-
Verfahren und Anordnung zur Signalübertragung über Starkstromleitungen
durch Überlagerung von gedämpften tonfrequenten Schwingungszügen Das Patent 878
o85 befaßt sich mit der Fernsteuerung von elektrischen Stromkreisen, insbesondere
von Verbraucherstromkreisen in Starkstromnetzen. Es betrifft eine Anordnung zum
Aufdrücken von Signalen und Steuerbefehlen auf die Starkstromleitungen durch Überlagerung
von Schwingungen. Diese Schwingungen werden dadurch erzeugt, daß vorübergehend Kondensatoren
und/oder Induktivitäten an das Netz angeschaltet werden. Dadurch entstehen gedämpfte,
relativ rasch abklingende tonfrequente Schwingungszüge, die sich den einzelnen Spannungshalbwellen
des Netzes überlagern und im folgenden mit Tonfrequenzimpulsen bezeichnet werden.
-
Gemäß der Erfindung werden diese Tonfrequenzimpulse so in regelmäßigem
Abstand einzelnen Halbwellen der Netzspannung überlagert, daß sich eine unterhalb
der Netzfrequenz liegende Impulsfolge ergibt, die Impulsfrequenz bzw. Zeichenfrequenz
also geringer ist als die Netzfrequenz. Auf diese Weise erreicht man den Vorteil,
daß man von allen Störungen, welche durch Oberwellen des Netzes hervorgerufen werden,
vollkommen frei wird. Ein normales Netz enthält nämlich wohl eine
mehr
oder weniger große Anzahl von Oberwellen, dagegen keinerlei nennenswerte Störfrequenzen,
die unterhalb der Netzfrequenz liegen. Auf diese Weise lassen sich Empfangsapparate
mit einer unterhalb der -Netzfrequenz liegenden Impulsfrequenz, beispielsweise von
25 oder i62/s.Hz, zuverlässig fernsteuern.
-
Im Hauptpatent ist außerdem vorgeschlagen, die Tonfrequenzimpulse
jeweils im Maximum der Spannungshalbwellen beginnen zu lassen. Hierbei kann aber
der Fall eintreten, daß die entstehenden Spannungsspitzen unangenehm hoch werden.
Aus diesem Grunde werden gemäß der weiteren Erfindung die in einem unterhalb der
Netzfrequenz liegenden Takte aufeinanderfolgenden Schaltvorgänge, welche die Überlagerungsimpulse
auslösen, so weit vor oder gegebenenfalls auch hinter das Maximum der Spannungshalbwellen
gelegt, daß der Scheitelwert der durch die Überlagerung entstehenden Spannungsspitzen
die normalenWechselstromhalbwellen nicht wesentlich überschreitet.
-
In Fig. i ist dies veranschaulicht. Dort ist der Beginn der Tonfreuenzimpulse
gegenüber dem Maximum der Netzspannungshalbwellen um den Betrag a vorverlegt. Der
den einzelnen Tonfrequenzimpuls bildende gedämpfte Wellenzug liegt also im aufsteigenden
Ast der einzelnen Halbwellen, so daß der,Scheitelwert c der normalen Wechselstromwelle
nicht oder nicht wesentlich überschritten wird. Dieses Verlagern des Einsatzpunktes.
in den aufsteigenden Ast der Wechselstromwelle ist ohne weiteres möglich, da man
ohnehin den Schalter, mit dem zur Erzeugung der Tonfrequenzimpulse Kondensatoren
an das Netz angeschaltet werden, im Maximum einer der nachfolgenden Spannungshalbwellen
öffnen wird; denn in diesem Augenblick ist der Kondensatorstrom Null, und der Kontakt
findet leichte Schaltbedingungen. Dadurch steht beim nächsten Zuschalten des Kondensators
stets die dem Abschaltmoment entsprechende Ladungsmenge auf dem Kondentorsator an,
so daß selbst beim Schalten im-Spannungsnuildurchgang eine tonfrequente Schwingung
auftritt.
-
Diese tonfrequente Folge von Tonfrequenzimpulsen, die beispielsweise
im Abstand. b von einer oder mehreren gleichpoligen Halbwellen des Netzes aufeinanderfolgen,
lassen sich nach ihrer Gleichrichtung auf einfache Weise dazu- verwenden, um ein
unternetzfrequent-schwingendes mechanisches oder elektrisches System zu erregen.
