Verfahren und Einrichtung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine ihr proportionale Frequenz.
In der Fernmesstechnik ist es bekannt, eine Gleichspannung in eine ihr verhältnis- gleiche Frequenz umzuwandeln. Dies kann unter Anwendung mechanischer Einrichtun- gen geschehen, wobei aber ihr Leistungsver brauch bei nur kleinem Frequenzumfang ziemlich groB ist. Man hat auch schon mit Entladungsrohren ausgestattete Apparate ver- wendet, deren Stabilität jedoch zu wünschen übrig liess.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile unter Verwendung einer rein statischen, nur mit Rohren ausgerüsteten Umwandlungsschaltung, welche vfillig unabhängig von den üblichen Schwan- kungen der Hilfsspannungen sowie der Roh- renkennlinien ist, und der Messgleichspannungsquelle praktisch keine Leistung entnimmt.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine ihr ver hältnisgleiche Frequenz. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daB m einer eine Entladungsröhre und einen Kondensator enthaltende Kippschwingschaltung einerseits die Zündung dieser Rohre unabhängig von Ver änderungen ihrer Kennlinien gemacht wird, indem dazu ein elektrischer Impuls verwendet wird, welcher die negative Vorspannung des Steuergitters vermindert und jedesmal dann erzeugt wird, wenn die die Zündung bewirkende Spannung die Loschspannung der Röhre um den Betrag einer konstant gehaltenen Hilfsgleichspannung überschreitet,
und anderseits die Steuerung der Schwingungen durch die Messgleichspannung, welche in eine ihr verhältnisgleiche Frequenz umgewandelt werden soll, praktisch ohne Belastung dieser Spannungsquelle erfolgt. Die Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen Kippschwingungserzeu- ger, enthaltend Dreielektrodenröhren, in welchem der Zündimpuls für die Einleitung der Entladung ber diese R¯hren in einem Stromkreis erzeugt wird, welcher zwei Dioden, eine konstante Hilfsgleichspannung sowie ein Koppelelement zur Verbindung dieses Kreises mit dem Steuergitter der Ent ladungsrohre enthält.
Erläuterungsbeispiele der Erfindung gelangen in den nachstehend beschriebenen Figuren zur Darstellung. Fig. l zeigt eine iibliehe Kippschwingschaltung. Fig. 2 das erfindungsgemässe Prinzip des stabilisierten Schwingungserzeugers und Fig. 3 ein dement sprechendes Ausführungsbeispiel. In diesen Figuren sind die Heizstromkreise der Rohren zwecks übersichtlicherer Darstellung in üblicher Weise nur angedeutet.
In Fig. 1 bezeiehnet 1 eine Gasent ladungsröhre mit drei Elektroden. Zwischen Anode und Kathode ist der Kondensator 2 geschaltet, welcher von der Gleichspannungs- quelle 3 iiber den Widerstand 4 aufgeladen wird.
Das Gitter der Röhre wird mittels der Spannungsquelle 5 gegenüber der Kathode auf negativem Potential gehalten. Man erhÏlt mit dieser Schaltung in bekanuter Weise an den Klemmen fi und 7 sägezahnför- mige Spannungsschwankungen. Die Periodendauer T dieser Schwingung ist gegeben durch :
T = C/I (VX-VP)+t (1) Dabei bedeutet : C die KapazitÏt des Kon- densators 2. 7 den Strom im Widerstand 4, T A die Zündspannung der Rohre, Vp die L¯schspannung, t die Dauer der Entladung.
Es bereitet keine Schwierigkeit, diese Ent ladungsdauer sehr kurz zu bemessen. Die Grundfrequenz der Kippsehwingung ist dann bestimmt durch den Ausdruck : I 1 (2) f = (2)
C (VA-VP)
Wird die Kapazität C konstantgehalten. so ist der Ladestrom I verhältnisgleieh der Spannung der Batterie 3 unter der Voraus- setzung, dass die Amplitude der sägezahn- förmigen Schwingspannung vernachlässigbar klein gegenüber der Batteriespannung ist.
Dies bedeutet, dass der Spannungsabfall und damit auch der Energieverlust im Widerstand 4, welcher von der Stromquelle 3 gedeekt werden muss, gross sind. Anderseits hängt die Frequenz der Schwingung haupt sächlich von der Grösse der Ziind-und Liisch- spannung ab. Es ist bekannt, dass diese Werte sehr veränderlich sind, und unter anderem von der Gittervorspannung, der Heizung der Rohre und ihrer Lebensdauer usw. abhÏngig sind. Deshalb ist es nicht möglich, mit einer Schaltung nach Fig. l eine Schwingung zu erzeugen, deren Frequenz so stabil ist. dass sie für Mess-oder ähnliche Zwecke verwendet werden kann.
Fig. 2 zeigt demgegenüber das Prinzip des erfindungsgemässen Verfahrens, nach welchem man praktisch unabhängig von den Werten VA und VD wird. Die Bezeichnungen l bis 5 entsprechen hier denen der Fig. l. tTber den Spannungsteiler 8 und einen Wi derstand 9 wird ein Kondensator 10 von der Hilfsspannungsquelle30 aufgeladen. DieWi- derstände werden so bemessen, dass die Spannung am Kondensator 10 etwas über der L¯schspannung VD der R¯hre 1, deren schädliche Schwankungen unterdrückt werden sollen. liegt.
Dabei soll die Zeitkonstantc des Ladekreises 9. 10 grössenordnungsmässig etwa hundertmal grösser sein, als die Perioden- dauer der zu erzeugenden Messwechselspannung. Der Kondensator 10 ist über eine kleine Diode 11 mit der Anode der Ent ladungsröhre l verbunden, wobei die Rich- tung der Stromdurchlässigkeit durch den Pfeil angegeben ist. Der gleiche Kondensator 10 ist anderseits über einen Transformator 12 und eine zweite Diode 13 mit der konstanten Spannungsquelle 14 verbunden.
Die Sekundärwieklung dieses Transformators ihrerseits ist mit der Vorspannungsbatterie 5 und dem Gitter der R¯hre 1 verbunden.
Die Schwingspannung wird zwischen den Klemmen 6 und 7 abgenommen.
Die Spannungen 5 und 14 werden so gewählt, da¯ wie weiter unten näher erläutert sem Falle kurde die Zündung schon bei einem sehr kleinen Strom über die Diode 13, das heisst praktisch genau unter den durch Gleichung (3) gegebenen Bedingungen erfolgen. Anderseits erkennt man aus Fig. 2, dass Frequenzänderungen durch Änderungen der Messgleichspannung 3 und damit des von ihr erzeugten Ladestromes erhalten werden.
Es ist klar, dass diese Belastung der Messspannungsquelle in gewissen Fällen unerwünscht sein kann, wodurch die Anwendung der Einrichtung nach Fig. 2 verunmöglicht wird.
Die Schaltung nach Fig. 3 zeigt demgegenüber eine Einrichtung mit Zündverstär- ker, wobei die Messspannungsquelle unbelastet bleibt. In dieser Figur haben die Ziffern 1 bis 4, 6 bis 13 und 30 die gleiche Bedeutung wie in Fig. 2. Die Sekundärspan- nung des Transformators 12 erregt hier den Eingang eines Verstärkers,-welcher durch die Robre 15 angedeutet ist, jedoch auch ein mehrstufiger gewöhnlicher oder gegengekop- pelter Verstärker sein kann. In seinem Aus gangskreis befindet sich der Transformator 16, welcher das Zündgitter der Gasentladungsröhre 1 speist.
Die Vorspannung dieses Gitters wird mit einem Abgriff des Spannungsteilers 8 passend eingestellt. Der Zündkreis muss besonders sorgfältig gedämpf t sein, was mittels der Widerstände 17 und 18 erreicht wird.
Die Einrichtung, welche die Belastung der Messspannungsquelle 3 zu vermeiden gestattet, besteht aus der durch hohen Verstär kungsgrad ausgezeichneten Verstärkerröhre 19, in deren Kathodenkreis ein Widerstand 4 eingeschaltet ist. Durch diesen Widerstand wird eine sehr wirksame Stromgegenkopplung erzielt. Diese bowirkt in an sich be- kannter Weise. dass der den Widerstand 4 durchfliessende Aufladestrom des Kondensators 2 durch das Verhältnis der Gitterspannung 3 zum Ohmwert dieses Widerstandes gegeben ist, bei konstantem Widerstand also nur von der Messspannung abhängt.
Da die Messspannungsquelle 3 an das Gitter angeschlossen ist, wird ihr kein Strom entnomwird, die Spannung 14 die Zündspannung bestimmt und die Spannung 5 die Zündung noch verhindert, wenn die Anodenspannung die Hoche der Spannung 14 erreicht hat. Der Verstärkungsfaktor E sagt dabei aus, dass zur Zündungseinleitung die Anodenspannung K-mal gröl3er sein mu¯, als die sperrende Gitterspannung. Im schwingenden Zustand sinkt bei geziindeter Röhre ihr Anodenpotential plötzlich auf den Wert der Lösch- spannung Z D und zwingt auch die Spannung am Kondensator 10 auf diesen Wert hinunter, wobei der Ausgleich über die Diode 11 stattfindet.
Wenn nun bei gelöschter Röhre 1 die Anodenspannung wieder ansteigt, bleibt die Spannung am Kondensator 10 an nä. hernd auf dem Wert FD, weil seine Ladezeitkonstante, wie oben angegeben, sehr viel grösser ist als die Periodendauer der Schwin gung. Man sieht leicht ein, dass in der Diode 13 so lange kein Strom fliessen kann, bis die Anodenspannung VA die Summe der konstanten Gegenspannung e der Batterie 14 und der Klemmenspannung VD am Kondensator 10 überschreitet.
Es gilt für diesen Zeitpunkt : e=T-FD(3) Der dann plötzlich einsetzende Strom über die Diode 13 und die Primärwicklung des Transformators 12 erzeugt in der Sekundär- wicklung eine Spannung, welche der Vorspannung 5 entgegengerichtet ist und die Gitterspannung weniger negativ macht, wobei die Röhre 1. erneut zünden kann.
Die Frequenz der mit dieser Einrichtung erzeugten Schwingung ist schon wesentlich stabiler, hängt aber noch in unerwünschter Weise etwas von dem durch die Gittervor- spannung 5 bestimmten Arbeitspunkt auf der Kennlinie der Röhre ab. Um auch von diesem EinfluB sich zu befreien und die Schwingungsfrequenz damit praktisch völlig unabhängig von den Änderungen der Röhrenkennlinie zu machen, wäre es notwendig, einen nicht dargestellten Verstärker in die Zündleitung zwischen Transformator 12 und Steuergitter der Röhre anzuordnen. In die men, unter der Voraussetzung nat rlich, da¯ man mit der Gitterspannung innerhalb be stimmter Werte bleibt.
Die Batterie e 14 der Fig. 2 ist hier ersetzt durch einen an eine Hilfsspannung angeschlossenen Regler, welcher die entspre- chende konstante Spannung liefert. Diese Spannung wird mit der Diode 13 über einen Filterkreis. bestehend aus den Widerständen 21. 22 und den Kondensator 23 verbunden, welcher verhindern soll. dass Isolationswider- stände oder Streukapazitäten im Reglerkreis 20 die Arbeitsweise der hesehriebenen Ein- richtung stören können.
