DE1039606B - Symmetrische Widerstandsbruecke zur Bildung einer Regelabweichung, die zwei Paare von Widerstandszweigen mit unterschiedlicher Strom-Spannungs- Kennlinie und temperaturfehler- ausgleichende Hilfswiderstaende enthaelt - Google Patents

Description

Bei der selbsttätigen Regelung auf konstante Regelgröße werden Einrichtungen benötigt, die die sogenannte Regelabweichung erzeugen, das ist die Differenz zwischen dem vorgegebenen Sollwert der Regelgröße und deren jeweiligem Istwert. In elektrischen Regelkreisen wird der Sollwert im allgemeinen durch ein Sollwertnormal, beispielsweise eine Batterie aus Primärelementen, dargestellt. Die Regelgröße wird in diesem Fall durch eine geeignete Einrichtung ebenfalls in eine elektrische Spannung umgeformt, sofern sie nicht schon selbst eine Spannung ist. Werden die beiden Spannungen einander entgegengeschaltet, so ergibt sich als deren Differenz die Regelabweichung, die im regelnden Sinn auf den Regelverstärker und über das Stellglied auf die Regelstrecke einwirkt. Die Anwendung von Batterien als Sollwertnormal ist naturgemäß nachteilig, da sie altern und außerdem praktisch nicht belastet werden dürfen, so daß nur auf Spannung ansprechende Regelverstärker, wie Röhrenverstärker, jedoch keine auf Strom ansprechenden Verstärker, wie z. B. Magnetverstärker oder Transistorverstärker, verwendet werden können. Man hat daher andere Lösungen angegeben, um eine Regelabweichung herzustellen.

Eine bekannte Lösung, die vor allem für die Spannungsregelung von elektrischen Maschinen geeignet ist, bei denen kein fremdes Hilfsnetz, aus dem man eine konstante Spannung als Sollwert herstellen könnte, zur Verfügung steht, verwendet eine symmetrische Wheatstonebrücke mit zwei Paaren von Widerstandszweigen unterschiedlicher Strom-Spannungs-Kennlinien, insbesondere mit zwei linearen und zwei nichtlinearen Zweigen. Die eine Brückendiagonale wird an die die Regelgröße darstellende Spannung angeschlossen, und der anderen Brückendiagonale wird die Regelabweichung entnommen. Diese Schaltung benötigt keine besondere Vergleichsspannungsquelle. Die der Abweichung der Regelgröße vom vorgeschriebenen Sollwert nach Größe und Richtung proportionale Regelabweichung kommt vielmehr durch die Brücke allein zustande. Dies beruht darauf, daß die in den Brückenzweigen verwendeten linearen und nichtlinearen Widerstände unterschiedliche Strom-Spannungs-Kennlinien aufweisen. Diese haben nur einen gemeinsamen Schnittpunkt, der den Sollwert der Regelung bestimmt. In ihm ist die Spannung an der die Regelabweichung liefernden Brückendiagonale Null, während darüber und darunter Ausgangsspannungen entgegengesetzter Größe vorliegen.

Die Frage der Auswahl der für die Brücke verwendeten Widerstände unterschiedlicher Kennlinien wirft verschiedene Probleme auf. Es erhebt sich vor allem die Frage, welche Arten von nichtlinearen Widerständen vorteilhaft geeignet sind. Für den Fall, daß die

Symmetrische Widerstandsbrücke
zur Bildung einer Regelabweichung,
die zwei Paare von Widerstandszweigen mit unterschiedlicher Strom-Spannungs-Kennlinie und temperaturfehlerausgleichende Hilfswiderstände enthält

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Helmut Watzinger

und Dr.-Ing. Fritz Kümmel, Erlangen,

sind als Erfinder genannt worden

Regelgröße als Wechselspannung vorliegt und die Brückenschaltung also mit Wechselstrom arbeitet, wird man eine Frequenzabhängigkeit der verwendeten nichtlinearen Widerstände möglichst vermeiden. Drosselspulen oder Kondensatoren mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Kennlinie scheiden in diesen Fällen aus, und man ist auf die Verwendung von nichtlinearen Wirkwiderständen angewiesen. Bekannte Widerstände dieser Art, deren Anwendung in Brücken zur Bildung einer Regelabweichung ebenfalls bekannt ist, bestehen aus Siliziumkarbid, die zugleich billig und einfach im Aufbau sind.

Um eine möglichst kleine Zeitkonstante der Regelung zu erhalten, wird man ferner bemüht sein, trägheitsfrei arbeitende nichtlineare Widerstände zu verwenden, bei denen sich also· der Widerstand möglichst trägheitslos mit der anliegenden Spannung ändert. Die Überlegung sagt, daß für schnelle Regelungen alle nichtlinearen Widerstände ausscheiden, bei denen die Nichtlinearität im wesentlichen durch die Erwärmung infolge des eigenen hindurchfließenden Stromes bedingt ist. Widerstände aus Siliziumkarbid erfüllen zwar die gestellte Forderung der Trägheitslosigkeit. Störend und damit nachteilig macht sich jedoch deren verhältnismäßig große Temperaturabhängigkeit bemerkbar, die besonders dann vorliegt, wenn eine

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Brücke an einen Transistor, einen Magnetverstärker oder an einen anderen auf Strom ansprechenden Regelverstärker angeschlossen werden soll, weil hierbei gegenülier auf Spannung ansprechenden Verstärkern eine erhöhte Strombelastung der Brückenwiderstände vorhanden ist, da die Brücke selbst noch Strom liefern soll.

Es ist jedoch bekannt, den Temperaturfehler von Meßwiderständen durch Verwendung temperaturabhängiger Hilfswiderstände auszugleichen. Im vorliegenden Falle werden daher bei einer symmetrischen Brücke mit zwei Paaren von Widerstandszweigen unterschiedlicher Strom-Spannungs-Kennlinie, in der die Widerstände des einen Zweigpaares temperaturabhängig sind, zur Beseitigung der Temperaturabhängigkeit Hilfswiderstände angeordnet, die ebenfalls temperaturabhängig sind. Die Hilfswiderstände sollen möglichst die gleiche Temperaturabhängigkeit haben wie die bereits in der Brücke vorhandenen Temperaturwiderstände und ferner derartig lineare oder derartig nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinien aufweisen, daß eine eindeutige Zuordnung von Regelgröße und Regelabweichung vorliegt. Im Falle eines entgegengesetzten Vorzeichens des Temperaturganges werden die Hilfswiderstände in die die temperaturabhängigen Widerstände enthaltenden Brückenzweige und im Falle des gleichen Vorzeichens in die die anderen, die nicht temperaturabhängigen Widerstände enthaltenden Brückenzweige eingeschaltet.

Eine bevorzugte Ausführungsform derartiger Brükken enthält in zwei gegenüberliegenden Zweigen lineare Widerstände und in den zwei anderen gegenüberliegenden Zweigen nichtlineare spannungsabhängige Widerstände, sogenannte Varistoren, insbesondere aus Siliziumkarbid. Als Hilfswiderstände werden Heißleiter verwendet, insbesondere in der Ausführung der unter der Handelsbezeichnung Thernewide erhältlichen Art. Bei diesen handelt es sich um thermisch negative Widerstände auf Halbleitergrundlage.

In Fig. 1 ist die Widerstands-Temperatur-Kennlinie eines Thernewides als Beispiel dargestellt. Mit einer solchen Brücke wurden besonders gute Ergebnisse erzielt: in einem Bereich von 20 bis 80° C konnte ein Fehler, der 5% betrug, auf 0,5 °/o herabgesetzt werden. Dies war für den betreffenden zugründe liegenden Anwendungsfall ausreichend, stellt jedoch keineswegs das höchstmöglich durch die Erfindung Erreichbare dar. Durch noch sorgfältigere Abstimmung der Heißleiter auf die Varistoren kann dieses Ergebnis im Bedarfsfalle vielmehr noch weiter verl>essert werden.

Derartige Brücken ermöglichen Regeleinrichtungen für elektrische Generatoren, bei denen kein fremdes Netz zur Verfugung steht, zu vereinfachen und zu verbessern. Es wird dadurch bei Notstromaggregaten u. dgl. ermöglicht, auch in der ersten Zeit nach dem Einschalten eine ebenso genaue Regelung durchzuführen wie im stationären Betriebszustand. Dabei werden aber nicht nur Änderungen des Sollwertes vermieden, die durch die Erwärmung der als Sollwertnormal und Regelabweichungsgeber dienenden Brücke infolge ihres Betriebsstromes entstehen, sondern auch Änderungen, die durch äußere Temperatureinwirkungen entstehen. Bei den vorgenannten Regeleinrichtungen liegt ein Hauptanwendungsgebiet der neuen Meßbrücke.

Die Erfindung bezieht sich auf den konstruktiven Aufbau von symmetrischen Widerstandsbrücken, die zwei Paare von Widerstandszweigen mit unterschiedlicher Strom-Spannungs-Kennlinie und temperaturfehlerausgleichende Hilfswiderstände enthalten. Gegenüber den bekanten Anordnungen mit temperaturfehlerausgleichenden Hilfswiderständen ermöglicht die neue Lösung eine besonders gedrängte Bauform und bietet somit den Vorteil, derartige Brücken in engiiegrenztem Raum unterzubringen. Zugleich wird der Temperaturfehler besonders gut ausgeglichen, da der temperaturfehlerausgleichende Hilfswiderstand und der temperaturabhängige Widerstand der Brücke in engem Wärmekontakt stehen. Die Lösung besteht darin, daß die Brückenwiderstände über ein gut wärmeleitendes Metallstück, das zugleich ihre elektrische Verbindung darstellt, zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist im folgenden auf die Zeichnung Bezug genommen. Es zeigt Fig. 2 eine symmetrische Widerstandsbrücke,

Fig. 3 und 4 eine bevorzugte Ausführungsform für eine bauliche Zusammenfassung der Brückenwiderstände nach der Erfindung,

Fig. 5 eine weitere mögliche bauliche Zusammenfassung.

