DE522579C

DE522579C - Selektiver Relaisverstaerker mit einer in einem Wechselfelde bestimmter Frequenz beweglichen Wicklung

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Publication number: DE522579C
Application number: DEW82423D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1929-04-20
Filing date: 1929-04-20
Publication date: 1931-11-10
Also published as: DE523816C

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur selektiven Verstärkung von Wechselströmen, bei welcher die Empfangsströme eines bestimmten Frequenzbandes verstärkt werden, während die Empfangsströme außerhalb dieses Frequenzbandes keine Verstärkung erfahren. Die Einrichtung gemäß der Erfindung besitzt als wesentlichsten Bestandteil das eigentliche frequenzselektive Verstärkerrelais. Sie kann überall verwendet werden, wo das Sieben und Verstärken des Fernstromes erforderlich ist, insbesondere für die Tonfrequenztelegraphie und den Tonfrequenzanruf in Fernsprechkabeln, in weleher Verwendung die Einrichtung die elektrischen Siebketten und Verstärkerröhren ersetzt.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch charakterisiert, daß in einem Wechselfelde bestimmter Frequenz ein bewegliches Windungssystem, das in einem Stromkreis liegt, dessen Scheinwiderstand eine induktive Komponente besitzt, angeordnet ist, auf welches Windungssystem bei Ablenkung aus der induktionsfreien Mittellage vom Wechselfelde durch Induktion eine Energie übertragen wird, die größer ist als die ankommende Energie, welche die Ablenkung des beweglichen Systemes hervorruft. Diese vergrößerte Energie kann dann einem Verbraucher zugeführt werden.

Die Zeichnung bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel bzw. Anwendungsbeispiel der Erfindung, und zwar ist Abb. 1 ein Vektordiagramm, Abb. 2 ein Schaltschema zur Erzeugung zweier um 90 ° phasenverschobener Komponenten des Fernstromes, Abb. 3 eine schematische Darstellung eines Verstärkerrelais, Abb. 4 das Schaltschema einer Anordnung zur selektiven Verstärkung mit zwei Relais gemäß Abb. 3, und die Abb. 5 zeigt eine konstruktive Durchführung des Relais gemäß Abb. 3 in teilweise geschnittener, perspektivischer Ansicht.

In der nachfolgenden Beschreibung sollen vorerst die theoretischen Grundlagen näher erläutert und hierauf die Einrichtung gemäß der Erfindung nach Anordnung und Wirkungsweise beschrieben werden.

Es ist bekannt, daß ein in einem Wechselfelde frei beweglich angebrachter geschlossener Leiter (Spule oder einzige Windung) sich bei induktiver Komponente des Scheinwiderstandes desselben so einstellt, daß mit dem Leiter keine Kraftlinien verkettet sind, d. h. daß in dem Leiter in dieser Lage vom Wechselfelde keine Spannung induziert wird.

Wird nun erfindungsgemäß in einem geschlossenen Leiter, der in einem Wechselfelde frei beweglich angeordnet ist, von außen eine EMK von derselben Frequenz wie die des Wechselfeldes aufgedrückt, so wird der Leiter aus der Ruhelage so weit gedreht, bis der resultierende Strom, der infolge der aufgedrückten EMK und der vom Wechselfelde im Leiter induzierten EMK ent-

steht, gegen das Wechselfeld um 90⁰ in der Phase verschoben ist. Dann wird das Drehmoment Null, und der Leiter ist im Gleichgewicht. Wird der resultierende Strom im Leiter mit i_res und der Strom, welcher allein infolge der äußeren aufgedrückten EMK entstehen würde (z. B. bei nicht vorhandenem Wechselfeld oder bei Festhalten des Leiters in der induktionsfreien Ruhelage), mit i_F (Fernstrom) bezeichnet, so ergibt das Verhältnis ^ den Stromverstärkungsfaktor, der

mit Vi bezeichnet werden soll.

Es soll an Hand des Vektordiagrammes (Abb. 1) der Verstärkungsfaktor Vi bestimmt werden.

Es ist Φ das Wechselfeld, i_P Fernstrom, herrührend von der aufgedrückten EMK, e_inil die vom Wechselfelde im Leiter induzierte Spannung, φ '== Phasenwinkel des Scheinwiderstandes des Leiters, ij_n# Strom im Leiter, herrührend von e_inrf, i_res — resultierender Strom im Leiter. Die induzierte Spannung e^ ist dem Felde Φ um 90° nacheilend. Der Strom i_ind ist mit dem Winkel φ gegen e_ini nacheilend. Wie man erkennt, ist:

Die Stromverstärkung ist= cot<p für den Fall, daß der Fernstrom ir mit dem Wechselfelde in Phase ist. Durch Wahl des Scheinwiderstandes des Leiters läßt sich ein beliebiger Wert von cot φ erreichen. Ist der Fernstrom gegen das Wechselfeld um 90 ° phasenverschoben, so ist das Drehmoment Null; der Leiter verbleibt in der induktionsfreien Ruhelage, und es entsteht daher keine Verstärkung des Fernstx-omes. Ein beliebiger Fernstrom kann in zwei Komponenten zerlegt gedacht werden, wovon die mit dem Wechselfelde Φ gleichphasige Komponente mit dem Faktor V₁ = cot φ verstärkt wird.

Um unabhängig von der Phasenlage des Fernstromes eine Verstärkerwirkung zu erhalten, werden zwei Verstärkerrelais angeordnet, bei welchen entweder die Wechselfelder Φ_χ und Φ₂ etwa um 90⁰ gegeneinander phasenverschoben sind oder bei gleichphasigen Feldern die beiden beweglichen Leiter von um 90 ° gegeneinander phasenverschobenen Komponenten des Fernstromes durchflossen werden. Es wird in beiden Fällen in dem einen oder zweiten Relais bei beliebiger Phasenlage des Fernstromes eine Stromverstärkung auftreten. Da jetzt der Fernstrom den beiden beweglichen Leitern zugeführt werden muß, so entsteht über die Fernleitung eine Kopplung zwischen den beweglichen Leitern, indem bei Ausschlag des einen Leiters auch ein Induktionsstrom im zweiten Leiter entsteht. Diese Kopplung würde den Phasenwinkel des Induktionsstromes verändern und daher auch den Verstärkungsfaktor ungünstig beeinflussen. Um dies zu verhindern, müssen die beiden beweglichen Leiter entkoppelt werden, beispielsweise dadurch, daß sie die Diagonalen einer ausgeglichenen Wheatstoneschen Brücke bilden, deren eine Seite die äußere aufgedrückte EMK enthält, wie dies aus Abb. 2 ersichtlich ist. 5"_x und S₂ sind die beiden beweglichen Spulen bzw. Leiter. S₁, g_s, z₃ sind Widerstände, Tr der Eingangstransformator. S₁, S₂ und g₃ werden vorteilhaft Nutzwiderstände sein, z. B, die Wicklungen eines Relais, in welchem der verstärkte Strom die zu erreichende Schaltbewegung leistet.

Ist die Frequenz des Fernstromes von der des Wechselfeldes, in dem sich der bewegliche Leiter befindet, verschieden, so werden die Ausschläge des Leiters infolge seiner Trägheit bei genügend großer Frequenzdifferenz sehr klein sein, so daß praktisch kein Induktionsstrom und daher auch keine Verstärkung des Empfangsstromes auftritt, wodurch die Selektivität des Verstärkungsrelais gegeben ist. Die Breite des Frequenzbandes, welches gleichmäßig verstärkt werden soll, muß bei Tonfrequenztelegraphie mindestens den doppelten Wert der Telegraphierfrequenz erreichen. Dies ist auch der Fall bei großem Wert von cot φ, also bei großer Verstärkung, denn dann ist auch die Bewegung des Leiters durch das Wechselfeld stark gedämpft, und die Resonanzkurve wird daher breiter.

Die Anordnung, wie sie bisher beschrieben wurde, weist noch den Nachteil auf, daß bei Anwendung auf Tonfrequenztelegraphie der verstärkte Strom in die Fernleitung hineinkommt, was zu einer Störung der Empfangsrelais für die benachbarten Frequenzen führen würde. Um diesen Übelstand zu beheben, besteht erfindungsgemäß das bewegliche System des Verstärkerrelais aus einer Trommel T und einem kurzgeschlossen leitenden Rahmen R, die auf derselben drehbar gelagerten Achse sitzen, wie dies aus Abb. 3 ersichtlich ist. Das ganze bewegliche System befindet sich im Felde Φ der mit Wechselstrom bestimmter Frequenz dauernd erregten Spule S₁, Die Spule S₂ wird an die Fernleitung angeschlossen und ist räumlich gegen S₁ um 90 ° versetzt. Die Spule 5"_s ist mit dem Rahmen R gekoppelt und dient zur Abnahme des verstärkten Stromes, während sie mit S₂, also auch mit der Fernleitung F, nicht gekoppelt ist. Ist der ankommende Fernstrom in S₂ gegen das Feld Φ um 90 ° phasenverschoben, so entsteht bekanntlich ein Drehfeld, welches ein Drehmoment auf die Trommel T ausübt und daher einen Ausschlag des