Gemäß dem obererwähnten Beispiel kann dieses System beispielsweise eine Eigenschwingung
von 25 oder 16=/s Hz haben. Hierbei kann es vorteilhaft sein, die auf einzelnen
Halbwellen vorhandenen Tonfrequenzimpulse zunächst zu verstärken, um auch. an entfernten
Empfängern eine zu Steuerzwecken ausreichende Energie zur Verfügung zu haben. Hierzu
können an sich bekannte Verstärker, wie Röhrenverstärker, magnetische Verstärker
oder auch Relaisverstärker, verwendet werden. Anschließend kann dann die Anregung
von mit der Impulsfrequenz schwingenden Systemen erfolgen. Als Verstärkerrelais
wählt man vorteilhafterweise, gegebenenfalls über ein kleines Filter gespeiste:,
an Gleichrichter angeschlossene polarisierte Relais. Ihr Kontaktkreis kann dann
selbst bei einer Frequenz, welche beispielsweise nur ein Fünftel der Netzfrequenz
beträgt, so viel Energie steuern, daß ein Kontaktpendel betätigt werden kann. Ein
derartiges Kontaktpendel kann man dabei so arbeiten lassen, daß es erst eine bestimmte
Anzahl von " Impulsen empfangen muß, ehe es seinen Kontakt zur Berührung bringt.
-
Von dieser Kontakteinrichtung aus läßt sich ein Laufzeitschalter betätigen,
welcher in an sich bekannter Weise nach einer bestimmten Zeit durch einen, erneuten
Steuerbefehl angehalten wird und durch seine inzwischen eingenommene Stellung den
gewünschten Schaltvorgang auslöst. Das .Anhalten des Laufzeitschalters kann dabei
ebenso wie das Ingangsetzen desselben durch Tonfrequenzimpulse mit unternetzfrequenter
Folgefrequenz, gegebenenfalls mit einer anderen Folgefrequenz als beim Einschalten,
erfolgen. Diese Art der Fernbetätigung durch Tonfrequenzimpulse mit unternetzfrequenter
Impulsfolge hat den besonderen Vorteil, daß man - wie schon erwähnt - gegen Störsignale
durch Oberwellen u. dgl. vollkommen frei ist. Die neue Anordnung bietet also auch
hinsichtlich der Ausbildung der Empfangsgeräte besondere Vorteile.
-
Mit der neuen Anordnung läßt sich nicht nur eine Fernein- und -ausschaltung
von irgendwelchen Geräten durchführen, sondern es läßt sich eine praktisch beliebig
große Anzahl von unterschiedlichen Signalen und Steuerbefehlen übertragen, indem
beispielsweise die Übertragung mit einer bestimmten Impulsfrequenz begonnen und
dann -gegebenenfalls nach Einschaltung einer Pause -mit einer anderen Impulsfrequenz
weitergesandt wird usw., so daß ein bestimmtes Signalbild entsteht. Dabei kann in
an sich bekannter Weise auch die Länge der einzelnen Impulsfolgen, der dazwischenliegenden
Pausen und die Reihenfolge der verschiedenen Impulsfrequenzen variiert werden.
-
Das beschriebene Sendeverfahren gibt wegen der großen Störfreiheit
auch die Möglichkeit, durch passend gewählte -Signalzusammenstellungen oder Impulsfolgen
Fernschreibmaschinen oder sonstige Geräte der Nachrichtentechnik über Starkstromleitungen
zu betreiben. Bei ' a11 diesen Anwendungen werden vorteilhafterweise an sich bekannte
Sieb- oder Filtermittel mechanischer oder elektrischer -Art vorgesehen, um die Netzfrequenz
von der Tonfrequenz und von der Impulsfrequenz zu trennen. Vor der Zuführung zu
den einzelnen zu steuernden Geräten wird man im allgemeinen eine Gleichrichtung
der unternetzfrequenten Impulsfrequenz vornehmen.
-
Wenn man die beschriebenen, auf die langsame Frequenz ansprechenden
Pendel- oder Schwingeinrichtungen verwendet, so ist die erreichte Kontaktdauer jedoch
nur sehr kurz. Es kann dann gemäß der weiteren Erfindung eine Schaltung angewandt
werden; für die in Fig. 2 ein Beispiel dargestellt ist. Von der Netzspannung wird
über einen Gleichrichter
i und einen hohen Vorwiderstand 2 ein
Kondensator 3 langsam aufgeladen. Wenn nun das von der Spule 5 mit der Impulsfolgefrequenz
erregte Pendel 4 nach Aufschaukelung den Kontakt 6 berührt, entlädt sich der Kondensator
3 über diesen Kontakt 6 und die Zunge 4 sowie über einen kleineti Dämpfungswiderstand
8 in äußerst kurzer Zeit auf den relativ zum Kondensator 3 großen Kondensator 7.
Von diesem kann dann die Ladung über das Relais 9 abfließen, so daß zu dessen Betätigung
trotz der kurzen Schließungsdauer des Kontaktes 6 eine für die Steuerung irgendwelcher
Geräte, Schalter u. dgl. ausreichende Zeit zur Verfügung steht.
-
Um beim Zuschalten des Netzes oder bei übermäßig starkem Empfang in
der Nähe des Senders ebenfalls ein langsames Aufschaukeln des schwingungsfähigen
Systems, z. B. der Feder 4, zu gewährleisten, kann es vorteilhaft sein, die bekannten
Amplitudenbegrenzer zu verwenden, z. B. in Form einer kurzgeschlossenen Gleichrichteranordnung
io, die in der Zuleitung zu der Spule 5 liegt und bei Überschreiten des Schwellwertes
der Gleichrichterelemente anspricht. Auf diese Weise wird das Eindringen übermäßig
starker Ströme in das niederfequente Schwingungssystem verhindert. Diesen gleichen
Zweck erfüllt auch ein vorgeschaltetes polarisiertes Verstärkerrelais, da hierbei
die Spannung hinter dem Verstärkerrelais weitgehend unabhängig vor. der Eingangsspannung
ist.
-
Anstatt zur Verlängerung der Kontaktdauer bei schwingungsfähigen Systemen
eine elektrische Übertragung nach Fig. 2 vorzunehmen, kann man auch mechanische
Geräte verwenden, bei denen beispielsweise nach Fig. 3 die durch eine Spule i i
erregte Schwingfeder 12 von einem kleinen Haltemagneten 13 gehalten wird,
welcher durch einen veränderbaren magnetischen Nebenschluß 14 so eingestellt ist,
daß er den die Feder 12 tragenden, beispielsweise bügelförmigen Anker 15 freigibt.
Die Feder 12 kommt dann mit dem Anker 15 zum Kippen und schließt einen nicht näher
dargestellten Kontakt, welcher mittel- oder unmittelbar den gewünschten Stromkreis
steuert.
-
Um zur Erleichterung der Auswertung die Signalfrequenz oder Impulsfrequenz
von der Netzfrequenz in einem gewissen Grade zu trennen, wobei diese Trennung nicht
notwendigerweise vollständig zu sein braucht, können Anordnungen benutzt werden,
bei denen Stromzweige mit überwiegend induktivem Charakter mit solchen hauptsächlich
kapazitiven Charakters verglichen werden.
-
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel hierfür. Die Eingangsspannung
E speist über die Drossel 16 und die Wicklung 17 eines Transformators 18 einen Stromzweig,
welcher infolge der Induktivität hauptsächlich nur die Netzfrequenz führt. Der durch
die Kapazitäten i9, 2o und den Widerstand 21 sowie die Drossel 22 gebildete, hauptsächlich
für Oberwellen bzw. übernetzfrequente Schwingungen durchlässige Kreis speist die
Wicklung 23 des Transformators. Dieser Kreis kann jedoch gegebenenfals auch nur
mit einem Kondensator ausgeführt werden. Die an der T ransformatorwicklu.ng 24 abgenommene
Spannung kann nochmals über einen Kondensator 25 und -anschließend über eine Gleichrichteranordnung
26 zu einem Relais 27 geführt werden. Dieses Relais spricht dann ausschließlich
auf die niederfrequenten Tonfrequenzimpulse an. Es kann dabei seinerseits wieder
ein schwingungsfähiges Gebilde sein, wie es schon oben beschrieben wurde. .
