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Schaltung zur Spannungskonstanthaltung Die Erfindung betrifft eine
Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung einer gleichgerichteten Wechselspannung
mit einer von einer der Ausgangsspannung proportionalen Spannung gesteuerten Elektronenröhre
und mit einem Speicherkondensator.
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Die Erfindung besteht darin, daß zwischen der Röhre und dem Speicherkondensator
eine Sättigungsdrossel mit annähernd rechteckförmiger Hysteresisschleife vorgesehen
ist und die Steuerspannung der Röhre so bemessen ist, daß in den Zeiten zwischen
den Ladestromstößen der Speicherkondensator über die Drossel und die Anoden-Kathoden-Strecke
der Röhre mit einem so starken, die Sättigung der Drossel herabsetzenden und damit
die Induktivität erhöhenden Strom so weit entladen wird, daß der folgende Ladestromstoß
im Sinne einer konstanten Ausgangsspannung geschwächt wird.
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Bekanntlich ist die Impedanz einer Sättigungsdrossel klein, wenn der
Kern gesättigt ist, dagegen groß, wenn keine Sättigung vorhanden ist. Liegt der
Strom, um ein praktisches Beispiel zu nennen, bei gegebener Spannung und Frequenz
im gesättigten Zustand der Drosselspule in der Größenordnung von 8 Ampere, so kann
er bei Übergang in den ungesättigten Zustand in die Größenordnung von 10 mA abfallen.
Eine derartige Anordnung kann daher als eine Art Schalter betrachtet werden, der
durch Änderung der Magnetisierung vom gesättigten in den ungesättigten Zustand,
oder umgekehrt, gesteuert wird, ohne allerdings eine exakt offene Stellung zu besitzen.
Die Erfindung nutzt diese Eigenschaft zur Spannungsstabilisierung aus.
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Durch die erfindungsgemäße Schaltung ist es möglich, Schwankungen
der gleichgerichteten Ausgangsspannung, die infolge von verhältnismäßig langsamen
Änderungen der Eingangs-Wechselspannung und des Laststromes auftreten, auszugleichen.
Gegenüber anderen bekannten Schaltungen besteht neben den kleineren Abmessungen
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung der Vorteil, daß an Stelle hochbelastbarer
Röhren eine weit weniger empfindliche Drossel verwendet werden kann.
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Um auch bei rasch erfolgenden Änderungen der Eingangs-Wechselspannung
und des Laststromes, für die die Sättigungsdrossel zu träge ist, eine Stabilisierung
zu erzielen, kann zusätzlich die Schaltung durch eine Anordnung ergänzt werden,
die diese raschen Schwankungen ausgleicht.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind daher parallel zum
Speicherkondensator zwei in Reihe geschaltete Elektronenröhren vorgesehen, von denen
die mit dem positiven Ende des Speicherkondensators verbundene Anode der einen Röhre
über eine weitere Drossel mit der positiven Ausgangsklemme und über die Drossel
und einen weiteren Kondensator mit der Anode der anderen Röhre verbunden ist, und
es sind Mittel vorgesehen, um den Steuergittern der Röhren der stabilisierten Ausgangsspannung
proportionale Spannungen entgegengesetzten Vorzeichens zuzuführen. Vorzugsweise
werden diese Spannungen. einem Gleichstromverstärker entnommen, dessen Eingangsklemme
an der Anzapfung eines über die Ausgangsklemmen der Anordnung geschalteten Potentiometers
liegt.
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Diese zusätzliche Anordnung kann auch dahingehend abgewandelt werden,
daß die weitere Drossel eine Mittelanzapfung erhält, an die das positive Ende des
Speicherkondensators gelegt wird. Das eine Ende_ der Drossel wird dann mit der Anode
der einen Röhre und der positiven Ausgangsklemme und das andere Ende mit der Anode
der anderen Röhre verbunden. Die beiden Kathoden liegen dann an der negativen Ausgangsklemme.
Die Steuerspannungen werden wie oben einem Gleichstromverstärker entnommen.
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Es ist bekannt, eine aus einer Wechselspannung durch Gleichrichtung
.gewonnene Gleichspannung in der Weise bei unterschiedlichen Belastungen konstant
zu halten, daß man in die Wechselspannungszuleitung einen auf eine Frequenz dicht
unterhalb der Netzfrequenz
abgestimmten Reihenschwingkreis einschaltet.
Die Induktivität dieses Schwingkreises wird dabei aus einer Eisenkernspule gebildet.
Steigt die Belastung an, so verringert sich die Induktivität des Eisenkernes, und
die Resonanzfrequenz des Reihenkreises nähert sich der Netzfrequenz. Das bedeutet,
daß der durch den Reihenkreis in der Wechselspannungszuleitung gebildete Widerstand
kleiner wird, wodurch einem Absinken der Spannung durch Belastungserhöhung entgegengewirkt
wird. Die Induktivität wirkt bei dieser Anordnung nicht als Schalter.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
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In dem vereinfachten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist eine nicht
dargestellte Wechselstromquelle, z. B. das Lichtnetz, mit den Eingangsklemmen 1
eines Transformators 2 verbunden. Die Sekundärwicklung des Transformators liegt
an den gegenüberliegenden Enden der einen Diagonale einer in bekannter Weise aus
vier Gleichrichtern 3 bestehenden Brücke. Die gleichgerichtete Spannung wird der
anderen Diagonale der Brücke entnommen und über eine Sättigungsdrossel 4 einem Speicherkondensator
5 zugeführt. Die Sättigungsdrossel besitzt eine annähernd rechteckförmige Hysteresisschleife,
so daß ihre Impedanz im gesättigten Zustand sehr klein und im ungesättigten Zustand
sehr groß ist. Ein Glättungsfilter (nicht dargestellt) kann hinter die Drossel 4
und den Kondensator 5 geschaltet werden. Über der Ausgangsdiagonalen der Brücke
liegt die Anoden-Kathoden-Strecke einer Steuerröhre 6, beispielsweise einer Triode,
deren Steuergitter über die Klemme 7 eine Steuerspannung zugeführt wird, die z.
B. dem Abgriff eines nicht gezeigten, parallel zum Kondensator 5 liegenden Potentiometers
entnommen wird und eine geeignete negative Vorspannung enthält. Dieser Abgriff kann
einstellbar sein. Die stabilisierte Gleichspannung wird einer nicht dargestellten
Last zugeführt, die an die Ausgangsklemmen 8 angeschlossen ist.
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Bei dieser Anordnung fließt der Strom durch die Gleichrichter natürlich
in einer Richtung, und die Bemessung wird so gewählt, daß zu einer Zeit in jeder
Halbwelle der Eingangs-Wechselspannung die Sättigung der Drossel erreicht wird.
Wenn dieser Fall eintritt, fällt die Impedanz der Drossel auf einen sehr kleinen
Wert, und in den Speicherkondensator 5 fließt ein merklicher Ladestrom. Durch Änderung
des Augenblicks, in dem die Sättigung eintritt, kann die Ladung, die vom Kondensator
benötigt wird, und mithin die Ausgangsspannung an den Klemmen 8 verändert werden,
d. h., die Ausgangsspannung ist hoch, wenn die Sättigung früh in der. Halbwelle,
und klein, wenn die Sättigung spät in der Halbwelle erfolgt.
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Der Fluß im Kern muß sich ändern, wenn kein Gleichrichterstrom fließt,
weil die Gegen-EMK infolge der Flußänderung den Stromfluß verhindert. Um daher die
kleinste Ausgangsspannung zu erhalten, muß vor einer gegebenen Halbwelle in der
Drossel der größte Fluß entgegengesetzt zu dem Sinn auftreten, in dem die Sättigung
schließlich erfolgen soll, so daß die größte Flußänderung gewonnen wird. Die Steuerröhre
bringt den Kern in den gewünschten Flußzustand, indem sie den genauen Strombetrag
(für diese Bedingung) von dem Kondensator über die Drossel durchläßt, wobei die
Stromrichtung so ist, daß der Sättigungszustand des Kerns, in den dieser beim letzten
Ladestromstoß versetzt wurde, rückgängig gemacht wird.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen den Ablauf der Vorgänge bzw. die Hysteresisschleife
des Kerns. In diesen Figuren sind mit den Buchstaben X, Y und Z bestimmte
Zeitpunkte bezeichnet.
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Vom Beginn einer Halbwelle der Eingangs-Wechselspannung an nimmt die
Eingangsspannung zunächst so lange zu, bis am Punkt X die Spannung erreicht wird,
die am Speicherkondensator 5 steht, und das entsprechende Paar der Gleichrichterbrücke
beginnt zu leiten. Um die Spannung übertragen zu können, muß sich der Fluß im Kern
der Drossel ändern. Da die Drossel zunächst noch nicht gesättigt ist, fließt ein
vernachlässigbar kleiner Ladestrom in den Speicherkondensator. Zum Zeitpunkt Y jedoch
tritt die Sättigung ein, und ein kräftiger Ladestrom beginnt in den Kondensator
zu fließen. Dieser Strom hält an bis zum Zeitpunkt Z, bei dem die Eingangsspannung
kleiner wird als die Spannung über dem Kondensator 5. Damit hört die Gleichrichterbrücke
auf zu leiten, die Magnetisierungskraft wird Null und läßt den Kern im Sättigungszustand.
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Wenn dieser Punkt erreicht ist, wird der aus der Drossel, der Steuerröhre
und dem Speicherkondensator bestehende Kreis wirksam (der Strom durch die Steuerröhre
war vorher vernachlässigbar klein gegenüber dem sehr viel größeren Kondensator-Ladestrom).
Der Drossel wird die Spannung des Speicherkondensators über die Röhre zugeführt,
jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen wie die Eingangsspannung. Dadurch wird die Drossel
in ihren ursprünglichen, nichtgesättigten Zustand zurückgebracht, mit anderen Worten,
der Fluß wird auf einen Wert gebracht, der von dem durch die Röhre 6 fließenden
Strom abhängt. Diese Flußänderung dauert bis zum Zeitpunkt X der nächsten Halbwelle,
bei dem die Gleichrichter erneut leiten und der Röhrenstrom wieder im wesentlichen
den Ausgangsklemmen der Brücke entnommen wird. Die Größe der Flußänderung hängt
von dem Magnetisierungsstrom ab, den die Röhre zugelassen hat. Ist dieser Strom
Null, so bleibt die Drossel in der Sättigung, und wenn bei der folgenden Halbwelle
der Eingangsspannung die Spannung am Speicherkondensator erreicht wird, erfolgt
der Ladestromstoß sofort. Erreicht dieser Strom dagegen ein Maximum, so daß die
Drossel sich in der negativen Sättigung befindet, so kann der Ladestromstoß erst
fließen, wenn die positive Sättigung erreicht ist.
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Fig. 4 veranschaulicht an Hand einer experimentell aufgenommenen Kurvenschar
mit dem Laststrom als Parameter, welcher Strom durch die Steuerröhre in Abhängigkeit
vom Effektivwert der Wechselspannung fließen muß, um eine konstante Ausgangsspannung
von 250 Volt zu erzielen.
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Die gestrichelte Kurve wurde bei einem Shuntwiderstand von 10 kS2
zur Drossel aufgenommen, um eine Ouelle konstanter Spannung anstatt einer Quelle
konstanten Stromes nachzubilden. Es läßt sich nämlich zeigen, daß eine unter den
beschriebenen Bedingungen betriebene Drossel eher eine Spannungs- als eine Stromsteuerungseinrichtung
darstellt. Diese Auffassung wird durch die größere Linearität der gestrichelten
im Vergleich zu den anderen Kurven bestätigt.
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In der Praxis lassen die Gleichrichter einen gewissen Strombetrag
in der Sperrichtung durch, wodurch natürlich der Steuerbereich der Röhre 6 begrenzt
wird. Dieser Nachteil kann verringert oder beseitigt werden, wenn der Laststrom
einige Windungen der Drossel in einem solchen Sinn durchfließt, daß der infolge
des Stromes in Sperrichtung des Gleichrichters auftretenden Magnetisierung entgegengewirkt
wird. Wenn man eine aus diesen einigen Windungen
bestehende Zusatzwicklung
vorsieht, s(i wird natürlich eine Mitkopplung hervorgerufen. Es ist daher darauf
zu achten, daß keine Instabilität auftritt.
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Fig.5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das außer der Schaltung
gemäß Eig. 1 einen Röhrenstabilisator enthält, der schnelle Änderungen der Eingangswechselspannung
und/oder des Laststromes ausgleicht. In allen Figuren sind gleiche Teile mit den
gleichen Bezugsziffern versehen. Es ist zu erkennen, daß ein Teil der Fig, 5 mit
Fig. 1 übereinstimmt, so daß hierfür keine weitere Beschreibung nötig ist. Die Sättigungsdrossel
4 ist jedoch mit der Ausgangsklemme 8 über eine weitere Drossel 9 verbunden. Fig.
5 enthält ferner eine Siebschaltung, die in bekannter Weise aus der Reihendrossel
10 und dem parallel zum Gleichrichterausgang angeordneten Kondensator 11 besteht.
Diese Siebschaltung ist natürlich nicht nötig und kann in vielen Fällen fortgelassen
und die Drossel 9 direkt mit der Sättigungsdrossel 4 verbunden werden. Wie dargestellt,
ist ein wirkungsmäßig mit dem Speicherkondensator 5 parallel geschalteter und schaltungsmäßig
mit dem Verbindungspunkt der Drosseln 9 und 10 verbundener Querpfad vorgesehen,
der aus den in Serie geschalteten Anoden-Kathoden-Strecken zweier in AB-Schaltung
betriebener Wechselstromverstärkerröhren 12 und 13 besteht. Die Drossel 9 liegt
ferner in Serie mit einem Kondensator 14 über der Anoden-Kathoden-Strecke der positiveren
Röhre 12, und die Steuergitter beider Röhren sind mit den Ausgangsklemmen entgegengesetzter
Polarität eines Gleichstromverstärkers 15 verbunden, dessen Eingangsklemme an einen
Abgriff 16 eines aus Widerständen 17 gebildeten und zwischen die Ausgangsklemmen
8 geschalteten Potentiometers gelegt ist. Der Eingangskreis des Gleichstromverstärkers
liegt über eine Neondiode oder ähnliche Entladungsröhre 18 an Masse. Die Steuerspannung
für die Steuerröhre 6 wird von einer Ausgangsklemme des Gleichstromverstärkers 15
entnommen, die analog wie diese Klemme in Fig. 1 mit 7 bezeichnet ist. Wie schon
gesagt, sind die den Gittern- beider Röhren 12 und 13 von dem Verstärker 15 zugeführten
Spannungen entgegengesetzt.
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Im Ruhezustand fließt ein kleiner Strom durch die Röhren 12 und 13,
und deren Anodenspannung ist ungefähr je halb so groß wie die Spannung am Verbindungspunkt
der Drosseln 9 und 10. Die stetige Spannung am Kopplungskondensator 14 ist etwas
kleiner als die Hälfte dieser Spannung. Strebt die Ausgangsspannung an der positiven
Klemme 8 nach Erhöhung, so erhöht sich die Vorspannung am Gitter der Röhre 13 in
die positive Richtung, und diese Röhre zieht mehr Strom über den Kondensator 14,
wodurch die Ausgangsspannung verringert wird. Das Gegenteil findet statt, wenn die
Ausgangsspannung abfällt. Dann erhöht sich der durch die Röhre 12 fließende Strom
so, daß der Kondensator 14 sich über die Ausgangsbelastung entlädt. Die Drossel
9 bewirkt, daß der Röhrenstrom statt von dem Kondensator 5 (oder vom Kondensator
11, falls die Siebschaltung 10-11 vorgesehen ist) entweder dem Laststrom entzogen
oder diesem zugefügt wird, so daß die Drossel die wirksame Quellenimpedanz der Speisequelle
erhöht und daher die Wirkung von Änderungen der Röhrenimpedanzen mehr betont. Die
Schaltungsanordnung nach Fig. 5 gleicht nicht nur die schnellwirkenden Netzspannungs-und
Lastströmungen aus, sondern sie verringert auch die Welligkeit und absorbiert die
Modulation des Laststromes, die von nicht dargestellten, im Verbraucher enthaltenen
Röhren verursacht wird. Fig: 6 zeigt, soweit wie es für das Verständnis nötig ist,
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines schnell ansprechenden Stabilisators, das
die Schaltung gemäß Fig. 5 ersetzen kann. Die in Fig. 6 nicht dargestellten Elemente
sind die gleichen wie in Fig. 5. Die Drossel 10 und der Kondensator 11 entsprechen
den gleichbezifferten Elementen der Fig. 5. Wie dargestellt, ist das Ende der Drossel
10 mit der Mittelanzapfung 19 einer Drossel 20 verbunden, deren Enden mit den Anoden
der Wechselstromverstärkerröhren 21 und 22 verbunden sind. Die Kathoden der Röhren
liegen an Masse. Eine geeignete Gleichvorspannung wird den Steuergittern beider
Röhren von den Punkten 23 und 24 zugeführt. Die Steuergitter empfangen entgegengesetzte
Steuerspannungen über Kondensatoren 25, 26, die an den Ausgangsklemmen eines Gleichstromverstärkers
15 liegen, der, wie in Fig. 5, von einem Abgriff 16 eines Potentiometers 17 gespeist
wird. Wie man sofort erkennt, liegt der Hauptunterschied zwischen den beiden schnell
ansprechenden Stabilisatoren nach Fig. 5 bzw. 6 darin, daß in Fig. 5 in Serie geschaltete
Röhren mit Drossel-Kondensator-Kopplung, in Fig. 6 dagegen parallel geschaltete
Röhren mit Drosselkopplung verwendet sind.