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Schaltungsanordnung zum Steuern eines durch eine Last fließenden Stromes
mit Hilfe von Schalttransistoren Es wurde bereits eine Schaltungsanordnung zum Steuern
eines durch eine Last fließenden Stromes mit Hilfe von Schalttransistoren vorgeschlagen,
bei denen jeweils die Schaltstrecke in Reihe mit einer Spannungsquelle und der Last
liegt und die über die Basiselektrode und eine angrenzende Elektrode, vorzugsweise
die Emitterelektrode, verlaufende Steuerstrecke eines Transistors am Ausgang eines
Magnetverstärkers liegt, dessen Arbeitswicklungen von einer Wechselstromquelle mit
rechteckförmiger Spannungswellenform gespeist werden. Bei einer derartigen Anordnung
läßt sich der Mittelwert von Strom, Spannung oder Leistung an dem über den Transistor
an eine Spannungsquelle angeschlossenen Verbraucher durch Veränderung des Tastverhältnisses
der den Transistors steuernden Spannung verändern. Unter Tastverhältnis versteht
man dabei das Verhältnis der Länge eines Steuerimpulses zur gesamten Periodendauer
der Steuerspannung. Bei der vorgeschlagenen Anordnung läßt sich dieses Tastverhältnis
in sehr einfacher Weise mittels eines Gleichstromes steuern, der einer Steuerwicklung
des im Steuerkreis des Transistors liegenden Magnetverstärkers zugeführt wird.
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Die Erfindung betrifft eine Anwendung einer solchen Anordnung zur
Lösung der Aufgabe, eine geregelte Gleichspannung aus einer ungeregelten zu erzeugen.
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Es ist bereits bekannt, zur Lösung einer derartigen Aufgabe den Verbraucher
über die Schaltstrecke eines Transistors an die ungeregelte Spannungsquelle anzuschließen
und den Transistor periodisch ein-und auszuschalten, und zwar abhängig von einer
rechteckförmigen periodischen Steuerspannung, deren Tastverhältnis der Abweichung
der Verbraucherspannung von einem vorgebenen Sollwert proportional ist. Bei den
bekannten Anordnungen ist aber für die Gewinnung einer solchen Steuerspannung ein
beträchtlicher Aufwand an Schaltelementen erforderlich.
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Dieser Nachteil läßt sich vermeiden, wenn man zur Lösung dieser Aufgabe
erfindungsgemäß eine Anordnung verwendet, wobei der Magnetverstärker mit einer rechteckförmigen
Wechselspannung höherer Frequenz gespeist wird und dessen Steuerwicklungen die Differenz
aus einer Sollspannung und der rückgekoppelten Ausgangsgleichspannung des Gerätes
zugeführt wird.
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Die Anwendung von Wechselstrom höherer Frequenz als der normalen Netzfrequenz
zur Speisung der Arbeitswicklungen von Transduktoren mit dem Zwecke, Regelzeiten
bzw. Gerätevolumen zu verringern, ist an sich bereits bekannt. Andererseits ist
es auch bekannt, in geschlossenen Regelkreisen die Differenz aus einer Sollspannung
und einer rückgekoppelten Ausgangsspannung zu bilden.
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Durch die Anwendung derartiger Maßnahmen bei einer Anordnung zur Lösung
der vorerwähnten Aufgabe wird jedoch eine besonders vorteilhafte Anordnung geschaffen,
die bei relativ geringem Aufwand eine hohe Regelgenauigkeit und eine große Ansprechgeschwindigkeit
aufweist.
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Zweckmäßig wird erfindungsgemäß am Ausgang des Stromversorgungsgerätes
noch ein Tiefpaßfilter vorgesehen. Als Spannungsquelle rechteckiger Spannungskurvenform
von hoher Frequenz etwa in der Größenordnung der Hörfrequenz zur Speisung des Magnetverstärkers
wird erfindungsgemäß vorzugsweise ein Wechselrichter benutzt, der mit Transistoren
als steuerbaren elektrischen Ventilen arbeitet und von einer Gleichspannungsquelle
gespeist ist.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen
wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen, wobei sich noch weitere
vorteilhaft in Verbindung mit der grundsätzlichen Erfindung benutzbare Einzelmerkmale
ergeben werden.
F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines beispielsweisen
erfindungsgemäßen Stromversörgungsgerätes, und F i g. 2 ist eine beispielsweise
schematische Darstellung eines Verstärkers, wie er in der in F i g. 1 veranschaulichten
Anordnung benutzt wird.
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In der Zeichnung ist jeweils die Art, in welcher die Wicklungen auf
ihre Kerne aufgebracht sind, näher durch den Polaritätspunkt bezeichnet. Wenn ein
Strom in das mit dem Polaritätspunkt versehene Ende einer Wicklung hineinfließt,
wird der induktiv ihr zugeordnete Kern in Richtung auf die positive Sättigung getrieben.
Durch einen Strom, welcher an dem mit dem Polaritätspunkt versehenen Ende einer
Wicklung herausfließt, wird der induktiv ihr zugeordnete Kern von der positiven
Sättigung weggetrieben.
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Allgemein umfaßt dieses Stromversorgungsgerät nach F i g. 1 einen
ungeregelten Gleichstrom-Stromversorgungsanteil 10, eine Stromquelle 11 höherer
Frequenz mit rechteckiger Spannungskurvenform, eine Gleichstromsollwertquelle 12,
einen zweistufigen Verstärker 13 aus einer Magnetverstärkereingangsstufe 13
a und einer Transistorausgangsstufe 13 b sowie ein Tiefpaßfilter 14.
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Der Ausgang des ungeregelten Stromversorgungsgerätes 10 ist an die
Transistorausgangsstufe 13 b des Verstärkers 13 angeschlossen. Der Ausgang der Spannungsquelle
11 von rechteckförmiger Kurvenform ist derart angeschlossen, daß er die Trägerleistung
für die Eingangsmagnetverstärkerstufe 13 a des Verstärkers 13 liefert. Der Ausgang
der Gleichstromsollwertquelle 12 ist an den Eingang der Magnetverstärkerstufe 13
a des Verstärkers 13 angeschlossen. Der Ausgang der Transistorausgangsstufe
des Verstärkers 13 ist an das Tiefpaßfilter 14 angeschlossen. Der Ausgang des Tiefpaßfilters
14 ist im negativen Sinne auf den Eingang der Magnetverstärkerstufe 13 a des Verstärkers
13 rückgekoppelt. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 14 liefert am Leitungssystem 62
die regulierte Gleichstromleistung des Systems.
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Ein wichtiges Element des in F i g. 1 veranschaulichten Systems, ist
der zweistufige Verstärker 13,
welcher eine Magnetverstärkerstufe hoher Frequenz
benutzt, welche von der Spannungsquelle 11 rechteckiger Kurvenform gespeist
ist und zum Impulsbreitenmodulieren der Schalttransistorausgangsstufe dient. Um
die geregelte Ausgangsleistung zu erhalten, wird der Magnetverstärker 13 durch eine
Gleichstromsollwertquelle 12 geringer Leistung erregt, welche einen konstanten Gleichstromausgangswert
hat. Die negative Rückkopplung ist an den Eingang des Verstärkers 13 angelegt, um
auf diese Weise den Ausgang des Systems gegen Veränderungen zu stabilisieren, welche
sich aus Änderungen des Verstärkungsgrades ergeben können, verursacht durch Veränderungen
der Speisespannung, der Temperatur, der Kennlinien von Schaltungskomponenten des
Systems oder durch Veränderungen in der Last.
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Ein schematisches Schaltbild des Verstärkers 13
ist in F i g.
2 gezeigt. Ein solcher Verstärker umfaßt zwei Paare von magnetischen Verstärkern
20, 21 und 40, 41, zwei Paare von Ausgangsschalttransistoren 30, 31 und 50,
51 und Ausgangsklemmen 60 und 61. Die Spannungsquelle 11. rechteckiger Spannungskurvenform
nach F i g. 1 ist derart angeschlossen gezeigt, daß sie die Magnetverstärker 20,
21 und 40, 41 betreibt, indem sie an die Leistungswicklungen der Verstärker
angeschlossen ist. Die Gleichspannungsquelle 10 nach F i g. 1 ist an die Ausgangsschalttransistoren
30, 31 und 50, 51 angeschlossen. Von den Magnetverstärkern 20, 21
und 40, 41 enthält jeder ein magnetisches Kernglied, auf welchem eine Leistungswicklung,
eine Vormagnetisierungswicklung und eine Steuerwicklung angeordnet sind. Die Steuerwicklungen
der Magnetverstärker 20, 21
und 40, 41 sind in Reihe zwischen den Klemmen
70
und 71 eingeschaltet, an welche eine Gleichspannungsquelle angelegt ist.
Die Vormagnetisierungswicklungen der Magnetverstärker 20, 21 und
40, 41
sind in Reihe zwischen den Klemmen 72 und 73 eingeschaltet.
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Die Spannungsquelle 11 rechteckiger Spannungskurvenform kann
ein Transistorwechselrichter sein. Die Arbeitsweise des in den F i g. 1 und 2 veranschaulichten
Appaartes ist die folgende: Die Magnetverstärker 20, 21 und 40, 41
der ersten Stufe 13 a werden gespeist oder betrieben durch einen Hörfrequenz-Transistorwechselrichter,
welcher als die Spannungsquelle 11 quadratischer Kurvenform bezeichnet ist. Das
Signal von der Sollwertspannungsquelle 12 wird den Klemmen 72 und 73 der in Reihe
geschalteten Steuerstromkreise zugeführt. Die Magnetverstärker 20, 21 und
40, 41 modulieren die Transistoren 30, 31 und 50, 51 in der
Impulsbreite. Der Impulsbreitenausgang der Transistoren ist dem Wert des Sollwertzeichens
proportional, welches an die Klemmen 72 und 73 angelegt ist. Bei den Polaritätspunktmarkierungen
an den Steuerwicklungen nach F i g. 2 werden die Magnetverstärker 20, 21
oder
40, 41 bzw. die Transistoren 30, 31 oder 50, 51
abhängig von
der Polarität des Sollwertsignals, welches an die Klemmen 72 und 73 angelegt ist,
in dem Sperrzustand gehalten. Die Transformatoren 25 und 45 dienen für den Anschluß
des Ausganges der Leistungswicklungen der beiden Paare von Magnetverstärkern
20, 21 bzw. 40, 41 an zwei der drei Elektroden, wie sie in F i g.
2 als Basis- und Emitterelektroden jedes der Transistoren 30, 31 bzw.
50, 51 gezeigt sind, und zwar in einer solchen Weise, daß die Ausgänge der
Magnetverstärker die Transistoren schalten und dadurch die Ausgangsimpulse der Transistoren
in ihrer Impulsbreite modulieren. Die Transistoren 30, 31, 50 bzw. 51 haben Emitterelektroden
32, 33, 52, 53, Kollektorelektroden 34, 35, 54 bzw. 55 und Basiselektroden
36, 37, 56, 57. Der Ausgang des Verstärkers 13 ist von dem Emitter-Kollektor-Kreis
jedes Ausgangstransistors abgenommen und erscheint an den Klemmen 60 und 61, welche
mit dem Hochfrequenzfilter 14 verbunden sind.
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Die Arbeitsweise des in F i g. 1 veranschaulichten Systems ist die
folgende: Die Magnetverstärkerstufe 13a des Verstärkers 13
wird durch
eine Spannung rechteckiger Kurvenform gespeist, welche durch die Spannungsquelle
11 geliefert wird. Diese kann ein Transistorwechselrichter-Oszillator sein.
Der Eingangsstrom von der Gleichstromsollwertquelle 12 zur Magnetverstärkerstufe
13a des Verstärkers 13 steuert die Breite der Impulse zu den Leistungstransistoren
in der Transistorstufe des Verstärkers 13. Die Leistungstransistoren, welche
für ihren Sperrzustand vorgespannt sind, werden durch diese Impulse eingeschaltet.
Die resultierende Ausgangsleistung des Verstärkers 13 wird durch ein Tiefpaßfilter
14 gefiltert, so daß sich eine
geglättete Gleichstromausgangsspannung
ergibt. Diese Ausgangsspannung wird an den Steuerkreis der Magnetverstärkerstufe
des Verstärkers 13 angelegt, und der resultierende Rückkopplungsstrom wird mit dem
Strom verglichen, welcher durch die Sollwertspannungsquelle 12 geliefert wird, um
auf diese Weise einen geschlossenen Regelkreis zu bilden. Der Rückkopplungsstrom
und der Sollwertstrom werden verglichen und an den Steuerwicklungen der Magnetverstärkerstufe
13 a des Verstärkers 13 in ihrer Wirkung subtrahiert, und der Durchschnittswert
der Ausgangsspannung des Systems wird im wesentlichen proportional dem Durchschnittswert
der Differenz zwischen diesen Strömen oder dem Nettowert des Steuerstromes sein.
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Die Art der Rückkopplung eines Teiles der Ausgangsleistung dieses
Systems auf den Eingang der Steuerwicklung der Magnetverstärkerstufe kann derart
sein, daß ein Widerstand in Reihe mit dem Ausgang geschaltet ist und die an diesem
entwickelte Spannung rückgekoppelt wird. Diese Rückkopplung kann auch durch andere
geläufige Mittel erfolgen. Die Gleichstrornsollwertspannungsquelle 12 kann durch
Benutzung der Zenercharakteristik einer Halbleiterdiode, wie z. B. einer Siliziumdiode,
gewonnen werden, welche eine höhere Spannung hat als ihre Zenerdurchbruchsspannung
und welche der Diode in ihrer Sperrichtung aufgedrückt wird, um eine feste Sollwertspannung
zu liefern. Der erwünschte Wert des Sollwertstromes kann durch Veränderung eines
Reihenwiderstandes erreicht werden. In Reihe mit dem Ausgang der Sollwertspannungsquelle
12 kann eine Drosselspule 12 geschaltet werden, um auf diese Weise eine Impedanz
herzustellen, welche im Vergleich zu dem Widerstand des Steuerkreises der Magnetverstärkerstufe
hoch ist, so daß die erwünschte dynamische Charakteristik des Magnetverstärkers
erreicht wird.
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Zusätzlich zur Speisung der Magnetverstärkerstufe 13a des Verstärkers
13 mit einer Spannung rechteckiger Kurvenform kann die Spannungsquelle rechteckiger
Kurvenform auch die Sollwertschaltungsanordnung 12 und den Vorspannungskreis der
Transistoren in der Transistorstufe des Verstärkers 13 mit geeigneten Gleichspannungen
mittels Gleichrichterschaltungen speisen. Das Tiefpaßfilter 14 kann irgendeine
geeignete Kombination von Schaltungselementen sein, welche die Ausgangsleistung
des Verstärkers 13 filtert, um auf diese Weise eine geglättete Gleichstromausgangsspannung
für das System zu liefern.
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Die Vorzüge der regelnden Schaltungsanordnung sind die folgenden:
Die Rückkopplungsschleife enthält kein Leistungsfrequenzfilter von langer Zeitverzögerung,
und daher sind das mangelhafte übergangsansprechen und Stabilitätsmängel von Leistungsfrequenz-Magnetverstärkerreglern
weitgehend herabgesetzt .Die Transistoren der Transistorenausgangsstufen 13 b des
Verstärkers 13 werden in einer Schaltweise betrieben, welche die ihre Leistung beherrschende
Kapazität und ihre Stabilität vergrößert. Der Gleichstromregler ist von kleiner
Größe und von geringem Gewicht, da die Magnetverstärkerstufe bei hoher Frequenz
betrieben wird und weiterhin nur die Basisleistung der Transistoren und nicht die
Ausgangsleistung liefern muß. Der Betrieb bei hoher Frequenz reduziert auch wesentlich
die Größe des Filters 14. Die hohe Leistungsverstärkung, welche dem Verstärker innewohnt,
setzt die in der Sollwertquelle 12 erforderliche Leistung herab und erzeugt eine
hohe Regelgenauigkeit.
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Ist die zu liefernde Ausgangsgleiehstromleistung nur relativ gering,
so kann es auch ausreichend sein, in dem Schaltelement 13 nur mit einem Magnetverstärker
und zwei nachfolgenden Transistoren zu arbeiten.