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Meßpotentiometer, insbesondere für Analogrechner Die Erfindung bezieht
sich auf einen elektrischen Spannungswandler mit kontinuierlich einstellbarer Sekundärspannung,
und zwar insbesondere für Analogrechner.
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Man hat dafür bisher als Spannungswandler vorwiegend Potentiometer
oder Autotransformatoren benutzt. Bei der Verwendung von Potentiometern wird es
häufig schwierig, die Widerstände des Potentiometers und des Belastungswiderstandes
aneinander anzupassen. Es muß ja der Belastungswiderstand, also der am Potentiometerabgriff
anliegende Widerstand, groß gegen den Widerstand des Potentiometers sein, weil sonst
die abgegriffene Spannung am Belastungswiderstand zusammenbrechen würde und man
dann keine definierten Verhältnisse mehr hätte. Wenn man nun aber den Potentionieterwiderstand
hinreichend klein machen will, dann muß man dicken Draht verwenden und erhält auf
diese M, eise nur eine relativ grobe Einstellmöglichkeit. Außerdem wird durch einen
niedrigen Potentiometerwiderstand die Spannungsquelle sehr stark belastet. Ähnliche
Verhältnisse bekommt man, wenn man Autotransformatoren verwendet.
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Ähnliche Schwierigkeiten treten bei einer anderen bekannten Spannungsteileranordnung
auf, bei welcher eine Folge einzelner, auf verschiedenen Potentialen liegender Abgriffe
vorgesehen ist und ein kontinuierlich einstellbares Potentiometer zum Abgreifen
der Spannungszwischenwerte zwischen jeweils zwei dieser Abgriffe einschaltbar ist.
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Es sind nun weiterhin sogenannte Variometer bekannt, die aus einer
Primär- und einer Sekundärwicklung bestehen und bei welcher die induktive Kopplung
zwischen Primär- und Sekundärwicklung irgendwie geändert wird, beispielsweise dadurch,
daß man die eine'Wicklung gegenüber der anderen Wicklung verdreht. Solche Variometer
gestatten zwar eine theoretisch vollkommen kontinuierliche Einstellung der Sekundärspannung,
es besteht aber bei ihnen ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen dem Verstellweg
und der induzierten Sekundärspannung.
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Dieser Zusammenhang ist meist sinusähnlich. Man kann aber erreichen,
daß man über relativ große Bereiche von etwa 120' Verstellwinkel eine recht gut
lineare Beziehung zwischen Verstell-,vinkel und induzierter Spannung erhält.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein lineares Meßpotentiometer
zu schaffen, das bei günstigen Widerstandsverhältnissen eine vollkommene kontinuierliche
Spannungseinstellung gestattet.
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Erftdungsgemäß sind zu diesem Zweck ein Spannungsteiler mit festen
Abgriffen, ein Kreuzspulvariometer und eine mit dem Einstellglied des Variometers
gekuppelte Umschalteinrichtung vorgesehen und die Umschalteinrichtung so ausgebildet,
daß bei Betätigung des Einstellgliedes die beiden Sekundärwicklungen des Variometers
derart abwechselnd mit aufeinanderfolgenden Spannungsteilerabgriffen verbunden werden,
daß in der jeweils angeschalteten Wicklung ein wenigstens annähernd linearer Zusammenhang
zwischen der Einstellbewegung und der in der Wicklung induzierten Spannung besteht.
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Um einen kontinuierlichen Übergang von einer Wicklung des Kreuzspulvariometers
zur anderen sicherzustellen, kann man die Umschaltvorrichtung so ausbilden, daß
in einem Zwischenbereich beide Sekundärwicklungen, des Kreuzspulvariometers gleichzeitig
an zwei aufeinanderfolgende Abgriffe angeschlossen sind, wobei die Schaltelemente
so bemessen sind, daß an den beiden Variometerwicklungen gleiche Spannungen abgegriffen
werden und in dem Zwischenbereich die beiden Sekundärwicklungen des Variometers
in Reihe geschaltet sind.
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Die Erfindung ist an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 ist ein vereinfachtes Schaltschema
eines Spannungswandlers nach der Erfindung; Fig. 2 ist eine graphische Darstellung
des Zusammenhanges zwischen dem Verstellwinkel und den in den beiden Sekundärwicklungen
des Kreuzspulvariometers induzierten Spannungen; Fig. 3 zeigt schematisch
eine Umschaltvorrichtung für einen Spannungswandler nach der Erfindung; Fig. 4 verdeutlicht
die Grobeinstellung, wie sie durch das Anschalten der Variometerwicklungen an die
verschiedenen Spannungsteilerabgriffe bewirkt wird; Fig. 5 verdeutlicht die
Feineinstellung mit Hilfe des Kreuzspulvariometers und der Umschaltvorrichtung;
Fig. 6 zeigt die gesamte abgegriffene Spannung in Ab-
hängigkeit vom
Einstellwinkel.
Mit 10 ist ein Autotransformator bezeichnet,
an welchem eine Eingangsspannung U., anliegt. Der AutotransformaItor 10 ist
mit Anzapfungen 1 bis 9 versehen. Zwischen den Anzapfungen
1 und 2 liegt die Primärwicklung 11
eines Kreuzspulvariometers. Das
Kreuzspulvariometer besitzt zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Sekundärwicklungen
12 und 13 mit den Anschlußkontakten C
und D und A und
B. Mit 147 ist ein Kontakt bezeichnet, an welchem die Ausgangsspannung U" des Spannungswandlers
abgenommen wird.
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Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Drehwinkel (p des Variometers
und den beiden in den Sekundär,xicklungen induzierten Spannungen. Wie man sieht,
ist dieser Zusammenhang in den Bereichen von 99 = -60'
bis 99 = 4- 60'
bzw. von q, = 30' bis p = 150' und von (P = 210' bis
p = 330' recht gut linear, und zwar entweder ansteigend (in den ersteren
Bereichen) oder abfallend (in den letzteren Bereichen).
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Für die Umschaltung wird eine Umschalteinrichtung gemäß einem älteren
Vorschlag verwendet, die in Fig. 3
schematisch dargestellt ist. Die Umschaltvorrichtung
enthält elektrisch leitende kreisförmige Segmente, die in fünf verschiedenen Abständen
um die Achse 16 des Kreuzspulvariometers angeordnet sind. Drei Schleifkontakte
15 drehen sich mit der Achse 16 und gleiten dabei auf den Umschaltersegmenten.
Eines der Umschaltersegmente bildet einen vollen Ring und entspricht dem Kontakt
W in der schematischen Fig. 1, von welchem die Ausgangsspannung U" abgenommen
wird. Vier andere Segmente A, B, C und D sind
ständig mit den in Fig. 1 entsprechend bezeichneten Anschlüssen der Variometervicklungen
verbunden.
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Die restlichen vier Umschaltersegmente sind mit vier Schleifkontakten
24, 25, 26, 27 verbunden, die auf einem isolierenden Ring 28 angeordnet sind.
Der Ring 28 ist e%zentrisch zu einem Kranz von Kontakten 1 bis
9 gelagert, die mit den in Fig. 1 entsprechend bezeichneten AnzapfuPgen
des Autotransformators 10 verbunden sind.
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Die Wirkungswelse der beschriebenen Anordnung ist folgende: in der
dargestellten Lage des Umschalters (Fig. 3) ist der Kontakt --1 der
Varionieterwicklung 13 mit der Anzapfung 1 des Autotransformators
10 verbunden, der Kontakt B mit dem Ausgangskontakt W. Es sei zunächst
bei einem Drehwinkel p = 0' die Wicklung 13
des Varionieters senkrecht
zur Primärwicklung 11 orientiert. Dann wird in der Variometerwicklung
13 keine Spannung induziert. Die Ausgangsspannung U", die ja zwischen dem
mit B verbundenen Kontakt W und der Anzapfung 1 abgenommen wird, ist dann
also ebenfalls Null. Wird jetzt das Varlometer im Uhrzeigersinn von cp
= 0' auf #o = 30' verdreht, dann steigt die in der Wicklung
13 induzierte Spannung und damit auch die Gesamtspannung l", linear an auf
den in Fig. 2, 5 und 6
mit dem Bezugszeichen 29 gekennzeichneten
Wert.
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In dem darauffolgenden Bereich -von (p = 30' bis q)
= 60'
sind die in den Vaziometerwicklungen 12, 13 induzierten C) Spannungen
beide linear vom Drehwinkel p abhängig. Durch die Umschaltvorrichtung wird
nun in diesem Bereich einmal nach wie vor der Kontakt A mit der Anzapfung
1
und der Kontakt B mit dem Ausgangskontakt W verbunden. Gleichzeiti- wird
aber auch der Kontakt C der Variometen#"icl.:lung 12 mit der Anzapfung 2
und ihr anderer Kontakt D ebenfalls mit dem Ausgangskontakt W verbunden.
