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Gleichspannungs-Konstanthaltegerät, insbesondere für die Erzeugung einer Vergleichsspannung in einem elektronischen Regler In der Technik kommt es oft vor, dass die Ausgangsspannung einer Spannungsquelle genau konstant gehalten werden muss. Zu diesem Zweck verwendet man elektronische Konstanthaltegeräte, die häufig in Laboratorien, Eichstationen, Prüfämtern usw. verwendet werden und hinsichtlich Spannungskonstanz hohen Anforderungen genügen müssen.
Im allgemeinen wird bei einem elektronisch arbeitenden Gleichspannungs-Konstanthaltegerät ein Teil der Ausgangsgleichspannung an einem Spannungs- teiler abgegriffen, mit einer konstanten Vergleichsspannung verglichen und die beim Vergleich sich ergebende Spannungsdifferenz, nach Verstärkung in einem Gleichstromverstärker, zur Steuerung einer mindestens eine Leistungsröhre enthaltende Leistungsstufe verwendet, die als variabler Vorwider- stand im Belastungsstromkreis wirkt. Die Vergleichsspannung wird entweder einer Batterie oder einem stabilisierten Netzgerät entnommen.
Die Leistungsröhre ist anodenseitig an den Pluspol der unstabili- sierten, meist von einem Netzgleichrichter herrührenden Gleichspannung angeschlossen und kathoden- seitig mit dem Pluspol der Ausgangsgleichspannung verbunden. Die Regelung beruht auf der Änderung des Gleichstromwiderstandes der Leistungsröhre in Abhängigkeit ihrer Steuerspannung.
Dieser Gleichstromwiderstand ruft jeweils einen solchen Spannungsabfall an der Leistungsröhre hervor, dass die Ausgangsgleichspannung konstant bleibt. DQese Ausgangsgleichspannung, im folgenden als U, bezeichnet, ergibt sich aus der Gleichung: Uc = (UGI 1B ' RG1)-U., in der UGi = EMK der vom Netzgleichrichter gelieferten, unstabilisierten Gleichspannung,
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<tb> 1B <SEP> = <SEP> Belastungsstrom,
<tb> RG1 <SEP> = <SEP> Innenwiderstand <SEP> des <SEP> Netzgleichrichters
<tb> und
<tb> Ua <SEP> = <SEP> Spannungsabfall <SEP> an <SEP> der <SEP> Leistungsröhre
<tb> bedeutet.
Ist die vom Netzgleichrichter für eine Ausgangsgleichspannung von beispielsweise U, = 300 V abzugebende Spannung gleich 500 V und wird mit 10% Netzspannungsschwankungen gerechnet, so kann die Gleichrichterspannung zwischen 450 und 550 V schwanken. Soll nun die Ausgangsgleichspannung auf beispielsweise 0,010/00 genau konstant gehalten werden, so beträgt der zulässige Unterschied zwischen Mindest- und Höchstwert der Ausgangsgleichspannung V.
Wird die Eingangsspannung
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des Gleichstromverstärkers über einen Spannungsteiler abgegriffen, dessen Spannungs- teülerverhältnis z. B. 1 : 3 beträgt, so ist die minimal erforderliche Gesamtverstärkung des Gleichstromverstärkers inklusive Leistungsstufe
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Mit einem einstufigen Differentialverstärker und einer als Triode geschalteten Pentode als Leistungsröhre ergibt sich aber nur eine Gesamtverstärkung von etwa 25000. Hierbei entfällt eine Verstärkung von etwa 2500 auf den Differentialverstärker und eine solche von ungefähr 10 auf die Leistungsröhre.
Auch mit einer als Pentode geschalteten Leistungsstufe reicht die damit erzielbare Gesamtverstärkung für die oben geforderte Reguliergenauigkeit noch nicht aus, wenn die Aussteuerung der Leistungsstufe
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innerhalb eines grösseren Bereiches des Kennlinäen- feldes der Pentode möglich sein soll. In diesem Fall muss man nämlich mit der Anodenspannung verhältnismässig weit heruntergehen, da dem maximalen Wert derselben durch die höchstzulässige Ano- denverlustleistung eine Grenze gesetzt äst.
Man arbeitet dann aber auf dem stärker gekrümmten Teil der Anodenspannungs-Anodenstromkennlinie, auf dem die Verstärkung abfällt. überdies hat die Pen- todenschaltung den Nachteil, dass ein zusätzliches, stabilisiertes Netzgerät zur Speisung des Schirmgitters der Pentode vorgesehen werden muss.
Es ist nun bekannt, in Gleichstromverstärkern der hier interessierenden Art zur Erzielung einer grösseren Regelgenauigkeit das Schirmgitter der darin verwendeten Mehrgitterröhre über einen zwischen den Polen der unstabilisierten Eingangsgleichspannung geschalteten Spannungsteiler zu speisen und durch die an letzterem auftretenden Schwankungen der unstabiläsierten Eingangsspannung zu steuern. Der Anodenstrom der Mehrgitterröhre wird dann nicht mehr allein von den Schwankungen der Ausgangsgleichspannung beeinflusst, sondern auch noch direkt durch die Netzspannungsschwankungen. Durch diese Massnahme kann also die Regelgenauigkeit mit geringem Mehraufwand gesteigert werden.
Ein mit einer solchen Schirmgittersteuerung arbeitendes Kon- stanthaltegerät funktioniert aber nicht mehr einwandfrei, wenn zur Einhaltung einer extremen Reguliergenauigkeit, z. B. in der Grösse von 105 bzw. 0,010/0 o, eine entsprechend grosse Verstärkung erforderlich ist, da in diesem Fall die Schaltung zur Selbsterregung neigt.
Die Erfindung betrifft nun ein Gleichspannungs- Konstanthaltegerät, insbesondere für die Erzeugung einer Vergleichsspannung in einem elektronischen Regler, mit einer in Reihe mit einem Verbraucher liegenden und mindestens eine Leüstungsröhre enthaltende Leistungsstufe, welche von einem Gleichstromverstärker dadurch gesteuert wird, dass die Spannungsdifferenz zwischen einem über einen an die Ausgangsgleichspannung angeschlossenen Spannungs- teiler erhaltenen Teilbetrag der Ausgangsgleichspannung und einer von einer Spannungsstabilisierein- richtung gelieferten Vergleichsspannung der Leistungsstufe verstärkt zugeführt wird,
wobei als Verstärker eine aus einem Verstärker und einem Katho- denfolgerteil bestehende Differentialverstärkerstufe dient, deren Kathodenfolgerteil eingangsseitig an einer konstanten, von einer an der Ausgangsgleichspannung liegenden Spannungsstabilisiereänrichtung gelieferten Vergleichsspannung liegt. Bei diesem Kon- stanthaltegerät werden die oben erwähnten Nachteile dadurch behoben, dass zur Kompensation der restlichen Oberwelligkeit der Ausgangsgleichspannung des Konstanthaltegerätes ein mit einem ersten Katho- denfolger zusammenwirkendes,
an die Eingangsgleichspannung angeschlossenes erstes Netzwerk und zur Kompensation der verbleibenden Schwankungen der Ausgangsgleichspannung ein mit einem zweiten Kathodenfolger zusammenwirkendes, sowohl an die Eingangsgleichspannung als auch an die Ausgangsgleichspannung angeschlossenes zweites Netzwerk vorgesehen ist, und beide Kathodenfolgerstufen den Verstärkerteil der Differenbialverstärkerstufe zusätzlich in Abhängigkeit der Oberwelligkeit und der Schwankungen der Eingangsgleichspannung derart steuern, dass der restlichen Oberwelligkeit und den verbleibenden Schwankungen entgegengewirkt wird.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Das dargestellte Konstanthaltegerät dient vorzugsweise zur Erzeugung einer Vergleichsspannung U, für einen elektronischen Regler für eine sehr genau konstant zu haltende Gleichspannung, die von Null bis zu mehreren Tausend Volt einstellbar sein soll. An den Eingangsklemmen 1 und 2 liegt eine von einem nicht dargestellten Netzgleichricht-.r erzeugte unstabilisierte Gleichspannung UU,. An den Ausgangsklemmen 3 und 4 ist ein Verbraucher angeschlossen, welcher durch einen Widerstand 5 angedeutet ist.
In den Verbraucherstromkreis ist eine Leistungsröhre 6 geschaltet, die mit ihrer Anode 7 an den Pluspol 1 desl Netzgleichrichters und mit ihrer Kathode 8 an den Pluspol 3 der Ausgangsgleichspannung U, angeschlossen ist. Zwischen den Ausgangsklemmen 3 und 4 ist ein Kondensator 9 geschaltet und ein aus den Widerständen 10 und 11 bestehender Spannungsteiler, dessen Abgriff 12 mit einem Steuergitter 13 des Heptodenteiles einer Trioden-Heptoden-Doppel- systemröhre 14 verbunden äst. Letztere dient als Differentialverstärkerstufe, wobei ihr Heptodenteii als Verstärker und ihr Triodenteil als Kathodenfolgerstufe geschaltet ist.
Ein Begrenzungswiderstand 15 zwischen der Plusklemme 3 und der Anode 16 dient zur Anpassung der Röhrendaten an einen gegebenen Wert der Ausgangsgleichspannung U, der bedeutend grösser sein kann als die zulässige Anodenspannung des Triodenteils der verwendeten Triode- Heptode. Beide Teile der Röhre 14 weisen eine gemeinsame Kathode 17 auf, die über einen, ebenfalls für beide Röhrenteile gemeinsamen Kathodenwiderstand 18 mit dem Minuspol 4 verbunden ist.
Das erste Steuergitter 19 der Heptode erhält über einen Spannungsteiler 20, 21 eine feste Vorspannung, während die Anode 22 über einen Anodenwiderstand 23 an einer Spannung liegt, die sich aus der Ausgangsgleichspannung U, und einer Zusatzspannung an einer Stabilisatorröhre 24 zusammensetzt. Letztere wird von einer Hilfsgleichspannung U,*ll gespeist. Die Stabilisatorröhre 24 sorgt dafür, dass Schwankungen von Uli keine Anodenstromänderungen im Heptodenteil hervorrufen. Die Anode 22 ist ferner mit dem Steuergitter 25 der Leistungsröhre 6 gekoppelt, deren Kathode 8 mit dem Pluspol 3 verbunden ist.
Eine weitere Stabilisatorröhre 27 ist in Reihe mit einem Widerstand 28 an die stabilisierte Ausgangsgleichspannung U,, angeschlossen und liefert dem Steuergitter 29 des als Kathodenfolgerstufe geschalteten Triodenteiles Doppelsystemröhre 14 eine
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konstante Spannung, die als Vergleichsspannung für die als Differentialverstärker geschaltete Doppelsystemröhre 14 dient.
Zur Kompensation der restlichen Oberwelligkeit der Ausgangsspannung U, des Konstanthaltegerätes ist zwischen den Eingangsklemmen 1 und 2 ein erstes Netzwerk, bestehend aus einem Spannungsteiler mit Widerständen 30, 31 und einem Potentiometer 32 angeordnet. Der Abgriff des letzteren ist über einen Kondensator 33 mit dem Steuergitter 34 einer als Kathodenfolger geschalteten ersten Triode 35 verbunden.
Die Anode 36 dieser Röhre ist über einen Begrenzungswiderstand 37 an den Pluspol 3 angeschlossen, während ihre Kathode 38 über einen Kathodenwiderstand 39 am Minuspol 4 liegt. Das Steuergitter 34 erhält von einem an der Ausgangsgleichspannung U, liegenden Spannungsteiler 40, 41 eine feste Vorspannung. Das Steuergitter 19 der Doppelsystemröhre 14 ist über einen Kopplungskondensator 42 mit der Kathode 38 der Röhre 35 verbunden.
Zur Kompensation der verbleibenden Schwankungen der Ausgangsgleichspannung U, dient ein zweites Netzwerk, bestehend aus zwei Spannungs- teilern 43, 44 und 46, 47, von denen der erste, bestehend aus den Widerständen 43 und 44, an die Eingangsgleichspannung U", und der zweite, bestehend aus den Widerständen 46 und 47, an die Ausgangsgleichspannung U, angeschlossen ist, und beide Spannungsteiler über einen Widerstand 45 und ein Potentiometer 48 miteinander verbunden sind, wobei der Abgriff des letzteren an das Steuergitter 49 einer zweiten Triode 50, die ebenfalls wie die erste Triode 35 als Kathodenfolger geschaltet ist, angeschlossen ist.
Anstelle der beiden Trioden 35, 50 kann auch eine Doppeltriode treten. Ein Kondensator 51 dient dazu, die vom Netzgleichrichter herrührende Brummspannung vom Gitter 49 fernzuhalten. Die Anode 52 der Röhre 50 liegt über einen Begrenzungswiderstand 53 am Pluspol 3, während ihre Kathode 54 über einen Kathodenwiderstand 55 am Minuspol 4 angeschlossen ist. Die beiden Schirmgitter 56 der Doppelsystemröhre 14 sind mit der Kathode der Röhre 50 galvanisch verbunden. Die Heizfäden der Röhren 14, 35 und 50 sind in Reihe geschaltet und werden aus der konstant gehaltenen Ausgangsgleichspannung U,, gespeist (nicht gezeigt).
Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet folgendermassen: Wenn beispielsweise infolge einer Netzspannungs- und/oder Belastungsschwankung die Ausgangsgleichspannung U,. zunimmt, so nimmt auch das Potential des Gitters 13 des Verstärkerteiles der Doppelsystemröhre 14 zu. Da das Potential des Steuergitters 29 des Kathodenfolgerteiles dieser Röhre mittels der Stabilisatorröhre 27 konstant gehalten wird, ist auch die Spannung an der Kathode 17 konstant, so dass die Potentialänderung des Gitters 13 voll als Änderung der Gitterkathodenspannung der rechten Röhrenhälfte wirksam ist. Der durch den Anodenwiderstand 23 fliessende Strom nimmt somit zu, wodurch das Potential der Anode 22 sinkt.
Demzufolge wird das Steuergitter 25 der Leüstungsgsröhre 6 gegenüber deren Kathode 8 negativer, was zur Folge hat, dass der Gleichstromwiderstand der Leistungsröhre 6 grösser wird. Dadurch wird der Spannungsabfall U" an der Leistungsröhre 6 ebenfalls grösser, wodurch die Ausgangsgleichspannung U, auf ähren Sollwert zurückgebracht wird. Die Abweichungen vom Sollwert von U" welche für den Regelvorgang notwendig sind, sind um so kleiner, je grösser die Gesamtverstärkung des Verstärkerteiles der Doppelsystemröhre 14 und der Leistungsröhre 6 ist.
Die grösste Gesamtverstärkung wird dadurch erhalten, dass erstens die Anodenspannung des Verstärkerteiles 17, 19, 13,_ 56, 22 der Doppelsystemröhre 14 um die Brennspannung der Stabilisatorröhre 24 vergrössert, der Arbeitsbereich der Doppelsystemröhre 14 also in einen steileren Abschnitt ihrer Kennlinie verschoben, zweitens als Anodenwiderstand 23 ein solcher von mehreren Megohm verwendet und drittens die Ver- stärkerstufe als Differentialverstärker ausgebildet wird.
Durch den Anschluss der Stabilisatorröhre 27 an die Ausgangsgleichspannung U" wird erreicht, dass ihre Brennspannung von den Anodenstromschwan- kungen des Verstärkerteiles der Doppelsystemröhre 14 unbeeinflusst bleibt, wodurch die für den Regelvorgang notwendige Abweichung der Ausgangsgleichspannung U, am Steuergitter 13 der Doppelsystemröhre 14 voll zur Wirkung kommt.
Die restliche Oberwelligkeit (Brummspannung) der Ausgangsgleichspannung U, wird nun mnttels des ersten Netzwerkes 30, 31, 32 dem Kondensator 33 und dem Kathodenfolger 35 dadurch weiter stark verringert, dass durch die Oberwelligkeit der Eingangsgleichspannung UGl das Steuergitter 19 der Doppelsystemröhre 14 entsprechend gesteuert wird. Der Kondensator 33 ist so bemessen, dass er für die Brummspannung, deren Frequenz 100 Hz beträgt, eine kleine, .für die langsamen Schwankungen der Eingangsgleichspannungen UGl hingegen eine grosse Impedanz bildet.
Mit dem Potentiometer 32 wird die Brummkompensation eingestellt.
Die verbleibenden Schwankungen der Ausgangsgleichspannung U, werden ährerseits mittels dem zweiten Netzwerk 43 bis 48, dem Kondensator 51 und dem Kathodenfolger 50 dadurch kompensiert, dass letzterer die beiden Schirmgitter 56 der Doppelsystemröhre 14 entsprechend steuert. Der- Kondensator 51 ist so bemessen, da nur die verhältnismässig langsamen Schwankungen der Eingangsgleichpan- nung UGl einen Einfluss auf die Steuerung des Kathodenfolgers 50 ausüben können,
hingegen nicht die 100-Hz-Brummspannung. Mit dem Potentiome- ter 48 wird die Kompensation der Schwankungen der Eingangsgleichspannung UGl eingestellt.
Mittels der beiden Kathodenfolger 35 und 50 als Impedanzwandler wird eine niederohmige Ankopplung des Steuergitters 19 und der beiden Schirmgitter 56 der Doppelsystemröhre 14 erreicht.
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Durch die angeführten Massnahmen wird eine elektronische Reglerschaltung mit sehr hohem Verstärkungsgrad in der Steuerstufe erhalten, die in bezug auf Störsignale unempfindlich ist und keinerlei Neigung zu Selbsterregung aufweist.
Durch geeignete Bemessung der kapaziüiven Kopplungsglieder 33, 42 und Anwendung weiterer, in der Verstärkertechnik bekannter Mittel, wie frequenzabhängiger Gegenkopplungen, wird der Wechselstromwiderstand beim beschriebenen Konstanthaltegerät über einen grossen Frequenzbereich, entsprechend dem Wert seines verhältnismässig sehr kleinen Gleichstrom- Innenwiderstandes, klein gehalten.
Mit dem beschriebenen Kontakthaltegerät lässt sich mit einem einstufigen Differentialverstärker und einer Triode als Leistungsröhre die Ausgangsgleichspannung U, während einiger Stunden mit einer Genauigkeit von mindestens 0,010/0o konstant halten. Die restlichen Einflüsse der Netzspannungs- schwankungen und der Brutumspannung auf die Ausgangsgleichspannung U, werden separat kompensiert, wobei jede Kompensation einzeln mittels der Poten- tiometer 48 bzw. 32 optimal einstellbar ist.
Es besteht keinerlei Gefahr zu Selbsterregung, wie bei Gleichstromverstärkern üblicher Ausführung, bei denen zur Erzielung einer so grossen Reguliergenauigkeit mehrere Verstärkerstufen vorgesehen werden müssten.
Obwohl im beschriebenen Ausführungsbeispiel das Konstanthaltegerät eine feste Ausgangsgleichspannung U, liefert, kann es auch für eine einstell- bare Ausgangsgleichspannung ausgebildet werden. Dazu wird der Widerstand 10 des zwischen den Ausgangsklemmen 3, 4 geschalteten Spannungsteilers 10, 11 einstellbar ausgeführt, wodurch sich mit ihm die Ausgangsgleichspannung U, einstellen lässt.
Die Potentiometer 32 und 48 werden dabei vorzugsweise mit dem Einstellwiderstand 10 mechanisch gekoppelt, so dass zu jeder Einstellung der Ausgangsgleichspannung U, die passende Kompensation des Einflusses der Brutumspannung und der Schwankungen der Netzspannung eingestellt wird.