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Spannungs- bzw. Strom-Regeleinrichtung mit einem Regeltransistor in
Reihe mit der Speisequelle und dem Verbraucher Nach dem bisherigen Stand der Technik
wird bei elektrischen Regeleinrichtungen mit einem gesteuerten Transistor-Gleichstrom-Verstärker
die Ausgangsspannung des Verstärkers mittels zweier in Brückenschaltung angeordneter
Dioden gesteuert, um damit die zu regelnde Größe (z. B. Spannung eines Wechselstrom-Generators),
konstant zu halten.
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Die grundsätzliche Anordnung ist dabei folgende: Ein Hilfsgleichrichter
ist beispielsweise an eine zu regelnde Wechselspannung angeschlossen. Die abgehende
Gleichspannung liegt zunächst an einer Siebkette, bestehend aus Kondensator und
Drossel und anschließend an einer nach Art der Wheatstoneschen Meßbrücke ausgeführten
Brückenschaltung, bestehend aus zwei hochohmigen Widerständen und zwei Dioden, die
so beschaffen sind, daß ihre Sperrwirkung bei überschreiten einer bestimmten Größe
der angelegten Spannung plötzlich aufhört (Zener-Effekt). Die Verwendung dieser
Dioden macht es möglich, daß bei Ansteigen der zu regelnden Wechselspannung in der
vorerwähnten Brückenschaltung der bekannte Effekt wirksam wird und die abgehende
Steuerspannung (Gleichspannung) sinkt bzw. sich sogar umkehrt. Das hat zur Folge,
daß der Transistor-Gleichstrom-Verstärker beispielsweise den Feldstrom einer angeschlossenen
Magnetspule vermindert. Der Nachteil dieses Prinzips besteht darin, daß der Zener-Effekt
erst bei Erreichen der Sperrspannung einsetzt, also Änderungen der zu regelnden
Größe unterhalb des Ansprechbereiches der Diode dabei nicht erfaßt werden. Außerdem
ist es oft vorgekommen, daß bei starken Änderungen der zu regelnden Größe zwangläufig
die Umkehrung der Polarität an der Ausgangsseite der Meßbrücke eintreten konnte,
wodurch sich eine völlige Sperrung des Regeltransistors im Verstärker ergab, die
unter Umständen sogar dessen Zerstörung zur Folge hatte. Diese Nachteile werden
durch die vorliegende Erfindung vermieden. Sie unterscheidet sich vom Bekannten
vor allem dadurch, daß für den Steuerteil an Stelle der Dioden ein Transistor verwendet
wird, dessen Basis an einen Spannungsteiler angeschlossen ist.
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Transistoren reagieren bekanntlich bereits auf kleinste Änderungen
der angelegten Spannungen. Mit ihrer Hilfe wird erreicht, daß die Regelung auch
bei von Null beginnenden Änderungen der zu regelnden Größe praktisch stufenlos erfolgt
und daher eine hohe Genauigkeit und Stetigkeit erreicht.
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Durch die Kombination von Transistoren und Dioden, wobei letztere
in die Basisleitung der Transistoren geschaltet werden, kann man wahlweise ferner
deren beiderseitige Vorteile gleichzeitig ausnutzen. Die Dioden können dabei als
Meßnormal dienen, und die dahintergeschalteten Transistoren können als Verstärker
arbeiten und bereits kleinste Änderungen des in Sperrichtung fließenden Stromes
wirksam ausnutzen, die sonst für die Regelung nicht erfaßt werden. Bei überschreiten
der Sperrspannung wird bei dafür geeigneten Dioden deren bekannte Eigenschaft als
hochohmiger Widerstand aufgehoben, uüd der Strom fließt voll in die Basis der Transistoren.
Damit beginnt die eigentliche Regelung.
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Ob kleine Ströme unterhalb der Sperrspannung durch die Dioden fließen
oder ob es sich bei Überschreiten der Sperrspannung um einen starken Strom handelt,
in beiden Fällen wird der Strom an der Ausgangsseite des oder der Transistoren durch
deren bekannte physikalische Eigenschaften verstärkt, welcher nun seinerseits den
eigentlichen Transistor-Gleichstrom-Verstärker steuert.
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Der Erfindungsgedanke findet Anwendung bei einer Spannungs- bzw. Stromregeleinrichtung
mit einem Regeltransistor in Reihe mit einer Speisequelle und dem Verbraucher, wobei
der Regeltransistor über einen Steuertransistor von einer zu überwachenden Spannung
beeinfiußt wird. Gemäß der Erfindung liegen in dem Steuerkreis über der zu überwachenden
Spannung die Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke eines Steuertransistors
(7) und eines ohmschen Widerstandes (8) und parallel dazu ein Spannungsteiler (5),
von dem die Basisspannung des Steuertransistors abgenommen wird, und die zur
Steuerung
des Regeltransistors (17) erforderliche Spannung wird unmittelbar oder mittelbar
von der Emitter-Kollektor-Strecke des Steuertransistors abgenommen.
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Wahlweise kann die Anordnung so abgewandelt werden, daß in dem Steuerkreis
eine Brückenschaltung verwendet wird, die den Steuertransistor als gesteuerten veränderlichen
Widerstand enthält, und daß die an der Diagonalen der Brückenschaltung abgenommene
Steuerspannung dem Regeltransistor zugeführt wird (Abb. 1).
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Schließlich kann in die Basisleitung des Steuertransistors (7) ein
Widerstand und/oder eine Zenerdiode eingebaut werden (Abb. 2).
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In allen Anwendungsfällen kann die Spannung, die am Eingang des Transistor-Gleichstrom-Verstärkers
liegt, durch den Transistor (oder mehrere parallel geschaltete Transistoren) der
Steuergruppe-im folgenden als Steuertransistor bezeichnet - geändert bzw. bis zum
Nullwert vermindert werden; denn der Innenwiderstand eines Transistors ändert sich
bekanntlich je nach dem an der Basis fließenden Strom, und zwar dergestalt, daß
ein starker Impulsstrom an der Basis - welcher bekanntlich den Widerstand der Strecke
Kollektor-Emitter verringert - an der Ausgangsseite des Transistors eine große Stromaufnahme
hervorruft, die in Verbindung mit einer Brücken- oder Potentiometerschaltung zwangläufig
ein Absinken der Eingangsspannung eines parallel geschalteten Transistor-Gleichstrom-Verstärkers
zur Folge hat.
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Umgekehrt wird durch einen schwächeren Impulsstrom an der Basis des
Regeltransistors die Stromaufnahme an dessen Ausgangsseite vermindert und damit
die Erhöhung der Eingangsspannung des erwähnten Verstärkers bewirkt. In beiden Anwendungsfällen
(Brückenschaltung und Potentiometerschaltung) wird somit durch einen veränderten
Impulsstrom an der Basis des Steuertransistors eine reziproke Änderung des Ausgangsstromes
am Transistor--Gleichstrom-Verstärker erzielt.
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Abb. 1 stellt ein Anwendungsbeispiel des Erfindungsgedankens dar mit
direkter Verbindung zwischen Spannungsteiler und Transistor-Basis unc[ mit Brückenschaltung;
Abb.2 zeigt eine Variante des gleichen Prinzips mit einer Diode zwischen Spannungsteiler
und Transistor-Basis und einem wahlweise parallel zur Diode einschaltbaren Widerstand
sowie einer Parallelschaltung des Steuertransistors mit dem Regeltransistor des
Transistor-Gleichstrom-Verstärkers.
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Gemäß Abb. 1 liegt der Hilfsgleichrichter 2 in bekannter Anordnung
an der ungeregelten Wechselspannung U"" die dem Transformator entnommen wird. Auf
der Gleichstromseite liegt in der Plusleitung zunächst die Glättungsdrossel 3, die
mit dem Kondensator 4 eine bekannte Siebkette bildet. Parallel dazu ist der Spannungsteiler
5 vorgesehen, bestehend aus dem Festwiderstand 5 a und dem Einstellwiderstand
5b. An diese an sich bekannte Gruppe ist der Steuertransistor 7 angeschlossen.
- Zwischen seiner Basis 7a, die mit dem Spannungsteiler 5 verbunden. ist und dem
an der Plusseite des Gleichstromkreises liegenden Emitter 7 b- ist die Teilspannung
Ut eingestellt. Der Kollektor 7 c ist über einen Vorwiderstand 8 mit der Minusseite
verbunden. Parallel zu dieser Gruppe (Transistor 7 und Vorwiderstand 8) liegen außerdem
die beiden unter sich ebenfalls in Reihe geschalteten Widerstände 9 und 10. Der
Steuertransistor 7 und die Widerstände 8, 9 und 10 sind somit im Sinne einer Brücke
geschaltet und wirken auch entsprechend.
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Von der zwischen Steuertransistor 7 und Vorwiderstand 8 befindlichen
Anschlußstelle 11 führt die Leitung 12 und von der zwischen den Widerständen 9 und
10 liegenden Anschlußstelle 13 die Leitung 14 zu dem an sich bekannten Transistor-Gleichstrom-Verstärker
15. Dabei ist die Leitung 12 an die Basis 17a und die Leitung 14 an den Emitter
17 b des zum Verstärker 15 gehörenden Regeltransistors 17 angeschlossen. Mit den
beiden Leitungen 12 und 14 wird dem Transistor-Gleichstrom-Verstärker 15 die Steuerspannung
Ust zugeführt.
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Dir Wirkungsweise dieser Anordnung ist nun folgende: Die dem Gleichrichter
2 entnommene Gleichspannung Ug ändert sich bekanntlich entsprechend den Änderungen
der unregelten Wechselspannung U",. Im gleichen Verhältnis ändert sich auch die
über den Spannungsteiler 5 dem Steuertransistor 7 zugeführte Teilspannung Ut. Wenn
infolge ansteigender Wechselspannung U", die Teilspannung Ut sich erhöht, so wächst
auch der über den Emitter 7 b, die Basis 7a
und den Spannungsteiler
5 fließende Teilstrom lt. Auf Grund der bekannten physikalischen Eigenschaften von
Transistoren wird auf der Strecke 7 b-7 c der Widerstand des Steuertransistors 7
mit wachsendem, über den Emitter 7 b und die Basis 7a fließenden Strom
kleiner: Wenn somit der Steuertransistor 7 als veränderlicher Widerstand wirkt,
während die mit ihm in Brückenschaltung angeordneten Widerstände 8,
9 und
10 Festwiderstände sind, dann sinkt bei kleiner werdendem Transistorwiderstand auch
die an den Anschlüssen 11 und 13 abgenommene Steuerspannung Ust, mit der der Transistor-Gleichstrom-Verstärker
15 gesteuert wird. In den Leitungen 12 und 14 fließt dann ein entsprechend schwächerer
Steuerstrom Ist über den Verstärker 15, welcher das eigentliche Regelteil verkörpert.
Infolgedessen wird auch ein schwächerer Ausgangsstrom an den Verbraucher 18 abgegeben,
der beispielsweise die Feldwicklung eines elektrischen Gleichstromerzeugers sein
möge. Wenn umgekehrt die ungeregelte Wechselspannung U", sinkt; so wird auch die
Teilspannung U, kleiner, im Steuertransistor 7 fließt dann ein kleinerer Teilstrom
lt über den Emitter 7 b und die Basis 7 a. Durch den dadurch sich
erhöhenden Widerstand des Steuertransistors 7 wächst die an den Anschlüssen 11 und
13 entstehende Steuerspannung Ust. Der über das Teil 15 an den Verbraucher 18 abgegebene
Ausgangsstrom wird verstärkt.
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Bei der vorbeschriebenen Schaltung kann man die Widerstände der Brücke
8, 9 und 10 so aufeinander abstimmen und auch den Steuertransistor 7 so bemessen,
daß das Potential zwischen Anschlußstelle 11 und Emitter 7 b nicht kleiner werden
kann als das Potential zwischen Anschlußstelle 13 und Emitter 7 b. Die Spannung
in den Leitungen 12 und 14 möge daher unter Umständen den Nullwert erreichen, aber
eine Umkehrung der Polarität wird verhindert.
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Dadurch - wird vermieden, daß der - Transistor-Gleichstrom-Verstärker
völlig abgeschaltet wird. Es kann dann auch ein Verbraucher 18 seinerseits keinen
zeitweilig selbstinduzierten Strom in den Transistor-Gleichstrom-Verstärker zurückschicken.
Eine etwaige Zerstörung des Transistor-Gleichstrom-Verstärkers infolge Umkehrung
der Polarität ist dann ausgeschlossen.
Nach der in Abb. 2 dargestellten
Anwendungsmöglichkeit des Erfindungsgedankens können die Widerstände 9 und 10 auch
entfallen. An der Gleichspannung U, liegt lediglich der Steuertransistor 7 mit dem
Festwiderstand 8 die unter sich genauso geschaltet sind, wie in Abb. 1 dargestellt;
jedoch ist hierbei die Leitung 14 am Anschlußpunkt 13 unmittelbar mit dem Emitter7b
verbunden. Bei dieser Schaltung liegt die Strecke Emitter 7b-Kollektor 7c des Steuertransistors
über die Leitungen 12 und 14 der Strecke Basis 17 a-Emitter 17b des zum Transistor-Gleichstrom-Verstärker
gehörenden Regeltransistors 17 parallel.
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Der Steuerstrom Ist wird kleiner, wenn der Widerstand des Steuertransistors
kleiner wird. Die Arbeitsweise ist die gleiche wie bei der Anordnung nach Abb.1:
Ferner zeigt Abb. 2 die wahlweise Anordnung einer Diode 6 zwischen Spannungsteiler
5 und Basis 7a des Steuertransistors 7. Sie ist in Sperrschaltung geschaltet, d.
h., ihre Anode liegt am Spannungsteiler 5 und die Kathode an der Basis 7a. Bei Erreichen
der Sperrspannung findet in. der Diode 6 der bekannte Durchschlag statt (Zener-Effekt),
und der Steuertransistor 7 beginnt zu arbeiten. Der kleine schon vorher auch in
Sperrichtung fließende Strom bewirkt die Widerstandsänderung im Steuertransistor
zwischen Emitter 7 b und Kollektor 7c, wenn auch in. sehr kleinen Grenzen, wodurch
die Steuerspaminung Ust mehr oder weniger beeinflußt wird. Wahlweise kann parallel
zur Diode 6 ein Widerstand 16 geschaltet werden, wie in Abb. 2 gestrichelt angedeutet
ist.
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Eine weitere Variante ist ferner gegeben, wenn an Stelle der Diode
6 der Widerstand 16 allein vorgesehen wird, was in den Abbildungen nicht besonders
dargestellt ist. Schließlich können Diode 6 und Widerstand 16 auch in Reihe geschaltet
sein. Ob für eine derartige Regeleinrichtung ein oder mehrere Transistoren 7 verwendet
werden, denen wahlweise eine oder mehrere Dioden 6 und gegebenenfalls auch Widerstände
16 vorgeschaltet sind, ändert nichts am Wesen der Erfindung.