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Stromversorgungsgerät Die Erfindung betrifft ein Stromversorgungsgerät
mit einem Wechselstromeingang, einer mit dem Eingang verbundenen und synchron mit
der Wechselspannung arbeitenden Schaltvorrichtung und einem Gleichstromausgang.
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Man versucht seit langem, kleine, billige und wirksam geregelte Stromversorgungsgeräte
herzustellen, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln und auf elekrischem, elektromechanischem
und elektronischem Gebiet verwendet werden können. Es sind verschiedenartige geregelte
Stromversorgungsgeräte vorgeschlagen worden, zu denen auch solche gehören, die elektronische
Reglerröhren, gasgefüllte Gleichrichterröhren oder andere Arten von Gleichrichtern
verwenden. Diese Geräte, die beispielsweise als Gleichrichter gasgefüllte Röhren,
wie Thyratrone, verwenden, haben den Vorteil, daß der von ihnen nutzlos verbrauchte
Teil der aufgenommenen Energie gering ist. Das liegt daran, daß sie Ein- und Ausschaltvorrichtungen
enthalten, die den Gleichrichterkreis öffnen und schließen, so daß sie den Eingangswechselstrom
gleichrichten, ohne das nennenswerte Verluste an Eingangsenergie eintreten. Diese
Art von Stromversorgungsgeräten kann aber eine hohe Ausgangsimpedanz aufweisen,
wenn die Thyratrone nur über einen verhältnismäßig kleinen Abschnitt der Wechselstromperiode
leiten. Durch das Abschalten der gasgefüllten Gleichrichterröhren entstehen. außerdem
Spitzen oder Schalteffekte, die ein Glätten oder Filtern der Ausgangsspannung des
Stromversorgungsgerätes notwendig machen. In diesen Stromversorgungsanlagen müssen
daher zur Erzeugung einer annehmbar konstanten Gleichstromausgangsspannung sehr
komplizierte und sperrige Siebfilter verwendet werden. Aus diesem Grunde haben viele
Zweige der Elektroindustrie aus wirtschaftlichen. Gründen die Verwendung von Thyratrongleichrichtern
aufgegeben.
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In anderen bekannten Stromversorgungsgeräten werden in Reihe oder
parallel geschaltete Reglerröhren verwendet, die die Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes
dadurch regeln, daß ein Teil der Ausgangsspannung so rückgekoppelt ist, daß die
Impedanz der Reglerröhren entsprechend den Schwankungen der Ausgangsspannung gesteuert
wird. Diese Stromversorgungsgeräte sind jedoch wiederum recht groß und kostspielig,
da die Reglerröhre beim Regelvorgang einen erheblichen Anteil der Eingangsleistung
zu vernichten hat. Dies trifft ganz besonders dann zu, wenn die Ausgangsspannung
über einen verhältnismäßig weiten Bereich verändert werden soll. Für viele Zwecke
sind sie jedoch dadurch vorteilhaft, daß sie eine verhältnismäßig niedrige Ausgangsimpedanz
haben.
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Es sind auch Schaltungsanordnungen zur Konstanthaltung von Spannung
oder Stromstärke gittergesteuerter Gasentladungsröhren, insbesondere Gleichrichter,
bekanntgeworden, bei denen außer einer Rückwärtsregelung gleichzeitig eine Vorwärtsregelung
durchgeführt wird, bei der die prozentuale Änderung der den Röhren zugeführten Regelspannung
ein Vielfaches der prozentualen Änderung der Netzspannung beträgt. Auch bei diesen
bekannten Schaltungsanordnungen wurden gasgefüllte Gleichrichterröhren benutzt,
die den Nachteil einer hohen Ausgangsimpedanz und des Auftretens von Schalteffekten
aufweisen. Dieser soll durch die Erfindung ohne Preisgabe der Vorteile der bekannten
Anordnung vermieden werden. Dabei wird insbesondere auf die Erzielung eines schnellwirkenden:
Ausgangs von niedriger Impedanz Wert gelegt, der mit den bekannten Anordnungen nicht
verwirklicht werden konnte.
