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Elektromagnetischer Spannungskonstanthalter mit einem ersten und einem
zweiten Transformator Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Spannungskonstanthalter
mit einem ersten und einem zweiten Transformator. Er dient dazu, bei schwankender
Eingangsspannung eine im wesentlichen konstante Ausgangsspannung abzugeben.
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Es ist bekannt, für diese Zwecke eine ungesättigte und eine gesättigte
Drosselspule hintereinanderzuschalten und dieser einen Kondensator parallel zu schalten,
der sie zu einem auf die Netzfrequenz abgestimmten Parallelresonanzkreis zu ergänzt.
Bei geeigneter Dimensionierung einer solchen Schaltungsanordnung läßt sich an dem
Parallelresonanzkreis eine über einen gewissen Bereich etwa konstante Spannung abgreifen,
auch wenn die an die Reihenschaltung der ungesättigten Drosselspule mit dem Parallelresonanzkreis
gelegte Netzspannung schwankt.
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Bei einem weiteren bekannten Spannungsregler wird ein Transformator
benutzt, der außer der Sekundärwicklung eine auf die Netzfrequenz abgestimmte Zwischenwicklung
aufweist, die nicht mit dem ganzen von der Primärwicklung erzeugten Fluß verkettet
ist. Ein Teil der an dieser Zwischenwicklung auftretenden Spannung wird zum Zwecke
der Konstanthaltung der Verbraucherspannung mit der eigentlichen Sekundärspannung
in Reihe geschaltet und auf diese Weise eine konstante Verbraucherspannung gewonnen.
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Es sind ferner Spannungskonstanthalter bekannt, bei denen zwei Transformatoren
verwendet werden. Hierbei werden jeweils die Sekundärwicklungen gegensinnig in Reihe
geschaltet. Diese bekannten Anordnungen dienen vor allem der Verminderung der Frequenzabhängigkeit
der Regelung.
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Erfindungsgemäß können wesentlich größere Spannungsschwankungen als
bei den bekannten Einrichtungen dadurch ausgeglichen werden, daß der erste Transformator
außer einem ersten Magnetkern mit einer ersten Primärwicklung eine erste, zweite
und dritte Sekundärwicklung besitzt, daß der zweite Transformator außer einem zweiten
Magnetkern mit einer zweiten Primärwicklung eine vierte Sekundärwicklung aufweist,
daß die vierte Sekundärwicklung parallel zur ersten Primärwicklung geschaltet ist,
daß ein kapazitiver Rückkopplungskreis mit einem Kondensator, der in Serie mit der
ersten und zweiten Sekundärwicklung und mit der ersten Primärwicklung geschaltet
ist, einen gesehlossenen Stromkreis bildet, in dem die Resonanzbedingung erfüllt
ist, und daß die dritte Sekundärwicklung, die erste Sekundärwicklung und die zweite
Primärwicklung hintereinandergeschaltet den Ausgangskreis ergeben.
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Der erfindungsgemäße Spannungskonstanthalter hat den Vorteil, nicht
nur einen großen Regelbereich aufzuweisen, wie er bisher nur mit elektronischen
Spannungskonstanthaltern erreichbar war, sondern er ist auch äußerst widerstandsfähig..
Er ist einfach, im Aufbau gedrängt und läßt sich billig herstellen.
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Es zeigt Fig. 1 das Schaltbild eines Spannungskonstanthalters, der
als Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben wird, Fig.2 den Verdrahtungsplan
des Spannungskonstanthalters, aus welchem die allgemeine Anordnung der Magnetkerne
und Wicklungen ersichtlich ist, Fig. 3 das vereinfachte Schaltbild des Spannungskonstanthalters,
Fig. 4 eine Ansicht eines Transformators, wie solche bei dem Spannungskonstanthalter
verwendet werden, Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 4, Fig.
6 bis 13 Vektordiagramme, aus welchen sich die Wirkungsweise des Spannungskonstanthalters
ergibt.
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Dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Spannungskonstanthalter 10 wird
die konstant zu haltende Spannung am Eingang 16, 18 zugeführt. Die konstant gehaltene
Ausgangsspannung steht am Ausgang 12, 14 zur Verfügung.
Der Eingang
16, 18 kann die Form eines normalen Netzsteckers 20 und der Ausgang
12, 14 die Form einer Steckdose 22 haben.
