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Es ist bekannt, HF-Oszillatoren durch metallische Fahnen, Zahnscheiben
u. dgl., die in den Kopplungsweg zwischen Schwingkreis- und Rückkopplungsspule eingebracht
werden, vom schwingenden in den nicht schwingenden Zustand zu steuern und dadurch
Meß-oder Zählsignale zu gewinnen. Über die einfachsten Anordnungen hinaus, die praktisch
nur aus dem Schwingkreis, der Rückkopplungsspule und einem Verstärkerelement bestehen,
sind Oszillatoranordnungen bekanntgeworden, mit denen sich z. B. ein besonders großes
Verhältnis zwischen den Oszillatorströmen in schwingendem und nicht schwingendem
Zustand erzielen läßt, oder solche, bei denen durch spezielle Gegenkopplungen erreicht
wird, daß die Schwingungen bei einer ganz genau definierten Stellung der Steuerfahne
ein- und aussetzen.
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Die Steuerung der Oszillatoren vom nicht schwingenden in den schwingenden
Zustand und umgekehrt erfolgt in allen Fällen über die Änderung der Kopplung. Unterhalb
einer bestimmten Kopplung schwingen die Oszillatoren nicht, oberhalb dieser Kopplung
schwingen sie, wie ja aus der bekannten Formel für die Selbsterregung
k - V > 1 hervorgeht.
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Bei den bekannten Oszillatoren ist durch die Bemessung der Bauelemente
ein bestimmter Verstärkungsfaktor eingestellt. Zur Selbsterregung ist dann eine
Kopplung notwendig von der Größe
Oft ist das den Kopplungsgrad beeinflussende mechanische System schwingfähig, im
allgemeinen Fall ein Feder-Masse-Dämpfungssystem. Hierunter fallen auch solche Systeme,
bei denen die Feder ein kompressibles Medium, z. B. Luft, ist und die Masse eine
Flüssigkeit. Schwingt nun das den Kopplungsgrad beeinflussende mechanische System,
so ändert sich der Kopplungsfaktor k ungewollt und unkontrollierbar um den Betrag
j- A k, und die Oszillatorschwingungen setzen mehrmals ein und aus,
wenn die mechanischen Schwingungen am kritischen Punkt
auftreten, so daß Fehlzählungen oder Fehlschaltungen möglich sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Oszillator zu schaffen,
bei dem sich Schwingungen des abzutastenden Systems auf das Verhalten des Oszillators
nicht auswirken, so daß Fehlschaltungen oder Fehlzählungen vermieden werden.
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Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, gleichzeitig
mit dem Anschwingen des Oszillators den Verstärkungsfaktor des Verstärkerelements
zu erhöhen. Da das Einsetzen der Schwingungen bei einem Wert k - V, der wenig
größer als 1 ist, erfolgt, also k auch nur wenig größer als
sein muß, bedeutet eine Erhöhung von. V, z. B. um den Faktor 2, im Anschwingzeitpunkt
bei dem zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Kopplungsfaktor k ein Produkt
k - V > 2. Erst wenn k mindestens um den Faktor 2 vermindert wird,
setzen die Oszillatorschwingungen wieder aus. Durch mechanische Schwingungen des
abzutastenden Systems verursachte Änderungen von k um d k wirken sich
somit auf das Schwingungsverhalten des Oszillators nicht mehr aus. Erfindungsgemäße
Einrichtungen sind besonders zur Abtastung von sich ruckartig oder pendelnd bewegenden
Teilen, z. B. Übertragungsteilen von Flüssigkeitszählern, durch Vibrationen oder
Meßwertschwankungen pendelnden Zeigern von Meßgeräten usw., geeignet. Eine Einrichtung
zur Durchführung des Erfindungsgedankens ist im folgenden beschrieben und durch
die Abbildung erläutert. (Die Betrachtungen werden für einen pnp-transistorisierten
Meißner-Oszillator angestellt. Sie gelten selbstverständlich auch für alle übrigen
zur Schwingungserzeugung verwendbaren Schaltungen, z. B. Dreipunktschaltung, Huth-Kühn-Schaltung
usw.) F i g. 1 zeigt einen normalen Meißner-Oszillator. Ein Schwingkreis L,C, liegt
im Kollektorkreis eines Transistors Tr, und ist über die Spule L2 (oder auch einen
Schwingkreis L,C2) auf die Basis von Tr, rückgekoppelt. Über die Teilerwiderstände
R, und R2 wird eine geeignete Basisspannung eingestellt. Der Oszillator kann z.
