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Elektrische Schaltung zur Steuerung des einem Verbraucher zugeführten Stromes
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zur Steuerung des einem Verbraucher zugeführten
Stromes. mit einem Gleichrichter der den Verbraucher über mindestens einen Leistungstransistor speist, dem der Gleichrichter eine pulsierende Gleichspannung liefert und der mittels einer eine einstellbare
Gleichspannung abgebenden Steuervorrichtung über einen Steuertransistor regulierbar ist, so dass in einem von der Höhe dieser Gleichspannung abhängigen, mittleren Zeitbereich jedes Spannungsimpulses kein
Strom durch den Leistungstransistor zum Verbraucher fliesst,
Bei einer bekannten Schaltung dieser Art wird dem Steuertransistor eine zweite pulsierende Gleichspannung zugeführt, die mit der vom genannten Gleichrichter gelieferten,
ersten pulsierenden Gleichspannung um 900 phasenversch, oben ist, d, h. in Quadratur steht. Es ist also eine zweite Quelle pulsierender Gleichspannung erforderlich, zu deren Realisierung im allgemeinen ein Phasenschieber und ein Gleichrichter erforderlich sind.
Die Erfindung bezweckt, den hiemit verbundenen Aufwand auf einfache Weise zu vermeiden und zugleich auch die Empfindlichkeit der Steuerung zu erhöhen. Die Schaltung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der Steuervorrichtung und dem Leistungstransistor eine gerade Anzahl von in Kaskade geschalteten Steuertransistoren angeordnet ist, von denen mindestens der erste mit der genannten pulsierenden Gleichspannung gespeist wird.
Wie in der Beschreibung näher erläutert werden soll, wird infolge der geraden Anzahl von Steuertransistoren der Strom durch den Leistungstransistor tatsächlich im mittleren Zeitbereich jedes Spannungsimpulses unterbrochen, ohne die zweite pulsierende Gleichspannungsquelle zu benötigen. Der Aufwand für die Steuertransistoren-ist dabei wesentlich geringer als derjenige für diese früher benötigte Spannungsquelle. Ferner können gegenüber der vorbekannten Schaltung auch noch gewisse bei derselben benötigte Vorspannungsquellen eingespart werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. l zeigt eine Stromsteuerungsschaltung, während die Fig. 2a - 2c Diagramme zur Erläuterung ihrer Wirkungsweise zeigen.
Die dargestellte Schaltung weist einen Transformator 1 auf, dessen Primärwicklung 2 an das Wechselstromnetz angeschlossen ist. An die Enden der Sekundärwicklung 3 sind zwei entgegengesetzt gerichtete Dioden 4,5 angeschlossen, die anderseits durch einen geerdetenLeiter 6 miteinander verbunden sind. Der Leiter 6 ist mit dem Emitter 7 eines ersten Transistors Ti verbunden, dessen Kollektor 8 mit einer Anschlussklemme 9 eines Verbrauchers verbunden ist, der aus einer einen Magnetkern 10 umgebenden Erregerwicklung 11 und einer parallel zu derselben geschalteten Diode 12 besteht. Die andere Anschlussklemme 13 des Verbrauchers 11, ist an den Mittelpunkt 14 der Sekundärwicklung 3 angeschlossen.
Es ist ersichtlich, dass, wenn der Transistor T, leitend. also der Widerstand zwischen dem Emitter 7 und dem Kollektor 8 klein ist, die beiden Dioden 4 und 5 beide Halbwellen der Netzspannung gleichrichten, so dass durch die von der Wicklung 11 gebildete Induktivität ein Gleichstrom von dem positiven Leiter 6 zum negativen Mittelpunkt 14 fliesst. Wenn der Transistor T, nicht leitend wird, wird der in der Induktivität 11 fliessende Strom nicht plötzlich unterbrochen, sondern in an sich bekannter Weise durch die Diode 12 geleitet, unter Bildung eines Stromkreises 11,12.
Eine Batterie B ist mit ihrem negativen Pol an den Mittelpunkt 14 der Sekundärwicklung 3 und mit ihrem positiven Pol an dem Emitter 15 eines zweiten Transistors Tz angeschlossen, dessen Kollektor 16 einerseits mit der Basis 17 des Transistors T, und anderseits über einen Widerstand 18 mit dem Mittel-
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punkt 14 verbunden ist.
An den Leiter 6 ist auch der Emitter 19 eines dritten Transistors T 3 angeschlossen, dessen Kollektor 20 einerseits mit der Basis 21 des Transistors T2 und anderseits uber einen Widerstand 22 mit dem Mittelpunkt 14 verbunden ist.
Schliesslich sind auch noch eine Anschlussklemme 23 eines hochohmigen Potentiometers 24 und der positive Pol 25 einer Batterie 26 an den geerdeten Leiter 6 angeschlossen. Der negative Batteriepol 27 ist mit der andern Potentiometerklemme 28 verbunden, während der bewegliche Abgriff 29 des Potentiometers 24 an die Basis 30 des Transistors T, angeschlossen ist.
Bei einer nach dem dargestellten Schema ausgeführten Schaltung hatten die vom Netzgerät 3-6 gelieferten Spannungshalbwellen einen Scheitelwert von 12 V ; während die Batterie B eine Spannung von zirka 15 V und die Batterie 26 eine Gleichspannung von 2 V lieferte. Der im Kollektorkreis des Transistors T2 befindliche Widerstand 18 hatte einen Wert r von zirka 700 Q und der imKollektorkreis des Tran- sistors T3 befindliche Widerstand 22 einen Wert r. von zirka 15'000 Q.
Durch Einstellen der Vorspannung des Transistors Ta mittels des Potentiometers 24 konnte der der Wicklung 11 zugefUhrte Strom von Null bis zirka 2 Amp. reguliert werden, wobei die Leistungsverluste nur etwa 1% betragen. Um die Wirkungsweise der Schaltung zu untersuchen, wurde der Kollektorstrom il des Transistors T1 mittels eines Oszillographen untersucht, wobei sich folgendes ergab : Wenn der Potentiometerabgriff 29 sich bei a in der Nähe der negativen Klemme 28 befindet, hat der Strom il in Funktion der Zeit t die Form von vollständigen Halbwellen, wie in Fig. 2a gezeigt ist.
Verschiebt man den Abgriff 29 etwa in die dargestellte, mit b bezeichnete Lage, so fällt der Strom il gemäss Fig. 2b in einem mittleren Bereich einer Halbperiode der Wechselspannung aus, d. h. er wächst nur bis zu einem gewissen Wert il*, wired dann plötzlich zu Null und setzt dann wieder mit demselben Wert il* ein, wenn die ihn erzeugende Spannung sinkt. Verschiebt man den Abgriff 29 nach einem in der Nähe der positiven, mit demEmitter 19 des Transistors T, verbundenen Klemme 23 gelegenen Punkt c, so wird der mittlere, stromlose Bereich der Halbperiode gemäss Fig. 2c sehr gross, und wenn der Abgriff 29, bzw. die Basis 30 dasselbe Potential hat wie der Emitter 19, wird dem Verbraucher 11,12 überhaupt kein Strom mehr zugeführt.
Die experimentell festgestellte Wirkungsweise der Schaltung kann qualitativ etwa wie folgt erklärt werden : Der Emitter-Kollektor-Widerstand des Transistors Tri, der kurz als dessen Widerstand wl bezeichnet werden soll, hängt von der Emitter-Basisspannung ab, oder weil der Emitter 7 geerdet ist, von dem Betrag (Absolutwert) des negativen Potentials 1-el 1 der Basis 17, wobei dieses Potential seinerseit vom Widerstandsverhältnis wu : ruz des vom Transistor Tz und dem Widerstand 18 gebildeten Spannungsteilers und von der an diesem Spannungsteiler liegenden Spannung abhängt. Der Umstand, dass bei wachsender Spannung der Strom il im Zeitpunkt t* (siehe Fig. 2b und 2c) aussetzt, deutet darauf hin, dass in diesem Zeitpunkt der Betrag j-ei) des Potentials der Basis 17 plötzlich sehr klein wird.
Da die am Spannungs-
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tials der Basis 30 des Transistors Ta gross (Abgriff im Punkt a), so ist der Widerstand w. so klein, dass der Spannungsabfall 1-% l = w3 is während der ganzen Halbperiode kleiner bleibt als)-e . Wird der Betrag j-Ojj geringer gemacht (Abgriff im Punkt b, bzw. c) so wird in jeder Halbperiode j-ej schliess- lich | -e2| o erreichen, wobei der Zeitpunkt t*, in dem dies der Fall ist, umso näher beim Nulldurch-
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ist; für j-eSI =Owird schliesslichwssogross,liefert. Es ist klar, dass wenn in einer Spannungshalbperiode der Strom il bei einem Werte il* aussetzt, er hierauf bei sinkender Spannung praktisch bei demselben Werte il* wieder einsetzen wird.
Mit einer Schaltung der beschriebenen Art ist es unter Anwendung eines Transistors T 1 grosser Leistung gelungen, den Strom in einer 400-Watt-Erregerwicklung eines Elektromagnetventils nahezu verlustlos auszusteuern, bei äusserst feiner und stabiler Einstellung des Stromwertes.
Es wird bemerkt, dass die vorliegende Schaltung prinzipiell auch mit einem Einweg-Gleichrichter ausführbar wäre, der nur eine Spannungshalbwelle gleichrichtet ; doch ist es offensichtlich zweckmässiger, den beidenSpannungswellen gleichrichtenden Zweiweggleichrichter 3-6 zu benutzen. De@ Gleichrichter muss aber eine pulsierende Spannung liefern und nicht etwa eine konstante Gleichspannung ; es ist also kein
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Kondensator zwischen den Mittelpunkt 14 der Sekundärwicklung 3 und den Leiter 6 zu schalten.
Es wäre möglich, den Transistor Ta mit Hilfe zweier weiterer Transistoren ebenso zu steuern, wie der
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transistor Tl eine Kaskade von vier Steuertransistoren vorschalten. Da die Widerstände der aufeinander folgenden Transistoren abwechselnd gross und klein sind, ist es aber nicht möglich, eine Kaskade mit einer ungeraden Anzahl von Steuertransistoren zu verwenden. Die pulsierende Spannung, die dem ersten Steuertransistor Tj zugeführt wird, muss nicht unbedingt von dem gleichen Gleichrichter herrühren, der den Leistungstransistor speist, doch ist dies offenbar besonders einfach und zweckmässig. Um die Leistung zu erhöhen, könnten dem Leistungstransistor T, weitere Leistungstransistoren parallel geschaltet werden. An Stelle einer Elektromagnetwicklung könnte man z.
B. die Feldwicklung eines Motors oder einen Heizwiderstand oder eine beliebige andere ohmsche, induktive oder kapazitive Impedanz als Verbraucher oder Teil eines solchen vorsehen.
Es ist nicht unbedingt nötig, die Batterie B vorzusehen, indem man den Emitter 15 des zweiten Steuertransistors T2 (und gegebenenfalls die Emitter von zwei weiteren zwischen demselben und dem Leistungstransistor T, vorgesehenen Transistoren) auch mit dem Leiter 6 verbinden kann, wie in Variante durch die gestrichelte Linie 31 angedeutet ist. In diesem Falle erhält man aber, wie experimentell erwiesen, ein etwas weniger günstiges Ergebnis, in dem der Strom il bei der Fig. 2a entsprechenden Einstellung des Potentiometerabgriffes 29, am Anfang und Ende jeder Halbperiode kurzzeitig aussetzt, wie durch die gestrichelten Linien 32 angedeutet ist. Ferner sind auch die Flanken des stromlosen Mittelintervalles nicht mehr senkrecht zur Zeitachse, sondern leicht geneigt und gebogen, wie durch die gestrichelten Linien 33 angedeutet ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrische Schaltung zur Steuerung des einem Verbraucher zugeführten Stromes, mit einem Gleichrichter, der den Verbraucher über mindestens einen Leistungstransistor speist, dem der Gleichrichter eine pulsierende Gleichspannung liefert und der mittels einer eine einstellbare Gleichspannung abgebenden Steuervorrichtung über einen Steuertransistor regulierbar ist, so dass in einem von der Höhe dieser Gleichspannung abhängigen, mittleren Zeitbereich jedes Spannungsimpulses kein Strom durch den Leistungstransistor zum Verbraucher fliesst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Steuervorrichtung (24)
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speist wird.