Automatische Regelschaltung zum Aufladen eines Speicherkondensators, insbesondere für Impuls-Schweissmaschinen Die Erfindung betrifft eine automatische Regel schaltung zum Aufladen eines Speicherkondensators und zum selbsttätigen Aufrechterhalten der gespei cherten Ladung auf einen in einstellbaren Grenzen schwankenden Sollwert. Bei dieser Schaltung erfolgt das Laden des Kondensators über ein Ladeschütz, das mittels elektronischer Hilfsmittel beim Erreichen des eingestellten Höchst- bzw.
Mindestspannungswertes am Kondensator dessen Ladekreis automatisch aus- bzw. einschaltet. Die Schaltung ist insbesondere bei Impuls-Schweissmaschinen und weiterhin beispiels weise bei Magnetisierungsgeräten u. sonstigen Hoch spannungsgeräten, bei denen ein Speicherkondensator aufgeladen wird und die gespeicherte Ladung auf einem in einstellbaren Grenzen schwankenden Soll wert selbsttätig aufrechterhalten werden soll, ver wendbar.
In vielen Fällen wird in der Technik eine Energie speicherung in Form eines elektrisch aufgeladenen Kondensators durchgeführt, so auch bei Impuls- Schweissmaschinen, denn diese Energiequelle hat den Vorteil, die gespeicherte Energie zu einem beliebigen Zeitpunkt und in nur durch die technischen Möglich keiten begrenzter, beliebig kurzer Zeit zu verbrauchen. Besonders in diesem speziellen Falle ist es wichtig, dass der Energiewert von einem bestimmten, meist einstellbaren Sollwert nur geringfügig abweicht.
Bekanntlich ist der Energieinhalt eines Konden- sators gegeben durch E = 1/2 C.U2 wobei bei bekannter Kondensator-Kapazität C die Spannung, U ein Mass für den jeweiligen Energie- inhält darstellt. Die gespeicherte Energie kann also einfach mit einem üblichen Spannungsmesser zur Anzeige gebracht werden. Da die Spannung mit ihrem Quadrat in die Energiegleichung eingeht, ist es für einen bestimmten Energieinhalt erforderlich, dass die Spannung innerhalb gewisser kleiner Grenzen kon stant gehalten wird.
Mittel zur Konstanthaltung der Ladespannung sind in ausreichenden Varianten bekannt, wie z.B. die elektronischen Spannungs-Stabilisatoren, die als be stimmendes Glied meistens als regelbaren Widerstand geschaltete Vakuumröhren enthalten.
Ein konstanter Energiebetrag kann aber auch für lange Dauer dadurch gespeichert werden, dass der Kondensator nach Verlust einer bestimmten Ladungs menge automatisch wieder auf seinen Spannungswert aufgeladen wird. Hierzu sind verschiedene, meist transistorisierte Schaltungen bekannt geworden, die über ein Relais oder auch eine Glimmlampe mit nur geringfügigem Abstand der Zünd- und Löschspan nung die Nachladung des Kondensators bewirken.
Derartige Regelschaltungen erreichen aber die Grenze des wirtschaftlich vertretbaren Aufwandes, wenn es sich darum handelt, sie bei relativ hoher Genauigkeit für hohe Kondensator-Ladespannungen oder für hohe Ladeströme auszulegen. Gerade bei den Impuls-Schweissmaschinen werden aber beide Forde rungen in zunehmendem Masse kombiniert gestellt, da die Verwendung hoher Ladespannungen wegen der quadratischen Abhängigkeit ein besseres Verhältnis von Speicher-Energie zum Speicher-Volumen ergibt, und da die technische Anwendung ein häufiges und möglichst schnelles Wiederaufladen nach den stoss- artig erfolgten Entladungen erfordert.
Als geeignetes Mittel hierzu ist die Verwendung eines Hochspannungs-Schützes als Schaltglied eines Zweipunktreglers naheliegend. Der Zweipunktreg ler müsste das Hochspannungs-Ladeschütz derart steuern, dass es schliesst, wenn die Kondensator-La despannung einen unteren Schwellwert unterschreitet, und dass es öffnet, wenn dieselbe einen oberen Schwellwert überschreitet. Dabei müsste im Interesse der genauen Einhaltung der oberen und der unteren Schwellwerte die Betätigung des Ladeschützes<B>mög-</B> lichst schnell und trägheitslos erfolgen, und die Schwellwerte müssten sowohl in ihrer Höhe als auch in ihrem gegenseitigen Abstand voneinander einstell bar sein.
Diese Forderungen werden nach der Erfindung dadurch erfüllt, dass das Einschalten des Lade- schützes durch eine erste Vorrichtung erfolgt, welche auf das Unterschreiten einer sie steuernden Spannung anspricht, die als Differenz der Absolutbeträge der mittels eines Potentiometers abgegriffenen Ladespan nung am Speicherkondensator oder eines Teiles der selben und einer stabilisierten Spannung gebildet ist, und das Ausschalten des Ladeschützes durch eine zweite Vorrichtung, die auf das Überschreiten einer Spannung anspricht, welche von der Kondensator spannung abhängig ist und sich entgegengesetzt zu der die erste Vorrichtung steuernden Spannung än dert.
Um ein schnelles Anziehen des Ladeschützes zu erreichen, ist zweckmässig der Feldspule des Lade- schützes und dem Steuerthyratron ein Hilfskonden sator derart zugeordnet, dass sich dessen Energiein halt beim Zünden des Thyratrons in die Feldspule entlädt, und das Ladeschütz nach Entladung dieses Hilfskondensators über einen Widerstand nur noch den notwendigen Haltestrom erhält. Hierbei kann über ein Potentiometer der Zündeinsatzpunkt des zweiten Thyratrons gegenüber dem des ersten ver schoben werden, so dass die Spannungsdifferenz zwi schen Ein- und Ausschalten des Ladeschützes ver änderlich und vorwählbar ist.
Die erste und die zweite Vorrichtung können je ein Thyratron oder ein an deres elektronisches Bauelement, wie z.B. eine Shockley-Diode sein oder durch eine Schaltung, z.B. einen Schmitt-Trigger, gebildet sein. Bei Verwendung eines Schmitt-Triggers kann beim Über- oder Unter schreiten einer Schwelle der Eingangsspannung mit dem am Ausgang entstehenden Spannungssprung das Gitter einer Leistungsröhre gesteuert werden, die mit ihrem Anodenstrom das Schütz hoher Leistung schaltet.
In der Kathoden-Zuleitung der Leistungs röhre kann hierbei eine RC-Kombination angeordnet sein, die bewirkt, dass bei plötzlichem Übergang der Röhre vom gesperrten in den leitenden Zustand zu nächst ein hoher Anodenstrom fliesst, der das als Anodenwiderstand geschaltete Schütz sehr schnell zum Anzug bringt, wonach sich dann an der RC- Kombination eine als Gittervorspannung wirkende Spannung aufbaut, die den Anodenstrom automatisch auf den erforderlichen Haltestrom des Schützes herab setzt.
Zur näheren Erläuterung des Erfindungsgegenstan des sind in der Zeichnung zwei beispielsweise Schalt- Bilder wiedergegeben, wobei in der Fig. 1 eine erfin- dungsgemässe Schaltung und in Fig. 2 eine Variante der Erfindung dargestellt ist.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung besteht aus einem üblichen Ladekreis und einem angekoppelten und in zwei Teilkreise aufteilbaren Steuerkreis. Im Ladekreis liegt der Energie-Speicherkondensator 4 in Reihe mit dem Kontakt 3 des Ladeschützes 8 und dem Ladewiderstand 2 an einem Gleichspannungs generator 1, dessen Pluspol, wie in der Hochspan nungstechnik bei Verwendung hoher Gleichspannun gen üblich, geerdet ist. Der Speicherkondensator 4 wird demnach mit einer gegen Erde negativen Span nung aufgeladen. Im ersten Teil des Steuerkreises sind an eine stabilisierte Gleichspannungsquelle von z.B. 400 V zwei Thyratrons 10 und 11 parallel angeschlos sen, deren Anoden über einen Hilfskondensator 9 miteinander verbunden sind.
In der Anodenleitung des ersten Thyratrons 10 liegen ferner nacheinander die Schaltschütz-Spule 8 und der Arbeitswiderstand 7, in der Anodenleitung des zweiten Thyratrons 11 lediglich der übliche, und deshalb nicht näher be zeichnete Anodenwiderstand. Die Schaltschütz-Spule 8 ist zusammen mit dem Thyratron 10 von einem weiteren Hilfskondensator 6 überbrückt, der auf hohe Spannung ausgelegt ist.
An der Kathode des Steuerthyratrons 10 liegt eine entsprechend gepolte Gleichspannung, die z.B. aus einem Glimmröhren-Stabilisator 15 von 200 V ent nommen ist. Als Steuerspannung liegt am Gitter dieses Thyratrons 10 eine mit dem Schleifer des Potentio meters 5 abgegriffene Teilspannung der Ladespan nung des Speicherkondensators 4. Das Gitter des zweiten Thyratrons 11 erhält seine Spannung aus dem zweiten Teil des Steuerkreises. Dieser besteht im wesentlichen aus zwei Elektronenröhren 13 und 14, an Stelle derer auch eine Verbundröhre mit getrennten Systemen verwendet werden kann, die mit ihren Kathodenwiderständen und einem Potentiometer 12 nebeneinander an einer stabilisierten Gleichspannungs quelle von ca. 150 V angeschlossen sind.
Das Gitter potential der ersten Röhre 13 wird über das Potentio meter 12 der Gleichspannungsquelle selbst entnom men, das Gitter der Röhre 14 liegt hingegen über einen Gitterwiderstand am Abgriff des Potentiometers 5 und erhält so seine Spannung aus dem Speicher kondensator. Ausserdem liegt ihre Kathode am nega tiven Pol der Vergleichsspannung.
Wie ersichtlich, ist die zwischen den Steuergittern des Steuerthyratrons 10 und der Röhre 14 und den zugehörigen Kathoden wirksame Steuerspannung gleich der Summe der am Potentiometer 5 abgegrif fenen negativen Teilspannung des Speicherkonden- sators 4 und der am Glimmröhren-Stabilisator 15 ab fallenden positiven Spannung. Ist nun der Speicher kondensator 4 nicht, der Hilfskondensator 6 jedoch auf eine hohe positive Spannung aufgeladen, so ent lädt sich zunächst dieser Kondensator 6 über die Ladeschütz-Spule 8 und das gezündete Thyratron 10.
Das Schütz 8 zieht hierdurch an und der Spulenstrom geht mit der Entladung des Kondensators 6 auf einen Wert zurück, der vorwiegend durch den jetzt wirk samen Arbeitswiderstand 7 bestimmt wird, und der ausreicht, das Schütz 8 in angezogenem Zustand zu halten. Bei angezogenem Schütz 8 ist dessen Kontakt 3 geschlossen, und damit auch der Ladestromkreis für den Speicherkondensator 4, d.h. dieser wird auf geladen. Mit seiner steigenden negativen Spannung wird nun ebenfalls die Steuerspannung an den Gittern des Thyratrons 10 und der Röhre 14 negativer.
Hier durch wird aber die Spannung zwischen den beiden Kathoden der Röhren 13 und 14, die als Steuerspan nung für das Hilfsthyratron 11 wirksam ist, positiver, und zwar soweit, bis die Steuerspannung erreicht ist, bei der das Hilfsthyratron 11 zündet. Der beim Zün den dieses Thyratrons 11 an dessen Anode entste hende negative Spannungssprung wird über den Anodenkondensator 9 der Anode des Steuerthyratrons 10 zugeführt, so dass dieses löscht, da ja auch dessen Steuerspannung inzwischen stark negative Werte an genommen hat. Beim Löschen des Thyratrons 10 fällt das Schütz 8 ab, der Kontakt 3 öffnet sich und die Aufladung des Speicherkondensators 4 wird unter brochen.
Die Ladung im Kondensator 4 kann natürlich nicht beliebig lang gespeichert bleiben. Durch innere Ver luste, über den Widerstand des Spannungsteilers 5 und ein eventuell parallelgeschaltetes Messinstrument zur Anzeige der Ladespannung wird der Speicherkon densator 4 immer etwas an Ladung verlieren. Damit wird aber auch die am Steuerthyratron 10 wirksame Steuerspannung positiver, und zwar so lange, bis das Thyratron zündet. Dann setzt der bereits beschriebene Ladevorgang erneut ein. Die Ladung am Speicher kondensator 4 pendelt also zwischen den beiden Wer ten, bei denen entweder das Thyratron 10 oder das Thyratron 11 zündet.
Da die Steuerspannung des Thyratrons 11, d.h. die Spannung zwischen den Kathoden der Röhren 13 und 14 nicht nur von der Spannung am Gitter der Röhre 14, sondern auch von der am Gitter der Röhre 13 be stimmt wird, lässt sich der Zündeinsatzpunkt des Hilfsthyratrons 11. mit Hilfe des Potentiometers 12 gegenüber dem Zündeinsatzpunkt des Steuerthyratrons 10 verschieben. Man erhält so einen Zweipunkt-Re gler, dessen unterer Schwellwert durch die Einstellung am Potentiometer 5 gegeben, und der Abstand des oberen Schwellwertes von diesem unteren durch die Einstellung am Potentiometer 12 bestimmt ist.
Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung hat den Vorteil, dass bei Verwendung eines leistungs fähigen Steuerthyratrons 10 selbst leistungsstarke La deschütze 8 direkt gesteuert werden können, die we gen ihrer Grösse eine erhebliche Steuerleistung be nötigen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass sich eine alterungsbedingte Änderung des Zündeinsatzpunktes des Thyratrons 10 oder 11 nicht direkt auf die Ge nauigkeit der Anordnung auswirkt, sondern nur in ihrem Verhältnis zur gesamten am Potentiometer 5 gegen Erde abgegriffenen Spannung. Der Einfluss sol- cher alterungsbedingter Zündspannungsänderungen wird also umso geringer, je grösser die stabilisierte Spannung am Glimmröhrenstabilisator 15 gewählt wird.
Wenn die Spannungsversorgung für die Elek tronenröhren 13 und 14 zusätzlich stabilisiert ist, so lassen sich mit der Schaltung nach der Erfindung grosse Genauigkeiten erreichen. Die Abweichung der Schwellwerte des Zweipunktreglers betragen weni ger als<I>1</I> aJo vom Sollwert, und der obere und untere Schwellwert lassen sich auf weniger als l% einander annähern.
Anstelle der als Spannungs-Diskriminatoren wir kenden Thyratrons 10 und 11 lassen sich auch andere, aus der Elektronik bekannte Bauelemente einsetzen. So haben z.B. die in der Halbleitertechnik bekannten Vierschicht-Dioden (Shockley-Dioden) Eigenschaften, die denen der Thyratrons sehr ähnlich sind. Ebenso ist es möglich, anstelle eines Thyratrons eine Schal tungsanordnung zu benutzen, die in der Schaltungs technik als Schmitt-Trigger bekannt geworden ist. Hierbei besteht wiederum die Möglichkeit, die Feld spule des Ladeschützes entweder direkt als Anoden widerstand einer der beiden Röhren eines Schmitt - Triggers zu schalten, oder aber, falls die Leistung der Röhren nicht ausreicht, mit dem am Ausgang eines Schmitt-Triggers entstehenden Spannungssprung eine Leistungsröhre anzusteuern.
In Fig. 2 ist die Schaltung eines entsprechenden Ausführungsbeispiels angegeben. Hierbei entspricht der Ladekreis des Speicherkondensators 4 dem der Fig. 1. Die am Potentiometer 16 abgegriffene Mess- spannung wird ebenfalls mit einer am Glimmstabili- sator 24 abfallenden Spannung verglichen und die hieraus resultierende Spannung steuert den aus den beiden Röhren 17 und 23 bestehenden Schmitt-Trig- ger. Mit dem an der Anode der Röhre 23 entstehenden Spannungssprung kann eine leistungsstarke Elek tronenröhre 19 vom gesperrten Zustand in den leiten den Zustand gesteuert werden,
wenn die Steuerspan nung am Gitter der Schmitt-Trigger-Röhre 17 den Schwellwert über- oder unterschreitet. Da es eine Eigenschaft des Schmitt-Triggers ist, dass für das Über- oder Unterschreiten des Schwellwertes dieser voneinander abweichende Werte annimmt (soge nannte Hysterese), ist es möglich, die Schaltung nach Fig. 1, bei der zwei Spannungsdiskriminatoren ver wendet werden, dahingehend zu vereinfachen, dass nur noch ein Schmitt-Trigger erforderlich ist.
Der Abstand der beiden Schwellwerte voneinander, also der Wert der Hysterese, kann durch die Dimensionie- rung des Schmitt-Triggers beeinflusst werden. Aller dings ist dies dann nicht mehr ohne Einfluss auf die absolute Höhe des Schwellwertes, so dass eine von einander unabhängige Regelung, wie bei der Schal tung nach Fig. 1, nicht mehr möglich ist, und somit der einmaligen festen Einstellung der Hysterese der Vorzug gegeben werden sollte. Eine Besonderheit der Schaltung nach Fig. 2 stellt der Kathodenwiderstand 20 der Röhre 19 dar, der mit dem Kondensator 21 überbrückt ist.
Er erfüllt die gleiche Funktion wie der Kondensator 6 nach Fig. 1. Wird die Röhre 19 mit einem vom Schmitt-Trigger gelieferten Spannungs sprung vom gesperrten in den leitenden Zustand ge steuert, so stellt der Kondensator 21 einen Kurz- schluss für den Kathodenwiderstand 20 dar, so dass ein hoher Anodenstrom fliesst. Durch den am Ka thodenwiderstand 20 entstehenden Spannungsabfall lädt sich der Kondensator 21 auf, so dass am Gitter der Röhre 19 automatisch eine negative Vorspannung wirksam wird, die den Anordenstrom auf den für das Schütz 18 erforderlichen Haltestrom herabsetzt.
Mit der Schaltung nach der Erfindung lassen sich mit relativ geringem Aufwand Ladeaggregate für Speicherkondensatoren aufbauen, die bei ausreichen der Dimensionierung den Energiespeicher auch mit sehr hohen Ladespannungen und starken Ladeströmen aufladen, und die gespeicherte Energie mit Schwan kungen von nur rund 1% für eine beliebig lange Zeit aufrechterhalten.