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Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Amplituden von Wechselspannungen
Es ist bereits bekannt, eine Wechselspannung durch Abschneiden der Kuppen mittels
vorgespannter Gleichrichter, insbesondere Dioden zu begrenzen. Wenn man nur einen
Gleichrichter mit entsprechender Vorspannung parallel zum Übertragungsweg, legt,
tritt der Nachteil auf, daß die M'echselspannung nur einseitig, z. B. bei der positiven
Halbwelle beschnitten wird, was, abgesehen von dem besonders großen Klirrfaktor
infolge des Auftretens der zweiten Harmonischen bewirkt, daß die Begrenzung sich
praktisch kaum bemerkbar macht.
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Wenn man, wie dies ebenfalls bekannt ist, beide Halbwellen unter Benutzung
zweier quer zum Übertragungsweg entgegengesetzt geschalteter vorgespannter Dioden
begrenzen will, treten besondere Schwierigkeiten ein. Es ist nämlich in vielen Fällen
nur mit großem Aufwand möglich, die gegen den einen Pol der Wechselspannungsquelle
negative Spannung zu erzeugen. Eine weitere Schwierigkeit ist, beide Gleichspannungen
gleichzeitig in gleichem Maße zu regeln. Dies ist nämlich erforderlich, um zu verhindern,
daß die Kuppen der Wechselspannung verschieden stark abgeschnitten werden, was wiederum
bewirken würde, daß geradzahlige Harmonische auftreten.
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Gemäß der Erfindung werden die Nachteile dieser bekannten Schaltung
dadurch vermieden, daß quer zum Übertragungsweg ein vorgespannter und ein
nicht
vorgespannter Gleichrichter derart geschaltet werden, da.B der Gleichstromkreis
der dem einen Gleichrichter zugeordneten Spannungsquelle sich nur über die beiden
Gleichrichter schließen kann.
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Die Abb. i zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung gemäß
der Erfindung. Die von der Wechselstromquelle W herrührenden Spannungen U" werden
über die Leitungen i und 2 dem weiteren Übertragungsweg zugeführt. Quer zum Übertragungsweg
liegt mit der Kathode an der Leitung i und der Anode an der Leitung 2 der Gleichrichter
a, während der ebenfalls quer zum Übertragungsweg liegende Gleichrichter b mit der
Anode an der Leitung i, mit der Kathode jedoch über die gegebenenfalls regelbare
Vorspannungsquelle e an der Leitung 2 liegt. Die Kapazitäten Cl und Ca sorgen dafür,
daß der Gleichstromkreis der Vorspannungsquelle e sich nur über die beiden Gleichrichter
a und b schließen kann. Im Eingangskreis der Begrenzerschaltung liegt
noch der aus dem Innenwiderstand R1 und dem Vorwiderstand R3 gebildete resultierende
Widerstand R1, während der im Ausgangskreis liegende resultierende Widerstand R2
aus dem Vorwiderstand R4 und dem Belastungswiderstand Ra besteht.
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An Hand der Abb. 2 bis 5 soll die Wirkung dieser Schaltung näher erläutert
werden. Es soll zunächst angenommen werden, daß die Leitungen i und 2 auf gleichem
Gleichpotential, z. B. auf dem Erdpotential liegen. Wenn jetzt die Leitung i die
positive Halbwelle der Wechselspannungsquelle W führt, wird, wie dies die Abb. 2
erkennen läßt, diese positive Halbwelle durch das Vorhandensein des Gleichrichters
a nicht beeinflußt, da beim Positivwerden der Kathode der praktisch unendlich große
Widerstand des Gleichrichters a sich nicht ändert. Wenn jedoch jetzt beim Erreichen
der negativen Halbwelle die Leitung i negativer wird als die Anode der Röhre a,
so wird die Röhre a leitend, und es wird praktisch, wie dies durch die Strichelung
angedeutet ist, die' negative Halbwelle unterdrückt.
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Stellt man die gleiche Überlegung für den Gleichrichter b an, so ist
festzustellen, daß beim Positivwerden der Leitung i bis zu einem gewissen Potential
der Gleichrichter b noch einen unendlich großen Widerstand hat, nämlich bis zu dem
Potential, das dem Potential der positiv vorgespannten Kathode entspricht. Sobald
dieses Potential überschritten wird, UB, wird der Gleichrichter b leitend,
und es wird damit die obere gestrichelt dargestellte Kappe der Wechselspannung abgeschnitten
(Abb. 3).
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Als resultierende Spannung würde sich unter Berücksichtigung der Einschaltung
des Gleichrichters die Spannung gemäß Abb. 4 ergeben.
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Aus den Abb. 2 bis 4 ist ersichtlich, daß der Gleichstrom durch die
beiden Gleichrichter verschieden is,. Das ist aber physikalisch unmöglich. Vielmehr
muß der arithmetische Mittelwert des Stromes durch beide Gleichrichter gleich sein,
da sie in Reihe mit der Gleichstromquelle e liegen. Der Mittelwert ist von der Höhe
der abgeschnittenen Kuppe abhängig, so daß sich nur dann der gleiche Strom für beide
Gleichrichter ergibt, wenn beide Halbwellen in gleichem Maße abgeschnitten werden
(Abb. 5). Dies bedeutet aber, daß sich die Leitung i positiv gegen die Leitung 2
und damit auch Cl und C2 aufladen muß. Es ist dann die Spannung
wenn UB die Spannung der Vorspannungsquelle und U1 die Spannung zwischen
den Leitungen i und 2 bedeuten.
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Für die Begrenzerwirkung spielt das Verhältnis der Größen der Widerstände
R1, R2, RD (Widerstand des Gleichrichters in Durchlaßrichtung und Widerstand der
Gleichspannungsquelle) und RS (Widerstand des Gleichrichters in Sperrichtung und
Widerstand der Gleichspannungsquelle) eine Rolle. Im Sperrgebiet, das heißt, solange
der Momentanwert uw der Wechselspannung Uw kleiner als die Begrenzungsspannung
ist, ist die Spannungsteilung nach Abb. 6 a vorhanden. Im Durchlaßgebiet des Gleichrichters,
das heißt für Momentanwerte uw der Wechselspannungen, die größer als
sind, tritt für die Spannungsdifferenzen uw- Uldie Spannungsteilung gemäß der Abb.
7 a ein. Die Spannungsteilung ändert sich also entsprechend dem Unterschied zwischen
R1 und RD.
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Um nun ermitteln zu können, welchen Einfluß die Widerstände R1, R2,
RS und RD haben, sind die Ersatzschaltbilder 6b und 7, den weiteren Betrachtungen
zugrunde gelegt. Die Spannung der Stromquelle ist eine Ersatzspannung, U-Ersatz,
die so zu wählen ist, daß die Spannungsverhältnisse am Widerstand RS und RD den
Spannungsverhältnissen an diesen Widerständen bei der Schaltung nach Abb. 6a und
7a entsprechen. Der Absolutwert dieser Ersatzspannung ist ohne Bedeutung, da er
bei den nachstehenden Verhältnisgleichungen wieder herausfällt.
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Das Spannungsteilerverhältnis im Sperrgebiet vs nimmt folgenden Wert
an
Das Spannungsteilerverhältnis im Durchlaßgebiet VD ist dementsprechend
Wie aus der Abb. 8 ersichtlich ist, ist das Verhältnis
einMaß fürdie Güteder Spannungsbegrenzung.
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Es ist ersichtlich, daß dieses Verhältnis
möglichst klein gemacht werden muß, um ein sehr scharfes Abschneiden ,der Kuppen
der Wechselspannungen zu erhalten.
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Durch Einsetzen der Werte von VD und vs ergeben sich folgende Gleichungen
Aus dieser Gleichung ist zu erkennen, daß sowohl ein großer Wert
des Verliältniss,:s
als auch des Verhältnisses
anzustreben ist. Aus diesem Grunde ist es auch zweckmäßiger, Hochvakuumgleichrichter
(Dioden) zu nehmen als Trockengleichrichter. Andererseits ist, wie aus der Schaltung
nach Abb. i ersichtlich ist, zur Erzielung einer im Verhältnis zur Spannungsquelle
möglichst großen Ausgangsspannung ein möglichst großer Wert des Verhältnisses
sowie des Verhältnisses
erforderlich.
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Bei festliegenden Werten der Widerstände ist die Begrenzung weiterhin,
wie aus der Abb. 9 ersichtlich ist, von dem Verhältnis U1 zu Uyy abhängig. Ist das
Verhältnis
sehr klein, so ist die Begrenzung wenig wirksam, da praktisch dann immer die Spannungsteilung
VD vorhanden ist. Es wird praktisch immer mit dem Durchlaßwiderstand der Gleichrichter
gearbeitet. Geht dagegen das Verhältnis
gegen den Wert 1 z, so ist die Begrenzung bezogen auf die auftretenden Spitzenspannungen
weit wirksamer, bezogen auf den arithmetischen oder effektiven Mittelwert oder den
Mittelwert der Grundwellen dagegen nicht gleich gut, da die in der Abb. 9 schraffiert
gezeichneten seitlichen Flächen der Spannungskurve auf die Größe der Mittelwerte
eingehen. Es wird also jeweils ein für die Begrenzung und damit für die zu erzielende
Spannungskonstanz optimaler Wert von
einzustellen sein. Dieser optimale Wert wird um so kleiner und die Spannungsbegrenzung
um so günstiger je kleiner das Verhältnis -
ist.
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Statt der in dem Ausführungsbeispiel dargestellten getrennten Dioden
können auch Duodioden mit getrennten Kathoden Verwendung finden. Bei der Verwendung
vorn Duodioden mit gemeinsamem Heizfaden liegt der Widerstand. zwischen Faden und
Schicht parallel zur Piodenstrecke, verringert also unter Umständen den Sperrwiderstand
RS. Es kann dann zweckmäßiger sein, getrennte Dioden mit gleichstrommäßig isolierter
und mit der zugehörigen Kathode verbundener Heizung zu verwenden. Ein anderer Weg
wäre der der Verwendung von besonderen Dioden, die auf sehr hohem Übergangswiderstand
zwischen Faden und Schicht gezüchtet sind, z. B. mit strahlungsgeheizten Kathoden.
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Um möglichst große St-mmetrie der Spannungskurven zu erzielen, also
die Form in der einen Spannungsrichtung gleich der in der anderen zu machen, ist
dafür Sorge zu tragen, daß beide Diodenstrecken die gleichen Gesamtdurchlaßwiderstände
RD haben. Da bei der einen Diodenstrecke der Innenwiderstand der Gleichspannungsquelle
in Reihe liegt, ist gegebenenfalls zusätzlich ein gleich großer Ohmscher Widerstand
in Reihe mit der anderen Diodenstrecke zu schalten. In den meisten praktischen Fällen
wird allerdings der Widerstand der Spannungsquelle gegenüber dem der Diodenstrecke
zu vernachlässigen sein.
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Die Längswiderstände R1 und R2 können auch induktiv oder kapazitiv
oder auch allgemein Scheinwiderstände sein.
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Die Schärfe der Spannungsbegrenzung kann durch mehrmalige Anwendung
der Begrenzungsschaltung (Hintereinanderschaltung) wesentlich verbessert werden.
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Mit der neuen Schaltung wird in einfachster Weise die Aufgabe gelöst,
mit einer einzigen positiven Gleichspannung, die ohne Schwierigkeit in jedem Gerät
hergestellt werden kann, beide Halbwellen zu begrenzen.