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Elektronischer Gleichstromstabilisator Die Erfindung betrifft einen
Gleichstromstabilisator und insbesondere eine Schaltungsanordnung, die einen negativen
dynamischen Widerstand besitzt und theoretisch unbegrenztes Konstanthalten des Stromes
ermöglicht. Dieser Stabilisator kann besonders für die Stromversorgung solcher Geräte
benutzt werden, die höchstes Konstanthalten des Stromes benötigen, wie z. B. für
magnetische Linsen eines Elektronenmikroskops, Massenspektrographen usw.
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Die bisher bekannten Gleichstromstabilisatoren benutzen meistens die
gut bekannten Schaltungen mit Gegenkopplung. Bei diesen Stabilisatoren ist ein Normalwiderstand
R in Reihe mit dem Belastungswiderstand eingeschaltet. Der am Normalwiderstand R
auftretende Spannungsabfall wird durch eine Kompensationsbatterie ausgeglichen.
Die Differenzspannungsänderungen werden über einen Verstärker an das Steuergitter
einer Röhre zugeführt, die in Reihe mit dem Belastungswiderstand eingeschaltet ist.
Das Konstanthalten des Stromes ist jedoch von der Verstärkung in dem Rückkopplungskreis
abhängig, was der Grund für verschiedene Nachteile der Stromstabilisatoren ist.
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Es ist nicht schwierig, einen Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor
zu entwerfen, obwohl dabei Schwierigkeiten hervorgerufen werden, unregelmäßige Schwankungen
des Ausgangsstromes, die im Rückkopplungskreis entstehen, zu verhüten. Diese Schwierigkeiten
können durch Zerhacken der Spannung vor der Verstärkung überwunden werden, was aber
wiederum andere Nachteile zur Folge hat, wie z. B. hohe Kostspieligkeit, Welligkeit
des zerhackten Ausgangsgleichstromsignals, scharfen Verstärkungsabfall bei einer
Frequenzzunahme über 1 bis 10 Hz. Um den Frequenzgang des Stabilisators, d. h. sein
Ausgleichsvermögen, von sogar schnellen Schwankungen zu verbessern, ist es notwendig,
einen Wechselstromhilfsverstärker zu benutzen, der parallel zum Modulatorgleichstromverstärker
geschaltet ist und der auch das Ausgleichen von schnellen Schwankungen ermöglicht.
Dadurch wird jedoch die Einrichtung sehr kompliziert und kostspielig.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht theoretisch vollständige
Stromstabilisierung trotz Eingangsspannungs- und Belastungswiderstands-Schwankungen.
Im Vergleich zu anderen Schaltungsanordnungen, die für denselben Zweck konstruiert
werden, ist die vorliegende Schaltungsanordnung verhältnismäßig einfach, billig,
betriebssicher und verbürgt hohe Leistung. In den meisten Fällen braucht man keine
Hilfsstromquellen zu benutzen. Die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Gleichstromstabilisators
ist nicht vom hohen Verstärkungsgrad des Verstärkers abhängig. Die höchste Leistung
kann man. durch einfache und gewöhnliche Mittel erreichen, und der Wert des stabilisierten
Gleichstroms kann, ohne daß die optimale Arbeitsweise des Kreises beeinträchtigt
wäre, innerhalb weiter Grenzen reguliert werden.
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Das Wesen der Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Gleichstromstabilisierung,
die aus der Parallelschaltung im wesentlichen dreier Stromzweige besteht, von denen
der erste einen ohmschen Widerstand enthält, der zweite eine Elektronenröhre mit
einem Widerstand in der Kathodenzuleitung, der dritte eine weitere Elektronenröhre
mit einem Widerstand in der Anodenzuleitung und einer Normalspannungsquelle zwischen
dem Steuergitter dieser Röhre und dem gemeinsamen positiven Pol der drei Stromzweige,
wobei der negative Pol dieser Spannungsquelle am Steuergitter liegt, daß außerdem
die Anode dieser Röhre im dritten Zweig unmittelbar auch mit dem Steuergitter der
anderen Röhre verbunden ist.
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Die Erfindung wird an Hand der Beschreibung und der Schaltbilder beispielsweise
erläutert. In F i g. 1 ist das Prinzipblockschaltbild des Gleichstromstabilisators
ersichtlich; in F i g. 2 sieht man einen Röhrenkreis, der für jeglichen Wert des
dynamischen Negativwiderstandes eingestellt werden kann;
F i g.
3 zeigt ein praktisches Beispiel eines Stabilisierungsstromkreises, und F i g. 4
veranschaulicht eine vorteilhafte Schaltungsanordnung des Gleichstromstabilisators.
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Wenn gemäß F i g. 1 in einer Parallelschaltung der dynamische Widerstand
r" negativ und zahlenmäßig gleich dem Positivwiderstand RB ist, dann ist der ganze
dynamische Widerstand des Kreises unendlich groß. Infolgedessen kann die Spannungsschwankung
UB im Parallelkreis keine Schwankungen des Gesamtstromes 1 verursachen. Wenn dieser
Kreis deswegen in Reihe mit dem Belastungswiderstand verbunden ist, wird der Strom,
der durch diesen fließt, vollständig konstant gehalten.
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Um dieses Prinzip auszunutzen, ist es notwendig, einen geeigneten
Negativwiderstand zu finden. Es gibt mehrere Elemente und Kreise, die Negativwiderstände
enthalten, wie z. B. Heißleiter, Halbleiter usw., aber es gibt nur wenige von diesen,
die alle praktischen Forderungen erfüllen können, wenn ein konstanter Gleichstrom
innerhalb einer Größenordnung von 10-8 erreicht werden soll. Ein verhältnismäßig
einfacher Röhrenstromkreis, der diese Forderungen erfüllen kann, ist in F i g. 2
sichtbar. Dieser Stromkreis enthält zwei Trioden El und EZ mit Widerständen R1 und
R., und eine Normalspannungsquelle B. Der Arbeitsvorgang der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist wie folgt: Wenn z. B. die Spannung UB im Parallelkreis anwächst, wird der Strom
i. durch den Widerstand RB und gleichzeitig der Strom il durch die Röhre El proportional
erhöht, da die erhöhte Spannung durch den Widerstand RB einen proportionalen Abfall
der Negativvorspannung der Röhre El verursacht. Infolgedessen steigt der Spannungsabfall
an R1, und der Potentialunterschied zwischen den Punkten 1 und 4 (s. F i g. 2) wird
herabgesetzt. Dies verursacht einen Stromabfall i2 durch die Röhre E2.
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Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die Schwankungen des Stromes
1z entgegengesetzt zu den Schwankungen der Ströme il und i. sind. Durch eine geeignete
Wahl der Stromkreisparameter kann man ein dynamisches Gleichgewicht erreichen, so
daß die Schwankungen der Ströme il und i. vollständig durch die Schwankungen des
Stromes i2 ausgeglichen werden können.
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Es ist klar, daß die beiden Elektronenröhren als dynamische Negativwiderstände
funktionieren, denn wenn der Strom 13 = il + i2 herabgesetzt wird,
wird die Spannung des Kreises erhöht. Der zahlenmäßige Wert des dynamischen Negativwiderstandes
r" kann innerhalb weiter Grenzen durch die Änderungen des Widerstandes R2 und R1
verändert werden, so daß die Bedingung der vollständigen Stabilisierung des Gesamtstromes
1 immer erfüllt werden kann (- r" = Rd.
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Der Parallelkreis, der durch den Widerstand R, und zwei Trioden El
und E, gebildet ist (s. F i g. 2 und die oben angeführte - Beschreibung), könnte
grundsätzlich befriedigend zum Konstanthalten des Gleichstroms bei Speisespannungs-
und Belastungswiderstandsschwankungen wirken, aber sein Regelbereich ist durch die
Nichtlinearität der dynamischen Röhrenkennlinie beschränkt. Um den Regelungsbereich
zu erweitern, ist eine dritte ElektronenröhreE.3 in Reihe mit dem Parallelstabilisierungskreis
(s. F i g. 3) geschaltet. Das Steuergitter der in Reihe geschalteten Röhre kann
von dem Anzapfpunkt 0 des Widerstandes RB oder vorzugsweise von den Punkten 1 oder
2 (s. F i g. 3) des Parallelkreises gespeist werden, da hier ein verstärktes Signal
der Spannungsschwankungen am Widerstand ROB erscheint.
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Wenn nun der Betrieb des gesamten Gleichstromstabilisators in Betracht
gezogen wird und z. B. die Speisespannung wiederum erhöht wird, hat dies eine Spannungserhöhung
am Widerstand RB zur Folge, was wiederum durch eine proportionale Erhöhung des Stromes
il und Abfall des Stromes f.>. wie bereits oben erklärt, begleitet wird. Die Erhöhung
des Stromes il verursacht einen erhöhten Spannungsabfall am Widerstand R1. Die negative
Vorspannung des Steuergitters der Röhre R3, das mit der Anode der Röhre El oder
Kathode der Röhre E, verbunden ist, wird mit der Erhöhung der Eingangsspannung U;
erhöht. Infolgedessen wird die Spannung der Röhre E3 mit der Eingangsspannungserhöhung
erhöht. Infolgedessen und infolge der Verstärkung der Spannungsschwankungen am Widerstand
RB durch die Röhre El und E3 erreicht nur ein kleiner Bruchteil a1 - a3, wo al und
a? Spannungsverstärkungen durch die Röhren El und Es sind, der Eingangsspannungsschwankungen
den Parallelkreis Re, r". Der nützliche Regelungsbereich des Gleichstromstabilisators
wird nun durch den Faktor a = a1 * a3 erweitert.
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Der Absolutwert des stabilisierten Stromes hängt hauptsächlich von
der Normalspannungsquelle B und dem Widerstand Ro ab. Es ist deswegen möglich, den
Stromwert mittels Normalspannung zu ändern, aber der Regelungsbereich ist durch
die Nichtlinearität der Röhrenkennlinie beschränkt. Es ist ebenfalls möglich, den
Stromwert mittels des Widerstandes RB zu regulieren, aber dabei ist es notwendig,
den Negativwiderstand (mittels R2 oder R1) für jeden gewählten Wert des Widerstandes
RB von neuem einzustellen, um die Bedingung der vollständigen Stromstabilisierung
(-r" = Rd innerhalb weiter Grenzen zu erfüllen.
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Die bestgeeignete Schaltungsanordnung des Gleichstromstabilisators
ist in F i g. 4 ersichtlich. An der Stelle des Widerstandes RB ist ein Potentiometer
eingeschaltet, an dessen Schleifer der Belastungswiderstand Rs angeschlossen ist.
Durch die Änderung der Lage des Schleifers an RB wird der Stromwert geändert, ohne
daß die Einstellung des Kreises auf optimale Arbeitsweise beeinträchtigt wird. Ein
weiterer Vorteil dieser Schaltungsanordnung ist, daß der Übergangs-Kontaktwiderstand
zwischen dem Schleifer und dem Potentiometer keinen Einfluß auf den Strom ausüben
kann, da dieser Widerstand im Parallelkreis r", RB nicht erscheint.
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Der erfindungsgemäße Gleichstromstabilisatorzeichnet sich im Vergleich
zu anderen bisher benutzten Schaltungsanordnungen mit folgenden Vorteilen aus: Theoretisch
kann man unbegrenzte Gleichstromstabilisierung trotz Speisespannungs- und Belastungswiderstandsschwankungen
erreichen. Praktisch können ohne Schwierigkeiten Stromschwankungen bis auf 10-5
des eingestellten Wertes herabgesetzt werden. Der Stabilisierungsgrad ist nicht
vom Verstärkungsfaktor des Gleichstromverstärkers abhängig. Bei vielen Anwendungen
braucht man keine Hilfsspeisung zu benutzen. Es sind keine Hilfsausgleichstromkreise
notwendig. Um die optimale Stabilisierung zu erreichen, genügt es, einen einzigen
veränderlichen Widerstand einzustellen. Der stabilisierte Gleichstrom kann innerhalb
weiter Grenzen mittels eines Potentiometers oder eines Stufenschalters reguliert
werden, ohne dabei die Einstellung der Schaltungsanordnung für
optimale
Stromstabilisierung zu beeinträchtigen. Der Übergangs-Kontaktwiderstand übt dabei
keinen Einfluß auf die Stromstabilität aus. Die Zahl der Bestandteile der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung ist gering, und der Preis der Bestandteile ist dabei niedrig.