beweglichen Systems bewirkt. Es ist klar, daß nur im Rahmen R beim Ausschlag des beweglichen Systems ein Induktionsstrom auftritt, nicht aber in der Trommel T, da dieselbe infolge ihrer Rotationssymmetrie ihre Lage dem Felde Φ gegenüber nicht geändert hat. Da die Spule S_t nur mit der Trommel T verkettet ist, so findet keine Rückwirkung des verstärkten Stromes auf die Fernleitung ίο statt. Um wieder unabhängig von der Phasenlage des Fernstromes eine Verstärkerwirkung zu erzielen, können zwei solche Verstärkerrelais angeordnet werden, bei welchen entweder die Wechselfelder Φ ₁ und Φ₂ etwa um 90⁰ gegeneinander phasenverschoben sind oder bei gleichphasigen Feldern die Spulen S₂₁ und S₂₂, die an die Leitung angeschlossen sind, von um 90 ° gegeneinander phasenverschobenen Komponenten des Fernstromes durchflossen werden.

Das Schaltbild für den Empfang einer Frequenz zeigt Abb. 4, und zwar für den Fall, daß (P₁ und Φ₂ phasenverschoben sind.

Die Spulen S₂₁ und .S₂₂ sind miteinander in Reihe geschaltet und an die Fernleitung angeschlossen. S₁₁ und S₁₂ sind vom Generator G erregt, und die Phasenverschiebung wird durch Vorschalten entsprechender Kondensatoren C₁ und C₂ erreicht. Der in den Spulen S_S1 und S_s2 entstehende verstärkte Strom wird über die Ausgangstransformatoren AT₁ und ^iT₂ abgenommen, mittels der Gleichrichter Gl₁ und GZ₂ gleichgerichtet und einem normalen Gleichstromtelegraphenrelais zugeführt. Die Kondensatoren C₃ und C₄ dienen zur Einstellung des Phasenwinkels φ des Scheinwiderstandes des Rahmens R und damit auch des Verstärkungsfaktors Vi — cot φ.

Das Verstärkerrelais (Abb. 4) läßt sich auch in Kaskadenschaltung verwenden, wodurch eine Vervielfachung der Verstärkerwirkung zu erreichen ist. Die Schaltung wäre derart vorzunehmen, daß man die Ausgangsklemmen (Klemmen der Spule S_n in Abb. 3) der einen Verstärkerstufe mit den Eingangsklemmen der nächstfolgenden Stufe (Klemmen der Spule 6", in Abb. 3) verbindet. Die Erregerwicklungen S₁ sämtlicher Verstärkerstufen können dabei von derselben Stromquelle gespeist werden.