B. durch eine in den Kopplungsweg zwischen den Spulen L, L2 einschwenkbare Abdeckscheibe
A, z. B. Zeigerfahne eines Meßinstrumentes, Loch- oder Zahnscheibe (Schlitzscheibe)
zur Messung von Umdrehungszahlen oder Drehgeschwindigkeiten an rotierenden Wellen,
Getriebeteilen od. ä. verursacht werden. Bei der Stellung 1 der Abdeckscheibe A
ist z. B. die Kopplung so klein, daß k - V sehr viel kleiner als 1 ist. In
Stellung 2 ist die Kopplung gerade so groß, daß k - V = 1 ist. Geringfügige
Schwankungen um d x führen zu Änderungen von k
um d k und damit
zu dauernden Schwankungen (k :L d k) V = 1 ± d k - V, die Fehlzählungen
oder Fehlschaltungen verursachen.
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Der Oszillator führt einen Strom, der von seinem Schwingungszustand
abhängig ist. Dieser Strom kann z. B. mit einem Strommesser J gemessen werden.
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F i g. 1 a zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung
des allgemeinen Erfindungsgedankens. Mit dem Kondensator C3 wird die Schwingspannung
aus dem Schwingkreis L, Cl ausgekoppelt und in der Diode Dl gleichgerichtet. Die
jetzt am negativen Pol der Diode auftretende negative Spannung wird über den Widerstand
R3 der Basis des Transistors Tr, zugeführt. Dieser Vorgang ist im folgenden unter
dem Begriff Gleichstromrückkopplung zusammengefaßt. Die mit der Gleichstromrückkopplung
verbundene Erhöhung der Basisspannung von Tr, bewirkt eine Erhöhung der Verstärkung.
Es versteht sich, daß der Teiler R,, R2 für die Basisspannung durch geeignete Wahl
des Arbeitspunktes von Tr, so eingestellt sein muß, daß die Verstärkung, die sich
ohne Gleichstromrückkopplung ergibt, kleiner ist als die Verstärkung mit Gleichstromrückkopplung.
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Bis zum Schaltpunkt k - V = 1 verhält sich die Einrichtung
nach F i g. 1 a genauso wie die bekannte Einrichtung nach F i g. 1. Mit dem Anschwingen
des Oszillators wird wegen der Gleichstromrückkopplung gemäß der Erfindung durch
die höhere Verstärkung des Transistors Tr,, das Produkt k - V nunmehr sehr
viel größer als 1. Da jedoch zur Aufrechterhaltung der Schwingungen nur ein Wert
von k - V wenig größer als 1 erforderlich ist, darf jetzt k stark abnehmen,
d. h., die Schwingungen der Abdeckscheibe um d x, die eine Änderung von
k um d k verursachen, führen nicht zu den bei F i g. 1 beschriebenen
Nachteilen (Fehlzählungen, Fehlschaltungen).
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In F i g. 2 ist das Verhalten der Oszillatoren nach F i g. 1 und 1
a dargestellt. Die gestrichelte Linie zeigt die Abhängigkeit des Stromes von der
Kopplung bei einem herkömmlichen Oszillator. Bei
schwingt der Oszillator nicht, und es fließt der Ruhestrom Jo. Mit zunehmender Kopplung
nimmt vom Wert 1 an der Strom ebenfalls zu und erreicht schließlich seinen
Maximalwert.
Bei einer durch das abzutastende System verursachten Änderung von k um
4 k am Punkt k = 1
schwankt der Strom zwischen seinen beiden Extremwerten,
wodurch die besagten Fehlzählungen oder Fehlschaltungen auftreten. Die ausgezogene
Linie zeigt die Abhängigkeit des Stromes von der Kopplung bei einem erfindungsgemäßen
Oszillator. Unterhalb von
fließt ebenfalls der Ruhestrom Ja. Bei einer geringfügigen Erhöhung der Kopplung
über
hinaus nimmt der Strom durch die beschriebene Gleichstromrückkopplung schlagartig
seinen Maximalwert an. Bei Verminderung oder Erhöhung der Kopplung um kleine Beträge
bleibt der Maximalwert bestehen. Erst bei einer Verminderung von k auf einen Bruchteil,
der kleiner ist als die durch die Gleichstromrückkopplung bewirkte Erhöhung von
V, reißen die Schwingungen schlagartig ab.