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Die Erfindung schlägt nun ein Stromversorgungsgerät vor, das nicht
die obenerwähnten Nachteile der bekannten Anordnungen aufweist, sondern im Gegenteil
gleichzeitig sowohl die Vorteile der Stromversorgungsgeräte mit gasgefüllten Gleichrichterröhren
als auch die Vorteile von Geräten mit Reglerröhren besitzt, ohne deren Mängel zu
zeigen.
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Das erfindungsgemäße Stromversorgungsgerät ist zu diesem Zweck in
der Weise ausgebildet, daß es einen zwischen der Schaltvorrichtung und dem Ausgang
liegenden Spannungsregler und eine zwischen dem Ausgang und der Schaltvorrichtung
liegende Rückkopplung aufweist, welche die der Schaltvorrichtung entnommene Spannung
entsprechend den Spannungsschwankungen am Ausgang des Spannungsreglers
steuert
und damit den Bereich der am Spannungsregler auftretenden Spannungsschwankungen
begrenzt.
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Ein, weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das neue Stromversorgungsgerät
verhältnismäßig geringe Verluste hat und in kleinen Abmessungen bei niedrigen Kosten
hergestellt werden kann.
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Weitere Einzelheiten und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der
Beschreibung der in, der Zeichnung dargestellten zwei Ausführungsbeispiele hervor.
Es zeigt Fig. 1 ein Schaltschema einer zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Stromversorgungsgerätes und Fig. 2 ein ähnliches Schaltschema einer abgeänder ten
Ausführungsform.
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Erfindungsgemäß wird die Wechselstromenergie einer Primärwicklung
1 eines Netztransformators 3 zugeführt; dessen Sekundärwicklung 5 an dem Eingangskreis
des Stromversorgungsgerätes liegt. Die Sekundärwicklung 5 hat bei 2 eine Mittelerdung,
und ihr oberes und unteres Ende sind mit den Anoden 7 bzw. 9 von zwei vorzugsweise
gleichen Gleichrichterröhren 11 bzw. 13 verbunden. Die Gleichrichterröhren 11 und
13 sind vorzugsweise gasgefüllte Thyratrone, obwohl auch andere Arten von Spannungsschaltern
oder spannungsunterbrechenden Einrichtungen, die nur in einer Richtung stromdurchlässig
sind, einschließlich magnetischer Verstärker genauso gut verwendet werden können.
Die Kathoden 15 und 17 der Spannungsschalter oder Gleichrichterröhren 11 und 13
sind bei 19 miteinander verbunden und über einen Speicherkondensator oder -kondensatoren
21 bei 23 geerdet. Die Gleichrichter 11 und 13 arbeiten abwechselnd, da sie mit
den entgegengesetzten, d. h. gegenphasigen Enden der Sekundärwicklung 5 verbunden
sind, wobei das abwechselnde Arbeiten der Gleichrichterröhren synchron mit der Wechselstromfrequen.z
erfolgt. Dadurch wird eine gleichgerichtete Spannung erzeugt, die in dem Kondensator
oder den Kondensatoren 21 gespeichert wird. Um den Zündwinkel der Thyratrone 11
und 13 glatt steuern zu können, gibt man ihnen eine vom Netz abgeleitete Gittervorspannungskomponente,
die um etwa 90° gegenüber der den Anoden 7 und 9 von der Sekundärwicklung 5 zugeführten
Netzspannung phasenverschoben ist. Diese Vorspannung kann durch eine weitere Sekundärwicklung
4 erzielt werden, der zwei entgegengesetzt angeordnete, aus Widerstand und Kondensator
bestehende phasenverschiebende Netzwerke 6 und 8 parallel geschaltet sind. Eine
Leitung 10 verbindet die 90°-Anzapfung 12 des aus Widerstand und Kondensator bestehenden
Netzwerkes 6 mit dem Steuergitter 53 der Thyratronenröhre 11. Eine ähnliche Verbindung
entsteht durch die Leitung 14 von der Zwischenanzapfung 16 des aus Widerstand und
Kondensator bestehenden Netzwerkes 8 zum Stenergitter 55 der Thyratronenröhre 13.
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Nach der Erfindung ist eine Reglerröhre, beispielsweise eine Reglertriode
25, in Reihe zwischen den Kathoden 15 und 17 und der oberen Ausgangsklemme 27 des
Stromversorgungsgerätes angeschlossen, während die andere Ausgangsklemme 29 bei
31 geerdet ist. Die Anode 33 der Reglerröhre 25 ist über den Leiter 35 an die Verbindungsstelle
19 der Kathoden 15 und 17 angeschlossen, während die Kathode 37 der Reglerröhre
25 über den Leiter 39 an die Ausgangsklemme 27 angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung
kann an dem zwischen den Ausgangsanschlüssen 27 und 29 liegenden Widerstand 41,
43 abgenommen werden. Wie es bei in Reihe geschalteten Reglerröhren üblich ist,
kann die Impedanz der Reglerröhre 25 in Übereinstimmung mit den an den Ausgangsklemmen
27 und 29 auftretenden Spannungsschwankungen, die beispielsweise von Schwankungen
der Netzspannung oder der Ausgangsbelastung herrühren, variiert werden, indem man
an der Anzapfung 45 des Widerstandes 43 einen Teil der Ausgangsspannung abnimmt,
diese mit einer geeigneten Bezugsspannung 46 vergleicht, die Differenz zwischen
den verglichenen Spannungen in einem Differentialspannungsverstärker 47 verstärkt
und das verstärkte Fehlersignal über die Leitung 16 auf das Steuergitter 49 der
Reglerröhre 25 rückkoppelt. An den Anschlüssen 27 und 29 auftretende Schwankungen
der Ausgangsspannung verursachen also eine Veränderung der Impedanz der Reglerröhre
25 über den. Rückkopplungsweg 45-47-16, die diese Schwankungen ausgleicht.
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Durch Rückkopplung der Ausgangsspannung über die Leitung 51 und eine
Spannungsquelle 57 auf die Steuergitter 53 und 55 der Gleichrichterröhren 11 und
13 kann die Arbeitsweise der Gleichrichterröhren 11 und 13 so gesteuert werden,
daß die Anode 33 der in Reihe geschalteten. Reglerröhre 25 auf einem voTgegebenen,
höheren positiven Potential als die Kathode 37 gehalten wird. Die elektrische Verbindung
dieses Rückkopplungsweges verläuft von dem linken Anschluß der Spannungsquelle 57
über den Leiter 18 zu einer Mittelanzapfung 20 der Sekundärwicklung 4, dann über
den oberen bzw. unteren Abschnitt der Sekundärwicklung 4 und die jeweiligen Widerstände
der phasenverschiebenden Netzwerke 6 und 8 zu den jeweiligen Leitern 10 und 14,
die wiederum mit dem jeweiligen Steuergitter 53 bzw. 55 verbunden sind. Die in dem
Kondensator 21 gespeicherte Energie ist so groß, daß die: Eingangsspannung für die
in Reihe geschaltete Reglerröhre 25 während der Periode zwischen dem Nichtleiten
und Leiten der Gleichrichterröhren 11 und 13 erhalten bleibt. Falls die Eingangsspannung
für die Reglerröhre 25, d. h. die Spannung am Kondensator 21 abfällt, fällt auch
das Potential an den direkt an den Kondensator 21 angeschlossenen Kathoden 15 und
17 ab. Das Potential der Steuergitter 53 und 55 wird jedoch durch die Wirkung der
Reglerröhre 25 und der Spannungsquelle 57 konstant gehalten. Somit ändert sich die
Steuergitter-Kathoden-Spannung der Gleichrichterröhren 11 und 13, wobei das Steuergitter
gegenüber der Kathode positiver wird und der Zündwinkel wächst, bis die Spannung
am Kondensator 21 wieder ihren früheren Wert angenommen hat. Dieser Vorgang hält
im wesentlichen die gewünschte, vorgegebene Spannungsdifferenz zwischen der Anode
33 und der Kathode 37 der Reglerröhre 25 aufrecht.
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Der Schwankungsbereich der Spannungsdifferenz zwischen der Anode 33
und der Kathode 37 der Reglerröhre 25 wird also durch die Schaltgleichrichter 11
und 13 weitgehend begrenzt, und die in Reihe geschaltete Reglerröhre 25 gewährleistet
eine schnellwirkende Steuerung zur Erzielung einer einwandfreien Schaltung.
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Die kombinierte Verwendung der Schaltgleichrichterröhren 11 und 13
und der in Reihe geschalteten Reglerröhre 25 gestattet es, die Ausgangsspannung
über einen weiteren Bereich zu variieren, ohne daß die Verluste in, der Reglerröhre
25 ansteigen, wie es bei den bekannter, mit in Reihe geschalteter Reglerröhre arbeitenden
Stromverso@rgungsgeräten der Fall ist. Mit Hilfe der Erfindung kann so eine räumlich
kleine
und verhältnismäßig billige Ausrüstung verwendet werden. Die Reglerröhre 25 wirkt
außerdem in Verbindung mit dem Speicherkondensator 21 als Siebfilter, das die aus
der Schalttätigkeit der Gleichrichterröhren 11 und 13 herrührenden Spannungsspitzen
weitgehend beseitigt. Außerdem hat das erfindungsgemäße Gerät einen Ausgang mit
der erwünschten niedrigen Impedanz.
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Während das Gerät nach Fig. 1 mit einer in Reihe geschalteten Reglerröhre
25 ausgerüstet ist, kann nach Fig. 2 auch eine parallel geschaltete Reglerröhre
25 in Verbindung mit einem Reihenwiderstand 59, der zwischen den Kathoden 15 und
17 der Gleichrichterröhren 11 und 13 und dem Ausgangsanschluß 27 liegt, verwendet
weTden. Die Kathode 37 der Reglerröhre 25 ist bei 61 geerdet, während die Anode
33 mit dem rechten Ende des Widerstandes 59 verbunden ist. In diesem Falle wird
die parallel geschaltete Reglerröhre 25 so betrieben, daß der Hauptverlust in dem
Widerstand 59 stattfindet. Diese Schaltung ist besonders zweckmäßig bei Stromversorgungsgeräten
für hohe Spannungen und geringe Stromstärken. In der Schaltung nach Fig. 2 kann
die gleiche, von der Netzspannung abgeleitete phasenverschobene Gittervorspannung
verwendet werden, die durch das Netzwerk 4, 6, 8 der Fig. 1 erzeugt wird.
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Als typisches Beispiel für die Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen
Gerätes nach Fig. 1 kann bei einer üblichen Netzeingangsspannung eine zwischen 0
und 300 Volt regelbare Ausgangsspannung bei einer Stromentnahme von 0 bis 200 Milliampere
erzielt werden. Die Gleichrichterröhren 11 und 13 können Thyratrone vom Typ
2D21 und die Reglerröhre 25 eine Röhre vom Typ 6080 sein. Durch die vorliegende
Erfindung ist ein maximaler Leistungsverlust von etwa 10 Watt in der in Reihe geschalteten
Röhre 25 erforderlich. In einem üblichen, bekannten Stromverso,rgungsgerät mit in
Reihe geschaltetem Regler würde dagegen der Gesamtleistungsverlust unter sonst gleichen
Verhältnissen etwa 85 Watt betragen. Dieses Verhältnis von 8,5 :1 äußert sich in
einer merklichen Senkung der Herstellungskosten und einer Verkleinerung der Abmessungen
des Gerätes.