DE1133804B - Regler fuer Wechselspannung mit steuerbarer Impedanz - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 21 c 67/70

INTERNATIONALE KL.

H 02 j; G 05 f

S55224VIHb/21c

ANMELDETAG: 23.<SEPTEMBER 1957

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIET: 26. JULI 1962

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsregler, der nicht sinusförmige Wechselspannung wahlweise auf konstante effektive Spannung oder auf konstante Mittelwertspannung oder auf konstante Spitzenspannung regelt.

Bekannte Spannungsregler weisen einen Kopplungskreis auf, der den Wechselstrom von einem Eingangsklemmenpaar auf ein mit einer Last zu verbindendes Ausgangsklemmenpaar überträgt und der eine durch Steuermittel beeinflußbare variable Impedanz zur Änderung der Ausgangsspannung umfaßt, wobei die Steuermittel, gegebenenfalls über einen Verstärker, mit einem von der Ausgangsspannung beeinflußten Meßkreis verbunden sind.

Die Meßkreise der bekannten Regler enthalten zur Herleitung einer Meßspannung eine Drosselspule oder einen Kondensator, und die dadurch erhaltene Meßspannung ist im Falle einer Drosselspule dem arithmetischen Mittelwert der Momentanspannungen bzw. im Falle eines Kondensators der Scheitelspannung proportional. Im Falle von sinusförmiger Spannung regeln solche Regler trotzdem auf konstante Effektivspannung, da diese der Durchschnittsspannung und der Scheitelspannung proportional ist. Werden jedoch, was oft der Fall ist, solche Regler zur indirekten Regelung einer Größe einer aus elektrischer Energie umgewandelten anderen Energieform benutzt, so vermögen solche Regler die betreffende Größe nicht auf einem Sollwert konstant zu halten, wenn diese Größe von der effektiven Spannung abhängt und die Sinusform der Spannung verzerrt wird. Wird beispielsweise ein Spannungsregler bisher bekannter Bauart zur Regelung der Helligkeit einer Glühlampe für photographische, photometrische oder dergleichen Zwecke benutzt, so zeigt die Glühlampe Helligkeitsschwankungen bei Verzerrung der Sinusform der Wechselspannung, die der Regler nicht auszugleichen vermag.

Bekannte Regler weisen eine Fadendiode auf zur Gewinnung einer konstanten Spannung, mit der die Meßspannung verglichen wird, wobei die Summe oder Differenz der beiden Spannungen gegebenenfalls über einen Verstärker als Steuerspannung auf ein Stellglied gegeben wird, beispielsweise auf die Steuerwicklung einer sättigbaren Drossel. Eine solche Fadendiode, wie auch Verstärkerröhren, weist einen Glaskolben auf mit Hochvakuum und mit geheiztem Faden, welche Teile leicht zerbrechlich sind und eine nur beschränkte Lebensdauer aufweisen.

Der erfindungsgemäße Spannungsregler will die genannten Nachteile vermeiden.

Die Erfindung betrifft einen Spannungsregler der genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß Regler für Wechselspannung
mit steuerbarer Impedanz

Anmelder:

Fa. Sorensen Ardag, Zürich (Schweiz)

Vertreter: R. Lindenau, Patentanwalt,
Oldenburg (Oldbg.), Bergstr. 17

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. September 1956 (Nr. 611 638)

Paul J. Gallagher, Mamaroneck, N. Y.,

und James S. Comins, Springdale, Conn. (V. St. Α.), sind als Erfinder genannt worden

der Meßkreis eine Anzahl je einen von mehreren Zweigen des Meßkreises beherrschender Halbleitergleichrichter aufweist, deren jeder mit einer Vorspannungsquelle derart zusammengeschaltet ist, daß

as er den Stromdurchgang erst oberhalb je eines bestimmten Schwellenwertes der Ausgangsspannung freigibt, wobei diese Schwellenwerte der Ausgangsspannung derart aufeinander abgestimmt sind, daß durch den Meßkreis ein mit der Ausgangsspannung nicht linear, vorzugsweise annähernd quadratisch, zunehmender Strom fließt, der eine Spannung an einem Widerstand hervorruft, welche gegebenenfalls über einen Verstärker auf ein Stellglied wirkt, so daß dieses auch bei nicht sinusförmiger Ausgangsspannung von den Änderungen des Effektivwertes der Ausgangsspannung abhängige Änderungen der variablen Impedanz bewirkt.

Zweckmäßigerweise wird der erfindungsgemäße Regler mit einem zweiten Meßkreis, der eine mit einem Widerstand in Serie geschaltete Drossel zur Erzeugung eines vom Mittelwert der Ausgangsspannung abhängigen Meßspannung aufweist, und einem dritten Meßkreis, der einen mit einem Entladungswiderstand in Serie geschalteten Kondensator zur Erzeugung einer vom Scheitelwert der Ausgangsspannung abhängigen Meßspannung enthält, sowie mit Umschaltmitteln ausgerüstet, so daß der Regler je nach Bedarf wahlweise auf konstanten Effektivwert oder konstanten Mittelwert oder konstanten Scheitelwert der Ausgangsspannung regeln kann.

Der erfindungsgemäße Regler vermeidet zerbrechliche und abnutzbare Teile mit Glaskolben und Heiz-

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faden und gestattet an Stelle einer Fadendiode eine Zenerdiode und an Stelle eines Röhrenverstärkers einen Transistorverstärker zu verwenden, wodurch eine sehr kompakte und robuste Bauweise mit reduzierten Außenabmessungen möglich ist.

Weitere Merkmale der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der Zeichnung ersichtlich.

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm der Schaltung des Spannungsreglers,

Fig. 2 ein schematisches Diagramm der Schaltung eines Transistorverstärkers, welcher zwischen dem Meßkreis und der sättigbaren Drosselspule eingesetzt ist, und

sehen dem Leiter 27 und Leiter 36 ist ein Widerstand 38 eingesetzt, welcher das einzige Widerstandselement bildet, in welchem ein Strom für kleinere Spannungen als die Spannung im Verbindungspunkt V-I fließt.

Der Eingangskreis des Verstärkers 37 umfaßt eine Kristalldiode 40, welche in umgekehrter Weise wie üblich in den Kreis eingebaut ist. Solche Dioden sind unter der Bezeichnung »Zener«-Dioden bekannt und ίο weisen die Eigenschaft auf, daß sie nur dann Strom durchlassen, wenn die Spannung größer ist als die »Zener«-Spannung in der umgekehrten Richtung. Die Diode 40 ist durch eine Gleichspannungsquelle 41 vorgespannt, welche mit dem Widerstand 42 in

Fig. 3 eine graphische Darstellung, welche zeigt, 15 Serie geschaltet ist. Der Verstärker 37 ist ein Gleichwie die kombinierte Charakteristik der Kristalldioden Stromverstärker, dessen Ausgang direkt mit der ein zum effektiven Spannungswert der Spannung pro- Steuerwicklung 25 der sättigbaren Drosselspule 10 portionales Verhältnis ergibt. verbunden ist.

In der Zeichnung ist in der Fig. 1 die übliche An- Die Arbeitsweise der beschriebenen Einrichtung ist

Ordnung einer sättigbaren Drosselspule 10 in Verbin- 20 die folgende: Wenn der Kreis stabilisiert ist und die dung mit einem Spartransformator 11 dargestellt. Die richtige Spannung zur Last 24 liefert, so wird dem Wechselstromklemmen sind mit 12 und 13 bezeich- Diodenkreis von der Brücke 26 gleichgerichteter Strom net, und die Arbeitswicklungen 14 und 15 der sättig- zugeführt, so daß etwa die Hälfte der Dioden vom baren Drosselspule sind mit der Wicklung 16 eines Strom durchflossen wird. Das Spannungs-Stromver-Spartransformators in Serie geschaltet. Da die sättig- 25 hältnis ist in der Fig. 3 dargestellt, in welcher die bare Drosselspule eine Verzerrung der Wellenform Linie 43 den Stromverlauf durch den Widerstand 38 bewirkt, werden Resonanzkreise parallel zur Wick- veranschaulicht. Übersteigt die Spannung diejenige lung 16 geschaltet, um die erzeugten höheren Hanno- im Punkt V-I, so fließt zusätzlicher Strom durch die nischen zu absorbieren. Auf die dritte Harmonische Diode 30 und den Widerstand 38, wobei der zusätzder Eingangsfrequenz sind eine Drosselspule 17 und 30 liehe Strom durch die Linie 44 der Fig. 3 dargestellt ein Kondensator 18 abgestimmt, während eine Dros- ist. Übersteigt die Spannung diejenige im Punkt V-2, seispule 20 und ein Kondensator 21 in Resonanz zur so fließt Strom durch die vorhin erwähnten Kompofünften Harmonischen abgestimmt sind. Ausgangs- nenten und durch die Diode 31, welcher Strom durch klemmen 22 und 23 sind an die eine Seite des Spar- die Linie 45 der Fig. 3 dargestellt ist. In ähnlicher transformators 11 und an die eine Seite der sättig- 35 Weise erzeugen Spannungen, welche die Spannung im baren Drosselspule 10 angeschlossen. Ein Belastungs- Punkt V-3 übersteigen, eine Strom-Spannungs-Chawiderstand 24 ist an die Klemmen 22 und 23 ange- rakteristik, welche durch die Linie 46 dargestellt ist, schlossen. Zweckmäßigerweise weist die sättigbare und, falls die Spannung diejenige im Punkt V-4 je Drosselspule 10 einen üblichen dreischenkligen Kern übersteigt, eine Spannung, für welche der resultierende auf, wobei die beiden äußeren Schenkel mit Arbeits- 40 Strom durch die Linie 47 dargestellt ist. Wicklungen 14 und 15 und der mittlere Schenkel mit Die Kombination der Linien 43 bis 47 ergibt ein

einer Gleichstromsteuerwicklung 25 versehen ist. quadratisches Verhältnis zwischen dem Strom und

Am Eingang des Spannungsmeßkreises ist an den der Spannung, welche zwischen den Leitern 27 und 36 Belastungsklemmen 22 und 23 eine Gleichrichter- erscheinen. Es soll bemerkt werden, daß die Spanbrücke 26 vorgesehen, welche vier Kristalldioden in 45 nung, welche diesen zwei Leitern zugeführt ist, aus Grätzschaltung aufweist. Der durch diese Brücke er- einer Serie gleichgerichteter Impulse besteht, welche zeugte Gleichstrom ist über Leitungen 27 und 28 an Impulse alle die Harmonischen und Wellenformver-Kristalldioden 30, 31, 32 und 33 angelegt, welche un- zerrung der der Last 24 zugeführten Spannung auftereinander in Serie geschaltet sind, wobei jede Diode weisen, da in diesem Teil des Kreises keine Filterdurch einen separaten Spannungsteiler vorgespannt 5° elemente vorhanden sind und der Kondensator 35 geist. Die Spannungsteiler sind untereinander parallel nügend groß ist, um die Impulse ohne Änderung der geschaltet und erhalten ihre elektrische Energie von Wellenform durchzulassen.

einer Gleichspannungsquelle 34. Die Spannungsteiler Der Strom vom Diodennetz fließt durch den Widersind so angeordnet, daß jede Diode mit etwas höherer stand 39 und erzeugt eine Gleichspannung. Die Span-Spannung vorgespannt ist als die vorangehende Diode, 55 nung über dem Widerstand 39 ist mit der Spannung wobei von der positiven Klemme ausgegangen wird. über der »Zener«-Diode 40 in Serie geschaltet, was So wird z. B. der Verbindungspunkt V-I etwa 5 Volt bewirkt, daß die Differenz zwischen den beiden Spanhöher, V-2 etwa 10 Volt höher, V-3 etwa 15 Volt nungen dem Verstärker 37 zugeführt wird. Diese Dif- und V-4 etwa 20 Volt höher vorgespannt. In dieser ferenz- oder Fehlspannung wird verstärkt und der Weise wird eine Spannungsverteilung für einen Span- 60 Steuerwicklung 25 zugeführt, um die effektive Ausnungsregler erreicht, welcher normalerweise eine Last- gangsspannung konstant zu halten, spannung von 15 Volt liefert. Ein Kondensator 35 ist Die beschriebene Anordnung bezweckt die Kon-

zwischen der negativen Klemme der Brücke und dem stanthaltung des effektiven Spannungswertes an den Leiter 36 des Prüfkreises eingesetzt, um sämtliche Ausgangsklemmen. Falls an den· Ausgangsklemmen Wechselstromkomponenten in diesem Teil des Kreises 65 eine konstante Durchschnittsspannung erzielt werden durchzulassen, so daß im Widerstand 39 hauptsäch- soll, so werden die Schalter 50, 50 a so verstellt, daß lieh Gleichstrom verbleibt. Dieser Kreis liefert somit seine Kontaktarme mit den Kontakten 51, 51a in eine reine Gleichspannung an den Verstärker 37. Zwi- Berührung kommen. Der gleichgerichtete Strom der

Brücke 26 wird in der Drosselspule 53 und Widerstand 54 geglättet, und zwar ohne den Überbrückungskondensator 35 und die Wirkungen des Diodenkreises. Die Arbeitsweise dieses Kreises ist im wesentlichen gleich wie beschrieben, mit der Ausnahme, daß die Durchschnittsspannung geprüft wird und die Regelung diese Durchschnittsspannung konstant hält.

Falls an den Ausgangsklemmen eine Spitzenspannung konstant gehalten werden soll, werden die Schalter 50, 50 a so gestellt, daß die beiden Arme mit den dritten Kontakten 55, 55 a in Verbindung kommen. Diese Kontakte liegen an einem aufladbaren Kondensator 56, welcher mit dem Brückengleichrichter 26 in Verbindung steht, wobei die Entladung langsam über einen hohen Widerstands? erfolgt. Das Ergebnis ist eine Gleichspannung über den Widerstand 39, welche mit der Durchschnittsspannungsspitze an beiden Hälften der Ausgangsquelle proportional ist. Es wurde gefunden, daß für eine 60-Hz-Spannung eine Zeitkonstante von 250 Millisekunden für das RC-Glied 56, 57 einen guten praktischen Wert darstellt. Da die Brücke 26 als Zweiweggleichrichter ausgebildet ist, erreicht man mit der beschriebenen Anordnung einen Mittelwert von beiden Hälften der Wechselstromwelle. Es ist auch möglich, durch Umstellung der Brücke auf Einweggleichrichtung Spannungswerte von nur einer Hälfte der Welle zu prüfen.

Der in der Fig. 2 gezeigte Verstärker ist ein üblicher Fünfstufentransistorverstärker, welcher Eingangsklemmen 60, 61 und Ausgangsklemmen 62, 63 aufweist. Mit der Ausgangsklemme 62 ist eine Spannungsquelle 64 in Serie geschaltet, welche drei der Emitterelektroden mit positivem Potential speist. Eine zweite Spannungsquelle 65 versorgt die Emitterelektroden der beiden NPN-Transistorstufen mit negativem Potential.

Die Batterie 41, welche mit dem Widerstand 42 in Serie geschaltet ist, spannt die »Zener«-Diode 40 vor, so daß diese am steilen Teil ihrer Kennlinie arbeitet. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß eine zehnprozentige positive oder negative Änderung des Stromes die Spannung weniger als 0,1 % ändert, und somit arbeitet diese als eine wirksame konstante Spannungskreiskomponente. An Stelle der »Zener«-Diode könnte auch eine Spannungsquelle, z. B. ein Zellenakkumulator od. dgl. mit konstanten Spannungskomponenten gebraucht werden.

Die beschriebene Einrichtung ermöglicht die Lieferung einer konstanten Wechselspannung an die Lastklemmen 22, 23 auch dann, wenn sowohl die Last als auch die Eingangsquelle variieren. Diese Änderungen können ziemlich bedeutend sein, und es wurde gefunden, daß die Größe der Änderungen durch das Einfügen eines zusätzlichen Kompensationskreises erhöht werden kann. Dieser Kompensationskreis umfaßt einen Stromwandler 68 mit Primärwicklung 67 und Sekundärwicklung 70. Die Primärwicklung 67 ist mit den Wicklungen 14 und 15 der sättigbaren Drosselspule 10 in Serie geschaltet. Die Sekundärwicklung 70 ist mit den entgegengesetzten Punkten einer Gleichrichterbrücke 71 verbunden, deren beide andere Punkte mit einer zweiten Steuerwicklung 72 in Verbindung stehen, welche am zentralen Teil der sättigbaren Drosselspule 10 neben der ersten Steuerwicklung 25 angeordnet ist.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Einrichtung ist die folgende: Wenn der Widerstand der Last 24 sinkt, so wird dadurch eine Erhöhung des Laststromes erzeugt, wobei der Strom durch die Wicklung 67 und der Gleichstrom durch die Wicklung 72 steigt. Dabei wird die Sättigung des Kernes der sättigbaren Drosselspule 10 erhöht und die Induktivität der Wicklungen 14 und 15 herabgesetzt. Dieser Vorgang erhöht die Spannung an den Klemmen 22 und 23 und kompensiert den zusätzlichen Strom. Änderungen der Eingangspannung erzeugen ähnliche Änderungen in den Steuerwicklungen 72 und 25 und kompensieren die Änderungen in der Ausgangsspannung.

Durch die Verwendung von zwei Meßkreisen wird nicht nur der Bereich der Spannungskompensation erweitert, sondern auch die Nachholzeit wesentlich reduziert. Da die Nachholzeit primär vom Strom in den Wicklungen 72 und 25 abhängt, bedeutet die Verwendung von zwei Kreisen auch eine schnellere Arbeitsweise.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Regler für Wechselspannung mit einem Kopplungskreis zur Übertragung von Wechselstrom von einem Eingangsklemmenpaar nach einem mit einer Last in Verbindung stehenden Ausgangsklemmenpaar, welcher Kopplungskreis eine durch Steuerungsmittel beeinflußbare variable Impedanz zur Änderung der Ausgangsspannung umfaßt, wobei die genannten Steuerungsmittel, gegebenenfalls über einen Verstärker, mit einem von der Ausgangsspannung beeinflußten Meßkreis verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Meßkreis (22, 27, 38, 30, 36, 39, 28, 23) eine Anzahl je einen von mehreren Zweigen des Meßkreises beherrschender Halbleitergleichrichter (30 bis 33) aufweist, deren jeder mit einer Vorspannungsquelle (34) derart zusammengeschaltet ist, daß er den Stromdurchgang erst oberhalb je eines bestimmten Schwellenwertes (F-I bis V-4 gemäß Fig. 3) der Ausgangsspannung freigibt, wobei diese Schwellenwerte der Ausgangsspannung derart aufeinander abgestimmt sind, daß durch den Meßkreis ein mit der Ausgangsspannung nicht linear, vorzugsweise annähernd quadratisch zunehmender Strom fließt, der eine Spannung an einem Widerstand (39) hervorruft, welche gegebenenfalls über einen Verstärker (37) auf ein Stellglied (25) wirkt, so daß dieses von den Änderungen des Eflektivwertes der Ausgangsspannung abhängige Änderungen der variablen Impedanz (14,15) bewirkt.

2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkreis eine Gleichrichteranordnung (26) enthält, welche die Ausgangswechselspannung in eine Reihe von gleichgerichteten Spannungsimpulsen umwandelt.

3. Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem im Meßkreis liegenden Widerstand (39) ein eine Bezugsspannung bestimmendes Glied (40) derart zusammengeschaltet ist, daß auf das Stellglied (25) bzw. den Verstärker (37) die Differenz zwischen der Spannung über dem genannten Widerstand und der Bezugsspannung wirkt.

4. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen zweiten von der Ausgangsspannung beeinflußbaren Meßkreis (27, 51, 53, 36, 39, 28), welcher eine mit einem Widerstand (54) in Serie geschaltete

Drosselspule (53) enthält und eine vom Mittelwert (arithmetisches Mittel der absoluten Momentanwerte) der Ausgangsspannung abhängige Spannung hervorzurufen erlaubt, und durch Schaltmittel (50), mittels welcher wahlweise der Meßkreis (27, 38, 30, 36, 39, 28) für den Effektivwert oder der Meßkreis (27, 51, 53, 54, 36, 39, 28) für den Mittelwert der Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsklemmen (22, 23) des Reglers bzw. denjenigen (27, 28) des Gleichrichters (26) und dem Stellglied (25) bzw. dem Verstärker (37) derart anschließbar ist, daß die genannte von der Ausgangsspannung hervorgerufene Spannung auf das Stellglied wirkt.

5. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen weiteren von der Ausgangsspannung beeinflußbaren Meßkreis (27, 55, 57, 56, 36, 39, 28), welcher einen mit einem Entladungswiderstand (57) in Serie ge-

schalteten Kondensator (56) enthält und eine vom Spitzenwert der Ausgangsspannung abhängige Spannung hervorzurufen erlaubt, und durch Schaltmittel (50), mittels welcher wahlweise der Meßkreis (27, 38, 30, 36, 39, 28) für den Effektivwert oder der Meßkreis (27, 55, 56, 57, 36, 39, 28) für den Spitzenwert oder gegebenenfalls der Meßkreis (27, 51, 53, 54, 36, 39, 28) für den Mittelwert der Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsklemmen (22, 23) des Reglers bzw. denjenigen (27, 28) des Gleichrichters (26) und dem Stellglied (25) bzw. dem Verstärker (37) derart anschließbar ist, daß die genannte von der Ausgangsspannung hervorgerutene Spannung auf das Stellglied wirkt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 916 542, 969 521;
französische Patentschrift Nr. 902 252.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen