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Gleichstromverstärker, insbesondere für elektronische Regler
In. der Technik kommt es oft vor, dass die Ausgangsspannung einer Spannungsquelle genau konstant gehalten werden muss. Dies ist z. B. bei elektronischen Reglern für Konstanthaltegeräte der Fall, die eine konstante Ausgleichsspannung liefern müssen. Solche Geräte werden häufig in Laboratorien, Eichstationen, Prüfämtern usw. verwendet und müssen dann der Forderung genügen, dass ihre konstant gehaltene Ausgangsgleichspannung in weiten Grenzen, vorzugsweise von Null an, variiert werden kann.
Im allgemeinen wird bei einem elektronischen Regler für Gleichspannungs-Konstanthaltegeräte ein Teil der Ausgangsgleichspannung an einem Spannungsteiler abgegriffen, mit einer konstanten Vergleichsspannung verglichen und die sich ergebende Spannungsdifferenz nach Verstärkung in einem Gleichstromverstärker zur Steuerung mindestens einer in den Belastungsstromkreis geschalteten Leistungsröhre verwendet. Die Vergleichsspannung wird dabei entweder durch eine Batterie oder durch ein Stabilisatorröhren aufweisendes Netzanschlussgerät geliefert. Die Leistungsröhre ist anodenseitig an den Pluspol der unstabilisierten, von einem Netzgleichrichter herrührenden Gleichspannung angeschlossen und kathodenseitig mit der positiven Ausgangsklemme des Reglers verbunden.
Die Ausgangsgleichspannung ergibt sich dann in der Gleichung :
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U = EMK der vom Netzgleichrichter gelieferten, unstabilisierten Gleichspannung,
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Belastungsstrom,R = Innenwiderstand des Netzgleichrichters und Gl
Ua = Spannungsabfall an der Leistungsröhre ist.
Die Regelung der Ausgangsgleichspannung Uk beruht darauf, dass der von der Leistungsröhre gebildete Vorwiderstand im Belastungsstromkreis durch den Gleichstromverstärker derart gesteuert wird, dass die Einflüsse von Schwankungen der unstabilisierten Gleichspannung Ui und/oder des Belastungsstromes Ia auf Uk von der Leistungsröhre absorbiert werden. An den Gleichstromverstärker werden hinsichtlich Verstärkung hohe Anforderungen gestellt, wenn die Ausgangsgleichspannung von Null bis zu einigen Tausend Volt einstellbar sein muss und verhältnismässig grosse Netzspannungs- und Belastungsschwankungen ausreguliert werden müssen.
Dies ergibt sich aus folgenden Überlegungen : Die erforderliche Reguliere- nauigkeit R ist gegeben durch
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in welcher Gleichung ulve = Ausgangsgleichspannung und
Auk = verbleibende Änderung der Ausgangsgleichspannung bedeutet.
Wenn eine Änderung der Netzgleichrichterspannung mit AU (ji und die nach der Ausregulierung verbleibende Änderung des dem Gleichstromverstärker zugeführten Teiles Ug der Ausgangsgleichspannung Uk mit AU bezeichnet wird, so beträgt die erforderliche Gesamtverstärkung
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% Netzspannungsschwankungen kann für AUUk + Uv angeschlossen ist, worin Uv die Vergleichsspannung bedeutet, so ist das Spannungsteilerverhältnis
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und
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hieraus folgt :
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So ergibt sich beispielsweise Vtot für Uk = 4500 V, R = 105 (0, 01% o), Ua = 900 V, Uv = 600 V und U =
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die erforderliche Gesamtverstärkung Vtot ab, erreicht dann einen Mindestwert, um anschliessend mit wei- ter zunehmender Spannung wieder anzusteigen. Eine entsprechende Berechnung für Vt. kann man unter Berücksichtigung von Belastungsschwankupgen für den Innenwiderstand der Reglerschaltung durchführen.
Die bekannten, für Konstanthaltegeräte verwendeten Gleichstromverstärker weisen eine zu geringe Verstärkung auf, um für Einstellbereiche von Null bis zu mehreren Tausend Volt eine Reguliergenauigkeit in der Grössenordnung von 105 und darüber zu erzielen. Die für diesen Zweck erforderliche Verstärkung kann nicht einfach mit den in der Verstärkertechnik bekannten Massnahmen, wie Vergrösserung der Anodenwiderstände der Verstärkerröhren und Verwendung von zusätzlichen Verstärkerstufen gesteigert werden, da die Gefahr von Selbsterregung sehr schnell mit zunehmender Verstärkung ansteigt.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Einrichtungen ist, dass bei diesen zur Vergrösserung der Reguliergenauigkeit eine Schirmgittersteuerung im Gleichstromverstärker Verwendung findet. Bei einer solchen Steuerung wird dem Schirmgitter einer Verstärkerröhre des Gleichstromverstärkers ein von einem Spannungsteiler abgegriffener Teilbetrag der unstabilisierten Netzgleichrichterspannung U zugeführt. Diese Steuerung hat aber zur Folge, dass sie nur für einen bestimmten Wert der Ausgangsgleichspannung optimal arbeitet.
Bei einstellbarer Ausgangsgleichspanr. ung Uk bedingt sie eine gleichzeitig erfolgende Einstellung des Schirmgitterspannungsteilers. Bei den bekannten Einrichtungen erweist sich ferner auch noch als nachteilig, dass bei einem sehr grossen Einstellbereich der Ausgangsgleichspannung Ur < nicht nur der einstellbare Teil des Gitt0rspannungsteilers, sondern auch der einstellbare Teil des Schirmgitterspannungsteilers in Stufenwiderstände und einen Regulierwiderstand aufgeteilt werden muss.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichstromverstärker, insbesondere für elektronische Reg-
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gler, unter Verwendung eines Differentialverstärkers, bei dem die oben erwähnten Nachteile dadurch behoben sind, dass der Differentialverstärker eine als Kathodenfolger geschaltete Röhre, deren Steuergitter die von einem Spannungsteiler abgegriffene Eingangsspannung des Gleichstromverstärkers zugeführt ist, und eine zweite, als Verstärker geschaltete Röhre mit konstantem Gitterpotential aufweist und dass ferner Konstanthaltemittel vorgesehen sind, die sowohl zur Stabilisierung des Potentials der Anode des Kathodenfolgers als auch der Kathode mindestens einer weiteren, mit dem Kathodenfolger in Kaskade geschalte- ten Verstärkerröhre dienen.
Es zeigen : Fig. l einprinzipschaltbild eines elektronischen Reglers für ein Gleichspannungs-Konstant- haltegerät und Fig. 2 die Schaltung für den Gleichstromverstärkerteil B des Reglers gemäss der Fig. l.
In der Fig. 1 ist A eine von einem Netz 1 gespeiste Gleichspannungsquelle, die eine konstant gehaltene Vergleichsspannung Uv liefert, welche über mehrere Stunden weniger als 0, 01 % ovom Sollwert abweicht. Diese Vergleichsspannung wird in einem Gleichstromverstärker B mit einem Teil Ug der Summenspannung, bestehend aus der konstant gehaltenen Vergleichsspannung Uv und der konstant zu haltenden Ausgangsgleichspannung Uk verglichen, welcher Teil von einem Spannungsteiler 2-3-4 abgegriffen wird. Der Gleichstromverstärker B steuert eine Leistungsstufe C, die in Reihe mit dem zwischen den Klemmen 5, 6 angeschlossenen und von einem Netzgleichrichter D gespeisten Verbraucher liegt, welcher in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
Die Leistungsstufe C enthält mindestens eine Leistungsröhre, deren Steuergitter mit dem Ausgang des Gleichstromverstärkers B verbunden ist. Treten Netzspannungs- oder Belastungsschwankungen auf, so ändert sich die Steuerspannung der Leistungsröhre derart, dass die an ihr hervorgerufene Änderung ihres Spannungsabfalles die Schwankungen ausgleicht. Mit dem Einstellwiderstand 2 wird ein gewünschter Wert der Ausgangsspannung Uk eingestellt. Ist der Widerstandswert des Einstellwiderstandes 2 gleich Null, so ist die Ausgangsgleichspannung Uk auch Null.
In der Fig. 2 ist die Schaltungsanordnung des Gleichstromverstärkers B dargestellt. Er enthält zwei Röhren 7 und 8, die in einer Differentialverstärkerschaltung angeordnet sind und einen gemeinsamen Kathodenwiderstand 9 aufweisen. Die Röhre 7 ist als Kathodenfolger geschaltet und erhält, ihre Anodenund Schirmgitterspannungvon einer Serienschaltung von drei Stabilisatorröhren 10, 11 und 12, die in Reihe mit einem Widerstand 13 an die konstant gehaltene Vergleichsspannung Uv angeschlossen sind. Die Eingangsspannung Ug des Differentialverstärkers wird vom Widerstand 4 des Spannungsteilers 2, 3, 4 abgegriffen und dem Steuergitter 14 der Röhre 7 zugeführt. Die zweite Röhre 8 des Differentialverstärkers ist als Verstärkerröhre geschaltet.
Ihr Steuergitter 15 und ihr Schirmgitter 16 sind an Spannungsteiler 17, 18 bzw. 19, 20 angeschlossen, die an der konstant gehaltenen Vergleichsspannung Uv liegen. Die Anode 21 der Röhre 8 ist über einen hochohmigen Anodenwiderstand 22 von beispielsweise 5 Megohm an den Pluspol 23 der Vergleichsspannung Uv angeschlossen und gleichzeitig mit dem Steuergitter 24 einer zweiten. mit dem Kathodenfolger 7 in Kaskade geschalteten Verstärkerröhre 25 verbunden.
Die Anode 26 der Verstärkerröhre 25 ist ebenfalls über einen hochohmigen Widerstand 27 in der Grössenordnung von 10 Megohm, dessen Wert der maximal erzielbaren Verstärkung angepasst ist, an eine unstabilisierte Hilfsspalli'1ungs- quelle UGl angeschlossen, deren Minuspol mit dem Pluspol der Ausgangsgleichspannung Uk verbunden
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immer noch eine genügend grosse Spannung für den Betrieb der Röhre 25 zur Verfügung steht. Sowohl die Kathode 28 der Verstärkerröhre 25 als auch die Anode 29 der Röhre 7 erhalten ein festes Bezugspotential mittels der Stabilisatorröhren 10, 11, 12.
Die dargestellte Schaltungsanordnung arbeitet folgendermassen : Wird angenommen, dass infolge abnehmender Netzspannung oder zunehmender Belastung die Ausgangsgleichspannung Uk sinkt. so sinkt auch der Teilbetrag Ug derselben. Hiedurch geht das Potential am Steuergitter 14 der Röhre 7 zurück und demzufolge auch die Spannung über dem Kathodenwiderstand 9. Die negative Vorspannung des Steuer- gitters 15 der Röhre 8 wird somit kleiner. Dies hat eine entsprechende Vergrösserung des Anodenstromes der Röhre 8 zur Folge, wodurch der Spannungsabfall am Anodenwiderstand 22 grösser wird.
Demzufolge sinkt das Potential des Steuergitters 24 der zweiten Verstärkerröhre 25 und, da das Potential ihrer Kathode 28 konstant gehalten wird, kommt die Änderung der Anode 21 der Röhre 8 als Änderung der Steuergitterspannung der Verstärkerröhre 25 voll zur Wirkung. Der Anodenstrom der Verstärkerröhre 25 geht daher zurück, wodurch der Spannungsabfall am Anodenwiderstand 27 kleiner und damit die Steuergitterspannung UgL L der Leistungsstufe C weniger negativ wird. Der Spannungsabfall an der Leistungsstufe C sinkt infolgedessen um einen Betrag, der so gross ist, dass er die sonst auftretende Änderung der Ausgangsgleichspan- nung Uk gerade ausgleicht.
Da die Anodenspannung der Verstärkerröhre 25 von der Ausgangsgleichspannung Uk abhängig-ist und letztere bis zu mehreren Tausend Volt betragen kann, ist als Verstärkerröhre 25 eine solche zu wählen, die eine Anodenspannung in dieser Grössenordnung zulässt. Hiezu eignen sich ge-
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wisse Trioden, welche mit Anodenspannungen bis zu 8000 V und mehr betrieben werden können.
Damit die Steuerung der Leistungsstufe C nicht durch Heizspannuugsschwankungen und Brummspannungen beeinflusst wird, werden die Röhren 7 und 8 mit der Vergleichsspannung Uv geheizt, welche von dem in der Fig. 2 mit A bezeichneten Vergleichsspannungsgerät geliefert wird. Da der von diesem Gerät abgenommene Heizstrom verglichen mit den Änderungen in den Anodenströmen der Röhren 7 und 8 sehr gross ist, kann man das Gerät A als praktisch konstant belastet betrachten. Dadurch lässt sich mit dem Gerät A die Vergleichsspannung Uv mit relativ geringem Aufwand sehr genau konstant halten.
Infolge der hohen Verstärkung und dadurch, dass sich die Einflüsse von Schwankungen der Heiz- und Hilfsgleich- spannung Ui teilweise aufheben, erübrigt sich eine Stabilisierung der Heizspannung der Verstärkerröhrf.
25. Wenn z. B. die Heizspannung der Verstärkerröhre 25 zunimmt, nimmt auch deren Anodenstrom zu, wodurch das Potential ihrer Anode 26 abnehmen würde. Da aber die Hilfsgleichspannung U (7l VOn demselben Netz herrührt und somit denselben Schwankungen ausgesetzt ist wie die Heizspannung, wird dieser Potentialrückgang teilweise ausgeglichen. Der weitere noch erforderliche Ausgleich erfolgt durch die Schaltungsanordnung selber.
Mit geeigneten Leistungsröhren in der Leistungsstufe C lässt sich mit der dargestellten Schaltungsanordnung mit geringem Aufwand eine Gesamtverstärkung von rund 12-106 erzielen, ohne dass eine Selbsterregung auftritt. Eine solche Verstärkung, die bei den in Frage stehenden Geräten bisher nicht erzielt werden konnte, ist nur dann erreichbar, wenn der Einfluss einer Spannungsänderung AUg am Widerstand 4 als Gitterkathodenspannungsänderung an den Röhren 8 und 25 voll zur Wirkung kommt und jede Verstärkerstufe optimal bemessen ist. In der dargestellten Schaltung sind dazu die Stabilisatorröhren 10, 11 und 12 vorgesehen, welche die Anode 29 der Röhre 7 und die Kathode der Verstärkerröhre 25 auf festem Bezugspotential halten.
Zum gleichen Zweck könnte ebensogut eine separate, stabilisierte Hilfsspannung ; - quelle verwendet werden.
Wegen der mit der dargestellten Schaltungsanordnung erreichten hohen Verstärkung ergibt sich der Vorteil, dass sich eine sogenannte Schirmgittersteuerung mit einem dazu gehörigen. einstellbaren Spannungsteiler für die erste Verstärkerröhre 8 erübrigt.
Die grosse Reguliergenauigkeit, die mit der beschriebenen Einrichtung erzielt wird, ergibt eine derartige Konstante der Ausgangsgleichspannung Uk, dass jetzt eine dekadische Unterteilung des einstellbaren Teilwiderstandes 2 des Gittersparnungsteilers 2. 3, 4 sinnvoll wird. Dadurch ergibt sich die weitere Möglichkeit, die sich aus der Einstellung des Teilwiderstandes 2 ergebende Ausgangsgleichspannung Uk mittels eines Normalelementes zu eichen.
Wünscht man noch grössere Reguliergenauigkeit als die mit der beschriebenen Schaltungsanordnung erreichte zu erzielen, so wird statt der Stabilisatorröhren 10, 11, 12 eine separate, stabilisierte Hilfsspannung vorgesehen. Zweckmässigerweise wird dazu eine Kathodenfolgerstufe an die Vergleichsspannung Uv angeschlossen und die Spannungen für die Anode 28 der Röhre 7 und das Schirmgitter 30 derselben von einem im Kathodenkreis dieses Kathoaenfolgers geschalteten Spannungsteiler.. abgegriffen. Die Heizung dieser Röhren erfolgt wiederum durch die Vergleichsspannung Uv.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gleichstromverstärker, insbesondere für elektronische Regler, unter Verwendung eines Differentialverstärkers, dadurch gekennzeichnet, dass der Differentialverstärker eine als Kathodenfolger geschal -
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zur Stabilisierung des Potentials der Anode (29) des Kathodenfolgers (7) als auch der Kathode (28) mindestens einer weiteren, mit dem Kathodenfolger (7) in Kaskade geschalteten Verstärkerröhre (25) dienen.