-
Will man die Aussiebung der Signalfrequenzen sehr weit treiben, so
kann man den in der Schaltung nach Fig. 4 verbleibenden netzfrequenten Verluststrom.
durch eine weitere Wicklung, welche über einen ohrnschen Widerstand gespeist wird,
kompensieren.
-
In Fig.5 ist ein anderes Beispiel gezeigt, bei welchem der über den
Kondensator -28 und die Gleichrichteranordnung 29 führende Kreis überwiegend die
Tonfrequenz enthält, während der über den Widerstand 30 und die Gleichrichteranordnung
31 führende Kreis hauptsächlich die Netzfrequenz führt. 32 ist ein polarisiertes
-Relais, in dem die beiden von den Gleichrichteranordnungen 29, 31 gespeisten Wicklungen
einander entgegengeschaltet sind. Durch geeignete Bemessung der beiden Kreise 28,
29 bzw. 30, 31 läßt sich auf diese Weise eine einfache Kompensation der die Relaiswicklungen
durchfließenden Netzfrequenz erreichen. Auf diese Weise spricht das Relais nur auf
tonfrequente Impulse an; welche ihm über den Gleichrichter 29 zugeführt werden,
und dieses schaltet im Takt dieser tonfrequenten Impulse den Kontakt 33. Durch diesen
Kontakt 33 kann dann wieder ein Schwingkreis od. dgl. gesteuert werden.
-
Fig. 6 zeigt ein Beispiel für eine besonders vorteilhafte Anordnung,
bei der über den Kondensator 34 der Strom an den Widerstand 35 gelangt. Hierdurch
hat die am Widerstand 35 abgenommene Spannung eine Phasendrehung von fast 9o° gegenüber
der Netzspannung. Durch den Kondensator 36 tritt abermals eine Phasenverdrehung
um fast 9o° ein, so daß an der Gieichrichteranordnung 37 der Strom gegenüber der
Eingangsspannung' um fast iso° gedreht ist. Über- den Widerstand 38 kann man einen
mit der Phasenspannung winkelgleichen Strom solcher Größe zuführen, daß an der Gleichrichteranordnung
37 der Strom der Netzfrequenz annähernd vollständig verschwindet und fast nur die
tonfrequenten Signalimpulse übrigbleiben, welche nach der Gleichrichtung das polarisierte
Relais 27' betätigen. Zur Amplitudenbegrenzung kann auch hier - ähnlich wie in Fig.
2 - wieder eine kurzgeschlossene Gleichrichteranordnung 39 vorgesehen sein. Die
Kontakte des Relais 27' werden dann im Takte der tonfrequenten Impulse betätigt,
d. h., auch bei diesem Beispiel wirkt das Relais 27' lediglich als Verstärker für
die Tonfrequenzimpulse.
-
Eine im Prinzip ähnlich wirkende Einrichtung ist in Fig. 7 dargestellt.
Dort führt das an die Eingangsspannung E über den Kondensator 40 angeschlossene
System 41 im wesentlichen Tonfrequenz und bewirkt eine Bewegung der Ferrarisscheibe
42
im auslösenden bzw. kontaktmachenden Sinn. Das zweite, an die
Eingangsspannung E über die I:nduktivität 43 und den Widerstand 44 angeschlossene
System 45 dagegen führt überwiegend Netzfrequenz. Es bewirkt eine Drehung der mit
der Scheibe 42 gekuppelten Scheibe 46 im entgegengesetzten, sperrenden Sinn. Auf
diese Weise wird der Kontakt 47 während der Dauer .des eintreffenden tonfrequenten
Schwingungszuges geschlossen.
-
Bei dem beschriebenen Verfahren mit unterhalb der Netzfrequenz liegender
Impulsfrequenz ist es besonders vorteilhaft, in an sich bekannter Weise nach Ausführung
einer Schaltung das angeschlossene schwingungsfähige System durch eine mechanische
oder elektrische Veränderung auf eine andere Frequenz abzustimmen. Wie schon angedeutet,
können die langsam schwingenden Systeme mechanisch mit verhältnismäßig großen Massen
ausgeführt werden, wodurch ein gutes Arbeiten derartiger Relais oft überhaupt erst
möglich wird.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 wird das Pendel 48 mit dem
permanenten Magneten 49 durch. das Erregerspulenpaar 5o, 5o' zu Schwingungen angeregt.
