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Verfahren und Schaltung zum Konstanthalten eines elektrischen Stromes.
Elektrische Ströme können bekanntlich mittels Variatoren konstant gehalten werden. Variatoren sind Widerstände mit einem grossen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes ; sie bestehen in der Regel aus sogenannten Eisendrahtwiderstandslampen, d. h. aus in einer Wasserstoffatmosphäre angeordneten Eisendrähten. Es können ausser Eisendrähten auch andere auf geeignete Weise angeordnete Drähte benutzt werden. Es ist z. B. bekannt, dass geradegestreckte Wolframdrähte in einer Stickstoffatmosphäre die gleiche Wirkung zeigen. Bei der Bestimmung des Stromes eines solchen Variators als Funktion der Spannung ergibt sich, dass der Strom in einem bestimmten Spannungsbereich nahezu konstant ist. Der Verlauf dieser Funktion ist z. B. in Fig. 1 graphisch dargestellt.
Der Spannungbereich, innerhalb dessen der Strom konstant bleibt, hat eine obere und eine untere Grenze, die nachstehend mit A bzw. B angegeben wird.
Ändern sich die charakteristischen Grössen des Kreises, in dem der Variator liegt (z. B. durch Verringerung des Widerstands des Kreises oder durch Erhöhung der dem Kreis aufgedruckten Spannung), derart, dass die von dem Variator aufzunehmende Spannung grösser als "1 ist, so bleibt der Strom nicht mehr konstant, sondern nimmt zu, wie aus Fig. 1 deutlich ersichtlich ist. Es ist auch möglich, dass die Spannung des Variators den Wert B unterschreitet, wobei die Stromstärke unter den konstanten Wert herabsinkt. Der Regelungsbereich des Variators liegt also zwischen A und B.
Es ist bekannt, dass beim Einschalten eines einen Variator enthaltenden Kreises ein sehr starker Stromstoss auftreten kann. Man hat diesen Stromstoss schon dadurch beseitigt, dass beim Einschalten des Kreises dem Variator ein Widerstand vorgeschaltet wird, der, nachdem der Variator auf Temperatur gekommen ist, wieder ausgeschaltet wird, u. zw. gegebenenfalls selbsttätig. Dies kann z. B. mit Hilfe eines Bimetallschalters geschehen. Man hat dabei schon vorgeschlagen, diesen Bimetallsehalter auch dazu zu benutzen, diesen Vorschaltwiderstand wieder einzuschalten, wenn der Strom durch den Variator zu stark wird.
Die Erfindung bezweckt eine Vergrösserung des Regelungsbereiches des Variators.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erzielt, dass, wenn sich die Spannung des Variators dem Wert A nähert, unter Einfluss dieser Spannung in Reihe mit dem Variator ein Widerstand geschaltet wird, der die Spannung des Variators herabsetzt, während der Widerstand unter Einfluss der Spannung des Variators ausgeschaltet wird, wenn sich diese Spannung dem Wert B nähert. Beim Einschalten des Widerstandes nimmt dieser einen Teil der dem Kreis aufgedruckten Spannung auf, so dass der Variator nur eine geringere Spannung aufzunehmen braucht. Der Punkt, der in der Kennlinie der Fig. 1 das augenblickliche Verhältnis zwischen dem Strom und der Spannung des Variators angibt, wird dabei von-1 um eine bestimmte Strecke in der Richtung gegen B verschoben.
Werden nun die Verhältnisse derart, dass sich dieser Punkt dem Werte B nähert, so wird der Widerstand wieder ausgeschaltet, wodurch der Punkt wieder in der Richtung nach si hin verschoben wird. Es ist einleuchtend, dass, wenn sich die Spannung des Variators bei eingeschaltetem Widerstand von neuem dem Wert J. nähert, ein zweiter Widerstand, gegebenenfalls ein dritter usw. in Reihe geschaltet werden kann.
Eine geeignete Schaltung zur selbsttätigen Ausführung des beschriebenen Verfahrens wird erhalten, wenn in Reihe mit dem Variator ein Widerstand geschaltet wird, der kurzgeschlossen werden kann, wobei der Kurzschluss von einem Relais aufgehoben werden kann, das parallel zu dem Variator geschaltet ist und eine Betätigungsspannung bzw. eine Abfallspannung besitzt, die höchstens gleich J bzw. mindestens
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In Fig. 2 ist 1 der Variator, 2 eine Stromquelle und 3 die Belastung des Stromkreises, in dem der Strom auf dem in Fig. 1 angegebenen Wert konstant gehalten werden soll. In Reihe mit dem Variator ist ein Widerstand 4 geschaltet, der von dem beweglichen Teil 5 des Relais kurzgeschlossen werden kann.
Die Erregerspule 6 dieses Relais ist parallel zu dem Variator 1 geschaltet. Dieses Relais ist derart eingerichtet, dass der Anker 5 bei einer Spannung V1 angezogen wird, die erheblich grösser als die Spannung V2 ist, bei welcher der Anker wieder losgelassen wird. Diese Spannungen sind in Fig. 1 angegeben.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird von dem Zustand ausgegangen, in dem der Widerstand 4 durch den Anker 5 kurzgeschlossen ist und ein Strom durch den Kreis fliesst, der von dem Variator auf dem Wert gehalten wird. Nimmt nun der Belastungswiderstand 3 ab, so wird die von diesem Widerstand aufgenommene Spannung kleiner, was zur Folge hat, dass die Spannung des Variators zunimmt und gegebenenfalls den Wert A übersteigen würde. Sobald jedoch die an dem Variator liegende Spannung den Wert V1 erreicht, wird der Anker 5 angezogen, wodurch der Kurzschluss des Widerstandes 4 aufgehoben und von letzterem ein Teil der aufgedrückten Spannung aufgenommen wird. Die Spannung des Variators nimmt infolgedessen ab.
Der Widerstand 4 darf nicht so gross gewählt werden, dass die Spannung des Variators unter den Wert B herabsinkt, da der Strom in diesem Fall einen zu kleinen Wert erhalten würde. Die Spannung an dem Variator darf sogar nicht einmal bis auf den Wert V2 herab-
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am Variator auf einen zwischen V1 und V2 liegenden Wert herab, so dass der Variator seine regelnde Wirkung wieder vollkommen ausüben kann.
Nimmt jetzt der Widerstand 3 wieder zu, so nimmt die Spannung am Variator ab, bis sie den Wert V2 erreicht. In diesem Augenblick fällt das Relais ab, und der Widerstand 4 wird wieder kurzgeschlossen, wodurch die Spannung am-Variator ansteigt, u. zw. bis zu einem zwischen V1 und V2 liegenden Wert.
Es ist einleuchtend, dass die Betätigungsspannung V1 des Relais nicht kleiner als A zu sein braucht.
Es ist im Gegenteil vorteilhaft, V1 gleich A zu nehmen. Es braucht auch V2 nicht grösser als B zu sein ; es ist möglich, V2 gleich È zu nehmen.
Es ist vorteilhaft, dem Relais eine etwas verzögerte Wirkung zu geben, so dass kurzzeitige Änderungen der an dem Variator liegenden Spannung das Relais nicht betätigen können.
In den meisten Fällen wird die in Fig. 1 dargestellte Charakteristik zwischen den Grenzen A und B nicht genau horizontal verlaufen. Dies ändert jedoch nichts an den obigen grundsätzlichen Erörterungen.
In Fig. 3 sind zwei Widerstände 4 und 7 in Reihe mit dem Variator geschaltet. Beide Widerstände sind auf die an Hand der Fig. 2 beschriebene Weise kurzgeschlossen. Steigt bei kurzgeschlossenen Widerständen die Spannung am Variator zu sehr, so wird zunächst der Kurzschluss eines der Widerstände aufgehoben. Erreicht die Spannung am Variator dann aufs neue die höchstzulässige Grenze, so wird auch der Kurzschluss des zweiten Widerstandes aufgehoben. Um zu vermeiden, dass der Kurzschluss beider Widerstände gleichzeitig aufgehoben wird, können die Relais derart gebaut sein, dass das eine eine etwas höhere Betätigungsspannung als das andere besitzt, oder aber, dass die Verzögerung des einen Relais etwas grösser als die des andern ist.
Auf ähnliche Weise kann gleichzeitiges Abfallen dadurch vermieden werden, dass man die Abfallspannungen ein wenig voneinander abweichen lässt.
Bei Verwendung von mehreren Widerständen können die Relais auch auf die in Fig. 4 angegebene Weise geschaltet werden. Hier ist die Spule 8 des Relais, das den Kurzschluss des Widerstandes 7 bewirkt, nicht mit beiden Klemmen des Variators verbunden, sondern parallel zu dem Variator nebst dem Widerstand 4 geschaltet. Dieses Relais ist derart gebaut, dass seine Betätigungsspannung gleich der Summe des Spannungsverlustes in dem Widerstand 4, also gleich . R4, und der höchsten Grenze (A) des Regelungbereiches des Variators ist. Die Abfallspannung des Relais beträgt die Summe des Spannungsverlustes in dem Widerstand 4 und der unteren Grenze (B).
Es ist einleuchtend, dass die Anzahl der mit dem Variator in Reihe geschalteten Widerstände nach Bedarf erweitert werden kann. So ist z. B. in Fig. 4 noch ein dritter Widerstand 9 vorhanden. Die Spule 10 des zu diesem Widerstand gehörigen Relais ist parallel zu dem Variator nebst den Widerständen 4 und 7 geschaltet. Die Betätigungsspannung dieses Relais hat den Wert A, vermehrt um den
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B + ti (R4 + R7) beträgt. Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung hat den Vorzug, dass eine gleichzeitige
Betätigung von mehr als einem Relais unbedingt vermieden wird.
Der Unterschied in den Betätigungs- und Abfallspannungen der verschiedenen Relais kann auf einfache Weise dadurch erhalten werden, dass in Reihe mit den Erregerspulen Widerstände geschaltet werden.
Fig. 5 zeigt ein Relais, das sich zur Verwendung in der dargestellten Schaltung eignet. Dieses Relais enthält einen U-förmigen Rahmen 11 aus Messing, in dessen offenem Ende ein Eisenstäbchen 12 befestigt ist, das zwei Eisenkerne 1. 3 und 14 trägt, auf die zwei Spulen gewickelt sind. Der eiserne Anker 15 ist um die Achse 16 drehbar angeordnet und trägt einen Quecksilberschalter 17. Der Stand des Quecksilbers in bezug auf die Elektroden dieses Schalters ist in Fig. 6 bei nicht angezogenem Anker und in Fig. 7 bei angezogenem Anker angegeben. Die beiden Elektroden des Quecksilberschalters werden mit den Enden des kurzschliessenden Widerstandes verbunden.
In dem Kern 14 befindet sich eine Messingschraube 18, während durch den Rahmen 11 eine zweite Messingschraube 19 hindurchgefiihrt ist. Mit Hilfe der beiden Stellschrauben 18 und 19 können die Betätigungs-und die Abfallspannung des Relais sehr genau eingestellt werden.
Die erfindungsgemässe Schaltung kann mit Erfolg zum Konstanthalten des Stromes einer Anzahl von in Reihe geschalteten Lampen, z. B. Natriumdampflampen, angewendet werden. Parallel zu jeder Lampe kann in diesem Fall ein Widerstand (auch Durchschlagpatrone genannt) geschaltet werden, der beim normalen Betrieb der Lampe keinen Strom durchlässt, aber die Lampe kurzschliesst, sobald diese in Unordnung gerät. Es ändern sieh infolgedessen die Belastung des Stromkreises und die Spannung des Variators. Steigt diese Spannung zu sehr, so wird der in Reihe geschaltete Widerstand auf die obenbeschriebene Weise in Tätigkeit gesetzt, so dass der Strom sogar bei einer starken Belastungsänderung konstant bleibt.
Bei einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung wurde der Strom auf 5 Amp. konstant gehalten. Die dabei verwendete Eisendrahtwiderstandslampe hatte einen zwischen 30 und 85 Volt liegenden Regelbereich. Das Relais wurde so eingestellt, dass die Betätigungsspannung 85 Volt und die Abfallspannung 30 Volt betrug. Der in Reihe mit dem Variator geschaltete Widerstand betrug 10 Ohm.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Konstanthalten eines elektrischen Stromes mit Hilfe eines Variators, dessen Regelbereich eine obere Grenze A (in Volt) und eine untere Grenze B (in Volt) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Spannung des Variators sich dem Wert A nähert, unter Einfluss dieser Spannung in Reihe mit dem Variator ein Widerstand geschaltet wird, der die Spannung am Variator herabsetzt, während der Widerstand unter Einfluss der Spannung des Variators wieder ausgeschaltet wird, wenn sich diese Spannung dem Werte B nähert.