Der Spannungsabfall zwischen den Anzapfungen 1 und 2 des Autotrainsformators
10 ist dabei so gewählt, daß B und D in diesem Bereich tatsächlich
auch gleiches Potential haben. Wenn sich wie hier die linearen Bereiche des Variometers
jeweils über 120' erstrechen, dann muß sich das Spannungsgefälle zwischen z-,.vei
aufeinanderfolgenden Spannungsteilerabgriffen zu der dem linearen Bereich des Variometers
entsprechenden Spannungsänderung verhalten wie etwa 3: 4. Dadurch, daß in
dem Zwischenbereich beide Vario-neterivicklun,-en in Reihe geschaltet und mit dem
Ausgangskontakt TV verbunden sind, werden etwaige Ungleichmäßigkeiten ausgeglichen,
und es wird ein stetiger Übergang von einer Variometerwicklung zur anderen ermöglicht.
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In dem nun folgenden Bereich von p # 60' bis
p = 90'
wird nämlich die Wicklung 13 ganz abgeschaltet und ihre
Funktion vollständig von der anderen Wicklung 12 übernommen. Während nun der Spannungsdrehwinkelverlauf
für die Wicklung 12 weiterhin linear ist, wird er für die Wicklung 13 gekrümmt.
In diesem Bereich bleibt also nur noch C mit 2 und D mit W verbunden.
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Bei (p = 60' ist (vgl. Fig. 2) die in der Wicklung 12 induzierte
Spannung durch den mit dem Bezugszeichen 31
gekennzeichneten Wert gegeben.
Die Phase der induzierten Spannung ist gegenüber der Phase der Eingangsspannung
U, um 180' verschoben, und daher ist die Größe der induzierten, Spannung
negativ zu rechnen. Die gesamte bei p = 60' abgegriffene Spannung U', zwischen
der Anzapfung 1 und dem Ausgangskontakt W ist gegeben durch die Summe der
induzierten negativen Spannung 31 und der zwischen den Anzapfungen
1 und 2 liegenden Spannung 23 (vgl. Fig. 4). Das ergibt in Fig.
6
den mit 31' bezeichneten Wert. Bei einer ##,reiteren Drehung steigt
die induzierte Spannung gemäß Kurve 21 in Fig. 2 und 5 linear an auf den
mit 32 bezeichneten Wert, wobei die Gesamtspannung U" bei p 90' den
Wert 32'
annimmt.
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In dem Bereich von 90' bis p 120' bleibt dann auch weiterhin
nur C mit 2 und D mit W verbunden, weil ja auch in diesem Bereich
die Spannung in der Wicklung 12 lineair mit dem Drehwinkel ansteigt, und zwar erhält
man bei 99 = 120' den Wert 33 (Fig. 2) und in der Gesamtspannung den
Wert 33' (Fig. 6).
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In entsprechender Weise folgt dann wieder ein Zwischenbereich, wo
beide Wicklungen 12, 13 angeschaltet sind, und zwar die Wicklung 12 noch
an die Anzapfung 2 und die Wicklung 13 an die Anzapfung 3. Wenn bei
weiterer Drehung die induzierte Spannung mit dem Drehwinkel p abfällt, erfolgt
gleichzeitig eine Umpolung der Wicklungen. Fig. 4 verdeutlicht die #Grobeinstellung«
durch die Anzapfungen 1 bis 9, Fig. 5 die- Interpolation«
mit Hilfe des Variometers.
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Die nacheinander durch die Umschaltvorrichtung hergestellten Verbindungen
sind im folgenden tabellarisch zusammengestellt:
| Winl,-eJbereich A 1 B 1 G 1 D |
| (P 0 bis 30' 1 W - - |
| 30 bis 60' 1 W 2 W |
| 60 bis 90' - 2 W |
| 90 bis 120' 2 W |
| 120 bis 150' W 3 2 W |
| 150 bis 180' W 3 - - |
| 180 bis 210' W 3 - - |
| 210 bis 240' W 3 TV 4 |
| 240 bis 270' W 4 |
| 270 bis 300' W 4 |
| 300 bis 330' 5 W W 4 |
| 330 bis 360' 5 W - - |
USW. -
Der beschriebene Spannungswandler ermöglicht eine kontinuierliche,
praktisch verlustlose Regelung der Ausgangsspannung. Dabei ist der Widerstand im
Ausgang relativ gering, so daß keine Anpassungsschwierigkeiten auftreten. Der Zusammenhang
zwischen Verstellweg und Ausgangsspannung ist dabei linear, was besonders
für
die Anwendung bei Analogrechnern wesentlich ist.