Das Pendel 48 ist über eine Blattfeder 54 od. dgl. bei 51 mit einem bei 52 drehbaren
Hebel 53 verbunden. Sobald der Ausschlag des Pendels 48 genügend groß ist, kippt
die Feder 54 nach der anderen Seite, indem der Hebel 53 um die Achse 52 nach rechts
in die gestrichelt gezeichnete Lage geschwenkt wird. Während vorher die Schwingung
des Pendels um -den Auflagepunkt 55 erfolgte, dient in der gestrichelt gezeichneten
Lage der Feder als Auflage der tiefer liegende Drehpunkt 56. Die wirksame Pendellänge
.ist nunmehr verkürzt, und das Pendel weist eine andere Eigenschwingungszahl auf.
Den Endlagen des Hebels 53 sind kleine Haltemagnete 57, 58 zugeordnet, welche ihn
jeweils mit einer gewissen, vorteilhaft einstellbaren Stärke festhalten, bis der
Ausschlag genügend groß ist, um die Haltekraft zu überwinden. Der Kipphebel 53 kann
einen Kontakt 59 tragen, dem in den beiden Endlagen je ein Gegenkontakt 6o, 61 zugeordnet
sein kann.
-
Eine wirkungsmäßig ähnliche Anordnung ist in dem Beispiel der Fig.
9 gezeigt. Dort ist ein elektrischer Schwingkreis mit einem Kondensator 62 und einer
Drossel 63 durch Verstellen eines Bleches 64 im Luftspalt 65 des Drosselkernes verstimmbar.
Die Bewegung des Bleches 64 kann durch den Magneten 66 ausgelöst werden. Eine Verstimmung
des Schwingkreises kann auch durch Zu- und Abschalten von Teilkapazitäten in Abhängigkeit
von der Stellung des vom Schwingkreis gesteuerten Schalters oder durch Veränderung
der Induktivität und der Kapazität des Schwingkreises erfolgen.
-
Nach Fig. zo kann eine solche Verstimmung eines Schwingkreises, z.
B. des Pendels 67, welches durch eine Spule 68 erregt wird, auch durch zusätzliche
Erregung eines Magneten 69 erfolgen, welcher' auf die Zungenschwingung bremsend
wirkt, indem die Federspannung scheinbar vergrößert wird. An Stelle dieser elektrischen
Zusatzfederung für das Federpendel, kann auch eine Zusatzfederung mechanischer Art
vorgesehen werden, die in Abhängigkeit von der Stellung des vom Federpendels gesteuerten
Schalters zu- und abschaltbar ist.
-
Man erhält auf diese Weise Empfangseinrichtungen, welche auf zwei
unterhalb der Netzfrequenz liegende Frequenzen ansprechen können.
-
Bei diesen Empfangsgeräten kann gemäß der weiteren Erfindung noch
dafür gesorgt werden, daß Abweichungen von der Netzfrequenz möglichst keine Behinderung
des Empfanges hervorrufen. Sinkt nämlich die Netzfrequenz ab, so könnte der Abstand
zwischen den einzelnen Tonfrequemzimpulsen unter Umständen so groß werden (Abstand
b in Fig. r), daß die Empfangseinrichtungen auf die veränderte Impulsfrequenz nicht
mehr ansprechen. Um dies zu verhindern, kann der Einsatzpunkt der Tonfrequenzimpulse
immer in genau gleichen Abständen eingeleitet werden durch kontinuierliches oder
stufenweises Verschieben auf den einzelnen Halbwellen der Netzfrequenz während des
Sendens, derart, daß die Schwingsysteme der Empfänger in Resonanz oder Resonanznähe
bleiben, indem z. B. die Schalteinrichtung zur Aussendung der Tonfrequenzimpulse
von einem von der Netzfrequenz unabhängigen Taktgeber, z. B. von einer stimmgabelartigen
Einrichtung, gesteuert wird. Werden beispielsweise entsprechend einem Ausführungsbeispiel
des Hauptpatents die Kondensatoren durch gittergesteuerte Entladungsgefäße an das
Netz angeschlossen, so kann der Taktgeber den Zündzeitpunkt bestimmen. Es sind aber
auch mechanische Kontaktwerke bekannt, bei denen eine ähnliche Steuerung durch Taktgeber
möglich ist.
