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Einrichtung zur Erzeugung von Wechselspannungen aus einem Gleichstrom
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung mindestens einer,
vorzugsweise sinusförmigen Wechselspannung, insbesondere zu Demonstrationszwecken.
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Das Verständnis der Wechselstromgesetze bereitet Anfängern oft erhebliche
Schwierigkeiten, die zum Teil darin begründet sind, daß zur Demonstration im allgemeinen
Wechselstrom verwendet wird, dessen Erzeugung ohne die Kenntnis der Wechselstromgesetze,
die ja erst erläutert werden sollen, schwer verstanden werden können. Im allgemeinen
wird Wechselstrom zu Demonstrationszwecken mittels eines Leiters erzeugt, der in
einem konstanten homogenen magnetischen Feld gedreht wird. Da die Amplitude der
induzierten EMK jedoch unter anderem von ihrer Frequenz abhängt, ist es nicht ohne
weiteres möglich, nach der bekannten Methode bei einer gegebenen Frequenz Wechselspannungen
verschiedener Amplituden zu erzeugen. Ferner ist es nicht möglich, einen Augenblickswert
der induzierten EMK festzuhalten, was insbesondere dann nachteilig ist, wenn der
Verlauf von phasenverschobenen Spannungen gezeigt werden soll.
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Besonders schwierig ist das Verständnis der physikalischen Vorgänge
bei der Erzeugung mehrphasiger Wechselströme mittels bekannter Einrichtungen, z.
B. verketteter, in einem magnetischen Feld rotierender Wicklungen. Es ist zwar eine
Einrichtung bekanntgeworden. bei der an einem ringförmigen Potentiometer mittels
eines rotierenden Schleifers eine Wechselspannung abgenommen werden kann; doch weist
diese Wechselspannung einen dreieckförmigen Verlauf auf, weshalb die bekannte Einrichtung
für Demonstrationszwecke ungeeignet ist.
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Es sind ferner Einrichtungen zur Erzeugung von Wechselspannungen aus
einem Gleichstromfeld vermittels Abgriffs verschieden hoher Potentiale bzw. Teilspannungen
durch einen umlaufenden Kontakt bekanntgeworden, mit welchem Teilspannungen von
Kollektorlamellen abgenommen werden. Mit diesen bekannten Einrichtungen ist es aber
nicht möglich, kontinuierlich verlaufende Wechselspannungen abzunehmen. Vielmehr
werden durch die bekannten Einrichtungen Stufenspannungen erzeugt, auch ist der
Gesamtverlauf der erzeugten Spannungen nicht sinusförmig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine oder mehrere vorzugsweise
sinusförmige Wechselspannungen zu erzeugen, deren Amplituden und Frequenzen voneinander
unabhängig sind und deren Augenblickswerte über beliebige Zeiten ohne zusätzliche
Speicher festgehalten werden können. Ausgehend von einer Einrichtung zur Erzeugung
von Wechselspannungen aus einem Gleichstrom vermittels Abgriffs verschieden hoher
Potentiale oder Teilspannungen an einem von diesem durchflossenen Leiter durch umlaufende
Kontakte besteht die Erfindung darin, daß der Gleichstrom durch eine rechteckige
Platte aus weitgehend homogenem Widerstandsmaterial geleitet wird, die an zwei gegenüberliegenden
Seitenkanten mit gut leitenden Stromschienen zum Zuführen einer Gleichspannung versehen
ist.
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Als Widerstandsmaterial für die rechteckige Platte kann jeder geeignete
Werkstoff Anwendung finden. So kann die Platte aus Kohle bestehen oder aus Gründen
der mechanischen Festigkeit, insbesondere wenn sie selbst rotiert, aus einer geeigneten
Metalllegierung. Es ist dabei vorteilhaft, die elektrisch leitfähige Schicht dünn
zu machen, damit der erforderliche Gleichstrom niedrig gehalten werden kann. So
kann die Platte aus Widerstandsmaterial auch aus einer Folie bestehen, welche mit
einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist.
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Auf zwei gegenüberliegenden Seiten kann die rechteckige Platte Anschlußschienen
erhalten, die mit den positiven und negativen Klemmen einer Gleichspannungsquelle
verbunden sind, so daß sich ein homogenes elektrisches Feld mit parallelen Stromlinien
einstellt.
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Die Drehung der Zeitachse kann dadurch dargestellt werden, daß die
Widerstandsplatte, an der eine die Zeitachse symbosierende Markierung angebracht
sein kann, um eine Achse rotiert. Mit der Achse ist das eine Ende mindestens eines
fest angeordneten Kontaktarmes leitend verbunden. Das andere Ende des Kontaktarmes
beschreibt dann auf der rotierenden Platte einen Kreis. Es kann auch der Zeiger
rotieren und die Widerstandsplatte feststehen, was sich insbesondere dann empfiehlt,
wenn nur ein Kontaktarm vorgesehen ist. Um die Höhe der Amplitude einstellen zu
können, sind Kontaktarme vorteilhaft, deren Länge verstellbar ist. Soll eine Schwingung
dargestellt
werden, der eine weitere Schwingung überlagert ist (Modulation), so führt man die
Länge des oder der Kontaktarme während der Relativbewegung zwischen Kontaktarm und
Widerstandsplatte veränderbar aus. Die Änderung der Länge kann dabei, z. B. über
ein Getriebe, nach einem Sinusgesetz erfolgen. Die Frequenz der dem Kontaktarm entnommenen
Wechselspannung kann in einfacher Weise durch Änderung der Relativgeschwindigkeit
zwischen Kontaktarm und Widerstandsplatte, also beispielsweise durch Änderung der
Drehzahl, eventuell auch periodisch, geändert werden. Eine exakte sinusförmige Spannung
kann nur bei praktisch unbelastetem Spannungsteiler, also sehr kleinen Strömen,
erreicht werden. Der Einfluß der Belastung des Spannungsteilers auf die Sinusform
der Spannungskurve kann jedoch dadurch weitgehend hintangehalten werden, daß eine
Verzerrung des homogenen Strömungsfeldes durch den Belastungsstrom weitgehend vermieden
wird. Hierfür sind Ausgleichsverbindungen günstig, die Punkte gleichen Potentials
durch einen guten Leiter miteinander verbinden.
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Bei Erzeugung mehrphasiger Wechselspannungen kann es erwünscht sein,
die Phasenlage dieser Spannungen ändern zu können. Dazu muß der Winkel, den zwei
oder mehr an einem Punkt drehbar befestigte Kontaktarme miteinander einschließen,
veränderbar sein.
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Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es auch möglich, durch inhomogene
Strömungsfelder in der Widerstandsplatte oberwellenhaltige Wechselströme zu erzeugen.
Inhomogene Felder entstehen beispielsweise durch eine punktförmige Stromzuführung.
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Eine elektrisch stabile Bauart, die sich durch besondere Betriebssicherheit
auszeichnet, ergibt sich, wenn die Widerstandsplatte mit niedriger Spannung und
hoher Stromstärke arbeitet, da dann der Einfluß der Belastung auf die Sinusform
der erzeugten Wechselspannung gering ist und relativ große Stromstärken entnommen
werden können. Um den Verlauf der Spannungswerte in Abhängigkeit von dem Drehwinkel
leicht überschaubar darzustellen, ist es vorteilhaft, den Kontaktarm über oder unter
einer durchsichtigen Scheibe anzuordnen, die mit einer Winkelgradeinteilung versehen
ist.
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Die Einrichtung nach der Erfindung kann auch bei Meß- und Steueraufgaben
Verwendung finden.
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In der Zeichnung ist die Einrichtung nach der Erfindung beispielsweise
näher erläutert. In den einzelnen Figuren sind entsprechende Elemente mit gleichen
Bezugszeichen versehen. Es zeigt F i g. 1 einen Flächenspannungsteiler mit Kontaktarm
und Meßinstrument, F i g. 2 einen Flächenspannungsteiler mit zwei Kontaktarmen,
F i g. 3 eine Einrichtung zur Messung der Phasenverschiebung eines mittels Flächenspannungsteiler
erzeugten Wechselstromes, F i g. 4 einen Flächenspannungsteiler mit drei um 120°
versetzten Kontaktarmen, F i g. 5 eine Einrichtung zur Addition zweier Wechselspannungen
gleicher oder verschiedener Frequenzen, Phasenlagen und Größen mittels Flächenspannungsteiler,
F i g. 6 zwei Flächenspannungsteiler zur Darstellung von Größen in der komplexen
Zahlenebene, F i g. 7 Flächenspannungsteiler mit inhomogenen Strömungsfeldern. In
der F i g. 1 ist in der Mitte des eigentlichen Spannungsteilers, der z. B. aus einer
Platte 2 aus metallischem Widerstandsmaterial besteht, ein Kontaktarm 8 drehbar
gelagert, dessen anderes Ende 9
auf der Platte 2 einen Kreis
7 beschreibend schleift. Führt man der Platte 2 einen Gleichstrom über die
Anschlußschienen 1, 4 zu, so stellt sich eine homogehe Feldverteilung mit parallelen
Stromlinien 3 ein. Dreht man nun den Kontaktarm, so steigt die Spannung,
die an seinen beiden Enden 5 und 9 abgenommen werden kann, von der
Nullinie 6 aus an und erreicht nach einer Drehung von
ein Maximum, nimmt von da wieder ab und kehrt nach Überschreiten der Nullinie
6 ihre Richtung um.
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Es kann also eine sinusförmige Wechselspannung abgenommen werden,
die beispielsweise über die Zu-Leitungen 12 einem Meßinstrument, das zweckmäßig
ein Nullinstrument sein kann, zugeführt wird. Die Amplitude der abgenommenen Wechselspannung
u ist von der Frequenz vollkommen unabhängig. Beide Größen können daher einzeln
variiert werden. Die Augenblicksgröße u = Ü sin (w t)
kann jederzeit
durch Anhalten des Kontaktarmes festgehalten und in Ruhe abgelesen werden. Selbstverständlich
kommt es bei der Erzeugung von Wechselspannungen gemäß der Erfindung nur auf eine
Relativbewegung zwischen Kontaktarm 8 und Platte 2 an; es kann also
auch bei feststehendem Kontaktarm die Platte 2 rotieren, deren Anschlußschienen
z. B. über Schleifringe mit Gleichstrom gespeist werden können.
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Die von der erfindungsgemäßen Einrichtung gelieferte Wechselspannung
kann auch auf spezielle Werte hin untersucht werden. So kann z. B. der Effektivwert
in anschaulicher Weise dadurch bestimmt werden, daß dem Spannungsteiler eine Gleichspannung
entnommen wird, deren Größe zu der Amplitude der Wechselspannung im Verhältnis 1:
1/2 steht. Beide Spannungen werden zwei gleich großen Widerständen zugeführt und
die an ihnen erzeugten Wärmemengen z. B. über die Temperaturen zweier gleich großer
erwärmter Wassermengen miteinander verglichen. Ferner kann dem Spannungsteiler zur
Demonstration des Verhältnisses von Strom und Spannung an Ohmschen Widerständen
eine Wechselspannung sehr niedriger Frequenz entnommen und einem Ohmschen Widerstand
zugeführt werden, wobei Strom und Spannung z. B. mit Drehspulinstrumenten (Nullinstrumenten)
gemessen werden. Beide Instrumente haben dann synchron verlaufende Ausschläge (keine
Phasenverschiebung).
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In F i g. 2 ist ein Flächenspannungsteiler mit zwei Kontaktarmen
8 a und 8 b dargestellt, mit dem mittels der Instrumente
11 a und 11 b zwei phasenverschobene Wechselspannungen
u, und ub dargestellt werden können, deren Phasenverschiebung gleich dem Winkel
cp ist. Sollen mehrere Wechselspannungen erzeugt werden, so ist eine rotierende
Platte vorteilhaft, da dann die Kontaktarme fest stehen und der von ihnen eingeschlossene
Winkel leicht geändert werden kann. Außerdem ist die Spannungsabnahme an fest stehenden
Kontaktarmen einfacher. Die Frequenz beider Wechselspannungen ist dann zwangläufig
gleich.
Der in F i g. 2 beschriebene Flächenspannungsteiler kann
zur Darstellung der Strom- und Spannungsverhältnisse an Reaktanzen benutzt werden.
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In der F i g. 3 wird dem Spannungsteiler durch den Kontaktarm 8 a
eine Wechselspannung u" niedriger Frequenz entnommen und über einen Strommesser
16 an eine große Induktivität 13 gelegt. Der Verlauf der Spannung wird mittels eines
parallelgeschalteten Spannungsmessers 15 gemessen. Es zeigt sich dann, daß abhängig
von der Drehzahl der Platte, also von der Frequenz des Wechselstromes, eine zeitliche
Verschiebung der Ausschläge der beiden Meßinstrumente eintritt. Diese Verschiebung
kann durch einen zusätzlichen Kontaktarm 8 b bestimmt werden, dem eine Hilfsspannung
ac, entnommen und einem Spannungsmesser 17 zugeführt wird. Die Ausschläge des Spannungsmessers
17 werden mit denen des Strommessers verglichen und durch Verstellen des Winkels
9p des Hilfskontaktarmes beide Ausschläge synchronisiert. Aus dem von den beiden
Kontaktarmen eingeschlossenen Winkel kann die Phasenlage von Strom und Spannung
dann leicht abgelesen werden. Nach der gleichen Methode kann auch die Phasenverschiebung
zwischen Strom und Spannung an einer Kapazität ermittelt werden. Es ergibt sich
dann ein der Wechselspannung voreilender Hilfsspannungsvektor, der die voreilende
Phasenverschiebung des Stromes gegenüber der Spannung anzeigt.
