufweist.
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Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung wird an Hand der in den
Fig. 3 a, 3 b, 3 c dargestellten Spannungsdiagramme erläutert.
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Ein Gleichstrom im Ausgangskreis kann in der dargestellten Schaltanordnung
ausschließlich den Gleichrichter 2 durchfließen und tritt somit nur auf, wenn das
Potential der Anode des Gleichrichters 2, d. h. des Punktes B, das Potential der
Kathode des Gleichrichters 2, d. h. des Punktes A, übersteigt.
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Weist die Vergleichsspannung den mit ev im Zeitdiagramm der Fig. 3
a angedeuteten sinusförmigen Verlauf auf, so wird während der ersten Halbwelle der
Sinuskurve weder der Gleichrichter I noch der Gleichrichter 2 von Strom durchflossen,
so daß das Potential des Punktes A während dieser Zeit dem vom Augenblickswert der
Kurve ev gegebenenWert e, entspricht, wie dies in Fig. 3 a mit einer starken Linie
bei PA bezeichnet ist.
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Während der zweiten Halbwelle der Sinuskurve ev ist der Gleichrichter
I leitend; so daß zwischen Anode und Kathode dieses Gleichrichters praktisch keine
Potentialdifferenz herrscht. Während dieser Zeit entspricht das Potential des Punktes
A somit nahezu dem Potential der Anode des Gleichrichters I, d. h. dem Erdpotential,
wie dies durch PA in Fig. 3 bezeichnet ist.
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Das Potential des Punktes B in bezug auf Erde wird durch die der
Reihenschaltung der Gleichrichter zugeführte Meßwechselspannung em bedingt.
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Der zeitliche Verlauf des Potentials des Punktes B entspricht somit
der Meßwechselspannung em.
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Wie aus Fig. 3 a ersichtlich, ist für den Fall, daß Vergleichs- und
Meßwechselspannung in Phase sind, das Potential des Punktes B stets geringer als
das des Punktes A, und somit ist ig = Besteht jedoch zwischen Vergleichs- und Meßspannung
eine Phasendifferenz von go0 (Fig. 3 b), so tritt während der Zeit, die dem in der
Figur
schraffierten Teil entspricht, ein Ausgangsstrom auf. Bei
einer Phasendifferenz von 1800 zwischen den Spannungen (Fig. 3 c) tritt während
der ganzen zweiten Halbwelle der Vergleichsspannung ein Ausgangsstrom auf, so daß
dann der mittlere Ausgangsstrom am größten ist. Bei Phasenverschiebungen größer
als 1800 nimmt der SIittelwert des Ausgangsstromes wieder ab, bis bei einer Phasendifferenz
von 3600 wiederum ig = o wird.
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Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. I sind die Kathoden der Gleichrichter
miteinander verbunden; jedoch können ebenfalls die Anoden miteinander verbunden
sein wie bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2, in der entsprechende Teile mit
den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. I bezeichnet sind. ii und I2 sind die Gleichrichter,
während die A und B in Fig. I entsprechenden Punkte mit C bzw. D bezeichnet sind.
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Die zu Fig. 2 gehörigen Fig. ßa, ßb, ßc entsprechen den zur Fig.
I gehörigen Fig. 3 a, 3 b. 3 c; jedoch wurde bei Fig. 2 angenommen, daß die Vergleichsspannung
in Gegenphase zu der in Fig. I ist.
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Das Auftreten eines Stromes ig im Ausgangskreis ist in den Fig. ßa,
ßb, 4c wiederum durch Schraffierung bezeichnet. Der bei Phasenverschiebungen auftretende
Strom ist bei der Anordnung nach Fig. 2 entgegengesetzt gerichtet zu demjenigen
bei der Schaltung nach Fig. 1. Im übrigen werden diese Figuren nach dem vorstehend
Erörterten für sich selbst sprechen.
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Durch geeignetes Zusammenfügen der Schaltungsanordnungen nach Fig.
I und 2 ergibt sich eine Schaltungsanordnung, bei der sich die Polarität des Ausgangsstroms
bei einer Phasendifferenzänderung von ISoO ändert. Die so entstandene Schaltungsanordnung
eignet sich daher besonders gut zu dem polaren Anzeigen einer Gleichgewichtsstörung
bei einer Wechselstrombrückenschaltung.
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Eine solche bei einer Wechselstrombrückenschaltung angewendete Schaltungsanordnung
ist in Fig. 5 dargestellt, in der entsprechende Teile wiederum mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind.
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Diese Schaltungsanordnung entsteht dadurch, daß bei den Schaltungen
nach Fig. I und 2 die geerdeten Punkte miteinander verbunden werden.
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Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, müssen die Aleßwechselspannungen
bei beiden Schaltungen gleichphasig sein, so daß auch die Punkte B und D direkt
verbunden werden können und nur ein Ausgangskreis und ein Satz von Eingangsklemmen
y für die WIeßwechselspannung benötigt wird. Die bleßwecllselspannungen für beide
Schaltungshälften, d. h. die Spannungen an den Röhren II und 12 bzw. I und 2 sind
gleich der Brückenspannung bei I3.
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Die den Röhren I bzw. 1 1 zugeführten Vergleichsspannungen sollen
gemäß den Fig. 3 und 4 gegenphasig sein. Die gegenphasigen Vergleichsspannungen,
die selbstverständlich getrennt erzeugt werden können, werden einer Gegentaktwicklung
4' des Transformators 5' entnommen. Sie kann in geeigneten Fällen direkt dem an
der Stelle 6 anzuschließenden Starkstromnetz entnommen werden.
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Wie erwähnt, wird die Meßwechselspannung von der Spannung an der Meßdiagonale
einer Wechselstrombrückenschaltung I3 gebildet, die mittels einer am Transformator
5' angebrachten Sekundärwicklung 14 gespeist wird. Ist die Brückenschaltung im Gleichgewicht,
so hat die der Meßdiagonale entnommene Wechselspannung den Wert Null, und da die
Größe des Ausgangstroms der Schaltung nach der Erfindung und die Amplitude der Meßwechselspannung
bei gegebener Vergleichsspannung auf die in Fig. 6 dargestellte Weise linear zusammenhängen,
tritt in diesem Fall gleichzeitig kein Ausgangsstrom oder Ausschlag des Gleichstrominstrumentes
g auf.
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Ist das Brückengleichgewicht nach der einen Seite hin gestört, so
gelten z. B. die in den Fig. 3 a und 4 a dargestellten Kurven für die Reihenschaltungen
2 bzw. II, I2, und es fließt ein Ausgangsstrom in der mit einem Pfeil in Fig. 5
bezeichneten Richtung.
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Ist hingegen das Gleichgewicht der Brückenschaltung nach der anderen
Seite hin gestört, so gelten die in den Fig. 3 c und 4c dargestellten Beziehungen,
so daß ein der Pfeilrichtung in Fig. 5 entgegengesetzt fließender Ausgangsstrom
entsteht und das für Nullanzeige verwendete Instrument 9 nach der anderen Seite
ausschlägt wie im vorherigen Fall. Auf diese Weise wird eine Gleichgewichtsstörung
der Brückenschaltung polar angezeigt, gewünschtenfalls kann hierbei ohne weiteres
zwecks Erhöhung der Anzeigeempfindlichkeit die der Meßdiagonale der Brückenschaltung
entnommene Spannung verstärkt werden, bevor sie den Klemmen 7 zugeführt wird.
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Schließlich ist zu bemerken, daß die Form der Spannungskurven für
die Vergleichs- und Meßwechselspannungen verhältnismäßig gleichgültig ist; besonders
bei der Anwendung einer Verstärkung der Meßwechselspannung, wie vorstehend angeführt,
kann sich dieser Vorzug geltend machen.
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PATENTANSPRUCEXE 1. Verfahren zum Ableiten eines Gleichstroms aus
zwei Wechselspannungen gleicher Frequenz, wobei die Größe des Gleichstroms von dem
Phasenunterschied zwischen einer Meßwechselspannung und Hilfswechselspannung abhängt,
deren Amplitude groß gegenüber der Amplitude der Meßwechselspannung ist, und wobei
dieser Gleichstrom einem Anzeige- oder Regelgerät zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßspannung über einen Trennkondensator (8) der Reihenschaltung zweier entgegengesetzt
geschalteter Gleichrichter (I, 2 bzw. II, I2) und die Hilfsspannung einem dieser
Gleichrichter zugeführt wird, wobei ein Gleichstrommeßwerk parallel zur Reihenschaltung
der Gleichrichter liegt.