-
In den zuletzt beschriebenen Fällen. kannte der Einsatzpunkt der Tonfrequenziinpulse
auf das Maximum der Netzfrequenzhalbwellen wandern, und eis könnten durch die übenlagarte
Tonfrequenz übermäßig hohe Spannungsspitzen entstehen. Um dies zu verhindern, kann
mann gemäß der weiteren. Erfiridung die Einsatzpunkte, welche im. der Nähe des Spannungsmaximums
liiegen,einfach ausfallen lassen. Sorgt .man dabei..dafür, daß die tonfrequenten
Impulse mit unternebzfrequenter Folge längere" Zeit, beiispielswense über einige
Sekund4m, ausgesendet worden, so ioit die Gewähr gegeben, daß die auf die unternetzfrequente
Impulsfodgefrequenz abgestimmten Empfangseinrichtungen mit Sicherheit zum Ansprechen
kommen. Mann kann aber auch, anstatt die Impulse dn der Nähe des Spünnungsmaxi,mums
ganz ausfallen zu lassen, Dämpfungsmittel voir den Schwimgkredis sehalten, z. B.
Drosseln oder Widerstände, welche von einem Spannungsrelais gesteuert wenden, s,o
daß keime völligen Lücken im Zuge der Impul:sfnequmlz entstehen.
-
Es wurde im vorstehenden erwähnt, daß sich die Zahl der übertragbaren
Signale dadurch vergrößern läßt, daß man zwei unterschiedliche Impul-sf requenzen
vorsieht und idmese-gegebenenfalls unter Einschaltung von Pausen - in einem bestimmten
Wechsel auf @daas Netz giib@t, wobei auch die Länge der einzelnen Impulsfolgen und
der dazwischenliegenden
Pausen variiert werden kann. Eine weitere
Möglichkeit zur Vergrößerung der Zeichenzahl kann auch noch dadurch erreicht werden,
daß jedesm:al Vielfarl<e dieser Zeichenfolgen gegeben werden. Da für die Durchführung
der meisten über Starkstromnetze zugebenden Befehle und Signale genügend Zeit zur
Verfügung steht, braucht auf die Kürze der Übertragungs.veiten für die einzelnen
Signale oder Kommandos kein besonders großer Wert gelegt zu werden.. Es ist aus
diesem Grunde möglich, zur Bildung der Übertragungsgrößen auch eine größere, Anzahl
von aufeinanderfolgend!en Einzelzeichen zu verwenden.
-
Außerdem besteht die Möglichkeit, zur Bildung der verschiedenen Übertragungswerte
nicht nur jede zweite oder dritte usw. Hal-,b'welle der Netzfrequenz mit einem Signalimpuls
zu überlagern, sondern man kann auch jeweils entsprechende Vielfache von Halbwellen
mit Signalimpulsen versehen. Ferner kann es vorteilhaft sein, die Signale durch
eine nicht regelmäßige Folge von Impulsen zu kennzeichnen, indem z. B. zwei Impulse
auf zwei aufeinanderfolgende Halbwellen gegeben werden, dann eine Pause von einer
Halbwelle eingelegt wird und anschließend drei Impulse auf drei arafeinanderfolgende
Halbwellen überlagert werden, oder daß Vielfache davon eine Nachricht darstellen.
-
Macht man zur Bedingung, daß bei jedem Zeichen am Empfangsort erst
ein schwingungsfähiges System aufgeschaukelt werden. muß, also das Ein: treffen
einer unternetzfrequenten Impulsfolge während einer gewissen Mindestzeit vorausgesetzt
wird, so bleiben einzelne Tonfreqwenzimpul.se., die durch Zuschalten von od. dgl.
i#m Netz auftreten können., auf d-ie Fernsteueranordnung ohne störende Wirkung.