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Spannungsregler in einer wechselstromgespeisten Stromversorgungsschaltung Es sind bereits verschiedene Spannungsregler mit elektronischen Entladungsorganen, wie Trioden oder Pentoden, in Verstärkerschaltung gebaut und verwendet worden, zwecks Erzeugung eines Regelstromes für eine sättigbare Drossel zur Beeinflussung der Impedanz in einem Serien- oder Parallelstromkreis und zur Regulierung der Ausgangsspannung.
Eine andere Bauart eines Spannungsreglers verwendet nur einen einzigen Transformator mit teilweise gesättigtem Kern zur Regelung der Ausgangsspannung ohne Verwendung einer Verstärkerschaltung. Mit derartigen Spannungsreglern ist keine besonders gute Regelung erzielbar, und die Ausgangsspannung ändert sich um einige Prozent bei einer Schwankung der Speisespannung um 10 %. Demgegenüber wer- den bei dem vorliegenden Spannungsregler zwei Transformatorkerne verwendet, deren jeder normalerweise mit einem Magnetfluss betrieben wird, der das Kernmaterial teilweise sättigt.
Die Ausgangsspannung wird in ihrem Wert über- bzw. unterhalb der Sollspannung durch eine Wheatstonesche Brückenschaltung mit einem oder zwei Trockengleichrichtern als Brückenzweigen ermittelt. Diese Messschaltung bewirkt zusammen mit mehreren Vormagnetisier- und Steuerwicklungen auf den beiden Transformatorker- nen eine Regelung der Spannung an den Verbraucheranschlüssen, die wesentlich genauer als bei Apparaturen bisher bekannter Bauart ist. Durch das Fehlen von elektronischen Entladungsorganen können keine Störungen durch Heizfadenbrüche, Kurzschlüsse im Röhrenkolben und Undichtheiten auftreten.
Dementsprechend bezweckt die vorliegende Erfindung die Schaffung eines verbesserten Spannungsreglers ohne die bei bisher bekannten Geräten dieser Art vorhandenen Nachteile und Beschränkungen in der Anwendung. Der erfindungsgemässe Spannungsregler soll eine hohe Lebensdauer besitzen und weni- ger störanfällig als derartige Geräte mit elektronischen Gasentladungsorganen sein. Auch soll der erfindungs- gemässe Spannungsregler heftigen Vibrationen und mechanischen Stössen widerstehen können, ohne dass sich seine Betriebseigenschaften ändern. Darüber hinaus ist derselbe einfach in der Konstruktion und im Aufbau.
Der erfindungsgemässe Spannungsregler ist gekennzeichnet durch einen ersten Magnetkern mit einer Hauptwicklung, die mit einer Seite einer Wech- selspannungsquelle verbunden ist, und einem zweiten Magnetkern mit einer Hauptwicklung, die an der andern Seite der Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, welche beiden Hauptwicklungen mit je einem Gleichrichter in Serie geschaltet und beide mit dem einen Anschluss eines Gleichstromverbrauchers verbunden sind, ferner durch je eine erste Regelwicklung auf beiden Magnetkernen, welche Regelwicklungen über einen Gleichrichter an die Wechselspannungsquelle angeschlossen sind, und durch je eine zweite Regelwicklung auf beiden Magnetkernen,
welche Regelwicklungen über eine Brücke an den beiden Anschlüssen des - Gleichstromverbrauchers liegen.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dieselbe zeigt in: Fig.l ein schematisches Schaltbild .des Spannungsreglers, Fig.2 ein schematisches Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Messbrücke.
Im Schaltbild der Fig.1 ist ein Netztransformator 10 wiedergegeben, der eine Primärwicklung 11 mit den Anschlüssen 12 und 13 besitzt, die mit einem Wechselstromnetz geeigneter Spannung verbunden wird. Die Sekundärwicklung 14 weist einen Mittelabgriff auf, der mit dem negativen Anschluss 15 des
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Verbraucherstromkreises verbunden ist. Die beiden Enden der Sekundärwicklung 14 sind an den beiden Hauptwicklungen 16 bzw. 17 auf den Magnetkernen 18 bzw. 20 angeschlossen.
