DE587581C - Anordnung zur Erzeugung von Kippschwingungen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß man durch eine Glimmlampe in der sogenannten Blinkschaltung die Ladung und Entladung eines elektrischen Kondensators periodisch steuern kann, so daß ein Schwingungsvorgang, den man als Kipp- oder Relaxationsschwingung bezeichnet, entsteht. Der elektrische Ablauf der Vorgänge in der Blinkschaltung ist kurz der, daß der Kondensator über einen Widerstand von einer Stromquelle langsam aufgeladen wird, bis in der an seinen Klemmen 'Hegenden Glimmlampe die Glimmentladung einsetzt, worauf sich der Kondensator über die Lampe entlädt. Ist die Kondensatorspannung bis auf den Löschbetrag abgesunken, so erlischt die Glimmentladung, und der Kondensator kann von neuem aufgeladen werden. Auf diese Weise pendelt die Kondensatorspannung zwischen einem oberen Grenzwert, der Zündspannung, und einem unteren Wert, der Löschspannung, hin und her. Bekanntlich gelten dabei gewisse Labilitätsbedingungen, insofern, als der Ladestrom klein sein muß gegen den Entladestrom, damit die Kondensatorspannung bei der Entladung auch tatsächlich bis zur Löschspannung absinkt. Daraus resultiert dann, daß bei der Blinkschaltung die Dauer der Ladung die der Entladung immer weit übertrifft. Neben dieser rein elektrischen Kippschwingung gibt es auch auf anderen Gebieten, z. B. in der Akustik und Mechanik, ähnliche Erscheinungen. Ein gemeinsames Kriterium aller Kippschwingungen ist das Vorhandensein von nur einem einzigen Energiespeicher — in der Blinkschaltung der Kondensator — im Gegensatz zu freien Schwingungssystemen, wie etwa ein Pendel oder ein elektrischer Schwingungskreis, wo immer zwei Energiespeicher vorhanden sind, im elektrischen Fall Kapazität und Induktivität.

Der Erfindung liegt das neuartige Prinzip zugrunde, daß bei einer elektrischen Kippanordnung einerseits die Energiezufuhr zum Speicher von der Kippanordnung gesteuert wird, und daß andererseits der Energiezustand des Speichers das Kipporgan sinngemäß steuert. In diesem kreisförmig geschlossenen Kippprozeß lassen sich Schwingungen jeder beliebigen, nur von der Art des gewählten Speichers abhängigen Energieform erzeugen. Der Kondensator läßt sich dabei durch einen beliebigen mechanischen oder akustischen Energiespeicher ersetzen.

Praktisch ist das Verfahren von Bedeutung, weil sich aus der Frequenz der Kippschwingungen hinsichtlich des Verhaltens und der speziellen Eigentümlichkeiten des Speichers und der Speicherenergie gewisse Schlüsse ziehen lassen, wie dies von der Blinkschaltung ja hinsichtlich des Kondensators oder des Ladewiderstandes bekannt ist. Im folgenden sei an Hand einiger Ausführungsbeispiele der Grundgedanke der neuen Anordnung näher erläutert:

Zunächst zeigt die Fig. 1 die sich aus dem Vorstehenden ergebende Schaltung für den Fall, daß ein elektrischer Kondensator C als Energiespeicher beibehalten wird. Dieser wird von der Batterie B über den Ladewiderstand W₁ und den Relaiskontakt K₁ aufgeladen. An seinen Klem-

men liegt das Kipprelais Gl, im vorstehenden Beispiel eine Glimmlampe, in Serie mit dem Entladewiderstand W_z, der jedoch nicht unbedingt erforderlich ist, und dem Relais Rl. Sobald sich der Kondensator bis auf die Zündspannung der Glimmlampe, aufgeladen hat, wird seine Ladung durch das Relais Rl über Ui₁ unterbrochen, und der Kondensator kann sich langsam entladen, bis beim Erlöschen der Lampe die Ladung des Kondensators wieder von neuem beginnt. Durch geeignete Wahl der Widerstände TF₁ und TF₂ ist man offenbar in der Lage, die Zeitdauer von Lade- und Entladeperiode in weiten Grenzen zu regeln, ohne daß die für die Blinkschaltung angeführten Labilitätsbedingungen gelten, weil ja durch das Schaltorgan Rl Ladung und Entladung vollkommen getrennt voneinander verlaufen. Soll dabei die Entladedauer noch unter den durch den Widerstand der Lampe Gl und des Relais Rl gegebenen Wert herabgesetzt werden, so kann durch den Relaiskontakt K_z noch ein besonderer Entladewiderstand TF₂' dem Kondensator parallel geschaltet werden, wie es in der Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist.

Bei dem vorliegenden einfachsten Ausführungsbeispiel tritt der Energieinhalt des Kippspeichers direkt als elektrische Steuerspannung auf, die unmittelbar das Kipprelais zu betätigen vermag. Anders liegen die Verhältnisse aber, wenn erfindungsgemäß in einem Energiespeicher anderer Art Kippschwingungen angefacht werden sollen. Als solche seien zunächst mechanische, akustische oder elektrische Schwinger, wie z. B. Stimmgabeln, Piezoquarze oder rein elektrische Schwingungskreise, angeführt, die von irgendeiner Energiequelle aus erregt werden, und Schwingungsenergie in sich aufzuspeichern vermögen. Damit diese nun, entsprechend ihrem Energiezustand, das elektrische Kipporgan Gl auslösen können, muß eine Umsetzung der Speicherenergie in eine elektrische Steuerspannung vorgenommen werden, was sich je nach den Verhältnissen auf verschiedene Weise durchführen läßt.

Als übersichtliches Beispiel zeigt die Fig. 2 die Anfachung einer Stimmgabel zu Kippschwingungen. Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Die Stimmgabel S wird über einen Elektromagneten EM und Kontakt K von einer Batterie B aus in bekannter Weise in Schwingungen versetzt. Andererseits induzieren die Schwingungen der Gabel in der Spule Sf eine Wechselspannung, die im Ventil V gleichgerichtet und am Widerstand TF in Gleichspannung umgesetzt wird. An den Klemmen dieses Widerstandes liegt nun wieder als Kipprelais eine Glimmlampe Gl, wobei der Kreislauf des ganzen Kippprozesses dadurch geschlossen ist, daß der Zündstrom der Lampe Gl über das Relais Rl die Erregung der Stimmgabel, d. h.

den Strom der Batterie B, unterbricht. Hat die Zündung der Lampe daher eingesetzt, so klingt die Stimmgabel langsam ab und damit auch die Steuerspannung am Widerstand PF, bis beim Erreichen der Löschspannung die Erregung der Stimmgabel wieder eingeschaltet wird und die Steuerspannung wieder langsam ansteigt. Aus der Frequenz der solchermaßen entstehenden Kippschwingungen kann man das Dämpfungsdekrement der Gabel ohne weiteres ermitteln. Anstatt die mechanische Energie der Stimmgabel induktiv in elektrische Spannungen umzusetzen, kann man auch ihre akustische Energie zur Auslösung des Kipprelais Gl heranziehen, indem die Gabel zweckmäßig auf einem Resonanzboden befestigt wird, und wobei die von diesem ausgehenden Schallwellen auf ein Mikrophon auftreffen, welches dann die Steuerspannung liefert. In ganz analoger Weise lassen sich auch alle anderen Schwinger durch die Kippanordnung steuern, wenn nur eine sinngemäße Umsetzung der betreffenden Energieform in elektrische Steuerspannungen und eine Steuerung der Energiezufuhr zum Speicher vorgenommen wird. Dabei ist, wie bei der normalen Selbsterregung durch Rückkopplung, auch die Phasenlage zwischen steuernder und gesteuerter Energie von Bedeutung, indem im Moment des Zündens die Energiezufuhr unterbrochen werden go muß, damit der Schwinger von nun an ausklingen kann, bis er beim Erreichen der Löschspannung wieder angefacht wird. Steuernde und gesteuerte Energie sind also auch hier um 180 ° phasenverschoben.

Als weiteres Beispiel sei eine Anwendung des Erfindungsgedankens auf rein akustischem Gebiet angeführt, indem nämlich das allmähliche Anklingen der Schallenergie in einem großen Raum durch die Kippanordnung gesteuert wird bzw. indem der Raum selbst als akustischer Energiespeicher in eine elektrische Kippschaltung eingeführt wird. Hierzu dient die in Fig. 3 schematisch skizzierte Anordnung. R ist ein geschlossener Raum, beispielsweise ein großer Konzertsaal, in den durch einen Lautsprecher L, der von einem Tongenerator Tg gespeist wird, Schallenergie hineingestrahlt wird. Außerdem befindet sich im Meßraum das Mikrophon M, dessen Wechselspannungen dem Verstärker Fs zugeführt und über das Ventil V am Widerstand TF in Gleichspannung umgesetzt werden. Im übrigen entspricht die Anordnung vollständig der Fig. 2, indem an den Klemmen von TF wieder als Steuerorgan die Glimmlampe Gl liegt, deren Zündstrom über das Relais Rl wieder den Lautsprecher ein- und ausschaltet, und somit die Zufuhr von Energie zum akustischen Speicher regelt. Das Entstehen raumakustischer Kippschwingungen wird durch das Diagramm der Fig. 4 verdeutlicht, das die Mikrophonsteuerspannung in ihrem zeitlichen

Verlauf darstellt, und worin Lade- und Entladeperiode der akustischen Bezeichnungsweise entsprechend mit Anhall Ta und Nachhall Tn benannt sind. Das Diagramm zeigt, wie die Mikrophonspannung und die dieser entsprechende Lautstärke im Raum zwischen den beiden kritischen Werten der Glimmlampe hin und her schwankt. Um das Verhältnis von Zünd- und Löschspannung beliebig regem zu können,

ίο ist vor der Glimmlampe eine variable Hilfsspannung E vorgesehen, welche die Nullinie des Diagramms zu heben gestattet.

Ein anderes Aufspeichern von Energie, und zwar mechanischer, akustischer oder auch elek-

Ί5 irischer Art, ergibt sich aus der begrenzten Fortpflanzungsgeschwindigkeit der betreffenden Energieform, die sich infolgedessen in dem zwischen Energiequelle und Aufnahmeorgan liegenden Medium ansammelt. Als praktische

ao Anwendung dieser Energiespeicherung zur Erzeugung von Kippschwingungen sei auf eine vollautomatisch wirkende Lotungsmethode mit Unterwasserschall hingewiesen. Die Anwendung des Erfindungsgedankens zu diesem Zweck geschieht, indem der Lautsprecher in Fig. 3 durch einen bekannten elektrischen Unterwasserschallsender ersetzt wird, dessen Strahl nach Reflexion' am Meeresboden auf das Mikrophon M trifft. Es ist leicht einzusehen, daß in dieser Anordnungj die Kippfrequenz unmittelbar durch die zum Durchlaufen des Abstandes: Schallquelle-Meeresboden-Mikrophon erforderliche Zeit gegeben ist, und daß sie somit ein direktes Maß für die Wassertiefe darstellt. Erfolgt die Energieausbreitung ohne Reflexion direkt von der Quelle zum Aufnahmeorgan, so kann bei bekannter Laufgeschwindigkeit der Abstand zwischen beiden automatisch gemessen werden. Es hat sich gezeigt, daß eine Glimmlampe, wie sie in den vorstehenden Beispielen der Einfachheit halber als Kipprelais angeführt wurde, nicht allen Anforderungen gerecht wird, einmal wegen ihrer durch Zündverzug verursachten Eigenträgheit, zum anderen, weil die ganze Leistung zur Betätigung des Relais Rl von der Steuerspannung aufzubringen ist. Diese Nachteile lassen sich durch Verwendung einer Röhrenkippschaltung als Steuerrelais, wie sie z.B. die Fig. 5 darstellt, vermeiden. Dieselbe besteht aus zwei gegeneinandergeschalteten Röhren R₁ und R₂ mit den Koppelwiderständen Tf₁ und W₂. Bei Einführung einer Steuerspannung in den Gitterkreis einer dieser beiden Röhren ergeben sich zwei labile Spannungen, an denen die Anordnung ähnlich wie die Glimmlampe kippt. Durch ein vom Anodenstrom gespeistes Relais kann dann die Energiezufuhr zum Speicher genau so wie bei der Glimmlampe gesteuert werden, ohne daß die Steuerspannung belastet wird. Um die Trägheit des mechanischen Relais Rl zu beseitigen, die natürlich insbesondere bei sehr hohen Kippfrequenzen störend auftritt, kann die Steuerung der Energielieferung über ein trägheitsloses Elektronenrelais erfolgen, das z. B. aus einer Dreielektrodenröhre bestehen kann, deren Vorspannung durch den Spannungsabfall an einem der Widerstände W variiert wird.

