DE1074127B

DE1074127B - Zweiipunktregler unter anwendung eines an sich stetigen verstärkers mit kippkennlinie durch überkritische trägheitsarme mitkopplung

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Publication number: DE1074127B
Application number: DE1956S0048895
Authority: DE
Inventors: Ing Claus Keßler Erlangen Dr
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Priority date: 1956-05-30
Filing date: 1956-05-30
Publication date: 1960-01-28
Also published as: DE1091200B

Description

DEUTSCHES

Die heute verfügbaren Halbleiterverstärker auf Transistorgrundlage haben nur eine verhältnismäßig geringe Verlustleistung, die höchstens in der Größenordnung der Verlustleistung von Rundfunkempfangsröhren liegt. Die mit solchen Halbleiterverstärkern steuerbaren Verbraucherleistungen sind dementsprechend ebenfalls gering, jedenfalls wenn die herkömmliche Betriebsart, die stetige Aussteuerung, verwendet wird. Werden die Verstärker jedoch als Schalter betrieben, d. h. praktisch nur im unausgesteuerten und im völlig durchgesteuerten Zustand, wobei der dazwischenliegende Bereich möglichst schnell zwecks Vermeidung von Übergangsverlusten durchsprangen wird, so lassen sich bei gleicher Verlustleistung erheblich größere Verbraucherleistungen steuern, die beispielsweise lOOfach oder noch größer sein können. Hierbei ist es erforderlich, dem Verstärker eine entsprechende, zwischen Null und einem bestimmten Maximalwert hin und her springende Steuergröße zuzuführen. Es wird eine impulszeitmodulierte Steuergröße mit veränderbarem Tastverhältnis benötigt. Die Frequenz der Steuergröße kann beispielsweise konstant sein, es kommt nur darauf an, daß das ZeJtverhältnis von Nicht- und Vollaussteuerung einer vorliegenden Steuereingangsgröße des Verstärkers entspricht. Eine solche Betriebsweise kann auch als Impulsbreitensteuerung bezeichnet werden. Sie wird nach einem neueren Vorschlag, insbesondere wenn Halbleiterverstärker, vor allem Transistoren, verwendet werden, als Amplivibratorprinzip bezeichnet. Ein Transistor, der in der genannten Weise betrieben ist, kann als Zweipunkttransistor bezeichnet werden.

In der Meß-, Steuer- und Regelungstechnik ist es im allgemenen so, daß die angezeigten oder mit besonderen Meßwertumformern gebildeten Steuergrößen als stetige Größen vorliegen. Bei der Temperaturregelung beispielsweise liegt der Temperaturmeßwert als Gleichspannungsgröße vor, wenn er mit einem Thermoelement gebildet wird. Um nun als Schalter betriebene Halbleiterverstärker, z. B. Schalttransistoren, durch solche stetige Größen steuern zu können, sind Einrichtungen erforderlich, durch die die stetigen Größen in Impulsgrößen verwandelt werden, deren Tastverhältnis dem jeweiligen Wert der stetigen Größe proportional ist. Man kann hierzu beispielsweise sogenannte astabile Kippgeneratoren verwenden. Die Steuerung dieser Kippgeneratoren erfolgt durch Gleichstromgrößen derart, daß das Tastverhältnis der erzeugten Impulsgröße der Gleichstromgröße in einem weiten Bereich proportional ist, was jedoch-nicht ohne weiteres zu verwirklichen ist und einen verhältnismäßig großenAufwand erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist es, durch verhältnismäßig einfache Maßnahmen eine in einem weiten Be-Zweipunktregler
unter Anwendung eines an sich stetigen

Verstärkers mit Kippkennlinie

durch überkritische trägheitsarme

Mitkopplung

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr.-Ing. Claus Keßler, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

reich hinsichtlich ihres Tastverhältnisses durch eine Gleichstromgröße steuerbare' Kippgröße und zudem noch von verhältnismäßig großer Leistung zu erzeugen. Dies soll durch Umwandlung einer steuernden Größe in eine hinsichtlich des Tastverhältnisses proportionale Impulsgröße mit Hilfe eines trägheitsarmen stetigen Verstärkers, insbesondere eines elektronischen Verstärkers, ermöglicht werden, der durch besondere Maßnahmen zu einem Zweipunktregler gemacht wird. In einem Regelkreis, in dem das Stellglied von dem sogenannten Regelverstärker bestätigt wird, kann dieser so ausgebildet werden, daß er von sich aus die Umwandlung in die Impulsausgangsgröße vornimmt. Dem Verstärker braucht also nur wie bisher eine stetige Steuergröße, beispielsweise ein Gleichstrom, zugeführt zu werden.

Die Erfindung betrifft einen Zweipunktregler unter Anwendung eines an sich stetigen Verstärkers mit Kippkennlinie durch überkritische trägheitsarme Mitkopplung. Der Zweipunktregler nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der trägheitsarme Verstärker mit einer trägheitsbehafteten Gegenkopplung solcher Bemessung versehen ist, daß die stabilen Arbeitspunkte der Kippkennlinie abwechselnd periodisch aufgehoben werden und die Ausgangsgröße dauernd mit von der Eingangsgröße abhängigem Tastverhältnis zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert kippt.

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3 4

Unter überkritischer Mitkopplung wird eine mehr men aus einem D-Impuls D, einem P-Anteil P und

als 100%ige Mitkopplung vom Verstärkerausgang einem I-Vorgang/.

auf den Verstärkereingang verstanden. Dadurch ent- Nun ist bekannt, daß als Schalter betriebene Tranhält der Verstärker bekanntlich eine sogenannte Kipp- sistoren nicht von einem stetigen Verstärker unmittelkennlinie: bei einem bestimmten Wert der steuernden S bar gesteuert werden können. Die Transistoren dür-Eingangsgröße springt die Ausgangsgröße plötzlich fen nur mit den Kommandos »auf« oder »zu« beaufauf einen hohen Wert. Der dazwischenliegende Be- schlagt werden.

reich, der bei einem normalen Verstärker den Steuer- Fig. 3 zeigt einen Verstärker V mit einer Mitkopp-

bereich darstellt, ist nicht verifizierbar. Durch die lungsschaltung aus einem Widerstand R und einen

überkritische Mitkopplung ergibt sich eine Kennlinie, io Parallelkondensator C, durch die erreicht wird, daß,

die, wie in Fig. 4 dargestellt, praktisch nur zwei sta- gleichgültig welches Signal am Eingang der Schal-

bile Arbeitspunkte zuläßt, von denen einer auf dem tung vorliegt, die Ausgangsspannung U_A nur zwei

unteren Ast und der andere auf dem oberen Ast liegt. Werte einnehmen kann.

Es ergibt sich außerdem eine Art Hysteresebereich, Fig. 4 zeigt die Steuerkennlinie der Schaltung,

der in der Figur zwischen den beiden senkrechten 15 Unter dem Übertragungswiderstand R_a des Ver-

Teilen der Kennlinie liegt. stärkers V (Fig. 1, 3) wird das Verhältnis der Ände-

Ein mit einer derartigen Kennlinie ausgerüsteter rungen der Ausgangsspannung U_A zu den Änderungen

Verstärker wird mit einer trägheitsbehafteten Gegen- , „. _J _r , . , AU_A , „.

kopplung ebenfalls vom Verstärkerausgang auf den ^des Eingangsstromes I_E gleich -jjA- verstanden, Eine

Verstärkereingang versehen. In den Gegenkopplungs- 20 Kippcharakteristik gemäß Fig. 4 ist nur dann erhältkreis wird ein elektrisch träges Glied eingeschaltet, Hch, wenn der Mitkopplungswiderstand R kleiner gealso ein Glied mit Speichereigenschaften, beispiels- wählt wird als der Übergangswiderstand R_ü des Verweise ein Kondensator. Durch die Gegenkopplung stärkers V. Nach einem weiteren Merkmal der Erwerden die durch die überkritische Rückkopplung findung wird der Widerstand R um mindestens etwa einzig ermöglichten stabilen Lagen des Verstärkers 35 den Faktor 2 kleiner als R_ä gemacht, einmal, um von wieder aufgehoben. Dadurch pendelt der Arbeits- der Toleranz der Widerstandswerte und der Verstärpunkt des Verstärkers beständig zwischen den ge- kungsgeraden bei serienmäßiger Herstellung des nannten Arbeitspunktlagen hin und her. Er wird be- Zweipunktreglers nach der Erfindung weitgehend unständig abwechselnd voll auf- und voll zugesteuert. abhängig zu werden, zum anderen, um in möglichst Die Pendelfreqenz des Arbeitspunktes hängt dabei 30 definierte Endlagen zu kippen. Die Breite b der in von der Trägheit des im Gegenkopplungskreis vor- Fig. 4 gezeigten Schleife ist proportional dem Aus-

handenen Speichers ab und außerdem von der ge- , ,11 rri^i-j. j xi_j -d

1, _f„ t. j -1-.· j. ·· r. -i j Λ7- i« druck =—■· Zur Erläuterung der vorstehenden Be-

gebenenfalls vorhandenen Eigentragheit des Verstar- R E_ü ^b

kers. Für die Erfindung ist die neue Erkenntnis messung dient Fig. 5.

wesentlich, daß es möglich ist, die Funktionen der 35 In Fig. 5 sind die Steuerkennlinie St des Verstär-

bisher bekannten stetig wirkenden Regler, insbeson- kers V ohne jede äußere Beschattung und die Strom-

dere diejenigen mit PID-Verhalten, mit den Funk- spannungsgerade G des Mitkopplungswiderstandes R

tionen eines Zweipunktreglers so zu vereinigen, daß gezeigt. "Die äußeren Schnittpunkte,S₁ und S₂ zwi-

dadurch ein Regler geschaffen wird, der nur zwei sehen der Mitkopplungsgeraden und der Steuerkenn-

verschiedener Aussteuerungszustände fähig ist, der 40 linie ergeben die stabilen Punkte der Kippschaltung,

jedoch im zeitlichen Mittel wie ein stetiger Regler Je größer der Mitkopplungswiderstand R gewählt ist,

mit entsprechendem, insbesondere PID-Verhalten desto steiler wird die Mitkopplungsgerade und desto

arbeitet und bei dem das Tastverhältnis und damit schlechter definiert sind die stabilen Arbeitspunkte,

die Ausgangsgröße und damit deren Gleichstrom- Aus den oben angedeuteten Gründen besitzt nun die

mittelwert der steuernden Eingangsgröße propor- 45 Steuerkennlihie des Kippverstärkers nach Fig. 3

tional ist. Hat der Verstärker eine ausreichende Eigen- keine ideale Rechteckforni, sondern zeigt die in Fig. 4

trägheit, so kann unter Umständen ein besonders trag- angedeuteten Rundungen.

heitsbehaftetes Glied im Gegenkopplungskreis ent- Die in Fig." 6 gezeigte Schaltung ist eine Kombibehrt werden. nation der Schaltungen nach Fig. 1 und 3. Sie ist Durch die Erfindung wird die Möglichkeit ge- 50 wegen der gleichzeitigen Mitkopplung und Gegenschaffen — zugleich mit einer im regeltechnischen kopplung nur zweier Schaltzustände fähig. Es läßt Sinn günstigen dynamischen Beeinflussung —, Ma- sich theoretisch zeigen und wurde inzwischen durch schinen durch Transistoren und andere Halbleiter- praktische Untersuchungen bestätigt, daß die Rückverstärker zu steuern. Das Problem sei an dem in führung bewirkt, daß der Regler nach Fig. 6 abwech-Fig. 1 gezeigten Beispiel erläutert. Es besteht die 55 selnd zwischen beiden Schaltungszuständen spielt, Forderung, ein Fehlersignal in ein Verstellkommando wobei das Tastverhältnis und damit der Gleichstromumzuwandeln, das aus drei Anteilen besteht, nämlich mittelwert der Ausgangsspannung der steuernden einem integralen, einem proportionalen und einem Eingangsgröße proportional ist und einen zeitlichen differenziellen Abbild des Fehlers. Für diesen Zweck Verlauf zeigt, der dem Verhalten eines stetigen IPD-werde zunächst ein stetig wirkender Regelverstärker 60 Reglers entspricht. Dem Regler kann auch ein an-(in der Figur durch ein Kästchen dargestellt) mit deres, an sich beliebiges Regelverhalten gegeben einer IPD-Rückführung eingesetzt. Fig. 2 zeigt nur werden.

die Prinzipschaltung mit den zur Rückführung die- Die Fig. 7 a bis 7 d zeigen den Zusammenhang zwinenden Widerständen R₀, R₁, R₂ und den Konden- sehen der Wirkungsweise eines bekannten stetigen satoren C₁, C₂. Art, Anzahl und Anwendung dieser 65 Reglers (siehe die jeweils links abgebildeten Dia-Elemente sind nur als Beispiel anzusehen. Beauf- gramme) und der entsprechenden Wirkungsweise des schlagt man den Eingang der Anordnung mit einer Zweipunktreglers nach der Erfindung gemäß Fig. 6 Rechteckspannung U_E gemäß Fig. 2a, so erhält man (siehe die rechts abgebildeten Diagramme). Als einen Verlauf der Ausgangsspannung Ua gemäß Abszisse dient in allen Fallen die Zeit t und als Ordi-Fig. 2 b. Der hier gezeigte Vorgang setzt sich zusam- 70 nate die Ausgängsspannung U_A. Fig. 7 a zeigt die

Nullaussteuerung. Beim Zweipunktregler ist angenommen, daß zwischen gleich großen Minus- und Pluswerten geschaltet wird. Die Länge der Schaltintervalle in Plus- bzw. Minusrichtung ist daher gleich. Fig. 7 b zeigt konstante Plusaussteuerung. Beim Zweipunktregler überwiegt die Länge der Plus-Intervalle gegenüber der Länge der Minus-Intervalle. Bei Minusaussteuerung liegen die Verhältnisse genau umgekehrt. Auf diese Darstellung ist daher verzichtet worden. In Fig. 7 c ist das Verhalten mit PD-Rückführung gezeigt. Man erhält einen solchen Regler aus der allgemeinen Schaltung, nach Fig. 6 durch Kurzschließen des Kondensators C₁. An die Stelle eines Differenzierimpulses beim stetigen Regler tritt beim Zweipunktregler ein einmalig stark verlängerter Plusimpuls, dessen zusätzliche Fläche F₂ der schraffierten Fläche F₁ des D-Impulses im stetigen Falle entspricht. Fig. 7d zeigt schließlich das Verhalten des Zweipunktreglers bei einem Integriervorgang. Der Zweipunktregler zeigt hier die Tendenz zu zunehmend verbreiteten Plusimpulsen und abnehmenden Minusimpulsen.

Die Rückführglieder R₀, R₁, R₂, C₁, C₂ in Fig. 6 können in derselben Weise und nach denselben Rechenmethoden bemessen werden wie im Falle eines stetigen Reglers. Die für die Bemessung der Mitkopplungsglieder maßgeblichen Gesichtspunkte wurden schon erwähnt. Aus dieser Bemessung ergibt sich zwangläufig die Schaltfrequenz des Zweipunktreglers. Die Schaltfrequenz kann, nachdem die Rückführelemente durch die Art der Regelaufgabe festgelegt sind, in gewissen Grenzen durch Verändern des Mitkopplungswiderstandes beeinflußt werden. Sie ist umgekehrt proportional zum Vorhalt T₈ = R₂ · C₂, der in der Rückführung gebildet wird. Diese Tatsache wirkt sich sehr vorteilhaft aus. Es erscheint nämlich sinnvoll, die Schaltfrequenz des Reglers in ein vernünftiges Verhältnis zu den dynamischen Eigenschaften der Regelstrecke zu bringen. Schnelle Regelstrecken erfordern hohe Schaltfrequenzen. Bei langsamen Regelstrecken genügen niedrige Schaltfrequenzen. Wird der Vorhalt T₂ =i?₂· C₂ unmittelbar einer der beiden Zeitkonstanten der Regelstrecke gleichgemacht, so wird die Anpassung der Schaltfrequenz an die Eigenschaften der Regelstrecke durch richtige Bemessung der Rückführung zwangläufig erzielt.

Fig. 8 zeigt die Anordnung eines Zweipunktreglers in Verbindung mit einer Endstufe unter Verwendung von Transistoren. Der links von der gestrichelten Linie befindliche Teil der Schaltung wirkt als Taktgeberteil. Rechts dieser Linie liegt die Endstufe. Der Taktgeber entspricht bis auf den Eingangskreis im wesentlichen der Schaltung nach Fig. 6. Statt R₀

7? 7? ¹I¹I

wurde ein Glättungsglied—²-, C₀, -^-vorgesehen. Der

Grund dafür ist die Beseitigung unerwünschter Oberwellen, die der Fehlerspannung der Regelung (Regelabweichung) im allgemeinen überlagert sind und die ohne besondere Maßnahmen zu einer unerwünschten Oberwellenüberlagerung führen könnten. Zur Einstellung der Vorhaltzeiten sind die Kapazitäten der Kondensatoren C₁ und C₂ veränderbar ausgeführt. Dadurch wird erreicht, daß die dynamischen Verhältnisse am Regler veränderbar sind, ohne daß die durch die Verstärkerkennlinine und die Werte der Widerstände R, R₁, R₂, bedingten statischen Verhältnisse beeinflußt werden. Die geschilderten Maßnahmen ermöglichen daher eine besonders günstige und für einen weiten Bereich anwendbare Auslegung der Widerstände R₁ und R₂. Die Integrierzeit wird mittels R₀ = 2·-^-eingestellt. Die Schaltung des Taktgebers gemäß Fig. 8 ermöglicht den Bau eines universell verwendbaren und einstellbaren Rückführteiles. In der Rückführschaltung sind noch einige Möglichkeiten zur Abwandlung vorgesehen, die im folgenden an Hand von Fig. 9 erläutert seien.

Überbrückt man in Fig. 6 den Kondensator C₁, so erhält man einen PD-Regler gemäß Fig. 9. Eine Überbrückung von C₂ zwecks Erzielung eines IP- oder P-Verhaltens ist nicht möglich, weil die Wirkungsweise des Zweipunktreglers nach der Erfindung auf dem Zusammenwirken einer trägheitslosen Mitkopplung mit einer trägheitsbehafteten Gegenkopplung beruht. Ein IP- bzw. P-Verhalten kann jedoch mit praktisch genügender Genauigkeit durch eine hinreichende Verkleinerung von C₂ erzielt werden. Man erhält dadurch einen IP- bzw. P-Regler mit hoher Schaltfrequenz. Die Restkapazität von C₂ hat einen geringfügigen D-Anteil zur Folge, der sich jedoch praktisch nicht mehr auswirkt. Fig. 10 zeigt die statische Steuerkennlinie des PD-Reglers gemäß Fig. 9. Als Abszisse ist die Eingangsspannung U^ aufgetragen, als Ordinate der Mittelwert der als Rechteckspannung anfallenden Ausgangsspannung U_A. Die Steuerkennlinie ist praktisch linear.

Hinsichtlich des statischen Verhaltens des IPD-Reglers nach Fig. 6 konnten durch praktische Versuche theoretische Erkenntnisse bestätigt werden, die für die erreichbare Regelgenauigkeit von fundamentaler Bedeutung sein dürften.

Hierzu zeigt Fig. 11 zum Vergleich die Steuerkennlinie α (dünn ausgezogen) eines stetigen IPD-Reglers gemäß Fig. 1, die Steuerkennlinie b (gestrichelt) eines Zweipunktreglers gemäß Fig. 3 und die Steuerkennlinie c (dick ausgezogen) des Zweipunktreglers nach der Erfindung gemäß Fig. 6. Es konnte inzwischen experimentell die auf Grund der Erfindung zunächst theoretisch gemachte und kaum glaubhaft erscheinende Aussage bestätigt werden, daß der Zweipunktregler nach der Erfindung praktisch keine Statik aufweist. Dies eröffnet erfindungsgemäß die Möglichkeit mit Promillegenauigkeit zu regeln.

Aus welchen Baulementen der im Taktgeber in Fig. 8 enthaltene Verstärker V aufgebaut ist, ist zunächst gleichgültig, sofern hinsichtlich der erreichbaren Schaltfrequenzen bzw. Flankensteilheiten keine Beschränkungen bestehen. Ein bevorzugtes mit Transistoren arbeitendes Ausführungsbeispiel für den Verstärker V ist in Fig. 13 dargestellt und wird später noch beschrieben. Es ist auch möglich, im Taktgeberteil beispielsweise Röhren als Verstärkerelemente zu verwenden. Die Verstärkerelemente müssen nur die Eigenschaften haben, daß sie sowohl einen für die Mitkopplung als auch einen für die Gegenkopplung brauchbaren Taktgeber ergeben. Es besteht die Möglichkeit, die Transistorenendstufe unsymmetrisch oder symmetrisch aufzubauen. Bei symmetrischen Schaltungen sind zwei Endtransistorgruppen vorhanden, von denen stets die eine öffnet, während die andere schließt, und umgekehrt. Symmetrische Schaltungen haben unter anderem den Vorteil, die Gleichstromversorgung stets konstant zu belasten. Symmetrisch aufgebaute Endstufen erfordern bei Steuerung von Erregerkreisen elektrischer Maschinen oder Magnetverstärker geteilte Erregerwicklungen, ermöglichen dafür jedoch die Durchsteuerung des gesamten Steuerbereiches zwischen Minusnennspannung und Plusspannung.

Besonders zweckmäßig erscheint es auch bei einer Verwendung eines mit Transistoren arbeitenden Taktgebers, die Endstufe mit Transistoren aufzubauen, wobei diese so bemessen werden, daß sie nach dem eingangs beschriebenen Amplivibratorprinzip arbeiten. Für den Betrieb einer an die Endstufe angeschlossenen elektrischen Maschine oder eines Magnetverstärkers ergeben sich hierdurch keine Nachteile.

In der Schaltung nach Fig. 8 ist daher eine symmetrische Endstufe gezeichnet, soweit sich die Schaltungsdetails wiederholen, ist nur der eine der beiden symmetrischen Zweige ausgezeichnet. Der Beginn des anderen, gleich ausgebildeten Zweiges ist durch einen Pfeil Pf gekennzeichnet. Es besteht die Möglichkeit, die beiden Endtransistorgruppen unmittelbar von den beiden im Gegentakt arbeitenden Ausgängen A₁ und A₂ des Verstärkers V zu steuern. Im ■ hier gezeichneten Fall wurde jedoch von dieser Möglchkeit nicht Gebrauch gemacht, vielmehr wurde die gesamte Endstufenschaltung an den Ausgang A₁ angekoppelt. Dadurch blieb der Ausgang A₂ unbelastet, was den Vorteil eines mit Sicherheit ungestört wirkenden Rückführmechanismus ergibt.

Der Widerstand 1 hat den Zweck, den Ausgang A₁ in ein der nachfolgenden Schaltung günstiges Spannungsintervall zu bringen, der Widerstand 2 begrenzt den dem Transistor 3 in der Basis zugeführten Steuerstrom. Die Transistoren 3 und 4 arbeiten durch den Emitterwiderstand 5 gekoppelt im Gegentakt, wobei das Potential der Basis von Transistor 4 durch Widerstände 6 und 7 auf einem geringen Pluspotential gehalten wird. Weitere Widerstände 8 und 9 dienen der Begrenzung des Kollektorstromes der Transistoren 3 und 4. Am Kollektor des Transistors 4 liegt die Basis eines weiteren Transistors 10. Ist der Transistor 4 geschlossen, so· gelangt der gesamte über den Widerstand 9 fließende Strom in die Basis des Transistors 10 und öffnet ihn. Das Kollektorpotential des Transistors 4 steigt dabei nur auf das Basispotential des Transistors 10 und nicht weiter an. Dieser Tatsache verdanken die Transistoren 3 und 4 eine die Betriebssicherheit fördernde Spannungsschonung. Öffnet der Transistor 4, so nimmt das Kollektorpotential wegen der Widerstandskombination 6, 7 ein kleines positives Potential an. Über die Basis des Transistors 10 kann nunmehr kein Strom im steuernden Sinn fließen. Der Transistor sperrt also. Die Leckströme des Transistors 10 werden durch das positive Kollektorpotential des Transistors 4 aufgefangen. Ein Widerstand 11 dient der Begrenzung des Kollektorstromes des Transistors 10. Ein weiterer Transistor 12 ist mit der Basis an den Emitter des Transistors 10 angekoppelt. Ein Widerstand 13 dient zur Begrenzung des Kollektorstromes des Transistors 12. Ein Widerstand 14 führt den Leckstrom des Transistors 12 im gesperrten Zustand ab. Entsprechende Funktionen hat ein Widerstand 15 in bezug auf den weiteren Transistor 16, der mit der Basis an den Emitter von Transistor 12 angekoppelt ist. Der Transistor 16 ist im Emitter geerdet und steuert im Kollektor die eine Hälfte der symmetrisch gesteuerten Last, die in diesem Fall beispielsweise die eine Hälfte einer Erregerwicklung 17 einer nicht weiter dargestellten elektrischen Maschine ist. Soll beispielsweise die Spannung der Maschine geregelt werden, so ist deren Ausgangsspannung in Differenzschaltung mit einer Sollwertspannung auf den durch die Klemme E₁ angedeuteten Eingang des Verstärkers zu geben. Zur Vermeidung von Überspannungen bei induktiven Lasten dient in an sich bekannter Weise ein Ventil 18, eine sogenannte iSTullanode. Die Widerstände 14 und 15 in Fig. 8 werden vorteilhaft derart bemessen, daß sie in der Lage sind, die Leckströme der Transistoren 12 bzw. 16 abzuführen. Die Leckströme müssen deshalb abgeführt werden, damit ein völliges Schließen der Transistoren gewährleistet ist, andernfalls übernehmen die Transistoren Verlustleistungen, was zu ihrer Zerstörung führen kann. Weist beispielsweise der Transistor 16 einen geringeren Leckstrom auf, als er durch Ausfall des Widerstandes 15 vorgesehen ist, so wird das Basispotential im gesperrten Zustand dadurch auf dem richtigen Wert gehalten, daß der Transistor 12 geringfügig sich öffnet und die Differenz zwischen dem vorgesehenen und dem tatsächlich auftretenden Leckstrom fließt. Jeder Transistor der Endstufenkette muß also hinsichtlich der Verlustleistung so gewählt werden, daß er im gesperrten Zustand, d. h. bei Anliegen der vollen Spannung die für den nachfolgenden Transistor vorgesehenen Leckstrom bedingte Verlustleistung vertragen wird. Damit diese Bedingung nicht zu wirtschaftlich ungünstigen Forderungen führt, ist für die Transistoren 10 und 11 eine gesonderte Versorgung des Kollektorkreises mit einer niedrigen Gleichspannung U₂ vorgesehen. Dies hat zugleich den Vorteil, daß die im Gerät an den Widerständen entstehenden Verlustleistungen klein bleiben, so daß die Transistoren durch äußere Erwärmung weniger gefährdet sind.

Die in Fig. 8 angedeutete Endstufenkette kann durch Hinzufügen von Gliedern der Art 13, 12, 15 in Richtung auf erhöhte Stufenzahl und bei Vorhandensein geeigneter Transistortypen damit in Richtung auf erhöhte Ausgangsleistung beliebig erweitert werden. Es steht zu erwarten, daß die heute schon erreichten Leistungswerte je Transistor im Laufe der Zeit zunehmen werden. Die Ausgangsleistung der Schaltung kann bei gegebener Transistortype auch durch Parallelschalten mehrerer Transistoren erhöht werden.

Die in Fig. 8 gezeigte Endstufe ist nur als Ausführungs- und zugleich Anwendungsbeispiel für den Fall einer Gleichstromankopplüng zu betrachten. Es besteht auch die Möglichkeit, die einzelnen Transistorteilstufen durch Transformatoren bzw. Übertrager anzukoppeln. Hier besteht wiederum die Möglichkeit, die Transformatoren entweder so auszulegen, daß' sie den Spannungsverlauf am Ausgang der Taktgeberstufe im wesentlichen unverzerrt übertragen, oder aber solche Transformatoren zu verwenden, die bei jedem Schaltvorgang der Taktgeberstufe einen 'entsprechenden" Spannungsimpuls aufbringen. Im letztgenannten Fall ist es notwendig, jede Transistorzwischenstüfe als bistabile Kippschaltung aufzubauen. Dies bedeutet keinen erhöhten Bauelementenaufwand, sofern Transistoren in basisgeerdetem Betrieb mit einer Stromverstärkung von größer als Eins verfügbar sind. Die Transformatorkopplung bietet den Vorteil einer besseren Leistungsanpassung der einzelnen Transistorstufen aneinander. Man kommt hier vermutlich mit einer geringeren Stufenzahl aus.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind verschiedene Abwandlungen des neuen Zweipunktreglers möglich. Einige hiervon sind nachstehend aufgeführt.

Fig. 12 zeigt eine ähnliche Schaltung wie Fig. 6, jedoch liegt der Kondensator C₁ hier — betrachtet vom Kondensator C₂ ■—· auf der Ausgangsseite des Verstärkers V. Die Reihenfolge von C₁ und R₁ in Fig. 6 sowie von C₁ und R₂ in Fig. 12 ist beliebig.

Claims

1 U /4 i Z I

9 10

Es ist auch gleichgültig, ob die Widerstände R₁ Steuerstrom über den Widerstand 115 oder den und R₂ sowie R₀ in Fig. 8 aus zwei getrennten Widerstand 116 und bewirkt damit eine Korrektur, γ deren Genauigkeit durch Wahl eines möglichst klei-Widerständen bestehen oder ob dafür ein einziger nen Widerstandswertes groß gemacht werden kann, angezapfter Widerstand verwendet ist. Nach einem 5 Eine untere Grenze für die Widerstände 115 und 116 weiteren Merkmal der Erfindung kann die Endstufe ergibt sich jedoch aus dem Umstand, daß diese nach Fig. 8 in einer geschlossenen Geräteeinheit Widerstände parallel zum Eingangswiderstand der untergebracht werden. Dieses kann dann als Aus- Vortransistoren liegen. Es ist daher vorteilhaft, jeden tauschbauteil für ein nach dem Baukastensystem aus- der beiden Widerstände etwa zwei- bis zehnmal so gebildetes übergeordnetes Regelsystem, das für alle io groß auszulegen, wie der Eingangswiderstand des praktisch \Orkommenden Regelaufgaben brauchbar zugehörigen Vortransistors ist. Wird den Eingangsist, verwendet werden. klemmen 121 und 122 ein symmetrisches Signal zu-

Wie oben bereits erwähnt, kann für den Verstär- geführt, also ein Signal, das an beiden Eingangsker V des Zweipunktreglers nach der Erfindung eine klemmen gleiche Amplitudenhöhe, aber entgegenan sich beliebige Verstärkerausführung verwendet 15 gesetztes Vorzeichen aufweist, so bewirkt es eine werden, sofern sie trägheitsarm ist und normaler- symmetrische Aussteuerung der Transistoren 101 weise stetig arbeitet und außerdem die Anwendung und 102. Die gleiche symmetrische Aussteuerung der einer überkritischen trägheitsarmen Mitkopplung Transistoren 101 und 102 wird auch bei unsymme- und einer trägheitsbehafteten Gegenkopplung derart trischen Signalen hervorgerufen, d. h. bei Signalen, gestatten, daß die Ausgangsgröße periodisch zwi- 20 die nur an einem Eingang eine Potentialänderung sehen einem minimalen und einem maximalen Wert hervorrufen. In diesem Fall kann es jedoch vorteilliegt und der stetigen Eingangsgröße des Verstärkers haft sein, einen der Widerstände 115 oder 116 kurz- und hinsichtlich ihres Tastverhältnisses proportional zuschließen, und zwar denjenigen, der an der Einist. Ein erprobtes, mit Transistoren arbeitendes Aus- gangsklemme liegt, die stets die gleiche Potentialführungsbeispiel, durch das viele in der heutigen 25 höhe aufweist. Eingangssignale mit gleicher Ampli-Regelungstechnik auftretende Probleme beherrscht tudenhöhe bei gleichem Vorzeichen, d.h. asymmewerden können, ist in Fig. 13 dargestellt. Hierbei trische Signale, bleiben beim Gegenstand der Erfinhandelt es sich um einen bereits an anderer Stelle dung dagegen wirkungslos;

vorgeschlagenen Verstärker, der aus einem mehr- Die beiden Verstärkerstufen sind über eine Teilerstufigen Transistorverstärker in Emitterschaltung 30 schaltung galvanisch gekoppelt. Diese Teilerschaltung mit galvanischer Kopplung der Verstärker stuf en be- besteht aus den Widerständen 117, 118 bzw. 119, steht. Von der Eingangs- und Endstufe ist minde- 120 in Verbindung mit dem jeweiligen Kollektorstens eine in Gegentaktschaltung ausgebildet. Ferner widerstand 105 bzw. 106. Diese Schaltung bewirkt ist für die Eingangs- und/oder Endstufe eine Gegen- eine Anpassung des den Basen der Endtransistoren taktschaltung mit je einem gemeinsamen, von einem 35 103 und 104 zugeführten Kollektorstromes. Dabei ist unabhängig von der Aussteuerung der Transistoren das besondere Kennzeichen dieser Teilerschaltung, konstanten Strom durchflossene Emitterwiderstand daß das Potential an den Klemmen 127 und 128 und verwendet. Weitere wichtige Merkmale dieses Ver- somit auch das Basispotential der Endtransistoren stärkers sind, daß die galvanische Kopplung der Ver- 103 und 104 konstant gehalten wird, und zwar anstärkerstufen über eine Teilerschaltung erfolgt und 40 nähernd auf dem Kollektorpotential.
daß das Kondensatorpotential jedes Vortransistors Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann über zwei in Reihe geschaltete Widerstände mit dem bei der Verwendung des Zweipunktreglers nach der die Kondensatorspannung liefernden Pol, der den Erfindung in der nachgeschalteten Endstufe, beispiels-Verstärker speisenden Spannung und die Steuerelek- weise bei der Einrichtung nach -Fig. 8, die trägheitstrode (Basis) jedes in der Endstufe angeordneten 45 behaftete Gegenkopplung, die mit.Hilfe der Wider-Endtransistors mit dem zwischen den beiden Wider- stände R₁, R₂ und der Kondensatoren C₁, C₂ durchständen auftretenden Potential verbunden ist. Als geführt ist, anstatt vom Ausgangsanschluß A₂ des Verstärkerelement sind in der ersten Verstärkerstufe Verstärkers V auch von einer Teilstufe der als die Transistoren 101 und 102, die sogenannten Vor- Amplivibrator betriebenen Endstufe entnommen wertransistoren, und in der zweiten Verstärkerstufe die 50 den, die den gleichen Spannungsverlauf aufweist wie Transistoren 103 und 104, die sogenannten End- der Ausgangsanschluß A₂. Dadurch ergibt sich der transistoren, enthalten. Alle vier Transistoren arbei- Vorteil, daß die Gegenkopplung von einer höheren ten in der Emitterschaltung und steuern den Strom Leistung hergeleitet wird und daß dadurch der Verdurch die Kollektorwiderstände 105, 106, 107 und stärker V selbst nicht belastet wird. Bei der Einrich-108. Der gemeinsame Emitterwiderstand 109 der 55 tung nach der Fig. 8 ist es besonders vorteilhaft, die ersten Stufe und 110 der zweiten Stufe bewirkt ent- Spannung am Ausgang des Transistors 16 zu versprechend Fig. 1, daß jede Stufe für sich im Gegen- wenden, da diese die höchste Spannung ist und die takt arbeitet, d. h. die Summe der von zwei Transi- durch die Rückführung bewirkte Belastung hier überstoren einer Stufe gesteuerten Ströme stets konstant haupt nicht ins Gewicht fällt,
ist. Die gegebenenfalls einstellbaren Widerstände 111 60

und 114 dienen zur Speisung eines Gleichstromes in Patentansprüche:
die Basis der Vortransistoren, damit diese sich schon

ohne äußere Eingriffe etwa im Arbeitspunkt befinden. 1. Zweipunktregler unter Anwendung eines an

Die Basen der in der Vorstufe angeordneten Tran- sich stetigen Verstärkers mit Kippkennlinie durch sistoren 101 und 102 können jeweils über einen 65 überkritische trägheitsarme Mitkopplung, da-Widerstand 115 oder 116 mit dem Erdpotential ver- durch gekennzeichnet, daß der trägheitsarme Verbunden sein. Diese Widerstände 115 und 116 halten stärker mit einer trägheitsbehafteten Gegenkoppdie Eingangspotentiale des Verstärkers unabhängig lung solcher Bemessung versehen ist, daß die von irgendwelchen Störeinflüssen angenähert auf dem stabilen Arbeitspunkte der Kippkennlinie abwech-Wert Null. Jede Potentialabweichung führt zu einem 70 selnd periodisch aufgehoben werden und die Aus-

gangsgröße dauernd mit von der Eingangsgröße abhängigem Tastverhältnis zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert kippt.

2. Zweipunktregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein Halbleiterverstärker, insbesondere ein Transistorverstärker ist.

3. Zweipunktregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Mitkopplung ein Widerstand (R), insbesondere in Parallelschaltung mit einem Kondensator (C) verwendet ist.

4. Zweipunktregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitkopplungswiderstand (R) kleiner, insbesondere um den Faktor 2

kleiner als der Übertragungswiderstand -

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des Verstärkers ist.

5. Zweipunktregler nach Anspruch 4 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitkopplungswiderstand (R) derart bemessen ist, daß mindestens 80%, vorzugsweise 90 °/o, des Aussteuerbereiches der Verstellelemente des Verstärkers durch den Kippbereich erfaßt werden. as

6. Zweipunktregler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapazität (C) parallel zum Mitkopplungswiderstand (R) zur Beschleunigung des Kippvorganges eingesetzt wird.

7. Zweipunktregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der Gegenkopplung eine PD- oder eine PID-Rückführung vorgesehen ist.

8. Zweipunktregler nach Anspruch 7 mit einer PD-Rückführung, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gegenkopplung eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen (R₁, R₂) oder ein unterteilter Widerstand verwendet ist und daß der Verbindungspunkt der Widerstände bzw. Widerstandsteile über einen weiteren Kondensator (C₂) auf dem Bezugspotential des Verstärkers liegt.

9. Zweipunktregler nach Anspruch 7 mit einer PID-Rückführung, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gegenkopplung eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen (R₁, R₂) und einem Kondensator (C₁) verwendet ist und daß die Verbindung der Widerstände (R₁, R₂) an einen weiteren Kondensator (C₂) angeschlossen ist, der mit seinem anderen Anschluß auf dem Bezugspotential des Verstärkers liegt. '

10. Zweipunktregler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Widerständen (R₁, R₂) in Reihe liegende Kondensator (C₁) —■ betrachtet von dem anderen Kondensator (C₂) her — auf der dem Verstärkereingang zugewandten Seite der Reihenschaltung liegt.

11. Zweipunktregler nach einem der vorhergehenden . Ansprüche,. dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker in Gegentaktschaltung ausgeführt ist.

12. Zweipunktregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangskreis des Verstärkers ein unter-

. teilter Widerstand (R₀) liegt, dessen Anzapfungspunkt über einen Kondensator (C_g) auf dem Bezugspotential des Verstärkers liegt.

13. Zweipunktregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Mit- und Gegenkopplung dienenden Schaltmittel sowie der im Eingangskreis des Verstärkers liegende Widerstand (R₀) und Kondensator (Cg.) mit Einstellmitteln versehen sind.

14. Zweipunktregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker insbesondere in Kaskadenschaltung mit mindestens einem Schalttransistor als Endstufe mit dem Stellglied einer zugehörigen Regelschaltung verbunden ist.

15. Zweipunktregler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstufe symmetrisch ausgebildet ist.

16. Zweipunktregler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei seiner Anwendung zur Regelung elektrischer Maschinen zwei mit verschiedenen (einander entgegenwirkenden) Feldwicklungen der Maschine zu verbindende Steuerausgänge vorhanden sind.

17. Zweipunktregler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß den Erregerwicklungen der Maschine elektrische Ventile, insbesondere Trokkengleichrichter, in Sperrichtung parallel geschaltet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 495 684, 2 646 931;
Zeitschrift »Elektrotechnik und Maschinenbau«, Jg. 1954, S. 136 bis 141.

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