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Phasen- und Kapazitätsregelglied für Wechselstrommeßschaltungen
Sollen
in Wechselstrommeßschaltungen, z. B.
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Brückenschaltungen, zur Messung des Verlustwinkels von Kondensatoren,
Spannungen oder Ströme in ihrer Phase beeinflußt werden, so geschah dies bisher
durch Reihen-oder Parallelschalten von phasenverschiedenen Einzel gliedern, z. B.
durch Parallelschalten eines Kondensators zu einem Widerstand. Bei Verwendung von
veränderbaren Einzelgliedern ist es schwierig, mit denselben einen voneinandier
unabhängigenutbgleich der beiden Komponenten vorzunehmen, da bei Verstellung der
einen Größe sich eine Beeinflussung der anderen Größe nicht vermeiden läßt. Selbst
wenn nun eines der beiden Glieder, etwa der Widerstand, unveränderbar gewählt werden
kann, muß von dem anderen Gliede, z. B. dem Kondensator, ein verhältnismäßig großer
Bereich überstrichen werden. Dem Meßbereich derartiger Schaltungen sind aber technische
Grenzen gesetzt. Man kann zwar eines oder beide phasenregelnde Einzelglieder zu
Stufen (Dekaden) zusammenfassen und durch einen Schalter die gewünschte Stufe einschalten,
um auf diese Weise den Frequenzbereich zu erweitern. Jedoch ist in diesem Falle
das Gerät infolge der vielfachen Umschaltungen nicht mehr für Hochfrequenzzwecke
brauchbar. Es wird beispielsweise gefordert, Kondensatoren zu messen von IOO pF
bis IO, uF bei Frequenzen von IOO kHz bis 100 Hz bzw. von ropF bis IooopF bei Frequenzen
von IooMHz bis I kHz, und zwar bei Verlustwinkeln von Io-4 bis Io-l bzw. von Io-5
bis 10-2. Wollte man die Verluste durch einen Ohmschen Widerstand nach-
bilden,
so müßte dieser einen wirksamen Bereich von zehn bis elf Dekaden haben. Durch besondere
Kunstschaltungen hat man bereits acht bis neun Dekaden erreicht. Derartige Schaltungen
sind aber aus den bereits dargelegten Gründen für Kurzwellen nicht mehr geeignet.
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Von einem Phasenregelglied, das besonders für Hochfrequenzzwecke
brauchbar sein soll, wird ein von der Frequenz unabhängiger Winkelbereich gefordert
und eine ebenfalls von der Frequenz unabhängige Eichung des Regelgliedes unmittelbar
im Winkel gewünscht.
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Diese Aufgabe wird durch die E ! rfindung gelöst.
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Erfindungsgemäß kommt ein Phasen- und Kapazitätsregelglied zur Drehung
der Phase eines Stromes oder einer Spannung bzw. zur Veränderung der Kapazität in
Wechselstrommeßschaltungen, insbesondere zur Ermittlung von Verlusten, zur Verwendung,
wobei das Regelglied, das einen veränderbaren Kondensator mit einem aus Teilen verschiedener
Verluste zusammengesetzten Dielektrikum benutzt, so ausgebildet ist, daß bei Verstellung
eines Belegungsteiles oder Teiles des Dielektrikums oder beider in einer bestimmten
Bewegungsrichtung eine vorzugsweise frequenzunabhängige Änderung des Verlustwinkels
bei unveränderter wirksamer Kapazität und beim Verstellen in einer anderen Bewegungsrichtung
eine Änderung der Kapazität bei konstantem Verlustwinkel erzielt wird.
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Es ist bereits ein Kondensator mit einstellbarer Dämpfung bekannt,
bei dem das feste und das bewegliche Kondensatorsystem so ausgebildet sind, daß
durch eine Veränderung ihrer gegenseitigen Lage bei praktisch konstant bleibender
Kapazität die Größe des die Dämpfung bedingenden Energieverlustes im Kondensator
in einstellbarer Weise veränderbar ist. Die gewünschte Veränderbarkeit der Dämpfungsverluste
kann dabei z. B. dadurch erzielt werden, daß die relative Verstellung der Lage der
beiden Kondensatorsysteme zueinander durch die Verstellung einer Platte mit erheblichen
dielektrischen Verlusten erzielt wird oder dadurch, daß bei dem einen Kondensatorsystem
einzelne Teile verschiedene elektrische Leitfähigkeit haben, so daß bei der relativen
Verdrehung dieses Systems gegenüber den anderen Teilen des Kondensators die Verteilung
seines Ladestromes auf die gutleitenden und auf die schlechtleitenden Teile des
genannten Systems verändert wird oder auch dadurch, daß zwischen zwei parallel geschalteten
Teilen des einen Kondensatorsystems ein fester Widerstand eingeschaltet ist, der
infolge der veränderlichen Verteilung der Ladeströme auf diese beiden Teile von
einem veränderlichen Strom durchflossen wird. Mit einem derartigen Kondensator ist
es jedoch nicht möglich, sowohl den Verlustwinkel als auch die Kapazität zu ändern.
