DE977690C

DE977690C - Elektrischer Zweipol, der in seinem Blindwiderstandswert durch eine Steuergroesse veraenderbar ist

Info

Publication number: DE977690C
Application number: DES95602A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr-Ing Jaumann; Rudolf Dr Otto
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1950-03-07
Filing date: 1950-03-07
Publication date: 1968-05-22

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Zweipol, der in seinem Blindwiderstandswert für eine an ihm anliegende Wechselspannung oder für einen ihn durchfließenden Wechselstrom durch eine Steuergröße veränderbar ist, bestehend aus der Reihenschaltung oder der Parallelschaltung eines Blindwiderstandes mit wenigstens einer durch die Steuergröße zu beeinflussenden Diode, die zufolge der Beeinflussung durch die Steuergröße den Blindwiderstand nur für einen durch die Steuergröße bestimmten Teil der Periodendauer in jeder Wechselspannungsperiode bzw. Wechselstromperiode an die Wechselspannung anlegt bzw. in den Wechselstromkreis einschaltet (Stromnußwinkelsteuerung).

. Elektrisch veränderbare oder steuerbare Blindwiderstände werden beispielsweise in einer Schaltung für Frequenzmodulation, Frequenznachstellung und für den Abgleich von Meßbrückenanordnungen benötigt. Meist benutzt man dazu, wie beispielsweise die französische Patentschrift 895914 zeigt, Verstärkerröhren, deren Gitterspannung durch komplexe Spannungsteilung um 90⁰ gegen die Anodenspannung phasenverschoben ist, so daß die Verstärkerröhren einen mit der Steilheit steuerbaren Blindstrom liefern. Ferner sind Schaltungen bekannt, bei denen der steuerbare Innenwiderstand von Verstärkerröhren, der in Serie zu einein Blindwiderstand liegt, zur Frequenzmodulation herangezogen wird. Nachteilig ist bei diesen Röhrenschaltungen, daß mehrere HilfsSpannungen für die Stromversorgung notwendig sind, daß ferner die Kennlinien der Verstärkerröhren und die durch Heiz-, Anoden- und andere Hilfsspannungen sowie Alterung bedingten Änderungen der Röhreneigenschaften in die Steuerkennlinie eingehen, wenn diese in kontinuierlicher Abhängigkeit vom Steuersignal

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ausgesteuert wird. Nachteilig ist ferner, daß das Verhalten der Verstärkerröhren bei hohen Frequenzen, z. B. infolge der Laufzeiterscheinungen, nicht dem bei niedrigen Frequenzen gleicht. Des weiteren wird die Verstärkerröhre leicht durch zu große Steuerspannungen übersteuert, wodurch in üblichen Modulationsschaltungen unerwünschte Klirrprodukte entstehen. Auch sind, beispielsweise durch die französische Patentschrift 948 331 und die britische Patentschrift 561 322, Schaltungen bekannt, bei denen ein Gleichrichter, durch eine Vorspannung gesteuert, als stetig veränderbarer ohmscher Widerstand wirkt und in Verbindung mit einem Blindwiderstand zur Frequenzmodulation dient. Auch diese Schaltungen haben den Nachteil, daß die Gleichrichterkennlinie, die beispielsweise von Temperaturschwankungen abhängig ist, in die Steuerkennlinie wesentlich eingeht.

Es wurde bereits ein elektrischer Zweipol vorgeschlagen, der gerade hinsichtlich der vorerwähnten Nachteile im wesentlichen verbessert ist' und es ermöglicht, relativ sehr lineare Verhältnisse hinsichtlich der Veränderung des Blindwiderstandswertes in Abhängigkeit von einer Steuergröße zu erreichen.

Ausgehend von diesem elektrischen Zweipol, der in seinem Blindwiderstandswert für eine an ihm anliegende Wechselspannung oder für einen ihn durchfließenden Wechselstrom durch eine Steuergröße veränderbar ist, bestehend aus der Reihenschaltung oder der Parallelschaltung eines Blindwiderstandes mit wenigstens einer durch die Steuergröße zu beeinflussenden Diode, die zufolge der Beeinflussung durch die Steuergröße den Blindwiderstand nur für einen durch die Steuergröße bestimmten Teil der Periodendauer in jeder Wechselspannungsperiode bzw. Wechselstromperiode an die Wechselspannung anlegt bzw. in den Wechselstromkreis einschaltet (Stromfluß winkel steuerung), wird erfindungsgemäß die den Arbeitspunkt auf der Steuerkennlinie der Diode bestimmende Komponente der Steuergröße wenigstens zum Teil aus der Betriebsfrequenzspannung bzw. dem Betriebsfrequenzstrom entsprechend deren bzw. dessen Amplitude abgeleitet, und zwar so, daß die Komponente der Steuergröße sich selbsttätig einstellt, z. B. als Spannungsabfall an einem Ableitwiderstand. Hinsichtlich der Schaltungsausführung ist insbesondere an eine Gleichrichterkombination gedacht, die vorzugsweise aus zwei gegeneinander-, hochfrequenzmäßig parallelgeschalteten Gleichrichtern besteht.

