-
Spannungs- oder Stromregler für Gleich- oder Wechselspannungen Die
Erfindung betrifft einen Spannungs- oder Stromregler für Gleich- oder Wechselspannungen.
-
Es sind bereits Spannungs- oder Stromregler unter Verwendung einer
Brückenschaltung bekannt, wobei die Brücke aus drei Widerständen und einer Sättigungsdiode
besteht, die mit der geregelten Ausgangsspannung geheizt wird. Da die Brücke mit
einer Gleichspannung gespeist wird, ergibt eine relativ geringe Änderung der Ausgangsspannung
eine relativ kräftige Änderung der Brückendiagonalspannung, und da ferner die Diagonalspannung
zur Nachregelung ausgenutzt wird, erhält man eine hohe Regelsteilheit bzw. eine
hohe Konstanz der Ausgangsspannung. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß
der Heizfaden der Sättigungsdiode bei sehr hoher Temperatur, nämlich bei Weißglut,
arbeiten muß, um einen ausreichenden Sättigungsstrom zu ermöglichen. Dies erfordert
besondere Maßnahmen bei der Fertigung, wenn eine ausreichende Lebensdauer und eine
konstante Charakteristik erreicht werden sollen, mit dem Ergebnis, daß derartige
Röhren unverhältnismäßig teuer sind. Trotzdem beobachtet man in der Praxis ein ständiges
Abwandern der geregelten Ausgangsspannung und einen häufigen Ausfall des Reglers
durch Heizfadenbruch der Diode, da sich die rasche Volumenabnahme des Heizfadens
durch Verdampfen des Wolframs prinzipiell nicht vermeiden läßt. Außerdem ist bei
derartigen Dioden ein verhältnismäßig großer Heizstrom erforderlich, der den Anwendungsbereich
auf Regler großer Ausgangsleistung beschränkt.
-
Ferner ist es bekannt, auch bei Geräten zur Spannungsregulierung elektrischer
Stromerzeuger als 7Meßfühler eine Kaltleiterbrücke zu verwenden. In zwei Brückenzweige
ist dabei beispielsweise je eine Glühlampe eingeschaltet, deren Widerstand sich
in Abhängigkeit von der angelegten Spannung ändert. Der am sogenannten »Nullzweig«
der Brücke abgenommene Teil .der die Glühlampen aufheizenden Speisespannung wird
dann zur Beeinflussung eines Relais benutzt, das seinerseits über die Erregung die
Spannung des zu regelnden Generators steuert. Derartige Zweipunktregler lassen sich
jedoch infolge ihrer Trägheit nicht zum schnellen Ausregeln von Spannungsstößen
verwenden. Wenn, wie in- einer anderen bekannten Schaltung zur Regelung einer Gasflamme,
die Brückenausgangsspannung zunächst elektronisch verstärkt wird, bevor sie ein
Relais steuert, so ändert dies nichts an diesem prinzipiellen Nachteil der Zweipunktregelung.
Selbst bei einer rein elektronischen Steuerung des Stellgliedes durch die verstärkte
Brückenausgangsspannung bleibt der entscheidende Nachteil bestehen, daß man an die
Frequenz der zu regelnden Spannung, die die Brücke speist, gebunden ist. Dadurch
ist auch der Verkleinerung der Zeitkonstante des Regelkreises eine Grenze gesetzt.
-
Der Erfindung liegt nun .die Aufgabe zugrunde, einen Spannungs- oder
Stromregler zu schaffen, der gleich günstig für Gleich- oder Wechselspannungen verwendet
werden kann und der neben einer hohen Langzeitkonstanz der eingestellten Spannung
auch eine besonders kleine Regelzeitkons.tante aufweist. Diese Aufgabe wird bei
einem Spannungs- oder Stromregler für Gleich- oder Wechselspannungen mit einer Widerstandsbrücke
als Meßfühler, die in mindestens einem Brückenzweig einen nichtlinearen Widerstand
enthält, der seinen Widerstandswert in Abhängigkeit von einer der Widerstandsbrücke
zugeführten und von der Regelgröße abhängigen Steuerspannung ändert, gemäß der Erfindung
dadurch gelöst, daß der Widerstandsbrücke außer der von der Regelgröße abhängigen
Spannung eine Hilfswechselspannung anderer Frequenz zugeführt wird und daß eine
in der Frequenz ,dieser Hilfswechselspannung entsprechende Spannung am Brückennullzweig
zur Weiterverstärkung als Stellgröße entnommen' wird.
-
Durch diese Art der Anordnung ist es möglich, an der einen Brückendiagonale
ohne Rücksicht auf die Frequenz der geregelten Spannung, .die auch eine Gleichspannung
sein kann, die Hilfsspannung höherer Frequenz abzunehmen, deren Amplitude entsprechen
der Änderung der Regelgröße schwankt. Diese .abgenommene Hilfsspannung kann nun
in besonders einfacher Weise verstärkt und erforderlichenfalls unter Verwendung
von Siebgliedern mit besonders kleiner Zeitkonstante gleichgerichtet werden. Diese
Hilfswechselspannung ist infolge ihrer höheren Frequenz also dazu geeignet, an sich
bekannte, nichtlineare Widerstandsbrücken in der Schaltung so zu benutzen., daß
eine außerordentlich rasche und nahezu trägheitslose Regelung möglich wird. Die
Verbesserung der Langzeitkonstanz und Betriebssicherheit gegenüber
Reglern
mit Wolframdioden wird durch die Verwendung eines nichtlinearen Widerstands erreicht,
der jedoch als solcher bereits bei Brückenschaltungen, die als Meßfühler für Regler
dienen, bekannt ist. Solche nichtlinearen Widerstände sind im Gegensatz zu .den
Wolframdioden praktisch keiner Alterung unterworfen. Die der Brückendiagonale entnommene
Hilfsspannung wird nach der Verstärkung in vielen Fällen gleichgerichtet, um die
gewünschte Wirkung für die Regelung zu erzielen. Diese Gleichrichtung kann mit üblichen
Gleichrichtern durchgeführt werden. Um den Regler für alle Betriebsfälle stabil
zu halten, ist jedoch eine Abstimmung der Kaltleiterbrücke auf einen Punkt außerhalb
des Brückenminimums notwendig, wodurch die Regelsteilheit und die Langzeitkonstanz
des Gerätes nicht den optimalen Wert erreichen.
-
Die Nachteile, die bei der Verwendung dieses an sich bekannten, üblichen
Gleichrichters auftreten, werden nun durch die Benutzung eines ebenfalls an sich
bekannten, gesteuerten Gleichrichters vermieden, und in einer zweckmäßigen Weiterbildung
des Erfindungsgedankens wird daher die dem Brückennullzweig entnommene Wechselspannung
verstärkt oder unverstärkt in einem Gleichrichter gleichgerichtet, -der von der
der Widerstandsbrücke zugeführten Hilfswechselspannung, beispielsweise aus einem
Hilfsoszillator, gesteuert wird.
-
Die Steuerung des Gleichrichters >durch die Spannung der Hilfsspannungsquelle
ist deswegen zweckmäßig, weil je nach der Änderung der Speisespannung die Gleichrichterausgangsspannung
positiv bzw. negativ sein muß, derart, daß z. B. einer Spannungsermäßigung eine
positive Gleichspannung des Gleichrichterausgangs und einer Spannungserhöhung eine
negative Gleichspannung entspricht oder umgekehrt.
-
Die Hilfswechselspannung weist vorzugsweise eine verhältnismäßig hohe
Frequenz auf und beträgt zweckmäßig ein Vielfaches der Frequenz der Spannung .des
Ausgangskreises, falls diese eine Wechselspannung ist. Dadurch wird erreicht, daß
die Ausgangsspannung des Gleichrichters trotz der meist notwendigen Glättung praktisch
verzögerungslos der Änderung der Brückenverstimmung, d. h. der Änderung der Speisespannung
bzw. der Spannung des Ausgangskreises, folgt. Die Größen der dem Ausgangskreis entnommenen
Spannung und der Hilfsspannung, die zusammen die Speisespannung ,der Brücke ergeben,
werden zweckmäßig so gewählt, daß die Erwärmung des stromabhängigen Widerstandes
im wesentlichen durch die erstgenannte Spannung erfolgt, da sich sonst Änderungen
der Hilfsspannung ebenfalls auf die Verstimmung der Brücke auswirken.
-
Zur Regelung .der Spannung bzw. des Stromes des Eingangskreises über
die Ausgangsspannung können beliebige, an sich bekannte Mittel vorgesehen werden.
Beispielsweise kann dies dadurch erfolgen, daß die dem Gleichrichter entnommene
Spannung zur Steuerung einer Verstärkerröhre verwendet wird, die ihrerseits die
Magnetisierung und damit .den Wechselstromwiderstand einer im Eingangskreis liegenden
Drossel beeinflußt.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt.
-
Den Klemmen 10 und 11 eines Eingangskreises 12 wird beispielsweise
eine Wechselspannung von 220 Volt 50 Perioden zugeführt. Im Eingangskreis ist eine
Drosselspule 13 vorgesehen, auf deren Zweck weiter unten eingegangen wird. Bei 38
ist ein Transformator erkennbar, dessen Primärspule 15 im Eingangskreis 12 und dessen
Sekundärspule 16 im Ausgangskreis 17 liegen, dessen Ausgangsspannung an den Klemmen
18 und 19 abgenommen werden kann. Von der Sekundärwicklung 20 eines Transformators
21, dessen Primärwicklung 22 an den Ausgangsklemmen 18 und 19 liegt, wird eine Spannung
,den Brückenpunkten 23 und 24 einer Widerstandsbrücke 25 zugeführt. Die Widerstandsbrücke
besteht aus drei Widerständen 26, 27 und 28 üblicher Bauart und einem stromabhängigen
Widerstand 29, der in dem vorliegenden Beispiel als K altleiter eingezeichnet ist.
-
Mit 30 ist ein Hilfsoszillator bezeichnet, der eine Wechselspannung
von verhältnismäßig hoher Frequenz erzeugt, die über einen Transformator 31 dem
Stromkreis der Sekundärwicklung 20 des Transformators 21 und -damit den Brückenpunkten
23 und 24 überlagert wird. Von den Brückenpunkten 32 und 33, die die Brückendiagonale
der Brücke bilden, führen Leitungen zu einem Verstärker 34, in dem die hochfrequente
Hilfsspannung verstärkt und einem Gleichrichter 35 zugeführt wird. Der Gleichrichter
35 ist mit der Primärseite des Transformators 31 verbunden und wird durch die Hilfswechselspannung
des Hilfsoszillators 30 gesteuert. Die verstärkte und gleichgerichtete Hilfsspannung
wird dem Gitter 36 einer Röhre 37 zugeführt, .deren Anodenstrom den Magnetisierungswicklungen
14 der Drosselspule 12 zugeleitet wird.
-
Die Wirkungsweise der vorgeschriebenen. Anordnung ist wie folgt: Bei
einer vorbestimmten Ausgangsspannung zwischen den Klemmen 18 und 19 sind die Widerstände
26, 27, 28 und 29 der Widerstandsbrücke 25 so gewählt, daß die Brücke sich im Gleichgewicht
befindet, so daß keine Brückendiagonalspannung vorhanden ist.
-
Verkleiner sich nun die Ausgangsspannung, d. h. die Spannung zwischen
den Klemmen 18 und 19, was beispielweise durch eine Verkleinerung der Eingangsspannung
zwischen den Klemmen 10 und 11 oder durch eine Vergrößerung des :den Klemmen 18
und 19 entnommenen Stromes eintreten kann, so verkleinert sich auch die den Brückenpunkten
23 und 24 über den Transformator 21 zugeführte Spannung entsprechend. Nunmehr befindet
sich die Widerstandsbrücke 25 nicht mehr im Gleichgewichtszustand, und es entsteht
somit eine Spannung zwischen den Brückenpunkten 32 und 33, .deren Größe der Verkleinerung
der Ausgangsspannung entspricht. Die zwischen den Punkten 32 und 33 auftretende
Spannung besteht einerseits aus einer Spannung mit der Frequenz,des Ausgangskreises
17 und einer wesentlich höheren Frequenz des Hilfsoszillators. Die Brückendiagonalspannung
wird nun im Verstärker 34 verstärkt und dem Gleichrichter 35 zugeführt.
-
Der Gleichrichter 35 wird nun, wie bereits erwähnt, durch die hochfrequente
Hilfsspannung des Hilfsoszillators gesteuert, und zwar derart, daß im vorbeschriebenen
Beispiel die Ausgangsspannung des Gleichrichters positiv ist. Dadurch erhöht sich
die Spannung des Gitters und außerdem der Anodenstrom der Röhre 37, so daß über
die Magn etisierungsspulen 14 der Drosselspule 12 der Wechselstromwiderstand dieser
Drosselspule herabgesetzt und so die Spannung an der Primärspule des Transformators
38 erhöht wird. Diese Erhöhung erzeugt in der Sekundärspule 16 eine entsprechende
Erhöhung .der Ausgangsspannung zwischen. :den Klemmen 18 und 19. Diese Erhöhung
(der Spannung .dient zum Ausgleich der vorher eingetretenen Spannungsabsenkung,
so daß als Ergebnis die Spannung zwischen den Klemmen 18
und 19
auf eine verhältnismäßig konstante Spannung eingeregelt wird.
-
Falls sich nun die Ausgangsspannung zwischen den Klemmen 18 und 19
erhöht, ist der Vorgang ähnlich wie vorbeschrieben, jedoch mit dem Unterschied,
daß die Spannung an der Brückendiagonale, d. h. den Brückenpunkten 32 und 33, eine
:der vorher beschriebenen Spannung -entgegengesetzte Phase hat, und es ergibt sich
dadurch eine negative Ausgangsspannung des Gleichrichters 35, so daß der Anodenstrom
und der Magnetisierungsstrom in den Magnetisierungswicklungen 14 gesenkt wird. Dadurch
wird der Wechselstromwiderstand der Drosselspule 12 erhöht, und die Spannung an
der Primärspule 15 -des Transformators 38 sinkt.
-
In ,dem vorbeschrfebenen Beispiel wird die der Widerstandsbrücke zugeführte
Spannung dem Ausgangskreis entnommen. Dadurch wird die Spannung des Ausgangskreises
in der gewünschten Weise geregelt. Soll dagegen der Strom des Ausgangskreises in
vorbestimmter Weise geregelt werden, so wäre die Spannung zwischen den Brückenpunkten
23 und 24 dem Ausgangskreis so zu entnehmen, daß sie vom Strom dieses Kreises abhängig
ist. Dies kann beispielsweise .dadurch geschehen, daß die Spannung von einem Stromtransformator
abgegriffen wird.
-
Die beiden vorgenannten Arten der Spannungsabnahme aus dem Ausgangskreis
können auch miteinander kombiniert werden, und je nach Abgleichung und Polurig der
beiderseitigen Spannungen kann die Spannung des Ausgangskreises vom Strom des Ausgangskreises
in gewünschter Weise abhängig gemacht werden oder umgekehrt. Insbesondere ist es
auch möglich, die Spannung so zu regeln, d'aß sie vom Strom, also von der Größe
des angeschlossenen Verbraucherwiderstandes, in weiten Grenzen unabhängig wird.
Umgekehrt kann der Strom so geregelt werden, daß er von der Spannung in weiten Grenzen
unabhängig wird. Um die Regelung entweder der Spannung oder des Stromes im Ausgangskreis
zu verbessern, kann ,den Brückenpunkten 23 und 24 noch eine zusätzliche, dem Eingangskreis
entnommene Spannung aufgedrückt werden, um so die Größen des Ausgangskreises praktisch
völlig unabhängig von den Größen des Eingangskreises zu machen.