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Stabilisierungsvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Stabilisierungsvorrichtung
für Gleichstromverstärker in repetierenden Analogrechnern.
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In Analogrechnern werden für die linearen Rechenoperationen, wie Addieren,
Subtrahieren, Differenzieren und Integrieren, Gleichstromverstärker verwendet. An
die Stabilität derartiger Gleichstromverstärker müssen sehr hohe Anforderungen gestellt
werden, da beispielsweise durch Temperatur- oder Spannungsänderungen leicht eine
Verschiebung des Arbeitspunktes des Verstärkers eintreten kann, was schwerwiegende
Rechenfehler zur Folge hat.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung soll zunächst an Hand der Fig.
1 eine bekannte Integriervorrichtung mit einem Gleichstromverstärker beschrieben
und die bei mangelhafter Stabilisierung auftretenden Störungen er-. läutert werden.
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Der schematisch dargestellte Gleichstromverstärker sei mit V1 bezeichnet.
In Serie zum Gitter der ersten Röhre liegt ein ohmscher Widerstand R, parallel zum
Gleichstromverstärker Yi, die Ausgangsklemme mit der Eingangsklemme verbindend,
ein Kondensator Cl. Der Gleichstromverstärker V1 besitzt eine sehr hohe negative
Verstärkung (Verstärkung v --- - oc). Infolgedessen bewirkt der Kondensator Cl eine
starke Gegenkopplung, welche der Schaltung stets die Tendenz verleiht, die Verstärkereingangsspannung
gleich Null zu halten. Dieser Zustand - bei Verstärkereingangsspannung Nullläßt
sich mathematisch durch die folgende Gleichung ausdrücken, in der mit U1 die Eingangsspannung,
deren Amplitude je nach der Größe des eingesFeisten Rechenwertes schwanken kann,
mit U2 die Ausgangsspannung bezeichnet ist:
Hier bedeutet
den Strom im Widerstand R1 und
den Strom, der durch den Kondensator Cl fließt.
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Löst man die Gleichung (1) nach Uz auf, dann erhält man für die Ausgangsspannung
Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß die Ausgangsspannung U2, abgesehen von dem
konstanten Faktor
gleich dem Integral über die Eingangsspannung U1 ist.
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Es sei nun angenommen, der Gleichstromverstärker habe seine Stabilitätslage
infolge irgendwelcher Störungen verlassen, d. h., einer Ausgangsspannung Null entspricht
nicht eine Eingangsspannung Null, sondern trete erst bei einer am Eingang liegenden
Spannung -a auf. Dieser Verstärker ist ersetzbar durch einen Verstärker exakt richtiger
Nullpunktslage, aber mit einer an seinem Eingang liegenden Störspannung +s, gleich
welche die Ursachen dieser Verschiebung sind. Der Einfachheit halber sei ferner
angenommen, daß die Eingangsspannung U1 = 0 sei. Ebenso wie beim Rechenvorgang hat
der Verstärker in diesem Zustand das Bestreben, durch Rückkopplung über Cl die fiktive
Eingangsspanrung s zu kompensieren, d, h., es fließt über Cl ein Strom
Dieses Auftreten einer Kompensationsspannung beim gegengekoppelten Gleichstromverstärker
hat man dazu benutzt, aus der Kompensationsspannung eine Regelspannung abzuleiten,
die nach Verstärkung dem Gleichstromverstärker V1 an geeigneter Stelle zur Korrektur
des Nullpunktes zugeführt wird. Die Korrektur des Nullpunktes ist bei dieser bekannten
Anordnung ständig, also auch während der Rechenzeit, wirksam. Derartige Kompensationseinrichtungen
können sowohl bei Integrationseinrichtungen gemäß Fig. 1 Anwendung finden als auch
bei den zum Summieren verwendeten Gleichstromverstärkern. Durch derartige Kompensationsvorrichtungen,
die ebenfalls einen Verstärker benötigen, verdoppelt sich praktisch der gesamte
Schaltungsaufwand, d. h., es ist ein Aufwand nötig, der für die Praxis nicht tragbar
ist.
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Für andere Zwecke sind Gleichstromverstärker mit einer Stabilisierungsvorrichtung
bekannt, bei der in Serie zum Eingang des Gleichstromverstärkers ein Kondensator
eingeschaltet ist, dessen einer Anschluß über eine durch einen Schalter unterbrochene
Verbindungsleitung mit der Ausgangsklemme des Gleichstromverstärkers und dessen
anderer Anschluß über eine zweite, ebenfalls durch einen Schalter unterbrochene
Verbindungsleitung
mit Masse verbunden ist, und zwar derart, daß
der Kondensator bei geschlossenen Schaltern auf eine Spannung aufgeladen wird, die
einer Nullpunktsverschiebung des Gleichstromverstärkers entgegenwirkt.
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Gemäß der Erfindung wird eine Stabilisierungsvorrichtung für Gleichstromverstärker
der beschriebenen Art in repetierenden Analogrechnern verwendet, und zwar mit einer
solchen Betätigung der Schalter, daß die Verbindungsleitungen während der Rechenzeit
unterbrochen, während der Rücklaufzeit durchverbunden sind.
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An Hand der Fig.2, 3 und 4 sollen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Stabilisierungsvorrichtung beschrieben werden.
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Die in Fig.2 dargestellte Schaltungsanordnung stellt einen Gleichstromverstärker
für einen repetierenden Analogrechner dar, wie er beispielsweise zur Addition oder
Integration Verwendung findet. Die Eingangsklemmen der Schaltung seien mit E, die
Ausgangsklemmen mit A bezeichnet. Ein in seinem Schaltungsaufbau an sich bekannter
Gleichstromverstärker V2 ist der Übersichtlichkeit halber als Blockschaltbild dargestellt.
Der Verstärkungsfaktor des Gleichstromverstärkers V2 ist negativ und sehr hoch (-
v > 1). Gemäß der Erfindung liegt in Serie zum Gitter der ersten Röhre des Verstärkers
ein Kondensator C2. Der eingangsseitige AnschluB des Kondensators C2 ist über eine
Verbindungsleitung L1, die durch einen Schalter S, unterbrochen ist, mit Masse verbunden.
Eine weitere Verbindungsleitung L2, in welche ein Schalter S2 eingeschaltet ist,
verbindet den gitterseitigen Anschluß des Kondensators C2 mit der Ausgangsklemme
des Gleichstromverstärkers V2. Die Schalter S, und S2 können beispielsweise als
mechanische oder elektronische Schalter ausgebildet sein. Die Steuerung der Schalter
S, und S2 geschieht beispielsweise auf mechanischem Wege oder durch Elektromagnete,
wenn mechanische Schalter vorgesehen sind, oder, wenn die Schaltfolge sehr groß
ist, auf elektrischem Wege, z. B. durch Anlegen einer Steuerspannung an eine als
Schalter dienende Röhren- oder Transistoranordnung. Die Schalter S1, S2 sind während
der Rechenperiode geöffnet, während der Rechenpause, der sogenannten Rückstellzeit,
geschlossen.
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Es sei angenommen, der Arbeitspunkt des Gleichstromverstärkers V2
habe sich, beispielsweise durch eine Änderung der Anodenspannung, verschoben. Theoretisch
leichter erfaßbar wird dieser Zustand, wenn man sich, wie bereits an Hand der Fig.
1 beschrieben, die Verschiebung des Arbeitspunktes durch eine an den Eingang des
Gleichstromverstärkers angeschaltete Störspannungsquelle mit der Spannung El entstanden
denkt. Die Spannung E, habe eine Richtung, wie sie durch den in der Zeichnung eingezeichneten
Pfeil gekennzeichnet ist. Nimmt man an, daB die Verstärkung des Gleichstromverstärkers
V2 - v = 1000 und die Störspannung e, 0,1 V betrage, dann würde an den Ausgangsklemmen
des Verstärkers eine Fehlspannung von `v # e,', = 100 V stehen. Es versteht sich
von selbst, daß eine derartig hohe Fehlspannung nicht zulässig sein kann. Zur Beseitigung
dieser Fehlspannung wird der Kondensator C2 über die Verbindungsleitungen L, und
L2 während der Rechenpausen derart aufgeladen, daß die Spannung am Kondensator C2
die Störspannung annähernd kompensiert, d. h. etwa gleich groß wie die Störspannung
El, und dieser entgegengerichtet ist. Bei der dargestellten Führung der Leitungen
L, und L2 ergibt sich die geforderte Aufladung des Kondensators C2 durch die negative
Verstärkung des Gleichstromverstärkers V2.
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Die Kompensation läßt sich etwa auf folgende Weise erklären. Die Aufladung
des Kondensators C2 erfolgt, wie bereits oben beschrieben, während der Rechenpausen.
Die Störspannung e, erzeugt am Ausgang A des Verstärkers V2 eine Spannung - v -
8l.
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Der Kondensator C2 sucht sich im Augenblick des Schließens der Schalter
S, und S2 auf diese Spannung aufzuladen, was jedoch infolge der stets vorhandenen
Verluste nicht in unendlich kurzer Zeit vor sich geht. Zu einem Zeitpunkt kurz nach
Beginn der Aufladung habe sich der Kondensator Cl auf eine Spannung s2 aufgeladen,
die kleiner als die Spannung a, ist. In diesem Augenblick setzt sich die gesamte
Eingangsspannung aus der Summe s, + s2 zusammen, die kleiner als a1 ist, da die
Spannungen entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen. Damit wird also die Ausgangsspannung
an den Klemmen A absinken. Der Kondensator C2 lädt sich weiter, aber langsamer auf.
Die Spannung e2 wächst weiterhin an und kompensiert im zunehmenden Maße die Störspannung
e1. Ein stabiler Zustand wird dabei dann erreicht, wenn die Ausgangsspannung des
Gleichstromverstärkers V., zwischen den Klemmen.4 den Endwert 82 erreicht. Es läßt
sich dann, wie in der Folge gezeigt wird, mittels einer elementaren Rechnung bestimmen,
wie groß die Kompensationsspannung a2, die ja gleichzeitig am Ausgang A und am Kondensator
C2 liegt, ist. Am Eingang des Verstärkers liegen die Spannungen e, und s2, am Ausgang
die mit dem Verstärkungsfaktor - v multiplizierte Eingangsspannung, die gleich s2
ist, oder mathematisch ausgedrückt -V (£l + E2) - E2 # (4) Löst man diese Gleichung
nach s2 auf, dann erhält man
Da der Faktor v laut Voraussetzung sehr groß gegenüber 1 sein soll, kann also der
Summand 1 im Nenner auf der rechten Seite neben v vernachlässigt werden, so daB
also die Kompensationsspannung E2 praktisch gleich groß wie die Störspannung a1
und dieser entgegengerichtet ist. Wenn also die Störspannung El am Eingang, wie
oben vorausgesetzt, 0,1 V beträgt, dann erscheint am Verstärkerausgang nur noch
eine Fehlspannung E2, die ebenfalls rund 0,1 V gegenüber 100 V im unkompensierten
Zustand ist.
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Voraussetzung für die wirkungsvolle Funktion der erfindungsgemäßen
Stabilisierungseinrichtung ist, daB in der ersten Röhre des Verstärkers V2 kein
Gitterstrom fließt, damit sich der Kondensator C2 während der Rechenzeit nicht merklich
auflädt. Eine solche Forderung bedeutet jedoch bei dem speziellen Verwendungszweck
dieser Gleichstromverstärker keine zusätzliche Forderung, da der Gitterstrom sowieso
extrem niedrig gehalten werden muß.