Das in Abb. 5 in einer schematisierten, perspektivischen Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel eines Relais gemäß Abb. 3 besitzt zwei rahmenförmige Magnetkerne M₁ und M₂. Der Magnetkern M₁ besitzt zwei Paare von um 90 ° räumlich gegeneinander versetzten Polansätzen P und p. An den Polansätzen P sind die beiden Hälften der FeIdwicklung S₁ und an den Polen p sind die beiden Hälften des an die Fernleitung angeschlossenen Windungssystems S₂ angeordnet. Der Magnetkern M₂ besitzt in ähnlicher Weise ein Paar Polansätze P'. Die Feldwicklung ^₁ ist um die Polansätze P und P' beider Magnetkerne gemeinsam herumgelegt. An Stelle der Polansätze p des Magneten M₁ besitzt der Magnet M₂ in der Mitte ein durchlaufendes Quer j och q, welches in der Mitte eine Verbreiterung besitzt, um den Luftspalt zwischen dem Polansatz P und dem Querjoch q möglichst klein zu halten. Auf dem Querjoch q sitzen zu beiden Seiten die beiden Hälften der Wicklung S₃, aus der der verstärkte Strom entnommen wird. Zwischen den Polen P und p des Magnetkernes M₁ ist die Trommel T und im Luftspalt zwischen den Polen P' und dem Querjoch des Magnetkernes M₂ der mit der Trommel fest verbundene Rahmen R angeordnet. An dieser gegenseitigen Lage der Wicklungen ist auch ersichtlich, daß die Wicklung S₃ mit der Wicklung S₂, also mit der Fernleitung, in keiner Weise magnetisch gekoppelt ist. Die Trommel T ist ein Zylinder aus leitendem Material, z. B. Aluminium oder Kupfer. Das Drehmoment in der Trommel entsteht dann, wenn der Strom in der Spule S₂ gegenüber dem Feldstrom in S₁ um 90⁰ phasenverschoben ist. In diesem Falle entsteht bekanntlich infolge der räumlichen Versetzung der Spule S₁ und 6'₂ ein Drehfeld, welches auf die Trommel in analoger Weise wie bei einem Drehstrommotor mit Kurzschlußanker ein Drehmoment ausübt.

Claims

Patentansprüche:

1. Selektiver Relaisverstärker mit einer in einem Wechselfelde bestimmter Frequenz beweglichen Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Wicklung bei Ablenkung aus der induktionsfreien Mittellage vom Wechselfelde durch Induktion eine Energie zugeführt erhält, die größer ist als die ankommende Energie, welche die Ablenkung der beweglichen Wicklung hervorruft.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem im Wechselfelde liegenden beweglichen Windungssystem (R), welches infolge des Auslösestromes abgelenkt wird, die durch die Ablenkung dem Wechselfeld entzogene größere Energie entnommen und einem Verbraucher zugeführt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Ohmschen Widerstandes zum induktiven Widerstand des Stromkreises, in welchem das bewegliche Windungssystem (R) liegt, dem gewählten Verstärkungsfaktor (Vi) gleichgemacht wird.

4- Einrichtung nach den Ansprüchen ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung einer Rückwirkung des verstärkten Stromes auf die Fernleitung in S dem Wechselfelde sich außer dem Windungssystem (R) noch ein mit ihm mechanisch fest verbundener, leitender Rotationskörper (T) befindet, welch letzterer unter Einwirkung einer Spule (S₂) steht, to die an die Fernleitung angeschlossen ist und gegen das dauernd erregte Wechselfeld räumlich um 90° versetzt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Windungssystem (R) aus einem in sich kurzgeschlossenen leitenden Rahmen besteht und der in ihm entstehende verstärkte Strom einer mit ihm magnetisch verketteten festen Wicklung (S₃) entnommen wird.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den Empfang einer Trägerfrequenz zwei Verstärkerrelais nach den Anas Sprüchen 1 bis 3 oder 4 angeordnet sind, wobei die dauernd erregten Wechselfelder (S₁₁, Sj₂) gegeneinander etwa um 90° in der Phase verschoben sind (Abb. 4).

7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Verstärkerrelais nach den Ansprüchen" l bis 3 oder 4 angeordnet sind, wobei die beiden an die Fernleitung angeschlossenen Spulen (S₁₁, S₁₂) von um' 90⁰ phasenverschobenen Komponenten des Fernstromes durchflossen werden, während die dauernd erregten Wechselfelder gleiche Phase haben. ·

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ver-Stärkerrelais nach Anspruch 4 so zusammengeschaltet sind, daß die Ausgangsklemmen des einen Verstärkerrelais (Klemmen der Spule JiT₃, Abb. 3) mit den Eingangsklemmen (Klemmen der Spule ^₂, Abb. 3) des folgenden Verstärkerrelais verbunden werden.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mehrstufige Verstärkerrelaissätze nach Anspruch 8 angeordnet sind, deren dauernd erregte Wechselfelder gegeneinander etwa um 90⁰ in der Phase verschoben sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mehrstufige Verstärkerrelaissätze nach Anspruch 8 angeordnet sind, wobei die beiden an die Leitung angeschlossenen Spulen von um 90 ° phasenverschobenen Komponenten des Fernstromes durchflossen werden, während die dauernd erregten Wechselfelder gleiche Phasen haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen