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Einrichtung zum Schutz einer Meßsdialtung mit Kristalldioden gegen
Einschaltstromstöße
Die Erfindung bezieht sich auf Meßschaltungen, in denen Kristtlldioden,
beispielsweise Germanium-oder S iliziumdioden, verwendet werden.
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Kristalldioden mit punktförmigem Kontakt an Germanium oder Silizium
werden in letzter Zeit immer mehr bei Röhrenvoltmetern, Verstärkern, Pegelzeigern
oder ähnlichen Geräten in der Anzeigeschaltung verwendet. Infolge der punktförmigen
Stromübergangsstelle sind Kristalldioden gegen tSberbelastung mehr oder weniger
empfindlich.
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Während beispielsweise Siliziumdioden außerordentlich empfindlich
gegen geringe elektrische Überbeanspruchung sind und bei elektrischen Impulsen leicht
unbrauchbar werden, vertragen Germaniumdioden höhere, jedoch nicht unbegrenzte elektrische
Beanspruchungen. Es besteht dabei immerhin auch die Gefahr, daß die Richteigenschaften
mehr oder weniger verändert werden, so daß die geforderte Genauigkeit der Anzeige
solcher Meßgeräte nicht mehr gewährleistet ist.
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In der Regel sind die Kristalldioden derart in die Schaltung eingebaut,
daß sie über Kondensatoren oder Dbertrager am Ausgang der Endstufe des betreffenden
Gerätes liegen. Im ersten Fall sind
es die Ladestöße des Kopplungskondensators
zwischen Endstufe und Anzeigeschaltung, die beim Ein- und Ausschalten der Anodenspannung
der Endstufe entstehen und die Diode gefährden. Im letzteren Fall verursacht die
Selbstindulçtion des Ausgangsübertragers unter Umständen hohe Induktionsspannungen.
Neben den Kristalldioden ist in solchen Schaltungen auch das hinter der Diode liegende
Meßgerät gefährdet.
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Bei reinen Röhrengeräten treten diese Probleme vor allem deshalb
nicht auf, weil bei einer Überlastung entweder die emittierende Schicht oder der
Heizfaden zerstört wird und die betreffende Röhre vollständig ausfällt. Bei Kristalldioden
erscheint es zunächst nicht erforderlich, einen entsprechenden Schutz vorzusehen.
Entscheidend ist aber, daß Überlastungen bei Kristalldioden in sehr vielen Fällen
nicht zum Ausfall der Diode führen, sondern sich lediglich in einer Veränderung
der Kennlinie auswirken. Dies kann aus der Funktion des Gerätes in den meisten Fällen
nicht erkannt werden. Bei Meßschaltungen ergibt sich dabei aber eine erhebliche
Verfälschung des Meß resultates, ohne daß ersichtlich ist, daß es sich um eine falsche
Messung handelt.
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Es ist zwar schon bekannt, in den Stromkreis von Trockengleichrichtern
Widerstände einzuschalten, um eine Überbelastung des Gleichrichters zu verhindern.
Infolge ihrer großen Wärmekapazität sind jedoch Trockengleichrichter durch kurz
dauernde Spannungsstöße kaum gefährdet. Deshalb haben sich derartige Schutzschaltungen
bei Trockengleichrichtern in der Praxis nicht eingeführt. Bei Kristalldioden können
jedoch, wie oben erwähnt, schon ganz kurzzeitige Spannungsimpulse zur Zerstörung
der Diode, mindestens aber zu einer erheblichen Veränderung der Kennlinie führen.
Dies muß aber gerade in Meßschaltungen auf alle Fälle vermieden werden. Es sind
ferner Meßanordnungen bekannt, bei denen im Überlastungsfall die gefährdeten Meßinstrumente
mit Hilfe von Relais abgeschaltet oder kurzgeschlossen werden. Bei den bekannten
Schaltungen werden jedoch weder die Gefährdung von Kristallgleichrichtern durch
Schaltstöße noch die sich hieraus ergebende Gefährdung des Meß instrumentes berücksichtigt.
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Schließlich ist bekannt, in Röhrenverstärkern die Anodenspannung
erst einzuschalten, wenn die Röhren aufgeheizt sind oder die Gleichspannungsquelle
während der Anlaufzeit mit einem zusätzlichen Widerstand zu belasten, wobei zur
verzögerten Einschaltung auch bereits Thermoschalter benutzt werden, da an den üblichen
Spannungsquellen im Leerlauf eine hohe Spannung auftritt und dadurch Schaltelemente
gefährdet sein können. Auch mit diesen Maßnahmen ist nicht sichergestellt, daß Ladestöße
von den Dioden ferngehalten werden.
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Die Nachteile werden durch die Erfindung vermieden. Sie bezieht sich
auf eine Einrichtung zum Schutz einer Meßschaltung mit Kristalldioden, bei der ein
verzögert ansprechendes Relais mit einem Ruhekontakt und einem Arbeitskontakt vorgesehen
ist, durch das beim Einschalten des Gerätes bzw. des Meßteiles das Meßinstrument
kurzgeschlossen wird und ist dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig ein Schutzwiderstand
in den Stromkreis der Diode eingeschaltet und das Relais durch einen Thermoschalter
gesteuert wird, der eine längere Anheizzeit als die im Gerät verwendeten Verstärkerröhren
hat, und daß das Relais einen weiteren Ruhekontakt enthält, der bei erregtem Relais
den Heizkreis des Thermoschalters unterbricht,und einen weiteren Arbeitskontakt,
der parallel zum Thermoschalter liegt.
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Gemäß der weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens wird bei Röhrenvoltmetern,
die als Verstärker benutzt werden, außer dem üblichen Umschaltkontakt, der zur Umschaltung
von »Messen« auf »Verstärken« verwendet wird, ein weiterer Umschaltkontakt vorgesehen,
durch den bei Umschaltung auf »Verstärken« der Stromkreis des Relais unterbrochen
wird. Beide Umschaltkontakte arbeiten synchron.
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Die Erfindung soll an Hand verschiedener Schaltbeispiele eingehend
erläutert werden. In Fig. 1 a und Ib sind zwei der üblichen Meßschaltungen mit Dioden
dargestellt; in Fig. 2 a und 2b, 3, 4 und 5 sind Schaltungen angegeben, durch die
der Erfindungsgedanke verwirklicht wird.
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In Fig. in ist die Grundschaltung für Meßeinrichtungen mit einer
Diode angegeben. An die Anode der Au'sgangsröhre A, die über den Widerstand Rl die
Anodenspannung erhält, ist die Meßanordnung, bestehend aus der Diode D1, dem Meßinstrument
M und dem Vorschaltwiderstand R2, über den Kondensator C kapazitiv angekoppelt.
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Beim Anlegen der Anodenspannung UA lädt sich der Kondensator C über
den Meßkreis D1, M, R2 auf den Wert der Anodenspannung auf. Der Kondensator C bildet
bei kalter Röhre über den Widerstand R1 einen Kurzschluß für die Diodenschaltung.
Bei kleinem Wider&tand R1 kann daher plötzlich eine Spannung von IOO bis 300
V an die Diode gelangen, wobei nicht nur ein sehr hoher Diodenstrom fließt, sondern
auch ein Stromstoß an das Meßinstrument M gelangt.
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In Fig. 1 b ist die entsprechende Spannungsverdopplerschaltung mit
zwei Dioden dargestellt.
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Von der Anodenspannungsquelle UA gelangen die Ladestromstöße der beiden
Kondensatoren C1 und an an die Diodenschaltung, welche aus den beiden Dioden D1
und D2, dem Meßinstrument M und dem Vorwiderstand R2 besteht.
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Es soll gleich betont werden, daß diese beiden Schaltungen nicht
die einzigen Meßschaltungen mit Kristalldioden darstellen, vielmehr sollen sie lediglich
als Beispiele zur Verdeutlichung des Erfindungsgedankens dienen.
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In Fig. 2 a ist die Schaltung von Fig. 1 a dargestellt unter Verwendung
der Schutz schaltung nach der Erfindung. Die in der Figur nicht dargestellte Relais
spule wird mittels Gleichrichter aus dem Wechsel stromnetz gespeist und ist über
den Einschalter des Gerätes an dasselbe angeschlossen.
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Wie bereits im vorhergehenden ausgeführt wurde, ist hierbei der Relaisstrnmkreis
so ausgebildet, daß das Relais beim Einschalten des Gerätes verzögert anspricht.
In Reihe mit dem Richtstromkreis liegt ein Schutzwiderstand R3, der so lange eingeschaltet
bleiben muß, bis die Aufladung des Kondensators C auf die Betriebsspannung UB beendet
ist. Gleichzeitig wird das Meßinstrument M durch einen Relaiskontakt rt kurzgeschlossen.
Der Relaiskontakt rII dient zum Kurzschließen des Schutzwiderstandes R3. Beide Kontakte
werden durch ein Relais bedient, wobei rI einen Ruhekontakt und r' einen Arbeitskontakt
darstellt. Beim Einschalten des Gerätes ist der Ruhekontakt rI geschlossen und das
Meßinstrument M somit kurzgeschlossen. Der Kontakt rll ist geöffnet, und der Widerstand
R3 liegt in Reihe mit der Meßschaltung. Bei ansprechendem Relais wird durch den
Arbeitskontakt r11 der Widerstand R3 kurzgeschlossen, gleichzeitig öffnet sich der
RuhekontaktrI, so daß der Kurzschluß des Meß instrumentes aufgehoben wird und die
Schaltung betriebsbereit ist.
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Eine weitere Verbesserung der Schaltung wird erhalten, wenn man den
Widerstand R2 (Fig. 2 a) in zwei Widerstände aufteilt, wie dies in Fig. 2b dargestellt
ist. In dieser Schaltung ist der Widerstand R2 durch die beiden Teilwiderstände
R2a und R2b ersetzt. Der Teilwiderstand R2a liegt, wie der Widerstand R3, vor der
Meßschaltung und linearisiert gleichzeitig die Flußkennlinie der Diode D1 so daß
Temperatur- und Alterungsvorgänge in der Diode weitgehend unwirksam werden. Ein
weiterer Vorteil dieser Schaltung ist der, daß die Mindestkopplungskapazität C hinsichtlich
der unteren Grenzfrequenz der Meß schaltung kleiner gehalten werden kann. Die Schaltung
der Relaisspule entspricht der nach Fig. 2 a.
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Da die Aufladung des Kondensators C bei den oben besprochenen Schaltungen
je nach der Größe des Widerstandes R3 bzw. R22 mehr oder weniger schnell erfolgt,
muß das Relais gegenüber dem Einschalten der Anodenspannung verzögert ansprechen.
Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß das Relais durch einen Thermoschalter
gesteuert wird, der seinerseits sofort beim Einschalten des Gerätes in Tätigkeit
tritt. Seine Anheizzeit soll länger sein als die der Verstärkerröhren, damit die
Anodenspannung am Kondensatoreingang der Meßschaltung ihren stationären Wert erreicht
hat, wenn das Relais den Instrumentenkreis freigibt. Würde der Thermoschalter während
des Gebrauches des Gerätes den Stromkreis des anderen Relais dauernd geschlossen
halten, so würde bei kurzzeitigem Ausschalten und sofortigem Wiedereinschalten dieser
Kreis sofort wieder geschlossen werden und die Aufladung des Kondensators C direkt
über den Relaiskontakt rII erfolgen und damit die beabsichtigte Ladeverzögerung
und Strombegrenzung hinfällig werden. Um dies zu verhindern, liegt im Erregerstromkreis
des Thermoschalters Th (Fig. 3) ein weiterer Kontakt, nämlich der Ruhekontakt r111
des Relais, welcher bei erregtem Relais den Heizkreis des Thermoschalters unterbricht,
wodurch sich dieser schnell abkühlt. Um zu verhindern, daß damit auch der Erregerkreis
des Relais unterbrochen wird, liegt parallel zum Arbeitskontakt des Thermoschalters
Th ein weiterer Arbeitskontakt rIV.
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In die Schaltung gemäß Fig. 3 sind diese Relaiskontakte r111 und rIV
sowie der Thermoschalter Th eingezeichnet. Rel bezeichnet die Relaiswicklung, die
von vier Gleichrichtern Gl, G2, G3, G4 in Brückenschaltung gespeist wird.
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Bei Röhrenvoltmetern, welche auch als Verstärker benutzt werden und
bei denen die Anzeigeschaltung zur Unterdrückung von Verzerrungen der verstärkten
Spannungen abgeschaltet werden soll, ist ein Wechselkontakt uI eines Umschalters
so in den Verstärkerausgang einzuschalten, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Wird
das Gerät zunächst als Meßgerät verwendet und während des Betriebes als Verstärker
benutzt, so würde die Spannung, auf welche sich der Kopplungskondensator C aufgeladen
hat, langsam über dessen Isolationswiderstand verschwinden. Wird nun das Gerät wieder
als Meßgerät benutzt, so würde sich der Kondensator erneut, und zwar direkt über
die Meßschaltung aufladen. Um dies zu verhindern, wird in den Erregerstromkreis
des Thermoschalters Th (Fig. 3) ein zweiter Wechselkontakt uII des Umschalters U
eingeschaltet. Bei Umschaltung auf »Verstärken« wird damit der Stromkreis des Relais
unterbrochen und dieselben Verhältnisse wie beim Einschalten des Gerätes hergestellt.
Hierbei tritt an Stelle des Thermoschalterkreises eine Ersatzbelastung durch einen
Widerstand R4. Wird also wieder auf »Messen« umgeschaltet, so tritt zunächst die
Schutzeinrichtung wie beim Einschalten des Gerätes in Funktion.
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In Fig. 5 ist als weitere Ausbildungsform des Erfindungsgedankens
eine Verdopplerschaltung dargestellt, die im Prinzip der Schaltung nach Fig. ib
entspricht und bei der die Schutzeinrichtung für die Dioden entsprechend angeordnet
ist. Der Widerstand R2 kann als Vorwiderstand auf der Gleichstromseite liegen, oder
in zwei Widerstände R2, und R2b aufgeteilt werden. Letzteres hat den Vorzug, daß
die Siebkondensatoren Cl und C2 kleiner gehalten werden können und die Flußkennlinien
der Dioden Dt und D2 linearisiert werden. Die Schutzeinrichtung funktioniert im
übrigen genauso wie bei den bereits beschriebenen Figuren, wobei r1 den Ruhekontakt
darstellt, der das Meßinstrument 11/1 kurzschließt, rlI den Arbeitskontakt, der
dem Schutzwiderstand Rs parallel liegt, und n1 den Wechselkontakt des Umschalters
U bedeutet, mittels dessen von »Messen« auf »Verstärken« umgeschaltet werden kann.
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Bei den Schaltungen nach Fig. 4 und 5 liegt die Relaisspule wie bei
den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen an einem aus dem Wechselstromnetz
gespeisten Gleichrichter. Im Stromkreis der Relaisspule sind Schaltmittel angeordnet,
die ein verzögertes Ansprechen des Relais bewirken.
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Es soll noch betont werden, daß ähnliche Schutzeinrichtungen auch
bei anderen Geräten sowie solchen mit Übertragerausgang verwendet werden
können,
so daß beispielsweise bei einem Ausglangsübertrager die Sekundärseite so lange kurzgeschlossen
wird, bis der Induktionsstoß abgeklungen ist.
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Durch die Erfindung wird erreicht daß die Dioden und Meßinstrumente
in Meßschaltungen in jedem Fall vor unzulässigen Spannungsstößen beim Einschalten
geschützt sind.