Die Brücke nach Fig. 2 besteht aus zwei linearen Widerständen R₁ und R₂, zwei nichtlinearen, spannungsabhängigen Siliziumkarbidwiderständen R₃ und i?₄ mit negativen Temperaturkoeffizienten und zwei Heißleiterwiderständen R₁ und R₂' als Hilfswiderständen, die ebenfalls einen negativen Temperaturkoeffizienten haben und in die die linearen Widerstände R₁ und R₂ enthaltenden Brückenzweige eingeschaltet sind. Den mit der einen Diagonale der Brücke verbundenen Klemmen 10, 11 wird die der Regelgröße X proportionale Spannung U_x zugeführt, während den mit der anderen Diagonale verbundenen Klemmen 12, 13 die die Regelabweichung X_w darstellende Spannung U_xw entnommen wird. Erwärmen sich die in der Brücke enthaltenen Widerstände, so nimmt der Gesamtwiderstand: der Brücke ab und damit der Strom zu. Die einzelnen Widerstände der Brücke müssen deshalb so ausgelegt sein, daß bei der maximal zulässigen Erwärmung die zulässige Belastung der einzelnen Widerstände nicht überschritten wird.

Um eine möglichst genaue Temperaturkompensation zu erreichen, werden gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die verschiedenen wärmeträgen Widerstände, im vorbeschriebenen Beispiel also die nichtlinearen Widerstände und die Hilfswiderstände, in engen Wärmekontakt miteinander gebracht, so daß beide zwangläufig die gleiche Temperatur einnehmen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Widerstände über ein gut wärmeleitendes Metallstück, das zugleich die elektrische Verbindung zwischen dem nichtlinearen Widerstand und dem Hilfswiderstand darstellt, miteinander in Kontakt gebracht werden. Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel, bei dem dieser Gedanke verwirklicht ist, zeigen Fig. 3 und 4 in zwei verschiedenen Schnittansichten.

Die Anordnung nach Fig. 3 und 4 gleicht im Aufbau den l>ekannten Trockengleichrichtern in Säulenform, bei denen die einzelnen. Elemente aufeinandergestapelt sind und auf einer isolierten Achse sitzen. Auf einer Isolierachse20 sind die nichtlinearen Widerstände R₃ und i?₄ abwechselnd mit Kühlblechen 21 angeordnet. Diese stehen über Kupferseheiben 22 mit den nichtlinearen Widerständen i?₃ und R₄ in gutem elektrischem und wärmeleitendem Kontakt. Auf dem überstehenden Rand des mittleren Kühlbleches 22 sind die Hilfswiderstände R₁ und R₂' angebracht. Hierbei ist ebenfalls für einen guten elektrischen und einen

guten thermischen Kontakt gesorgt. In Fig. 3 sind als Hilfswiderstände je zwei Heißleiter R₁ und R₂ vorhanden. Dies ist der Fall, wenn die Hilfswiderstände in mehrere Teile unterteilt werden sollen.

Es ist außerdem möglich, die linearen Widerstände R₁ und R₂ mit auf der Isolierachse 20 zu befestigen. Dies ist in Fig. 5 dargestellt. Die einzelnen Widerstände der Brückenschaltung nach Fig. 2 sind hierbei unter Zwischenfügung von Kühlblechen 21 und gegebenenfalls von nicht mit dargestellten Kontaktscheiben in der Reihenfolge der elektrischen Schaltung der Brücke, beispielsweise anfangend mit R₁' und aufhörend mit R₁, auf einer Isolierachse 20 angebracht, die am Ende etwa mit Gewinden zur Befestigung der ganzen Anordnung versehen ist. Die Anschlußbezeichnungen stimmen hier mit denen nach Fig. 2 überein.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE: 20

1. Symmetrische Widerstandsbrücke zur Bildung einer Regelabweichung, die zwei Paare von Widerstandszweigen mit unterschiedlicher Strom-Spannungs-Kennlinie und temperaturfehlerausgleichende Hilfswiderstände enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenwiderstände und die temperaturabhängigen Hilfswiderstände über ein gut wärmeleitendes Metallstück, das zugleich ihre elektrische Verbindung darstellt, zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlinearen Widerstände und die Hilfswiderstände und gegebenenfalls auch die linearen Widerstände nach Art von Trockengleichrichtern, vorzugsweise unter Zwischenfügung von Kühlplatten, in Säulenform aufeinandergestapelt sind und beispielsweise auf einer zentralen Achse sitzen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dahin gehend abgewandelt, daß die Hilfswiderstände auf den überstehenden Randteikn der Kühlbleche, vorzugsweise eines zwischen den nichtlinearen Widerständen befindlichen Kühlbleches, angebracht sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Bulletin des Schweiz, el. Vereines, Bd. 42 (1951), .141;
Radio mentor, Jg. 1950, S. 42 und 43.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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