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Spannungswandler mit kontinuierlich veränderbarer Ausgangsspannung, insbesondere für Analogrechner Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Spannungswandler mit kontinuierlich veränderbarer Ausgangsspannung, und zwar insbesondere für Analogrechner.
Man hat dafür bisher als Spannungswandler vorwiegend Potentiometer oder Autotransformatoren benutzt. Bei der Verwendung von Potentiometern wird es häufig schwierig, die Widerstände des Potentio- meters und des Belastungswiderstandes aneinander anzupassen. Es muss ja der Belastungswiderstand, also der am Potentiometerabgriff anliegende Widerstand, gross gegen den Widerstand des Potentiometers sein, weil sonst die abgegriffene Spannung am Belastungswiderstand zusammenbrechen würde und man dann keine definierten Verhältnisse mehr hätte.
Wenn man nun aber den Potentiometerwiderstand hinreichend klein machen will, dann muss man dicken Draht verwenden und erhält auf diese Weise nur eine relativ grobe Einstellmöglichkeit. Ausserdem wird durch einen niedrigen Potentiometerwiderstand die Spannungsquelle sehr stark belastet. Ähnliche Verhältnisse bekommt man, wenn man Autotransformatoren verwendet.
Es sind nun weiterhin sogenannte Variometer bekannt, die aus einer Primär- und einer Sekundärwicklung bestehen und bei welcher die induktive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung irgendwie geändert wird, beispielsweise dadurch, dass man die eine Wicklung gegenüber der andern Wicklung verdreht. Solche Variometer gestatten zwar eine theoretisch vollkommen kontinuierliche Einstellung der Sekundärspannung, es besteht aber bei ihnen ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen dem Verstellweg und der induzierten Sekundärspannung.
Dieser Zusammenhang ist meist sinusähnlich. Man kann aber erreichen, dass man über relativ grosse Bereiche von etwa 120' Verstellwinkel eine recht gut lineare Beziehung zwischen Verstellwinkel und induzierter Spannung erhält.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Spannungswandler zu schaffen, der bei günstigen Widerstandsverhältnissen eine vollkommen kontinuierliche Spannungseinstellung gestattet.
Erfindungsgemäss geschieht das durch einen Span- nungsteiler mit einer Mehrzahl fester Abgriffe und ein Variometer, dessen Primärwicklung zwischen zweien dieser Abgriffe liegt und von dem mindestens eine Sekundärwicklung ebenfalls an einen der Spannungs- teilerabgriffe angelegt ist, wobei eine Spannung zwischen der Sekundärwicklung und einem der Span- nungsteilerabgriffe abgenommen wird.
Damit wird gewissermassen durch die Wahl des Spannungsteilerabgriffes eine Grobeinstellung vorgenommen, während das Variometer eine Feineinstellung gestattet.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist ein vereinfachtes Schaltschema eines Spannungswandlers.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung des Zusammenhanges zwischen dem Verstellwinkel und den in den beiden Sekundärwicklungen des Kreuzspul- variometers induzierten Spannungen.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Umschaltvorrichtung für einen Spannungswandler.
Fig. 4 verdeutlicht die Grobeinstellung, wie sie durch das Anschalten der Variometerwicklungen an die verschiedenen Spannungsteilerabgriffe bewirkt wird.
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Fig. 5 verdeutlicht die Feineinstellung mit Hilfe des Kreuzspulvariometers und der Umschaltvorrichtung.
Fig. 6 zeigt die gesamte abgegriffene Spannung in Abhängigkeit vom Einstellwinkel.
Mit 10 ist ein Autotransformator bezeichnet, an welchem eine Eingangsspannung Ue anliegt. Der Autotransformator 10 ist mit Anzapfungen 1 bis 9 versehen. Zwischen den Anzapfungen 1 und 2 liegt die Primärwicklung 11 eines Kreuzspulvariometers. Das Kreuzspulvariometer besitzt zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Sekundärwicklungen 12 und 13 mit den Anschlusskontakten C und D und A und B. Mit W ist ein Kontakt bezeichnet, an welchem die Ausgangsspannung Ua des Spannungswandlers abgenommen wird.
Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Drehwinkel (p des Variometers und den beiden in den Sekundärwicklungen induzierten Spannungen. Wie man sieht, ist dieser Zusammenhang in den Bereichen von p = -60' bis -I- 60' bzw. von cp = 30' bis 99 = 150' und von 99 = 210' bis 99 = 330' recht gut linear, und zwar entweder ansteigend (in den ersteren Bereichen) oder abfallend (in den letzteren Bereichen).
Es ist nun eine Umschaltvorrichtung vorgesehen, die im Prinzip schon sehr ausführlich in der schweizerischen Patentschrift Nr. 335312 beschrieben worden ist und die in Fig. 3 schematisch dargestellt ist.
Die Umschaltvorrichtung enthält elektrisch leitende kreisförmige Segmente, die in fünf verschiedenen Abständen um die Achse 16 des Kreuzspulvariometers angeordnet sind. Drei Schleifkontakte 15 drehen sich mit der Achse 16 und gleiten dabei auf den Umschaltersegmenten. Eines der Umschaltersegmente bildet einen vollen Ring und entspricht dem Kontakt W in der schematischen Fig. 1, von welchem die Ausgangsspannung U. abgenommen wird. Vier andere Segmente A, B, C und D sind ständig mit den in Fig. 1 entsprechend bezeichneten Anschlüssen der Variometerwicklungen verbunden.
Die restlichen vier Umschaltersegmente sind mit vier Schleifkontakten 24, 25, 26, 27 verbunden, die auf einem isolierenden Ring 28 angeordnet sind. Der Ring 28 ist exzentrisch zu einem Kranz von Kontakten 1 bis 9 gelagert, die mit den in Fig. 1 entsprechend bezeichneten Anzapfungen des Autotransformators 10 verbunden sind.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende: In der dargestellten Lage des Umschalters (Fig. 3) ist der Kontakt A der Variometerwicklung 13 mit der Anzapfung 1 des Autotransformators 10 verbunden, der Kontakt B mit dem Ausgangskontakt W. Es sei zunächst bei einem Drehwinkel 99 = 0' die Wicklung 13 des Variometers senkrecht zur Primärwicklung 11 orientiert. Dann wird in der Variometerwicklung 13 keine Spannung induziert. Die Ausgangsspannung U"" die ja zwischen dem mit B verbundenen Kontakt W und der Anzapfung 1 abgenommen wird, ist dann also ebenfalls Null.
Wird jetzt das Variometer im Uhrzeigersinn von cp = 0' auf cp = 30' verdreht, dann steigt die in der Wicklung 13 induzierte Spannung und damit auch die Gesamtspannung Ua linear an auf den in Fig. 2, 5 und 6 mit dem Bezugszeichen 29 gekennzeichneten Wert.
In dem darauffolgenden Bereich von p = 30' bis = 60' sind die in den Variometerwicklungen 12, 13 induzierten Spannungen beide linear vom Drehwinkel 99 abhängig. Durch die Umschaltvorrichtung wird nun in diesem Bereich einmal nach wie vor der Kontakt A mit der Anzapfung 1 und der Kontakt B mit dem Ausgangskontakt W verbunden. Gleichzeitig wird aber auch der Kontakt C der Variometerwicklung 12 mit der Anzapfung 2 und ihr anderer Kontakt D ebenfalls mit dem Ausgangskontakt W verbunden. Der Spannungsabfall zwischen den Anzapfungen 1 und 2 des Autotransformators 10 ist dabei so gewählt, dass B und D in diesem Bereich tatsächlich auch gleiches Potential haben.
Wenn sich wie hier die linearen Bereiche des Variometers jeweils über 120' erstrecken, dann muss sich das Spannungsgefälle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungsteiler- abgriffen zu der dem linearen Bereich des Variometers entsprechenden Spannungsänderung verhalten wie etwa 3:4. Dadurch, dass in dem Zwischenbereich beide Variometerwicklungen in Reihe geschaltet und mit dem Ausgangskontakt W verbunden sind, werden etwaige Ungleichmässigkeiten ausgeglichen, und es wird ein stetiger Übergang von einer Variometer- wicklung zur andern ermöglicht.
In dem nun folgenden Bereich von cp = 60' bis 99 = 90',wird nämlich die Wicklung 13 ganz abgeschaltet und ihre Funktion vollständig von der andern Wicklung 12 übernommen. Während nun der Span- nungs-Drehwinkel-Verlauf für die Wicklung 12 weiterhin linear ist, wird er für die Wicklung 13 gekrümmt. In diesem Bereich bleibt also nur noch C mit 2 und D mit W verbunden.
Bei cp = 60' ist (vgl. Fig. 2) die in der Wicklung 12 induzierte Spannung durch den mit dem Bezugszeichen 31 gekennzeichneten Wert gegeben. Die Phase der induzierten Spannung ist gegenüber der Phase der Eingangsspannung Ue um 180' verschoben, und daher ist die Grösse der induzierten Spannung negativ zu rechnen. Die gesamte bei p = 60' abgegriffene Spannung Uz, zwischen der Anzapfung 1 und dem Ausgangskontakt W ist gegeben durch die Summe der induzierten negativen Spannung 31 und der zwischen den Anzapfungen 1 und 2 liegenden Spannung 23 (vgl. F'ig. 4). Das ergibt in Fig. 6 den mit 31' bezeichneten Wert.
Bei einer weiteren Drehung steigt die induzierte Spannung gemäss Kurve 21 in Fig. 2 und 5 linear an auf den mit 32 bezeichneten Wert, wobei die Gesamtspannung Ui, bei p = 90' den Wert 32' annimmt.
In dem Bereich von p = 90' bis (p = 120' bleibt dann auch weiterhin nur C mit 2 und D mit W verbunden, weil ja auch in diesem Bereich die Spannung
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in der Wicklung 12 linear mit dem Drehwinkel ansteigt, und zwar erhält man bei p = 120' den Wert 33 (Fig. 2) und in der Gesamtspannung den Wert 33' (Fig. 6).
In entsprechender Weise folgt dann wieder ein Zwischenbereich, wo beide Wicklungen 12, 13 angeschaltet sind, und zwar die Wicklung 12 noch an die Anzapfung 2 und die Wicklung 13 an die Anzapfung 3. Wenn bei weiterer Drehung die induzierte Spannung mit dem Drehwinkel cp abfällt, erfolgt gleichzeitig eine Umpolung der Wicklungen. Fig. 4 verdeutlicht die Grobeinstellung durch die Anzapfungen 1 bis 9, Fig. 5 die Interpolation mit Hilfe des Variometers.
Die nacheinander durch die Umschaltvorrichtung hergestellten Verbindungen sind im folgenden tabellarisch zusammengestellt:
EMI3.12
Winkelbereich A B C D rp = 0 bis 30' 1 W - - 30' bis 60' 1 W 2 W 60' bis 90' - - 2 W 90' bis 120' - - 2 W 120' bis 150' W 3 2 W 150 bis 180 W 3 - - 180' bis 210 W 3 - - 210' bis 240' W 3 W 4 240' bis 270' - - W 4 270' bis 300' - - W 4 300' bis 330 5 W W 4 330' bis 360' 5 W - - USW. Der beschriebene Spannungswandler ermöglicht eine kontinuierliche, praktisch verlustlose Regelung der Ausgangsspannung. Dabei ist der Widerstand im Ausgang relativ gering, so dass keine Anpassungsschwierigkeiten auftreten. Der Zusammenhang zwischen Verstellweg und Ausgangsspannung ist dabei linear, was besonders für die Anwendung bei Analogrechnern wesentlich ist.
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Voltage converter with continuously variable output voltage, in particular for analog computers The invention relates to an electrical voltage converter with continuously variable output voltage, in particular for analog computers.
So far, potentiometers or autotransformers have mainly been used as voltage converters. When using potentiometers, it is often difficult to match the resistances of the potentiometer and the load resistor to one another. The load resistance, i.e. the resistance applied to the potentiometer tap, must be large compared to the resistance of the potentiometer, because otherwise the tapped voltage at the load resistance would collapse and one would then no longer have any defined relationships.
But if you want to make the potentiometer resistor sufficiently small, you have to use thick wire and in this way you only get a relatively rough setting option. In addition, the voltage source is very heavily loaded by a low potentiometer resistance. You get similar ratios when you use autotransformers.
So-called variometers are also known which consist of a primary and a secondary winding and in which the inductive coupling between the primary and secondary winding is somehow changed, for example by twisting one winding with respect to the other winding. Such variometers allow a theoretically completely continuous setting of the secondary voltage, but there is a non-linear relationship between the adjustment path and the induced secondary voltage.
This relationship is mostly sine-like. However, it can be achieved that a fairly good linear relationship between the adjustment angle and the induced voltage is obtained over a relatively large range of approximately 120 'adjustment angle.
The invention is based on the object of creating an electrical voltage converter which, with favorable resistance ratios, allows a completely continuous voltage setting.
According to the invention, this is done by a voltage divider with a plurality of fixed taps and a variometer whose primary winding is between two of these taps and of which at least one secondary winding is also applied to one of the voltage divider taps, with a voltage between the secondary winding and one of the span - voltage divider taps is removed.
In this way, to a certain extent, a coarse setting is carried out by selecting the voltage divider tap, while the variometer allows fine setting.
The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 is a simplified circuit diagram of a voltage converter.
2 is a graphic representation of the relationship between the adjustment angle and the voltages induced in the two secondary windings of the cheese variometer.
Fig. 3 shows schematically a switching device for a voltage converter.
4 illustrates the coarse setting as it is effected by connecting the variometer windings to the various voltage divider taps.
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Fig. 5 illustrates the fine adjustment with the aid of the cheese variometer and the switching device.
6 shows the total tapped voltage as a function of the setting angle.
With 10 an autotransformer is designated, to which an input voltage Ue is applied. The autotransformer 10 is provided with taps 1 to 9. The primary winding 11 of a cross-coil variometer is located between the taps 1 and 2. The cross-coil variometer has two secondary windings 12 and 13 arranged at right angles to one another with the connection contacts C and D and A and B. W denotes a contact at which the output voltage Ua of the voltage converter is taken.
2 shows the relationship between the angle of rotation (p of the variometer and the two voltages induced in the secondary windings. As you can see, this relationship is in the ranges from p = -60 'to -I- 60' or from cp = 30 'to 99 = 150' and from 99 = 210 'to 99 = 330' quite linearly, either increasing (in the former areas) or decreasing (in the latter areas).
A switching device is now provided, which in principle has already been described in great detail in Swiss Patent No. 335312 and which is shown schematically in FIG.
The switching device contains electrically conductive circular segments which are arranged at five different intervals around the axis 16 of the cheese variometer. Three sliding contacts 15 rotate with the axis 16 and slide on the switch segments. One of the changeover switch segments forms a full ring and corresponds to the contact W in the schematic FIG. 1, from which the output voltage U. is taken. Four other segments A, B, C and D are continuously connected to the terminals of the variometer windings, which are correspondingly designated in FIG. 1.
The remaining four changeover switch segments are connected to four sliding contacts 24, 25, 26, 27, which are arranged on an insulating ring 28. The ring 28 is mounted eccentrically to a ring of contacts 1 to 9, which are connected to the taps of the autotransformer 10, which are correspondingly designated in FIG. 1.
The mode of operation of the described arrangement is as follows: In the position of the switch shown (Fig. 3), contact A of variometer winding 13 is connected to tap 1 of autotransformer 10, contact B to output contact W. Let us initially assume a rotation angle of 99 = 0 'the winding 13 of the variometer is oriented perpendicular to the primary winding 11. No voltage is then induced in the variometer winding 13. The output voltage U "" which is taken between the contact W connected to B and the tap 1 is then also zero.
If the variometer is now turned clockwise from cp = 0 'to cp = 30', the voltage induced in the winding 13 and thus also the total voltage Ua increases linearly to that indicated by the reference numeral 29 in FIGS. 2, 5 and 6 Value.
In the subsequent range from p = 30 'to = 60', the voltages induced in the variometer windings 12, 13 are both linearly dependent on the angle of rotation 99. As a result of the switching device, contact A is still connected to tap 1 and contact B to output contact W in this area. At the same time, however, the contact C of the variometer winding 12 is also connected to the tap 2 and its other contact D is also connected to the output contact W. The voltage drop between the taps 1 and 2 of the autotransformer 10 is chosen so that B and D actually have the same potential in this area.
If, as here, the linear areas of the variometer each extend over 120 ', then the voltage gradient between two successive voltage divider taps must be approximately 3: 4 in relation to the voltage change corresponding to the linear area of the variometer. Because both variometer windings are connected in series in the intermediate area and connected to the output contact W, any irregularities are compensated and a steady transition from one variometer winding to the other is made possible.
In the following range from cp = 60 'to 99 = 90', namely, the winding 13 is completely switched off and its function is completely taken over by the other winding 12. While the voltage-angle of rotation curve for the winding 12 is still linear, it is curved for the winding 13. In this area only C remains connected to 2 and D to W.
At cp = 60 '(cf. FIG. 2), the voltage induced in the winding 12 is given by the value identified by the reference numeral 31. The phase of the induced voltage is shifted by 180 'compared to the phase of the input voltage Ue, and therefore the magnitude of the induced voltage must be calculated negatively. The total voltage Uz tapped at p = 60 'between the tap 1 and the output contact W is given by the sum of the induced negative voltage 31 and the voltage 23 between the taps 1 and 2 (see FIG. 4). This results in the value designated by 31 'in FIG.
With a further rotation, the induced voltage increases linearly according to curve 21 in FIGS. 2 and 5 to the value denoted by 32, the total voltage Ui assuming the value 32 'at p = 90'.
In the area from p = 90 'to (p = 120' then only C remains connected to 2 and D to W, because the voltage is also in this area
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in the winding 12 increases linearly with the angle of rotation, namely the value 33 (FIG. 2) is obtained at p = 120 'and the value 33' (FIG. 6) in the total voltage.
In a corresponding manner, there then follows again an intermediate area where both windings 12, 13 are connected, namely winding 12 still to tap 2 and winding 13 to tap 3. If, with further rotation, the induced voltage drops with the angle of rotation cp, the windings are reversed at the same time. FIG. 4 illustrates the coarse adjustment by the taps 1 to 9, FIG. 5 the interpolation with the aid of the variometer.
The connections established one after the other by the switching device are listed in the following table:
EMI3.12
Angle range ABCD rp = 0 to 30 '1 W - - 30' to 60 '1 W 2 W 60' to 90 '- - 2 W 90' to 120 '- - 2 W 120' to 150 'W 3 2 W 150 to 180 W 3 - - 180 'to 210 W 3 - - 210' to 240 'W 3 W 4 240' to 270 '- - W 4 270' to 300 '- - W 4 300' to 330 5 WW 4 330 'to 360 '5 W - - etc. The voltage converter described enables continuous, practically lossless regulation of the output voltage. The resistance at the output is relatively low, so that no adjustment difficulties arise. The relationship between the adjustment path and the output voltage is linear, which is particularly important for use with analog computers.