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Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung gleicht im wesentlichen der Schaltung
gemäß Fig. 2. Sich in beiden Figuren entsprechende "Teile sind deshalb mit den gleichen
Bezugsziffern versehen. Zum Unterschied gegen die oben beschriebene Anordnung ist
jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel in die Leitung L2 ein zusätzlicher ohmscher
Widerstand R2 eingeschaltet. Dieser Widerstand hat die Aufgabe, den Sperrwiderstand
des Schalters S3 zu vergrößern. Die Einschaltung eines ohmschen Widerstandes R2
wird man vor allem dann vornehmen, wenn man als Schalter S3 eine Elektronenröhre
oder einen Transistor verwendet, da diese Schaltelemente im allgemeinen keinen unendlich
großen Sperrwiderstand aufweisen. Dabei muß zur Verhinderung einer Aufladung des
Kondensators C2 während der Rechenzeit der Schalter S3, wie in Fig. 3 dargestellt,
als Umschalter ausgebildet sein, der in seiner Öffnungsstellung über eine Leitung
L3 Verbindung mit Masse herstellt. Der Widerstand R2 liegt
demnach
während der Rechenperiode dem Verstärkerausgang A parallel. Die Größe des Widerstandes
R2 ist derart zu bemessen, daß er keine merkliche Belastung des Verstärkerausganges
darstellt.
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In der Fig. 4 ist ein als Integrator geschalteter Gleichstromverstärker
mit einer Stabilisierungsvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Da diese Integriervorrichtung
der gemäß Fig. 1 entspricht, wurden auch in Fig. 4 die der Integriervorrichtung
angehörenden Schaltelemente mit den gleichen Bezugsziffern wie die in Fig. 1 bezeichnet.
Die Schaltelemente der Stabilisierungsvorrichtung sind ebenfalls, soweit diese mit
der Stabilisierungsvorrichtung gemäß Fig.3 übereinstimmt, mit gleichen Bezugszeichen
versehen. In der Schaltung nach Fig. 4 ist zusätzlich an den Schalter S2 bzw. an
den Widerstand R2 eine Spannungsquelle
mit einem Serienwiderstand R3 angeschaltet. Aufgabe dieser Spannungsquelle ist es,
bei Beginn der Rechnung am Verstärkerausgang einen definierten Anfangswert U, zu
erzeugen. Ein solcher Anfangswert kann z. B. bei der Berechnung einer gewöhnlichen
Differentialgleichung erforderlich sein. Die Gleichung (2) läßt sich demnach in
spezieller Form schreiben:
Wenn der Spannungswert Uo ungleich Null sein soll, kann man die Schaltung derart
wählen, daß der Kondensator C2 während der Rückstellzeit nicht auf eine s, kompensierende
Spannung aufgeladen wird, sondern auf eine Spannung E2 solcher Größe, daß zu Beginn
der Integration die Ausgangsspannung U2 gleich U, ist. Erreicht wird dies durch
die bereits oben erwähnte Anschaltung der Spannungsquelle
und des ohmschen Widerstandes R3. Es wäre jedoch auch denkbar, eine Spannungsquelle
in die Leitung L, zwischen den Schalter S, und Masse einzuschalten. Bei der Schaltung
gemäß Fig. 4 ist die Endaufladung des Kondensators C2
Da ferner gilt - v (s, -!- s2) = U2, erhält man durch Einsetzen von s2, in Gleichung
(7) für UZ
Für den Fall, daß die Widerstände R2 und R3 etwa gleich groß sind und die Verstärkung
v des Gleichstromverstärkers, wie bereits oben angenommen, sehr groß gegenüber 1
ist, ergibt sich aus Gleichung (8) eine Verstärkerausgangsspannung U2
= Uo - 2 e,. Da der Anfangswert U, sein soll, beträgt also der Fehler
am Verstärkerausgang 2 s,, oder, wenn man wie oben eine Eingangsstörspannung E,
von 0,1 V voraussetzt, 0,2 V. Selbstverständlich ist die Anwendung der Erfindung
nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Die erfindungsgemäße
Stabilisierungsvorrichtung kann vielmehr für alle Gleichstromverstärker in repetierenden
Analogrechnern Verwendung finden.