Die andern Enden der Hauptwicklungen 16 und 17 liegen in Reihe mit den Trockengleichrichtern 21 bzw. 22, deren negative Klemmen, miteinander und mit einem Siebglied 23 verbunden, das zur Unterdrückung des Hauptanteils der pulsierenden Komponenten des gleichgerichteten Stromes bemessen sind, so dass an den Anschlüssen 24 und 15, an denen der Verbraucher 25 angeschlossen ist, reiner Gleichstrom entnommen wird. Das Siebglied 23 kann zum Beispiel aus der Serieninduktivität 26 und den beiden Kondensatoren 27 bestehen.
Die Netzspannungsschwankungen werden zum Teil durch die Wicklung 30 auf dem Magnetkern 18 und die gleich grosse Wicklung 31 auf dem Magnetkern 20 kompensiert. Diese beiden Wicklungen sind hintereinandergeschaltet und mit den gegenüberliegenden Eckpunkten eines Vollweggleichrichters 32 aus vier Einzelgleichrichtern verbunden, dessen andere beiden Eckpunkte an der untern Hälfte der Sekundärwicklung 14 angeschlossen sind. Es ist klar, dass die Teilspannung an diesem Abschnitt der Wicklung 14 alle Netzspannungsschwankungen mitmacht.
Der Gleichrichter 32 könnte auch an der ganzen Sekundärwicklung 14 oder an den Netzanschlüssen 12 und 13 angeschlossen werden, jedoch sollte vorzugsweise dieser Stromkreis einseitig geerdet werden, um induktive Beeinflussungen seitens anderer äusserer Stromkreise zu vermeiden. In Serie mit den Wicklungen 30 und 31 ist ein veränderbarer Widerstand 33 zur Regelung von Hand vorgesehen.
Zwecks Kompensation der Schwankungen der Verbraucherspannung sind die beiden Wicklungen 34, 35 miteinander und mit einem einstellbaren Widerstand 36 hintereinander und der Serienstromkreis zur Induktivität 26 parallel geschaltet. Die Wicklung 34 befindet sich auf dem Magnetkern 18 und die Wicklung 35 auf dem Magnetkern 20. Der durch die beiden Wicklungen fliessende Strom ist dem Ohmschen Spannungsabfall an der Induktivität 26 proportional. Die Ausgangsspannung an den Anschlüssen 24 und 15 wird durch die Brückenanordnung 37 gemessen, die in Fig. 1 aus den drei Widerstandszweigen 38, 40 und 41 besteht. Der vierte Zweig enthält einen Trockengleichrichter 42.
Die Verstimmung der Brückenschaltung und der Sollwert der geregelten Ausgangsspannung kann durch Veränderung des kleinen Spannungsteilers 43 einjustiert werden. Die Ausgangsanschlüsse sind an gegenüberliegenden Eck- punkten der Brückenschaltung angeschlossen, während .die andern beiden Eckpunkte mit den hintereinandergeschalteten beiden Regelwicklungen 44 und 45 verbunden sind. Die Wicklung 44 befindet sich auf dem Magnetkern 18 und die Wicklung 45 auf dem Magnetkern 20. Die Schaltung arbeitet folgendermassen: Es sei vorerst angenommen, dass an den Anschlussklem- men 12 und 13 eine mittlere Spannung des Wechselstromnetzes liegt.
Die obere Hälfte der Sekundärwicklung 14 erzeugt einen Wechselstrom, der über die Wicklung 16, den Gleichrichter 21, die Induk- tivität 26 zum Anschluss 24 und über den Verbraucher 25 fliesst. Die Rückleitung verläuft über den Anschluss 15 und die Verbindung 48 zum Mittel- abgriff der Wicklung 14. Ein entsprechender Stromkreis führt vom untern Teil der Sekundärwicklung 14 über die Wicklung 17, den Gleichrichter 22, die Induktivität 26, den Anschluss 24 zum Verbraucher 25 und vom Anschluss 15 zurück über die Leitung 48.