Ein weiterer Vorzug der Röhrenkippschaltung vor der Glimmlampe beruht darin, daß sich ihre Kippspannungen mit Hilfe der Anodenwiderstände W₁ und W₂ beliebig einstellen lassen. Dabei kann eine gegenseitige Beeinflussung von Zünd- und Löschspannung unterdrückt werden, indem die beiden Anodenwiderstände als Potentiometer ausgebildet sind, wie es in der Fig. 5 dargestellt ist.

Ist die Kippfrequenz sehr niedrig, so kann sie durch ein optisches Signal erkenntlich gemacht werden, während ihre Beobachtung im Bereich hörbarer Frequenzen zweckmäßig über ein Telephon oder einen Lautsprecher erfolgt. Zur unmittelbaren Ablesung der Kippfrequenz kann natürlich auch ein direkt anzeigender Frequenzmesser herangezogen werden, der zudem unmittelbar in der zu messenden Größe geeicht werden kann. Femer erweist es sich in vielen Fällen als vorteilhaft, nicht die Kippfrequenz bzw. die gesamte Periodendauer T, sondern nur die Dauer der Entlade- oder Nachhallperiode Tn (Fig. 4) zu messen, weil, wie sich aus der Theorie der Kippschwingungen ergibt, hierbei die Energie der Speisequelle selbst nicht mehr in Erscheinung tritt, was die direkte Eichung der Anordnung wesentlich erleichtert. Zum Schluß sei noch darauf hingewiesen, daß mit den vorbeschriebenen Beispielen die Anwendungsmöglichkeiten der neuen Anordnung keineswegs erschöpft sind, sondern daß sich auch auf den Gebieten weiterer Energieformen noch praktisch nützliche Anwendungen ergeben.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erzeugung von Kippschwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Aufladung und durch die Entladung eines Energiespeichers (S oder R) betätigtes Kipporgan (Gl) die Energiezufuhr zum Speicher aus- oder einschaltet.

2. Anordnung zur Erzeugung von Kippschwingungen nach' Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherenergieniveau eines mechanischen oder akustischen Schwingers in derartige elektrische Steuerspannungen umgesetzt wird, daß ein elek- 1x5 irisches Kipporgan ausgelöst wird.

3. Anordnung zur Erzeugung von Kippschwingungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Energielieferung an den Speicher seitens des Kipprelais (G/) über ein Schaltorgan (Rl) erfolgt.

4· Anordnung zur Erzeugung von Kippschwingungen nach Anspruch ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher ein Schwinger ist.

5. Anordnung zur Erzeugung von Kippschwingungen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei von einer Quelle ausgestrahlten Energieformen das zwischen dieser und dem Aufnahmeorgan liegende Medium als Speicher dient.

6. Anordnung zur Erzeugung von Kippschwingungen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Kippspannungsverhältnisses eine Hilfsspannung (E) vor die Steuerspannung gelegt ist.

7. Anordnung zur Erzeugung von Kipp-■ Schwingungen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Röhrenkippschaltung zur Einstellung der Kipp-Spannungen Potentiometerwiderstände (W₁ und W₂) angeordnet sind.

8. Anordnung zur Erzeugung von Kippschwingungen nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß· die Kippfrequenz oder die Dauer der Perioden oder Halbperioden in an sich bekannter. Weise optisch oder akustisch erkennbar gemacht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen