DE1074716B

DE1074716B - Electrical control device with a control amplifier with a small input resistance

Info

Publication number: DE1074716B
Application number: DENDAT1074716D
Authority: DE
Inventors: Nürnberg Dipl.-Phys. Helmut Schwab
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Publication date: 1960-02-04

Description

DEUTSCHESGERMAN

In Regelkreisen wirft die Bildung der Regelabweichung — das ist der aus der Differenz von SoIl- und Istwert gebildete Steuerwert des Regelverstärkers — verschiedene Probleme auf. Der Istwert einer Regelgröße wird im allgemeinen als elektrische Spannung abgebildet, wenn die Regelgröße nicht bereits selbst eine Spannung darstellt. Als vergleichender Sollwert wird dann ebenfalls eine Spannung benötigt. Diese Spannung muß so groß sein, daß sie dem Istwert der Regelgröße die Waage hält. Nun ist es vielfach so, daß diese letzte Forderung nicht ohne weiteres erfüllbar ist, alsdann sind Umformungseinrichtungen nötig, um Soll- und Istwertspannung einander gleichzumachen. Dies kann an sich durch proportionale Veränderung jeder der beiden Spannungen erfolgen, jedoch werden an die Mittel zur Veränderung je nach der Genauigkeit der an die Regelung gestellten Forderungen unter Umständen sehr hohe Ansprüche gestellt. Während die Verringerung einer Spannung in einfacher Weise durch eine Spannungsteilung erfolgen kann, werden zur Vergrößerung komplizierte Mittel benötigt; denn es handelt sich um die Verstärkung von Gleichspannungen, und es ist allgemein bekannt, daß hierbei besondere Schwierigkeiten vorliegen. Man wird also stets bemüht sein, die Verstärkung einer Ist- ^a5 oder Sollspannung zu umgehen.In control loops, the formation of the control deviation - that is, the control value of the control amplifier formed from the difference between the target value and the actual value - raises various problems. The actual value of a controlled variable is generally mapped as an electrical voltage if the controlled variable is not itself a voltage. A voltage is then also required as a comparative setpoint. This voltage must be so high that it balances the actual value of the controlled variable. Now it is often the case that this last requirement cannot be met without further ado, then conversion devices are necessary in order to equalize the setpoint and actual value voltages. This can be done by changing each of the two voltages proportionally, however, depending on the accuracy of the requirements placed on the regulation, the means for changing may be subject to very high demands. While a voltage can be easily reduced by voltage division, complicated means are required for increasing it; this is because it is a matter of amplifying direct voltages, and it is generally known that there are particular difficulties here. Thus we will always endeavor to avoid the strengthening of a actual ^a 5 or nominal voltage.

Eine andere Schwierigkeit besteht hinsichtlich einer zulässigen minimalen Belastung für die die Sollspannung liefernde Vergleichsquelle. Für diese kommen bei hochgenauen Regelungen elektrische Primärelemente hoher zeitlichen Spannungskonstanz in Betracht. Eine Belastung dieser Elemente muß jedoch unbedingt vermieden werden, da anderenfalls die Spannung der Sollspannungsquelle absinkt und diese Absenkung bestehenbleiben kann. Die gleichen Probleme treten bei anderen Sollspannungsgebern mit hochohmigen Ausgangswiderständen auf. Hinzu kommt, daß bestimmte Arten von Regel verstärkern, z. B. Magnetverstärker und Verstärkermaschinen, einen verhältnismäßig niedrigen Eingangswiderstand haben und zur Aussteuerung einen bestimmten Mindeststrom benötigen. Eine Belastung mit den benötigten Strömen ist für die genannten Sollspannungsquellen nicht tragbar. Auf die Lösung des hier vorliegenden Problems bezieht sich die Erfindung.Another difficulty arises with regard to a minimum allowable load for the target voltage supplying comparison source. In the case of high-precision controls, electrical primary elements are used for these high temporal voltage constancy into account. However, it is imperative that these elements are loaded be avoided, since otherwise the voltage of the nominal voltage source drops and this drop can persist. The same problems occur with other setpoint voltage sensors with high resistance Output resistances. In addition, certain types of rule reinforce, e.g. B. Magnetic amplifier and amplifier machines, have a relatively low input resistance and for Modulation require a certain minimum current. A load with the required currents is not acceptable for the specified voltage sources. To the solution of the problem at hand relates the invention.

Sie betrifft eine elektrische Regeleinrichtung mit einem Regelverstärker kleinen Eingangswiderstandes, insbesondere mit einem Magnetverstärker, bei der Soll- oder Istspannung von einer hochohmigen Quelle geliefert wird, unter Anwendung eines Transistors, dessen Steuer- und Arbeitskreis je eine Meßspannung zugeführt ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor in kollektorgeerdeter Schaltung im Eingangskreis des Regelverstärkers liegt und Elektrische RegeleinrichtungIt concerns an electrical control device with a control amplifier with a small input resistance, especially with a magnetic amplifier, with the setpoint or actual voltage from a high-resistance source is supplied, using a transistor, whose control and working circuit each have a measuring voltage is fed. The invention is characterized in that the transistor is in a collector-earthed circuit in the input circuit of the control amplifier and electrical control device

mit einem Regelverstärkerwith a control amplifier

kleinen Eingangswiderstandessmall input resistance

Anmelder:Applicant:

Siemens-SchuckertwerkeSiemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,Corporation,

Berlin und Erlangen,Berlin and Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Phys. Helmut Schwab, Nürnberg,
ist als Erfinder genannt wordenDipl.-Phys. Helmut Schwab, Nuremberg,
has been named as the inventor

die hochohmige Quelle an den Steuerkreis des Transistors geschaltet ist.the high-resistance source is connected to the control circuit of the transistor.

Es ist bekannt, einem symmetrischen Transistor in Steuer- und Arbeitskreis je eine Wechselspannung zuzuführen und damit den Phasenwinkel zwischen diesen beiden Spannungen zu messen. Eine solche Anordnung eignet sich jedoch nicht zur Lösung des oben erläuterten Problems. Es kommt vielmehr auf die spezielle Einschaltung des Transistors und auf die Impedanzverhältnisse an, die durch die kollektorgeerdete Schaltung berücksichtigt werden.It is known to supply an alternating voltage each to a symmetrical transistor in the control and working circuit and thus to measure the phase angle between these two voltages. Such an arrangement however, it is not suitable for solving the problem explained above. Rather, it depends on the specific Switching on the transistor and on the impedance ratios created by the collector-earthed circuit must be taken into account.

Im Gegensatz zu Überholungsschaltungen mit Dioden gewährleistet die Erfindung, daß in allen Betriebszuständen der Regelung die hochohmige Quelle auf eine hohe Impedanz arbeitet, während zugleich eine niederohmige Anpassung an den Eingang des Regelverstärkers vorliegt.In contrast to overhaul circuits with diodes, the invention ensures that in all operating states the regulation of the high impedance source is working on a high impedance while at the same time there is a low-resistance match to the input of the control amplifier.

Transistoren in kollektorgeerdeter Schaltung nebst ihren Eigenschaften sind an sich bekannt. Im Gegensatz zur basis- und emittergeerdeten Schaltung kommt die kollektorgeerdete Schaltung jedoch verhältnismäßig selten vor. Allgemein gesehen, stellt ein in kollektorgeerdeter Schaltung verwendeter Transistorverstärker einen Impedanzwandler dar, der einen hochohmigen Eingang und außerdem eine hohe Stromverstärkung hat. Gemäß der Erfindung wird nun aber ein Transistor in kollektorgeerdeter Schaltung nicht einfach als Impedanzwandler verwendet, dies würde nämlich eine besondere Stromquelle, eigens zur Lieferung des Arbeitsstromes des Transistors, bedingen. Diese Stromquelle würde in einem Regelvergleichskreis jedoch eine Fehlerquelle darstellen und eine zu-Transistors in collector-earthed circuits and their properties are known per se. In contrast however, the collector-earthed circuit comes in proportion to the base and emitter-earthed circuit rarely before. Generally speaking, a transistor amplifier used in a collector-grounded circuit represents a transistor amplifier an impedance converter, which has a high-impedance input and also a high current gain Has. According to the invention, however, a transistor in a collector-grounded circuit is not simple used as an impedance converter, this would be a special power source, especially for delivery of the working current of the transistor. This current source would be in a control comparison circuit however represent a source of error and

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sätzliche Ungenauigkeit für die Regelung bedingen und wird daher durch die Erfindung vermieden. Es wird also lediglich der Transistor, gegebenenfalls mit mehr oder weniger für sein Arbeiten erforderlichen passiven Schaltelementen, wie z. B. Widerständen, in 5: den Vergleichskreis eingeschaltet. Wie dies erfolgen kann, ist in Fig. 1 in einem Schaltbeispiel schematisch dargestellt.require additional inaccuracy for the regulation and is therefore avoided by the invention. So it is only the transistor, possibly with more or less required passive switching elements for his work, such as. B. Resistors, in 5: switched on the comparison circuit. How this can be done is shown schematically in FIG. 1 in a circuit example shown.

Die Schaltung nach Fig. 1 zeigt auf der linken und der rechten Seite je ein Potentiometer 1 bzw. 2. Das jo Potentiometer 1 ist an- eine nicht mit dargestellte Sollwertquelle angeschlossen, das Potentiometer 2 an eine der Regelgröße proportionale Spannung und liefert die sogenannte Istspannung. Die Ausgangsanschlüsse des Potentiometers 1, an denen eine mit U_B bezeichnete einstellbare Sollspannung abgegriffen ist, liegen an Basis B und Kollektor K eines Transistors 3, der beispielsweise ein Flächentransistor vom pnp-Typ ist. Als Ausgangsanschlüsse des Transistors dienen Emitter E und Kollektor K. Die so gebildete Schaltung wird als kollektorgeerdete Schaltung bezeichnet. An Emitter und Kollektor schließt sich der weitere Teil des Regelvergleichskreises an, der durch die Steuerwicklung 4 eines nicht weiter dargestellten Magnetverstärkers und die Ausgangsanschlüsse des die Istwertspannung liefernden Potentiometer 2 gebildet ist. Ist der an den Regelvergleichskreis angeschlossene Regelverstärker beispielsweise eine Verstärkermaschine, so tritt eine Erregerwicklung derselben an die Stelle der dargestellten Magnetverstärkersteuerwicklung 4. Im Falle anderer Regelverstärker erfolgt die Schaltung entsprechend.The circuit according to FIG. 1 shows a potentiometer 1 or 2 on the left and right. The potentiometer 1 is connected to a setpoint source not shown, the potentiometer 2 to a voltage proportional to the controlled variable and supplies the so-called actual voltage . The output connections of the potentiometer 1, at which an adjustable setpoint voltage labeled U _B is tapped, are connected to the base B and collector K of a transistor 3, which is, for example, a flat transistor of the pnp type. The emitter E and collector K serve as output connections of the transistor. The circuit formed in this way is referred to as a collector-earthed circuit. The further part of the control comparison circuit, which is formed by the control winding 4 of a magnetic amplifier (not shown in greater detail) and the output connections of the potentiometer 2 supplying the actual value voltage, connects to the emitter and collector. If the control amplifier connected to the control comparison circuit is, for example, an amplifier machine, then an excitation winding of the same takes the place of the illustrated magnetic amplifier control winding 4. In the case of other control amplifiers, the switching takes place accordingly.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 sei die graphische Darstellung nach Fig. 2 betrachtet, die den Emitterstrom J_E als Funktion der Emitterspannung Ue für beispielsweise drei verschiedene Werte der Basisspannung U_B zeigt, die gleichzeitig auch die Sollspannung darstellt. Solange die Basisspannung U_B größer als die am Potentiometer 2 abgegriffene Istspannung ist, fließt im Ausgangskreis des Transistors 3 und somit auch in der Steuerwicklung 4 kein Strom, da der Transistor sperrt. Überschreitet die Istspannung dagegen die Spannung U_B, so fließt ein Strom, d. h. erst in diesem Falle entsteht eine Regelabweichung, die den Regelverstärker in regelndem Sinne beeinflußt. Für eine derartige Arbeitsweise des Regelvergleichskreises kommt eine Regeleinrichtung in Frage, deren Regelverstärker geöffnet ist, wenn keine Regelabweichung vorhanden ist. Dies ergibt ein Anwachsen des Istwertes, und dieser ergibt alsdann, wenn er größer als der Sollwert geworden ist, zusammen mit dem Sollwert eine Regelabweichung im Sinne einer geringeren Aussteuerung des Regelverstärkers. Damit ist die Regelwirkung erreicht. To explain the mode of operation of the circuit according to FIG. 1, consider the graphic representation according to FIG. 2, which shows the emitter current J _E as a function of the emitter voltage Ue for, for example, three different values of the base voltage U _B , which at the same time also represents the target voltage. As long as the base voltage U _{B is} greater than the actual voltage tapped at the potentiometer 2, no current flows in the output circuit of the transistor 3 and thus also in the control winding 4, since the transistor blocks. If, on the other hand, the actual voltage exceeds the voltage U _B , a current flows, ie only in this case does a control deviation arise, which influences the control amplifier in a regulating sense. For such a mode of operation of the control comparison circuit, a control device comes into consideration, the control amplifier of which is open when there is no control deviation. This results in an increase in the actual value, and when it has become greater than the desired value, this results, together with the desired value, in a control deviation in the sense of a lower modulation of the control amplifier. The control effect is thus achieved.

Die Erfindung ist ferner von besonderer Bedeutung für Regelkreise, in denen es darauf ankommt, einen Regeleinnuß erst dann zu erzielen, wenn ein bestimmter Sollwert überschritten oder unterschritten wird, beispielsweise zur Erzielung einer plötzlich einsetzenden Strombegrenzung bei der Regelung elektrischer Maschinen, ferner bei sogenannten Ablösungsregelungen, bei denen im Zuge eines vorgesehenen Regelprogramms auf verschiedene Sollwerte geregelt werden soll. Ein bekanntes Beispiel hierfür stellt die Ladung von Stromsammlern dar, wobei zunächst auf konstanten Strom und dann auf konstante Spannung geregelt wird. Zur Erzielung derartiger Regelwirkungen wurden bisher elektrische Ventile in Form von Trockengleichrichtern verwendet, wobei deren Schwellwert ausgenutzt wurde. Eine Veränderung des Sollwertes konnte hierbei nur dadurch erfolgen, daß mehr oder weniger Trockengleichrichterzellen in Reihe geschaltet wurden. Dementsprechend konnte nur von Stufe zu Stufe geregelt werden. Zur Durchführung der genannten Regelungen hat man außerdem negativ vorgespannte Trockengleichrichter verwendet, die durchlässig wurden, wenn die Vorspannung durch die Arbeitsspannung überschritten wurde. Diese Schaltungen haben jedoch den Nachteil, daß sie ebenfalls eine besondere Vorspannungsquelle benötigen, die hier aber den vollen Strom für die Regelabweichung liefern muß, so daß auch hierdurch wieder Ungenauigkeiten in der Regelung bedingt wären. Die genannten Nachteile liegen bei der Einrichtung nach der Erfindung nicht vor. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel kann der Transistor 3 auch zur Verringerung der Belastung einer Istwertspannungsquelle verwendet werden.The invention is also of particular importance for control loops in which it is important to have one To achieve control only when a certain target value is exceeded or not reached, for example, to achieve a sudden onset of current limitation when regulating electrical Machines, also in the case of so-called replacement regulations, in which in the course of a planned control program should be regulated to different setpoints. A well-known example of this is the charge of current collectors, initially regulated to constant current and then to constant voltage will. To achieve such control effects, electrical valves in the form of dry rectifiers have been used up to now used, whereby their threshold value was used. A change in the setpoint could only be done by connecting more or less dry rectifier cells in series became. Accordingly, it was only possible to regulate from level to level. To carry out the above Regulations have also been used negatively biased dry rectifiers, which are permeable when the preload has been exceeded by the working tension. These circuits however, have the disadvantage that they also require a special bias voltage source, but here must supply the full current for the system deviation, so that this also leads to inaccuracies would be conditional in the regulation. The disadvantages mentioned are associated with the device according to the invention not before. In contrast to the exemplary embodiment, the transistor 3 can also be used to reduce the Load of an actual value voltage source can be used.

Claims

PATENT PACKAGE:

1. Electrical control device with a control amplifier of small input resistance, in particular with a magnetic amplifier, with the nominal or actual voltage from a high-resistance source is supplied, using a transistor, whose control and working circuit each have a measuring voltage is supplied, characterized in that the transistor in collector-earthed circuit in the input circuit of the control amplifier and the high-resistance source to the control circuit of the transistor is switched.

2. Control device according to claim 1, characterized in that the voltage as a high-resistance Voltage source present setpoint value is switched on via the transistor in the comparison circuit is.

Considered publications:

U.S. Patent No. 2,306,998;

Journals: "Frequency", year 1954, p. 178;

"Telecommunications magazine", born in 1950,
P.397;

»Electrical engineering and mechanical engineering«, born in 1955,
Pp. 131 and 132.

1 sheet of drawings