Zur näheren Erläuterung der Wirkungsweise der Stromflußwinkelsteuerung, die selbst nicht Gegenstand der Erfindung ist, dienen die Fig. 1 bis 6. Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist in Fig. 7 wiedergegeben. Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, liegt ein Blindwiderstand X in Form einer konstanten Kapazität oder Induktivität in Reihe oder parallel zu den Schaltorganen 4, die den Blindstrom durch X bei gegebener Spannung U_n, bzw. die Blindspannung an X bei gegebenem Strom I_n, in Abhängigkeit von einer Steuergröße St steuern. Die Wert U„r ⁼⁼ —-- nach
^gl 2

Gesamtanordnung wirkt an den Klemmen 1-2 wie ein von der Steuergröße St gesteuerter Blindwiderstand. Die Steuergröße St liegt an den Klemmen 2-3 der Anordnung und steuert damit die Schaltorgane 4.

Zur weiteren Erläuterung wird beispielsweise der Fall einer steuerbaren Kapazität betrachtet, die nach Fig. 3 aus der Reihenschaltung einer konstanten Kapazität C mit einem Paar gegeneinander-, hochfrequenzmäßigj edoch parallelgeschalteter Gleichrichter Gl besteht. Als Schaltorgane brauchen diese Gleichrichter nur in der einen Riehtung zu sperren, in der andern Strom durchzulassen. Diese Forderung erfüllen insbesondere auch Sperrschicht- oder Spitzenkontaktgleichrichter, wenn deren stark gekrümmter Kennlinienbereich (ζ. Β. ο,5 Volt) übersteuert wird. Zwischen den Klemmen 1-2, an denen die gesteuerte Kapazität wirkt, liegt die Betriebsfrequenzspannung U_n,, während an den Klemmen 2-3 die Hilfsgleichspannung U_st als steuernde Vorspannung in solcher Polung liegt, daß die Gleichrichter an sich sperren würden. Die Gleichrichter führen nur dann Strom, wenn bei angelegter Betriebsfrequenzspannung U_n, (z. B. HF-Spannung) die Teilspannung an ihnen den

der einen oder anderen

Richtung überschreitet. Dies bewirkt, daß die Spannung Uc am Kondensator den Verlauf nach Fig. 4 a annimmt. Ihr Höchstwert bleibt um den Betrag U_gl unter der Amplitude der Betriebsfrequenzspannung U_n,. Strom fließt durch den Kondensator C nur während der Zeit, in der er umgeladen wird, wie in Fig. 4b durch die Kurve /_c dargestellt. Dabei fließt der positive Strom durch den einen, der negative durch den anderen Gleichrichter. Der Stromflußwinkel α, abhängig von der Vorspannung U_st an den Gleichrichtern und von der Amplitude der Betriebsfrequenzspannung U_n,, bestimmt die Dauer des Stromflusses durch den Kondensator C und damit die Wirksamkeit der konstanten Kapazität C. Die Wirksamkeit der Kapazität C läßt sich berechnen durch eine Fourierzerlegung der Stromkurve nach Fig. 4b. Man erhält aus den Fourierkoeffizienten die Anteile für Blind- und Wirkstrom der Grundwelle. Beide Anteile sind Funktionen des

Stromflußwinkels und somit des Quotienten -yp-, also des Verhältnisses der Gleichrichtervorspannung Ugi zum Scheitelwert U_n, der Betriebsfrequenzspannung an den Klemmen 1-2. In Fig. 5 ist dieser durch Rechnung ermittelte Zusammenhang dargestellt und die an den Klemmen 1-2 erscheinende wirksame Kapazität C (entsprechend dem Blindanteil des Stromes der Fourierzerlegung) im Verhältnis zur konstanten Kapazität C aufgetragen. Man sieht daraus, daß die wirksame Kapazität in iao einem großen Bereich linear steuerbar ist und in diesem Bereich der Wirkanteil, in der Figur als

Dämpfungsleitwert —-j· angegeben, einigermaßen konstant bleibt. Seine Schwankungen können, falls sie stören, durch gegenläufige Steuerung eines Wirk-

Widerstandes oder bei FM-Generatoren durch selbsttätige Spannungsregelung oder Begrenzung ohne besonderen Aufwand wirkungslos gemacht werden. Fig. 6 zeigt, daß der Gleichstrom an den Klemmen 2-3 linear mit der Vorspannung U_gl abnimmt, so daß die Eingangsklemmen 2-3 einen konstanten Innenwiderstand anbieten, also bei Aussteuerung mit Wechselspannung keine nichtlinearen Verzerrungen dort entstehen können.
Bei den hier betrachteten Anordnungen ist für

die Steuerung der Kapazität das Verhältnis -^- maßgebend, eine Größe, die innerhalb jeder Periode die Stromflußdauer durch die konstante Kapazität C bestimmt. Aus diesem Grund wird diese Art der Steuerung als Stromflußwinkelsteuerung bezeichnet. Der besondere Vorteil der Stromflußwinkelsteuerung ist es, daß diese aufgezeigten linearen Eigenschaften auch noch bei technischen, also nicht ganz idealen Gleichrichtern bestehen und der sonst so störende Einfluß von Kennlinienschwankungen nicht auftritt. Messungen haben ergeben, daß der für ideale Gleichrichter berechnete Verlauf der Ka-

pazitätskennlinie ^ nach Fig. 5 auch eine gute Annäherung für technische Gleichrichter darstellt. Merkliche Abweichungen zeigen sich nur an den Endpunkten der Kennlinie. Um möglichst lineare Verhältnisse zu erhalten, wird man die Aussteuerung der Kapazitätskennlinie-=- so wählen, daß der

Arbeitsbereich in deren linearen Bereich fällt.

Aus der Fig. 5 ist zu ersehen, daß ein günstiger mittlerer Arbeitspunkt für die Kapazitätskennlinienaussteuerung vorhanden ist. Dieser mittlere Arbeitspunkt stellt sich unabhängig von der Amplitude U_n, an den Klemmen 1-2 von selbst richtig ein, wenn, wie beispielsweise in Fig. 7 dargestellt, zwischen den Klemmen 2-3 ein Ableitwiderstand R liegt, der etwa so groß ist wie der an den Klemmen 2-3 angebotene Innenwiderstand.

Die Fig. 7 zeigt als erfindungsgemäßes Beispiel eine entsprechend Fig. 3 an den Klemmen 2-3 steuerbare Kapazität, die zum Zweck der Frequenzmodulation in Parallelschaltung zu einem Schwingkreis mit der Kapazität C^ liegt. Bei anliegender Betriebsfrequenzspannung U_n, fließt auf Grund der gleichrichtenden Wirkung der Dioden 5 ein Gleichstrom durch den Ableitwiderstand R, wodurch an ihm ein Spannungsabfall auftritt, der den Arbeitspunkt für das Schaltorgan selbsttätig einstellt. Bei unsymmetrischer Modulation der Vorspannung Ust, z. B. mit Impulsen, kann eine andere Bemessung dieses Ableitwiderstandes günstiger sein als bei symmetrischer Modulation.

Bei sehr hohen Frequenzen ist die Kapazität C_gl der Dioden nicht mehr vernachlässigbar klein. Man kann diese sozusagen als variabler Anteil erscheinende Kapazität im Ersatzschaltbild als parallel zu C geschaltet betrachten. Die an der konstanten Kapazität C liegende Betriebsfrequenzspannung nimmt dann im Verhältnis

1 +

Cgl

Durch die Kombination verschiedener Blindwiderstände läßt sich auch die Frequenzabhängigkeit der Schaltung von der Betriebsfrequenz beeinflussen, während der gewünschte Frequenzgang für die Modulations-Niederfrequenz in bekannter Weise an den Steuerklemmen beeinflußt werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrischer Zweipol, der in seinem Blindwiderstandswert für eine an ihm anliegende Wechselspannung oder für einen ihn durchfließenden Wechselstrom durch eine Steuergröße veränderbar ist, bestehend aus der Reihen-Schaltung oder der Parallelschaltung eines Blindwiderstandes mit wenigstens einer durch die Steuergröße zu beeinflussenden Diode, die zufolge der Beeinflussung durch die Steuergröße den Blindwiderstand nur für einen durch die Steuergröße bestimmten Teil der Periodendauer in jeder Wechselspannungsperiode bzw. Wechselstromperiode an die Wechselspannung anlegt bzw. in den Wechselstromkreis einschaltet (Stromflußwinkelsteuerung), dadurch gekennzeichnet, daß die den Arbeitspunkt auf der Steuerkennlinie der Diode bestimmende Komponente der Steuergröße wenigstens zum Teil aus der Betriebsfrequenzspannung bzw. dem Betriebsfrequenzstrom entsprechend deren bzw. dessen Amplitude abgeleitet ist, und zwar so, daß diese Komponente der Steuergröße sich selbsttätig einstellt, z. B. als Spannungsabfall an einem Ableitwiderstand.

2. Elektrischer Zweipol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorliegender symmetrischer Änderung der Vorspannung und bei Verwendung eines Ableitwiderstandes dieser wenigstens etwa so groß gewählt ist wie der Innenwiderstand, den die Blindwiderstands-Schaltung der Steuergröße gegenüber anbietet.

3. Elektrischer Zweipol nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltungsmittel vorgesehen sind, um bei der Steuerung auftretende Amplitudenschwankungen auszugleichen.

4. Elektrischer Zweipol nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltungsmittel vorgesehen sind, um den Frequenzgang für die modulierende Frequenz, z. B. im Sinne einer Preemphasis, zu beeinflussen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 727 560;
französische Patentschrift Nr. 948 331;
britische Patentschrift Nr. 606 682.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen