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Schaltung zur Steuerung eines Gleichstromenergie benötigenden elektrischen Verbrauchers
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur verlustarmen Steuerung eines Gleichstrom-Energie benötigenden elektrischen Verbrauchers. Zur verlustarmen Regelung eines Elektromotors ist das Verfahren der sogenannten spasmodischen Regelung bekannt. Bei diesem Verfahren werden dem zu regelnden Motor elektrische Gleichstromimpulse mit vorzugsweise gleicher Amplitude zugeführt, deren relative Impulsdauer, d. h. das Verhältnis von Impulsdauer zur Dauer der Impulslücke, geändert wird, womit sich auch die Gleichstromaufnahme des Motors verändert.
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Erzeugung der Gleichstromimpulseteile ; ein Nachteil ist das störende Geräusch der Unterbrecher, ein weiterer Nachteil sind die mit dem
Betrieb des Unterbrechers verbundenen Vibrationen.
Ferner ist das Kontaktproblem derartiger mechanischer Unterbrecher schwer zu lösen.
Für kleine Leistungen ist es auch bekannt, aus einer fluktuierenden Gleichspannung Leistungsimpulse veränderbarer Dauer zu gewinnen, die zur Steuerung eines Verbrauchers dienen. Die Leistungsimpulse werden dabei in einem aus elektronischen Elementen aufgebauten Gleichstrom-Verstärker mit rückgekoppelter Verstärkerstufe (astabiler Kipper) gewonnen, der ein Steuer-Gleichstrom zugeführt wird. Eine solche Schaltung weist Nachteile auf, da innerhalb des Verstärkers ein Spannungsvergleich mit einer besonderen Hilfsspannungsquelle und mehreren Dioden notwendig Ist. Auch ist der Steuerbereich einer solchen Anordnung beschränkt.
Nach der Erfindung ist eine R-C-Glieder enthaltende Rechteck-Generatorstufe (Multivibrator) vorgesehen, von welcher die Lade- und Entladevorgänge an den Kondensatoren als Steuersignal einem Gegentakt-Gleichrichter-Verstärker zugeführt sind, dessen Arbeitswiderstand als Potentiometer ausgebildet ist, wobei die am Ausgang dieses Gegentakt-Gleichrichter-Verstärkers auftretenden, durch das Potentiometer in ihrer Amplitude veränderbarenSpannungsspitzen dem Eingang einer durch eine Schmitt-Trigger-Schaltung dargestellten Impulsformerstufe zugeführt sind, so dass Rechteckimpulse veränderbarer Dauer in Abhängigkeit des Verhältnisses der Amplitude der Spannungsspitzen zum Eingangsschwellwert der SchmittTrigger-Schaltung entstehen,
und ein die Leistungszufuhr zum elektrischen Verbraucher steuernder elektronischer Leistungsschalter vorgesehen ist, der mit dieser Rechteck-Impulsfolge angesteuert wird. Vorzugsweise ist der Schmitt-Trigger-Schaltung ein weiteres elektronisches Verstärkerelement nachgeschaltet, welches die von der Schmitt-Trigger-Schaltung gelieferte Impulsfolge derart verstärkt, dass der ihm nachgeschaltete elektronische Leistungsschalter während der Impulsdauer bis in den gesättigten Bereich ausgesteuert wird.
Die Schaltung kann so aufgebaut sein, dass ein von der Rechteck-Impulsfolge am Ausgang der Impulsformerstufe gesteuerter elektronischer Schalter zur Tastung einer Treiberstufe vorgesehen ist, welche von einem eine Wechselstrom-Impulsfolge höherer Frequenz als die Gleichstrom-Impulsfolge erzeugenden Multivibrator gespeist wird, so dass in der Treiberstufe eine mit der Gleichstrom-Impulsfolge modulierte Wechselstrom-Impulsfolge entsteht, und dass der Ausgang der Treiberstufe über eine Leistungsendstufe und zur Impedanz-Transformation über einen Transformator an einen Brücken-Gleichrich-
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tet aber, dass zirka 235 Watt als Verlustleistung in Wärme umgesetzt werden.
Erfolgt die Speisung der gesamten Anordnung aus einer Gleichstrombatterie, so ist ersichtlich, dass die Batterie länger zur Speisung herangezogen werden kann, falls sich diese Wärmeverluste vermeiden lassen.
Die Impedanz-Wandlerstufe besteht aus einem Multivibrator E der Treiberstufe F und der Leistungsendstufe G. In dem Multivibrator werden rechteckförmige Wechsel-Impulse erzeugt, die in der Treiber- stufe F verstärkt und der Leistungsendstufe G über den Transformator Tr2 zugeführt werden. Die Leistungsendstufe G bewirkt über den Transformator Tri eine Impedanzwandlung und damit eine Stromübersetzung.
In dem Gleichrichter Grl wird die rechteckförmige Wechsel-Impulsfrequenz in ein Gleichstromsignal umgewandelt, das der am Ausgang der Impulsformerstufe C auftretenden Gleichstrom-Impulsfolge entspricht. Dieses Signal wird dem Leistungsschalter D als Steuersignal zugeführt.
Dem Transistor T5 wird über eine Zenerdiode ZDI das am Ausgang der Schmitt-Trigger-Schaltung auftretende Impulssignal mit steuerbarem Tastverhältnis zugeführt. Der Transistor T5 arbeitet als elektronischer Schalter, welcher entsprechend seinem zugeführten Steuersignal öffnet und schliesst. Die Anordnung in Verbindung mit der Treiberstufe F ist so gewählt, dass die Transistoren T7a und T7b emitterseitig über den Transistor T5, entsprechend seinem Tastverhältnis an den positiven Pol der Speisespannungsquelle angeschaltet bzw. von diesem abgeschaltet werden. Das bedeutet, dass die Treiberstufe F entsprechend dem Impulssignal durch den Transistor T5 ein-bzw. ausgeschaltet wird.
Die weitere Funktionsweise ist nun folgende :
Der Multivibrator E liefert im Gegentakt eine rechteckförmige Wechsel-Impulsfrequenz, welche über die Kondensatoren C2a und C2b der aus den Transistoren T7a und T7b bestehenden Treiberstufe F zugeführt wird.
Entsprechend dem Tastverhältnis des den Transistor T5 steuernden Signals wird die Treiberstufe einund abgeschaltet. Sie verstärkt dieses Signal und führt es über den Transformator Tr2 den Transistoren T8a und T8b der Leistungsendstufe G zu. Ist der Transistor T5 beispielsweise gesperrt, so kann innerhalb der Treiberstufe F keine Verstärkung erfolgen und die Leistungsendstufe E erhält über den Transformator Tr2 kein Steuersignal. Ist dagegen der Transistor T5 leitend, dann wird der Treiberstufe F das positive Potential der Speisespannungsquelle zugeführt, sie verstärkt und liefert über Transformator Tr2 ein Steuersignal zur Endstufe G.
Es ist somit die am Ausgang der Stufe C auftretende Gleichstrom-Impulsfolge mit veränderlichem Tastverhältnis in eine modulierte Wechselstrom-Impulsfolge umgewandelt worden, deren Träger-Frequenz durch die Frequenz des Multivibrators E bestimmt ist. Diese Träger-Freql ens ist um ein Vielfaches grösser als die Impuls-Modulations-Frequenz, die durch den Multivibrator A erzeugt wird. Der so entstehende Impulszug wird der Endstufe G als Steuersignal zugeführt.
Die Leistungsendstufe G verstärkt die ihr über den Transformator Tr2 zugeführte modulierte Wechselstrom-Impulsfolge und führt das verstärkte Signal dem Transformator TrI zu, welcher eine Impedanz-
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Die Leistungsendstufe G zeigt nun in sich noch einige Besonderheiten. Da die Stufe erstens für optimale Leistungsabgabe, zweitens aber auch für möglichst gute Übertragungseigenschaften einer rechteckförmigen Impulsfolge ausgelegt werden muss, wird eine bisher nicht bekannte Schaltungsanordnung benutzt. Die Primärwicklung des Transformators Tri Ist in zwei Wicklungsgruppen aufgespalten, wovon Teil l, bestehend aus der Wicklung Wla und Wlb, die Gegentaktwicklung für den Kollektor-Ausgangskreis der Transistoren T8a und T8b darstellt. Gleichzeitig wird jedoch ein Teil der Ausgangsleistung der Transistoren T8a und T8b in Kollektorschaltung über den Emitter und in Verbindung mit dem Teil 2 der Wicklung, bestehend aus der Gegentaktwicklung W2a und W2b, abgeführt.
Die reine Kollektorschaltung weist zwar eine sehr hohe Stabilität und hohe Verzerrungsfreiheit auf, sie ermöglicht jedoch nur eine relativ kleine Ausgangsleistung ; anderseits hat die reine Emitterschaltung zwar den Vorteil einer grossen Ausgangsleistung, jedoch müssen in dieser Schaltungsart besondere Vorkehrungen für Stabilität und Verzerrungsfreiheit getroffen werden. Durch die einen Teil der Erfindung darstellende Schaltungsausbildnng der Stufe G werden eine ausreichende Stabilität und Verzerrungsfretheit bei verhältnismässig hoher Ausgangsleistung erreicht.
Weiterhin wird durch eine Rückführung, beispielsweise durch die Kondensatoren C3a, C3b und die Widerstände Wi5a, Wi5b die Ausgangskurvenform sehr stark verbessert, so dass sie steilflankigen Rechteckimpulsen entspricht. Selbstverständlich kann beispielsweise die Sekundirwicklung des 1l'ansformatB"s Tri wegfallen und in die Emitterwicklung W2a und W2b einbezogen werden.
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Der Transistorleistungsschalter D speist den einen komplexen Widerstand darstellenden Verbraucher R.
Diesem Verbraucher ist ein Ventil V parallel geschaltet, dessen Durchlassrichtung der Stromrichtung der von dem aus den Transistoren Tn bestehenden Leistungsschalter D gelieferten Impulsen entgegengesetzt ist. Dieses Ventil dient zur Verminderung der an dem gewöhnlich eine induktive Widerstandskomponente aufweisenden Verbraucher R bei Öffnung des Leistungsschalters D auftretenden Spannungsspitzen.
Der Transistorleistungsschalter D enthält im Emitterkreis eine Gleichrichterdiode Gr2, welche über einen Widerstand Wi6 vorbelastet ist und somit einen Spannungsabfall inDurchlassrichtung von etwa 0,7 V aufweist. Erfolgt keine Steuerung des Leistungssehalters D durch die Leistungsendstufe G, so wird über den Widerstand Wi8 das Basis-Potential der Leistungstransistoren Tn im Leistungsschalter D positiv gehalten, während das Emitter-Potential durch den Spannungsabfall an der Diode Gr2 um 0,7 V negativer als das Basis-Potential bleibt. Dadurch wird erreicht, dass im ungesteuerten Zustand der Reststrom der Transistoren Tn auf ihren Grenzwert heruntersinkt.
Wenn der Verbraucher R mit sehr schmalen Impulsen gespeist wird, was sich bei Regelung des Gerätes auf geringe Leistungsabgabe ergibt, besteht die Gefahr, dass der gespeiste Verbraucher, der beispielsweise ein Elektromotor ist, einen unregelmässig ruckweise Gang erhält. Um dies zu vermeiden, kann bei Regelung auf geringe Leistungszufuhr die Frequenz der zugeführten Impulse vergrössert werden. Dies kann durch Einstellen der im Basisstromkreis der Transistoren des Multivibrators A liegenden Widerständebzw.
Kondensatoren erfolgen.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass zur verlustarmen Steuerung eines elektronischenLeistungsschalter, in welchem vorzugsweise Leistungs-Transistoren Verwendung finden, eine Umwandlung einer Gleichstrom-Impulsfolge mit variablem Tastverhältnis in eine dem Tastverhältnis entsprechende Wechselstrom-Impulsfolge höherer Träger-Frequenz erfolgt, wobei die gewonnene Wechselstrom-Impulsfolge verstärkt und nach einer Impedanz-Transformation gleichgerichtet wird, so dass am Gleichrichter Grl zur Steuerung des elektronischen Leistungsschalters wiederum eine Gleichstrom-Impulsfolge entsteht, deren Tastverhältnis denjenigen der ursprünglichen Impulsfolge entspricht.
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