Der kleine Widerstand 24 dient zur Kompensation der die Schwingungsfrequenz nach Gleichung (l) herabsetzenden Entladungszeit t des Kon densators 2, womitauch die Giiltigkeit der Entladebedingung nach Gleichung (2) in einem grosseren Frequenzbereich gewÏhrleistet ist.
Mit steigender Me¯spannung und verhältnisgleichem Strom wächst nämlich der Spannungsabfall dieses Widerstandes, wodurch der die Ziindung auslosende Ste@er- strom dureh den Transformator 12 früher einsetzt und damit die Frequenz die not m-endigue Erh¯hung erfÏhrt
Die an den Klemmen 6 und 7 auftretende Kippspannung wird zwecks Entkopplung des Schwingkreises vom Ausgangskreis bezw. zur Verstärkung auf das Gitter einer R¯hre 25 geführt. In ihrem Anodenkreis befindet sich der Ausgangstransformator 26. an dessen Sekundärwicklung die Belastung ohne Mög- lichkeit ihrer Rückwirkung auf den Schwingkreis angeschlossen wird.
Der Kippschwingungsvorgang ist auch hier grundsätzlich derselbe wie bei der Schaltung nach Fig. 2. Bei beginnender Ladung mit der Messspannung entsprechendem konstantem Strom sinkt das Kathodenpoten- tial geradlinig ab. Die Zündung beginnt im Augenblick, wo ein Strom iiber die Primär- wicklung des Transformators 12 fliessen kann. Dies ist dann der Full. wenn das Anodenpotential der Robre 19 die Snmme der Spannungen an den Kondensatoren 10 und 23 erreicht. Es gilt somit f r den Zündeinsatz und damit f r die Frequenz auch hier die Bestimmungsgleiehung (3).
Durch diese Einrichtung wird erreicht, da¯ die Frequenz der Kippschwingung sich in praktisch linearer Abhängigkeit mit der Me¯gleichspannung Ïndert und weitgehend unabhängig von Schwankungen der Hilfs- spannung ist. Versuche ergaben Frequenz änderungen von nur 0.5% bei Spannungsschwankungen von ¯ 20 %.
Der Verlauf der Ausgangswechselspan- nung kann, falls dies erwünseht ist, sehr leicht durch ein am Transformator 26 angeschlossenes passendes Filter geglättet werden.
Die Amplitude lässt sich, wenn erforderlich, durch Anwendung einer Regelsehaltung kon stant halten, beispielsweise durch geeignete R ckf hrung der gleichgerichteten und ge glätteten Ausgangsspannung auf ein Gitter der Verstärkerrohre 25.
Man erkennt aus der vorgeschlagenen Sehaltung, dass der Ladestrom für den Kondensator 2 infolge der Gegenkopplung durch den Widerstand 4 im Rathodenkreis der Rohre 19 äusserst konstant gehalten wird.
Daraus folgt ein sehr gleichmässig gerader Verlauf des Anstieges der Kippspannung.
Von dieser Tatsache lässt sich bei den in der Fernseh-und Oszillografenteehnik übliehen Kippschwingschaltung Gebrauch machen, wo mehrere Mittel zur Gleichlaufregelung zur Verfügung stehen. Am einfachsten wird es sein, den Gleichlaufimpuls jeweils auf das Gitter der Gasentladungsröhre zwecks Aus losung des Kippvorganges einwirken zu lassen.
Bei Anwendung der Erfindung f r die Zweeke der Fernmessung, wobei Messgleichspannungen in verhältnisgleiche Frequenzen umgewandelt werden sollen, wird die Gitterspannung 3 durch die Me¯spannung ersetzt und die Wechselspannung entsprechender Frequenz dem Transformator 26 entnommen.
Man reguliert das Verhältnis zwischen Me¯ spannung und Frequenz durch Veränderung der vom Regler 20 gelieferten Spannung bezw. der Spannung der Batterie 14 in Fig. 2.