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Die F i g. 4 zeigt einen Flächenspannungsteiler mit drei um 120° versetzten
gleich großen Kontaktarmen R, S, T, mit dem der Verlauf von verketteten Spannungen
uR, us, acT bestimmt werden kann. Ferner kann das Auftreten eines Stromes in einer
gemeinsamen Rückleitung zum Sternpunkt bei etwa durch ungleiche Widerstände zu realisierenden
unsymmetrischen Belastungen dargestellt werden. Legt man die Kontaktarme R', S',
T' symmetrisch dreieckförmig um die Rotationsachse 5 der Platte 2, so können
ah ihren Enden Dreiecksspannungen abgenommen werden. Grundsätzlich können natürlich
Mehrphasensysteme höherer Ordnung in gleicher Weise untersucht werden.
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Zur Addition zweier Wechselspannungen verbindet man gemäß F i g. 5
ein Ende 5 a des auf einem Spannungsteiler 18 angeordneten Kontaktarmes 8
a mit dem Ende 9 b des auf dem Spannungsteiler 19 angeordneten Kontaktarmes 8 b,
dessen Ende 5 b über das Meßinstrument 20 mit dem Ende 9a des Kontaktarmes
8 a verbunden ist. Durch wahlweise Einstellung der Umdrehungsgeschwindigkeiten col,
f2, d. h. der Frequenzen, der Phasenlagen und der Amplituden können sämtliche Größen,
die eine überlagerungsschwingung bestimmen, frei gewählt werden. Der besondere Vorteil
dieser Meßeinrichtung besteht darin, daß die Änderung der verschiedenen Augenblickswerte
und ihre Zusammensetzung zu einer resultierenden Schwingung jeweils langsam verfolgt
werden können. Kann bei einem solchen Flächenspannungsteiler der die Spannung abnehmende
Kontaktarm seine Länge periodisch um einen Mittelwert herum ändern, so ist die abgegebene
Spannung amplitudenmoduliert. Grundsätzlich ist es auch möglich, mit dem erfindungsgemäßen
Flächenspannungsteiler eine Frequenzmodulation darzustellen.
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Die für das Verständnis von Wechselstromvorgängen wichtigen Rechenoperationen
in der Gaußschen Zahlenebene lassen sich durch die erfindungsgemäße Einrichtung
ebenfalls anschaulich darstellen. In der F i g. 6 sind die Spannungsteiler 21 und
22 der Einrichtung um 90° gedreht zueinander angeordnet. Die von dem Kontaktarm
8 a abgenommene Spannung kann nun als Realteil a, die von 8 b abgenommene Spannung
als Imaginärteil b einer komplexen Zahl angesehen werden. Bei Rotation der Spannungsteiler
und damit der durch 29a und 29b symbolisierten Zeitachse verändern sich die Realteile
und Imaginärteile entsprechend den durchlaufenen Quadranten.
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Die F i g. 7 zeigt einen Flächenspannungsteiler 23 zur Erzeugung bewußt
verzerrter Wechselspannungen, die durch Rotation von Kontaktarmen 27 auf Platten
mit inhomogenen Feldern erzeugt werden. Ein derartiges inhomogenes Feld kann z.
B. durch eine punktförmige Stromzuführung 24, 25 oder durch punkt- und linienförmige
Stromzuführung 24, 28 zu der Widerstandsplatte erzeugt werden.
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Um bei größeren Stromstärken Verzerrungen des Wechselstromes auch
bei einem homogenen Feld möglichst hintanzuhalten, können Punkte gleichen Potentials
der Widerstandsplatte elektrisch gut leitend miteinander verbunden werden, so daß
Angleichströme fließen können. Zur leichten Bestimmung des Winkels zwischen zwei
Kontaktarmen sowie der Winkelverschiebung der auf der rotierenden Platte markierten
Zeitachse kann eine Abdeckplatte aus durchsichtigem Material mit einer Winkelgradeinteilung
vorgesehen werden.