DE968892C - Gleichspannungs- oder Gleichstromverstaerkeranordnung fuer Messzwecke - Google Patents

Description

Den Gegenstand der Erfindung bildet eine Gleichspannungs- bzw. Gleichstromverstärkeranordnung für Meßzwecke, welche die besondere Bedingung erfüllen soll, daß sie weder eine zeitliche Änderung des Verstärkungsgrades noch des Nullpunktes aufweist.

Die bisher vorgeschlagenen Gleichspannungs- oder Gleichstromverstärkeranordnungen kann man in folgende Klassen einteilen:

i. Direkte Verstärkung der Gleichspannung mittels galvanisch gekoppelter Verstärker mit oder ohne Rückführung der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstromes auf den Eingang des Verstärkers im Sinne einer Stabilisierung des Verstärkungsgrades. Der Nachteil der Anordnungen, welche keine Rückführung der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstromes besitzen, besteht in der zeitlichen Änderung des Nullpunktes bei Änderung der Röhreneigenschaften und Schwankung der Betriebsspannung. Der Nachteil der Anordnungen mit Rückführung besteht darin, daß die Ausgangsspannung nicht Null ist, wenn die Eingangsspannung Null ist. Sie sind daher auch nicht nullpunktsicher, weil die zur Erreichung des Nullpunktes erforderliche Kompensation der Gleichspannung im Ausgang zeitlich nicht konstant zu halten ist.

2. Wechselrichtung des Gleichstromes, Verstärkung in einem Wechselstromverstärker und ausgangsseitige Gleichrichtung. Diese Anordnungen haben den Nachteil, daß der Verstärkungsgrad sich zeitlich ändert.

3· Anordnungen, bei denen ein konstanter Verstärkungsgrad dadurch herbeigeführt wird, daß mit Hilfe der Ausgangsspannung ein mechanisches Zwischenglied beeinflußt wird, welches einen Kompensator für die Eingangsspannung betätigt. Die Nachteile solcher Anordnungen bestehen in einer großen Einstellzeit; ferner wird die Genauigkeit der Verstärkung durch Reibungsfehler der mechanischen Zwischenglieder begrenzt, und schließlich ist eine ίο derartige Anordnung durch die Verwendung von empfindlichen mechanischen Abgleichorganen stark störanfällig.

4. Es sind außerdem Gleichspannungsverstärker mit oder ohne Gegenkopplung bekannt, bei denen eine Hilfswechselspannung in ihrer Amplitude durch die zu verstärkende Gleichspannung geändert wird und die verstärkte Hilfswechselspannung nach ihrer Gleichrichtung auf den Eingang im stabilisierenden Sinne zurückgeführt wird. Diese Anordnungen haben den Nachteil, daß sie nicht dauernd nullpunktsicher sind, weil die zur Erzielung des Nullpunktes erforderliche Kompensation der Hilfswechselspannung im Ausgang zeitlich nicht konstant zu halten ist.

5. Bei der Gruppe der Galvanometerverstärker wird die zu verstärkende Gleichstromgröße einem Steuergalvanometer zugeführt, welches mit seinem beweglichen Organ eine fremde Energiequelle, beispielsweise einen Lichtstrom oder eine Wechselspannungsquelle, steuert. Als Wechselspannungsquelle dient bei einer bekannten Anordnung eine Induktionsspule, die in einem Wechselfeld durch das Steuergalvanometer schwenkbar angeordnet ist. Die in der Spule induzierte Wechselspannung ist von der Lage der Spulenebene im magnetischen Wechselfeld abhängig. Galvanometerverstärker sind gegen Erschütterungen empfindlich, und es ist erfahrungsgemäß nach einer gewissen Betriebszeit eine Nachjustierung des die fremde Energiequelle steuernden Teiles, beispielsweise der Induktionsspulen, notwendig.

Weitere Nachteile sind in der Lagerreibung und der Trägheit des mechanischen Systems zu sehen.

Die Erfindung geht von einer Gleichspannungs- oder Gleichstromverstärkeranordnung für Meßzwecke aus, bei der die zu verstärkende Gleichspannung bzw. der Spannungsabfall, der von dem zu verstärkenden Gleichstrom an einem im Eingang des Verstärkers liegenden Widerstand hervorgerufen wird, mittels eines Kontaktwechselrichters in Wechselspannung umgewandelt, die Wechselspannung verstärkt und phasenabhängig gleichgerichtet wird.

Die Verbesserung erfolgt bei derartigen Verstärkeranordnungen erfindungsgemäß durch eine unmittelbar auf die Eingangsspannung bzw. den Eingangsstrom vor dem Wechselrichter einwirkende und von der Ausgangsgröße des Verstärkers abgeleitete sehr hohe Gegenkopplung, etwa 1 :1000.

Durch die Verwendung eines Wechselrichters im Verstärkereingang ist gewährleistet, daß beim Anliegen der Gleichspannung Null auch die Ausgangsspannung des Verstärkers unabhängig von Alterungserscheinungen und etwaiger Dejustierung von Einzelteilen gleich Null ist. Die Anordnung benötigt daher keine besonderen Mittel zur Nachregulierung des Nullpunktes, und die Nullpunktsicherheit ist über eine lange Betriebszeit gewährleistet. Dies ist ein bedeutender Vorteil gegenüber den eingangs erwähnten Anordnungen, bei denen eine Hilfsgröße gesteuert wird.

Die Verstärkerschaltung gemäß der Erfindung ist in Abb. 1 dargestellt. Die zu verstärkende Gleichspannung wird an die Eingangsklemmen 1, 2 gelegt, im Wechselrichter 3 in Wechselspannung verwandelt und im Wechselspannungsverstärker 4 verstärkt. Die verstärkte Wechselspannung wird schließlich im phasenempfindlichen Gleichrichter 18 gleichgerichtet und dem Ausgang 6, 7 zugeführt, an den beispielsweise ein Meßinstrument oder Regelorgan 8 angeschlossen werden kann. Der Gleichrichter 18 wird mit der gleichen Frequenz wie der Wechselrichter im Eingang gesteuert und liefert eine Gleichspannung, deren Größe und Richtung von dem Betrag und der Phase der zugeführten Wechselspannung abhängig ist. Je nach der Polung der Eingangsspannung ändert sich somit auch die Richtung der am Ausgang des Gleichrichters 18 erhaltenen Gleichspannung. Diese Ausgangsspannung wird mit umgekehrter Polung dem Eingang wieder zugeführt, so daß in an sich bekannter Weise die Eingangsspannung bis auf einen geringen Bruchteil kompensiert wird. Wenn z. B. am Ausgang eine Spannung von 1V herrscht und wenn der Verstärker beispielsweise einschließlich der Wirkungsgrade von Wechsel- und Gleichrichter iooofach verstärkt, dann liegt zwischen den Punkten 9 und 10 eine Spannung von 1 mV, die also genügt, um den Verstärker auszusteuern. Folglich beträgt die Eingangsspannung 1,001 V. In diesem Beispiel ist der Meßfehler der Anordnung 0,1 %. Ändert sich nun der Verstärkungsgrad des Verstärkers um z. B. ± 5o°/₀, dann sind die jetzt auftretenden Meßfehler 0,07% bzw. 0,2%. In dem vorliegenden Beispiel ist die Spannungsverstärkung nahezu gleich 1, es findet lediglich eine Strom- und Leistungsverstärkung statt. Bei Spannungsverstärkung kann der Widerstand 11 sehr groß gewählt werden, der Kondensator 12 dient der wechselstrommäßigen Überbrückung der Eingangsklemmen. Soll ein Strom zur Anzeige gebracht werden, so wird er über den Widerstand 11 geführt und der daran entstehende Spannungsabfall in der beschriebenen Weise verstärkt. Die Strom- und Leistungsverstärkung ist in diesem Fall praktisch gleich dem Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangswiderstand.

Im allgemeinen wird eine Spannungsverstärkung, die größer als 1 ist, verlangt. In diesem Falle wird parallel zu den Ausgangsklemmen ein Spannungsteiler 13, 14 gelegt und zur Kompensation der Eingangsspannung der Spannungsabfall an dem Widerstand 13 benutzt. Die Spannungsverstärkung ist demnach

nahezu gleich dem Widerstandsverhältnis —^f——.

^b R₁₃

Die Stelle des Widerstandes 13 oder 14 kann auch von einem Meßinstrument, Regelorgan od. dgl. ganz oder teilweise eingenommen werden.

Bei Benutzung eines Spannungsteilers im Ausgang läßt sich durch eine dem reziproken Gesamtverstärkungsgrad entsprechende Verringerung der am

Spannungsteiler 13, 14 abgegriffenen Kompensationsspannung der gewünschte Verstärkungsgrad ganz genau einstellen.

Wenn jedoch der Ausgangsstrom der Eingangsspannung proportional sein soll, so wird der Widerstand 14 fortgelassen und die Kompensationsspannung an einem einzigen Widerstand, z. B. 13, abgenommen, der mit dem Verbraucher 8 in Reihe liegt oder ein Teil desselben sein kann.

Für Spezialzwecke kann man einen oder mehrere dieser Widerstände nicht linear ausführen.

Eine andere Schaltung, die den gleichen Gedanken verwirklicht, ist in Abb. 2 dargestellt. Hier wird als Wechselrichter 3 in an sich bekannter Weise ein umlaufender Unterbrecher, der von dem Motor 19 (der evtl. ein Synchronmotor sein kann) angetrieben wird, vorgesehen. Als phasenempfindlicher Gleichrichter 18 dient eine ähnliche rotierende Kontaktanordnung, wie sie für Gleichspannungsverstärker auch bekannt ist, die von demselben Motor 19 angetrieben wird. Die Phasendrehung im Wechselstromverstärker 4 kann z. B. durch Verdrehung der rotierenden Kontakte gegeneinander oder durch Verdrehung der feststehenden Kontakte berücksichtigt werden. Der gleiche Gedanke kann ferner auch dadurch verwirklicht werden, daß man den Motor 19 durch ein schwingendes Pendel ersetzt, wie es für den Antrieb von Unterbrechern zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom bekannt ist.

Bei den bisher angeführten Anordnungen wird die Ausgangsleistung von dem Verstärker 4 geliefert. Dies bedingt bei großen Ausgangsleistungen einen entsprechend hohen Aufwand im Verstärker 4. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, die bekannte Steuerung von gittergesteuerten Gleichrichtern durch die zu verstärkende Spannung anzuwenden und an Stelle des Gleichrichters 18, welcher die Ausgangsleistung des Verstärkers gleichrichtet, vom Verstärker 4 einen gittergesteuerten Gleichrichter 24 steuern zu lassen, der seine Ausgangsleistung aus dem Wechselstromnetz entnimmt. Auf diese Weise kann der erfindungsgemäße Gleichspannungs- bzw. der Gleichstromverstärker große Verbraucherleistungen steuern. Wie in Abb. 3 dargestellt ist, wird zur Erzielung einer dauernd konstanten Proportionalität zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung die Kompensationsspannung von den Ausgangsklemmen 6, 7 abgegriffen und über den Spannungsteiler 13, 14 dem Eingang 1, 2 zugeführt.

Wenn eine Proportionalität zwischen Ausgangsstrom und Eingangsspannung erwünscht ist, wird eine dem Ausgangsstrom proportionale Spannung zur Kompensation benutzt.
Der Wechselrichter 3 wird zweckmäßigerweise vom gleichen Netz gesteuert, aus dem der gittergesteuerte Gleichrichter seine Leistungen entnimmt.

Für den Fall, daß der gittergesteuerte Gleichrichter 24 mit Gleichspannung gesteuert werden soll, kann dem Verstärker 4 einer der oben vorgeschlagenen Gleichrichter nachgeschaltet werden und die gleichgerichtete Spannung zur Steuerung des gittergesteuerten Gleichrichters 24 verwendet werden.

Eine doppelte Ausnutzung eines einzigen Wechselstromverstärkers läßt sich dadurch erreichen, daß zwei Gleichspannungsgrößen je einem Wechselrichter zugeführt werden, die von der gleichen Steuerfrequenz, jedoch gegeneinander um 90° Phasenverschoben, erregt werden. Die Ausgangsspannungen der Wechselrichter werden gemeinsam auf den Verstärker gegeben. Im Ausgang des Verstärkers liegen zwei phasenempfindliche Gleichrichter, die ebenfalls gegeneinander um 90⁰ phasenverschoben arbeiten und bei deren Erregung außerdem die Phasendrehung im Wechselstromverstärker berücksichtigt wird. Die Ausgangsspannungen der beiden Gleichrichter werden über zwei getrennte Kompensationskanäle den entsprechenden Eingangsspannungen zugeführt. Bei geeigneter Anordnung lassen sich die beiden Gleichstromkreise galvanisch voneinander getrennt halten. Hierzu ist es nur erforderlich, daß die Schaltelemente 3 und 4 sowie 4 und 18 (Abb. 1) nicht galvanisch miteinander gekoppelt werden. Ein anderer Weg zur galvanischen Trennung der beiden Wechselrichter ist der, daß im Wechselstromverstärker 4 in der ersten Stufe zwei getrennte Röhrensysteme oder ein Röhrensystem mit mehreren Steuergittern vorgesehen wird.

Eine mehrfache Ausnutzung eines einzigen Wechselstromverstärkers läßt sich dadurch erreichen, daß mehrere Gleichspannungsgrößen je einem Wechselrichter zugeführt werden, wobei diese Wechselrichter von ebenso vielen voneinander verschiedenen Steuerfrequenzen gesteuert werden. Unter Berücksichtigung einer evtl. galvanischen Trennung, wie soeben beschrieben, werden sämtliche Wechselspannungen einem gemeinsamen Wechselstromverstärker zugeführt. Nach der gemeinsamen Verstärkung gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, eine getrennte Gleichrichtung durchzuführen; entweder man schaltet vor je einen Gleichrichter je ein Filter für die zugehörige Frequenz, oder man gibt das ganze Frequenzgemisch auf eine entsprechende Anzahl phasenempfindlicher Gleichrichter. Die verschiedenen Steuerfrequenzen sind so zu wählen, daß Summen-, Differenz- und Kombinationsfrequenzen keine gegenseitige Beeinflussung verursachen können. Für jede zu verstärkende Gleichspannung ist eine besondere Kompensationsleitung erforderlich.

Man kann nun die beiden eben dargestellten Prinzipien miteinander verbinden, indem man mit Hilfe von je einer Steuer frequenz und damit je zwei Wechselrichtern je zwei Gleichstromgrößen überträgt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß man die Hälfte der Steuergeneratoren einspart.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Gleichspannungs- oder Gleichstromverstärkeranordnung für Meßzwecke, bei der die zu verstärkende Gleichspannung bzw. der Spannungsabfall, der von dem zu verstärkenden Gleichstrom an einem im Eingang des Verstärkers liegenden Widerstand hervorgerufen wird, mittels eines Kontaktwechselrichters in Wechselspannung umgewandelt, die Wechselspannung verstärkt und phasenabhängig gleichgerichtet wird, gekennzeichnet durch eine unmittelbar auf die Eingangs-

   spannung bzw. den Eingangsstrom vor dem Wechselrichter einwirkende und von der Ausgangsgröße des Verstärkers abgeleitete sehr hohe Gegenkopplung, etwa ι : iooo.
2. 2. Verstärkeranordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichrichter oder Leistungsverstärker ein oder mehrere gittergesteuerte Elektronen- oder Ionengleichrichterröhren vorgesehen sind, deren Ausgangsleistung dem ίο Wechselstromnetz entnommen wird und die durch die Ausgangswechsel- oder Gleichspannung gesteuert werden.
3. 3. Verstärkeranordnung nach den Ansprüchen ι und 2 abgeändert zum Verstärken von zwei Gleichspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kontaktwechselrichter vorgesehen sind, von denen jedem eine zu verstärkende und umzuformende Gleichspannung zugeführt wird und welche von der gleichen Steuerfrequenz um 90⁰ gegeneinander phasenverschoben gesteuert werden, und bei dem die nach Umformung erhaltenen phasenverschobenen Wechselspannungen in einem einzigen Wechselstromverstärker verstärkt und ausgangsseitig durch zwei phasenempfindliche Gleichrichter wieder getrennt und gleichgerichtet werden.
4. 4. Verstärkeranordnung nach den Ansprüchen 1 und. 2, abgeändert zum Verstärken von mehreren Gleichspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Gleichspannung je ein Kontaktwechselrichter vorgesehen ist und die Wechselrichter von verschiedenen Steuerfrequenzen gesteuert sind und daß die von den Wechselrichtern gelieferten Wechselspannungen in einem einzigen Wechselstromverstärker verstärkt werden und ausgangsseitig entweder durch mehrere phasenempfindliche, mit den entsprechenden Frequenzen der Kontaktwechselrichter im Eingang gesteuerte Gleichrichter getrennt und gleichgerichtet oder durch Filter vor der Gleichrichtung wieder getrennt werden.
5. 5. Verstärkeranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für je zwei zu verstärkende Gleichspannungen zwei um 90⁰ gegeneinander phasenverschoben und mit gleicher Steuerfrequenz arbeitende Kontaktwechselrichter vorgesehen sind, daß jede Gruppe von zwei Wechselrichtern von verschiedenen Steuerfrequenzen gesteuert und die erhaltenen Wechselspannungen nach Verstärkung durch phasenempfindliche Gleichrichter oder Siebketten getrennt werden, so daß unter Verwendung von» Steuerfrequenzen 2 η Gleichspannungsgrößen im Wechselstromverstärker übertragen werden.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 501 967, 508 173;

   USA.-Patentschriften Nr. 1 820 212, 1 973 279,
   987 539. 2043107;

   niederländische Patentschrift Nr. 33 318;

   »Veröffentlichung aus dem Siemens-Konzern«, 1930, S. 112 bis 118.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 709 9*15/68.3.58