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Der erfindungsgemäße Spannungskonstanthalter ist sehr vielseitig zu
verwenden, da er sowohl für gebräuchliche als auch davon abweichende Spannungen
und Frequenzen ausgelegt werden kann.
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Der erste Transformator 24 weist einen lamellierten Kern 28 auf (s.
Fig. 4). Er kann in vielfältiger Weise ausgebildet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
hat er die Form eines Mantelkerns. Auf dem Schenkel 30 des Kerns 28 sind sämtliche
Wicklungen, nämlich die Primärwicklung P1 nahe seinem einen Ende und ferner die
drei Sekundärwicklungen S1, S2 und S3 angebracht. Von diesen ist die erste Sekundärwicklung
S 1 am äußersten Ende des Schenkels 30 unmittelbar neben der Primärwicklung P 1
und die zweite sowie die dritte Sekundärwicklung S 2 und S 3 auf der anderen Seite
der Primärwicklung P 1 angebracht. Der Schenkel 30 wird durch den rechteckigen lamellierten
Ring 32 zu dem Mantelkern 28 ergänzt.
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Die Enden des Schenkels 30 sind derart ausgebildet, daß die Stoßstellen
34 und 36 verminderte Querschnitte aufweisen und das Kernmaterial an diesen Stellen
leicht gesättigt werden kann.
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Damit die zweite Sekundärwicklung S2 eine hohe Streureaktanz erhält,
sind zwischen der Primärwicklung P 1 und der zweiten Sekundärwicklung S 2 magnetische
Nebenschlüsse 38 auf dem Kern 28 vorgesehen. Im vorliegenden Fall weisen die Nebenschlüsse
38 die Form von Vorsprüngen auf, die sich vom Ring 32 aus nach innen bis in die
unmittelbare Nähe des Schenkels 30 zu erstrecken. -In ähnlicher Weise sind magnetische
Nebenschlüsse 40 zwischen der zweiten und der dritten Sekundärwicklung S.2 und S3
vorgesehen, . damit die dritte Sekundärwicklung S3 eine besonders hohe Streureaktanz
erhält; und die beiden Nebenschlüsse 38 und 40 zwischen der Primärwicklung
P 1 und der dritten Sekundärwicklung S3 angeordnet und die Nebenschlüsse
40 etwas -breiter gehalten als die Nebenschlüsse 38, so daß sie eine größere magnetische
Nebenschlüßwirkung ergeben.
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Aus Fig. 2 läßt sich entnehmen; daß der zweite Transformator einen
Magnetkern 42 besitzt, der ähnlich aufgebaut ist wie der Kern des ersten Transformators
24. So weist der Kern 42 einen längs verlaufenden Schenkel 44 auf, der sich innerhalb
- eines langgestreckten rechteckigen Ringes 46 erstreckt. Die Enden des Schenkels
44 sind wiederum derartig ausgebildet, daß die Stoßstellen 48 bis 50 leicht
zu sättigen sind.
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Der zweite Transformator 26 besitzt. eine zweite Primärwicklung P
2 und eine vierte Sekundärwicklung S4, die beide auf dem Schenkel 44, und zwar an
gegenüberliegenden Enden, vorgesehen sind. Zwischen der Sekundärwicklung S4 und
der Primärwicklung P 2 sind magnetische Nebenschlüsse 52 vorgesehen, um zu erreichen,
daß die Sekundärwicklung S 4 eine hohe Streureaktanz hat.
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Die Schaltung der Primär- und Sekundärwicklung ist vielfältig abwandelbar,
Bei der dargestellten Anordnung sind die ersten und zweiten Primärwicklungen P 1
und P 2 des ersten Transformators 24 und des zweiten Transformators 26 hintereinandergeschaltet
und über Leitungen 54 und 58 an den Eingang 16, 18 gelegt. Die Sekundärwicklung
S4 auf dem zweiten Transformator 26 dient dazu, elektrische . Energie nach der Primärwicklung
P 1 auf dem ersten Transformator 24 zu liefern. Hierzu ist die SekundärwicklungS4
unmittelbar mit der ersten Primärwicklung P 1 verbunden.
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Bei der dargestellten Anordnung ist der Punkt 14 des zweiten Ausgangs
unmittelbar mit dem Punkt 18 des zweiten Eingangs über eine Leitung 60 verbunden,
die an die Leitung 58 anschließt. Der Punkt 16 des Eingangs ist mit dem Punkt
12 des Ausgangs über eine Serienschaltung aus der Leitung 54, der ersten
Primärwicklung P 1, der ersten Sekundärwicklung S1, einer Leitung 62, der dritten
Sekundärwicklung S 3 und einer Leitung 64 verbunden. Ein Ende der ersten Sekundärwicklung
S 1 liegt also an der Verbindung Primärwicklung P 1 mit der zweiten Primärwicklung
P 2.
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Der Spannungskonstanthalter 10 weist ferner einen Speisestromkreis
auf, der aus dem Kondensator C 1 und der zweiten Sekundärwicklung S2 besteht. Im
vorliegenden Fall ist der kapazitive Speisestromkreis zwischen die Verbindungsleitung
62 und den Punkt 16 des Eingangs geschaltet. Der Strom im Speisestromkreis rührt
von den Spannungen an der ersten Primärwicklung P 1 und der ersten Sekundärwicklung
S2 ebenso wie der Spannung an der zweiten Sekundärwicklung S2 her. Die Ausgangsspannung
an der dritten Sekundärwicklung S3 hat ebenfalls eine Wirkung auf den über den Kondensator
C 1 fließenden Strom.
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Um die Regelung und die Wellenform der Ausgangsspannung zu verbessern,
ist ein zweiter Kondensator C 2 parallel zum Ausgang 12, 14 geschaltet.
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In Fig. 1 und 2 ist 66 eine Sicherung und 68 ein in Serie mit der
Leitung 54 liegender Schalter 68. 70 ist eine Kontrollampe in Form einer mit einem
Vorwiderstand 72 versehenen Glimmlampe. Das Voltmeter 74 zeigt die Eingangsspannung
an. Das zweite Voltmeter 76 die Ausgangsspannung.
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Wie die Fig.1 zeigt, sind die Primärwicklungen P 1 und P 2 sowie die
Sekundärwicklungen S 1 und S 4 jeweils mit mehreren Anzapfungen versehen, die an
Stufenschalter 78, 80, 82 bzw. 84 gelegt sind. Sie dienen dazu, die gewünschte Ausgangsspannung
einzustellen und Änderungen in der Ausgangsbelastung zu kompensieren.
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Die in Fig.2 eingezeichneten Pfeile deuten den Wickelsinn der verschiedenen
Wicklungen an. In der folgenden Tabelle sind die Windungszahlen für die Wicklungen
eines Ausführungsbeispiels angegeben, das für eine Verbraucherleistung von 100 Watt
ausgelegt ist, wobei die geregelte Ausgangsspannung bei 112 Volt lag:
| Wicklung 1 Windungszahl 1 Arbeitsspannung 1 Strom (Amp.) |
| P 1 450 85 2,74 |
| S1 197 68 0,84 |
| S2 1035 410 1,61 |
| S3 1035 115 0,805 |
| P2 750 83,5 1,1 |
| S4 765 85 0,80 |
| C1 - 555 1,61 |
Bei diesem Ausführungsbeispiel hatten die Spannungen an den Wicklungen S4 und P2
eine Phasendifferenz von ungefähr 110°, während der Phasenwinkel zwischen den Spannungen
an P 1 und S 1
1801 betrug. Der Kondensator C 1 hatte eine Kapazität
von 7 #tF und der Kondensator C2 von 4,75 #tF.
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Die nachfolgende Tabelle zeigt die Regelwirkung, die mit dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel erreicht wurde.
| Eingangsspannung Geregelte Ausgangsspannung |
| Volt Volt |
| 95 104 |
| 100 108 |
| 110 111 |
| 120 113 |
| 130 114 |
| 140 114 |
| 150 113 |
| 160 112 |
| 170 110 |
| 180 108 |
| 190 105 |
| 200 103 |
Es bereitet einige Schwierigkeiten, eine kurze Erklärung dafür zu geben, wie der
Regler arbeitet, um eine im wesentlichen konstante Ausgangsspannung beizubehalten,
wenn die Eingangsspannung geändert wird. Es wird aber angenommen, daß für die Regelung
mehrere Ursachen in Frage kommen. Einer der Gründe ist die Art, in welcher der zweite
Transformator
26 Leistung an den ersten Transformator
24
über die Sekundärwicklung
S4 zurückliefert. Ein anderer Grund wird in der Art gesehen, in welcher der erste
Kondensator voreilenden Strom zurück zum Eingang der Wicklungen P 1, S 1 und S2
liefert. Ein weiterer Grund ist die hohe Streureaktanz der Sekundärwicklungen S2,
S3 und S4. Außerdem ist noch der veränderliche magnetische Widerstand an den Sättigungsverbindungen
34, 36, 48 und 50 am Ende der Schenkel der Transformatoren zu berücksichtigen.
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Es wird angenommen, daß die Voraussetzungen für eine Resonanz oder
eine ungefähre Resonanz in dem kapazitiven Rückkopplungskreis vorhanden sind. Dies
ist augenscheinlich nach den hohen Spannungen an den Kondensatoren C 1 und der Sekundärwicklung
S2 der Fall. Diese hohen Spannungen zeigen an, daß die kapazitive Reaktanz des Kondensators
C1 und die induktive Reaktanz der Wicklung S2 einander weitgehend aufheben, so daß
ein verhältnismäßig großer Strom über den Rückkopplungskondensator C 1 fließen kann.
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Die Resonanzbedingungen des Kondensatorkreises sind in den Vektordiagrammen
in Fig. 6 bis 13 veranschaulicht. Diese Diagramme basieren zum Teil auf der Tatsache,
daß die Ausgangsspannung die vektorielle Summe der Eingangsspannung und der Spannungen
an C1, S2 und S3 ist. Die Fig. 9 bis 13 zeigen die vektorielle Addition für einige
unterschiedlich große Eingangsspannungen. In diesen Diagrammen liegt der Vektor
der Eingangsspannung waagerecht und ist der Summenvektor der Einzelspannungen an
C 1, S 2 und S 3 (V c 1, VS 2 + VS 3 gemäß den Fig. 6 bis 8) mit Vc 1 + VS
2 + VS ,3 bezeichnet.
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Aus Fig. 9 bis 13 geht hervor, daß der Vektor, der die Summe der Spannungen
C 1, S 2 und S 3 darstellt, mit wachsender Eingangsspannung zunimmt. Tatsächlich
wächst dieser Vektor etwas schneller an als die zunehmende Spannung. Mit zunehmender
Eingangsspannung verschwenkt der Vektor sich in seiner Winkellage, um so die Ausgangsspannung
im wesentlichen konstant zu halten.
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Die Vektordiagramme in Fig. 6,7 und 8 sind deswegen dargestellt worden,
um das Verschwenken und den raschen Anstieg der Vektoren und das schnelle Zunehmen
des Vektors zu erklären, der die Summe der Spannungen an C1, S
2 und S 3 wiedergibt. Diese Diagramme basieren auf der Beobachtung, daß
der letzterwähnte Vektor die Summe der Vektoren bildet, welche die Spannungen an
C 1 und die Summe der Spannungen an S2 und S3 darstellen. In den Diagrammen in Fig.
6, 7 und 8 sind aufeinanderfolgend steigende Eingangsspannungen von 100, 120 und
140 Volt zugrunde gelegt worden. Es läßt sich erkennen, daß sowohl der Vektor VC
1 als auch der Vektor VS 2 + VS 3 zunehmen, wenn die Eingangsspannung ansteigt,
daß aber die Zunahme von Vc 1
etwas rascher erfolgt, mit dem Ergebnis, daß
der Vektor VC 1 + (VS 2 + VS 3) in winkeliger Lage verschwenkt und in der Größe
stark zunimmt.
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Es hat sich gezeigt, daß die Regelung des erfindungsgemäßen Spannungskonstanthalters
sehr rasch erfolgt, so daß die Ausgangsspannung innerhalb von zwei oder drei Perioden
des Wechselstromes nach jeglicher Änderung der Eingangsspannung wieder völlig stabilisiert
ist.
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Eine überraschende und vorteilhafte Eigenschaft des erfindungsgemäßen
Spannungsgleichhalters ist seine Kurzschlußsicherheit. Das heißt, sein Ausgang kann
kurzgeschlossen werden, ohne daß Beschädigungen entstehen oder ein Überstrom im
Eingangs-oder Ausgangskreis auftritt. Dieser Effekt ist vor allem der hohen Streureaktanz
der Sekundärwicklung S3 zuzuschreiben.