Die vom untern Teil der Wicklung 14 erzeugte Spannung wird vom Vollweggleichrichter 32 gleichgerichtet, so dass durch die Wicklungen 30 und 31 auf den Magnetkernen 18 bzw. 20 ein Gleichstrom fliesst. Der durch die Wicklungen 30, 31 erzeugte Magnetfluss wirkt dem durch die Wicklungen 16 bzw. 17 verursachten Magnetfluss entgegen, da aber die Hauptwicklungen 16 und 17 vergleichsweise grosse Ströme führen, können die Wicklungen 30 und 31 .den Gesamtfluss nur in geringem Ausmass vermindern.
Die Induktivität 26 besitzt einen Ohmschen Widerstand, der einen Gleichspannungsabfall an derselben und damit einen Gleichstrom durch die Wicklungen 34 und 35 auf den Magnetkernen 18 und 20 in einer Richtung erzeugt, dass der Hauptmagnetfluss seitens der Wicklungen 16 und 17 unterstützt wird. Es ist klar, dass der Strom durch die Wicklungen 34 und 35 proportional der Stromaufnahme des Verbrauchers ist, also kompensiert der von den beiden Wicklungen 34, 35 erzeugte zusätzliche Magnetfluss den Spannungsregler proportional zur Strombelastung derselben.
Das oben beschriebene Brückenmessglied 37 liegt parallel zu den Anschlüssen 24 und 15, während der Brückenausgang die Hauptreglerwicklungen 44 und 45 speist. Zur Erzielung einer geregelten Spannung ist ein Abgleich der Brückenschaltung nicht erforderlich.
Der einstellbare Spannungsteiler 43 ist zur Beeinflussung des Messgliedes 37 zwecks Änderung der Ausgangsspannung am Verbraucher vorgesehen, wobei in dem möglichen weiten Verstellbereich .das Brückenglied abgeglichen oder unabgeglichen ist, so dass der vom Brückenglied 37 gelieferte Strom in der einen oder andern Richtung durch die Wicklungen 44 und 45 fliesst, also entweder den von allen andern Wicklungen erzeugten Gesamtfluss verstärkt oder vermindert.
Es sei nunmehr angenommen, dass die an den Anschlüssen 12 und 13 liegende Netzspannung ansteigt. Dies bewirkt einen grösseren Stromfluss durch die Wicklungen 16 und 17, so dass die Verbraucherspannung steigende Tendenz zeigt. Jedoch gleichzeitig bewirkt der Netzspannungsanstieg einen grö- sseren Gleichstrom vom Gleichrichter 32 durch die Wicklungen 30 und 31, welche Stromerhöhung der
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Zunahme des Magnetflusses seitens der Hauptwicklungen 16 und 17 entgegenwirkt, was dazu führt,
dass der Gesamtfluss der beiden Wicklungspaare in den Magnetkernen 18 und 20 nur eine geringe Erhöhung erfährt. Der Stromanstieg an den Hauptwicklungen 16 und 17 ergibt aber auch einen höheren Strom durch die Induktivität 26 und demzufolge eine Stromerhöhung durch die Wicklungen 34 und 35, was eine Vergrösserung des Magnetflusses in den Kernen 18 und 20 bewirkt. Jedoch ist die Stromänderung in den Wicklungen 34 und 35 bei einer Netzspannungs- änderung nur gering, denn diese beiden Wicklungen sind zur Kompensation der Wirkung einer Widerstandsänderung des Verbrauchers bestimmt.
Die Ausgangsspannung wird seitens des Brückengliedes 37 überwacht, und beim Ansteigen derselben wächst die Brückenverstimmung, da einer der Brückenzweige den Gleichrichter 42 enthält. Der Gleichrichter 42 ist nicht in der bei solchen Schaltungselementen sonst üblichen Weise angeschlossen, sondern umgekehrt, indem der üblicherweise die Kathode bildende Anschluss mit der positiven Brückenseite verbunden ist, während die üblicherweise als Anode betrachtete Klemme hier am negativen Anschluss liegt.
Infolge dieses Anschlusses bildet der Gleichrichter 42 normalerweise einen sehr hohen Widerstand, und erst beim überschreiten einer gewissen Spannung sinkt der Gleichrichterwiderstand und verstimmt das Brük- kenglied. Durch eine solche Verstimmung sinkt die Spannung am Verbindungspunkt des Widerstandes 40 und des Gleichrichters 42, so dass .der durch die Wicklungen 44 und 45 fliessende Strom dann die Pfeilrichtung 50 aufweist. Bei dieser Stromrichtung wird in den Kernen 18 und 20 ein Magnetfluss erzeugt, welcher dem seitens der Wicklungen 16 und 17 verursachten Fluss entgegenwirkt.
Beim Betrieb ausserhalb des vorgesehenen Bereiches befinden sich die Kerne 18 und 20 innerhalb oder dicht vor der Sättigung des Kernmaterials, so dass eine Verminderung des Magnetflusses die Sättigung verringert, also der Blindwiderstand der Hauptwicklung 16 und 17 steigt. Diese Vergrösserung der Serienimpedanz bewirkt einen grösseren Wechselspannungsabfall und erniedrigt die Ausgangsspannung auf den gewünschten Wert.
Es sei nunmehr angenommen, dass die Netzspannung auf einem konstanten Wert verweilt, während sich der Verbraucherwiderstand verringert und-der Verbraucherstrom merklich ansteigt. Dies würde normalerweise eine Verringerung der Ausgangsspannung verursachen, da der Strom durch die Induktivität 26 und die Wicklungen 16 und 17 ansteigt. Das Brük- kengIied 37 wird auf eine solche Spannungsverminderung reagieren und den Magnetfluss in den Kernen 18 und 20 derart regeln, dass die Ausgangsspannung auf den erwünschten Wert steigt, wobei die Kompensationsschaltung parallel zur Induktivität 26 diesen Regelvorgang unterstützt.
Eine höhere Stromaufnahme verursacht auch eine Stromerhöhung in den Wicklungen 34 und 35, wodurch der von den Haupt- wicklungen 16 und 17 erzeugte Magnetfluss verstärkt wird, was eine vermehrte Sättigung der Kerne und eine Verringerung des induktiven Widerstandes der Wicklungen 16 und 17 zur Folge hat, so dass die Ausgangsspannung auf den gewünschten Wert ansteigt.
In Fig.2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brückengliedes wiedergegeben, bei welchem zwei Gleichrichter 51 und 52 vorgesehen sind, während das Brückenglied 37 nur einen besitzt. Diese Gleichrichter sind hier in der üblichen Weise geschaltet, nämlich mit ihrer Kathodenklemme am negativen Teil der Brückenschaltung angeschlossen. Diese Anordnung gibt ebenfalls eine Widerstands- änderung bei schwankender Spannung an den Gleichrichtern, aber die Änderungen des Widerstandswertes sind weniger gross als bei umgekehrter Anschaltung derselben.
Der vorliegende Spannungsregler spricht, wie sich aus der obenstehenden Beschreibung ergibt, sowohl auf Schwankungen der Netzspannung als auch des Verbraucherwiderstandes an und kann ohne Verwendung elektronischer Bauteile aufgebaut werden.
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Voltage regulator in an AC-fed power supply circuit Various voltage regulators with electronic discharge devices, such as triodes or pentodes, have already been built and used in amplifier circuits for the purpose of generating a control current for a saturable choke to influence the impedance in a series or parallel circuit and to regulate the output voltage.
Another type of voltage regulator uses only a single transformer with a partially saturated core to regulate the output voltage without the use of an amplifier circuit. A particularly good regulation cannot be achieved with voltage regulators of this type, and the output voltage changes by a few percent if the supply voltage fluctuates by 10%. In contrast, in the present voltage regulator, two transformer cores are used, each of which is normally operated with a magnetic flux that partially saturates the core material.
The output voltage is determined in its value above or below the nominal voltage by a Wheatstone bridge circuit with one or two dry rectifiers as bridge branches. This measuring circuit, together with several pre-magnetizing and control windings on the two transformer cores, regulates the voltage at the consumer connections, which is much more precise than with apparatuses of the previously known type. Due to the lack of electronic discharge devices, there are no faults due to broken filaments, short circuits in the tube bulb and leaks.
Accordingly, the present invention seeks to provide an improved voltage regulator without the drawbacks and limitations in use of previously known devices of this type. The voltage regulator according to the invention should have a long service life and be less susceptible to failure than devices of this type with electronic gas discharge devices. The voltage regulator according to the invention should also be able to withstand violent vibrations and mechanical shocks without its operating properties changing. In addition, it is simple in construction and construction.
The voltage regulator according to the invention is characterized by a first magnetic core with a main winding, which is connected to one side of an AC voltage source, and a second magnetic core with a main winding, which is connected to the other side of the AC voltage source, which two main windings each with a rectifier in Connected in series and both connected to one connection of a direct current consumer, furthermore by a first control winding on each of the two magnetic cores, which control windings are connected to the AC voltage source via a rectifier, and by a second control winding on each of the two magnetic cores
which control windings are connected to the two connections of the - direct current consumer via a bridge.
An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawing. The same shows in: Fig.l a schematic circuit diagram of the voltage regulator, Fig. 2 a schematic circuit diagram of a further embodiment of the measuring bridge.
In the circuit diagram of FIG. 1, a network transformer 10 is shown, which has a primary winding 11 with the connections 12 and 13, which is connected to an alternating current network of suitable voltage. The secondary winding 14 has a center tap which is connected to the negative terminal 15 of the
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Consumer circuit is connected. The two ends of the secondary winding 14 are connected to the two main windings 16 and 17 on the magnetic cores 18 and 20, respectively.
The other ends of the main windings 16 and 17 are in series with the dry rectifiers 21 and 22, the negative terminals of which are connected to one another and to a filter element 23, which is designed to suppress the main portion of the pulsating components of the rectified current, so that at the connections 24 and 15, to which the consumer 25 is connected, pure direct current is drawn. The filter element 23 can consist of the series inductance 26 and the two capacitors 27, for example.
The mains voltage fluctuations are partly compensated for by the winding 30 on the magnetic core 18 and the winding 31 of the same size on the magnetic core 20. These two windings are connected in series and connected to the opposite corner points of a full-wave rectifier 32 made up of four individual rectifiers, the other two corner points of which are connected to the lower half of the secondary winding 14. It is clear that the partial voltage at this section of the winding 14 participates in all mains voltage fluctuations.
The rectifier 32 could also be connected to the entire secondary winding 14 or to the mains connections 12 and 13, but this circuit should preferably be earthed on one side in order to avoid inductive influences on the part of other external circuits. In series with the windings 30 and 31, a variable resistor 33 is provided for manual control.
To compensate for the fluctuations in the load voltage, the two windings 34, 35 are connected to one another and with an adjustable resistor 36 one behind the other and the series circuit to the inductance 26 is connected in parallel. The winding 34 is located on the magnetic core 18 and the winding 35 on the magnetic core 20. The current flowing through the two windings is proportional to the ohmic voltage drop across the inductance 26. The output voltage at the connections 24 and 15 is measured by the bridge arrangement 37, which in FIG. 1 consists of the three resistor branches 38, 40 and 41. The fourth branch contains a dry rectifier 42.
The detuning of the bridge circuit and the target value of the regulated output voltage can be adjusted by changing the small voltage divider 43. The output connections are connected to opposite corner points of the bridge circuit, while the other two corner points are connected to the two control windings 44 and 45 connected in series. The winding 44 is located on the magnetic core 18 and the winding 45 on the magnetic core 20. The circuit works as follows: It is initially assumed that the connection terminals 12 and 13 have an average voltage of the alternating current network.
The upper half of the secondary winding 14 generates an alternating current which flows via the winding 16, the rectifier 21, the inductance 26 to the connection 24 and via the consumer 25. The return line runs via the connection 15 and the connection 48 to the center tap of the winding 14. A corresponding circuit leads from the lower part of the secondary winding 14 via the winding 17, the rectifier 22, the inductance 26, the connection 24 to the consumer 25 and from Connection 15 back via line 48.
The voltage generated by the lower part of the winding 14 is rectified by the full-wave rectifier 32 so that a direct current flows through the windings 30 and 31 on the magnetic cores 18 and 20, respectively. The magnetic flux generated by the windings 30, 31 counteracts the magnetic flux caused by the windings 16 and 17, but since the main windings 16 and 17 carry comparatively large currents, the windings 30 and 31 can only reduce the total flux to a small extent.
The inductance 26 has an ohmic resistance which generates a direct voltage drop across the same and thus a direct current through the windings 34 and 35 on the magnetic cores 18 and 20 in a direction that the main magnetic flux is supported by the windings 16 and 17. It is clear that the current through the windings 34 and 35 is proportional to the current consumption of the consumer, so the additional magnetic flux generated by the two windings 34, 35 compensates the voltage regulator proportionally to the current load of the same.
The bridge measuring element 37 described above lies parallel to the connections 24 and 15, while the bridge output feeds the main regulator windings 44 and 45. The bridge circuit does not need to be balanced to achieve a regulated voltage.
The adjustable voltage divider 43 is provided to influence the measuring element 37 in order to change the output voltage at the consumer, the bridge element being balanced or unbalanced in the possible wide adjustment range, so that the current supplied by the bridge element 37 in one direction or the other through the windings 44 and 45 flows, i.e. either increases or decreases the total flow generated by all other windings.
It is now assumed that the mains voltage applied to connections 12 and 13 increases. This causes a greater current flow through the windings 16 and 17, so that the consumer voltage shows an increasing tendency. However, at the same time, the increase in the line voltage causes a greater direct current from the rectifier 32 through the windings 30 and 31, which increases the current
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Counteracts increase in the magnetic flux on the part of the main windings 16 and 17, which leads to
that the total flux of the two pairs of windings in the magnetic cores 18 and 20 experiences only a slight increase. The increase in current at the main windings 16 and 17 also results in a higher current through the inductance 26 and consequently an increase in current through the windings 34 and 35, which increases the magnetic flux in the cores 18 and 20. However, the change in current in the windings 34 and 35 is only slight when there is a change in the mains voltage, because these two windings are intended to compensate for the effect of a change in resistance of the consumer.
The output voltage is monitored by the bridge member 37, and when it rises, the bridge detuning increases because one of the bridge branches contains the rectifier 42. The rectifier 42 is not connected in the manner otherwise customary in such circuit elements, but the other way around, in that the connection which usually forms the cathode is connected to the positive bridge side, while the terminal, which is usually regarded as the anode, is here on the negative connection.
As a result of this connection, the rectifier 42 normally forms a very high resistance, and only when a certain voltage is exceeded does the rectifier resistance drop and detun the bridge element. Such a detuning reduces the voltage at the connection point of the resistor 40 and the rectifier 42, so that the current flowing through the windings 44 and 45 then has the direction of arrow 50. With this current direction, a magnetic flux is generated in the cores 18 and 20, which counteracts the flux caused by the windings 16 and 17.
When operating outside the intended range, the cores 18 and 20 are within or just before the saturation of the core material, so that a reduction in the magnetic flux reduces the saturation, that is to say the reactance of the main winding 16 and 17 increases. This increase in the series impedance causes a greater drop in AC voltage and lowers the output voltage to the desired value.
It is now assumed that the mains voltage remains at a constant value while the consumer resistance decreases and the consumer current increases noticeably. This would normally cause the output voltage to decrease as the current through inductor 26 and windings 16 and 17 increases. The bridge element 37 will react to such a voltage reduction and regulate the magnetic flux in the cores 18 and 20 such that the output voltage increases to the desired value, the compensation circuit parallel to the inductance 26 supporting this regulating process.
A higher current consumption also causes an increase in current in the windings 34 and 35, whereby the magnetic flux generated by the main windings 16 and 17 is increased, which leads to an increased saturation of the cores and a reduction in the inductive resistance of the windings 16 and 17, so that the output voltage increases to the desired value.
In Figure 2, a further embodiment of a bridge member is shown in which two rectifiers 51 and 52 are provided, while the bridge member 37 has only one. These rectifiers are connected here in the usual way, namely connected with their cathode terminal to the negative part of the bridge circuit. This arrangement also gives a change in resistance when the voltage at the rectifiers fluctuates, but the changes in the resistance value are less great than when they are connected in the opposite direction.
As can be seen from the above description, the present voltage regulator responds to fluctuations in the mains voltage as well as in the load resistance and can be constructed without the use of electronic components.