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Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird noch ein weiterer Vorteil
erzielt: Wie schon erwähnt und in F i g. 2 gezeigt, steigt der Strom bei den gebräuchlichen
Oszillatoren nach Erreichen der kritischen Kopplung relativ langsam an. Die Anstiegszeit
ist abhängig von der Geschwindigkeit des den Kopplungsgrad beeinflussenden mechanischen
Systems. Ein derartiger Stromverlauf ist jedoch zur direkten Weiterverarbeitung
ungeeignet. Es müssen impuls- oder flankenformende Elemente, z. B. Schmitt-Trigger
od. ä. nachgeschaltet werden. Dagegen findet bei den nach der Erfindung mit einer
Gleichstromrückkopplung ausgestatteten Oszillatoren das Einsetzen und Abreißen der
Schwingungen, und daraus folgend das Ansteigen und Abfallen des Stromes, unabhängig
von der Geschwindigkeit des den Kopplungsgrad beeinflussenden mechanischen Systems
in einer so kurzen Zeit statt, daß auf impulsformende Elemente verzichtet werden
kann.
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Eine weitere erfindungsgemäße Anordnung, die eine. gegenüber der F
i g. 1 a verbesserte Wirkung zeigt, ist in F i g. 3 dargestellt. An Stelle einer
Diode wird ein Transistor Tr2 zur Gleichrichtung der mit dem Kondensator C3 ausgekoppelten
HF-Spannung eingesetzt. Zweckmäßigerweise schaltet man die Kollektor-Emitter-Strecke
von Tr, dem Teilerwiderstand R1 parallel und ändert dadurch das Teilerverhältnis
Dadurch, daß der Transistor gegenüber der in F i g 1 a verwendeten Diode eine Verstärkerwirkung
besitzt, wird die gewünschte Beeinflussung des Verstärkungsfaktors größer als bei
der Diode. Dadurch erreichen die Schwingungen noch schneller ihr Maximum. Im vorangegangenen
ist dargestellt, wie das lawinenartige Einsetzen und Abreißen von Oszillatorschwingungen
durch die Erhöhung der Verstärkung eines Transistors mittels Gleichstromrückkopplung
erzielt werden kann. F i g. 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung, mit
der ein ähnlicher Effekt durch sprunghafte Unterstützung des Schwingungszustandes
des Oszillators mit Hilfe einer Erhöhung des rückgekoppelten Anteils der erzeugten
Wechselspannung entsprechend dem Anstieg der Wechselspannungsamplitude erreicht
wird.
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Hierbei liegt in Serie mit dem Schwingkreis L, Cl
ein Schwingkreis
L3 C6 oder eine Induktivität L3 oder ein ohmscher Widerstand R5. Die Hochfrequenzspannung
ist wieder über einen Kondensator C3 der Basis eines Transistors Tr, zugeführt.
Der Kollektor von Tr, ist über einen Kondensator C, mit dem Verbindungspunkt zwischen
dem Schwingkreis L, Cl und L3 C, bzw. L3 bzw. R, verbunden. Wenn die Kopplung
kleiner als
ist und die Oszillatorschwingungen noch nicht eingesetzt haben, ist der Widerstand
der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Tr, groß, und der Kondensator C, kann
noch nicht wirksam werden. Durch die Reihenschaltung L, C, und L, C, bzw.
L3 bzw. Rs findet eine Aufteilung der Hochfrequenzspannung statt. Wird nun die Kopplung
etwas größer als so setzen die Oszillatorschwingungen ein, die Basis
von Tr3 erhält eine kleine Hochfrequenzspannung, und der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke
von Tr, nimmt ab. Dadurch wird C, teilweise wirksam, und der Anteil der Hochfrequenzspannung
an L1 C1 wird größer. Da aber L1 Cl über L2 C2 oder L2 auf die Basis von Tr, rückgekoppelt
ist, bedeutet das eine Erhöhung der rückgekoppelten Energie, wodurch die absolute
Höhe der Hochfrequenzspannung zunimmt. Tr, erhält über C3 noch mehr Spannung, der
Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke von Tr3 nimmt weiter ab. C, wird sehr wirksam,
so daß praktisch keine Aufteilung der Hochfrequenzspannung mehr stattfindet, sondern
an L, Cl allein Hochfrequenzspannung steht. Der ganze Vorgang vollzieht sich lawinenartig,
so daß strommäßig wieder ein Verhalten der Schaltung etwa gemäß der ausgezogenen
Linie in F i g. 2 entsteht. Das Aussetzen der Schwingungen geschieht ebenfalls wieder
als Abreißen. Hierbei wiederholen sich die oben beschriebenen Vorgänge in umgekehrter
Reihenfolge.
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Besonders wirksam ist die Schaltung nach F i g. 4 dann, wenn der Rückkopplungskreis
in der Basisleitung. von Trl ein vollständiger Schwingkreis ist, der auf die gleiche
Frequenz abgestimmt ist wie der Kollektorschwingkreis L, Cl. Zweckmäßig wird dann,
wie in F i g. 4 gezeigt, ein Schwingkreis L3 C6 oder eine Induktivität L3 in Reihe
geschaltet, die eine starke Verstimmung der Frequenz im gesamten Kollektorkreis
bewirken, die beim Einsetzen der Schwingungen in der oben beschriebenen Weise dadurch
aufgehoben wird, daß C, wirksam wird und dann L, Cl allein frequenzbestimmend
sind. Das bedeutet eine weitere Erhöhung der rückgekoppelten Energie, da jetzt nicht
nur eine größere Spannung von L, Cl auf L2 C2 wirkt, sondern auch die richtige
Frequenz.
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Um eine noch weiter vergrößerte Hysterese zu erzielen, liegt es nahe,
einen Oszillator zu bauen, bei dem gleichzeitig die Verstärkung durch eine Schaltung
gemäß F i g. 1 a oder 3 und die rückgekoppelte Energie durch eine Schaltung gemäß
F i g. 4 erhöht werden. Eine solche Schaltung läßt sich durch die Verbindung von
F i g. 1 a und 4 bzw. 3 und 4 leicht herstellen. Hierzu werden zwei Verstärkerelemente
oder eine Diode und ein Verstärkerelement benötigt.
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Eine weitere erfindungsgemäße Anordnung, die nur ein zusätzliches
Verstärkerelement aufweist und bei der dennoch sowohl die Verstärkung als auch die
rückgekoppelte Energie im Ausschwingzeitpunkt erhöht werden, ist in F i g. 5 dargestellt.
Die Hochfrequenzspannung wird wieder mit dem Kondensator C3 aus dem Schwingkreis
L, Cl ausgekoppelt und der Basis von Tr,, zugeführt. Wie in F i g. 3 ist die Kollektor-Emitter-Strecke
von Tr, dem TeilerwiderstandRl parallel geschaltet und ändert beimVorhandensein
einer
Hochfrequenzspannung durch Verringerung des Widerstandes der Kollektor-Emitter-Strecke
das Teilerverhältnis
so daß der Transistor Trl im Gebiet einer höheren Verstärkung betrieben wird. Ferner
ist wie in F i g. 4 dem Schwingkreis L, C, ein Schwingkreis L3 C6 vorgeschaltet.
Da der Kollektor von Tr4 am Verbindungspunkt zwischen L@ Ci und L3 C6 und
der Emitter von Tr4 an dem für Hochfrequenz praktisch einen Kurzschluß darstellenden
Kondensator C4 liegt, wird bei Vorhandensein einer Hochfrequenzspannung, wobei die
Kollektor-Emitter-Strecke von Tr4 nur noch einen kleinen Widerstand besitzt, C4
als hochfrequenter Kurzschluß am oberen Ende von L, C, wirksam. Dabei stellt sich
die bei der Erläuterung von F i g. 4 gezeigte Erhöhung der rückgekoppelten Energie
ein. Eine Anordnung nach F i g. 5 verbindet also in gewünschter Weise die Vorteile
der Anordnungen nach F i g. 3 und 4.
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Es sind auch Anordnungen denkbar, bei denen die Kopplung nicht durch
eine Abdeckscheibe od. dgl. verändert wird, sondern z. B. mittels einer durch eine
Flüssigkeit und zwei Metallbeläge gebildete Kapazität. Bei entsprechender Anordnung
beeinflußt die Höhe der Flüssigkeitssäule die Größe dieser Kapazität, die z. B.
einen kapazitiven Kopplungsweg bildet oder eine kapazitive Ableitung der Kopplungsenergie
verursacht. Auch hier kann durch eine erfindungsgemäße Ausbildung der Schaltung,
ähnlich F i g. 1 a bis 5, verhindert werden, daß z. B. Schwankungen der Flüssigkeitssäule
zu Fehlschaltungen führen.