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Anordnung zur Fernmessung des Füllstands von Vorratsbehältern Die
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Fernmessung des Füllstandes von Vorratsbehältern
durch Messung der von der Füllhöhe abhängigen Kapazität zwischen zwei am Behälter
angebrachten Elektroden, von denen eine die Behälterwand sein kann, mit einer an
der Meßstelle angeordneten Kapazitätsmeßbrücke, die über einen Übertrager an ein
Koaxialkabel angeschlossen ist das von einem an der Anzeigestelle angeordneten Hochfrequenzoszillator
mit Wechselstrom versorgt ist, einer an die Nulldiagonale der Kapazitätsmeßbrücke
angeschlossenen Gleichrichterschaltung, und mit einem an der Anzeigestelle angeordneten
Gleichstromverstärker, der über das gleiche Koaxialkabel mit dem Ausgang der Gleichrichterschaltung
verbunden ist.
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Bei den bekannten Schaltungen dieser Art werden zur Gleichrichtung
Richtleiter aus Germanium bevorzugt. Silizium-Gleichrichter sind nämlich für diese
hohen Frequenzen nicht zu empfehlen, weil ihre Anlaufstromcharakteristik ungünstig
liegt. Bei der Verwendung von Germanium-Gleichrichtern muß aber auch ein Nachteil
in Kauf genommen werden, nämlich die höhere Temperaturabhängigkeit der Richtleitung.
Da der Richtleiter an der Meßstelle den Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt
ist, hängt somit die übertragene Gleichspannung nicht nur von der zu messenden Kapazität,
sondern auch von der Augenblickstemperatur ab.
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Es sind andrerseits bereits Maßnahmen zur Temperaturkompensation
von Gleichrichterschaltungen bekannt. Zu diesem Zweck werden zusätzliche Gleichrichterdioden
mit entgegengesetzter Polung in Serie mit der zu kompensierenden Gleichrichterdiode
und parallel zu einem Widerstand angeordnet.
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Die damit erzielte Kompensation beruht darauf, daß bei einer Temperaturerhöhung,
durch welche der Durchlaßwiderstand der zu kompensierenden Gleichrichterdiode verringert
wird, auch der Widerstand der Kompensationsdiode kleiner wird, so daß der parallel
dazu liegende Widerstand stärker kurzgeschlossen wird.
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Diese Maßnahme ist jedoch bei Meßanordnungen der eingangs angegebenen
Art nicht günstig, denn durch eine solche Schaltung würden die von den Anderungen
der Meßgröße abhängigen Anderungen der Meßgleichspannung beeinflußt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Einfluß von Temperaturschwankungen
auf die den Meßwert ausdrückende Gleichspannung wenigstens für einen bestimmten
Arbeitspunkt möglichst klein zu machen.
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Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß an der Meßstelle
eine zweite Gleichrichterschaltung an die Primärseite des Übertragers mit solcher
Polung angeschlossen ist, daß sie eine Gleichspannung entgegengesetzter Polarität
wie die erste Gleichrichterschaltung liefert, und daß die Ausgangsspannungen der
beiden Gleichrichterschaltungen einander überlagert sind.
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Die Erfindung beruht auf folgendem Gedanken: Es wird mit Hilfe einer
zweiten Gleichrichterschaltung eine Gleichspannung erzeugt, welche die entgegengesetzte
Polung wie die Meßgleichspannung hat und von Änderungen der Meßspannung nicht abhängt,
jedoch den Einflüssen von Temperaturschwankungen in gleichem Maße wie die Meßgleichspannung
unterworfen ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die zweite Gleichrichteranordnung
nicht an den Ausgang der Meßbrücke sondern an die Primärseite des Eingangsübertragers
der Meßbrücke angeschlossen ist. Die beiden so erzeugten Gleichspannungen werden
einander überlagert, so daß nur die Differenz der beiden Gleichspannungen zu der
Anzeigestelle übertragen wird.
