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Stromversorgungsanlage mit geregelter Speisung des Verbrauchers Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Stramversorgungsanlagen, bei der der Verbraucher vom Wechselstromnetz über Trockengleichrichter gespeist ist und die Speisung des Verbrauchers regelbar ist, wobei vorzugsweise die Verbraucherspannung konstant gehalten wird.
Es ist für solche Zwecke bekannt geworden, die Regelung der Speisung von Verbrauchern mittels gleichstromvormagnetisierter Drosseln durchzufüh-
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mässig aufwendig, insbesondere wenn es sich nur um die Lieferung relativ kleiner Gleichstromleistungen handelt.
Ferner sind nach der USA-Patentschrift Nr.
2, 751, 549 Stromversorgungsanlagen bekannt geworden, bei denen mindestens zwei Transistoren von entgegengesetzter Leitfähigkeitsschichtenfolge, d. h. der p-n-p-und n-p-n-Type, benutzt werden.
Dabei die Last von der Gleichstromquelle z. B. über die Emitter-Kollektor-Strecke des einen Transistors vom p-n-p-Typ gespeist. Parallel zur Last liegen zwei Stromzweige, von denen der erste aus der Reihenschaltung eines temperaturabhängi- gen Widerstandes von positivem Temperaturkoeffizienten sowie eines einstellbaren Widerstandes und der zweite aus der Reihenschaltung einer Zenerdiodc, die auf ihrem Zenerkennlinienteil betrieben wird, und eines Ohmsohen Wid'erstandes besteht, so dass eine mit ihren Eingangsklemmen an der Verbraucherspannung liegende Brückenschaltung vorhanden ist. An den Ausgangsklemmen dieser Brücke liegt mit seiner Emitter-Basis-Strecke ein
Transistor vom n-p-n-Typ derart, dass seine Basis positiv gegenüber seinem Emitter ist.
Der Kollektor des zweiten Transistors vom n-p-n-Typ ist mit seinem Kollektor an die Basis des ersten Transistors vom p-n-p-Typ angeschlossen. Bei anwachsender
Lastspannung wird wegen der konstantbleibenden
Spannung an der Zenerdiode, welche zu. folge des mit ihr in Reihe liegenden Widerstandes, wie an- geführt, auf ihrem Zenerkennlinienteil arbeitet, der
Zustand der Brücke derart verändert an ihren Aus- gangsklemmen, dass die Spannungsdifferenz Basis
Emitter am zweiten Transistor geringer wird. Hie- durch wird, der Strom über die Kollektor-Basis- Strecke dieses zweiten Transistors geringer.
Da dieser Strom zugleich Steuerstrom über die EmitterBasis-Strecke des ersten Transistors vom p-n-p-Typ is :, wird dessen Emitter-Kollektor-Strecke in ihrer Durchlässigkeit herabgesteuert, der Strom über diese sinkt und damit auch die Verbraucherspannung, bis der vorher eingetretene Verbraucherspannungs- anstieg wicder ausgeglichen ist.
Bei dieser bekannten Anordnung wurden also Transistoren in einer Schaltung benutzt, in welcher sie in Richtung ihrer Durchlässigkeit bzw. Sperrung stetig gesteuert werden. Stetig gesteuerte Transistoren können aber nur eine kleine Durchgangsleistung wegen der anfallenden Stromwännever- luste führen.
Die Erfindung bringt eine neuartige
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barer Speisung des Verbrauchers unter Benutzung von Transistoren, bei welcher erfindungsgemäss die Speisung des Verbrauchers vom Wechselstromnetz über einen Trockengleichrichter und einen nachgeschalteten, als Schalttransistor betriebenen Transi- stor erfolgt, der in Abhängigkeit von der Verbracherspannung durch einen Taktgeber entsprechend rhythmisch in den Sättigungs-und den Sperrzur stand übergefühTt wird, und dass ein Glättungssystem aus einer Längsdrossel und vorzugsweise einem nachgeschalteten Querkondensator voliges- hen ist für die Lieferung der Verbraucherenergie im Sperrzustand des Transistors,
wobei die Eingangsspannung des Glättungsg1iedes durch einen spannungsabhängigen Widerstand überbrückt wird, welcher die normale Betriebsspannung sperrt, jedoch für die von den B1indwidersta. ndsgliBdern der Glättungseinriohtung gelieferte Energie durchlässig ist.
Ein Transistor wird beim Betrieb als Schalttran- sistor. sprunghaft entweder in den Zustand seinel
Sperrung oder den Zustand seiner grössten Durch- lässigkeit übergeführt, so dass entweder durch'ihr nur ein sehr kleiner Strom fliesst oder an ihm nu] eine sehr kleine Spannung in Durchlassrichtung besteht, so dass er also keine grosse Stromwärme verlustleistung entwickelt.
Er kann daher wesent lich höher belastet werden, als es bei einer stetiger
Aussteuerung vom Zustand seiner Sperrung mi beliebigen Steuerwerten auf beliebige Zwischen
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werte der Durchlässigkeit zwischen der Sperrung und der grössten Durchlässigkeit an seiner EmitterKollektor-Strecke der Fall ist.
Da bei der erfindungsgemässen Anordnung die Steuerung des Transistors als Schalttransistor in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung bzw. der Verbrauoherspannung des Systems erfolgt, ist es notwendig, eine galvanische Trennung in dem Steuersystem zwischen der Verbraucherspannung und dem Steuerkreis des Transistors vorzusehen.
Diese galvanische Trennung kann entweder durch den Schaltungsaufbau des Taktgebers selbst vorgegeben sein, oder sie kann besonders vorgesehen werden, indem der Taktgeber z. B. über einen Transformator oder über Kondensatoren an den Steuerkreis des Schalttransistors mittelbar oder unmittelbar angeschlossen ist.
Die Verwendung eines Schalttransistors hat mehrere Vorteile. Einmal wird hiebei bei einem gegebenen Transistor eine verhältnismässig grosse Be- lastbarkeit erzielt. Zum andern entstehen im Transistor nur geringe Verluste, so dass man hier, ebenso wie bei der magnetischen Regelung, von einer verlustlosen Regelung sprechen kann.
In Verbindung mit der grundsätzlichen Erfindung, wie sie im Vorstehenden angegeben worden ist, kann es sich als zweckmässig erweisen, für die Steuerung des Schalttransistors nur Impulse zu benutzen. Das kann insbesondere dann zweckmässig sein, wenn für die galvanische Trennung der Schalttransi5toranord. nung und der Taktgeberein- richtung, welche abhängig von der Verbraucherspanung gesteuert wird, ein Transformator benutzt wird. Wird nämlich ein solcher Transformator mit Halbwellen von ungleich langer Dauer gespeist, so wird er leicht in den Sättigungszustand übergeführt, wonach dann also eine spannungslose Zeitspanne entsteht, in welcher der Transistor nicht mehr gesteuert werden würde.
Erfindungsgemäss wird daher in einer entspre-
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ein Transistor benutzt werden, dessen Steuerung einerseits in Abhängigkeit von dem gelieferten Spannungsimpuls erfolgt und anderseits abhängig von der Spannung an der Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors. Für die Erzielung dieses Effektes liegen vorzugsweise der Steuerkreis des Schalttransistors und der Arbeitskreis des Hilfstransistors an der gleichen Speisespannung, welche z. B. gegeben ist durch die vom Trockengleichrichter gelieferte Spannung. Beiden Kreisen ist dabei vorzugsweise ein Widerstand gemeinsam, welcher den Arbeitsstrom des Hilfstransistors begrenzt und im gesättigten Zustand des Hilfstransistors die Steuerspannung des Schalttransistors zum Verschwinden bringt.
Durch die Eigenart der Schaltung, nämlich dass in diesem Falle die Emitter Kollektor-SpannungdesSchalttransistorsdieSteuer spannung des Hilfstransistors darstellt, wird gleichzeitig erreicht, dass bei einer strommässigen Überlastung des Schalttransistors der Hilfstrajisistor tge- sättigt wird und auf diese Weise den Schalttransistor in den gesperrten Zustand überführt. Der Schalttransistor wird somit vor unzulässigen Strombelastungen geschützt.
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schiedene Einrichtungen benutzt werden. So eignet sich z. B. eine Anordnung, in welcher eine Wechselspannung einer Gleichspannung überlagert ist und durch entsprechende Steuerung der Gleichspannung die Wechselspannung so verlagert wird, dass sich, bezogen auf eine Nullinie, zeitlich ungleich lange Halbwellen ergeben.
Eine gleichartige Wirkung lässt sich. auch erreichen unter Benutzung eines entsprechenden Wechselstromes in Verbindung mit einem entsprechenden Gleichstrom, wenn der Wechselstrom eine geeignete kurvenform hat. Die Gleichspannung bzw. der Gleichstrom, welche verändert werden für die Erzielung der verschiedenen Zeitwerte, während welcher die eine Halbwelle der Wedhselspannung bzw. des Wechselstromes und die unmittelbar nachfolgende Halbwelle der Wechselspannung bzw. des Wechselstromes wirksam wird, kann beispielsweise ein Wert sein, der sich aus einem Vergleich zwischen der Regelgrösse der Anordnung und der für diese vorgegebenen Sollgrösse, also in Form einer entsprechenden Differenz, ergibt.
Weiterhin kann als Taktgeber ein Transistor-verstärker benutzt werden. Dieser kann gegebenenfalls als Gegentaktverstärker aufgebaut sein. Er kann dabei auch mit einer Rückkopplungseinrichtung arbeiten, welche durch einen Kondensator die Länge der einen Halbwelle des Taktes bestimmt, während die Länge der andern Halbwelle des Tak- tes'durch die Höhe der dem Verstärker zugeführ- ten Steuerspannung bestimmt wird.
Damit diese Steuerspannung eindeutig nach Grösse und Richtung ein Abbild der Verbraucherspannung in Abweichung von einem Normalwert wiedergibt, wird die Einspeisung eines solchen Ver- stärkers vorzugsweise mittels einer Spannung durchgeführt, die als Ausgangsspannung einer Brückenschaltung gewonnen wird, wobei mindestens einer der Brückenzweige als niohtlinearer Widerstand 'ausgebildet ist, während in den ändern Zweigen lineare Widerstände liegen und die Brücke an ihrer Eingangsdiagonale mit der Verbraucherspannung gespeist ist.
EinebeispielsweiseschaltungsmässigeAusführung für die Anwendung der Erfindung veranschaulicht die Figur der Zeichnung.
Das Schaltungssystem ist mit seinen Klemmen
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a, b an ein Wechselstromnetz angeschlossen, während an die Ausgangsklemmen c und d der zu speisende Verbraucher angeschlossen wird. über einen Transformator 1 wird der Gleichrichter 2 gespeist, dem der Ladekondensator 3 nachgeschaltet ist. 4 bezeichnet den Transistor, der in der Einrichtung als Schalttransistor benutzt wird. 11 bezeichnet die Längsdrossel des Glättungssystems und 12 dessen Querkondensator. Der Reihenschaltung aus der Glättungsdrossel 11 und dem Kondensator 12 liegt der spannungsabhäng1ge Widerstand 10 in Form eines Ventils parallel. Es liegt also an der Eingangsspannung des Glättungssystems 11-12.
5 bezeichnet den Hilfstransistor der Anordnung, über welchen der Schalttransistor 4 mittelbar gesteuert wird. Aus diesem Grunde ist die EmitterKollektor-Strecke des Hilfstransistors 5 an die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 4 angeschlossen, und zwar über den Widerstand 9 oder gege- benenfalls über das gestrichelt eingetragene Ventil 30. Ausserdem ist aber nach der Schaltung die Steuerstrecke des Hilfstransistors 5 über den Wi- derstand 6 und das Ventil 7 an die Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors 4. angeschlossen.
Aus dieser Schaltung ergibt sich die Eigenart eines solchen Zusammenwirkens von Schalttransistor 4 und 5, dass sie ein bistabiles System in der Weise bilden, dass, wenn der Hilfstransistor 5 gesättigt ist, der Schalttransistor 4 sperrt und umgekehrt, wenn der Transistor 5 sperrt, der Transistor 4 ge- sättigt ist. Zur Überführung von dem einen Zustand in den'ändern genügt ein zusätzlicher, von aussen eingeführter Spannungsimpuls positiver bzw. negativer Richtung auf die Steuerstrecke des Hilfstransistors 5.
Diese Impulse werden geliefert über den Transformator 13 von dem Taktgeber T, der an seinem Eingang über den Widerstand 24 mit einer Steuerspannung gespeist ist, die abgeleitet wird von einer Brückenschaltung B, die an ihrem Eingang eingespeist ist mit der zu regelnden, an den Klemmen c und d herrschenden Verbraucherspannung. Der Taktgeber T ist in diesem Falle in Form eines rückgekoppelten Transistorverstärkers in Gegentaktsehaltung aufgebaut. Die beiden Transistoren dieses Verstärkers sind mit 15 und 16 bezeichnet. Sie liegen in Reihe mit Belastungswiderständen 17 bzw. 18 über einen gemeinsamen Vorwiderstand 14 an einer durch + und-angedeu- teten Hilfsgleiohspannung. Die Transistoren werden gesteuert über Widerstände 19 bzw. 20.
Sie sind ferner rückgekoppelt über die Widerstände 21 bzw. 22 von dem Ausgang des jeweiligen andern Transistors. Ein Kondensator 23 parallel zu dem einen Rückkopplungswiderstand 22 bewirkt, dass die Transistorschaltung T eine Wechselspannung an ihrem Ausgang abgibt, deren eine Halbwelle in ihrer Zeitdauer durch die Bemessung der Widerstände 21 und 22 und des Kondensators 23 bestimmt wird, während die Zeitdauer der andern Halbwelle durch die Höhe der der Transistorschaltung aus der Brücke B zugeführten Steuerspan- nung bestimmt wird. Die Brücke B besteht aus vier
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Die Brückespannung, die dem Taktgeber T zugeführt wird.
Das ergibt sich daraus, dass der Spannungsabfall an dem nichtlinearen Widerstand 27 mit zunehmender Strombelastung weniger stark ansteigt als der Spannungsabfall an den in der Brücke enthaltenen linearen Widerständen 26,28 und 29. Die Brücke kann z. B. so abgeglichen sein, dass bei der Sollspannung an den Klemmen c, d, die von der Brücke an den Taktgeber T abgegebene Steuerspannung den Wert Null besitzt. Bei Vergrösserung der Ausgangsspannung über den Sollwert würde
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am spannungsabhängigen Widerstand 27 ein positives Potential gegenüber dem anderen Anschlusspunkt der Ausgangsspannung zwischen den Widerständen 28 und 29 ergeben.
Umgekehrt wird bei Verminderung der Ausgangsspannung an den Klemmen c, d an dem Anschlusspunkt zwischen d : n, Widerständen 28 und 29 ein positives Potential gegenüber dem Anschlusspunkt am spannungsabhängigen Widerstand 27 vorhanden sein. Die Ausgangsspannung der Brücke B ist demnach in
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von der GrösseSpannung an den Klemmen c, d einen bestimmten positiven oder negativen Wert besitzt, und dass bei Abweichungen der Ausgangsspannung an c, d vom Sollwert diese Ausgangsspannung der Brücke zuoder abnimmt bzw.
umgekehrt. Die vom Brücken-
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Zeitdauer durch die Bemessung der Schaltelemente bestimmt ist, während die Zeitdauer der anderen Halbwelle veränderbar ist durch Änderung der Höhe der der Anordnung am Eingang des Takt-
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zugeführten Steuerspannung.Die Steuerung des Schalttransistors 4 über den Hilfstransistor 5 von dem Taktgeber T, der seiner-
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zur Folge, dasszwar in dem Sinne, dass diese Ausgangsspannung in den Grenzen konstant gehalten wird,'die durch die Genauigkeit, insbesondere des Arbeitens der Brückenschaltung B, bestimmt wird.
Der Transistor 4 arbeitet zusammen mit den angegebenen Einrichtungen in der Weise, dass vom Gleichrichter 2 als Mittelwert ein Strom geliefert wird, der übereinstimmt mit dem Mittelwert desjenigen Ver- brauoherstromes über die Klemmen c und d, der bei dem Widerstand des gerade an den Klemmen c, d liegenden Verbrauchers sich beim Vorhandensein einer Spannung von Wert der Sollspannungen an den Klemmen c, d ergeben würde.
Die bereits erwähnten Ventile 7 und 30 stellen ihrem Charakter nach spannungsabhängige, nichtlineare Widerstände mit Sehwellwertcharakter dar. Sie verursachen dementsprechend in dem betreffenden Stromkreis einen Spannungsabfall, der weit- gehend unabhängig ist von der Höhe des in diesem Kreis fliessenden Stromes, sobald dieser Strom einen Mindestwert überschreitet. Ihre Funktion im vorliegenden Falle ist vergleichbar mit einer Gegenspannung, die in dem betreffenden Stromkreis eingeschaltet ist, so dass praktisch erst ein Strom flie- ssen kann, - wenn die aussen angelegte Spannung grösser ist als diese Gegenspannung. Eine solche Anordnung ist im Zusammenhang mit der Erfindung vorteilhaft, weil die Emitter-Kollektor-Spannung eines Transistors,
die im'vorliegenden Falle als Steuerspannung für den anderen Transistor benutzt wird, niemals auf den Wert Null herabgesetzt werden kann, sondern auch bei voller öffnung des Transistors noch einen messbaren Wert besitzt. Es soll aber kein Steuerstrom über den anderen Transistor auftreten, wenn der jeweilig andere Transistor voll geöffnet ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Stromversorgungsantage mit geregelter Speisung eines Verbrauchers von einem Wechselstromnetz über einen Trodkengleichrichter unter Benutzung von Transistoren, dadurch gekennzeichnet, dass dem Trockengleichrichter (2) ein als Schalttransistor abhängig von der Verbraucherspannung (c-d) in der rhythmischen Überführung in seinen Sättigungszustand und Sperrzustand gesteuerter Transistor (4) nachgeschaltet ist sowie eine Glättungsein- richtung (11-12), welche im. Sperrzustand des Schalttransistors.
(4) die Energielieferung an dem Verbraucher (c-d) übernimmt, wobei die Glättungseinrichtung (11#12) durch einen an der Eingangsspannung der Glättungseinnchtung liegenden spannungsabhängigen Widerstand (10) über- drückt ist, der für die im Sperrzustand des Schalttransistors (4) von der Glättungseinrichtung (n-22) gelieferte Energie durchlässig ist.