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Die Forderung, daß der Winkel unabhängig von der Frequenz sein soll,
Iäßt sich in erster Näherung für die meisten gebräuchlichen Dielektriken erreichen.
Durch geeignete Zusammensetzung und Herstellung lassen sich durch Auswahl und durch
Kompensation bzw. durch Vereinigung beider Möglichkeiten Dielektriken finden, die
einen großen Verlustwinkel, z. B. tg 6 = I0', über viele Frequenzdekaden aufweisen.
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Die Regelung der Phase zwischen dem damit gegebenen Höchstwert und
dem Winkel 8 = o geschieht vorteilhaft in der Form, daß ein Drehkondensator, bestehend
aus einem beweglichen und zwei festen Plattenpaketen (Differentialkondensator) verwendet
wird, dessen beide festen Plattenpakete mit Auflagen aus Isolierstoff versehen sind,
die sich nicht in der Dielektrizitätskonstante unterscheiden, dagegen möglichst
stark im Verlustwinkel; z. B. a 1 ungefähr I04, 82 = 10-1. Beim Durchdrehen des
beweglichen Systems wird dann bei unveränderter Kapazität allein der Winkel von
dem einen bis zum anderen Grenzwert geändert.
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Ein solches Phasenregelglied kann nun die eine Seite einer Meßbrücke
bilden oder zur Substitution eines auf seine Verluste zu untersuchenden Kondensators
herangezogen werden. Ein derartiges Phasenregelglied kann ferner zur Regelung der
Dämpfung eines Resonanzkreises Verwendung finden und auch zur Bestimmung der Verluste
sowohl von Kondensatoren als auch von Spulen dienen.
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Man kann auch noch einen Schritt weitergehen und ein Phasen- und
Kapazitätsregelglied erhalten, mit Hilfe dessen es möglich ist, den Verlustwinkel
zu verändern, ohne die Kapazität zu beeinflussen oder die Kapazität zu verändern,
ohne den Verlustwinkel zu beeinflussen.
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Die Erfindung soll an Hand zweier Figuren näher erläutert werden.
Das Phasen- und Kapazitätsregelglied besteht aus drei Rechteckplatten, von denen
zwei mit verschiedenartigen Dielektriken (3 I und a 2 versehen sind. Diese beiden
Platten, in der Fig. I mit I und 2 bezeichnet, stellen den Stator dar. Verschiebt
man die dritte Platte, den Rotor 3, in der Richtung des Pfeiles 4, so wird der Verlustwinkel
von dem einen bis zu dem anderen Grenzwert verändert, während die Kapazität bei
der Schubbewegung des Rotors 3 in dieser Richtung unverändert bleibt. Bewegt man
dagegen den Rotor in Richtung des Pfeiles 5, so wird die Kapazität geändert, und
der Verlustwinkel bleibt konstant.
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Das eine der beiden Dielektriken I oder 2 kann auch aus Luft bestehen.
In diesem Falle wird die betreffende metallische Elektrode entsprechend dicker gewählt,
so daß beim Bewegen des Systems in der Pfeilrichtung 4 die Kapazität wieder konstant
bleibt.
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Soll die Stromzuführung zu dem beweglichen System (Rotor) vermieden
werden, so wird das Phasen- und Kapazitätsregelglied zweckmäßig so ausgebildet,
daß die Platten fest stehen und lediglich das Dielektrikum bewegt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 2.
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Die Platten 6 und 7 haben feste Anschlüsse 8 und 9. Zwischen die
Platten läßt sich das bewegliche;Dielektrikum I0. 8 I und 62 einschieben. Beim Bewegen
des Dielektrikums in der Richtung des Pfeiles 11 wird der Verlustwinkel verändert,
und
die Kapazität bleibt konstant, während bei der Bewegung in der
Pfeilrichtung 12 die Kapazität verändert wird, ohne den Verlustwinkel zu beeinflussen.