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Anderungen der Meßgleichspannung, die auf Anderungen der Meßgröße
beruhen, werden daher in voller Größe zu der Anzeigestelle übertragen, da die von
der zweiten Gleichrichteranordnung erzeugte Spannung bei solchen Änderungen konstant
bleibt.
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Dagegen wirken sich Temperaturänderungen auf die beiden Gleichspannungen
aus, so daß sich die dadurch hervorgerufenen Spannungsänderungen gegenseitig aufheben.
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Eine zweite Schwierigkeit der bekannten Schaltungen besteht darin,
daß die als Meßschaltung verwendete Kapazitätsmeßbrücke für die Stromquelle eine
in
Abhängigkeit von der zu messenden Kapazität wechselnde Belastung darstellt. Dies
tritt besonders stark in Erscheinung, wenn sich die zu messende Kapazität sehr stark
ändert, beispielsweise sogar kurzgeschlossen wird. Dadurch können in dem an der
Anzeigestelle nachgeschalteten Gleichstromverstärker Fehlanzeigen erzeugt werden.
Ferner erfordern die Schaltungen einen sehr genauen Abgleich und die Einhaltung
enger Fertigungstoleranzen.
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Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten wird gemäß einer besonderen
Ausführungsform der Erfindung die Kapazitätsmeßbrücke an die Sekundärseite des Übertragers
stark fehlangepaßt. Dadurch wird erreicht, daß sich Änderungen der zu messenden
Kapazität nur sehr wenig auf den Ausgang des Hochfrequenzoszillators auswirken.
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Diese Wirkung kann noch dadurch verbessert werden, daß der Primärwicklung
des Übertragers ein Widerstand parallel geschaltet wird und daß am Ausgang des Hochfrequenzoszillators
ein Widerstand in Serie mit dem Koaxialkabel geschaltet wird.
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Bei vielen Anwendungsfällen wird die gemessene Kapazitätsänderung
zur Auslösung von Schaltvorgängen ausgenutzt. In diesen Fällen ist es oft erforderlich,
einen gewünschten Schaltpunkt bei Kapazitätsänderungen von der Anzeigestelle einstellen
zu können. Dies kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch
erreicht werden, daß an der Anzeigestelle eine Gleichrichterschaltung an den Ausgang
des Hochfrequenzoszillators angeschlossen ist, und daß der einstellbare Gleichstrom
dieser Gleichrichterschaltung dem über das Koaxialkabel kommenden Meßgleichstrom
am Eingang des Gleichstromverstärkers gegensinnig überlagert wird.
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Man hat somit die Möglichkeit, durch Einstellung des Überlagerungsgleichstroms
die Größe des dem Gleichstromverstärker zugeführten resultierenden Gleichstroms
zu verändern. Wenn im Ausgangskreis des Gleichstromverstärkers ein Schaltrelais
liegt, das bei einem bestimmten Wert des zugeführten Gleichstroms anspricht, kann
dieser Ansprechpunkt, je nach der Einstellung des Überlagerungsgleichstroms, verschiedenen
Werten des Meßgleichstroms entsprechen.
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Vorzugsweise enthält der Gleichstromverstärker eine Transistorzerhackerstufe
mit nachgeschaltetem Wechselstromverstärker. Dadurch ergibt sich die Schwierigkeit,
daß der Gleichstromverstärker beide Polaritäten des zugeführten Gleichstroms verstärkt,
so daß das Schaltrelais in zwei zueinander spiegelbildlichen Betriebsbereichen anspricht,
von denen sich der eine daraus ergibt, daß der überlagerte Gleichstrom um einen
bestimmten Betrag größer als der Meßgleichstrom ist, während der andere Betriebsbereich
sich daraus ergibt, daß der überlagerte Gleichstrom um diesen Betrag kleiner als
der Meßgleichstrom ist. Zugleich würde sich hierdurch die Schaltfunktion umkehren,
d. h., wenn das Relais im einen Betriebsbereich bei der größeren Kapazität anziehen
und bei der kleineren Kapazität abfallen würde, würde es im zweiten Betriebsbereich
bei der kleineren Kapazität anziehen und bei der größeren Kapazität abfallen.
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Diese Erscheinung kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung dadurch beseitigt werden, daß die Transistorzerhackerstufe durch eine
Wechselspannung gesteuert wird und daß der
Wechselstromverstärker durch die gleiche
Wechselspannung derart gesteuert wird, daß er nur während jeder zweiten Halbwelle
der Wechselspannung arbeitet.
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Vorzugsweise enthält die letzte Stufe des Wechselstromverstärkers
einen Transistor, dessen Kollektorkreis über einen Gleichrichter an die Wechselspannung
angeschlossen ist. Dadurch wird erreicht, daß die Kollektorspannung des letzten
Transistors einer gleichgerichteten Halbwelle der Wechselspannung entspricht. Nur
beim Vorhandensein dieser Halbwelle kann das im Kollektorkreis liegende Relais ansprechen.
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Die Steuerung des Transistorzerhackers erfolgt zweckmäßig dadurch
daß im Steuerkreis des Transistorzerhackers eine Zenerdiode liegt, welche die Wechselspannung
in eine Rechteckspannung umformt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
Darin zeigt F i g. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung, F i
g. 2 eine genaueres Schaltbild der Endstufe des Wechselstromverstärkers und F i
g. 3 und 4 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung von F i g.
1 und 2.
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F i g. 1 zeigt die Anzeigestelle 1 und die Meßstelle 2, die über
ein Koaxialkabel 3 miteinander verbunden sind. An der Anzeigestelle ist ein Hochfrequenzoszillator
4 angeordnet, an dessen Ausgang das Koaxialkabel 3 über einen Kondensator 5 angekop
pelt ist. Das Koaxialkabel 3 ist außerdem mit dem Eingang eines Gleichstromverstärkers
6 über eine Drossel 7 verbunden.
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Der Hochfrequenzoszillator 4 liefert eine Hochfrequenzspannung über
das Koaxialkabel 3 zu der Meßstelle 2, wobei die Hochfrequenzspannung durch die
Drossel 7 vom Eingang des Gleichstromverstärkers 6 ferngehalten wird. Die Meßstelle
2 liefert zum Eingang des Gleichstromverstärkers 6 eine Gleichspannung zurück, welche
durch den Kondensator 5 vom Ausgang des Hochfrequenzoszillators 4 ferngehalten wird.
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An der Meßstelle 2 ist das Koaxialkabel 3 mit der Primärwicklung
eines Ubertragers 8 über einen Kondensator 9 verbunden. Die beiden Klemmen der Sekundärwicklung
dieses Übertragers sind mit den Eckpunkten der einen Diagonale einer Kapazitätsmeßbrücke
10 verbunden, die in einem Zweig die zu messende veränderliche Kapazität 11 und
im Gegenzweig einen einstellbaren Vergleichs kondensator 12 sowie in den beiden
übrigen Zweigen je einen Festkondensator 13 bzw. 14 enthält.
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In der Nulldiagonale der Brücke liegt ein Gleichrichter 15 in Serie
mit einem Ladekondensatorl6, wodurch dieser die in dieser Diagonale auftretende,
von der Verstimmung der Brücke abhängige Wechselspannung gleichgerichtet wird. Die
am Ladekondensator 16 auftretende Gleichspannung wird über eine Drossel 17 zum Koaxialkabel
3 zurückgeführt, über das sie zum Eingang des Gleichstromverstärkers 6 gelangt.
Die Drossel 17 dient dabei in Verbindung mit dem Kondensator 9 zur Trennung von
Gleichspannung und Hochfrequenzspannung.
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Die bisher beschriebene Schaltung arbeitet in bekannter Weise so,
daß die von der Größe der zu messenden Kapazität 11 abhängige Wechselspannung in
der Nulldiagonale der Brücke von der Gleichrichterschaltung
15,
18 in eine proportionale Gleichspannung umgewandelt wird, welche dem Eingang des
Gleichstromverstärkers 6 zugeführt wird. Nach Verstärkung in dem Gleichstromverstärker
6 kann diese Gleichspannung zur Anzeige oder zur Auslösung von Schaltvorgängen in
Abhängigkeit von den Anderungen der Kapazität 11 benutzt werden.
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Die als Gleichrichter dienenden Dioden 15 und 18 sind temperaturabhängig.
Dies hat zur Folge, daß sich die Meßgleichspannung nicht nur in Abhängigkeit von
Änderungen der Kapazität 11, sondern auch in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen
verändert. Wenn daher an der Meßstelle 2 Temperaturschwankungen auftreten, werden
diese an der Anzeigestelle als Kapazitätsänderungen angezeigt.
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Zur Vermeidung dieses Nachteils ist bei der dargestellten Schaltung
an der Meßstelle eine zweite Diode 18 unmittelbar an die Primärwicklung des Übertragers
8 mit solcher Polung angeschlossen, daß sie in Verbindung mit einem Ladekondensator
19 eine Gleichspannung erzeugt, welche die entgegengesetzte Polung wie die am Kondensator
16 erzeugte Gleichspannung hat. Über Widerstände 20 und 21 werden gegensinnige Ströme
addiert, die den beiden durch Gleichrichtung erzeugten Gleichspannungen proportional
sind, und der dadurch erhaltene resultierende Gleichstrom wird dem Eingang des Gleichstromverstärkers
als Meßgleichstrom Im zugeführt.
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Die Dioden 15 und 18 unterliegen den Auswirkungen von Temperaturschwankungen
in gleicher Weise.
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Da die von ihnen erzeugten Gleichströme einander gegensinnig überlagert
werden, heben sich in dem resultierenden Meßgleichstrom diese Auswirkungen ganz
oder nahezu auf. Wenn beispielsweise bei sinkender Temperatur der von der Diode
15 erzeugte Gleichstrom kleiner wird, nimmt auch der von der Diode 18 erzeugte Gleichstrom
ab, so daß sich diese Änderungen in dem resultierenden Meßgleichstrom aufheben.
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Die aus den vier Kondensatoren gebildete Brücke bildet für den Hochfrequenzoszillator4
eine wechselnde Belastung, besonders wenn sich die zu messende Kapazitätll in sehr
weiten Grenzen ändert.
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Es ist zu bedenken, daß diese Kapazität gegebenenfalls vollständig
kurzgeschlossen sein kann.
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Deshalb wird die Brückenschaltung gegenüber dem Übertrager fehlangepaßt,
d. h., ihr Scheinwiderstand wird sehr viel höher bemessen als der richtige Anpassungswiderstand
für das Koaxialkabel unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Übertragers.
Ferner ist der Primärwicklung des Übertragers 8 ein Widerstand 22 parallel geschaltet,
und aus dem gleichen Grund ist die Koaxialleitung 3 in der Anzeigestelle 1 über
einen Widerstand 23 mit dem Ausgang des Hochfrequenzoszillators 4 verbunden. Alle
diese Maßnahmen haben die Wirkung, daß die Koaxialleitung 3 auch bei Belastungsschwankungen
im Meßstromkreis über einen sehr breiten Meßbereich etwa gleichmäßig angepaßt ist.
Bei optimaler Anpassung des Generatorinnenwiderstands und des Meßstromkreises an
die Koaxialleitung können bei Schwankungen der zu messenden Kapazität reflektierte
Wellen auftreten, die im nachgeschalteten Gleichstromverstärker Fehlanzeigen erzeugen
könnten. Außerdem werden durch die geschilderten Maßnahmen Fertigungstoleranzen
überdeckt.
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Der dem Eingang des Gleichstromverstärkers 6 über die Koaxialleitung
3 zugeführte Meßstromlm
wird in einem Transistor 24 zerhackt, und die durch die Zerhackung
erhaltene Wechselspannung wird über einen Kondensator 25 in einem Wechselstromverstärker
26 verstärkt und dann über einen Kondensator 27 der Endstufe 28 des Verstärkers
zugeführt.
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Im Ausgangskreis der Endstufe 28 liegt ein Relais 29, das anspricht,
wenn der dem Verstärkereingang zugeführte Gleichstrom einen bestimmten Wert überschreitet,
und das wieder abfällt, wenn dieser Gleichstrom einen anderen, kleineren Wert unterschreitet.
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Dadurch können Schaltvorgänge in Abhängigkeit von den Änderungen der
zu messenden Kapazität 11 ausgelöst werden.
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Damit die Ansprechpunkte des Relais 29 von der Anzeigestelle aus
eingestellt werden können, ist eine Gleichrichterschaltung mit einer Diode 30 und
einem Ladekondensator 31 vorgesehen. Die Diode 30 ist unmittelbar an den Ausgang
des Hochfrequenzoszillators 4 angeschlossen und erzeugt an dem Ladekondensator 31
eine Gleichspannung. Über einen einstellbaren Widerstand 32 wird von dem Kondensator
ein veränderlicher Kompensationsgleichstrom 1k abgegriffen, der dem von der Meßstelle
2 kommenden Meßgleichstrom Im mit entgegengesetzter Richtung überlagert wird. Dem
Eingang des Gleichstromverstärkers 6 wird daher nur der der Differenz dieser beiden
Ströme entsprechende resultierende Gleichstrom Iu zugeführt.
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Die Wirkung dieser Maßnahme läßt sich am besten aus F i g. 3 erkennen.
Im Diagramm von F i g. 3 a sind die zeitlichen Änderungen des Meßgleichstroms Im
bei Änderungen der Kapazität 11 dargestellt. Die beiden Stromwerte am Verstärkereingang,
bei denen das Relais arbeitet, sind mit A (Relais fällt ab) und B (Relais zieht
an) bezeichnet. Wie aus dem Diagramm von F i g. 3 a zu sehen ist, sind diese Schaltpunkte
so gelegt, daß sie außerhalb der auftretenden Änderungen des Meßgleichstroms Im
liegen würden, wenn dieser allein dem Verstärkereingang zugeführt würde.
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Aus F i g. 3 b ist die Funktion des Kompensationsgleichstroms Ik
zu erkennen. Dieser wird dem Meßgleichstrom Im gegensinnig überlagert, so daß am
Verstärkereingang nur die Differenz dieser beiden Ströme wirksam wird. Dadurch wird
der Bereich der festzustellenden Kapazitätsänderungen auf die Höhe der Arbeitspunkte
A und B gebracht. Wenn sich der resultierende Strom in der dargestellten Weise ändert,
spricht das Relais jedesmal an, wenn die Stromkurve den Arbeitspunkt B in abwärtsgehender
Richtung schneidet, und das Relais fällt ab, wenn die Stromkurve den Arbeitspunkt
A in aufwärtsgehender Richtung schneidet.
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Der Transistor 24 wird von einer an den Klemmen 33 zugeführten Wechselspannung,
beispielsweise der Netzwechselspannung, so gesteuert, daß er die Wirkung eines Schalters
zwischen dem Verstärkereingang und dem Massepotential hat. Die Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors 24 schließt die Gleichspannung jeweils im Takt mit der Wechselspannung
kurz, die von den Klemmen 33 über Widerstände 34 und 35 an die Basis des Transistors
angelegt wird. Eine Zenerdiode 36 formt die Wechselspannung in an sich bekannter
Weise in eine Rechteckspannung um, welche auf die Basis des Transistors 24 einwirkt.
Dieser Transistorzerhacker wirkt in gleicher Weise auf die beiden Polaritäten des
zugeführten Gleichstroms Iu ein, wobei sich aber die
Phasenlage
der resultierenden zerhackten Gleichspannung um 1800 ändert, wenn sich die Polarität
des resultierenden Gleichstroms umkehrt. Die Endstufe 28 spricht dann jeweils nur
auf die eine, beispielsweise die negative Halbwelle der zerhackten Gleichspannung
an.
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Auf Grund dieser Wirkungsweise des Transistorzerhackers verstärkt
der Gleichstromverstärker 6 also grundsätzlich sowohl negative als auch positive
resultierende Ströme Iu. Dies ergibt die in F i g. 4 dargestellte Auswirkung: Wie
dort zu erkennen ist, ergeben sich zwei weitere ArbeitspunkteA' und B', die spiegelbildlich
zu den Arbeitspunkten A und B liegen. Das Gerät arbeitet mit diesen Arbeitspunkten,
wenn der Kompensationsstrom Ik größer als der Meßstrom Im ist. Ferner ist zu erkennen,
daß sich in diesem Fall die Funktionen des Relais umkehren: Das Relais zieht an,
wenn der Meßstromlm einen bestimmten Absolutwert unterschreitet, und es fällt ab,
wenn ein bestimmter größerer Absolutwert überschritten wird.
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Es ist offensichtlich, daß die in F i g. 4 dargestellte Betriebsweise
sehr unerwünscht ist. Wie bereits zuvor angegeben wurde, unterscheidet sich dieser
Betriebsfall von dem in Fig. 3 dargestellten Fall dadurch, daß die Phasenlage der
zerhackten Gleichspannung um 1800 verschoben ist.
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Aus dieser Erscheinung ergibt sich die in F i g. 1 dargestellte Möglichkeit
zur Unterdrückung dieser Erscheinung: Die an den Klemmen 30 zugeführte Zerhackerwechselspannung
wird dem Endverstärker 28 so zugeführt, daß dieser jeweils nur während einer Halbwelle
dieser Wechselspannung betriebsbereit ist. Diese Halbwelle wird so ausgewählt, daß
sie im Betriebsfall von Fig.3 mit den negativen Halbwellen der zerhackten Gleichspannung
zusammenfällt, während beim Fall von F i g. 4 die negativen Halbwellen der zerhackten
Gleichspannung mit denjenigen Halbwellen der Zerhackerwechselspannung zusammenfallen,
in welchen der Endverstärker 28 blockiert ist.
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In F i g. 2 ist die Endstufe 28 genauer dargestellt.
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Wie dort zu erkennen ist, enthält sie einen Transistor 37, dessen
Basis über den Kondensator 27 an den Vorverstärker 26 angekoppelt ist, und in dessen
Kols lektorkreis das Relais 29 liegt. Dieser Kollektorkreis ist über eine Diode
38 an den einen Pol der an den Klemmen 33 zugeführten Zerhackerwechselspannung angeschlossen.
Somit entspricht die Kollektorspannung des Transistors 37 den negativen Halbwellen
der Zerhackerwechselspannung, während die positiven Halbwellen dieser Wechselspannung
unwirksam bleiben, so daß die Transistorstufe während dieser Halbwellen gesperrt
ist. Parallel zu dem Relais 29 liegt ein Kondensator 39, der verhindert, daß das
Relais auf einzelne Halbwellen der Kollektorspannung anspricht. Eine Diode40, die
gleichfalls parallel zum Relais 29 geschaltet ist, hat lediglich die Aufgabe, auftretende
Induktionssp annungsspitzen beim Ansprechen oder Abfallen des Relais kurzzuschließen.
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Im Emitterkreis des Transistors 37 liegt eine Diode41, welche ein
gewisses bistabiles Verhalten der Endstufe erzeugt. Ein Widerstand 42 liefert den
Vorstrom für die Diode 41. Dadurch wird erreicht, daß der innere Widerstand der
Endstufe bei nichtgeschaltetem Transistor (Kollektorstrom nahe Null) sehr hoch ist,
während er bei Erreichen eines gewis-
sen Kollektorstroms rasch abfällt. Dadurch
wird eine größere Sicherheit der Schaltung in der Endstufe erreicht.
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Die Diode 43 im Basiskreis des Transistors 37 hält alle positiven
ankommenden Halbwellen der zerhackten und verstärkten Gleichspannung vom Transistors
37 ab, so daß nur die negativen Halb wellen dieser Spannung den Verstärkertransistor37
schalten können. Obgleich an sich theoretisch der Transistor selbst nur auf negative
Halbwellen ansprechen würde, wird dadurch die Betriebssicherheit erhöht.