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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Regeleinrichtung,
vorzugsweise zur Temperaturregelung mittels den Peltier-Effekt aufweisender Elemente,
bei welcher der Meßfühler in einer mit Wechselstrom gespeisten Brückenschaltung
liegt und bei welcher die von der Meßbrücke mit je nach Richtung der Regelabweichung
verschiedener Phasenlage abgegebene Wechselspannung einen Impulserzeuger steuert,
der über einen Transformator mit Sättigungskern und mehreren Sekundärwicklungen
Zündimpulse mit von der Richtung der Regelabweichung abhängiger Polarität an eine
steuerbare Gleichrichteranordnung liefert, die in einem aus der gleichen Wechselstromquelle
wie die Meßbrücke gespeisten Verbraucherkreis liegt.
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Eine derartige Regeleinrichtung ist in einer Nachlaufsteuerung bekannt,
mit welcher Wechselstromfehlersignale verarbeitet werden, welche am Ausgang einer
mit Wechselstrom gespeisten Brücke auftreten. Mit dem verstärkten Ausgangssignal
der Brücke wird ein sogenannter Unijunction-Transistor angesteuert. Dieser liefert
die Zündimpulse für zwei gesteuerte Halbleitergleichrichter in Einwegschaltung,
von denen entsprechend der Polarität des Fehlersignals gegenüber der gleichzurichtenden
Wechselspannung jeweils einer während einer Halbwelle der Wechselspannung durchgeschaltet
ist. Es können daher in Abhängigkeit von der Richtung der Regelabweichung zwei verschiedene
Verbraucher, beispielsweise Relais, ein- und ausgeschaltet werden.
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Bei dieser Regeleinrichtung erfolgt jedoch der Regeleingriff unabhängig
von der Größe der Regelabweichung. Demgegenüber wird bei der Erfindung die Aufgabe
gestellt, den Regeleingriff je nach Größe der Regelabweichung verschieden stark
zu gestalten und somit eine Regeleinrichtung mit Wechselspannungsmeßbrücke und einer
steuerbaren Gleichrichteranordnung als Stellglied zu schaffen, die eine quasi stetige
Proportionalregelung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bei einer elektrischen Regel- , einrichtung der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Impulserzeuger einen Transistorimpulsformer
enthält, dem die die Regelabweichung darstellende Wechselspannung zugeführt ist
und der ein Schwellwertverhalten solcher Bemessung besitzt, daß eine Basisbeschneidung
der Wechselspannung erfolgt, derart, daß am Ausgang des Transistorimpulsformers
trapezförmige Impulse mit von der Amplitude der Brückenspannung abhängiger Länge
und von deren Richtung abhängiger Polarität entnehmbar sind, die einer bistabilen
Transistorkippschaltung zugeführt sind, deren Ausgang reit dem Transformator mit
Sättigungskern verbunden ist und deren Schaltzeitpunkt von der Phasenlage der Anstiegsflanke
der trapezförmigen Impulse abhängt. Es erfolgt somit eine Horizontalsteuerung der
steuerbaren Gleichrichter mit phasenverschobenen Impulsen, wie sie bei der Gleichrichtertechnik
an sich üblich ist. Die Erfindung weist jedoch erstmals einen Weg, wie man, ausgehend
von einem bekannten Wechselstromregler, mit der Amplitude der Regelabweichung auf
einfache Weise und ohne Zeitglieder die Phasenverschiebung der Impulse und somit
den Zündzeitpunkt bestimmen kann.
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Bei Verwendung zur Temperaturregelung bedeutet dies, daß der Gleichstrommittelwert
des den Verbraucher durchfließenden Heizstromes in etwa proportional der Regelabweichung
ist. Die Erfindung ist nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
In F i g. 1 ist das Schaltbild eines Temperaturregelsystems dargestellt; F i g.
2 A, 2B und 2 C zeigen die Form von Eingangs- und Ausgangswellen eines Impulserzeugers
in dem System nach F i g. 1; F i g. 3 stellt das Schema der gesteuerten Gleichrichterelemente
dar, die in einer Stromrichterstufe des Systems nach F i g. 1 verwendet werden;
F i g. 4 und 5 zeigen Wellenformen, wie sie an verschiedenen Punkten des Systems
nach F i g. 1 auftreten, wenn das System auf Temperaturabweichungen reagiert.
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Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung enthält einen Meßkreis 10 zur
Erzeugung eines periodischen Fehlersignals, das eine Bezugsfrequenz und eine Stirnseite
mit begrenzter Neigung hat. Der Ausgang des Meßkreises 10 ist durch einen Verstärker
12 mit einem Impulserzeuger 14 verbunden, der Ausgangsimpulse erzeugt, deren Polarität
vom Fehlersignal abhängig ist und sich mit diesem umkehrt und deren Phasenlage im
Verhältnis zum Fehlersignal sich mit dessen Amplitude ändert. Diese Ausgangsimpulse
werden verwendet, um die Dauer der Stromführung und die Stromrichtung innerhalb
eines Gleichrichtersystems 16 zu steuern, welches Wechselstrom der gleichen Frequenz
wie das Fehlersignal in Gleichstrom umsetzt, der zu einem Verbraucher 18 geleitet
wird, welcher den Zustand beeinflußt, der von dem Meßkreis 10 wahrgenommen wird.
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Bei dem hier beschriebenen, speziellen Ausführungsbeispiel ist der
Meßkreis 10 ein temperaturempfindlicher Stromkreis mit einer temperaturempfindlichen
Impedanz 20, z. B. einem Heißleiter, der sich als Meßfühler in einer begrenzten
Zone 22, deren Temperatur auf einer gewünschten Höhe gehalten werden soll, befindet,
welche Temperaturhöhe der Einfachheit halber als »Normaltemperatur« bezeichnet werden
kann. Innerhalb der Zone 22 ist auch eine temperaturerzeugende Vorrichtung 18, z.
B. eine umkehrbare thermoelektrische Wärmepumpe, die aus einer Anzahl von Peltier-Elementen
besteht, welche Hitze in einer Richtung oder in der entgegengesetzten Richtung übertragen,
und zwar je nach der Richtung des durch die Peltier-Elemente stattfindenden Stromflusses.
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Im Meßkreis 10 ist eine Impedanzbrücke 26 mit den Eingangsklemmen
28 und 30 und den Ausgangsklemmen 32 und 34. Ein Zweig der Brücke wird von der Impedanz
20 und der andere Zweig wird von der Impedanz 36 gebildet; ein weiterer Zweig
besteht aus der Impedanz 38 und noch ein weiterer Zweig wird von den Impedanzen
40 und 42 gebildet. Alle Impedanzen der Brücke 26 sind beispielsweise
als ohmsche Widerstände dargestellt, obgleich auch andere geeignete Impedanzen verwendet
werden können.
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Die Brücke 26 wird von einem Transformator 44 aus, der an eine Wechselstromleitung
46 angeschlossen ist, die ihrerseits mit einer geeigneten Wechselstromquelle 48
verbunden ist, mit der Wechselspannung VIN erregt. Die Brücke 26 ist so abgeglichen,
daß keine Leistung an den Anschlußklemmen 32 und 34 auftritt, wenn die Temperatur
in der Zone 22 normal, d. h. auf der gewünschten Höhe ist. Wenn jedoch die Temperatur
in der Zone 22 von ihrer normalen Höhe abweicht, bringt der sich ändernde
Widerstand
des Heißleiters 20 die Brücke je nach Richtung der Temperaturänderung in der einen
oder der anderen Richtung aus dem Gleichgewicht, wodurch an den Brückenausgangsklemmen
32 und 34 ein Fehlersignal in der Form einer Wechselstromwelle erzeugt wird, die,
je nach der Richtung der Temperaturabweichung, entweder phasenmäßig mit dem Brückeneingangswechselstrom
übereinstimmt oder diesem gegenüber um 180° versetzt ist. Die Amplitude der Brückenausgangsleistung
zeigt das Ausmaß der Temperaturabweichung in einer bestimmten Richtung an und ändert
sich mit diesem.
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Da die Leistungsaufnahme der Brücke 26 sinusförmig ist, bringt die
Brücke Ausgangswellen hervor, die eine Stirnseite mit begrenzter Neigung haben.
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Das von der Brücke erzeugte Fehlersignal wird durch die Leitungen
50 und 52 an den Verstärker 12 weitergegeben, wo es verstärkt und dann entlang den
Leitungen 54 und 56 als VE an den Eingangskreis 58 des Impulszeigers 14 angelegt
wird.
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Zum Verstärker 12 gehören die Transistoren T 1 und T2, die im Gegentakt
die in der Mitte angezapfte Primärwicklung 60 eines Ausgangstransformators 62 speisen,
dessen in der Mitte angezapfte Sekundärwicklung an den Eingangskreis 58 der Schaltungsanordnung
14 angeschlossen ist.
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Der Transistor T 1 hat eine Basis T 1 B, einen Emitter
T 1 E und einen Kollektor T 1 C. Ebenso hat der Transistor
T 2 einen Emitter T 2E, eine Basis T 2 B und einen Kollektor
T 2 C. Die Leitungen 50 und 52 sind an die Basis T 1B bzw. T 2B angeschlossen.
Ein Vorspannungsnetzwerk 63 für den Verstärker 12 besteht aus den Widerständen 64,
65, 66, 67, 68 und einem Ausgleichswiderstand 69. Der Widerstand 64 ist an die auf
übliche Weise geschalteten Emitter T 1E und T 2E und an einen Punkt
70 angeschlossen, der mit einer positiven Klemme 71 verbunden ist, die am
positiven Pol einer Batterie 72 angeschlossen ist. Die Widerstände 65 und 66 sind
an die Leitung 50 bzw. 52 und an den Punkt 70 angeschlossen.
Die Widerstände 67, 69 und 68 sind in Reihe zwischen den Leitungen 50 und 52 angeschlossen.
Eine einstellbare Anzapfung 73 auf Widerstand 69 ist mit Masse verbunden, an die
auch das negative Ende der Batterie 72 angeschlossen ist. Die beiden Kanäle des
Verstärkers 12 können durch Verstellen der Anzapfung 73 zueinander ins Gleichgewicht
gebracht werden. Die Kollektoren der Transistoren T 1 und T2 sind an entgegengesetzten
Enden der Primärwicklung 60 des Transformators 62 angeschlossen. Die mittlere Anzapfstelle
der Wicklung 60 ist mit der Masse verbunden.
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Entgegengesetzt gepolte Dioden 74, die zwischen den Leitungen 50 und
52 angeordnet sind, haben Stromführungsschwellenwerte, die unterhalb der Sicherheitswerte
der Transistoren T 1 und T 2 liegen und somit diese Transistoren gegen
übersteuerung durch die von der Brücke 26 kommenden Signale schützen. Ein zwischen
den Kollektoren der Transistoren T 1 und T 2 geschalteter Kondensator
75 unter- i drückt unerwünschte elektrische Eigenschwingungen und verhindert hierdurch
die Abgabe falscher Signale.
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Die erste Stufe des Impulserzeugers 14 ist ein Gegentakt-Eingangs-Impulsformer
80 mit den zwei Kanälen 80A und 80B. Der Impulsformer
80 erzeugt i einen Ausgangsimpuls am Ausgang desjenigen der Kanäle, der eine
Eingangssignalwelle einer bestimmten Polarität erhält, welcher Impuls eine Vorderflanke
hat, die der Vorderflanke der Eingangswelle um einen Winkel nacheilt, welcher von
der Amplitude der Eingangswelle abhängt und sich mit dieser ändert. Der Impulsformer
80 hat einen Transistor T3 und einen Transistor T4, deren Basen T 3 B und
T 4 B im
Gegentakt am Eingangskreis 58 angeschlossen sind, um das Fehlersignal
Vh von dem Transformator 62
auf den Leitungen 54 und 56 im Gegentakt entgegenzunehmen,
so daß ein bestimmtes Fehlersignal bewirkt, gleichzeitig einen Transistor des Impulsformers
80 auf- und den anderen Transistor zuzusteuern. Die strombegrenzenden Widerstände
82 und 83 in den Leitungen 54 und 56 verhüten eine überlastung des Verstärkers 12
und vermeiden hierdurch falsche Fehlersignale.
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Ein Vorspannungsnetz im Eingangskreis 58 enthält die Widerstände
84, 86, 88, 90, 92 und 94. Die Widerstände 84, 86 und 88 sind zwischen
den Leitungen 54 und 56 in Reihe geschaltet. Die mittlere Anzapfstelle der Sekundärwicklung
des Ausgangstransformators 62 ist über die Batterie 72 und den einstellbaren Widerstand
90 an eine veränderliche Anzapfung 96 auf Widerstand 86 angeschlossen. Die veränderliche
Anzapfung 96 ist so eingestellt, daß eine gleichwertige Reaktion der Impulsformerkanäle
80A und 80B auf Eingangssignale gleicher Amplitude erhalten wird. Ein Ende des Widerstandes
92 ist zwischen der Basis T3B und der positiven Klemme 71 angeschlossen. Der Widerstand
94 ist zwischen der Basis T4B und der positiven Klemme 71 angeschlossen.
Die Emitter T 3 E und T 4 E der Transistoren
T 3 und T 4 sind ebenfalls an die positive Klemme 71 angeschlossen.
Die entsprechenden Kollektoren T 3 C und T 4 C der Transistoren
T 3 und T4 sind durch die Widerstände 98 und 100 mit der Masse verbunden.
Die Ausgangsleistung des Impulsformerkanals 80A geht durch einen Ausgangswiderstand
102, der am Emitter T 3 E und an der Ausgangsklemme 104 angeschlossen ist, die am
Kollektor T 3 C befestigt ist. Die Ausgangsleistung des Impulsformerkanals 80B geht
durch einen Ausgangswiderstand 106, der zwischen dem Emitter T4E und einer Ausgangsklemme
108 angeschlossen ist, die ihrerseits an dem Kollektor T 4 C des Transistors
T 4 befestigt ist. Die Widerstände 102 und 106 sind ebenfalls Teil der Vorspannungskreise
für die nachfolgenden Transistoren T 5 bzw. T6.
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Die Transistoren T 3 und T 4 sind vom Typ p-n-p, und
ihre Vorspannungskreise sind so angeordnet, daß sie diese Transistoren normalerweise
bis zur Sättigung (ganz geöffnet) vorspannen, wenn das Ruhe- oder Nullsignal vom
Verstärker 12 gegeben wird. Bei voller Vorspannung erfolgt keine Leistungsabgabe
zwischen den entsprechenden Ausgangswiderständen 102 und 106 im Ruhepunkt. Jeder
der Transistoren T 3 und T4 wird so vorgespannt, daß er abwärts gesteuert wird (nach
dem Abschaltpunkt hin), um nur dann eine Leistungsabgabe durch einen Ausgangswiderstand
zu erzeugen, wenn ein an den Transistor gegebenes positives Eingangssignal einen
vorher festgelegten Schwellenwert überschreitet.
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Wegen des Schwellenwertverhaltens erzeugt der Impulsformer
80 Ausgangsimpulse, von denen jeder Vorder- und Rückflanken hat, die mit
den Punkten zusammenfallen, bei welchen der vordere Teil und der hintere Teil der
Eingangswelle, die den Impuls erzeugt, durch den Schwellenwert hindurchgeht. Dies
ist in F i g. 2A, 2 B und 2 C graphisch dargestellt,
worin drei
verschiedene Amplituden von Eingangsspannungen zusammen mit den Ausgangsimpulsen,
die als Reaktion auf jede derselben erzeugt werden, gezeigt sind.
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Aus diesen Darstellungen in Verbindung mit den im folgenden angegebenen
Schaltungseinzelheiten geht hervor, daß der Impulsformer 80 Ausgangsimpulse erzeugt,
deren Vorderflanke der Vorderflanke der Eingangswelle um einen Winkel nacheilt,
der von der Amplitude der Eingangswelle abhängig ist und sich mit dieser ändert.
Wegen der Gegentaktanordnung wird ein Fehlersignal einer bestimmten Polarität als
positives Signal an einen Kanal des Impulsformers 80 und als negatives Signal an
den anderen Kanal angelegt. Wenn z. B. das Fehlersignal von solcher Polarität ist,
daß es vom Transistor T 3 als positives Signal wahrgenommen wird, wird es gleichzeitig
als negatives Signal vom Transistor T4 wahrgenommen. Da die Transistoren
T 3 und T 4 bis zur Sättigung vorgespannt sind und vom Typ p-n-p sind,
steuert die Anlegung eines positiven Signals über dem Schwellenwert an einen dieser
Transistoren diesen zu, und es entsteht ein negativer Ausgangsimpuls in seinem Ausgangswiderstand.
Ein wechselndes Eingangssignal, dessen Amplitude über den Eingangsschwellenwert
des Impulsformers 80 steigt, veranlaßt den Generator, nacheinander negative Impulse
an den Ausgängen der Kanäle 80A und 80B zu erzeugen. Eine halbe Periode des Eingangsfehlersignals
steuert einen Kanal, und die gegenüberliegende halbe Periode des Eingangssignals
steuert den anderen Kanal. Somit reagiert der Impulsformer 80 nur auf die Teile
des Fehlersignals, die über dem Schwellenwert liegen, um je nach der Momentanpolarität
des Fehlersignals Ausgangsimpulse an dem einen oder dem anderen der Kanäle 80A und
80B abzugeben.
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Das Schwellenwertverhalten des Impulsformers 80 führt somit zu einer
Basisbeschneidung bei den an seinem Eingang angelegten Eingangswellen. Die Größe
des Schwellenwertes des Impulsformers 80 kann durch Einstellen des Widerstandes
90 verändert werden. Wenn sich der Transistor T3 dem Sperrzustand nähert, ist die
Amplitude der Ausgangsimpulse des Kanals 80A auf den Wert begrenzt, der von dem
von den Widerständen 98 und 102 gebildeten Spannungsteiler festgesetzt wird. Ein
ähnlicher Spannungsteiler für Kanal 80B wird von den Widerständen 100 und 106 gebildet.
Infolge dieser Amplitudenbegrenzung haben die Ausgangsimpulse ein abgestumpftes,
trapezförmiges Aussehen, wie in F i g. 2 (a), (b) und (c) dargestellt ist.
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Negative Ausgangsimpulse eines Impulsformerkanals 80A werden nach
Verstärkung durch einen Verstärker 120 dazu verwendet, den einen Zustand einer bistabilen
Kippschaltung 122 auszulösen, während die negativen Ausgangsimpulse des Impulsformerkanals
80B durch einen Verstärker 124 verstärkt werden und den anderen Zustand der bistabilen
Kippschaltung 122 bewirken. Zu dem Verstärker 120 gehört der Transistor
T5, dessen Basis T 5B an den Ausgang 104 des Impulsformerkanals 80A
angeschlossen ist. Der Kollektor T 5 C des Transistors T 5
ist an die
Masse und an den negativen Pol der Batterie 72 über einen Stromkreis angeschlossen,
in dem die Widerstände 132 und ein Widerstand 134 enthalten sind. Der Emitter
T 5 E des Transistors T 5 ist an die positive Klemme 71 angeschlossen.
Die Ausgangsleistung des Verstärkers 120 geht über einen Widerstand 135, der zwischen
der positiven Klemme 71 und einer am Kollektor T5C befestigten Anschlußklemme 136
angeschlossen ist. Der Widerstand 135 liegt der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors
T 5 C parallel. Ebenso gehören zu Verstärker 122: ein Transistor
T 6 mit einer Basis T 6B, die mit der Ausgangsklemme 108 des Impulsformerkanals
80 B verbunden ist; ein Emitter T 6 E, der mit dem positiven Potential verbunden
ist, und ein Kollektor T 6 C, der an Masse über die Widerstände 140 und 142, d.
h. an die negative Anschlußklemme der Batterie 72 angeschlossen ist. Die Leistungsabgabe
des Verstärkers 122 erfolgt über einen Widerstand 144, der mit der positiven Klemme
71 und mit einer am Kollektor T 6 C angeschlossenen Klemme 146 verbunden ist. Widerstand
144 ist im Kollektor-Emitter-Kreis des Transistors T6C. Zufolge der üblichen Emitterschaltung
werden die Ausgangssignale der Verstärker 120 und 124 mit Bezug auf ihre Eingangssignale
umgekehrt. Es werden somit vom Impulsformer 80 kommende negative Impulse von den
Verstärkern 120 und 124 verstärkt und umgekehrt und als positive Impulse an die
Kippschaltung 122 angelegt. Die Verstärkung des Impulsformers 80 und der Verstärker
120 und 124 erzeugt Ausgangsimpulse derartiger Steilheit und Amplitude, um die nachfolgende
Kippschaltung zu steuern.
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Die Kippschaltung 122 ist ein üblicher bistabiler Multivibrator mit
zwei Schaltelementen, z. B. die mit T7 und T8 bezeichneten Transistoren, deren Ausgänge
und Eingänge auf die übliche direkte Art miteinander rückgekoppelt sind, um stabile
Schaltzustände zu erhalten. Der Transistor T7 hat einen Emitter T7E, eine Basis
T7B und einen Kollektor T 7 C. Ebenso hat der Transistor T 8 eine
Basis T 8 B,
einen Emitter T 8 E und einen Kollektor T 8 C.
Die Basis T7B ist an die Ausgangsklemme 136 des Verstärkers 120 angeschlossen und
über Widerstand 135 an die positive Klemme 71. Emitter T7E ist ebenfalls an die
positive Klemme angeschlossen. Kollektor T7C ist über Widerstand 142 an eine Anschlußklemme
einer Hälfte 148 einer in der Mitte angezapften Primärwicklung 150 eines Transformators
152 mit in die Sättigung gesteuertem Kern angeschlossen. Die Mittelanzapfung 154
der Wicklung 150 ist an die Masse angeschlossen, und die andere Hälfte 156 der Primärwicklung
ist über Widersatnd 134 an Kollektor T 8 C des Transistors T 8 angeschlossen.
Die Basis T8B ist an die Ausgangsklemme 146 des Verstärkers 124 und über einen Widerstand
144 an die positive Klemme 71 angeschlossen. Der Emitter T8E ist ebenfalls an die
positive Klemme 71 angeschlossen. Der Widerstand 140 liegt in dem Rückkopplungsweg
zwischen dem Ausgang des Transistors T 7 und dem Eingang des Transistors
T B. Auf die gleiche Weise ist der Widerstand 132 in der Rückkopplungsleitung
zwischen dem Ausgang des Transistors T 8 und dem Eingang des Transistors
T 7 angeordnet.
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Aus Bequemlichkeitsgründen können die beiden stabilen Zustände der
Kippschaltung willkürlich mit A und B bezeichnet werden, und die Kippschaltung
ist im Zustand A, wenn der Transistor T 7 gesperrt und der Transistor
T8 geöffnet ist. Sie befindet sich im Zustand B, wenn der Transistor
T 8 gesperrt und der Transistor T7 geöffnet ist. Der Transformator 152 hat
auch Sekundärwicklungen 160, 162, 164 und 166, die weiter unten beschriebenen Zwecken
dienen.
Alle an der Klemme 104 auftretenden negativen Ausgangsimpulse
werden vom Verstärker 120 verstärkt und bezüglich ihrer Phasenlage umgekehrt, um
an der Ausgangsanschlußstelle 136 einen positiven Impuls zu erzeugen, der an die
Basis T7B des Transistors T7 angelegt wird. Ebenso werden alle an der Anschlußstelle
108 auftretenden negativen Impulse vom Verstärker 124 verstärkt und bezüglich ihrer
Phasenlage umgekehrt, um an der Ausgangsanschlußstelle 146 positive Impulse zu erzeugen,
die an die Basis T 8 B des Transistors T 8 angelegt werden. Die positive
Vorderflanke eines positiven Impulses, entsprechend einem negativen, an der Klemme
136 durch den Verstärker 120 erzeugten Impuls an der Basis T7B, sperrt den Transistor
T7 ab und bewirkt mit Hilfe der Rückkopplung, daß der Transistor T 8 durch den üblichen
Kippschaltungsvorgang geöffnet wird, wodurch die Kippschaltung 122 aus dem stabilen
Zustand B in den stabilen Zustand A übergeführt wird. Wenn die positive Vorderflanke
eines positiven Impulses an der Ausgangsanschlußstelle 146 des Verstärkers 124 entsprechend
einem negativen, dem Eingang des Verstärkers 124 zugeführten Impuls auftritt, wird
der Transistor T8 gesperrt und der Transistor T7 geöffnet, wodurch die Kippschaltung
122 von dem stabilen Zustand A in ihren anderen stabilen Zustand B übergeführt wird.
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Wenn die Kippschaltung in den Zustand A übergeführt wird, wird Transistor
T8 geöffnet, und eine Spannung wird an die untere Hälfte 156 der Primärwicklung
des Transformators 152 angelegt, wodurch in jeder der Sekundärwicklungen 160, 162,
164 und 166 so lange eine Spannung induziert wird, bis der Transformatorkern
152 gesättigt ist, wodurch die induzierte Spannung zusammenbricht. Die volle Spannung
liegt am Transformator, bis er gesättigt ist. In diesen Zeitpunkt fällt die Spannung
im Transformator im wesentlichen auf Null, während der größte Teil der Spannung
am Widerstand 134 abfällt. Dieser Vorgang erzeugt einen Impuls in jeder Sekundärwicklung
des Transformators 152, der beginnt, wenn die Kippschaltung vom Zustand
B in den Zustand A
übergeht, und der endet, wenn der Transformator
152 gesättigt ist. Die Polarität der in den Sekundärwicklungen des Transformators
152 in Abhängigkeit vom Übergang der Kippschaltung in den Zustand A erzeugten Impulse
kann willkürlich die sein, daß die unteren Anschlußklemmen 160B, 162B
und 166B
der Sekundärwicklungen positiv sind.
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Wenn in der gleichen Weise die Kippschaltung in Abhängigkeit von einem
positiven Signal auf die Basis T 4B des Transistors T 4 von Zustand
A in Zustand B
übergeht, wird der Transistor T7 geöffnet, um die Wicklungshälfte
148 des Transformators 152 zu erregen, wodurch in den Sekundärwicklungen des Transformators
ein Impuls von solcher Polarität hervorgerufen wird, daß die oberen Anschlußklemmen
160A, 162A, 164A und 166A der Sekundärwicklungen positiv werden. Es dürfte somit
deutlich geworden sein, daß in Abhängigkeit von einem Wechselstromeingangssignal
von ausreichender Amplitude, das dem Eingangsstromkreis 58 zugeführt wird, der Ausgang
der Schaltungsanordnung 14 an den Sekundärwicklungen des Transformators 1.52 wechselnde
Impulse entgegengesetzter Polarität abgibt, wobei die momentane Polarität der Impulse
von der momentanen Polarität des Eingangssignals auf Leitungen 54 und 56 abhängt
und sich mit dieser umgekehrt und wobei die zeitliche Position der Impulse im Verhältnis
zum Eingangssignal von der Amplitude der Eingangswellen abhängt.
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Genauer ausgedrückt ist es so, daß jede halbe Periode des an dem Eingangskreis
58 liegenden Eingangssignals veranlaßt, daß ein Ausgangsimpuls erzeugt wird, dessen
momentane Polarität von der momentanen Polarität der Halbperiode abhängt und dessen
zeitliche Position im Verhältnis zur Halbperiode von der Amplitude der Halbperiode
abhängt. Da die Kippschaltung in Abhängigkeit von den Vorderflanken der Ausgangsimpulse
des Impulsformers 80 von einem stabilen Zustand in den anderen übergeht (durch Verstärker
120 und 124), hängt die Phasenlage der vom Transformator 152 kommenden Ausgangsimpulse
bezüglich der Fehlerimpulse am Eingang des Impulsformers 80 von der Phasenlage der
Vorderflanken der Ausgangsimpulse des Impulsformers 80 ab, die ihrerseits von der
Amplitude des dem Impulsformer 80 zugeführten Eingangsfehlersignals abhängig ist.
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Der Stromrichter 16 ist beispielsweise als Gleichrichter dargestellt.
Er wird mit Wechselstrom von der in der Mitte angezapften Sekundärwicklung 170 eines
Transformators 172 versorgt, der eine an die Wechselstromleitung 46 angeschlossene
Primärwicklung 174 hat. Die Sekundärwicklung 170 des Transformators
172 ist mit einer Mittelanzapfung 176 und Anschlußklemmen 178 und
180 versehen. Die von dem Gleichrichter 16 gespeiste Gleichstromlast ist
das thermoelektrische Element 18.
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Zwischen der Wechselstromausgangsspannung VR des Transformators 170
und dem Verbraucher 18 ist eine Vielzahl in einer Richtung wirkende, regelbare Schaltelemente
angeordnet, deren Stromführungszeiten durch die Ausgangsleistung des Transformators
152 selektiv gesteuert werden. Die in einer Richtung wirkenden Schaltelemente
können z. B. gesteuerte Gleichrichter, wie Stromtore, Trockengleichrichter oder
andere geeignete Typen sein. Halbleiterstromtore sind im Ausführungsbeispiel mit
182, 184, 186
und 188 bezeichnet. Jedes hat eine Anode, eine Kathode und eine
Schaltelektrode. Anode, Kathode und Schaltelektrode des Gleichrichters 188 sind
mit 190, 192 bzw. 194 bezeichnet. Die Gleichrichter 182 und 184 sind entgegengesetzt
gepolt und zwischen Transformatoranschlußklemme 178 und der Anschlußklemme 196 des
Verbraucherstromkreises parallel geschaltet. Die andere Ansehlußklemme des Verbraucherstromkreises
wird von der Mittelanzanfung 176 gebildet. Die Gleichrichter 186 und 188 sind ebenfalls
entgegengesetzt zueinander gepolt und sind zwischen Transformatoranschluß 180 und
Verbraucheransehluß 196 parallel geschaltet. Im Verbraucherstromkreis zwischen Anschluß
196 und der mittleren Anzapfstelle 176 befinden sich das thermoelektrische Element
18 und eine Siebdrossel 198.
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Die mit 182, 184, 186 und 188 bezeichneten Gleichrichter sind von
einem Typ, der manchmal als Festkörperthyratron bezeichnet wird und in F i g. 3
dargestellt ist. Um diese Art von Vorrichtung zu »zünden«, d. h. in den Zustand
hoher Stromführung zu bringen, muß die Anode im Verhältnis zur Kathode positiv vorgespannt
werden, und eine positive Spannung muß von der Schaltelektrode bis zur Kathode angelegt
werden, um die Schaltelektrode im Verhältnis zur Kathode positiv zu machen. Wenn
die Vorrichtung einmal im Zustand hoher Stromführung
ist, setzt
sie die Stromführung nach Wegnahme des Steuersignals unbegrenzt lange fort, bis
der Anodenstrom unterbrochen wird, z. B. durch Umkehrung der Speisewechselspannung.
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Die Sekundärwicklung 160 wird über den Schaltelektrode-Kathoden-Kreis
des Gleichrichters 182 mit Anschlußklemme 160B verbunden, die über einen Strombegrenzungswiderstand
200 mit der Schaltelektrode verbunden ist. Die Sekundärwicklung 162 ist über den
Schaltelektrode-Kathoden-Kreis des Gleichrichters 184 mit der Anschlußklemme 162B
verbunden, die durch einen Strombegrenzungswiderstand 202 an die Schaltelektrode
des Gleichrichters 184 angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung 164 ist über den
Schaltelektrode-Kathoden-Kreis des Gleichrichters 186 mit Anschlußklemme 164A verbunden,
die durch einen Strombegrenzungswiderstand 204 an die Schaltelektrode des Gleichrichters
angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung 166 ist über den Schaltelektrode-Kathoden-Kreis
des Gleichrichters 188 mit der Anschlußklemme 166A verbunden, die durch einen Strombegrenzungswiderstand
206 an die Schaltelektrode des Gleichrichters angeschlossen ist. Die Anordnung ist
derart getroffen, daß, wenn der vom Transformator 170 gelieferte Wechselstrom
VR an der Anschlußklemme 178 positiv ist, entweder der Gleichrichter 184 oder der
Gleichrichter 188 zünden wird, und zwar je nachdem, welcher von beiden einen positiven
Schaltimpuls erhält. Wenn die Wechselspannung an der Anschlußklemme 180 positiv
ist, kann entweder Gleichrichter 182 oder 186 gezündet werden, und zwar hängt es
davon ab, welcher von den beiden den positiven Schaltimpuls erhält.
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Wenn daher die Kippschaltung 122 auf den Zustand A geschaltet ist
und wenn die Anschlußklemme 1.78 positiv ist, wird entsprechend einem positiven,
an den Impulsformerkanal 80A angelegten Eingangssignal von der Sekundärwicklung
162 ein positiver Schaltimpuls an den Gleichrichter 184 angelegt, wodurch der Gleichrichter
184 in einem Stromführungswinkel gezündet wird, der von der Amplitude der an den
Kanal 80A gehenden Eingangswelle abhängt. Hieraus ergibt sich, daß Strom durch den
thermoelektrischen Verbraucher 18 in der Richtung des Pfeiles 210 fließt.
Wenn jedoch bei einer positiven Anschlußklemme 178 die Kippschaltung eines an den
Kanal 80B gelegten positiven Eingangssignals in den Zustand B geschaltet wird, so
wird ein positiver Schaltimpuls durch die Sekundärwicklung 166 an den Gleichrichter
188 angelegt, um diesen Gleichrichter ; zu zünden und einen Belastungsstrom in der
Richtung des Pfeiles 212, d. h. in der entgegengesetzten Richtung, durch Verbraucher
18 zu erzeugen.
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Wenn die Anschlußklemme 180 positiv ist und die Kippschaltung in Abhängigkeit
von einem positiven ; Signal am Eingang des Kanals 80A auf Zustand A geschaltet
wird, wird ein positives Schaltsignal durch Sekundärwicklung 160 an den Gleichrichter
182 angelegt, um einen Strom durch den Verbraucher 18 in Richtung des Pfeiles
210 zu erzeugen. Wenn andererseits die Anschlußklemme 1.80 positiv ist, wird die
Kippschaltung entsprechend auf ein positives Befehlssignal am Kanal 80B auf den
Zustand B geschaltet, und ein positiver Schaltimpuls wird von der Sekundärwicklung
164 an den Gleichrichter 186 angelegt, wodurch ein Strom durch den Verbraucher 18
in der Richtung des Pfeiles 212 erzeugt wird.
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Nun wird die Arbeitsweise des Systems beschrie.-ben. Nehmen wir an,
daß ein in der Richtung des Pfeiles 210 fließender Strom veranlaßt, daß die thermoelektrische
Wärmepumpe 18 der Zone 22 Wärme zuführt und hierdurch die Temperatur in dieser Zone
ansteigt, und daß ein in der Richtung des Pfeiles 212 fließender Strom veranlaßt,
daß das thermoelektrische Element 18 der Zone 22 Wärme entnimmt und hierdurch die
Temperatur in dieser Zone fällt. Es sei ferner angenommen, daß die Schaltung derart
getroffen ist, daß, wenn die Anschlußklemme 28 positiv ist, auch die Anschlußklemme
178 positiv ist, und daß ein Sinken der Temperatur unter den normalen Wert in der
Zone 22 ein Fehlersignal auf den Leitungen 54 und 56 hervorruft, welches phasenmäßig
mit dem Wechselstrom an den Anschlußklemmen 28 und 178 übereinstimmt und als positives
Signal an den Eingang des Impulsformerkanals 80A und gleichzeitig damit als negatives
Signal an den Eingang vom Impulsformerkanal 80B angelegt wird, wobei alle diese
Polaritäten sich umkehren, wenn der Wechselstrom in Leitung 46 umgekehrt wird. Bei
der gleichen Anordnung und mit positiven Anschlußklemmen 28 und 178 zieht ein Ansteigen
der in der Zone 22 herrschenden Temperatur über den Normalwert ein Fehlersignal
in den Leitungen 54 und 56 nach sich, das phasenmäßig um 180° gegenüber dem Eingangswechselstrom
an den Anschlußklemmen 28 und 78 versetzt ist, und als positives Signal an den Eingang
des Impulsformerkanals 80B und als negatives Signal an den Eingang des Kanals 80A
angelegt wird, wobei alle diese Polaritäten wechseln, wenn der Strom in der Leitung
46 seine Richtung wechselt.
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Die Arbeitsweise der Anordnung, wenn eine Temperatursenkung unter
den Normalwert in Zone 22
von dem Heißleiter 20 wahrgenommen wird, ist in
F i g. 4 graphisch dargestellt, worin die Wellenformen bei (a), (b), (c), (d),
(e), (f) und (g) auf den gleichen Zeitmaßstab bezogen sind. Der Eingangswechselstrom
für die Brücke 26 ist durch VIN in F i g. 4 (a), und der Wechselstrom an der Sekundärwicklung
des Transformators 170 ist durch VR in F i g. 4 (g) dargestellt. Bei der oben angenommenen
Anordnung ist das auf den Leitungen 54 und 56 erzeugte Fehlersignal, wenn die Temperatur
unter den Normalwert fällt, in phasenmäßiger übereinstimmung mit dem Eingangswechselstrom
VlN. Das Fehlersignal für diesen Zustand ist durch V£ in F i g. 4 (b) dargestellt,
worin die gestrichelten Linien die Schwellwerthöhe des Impulsformers 80 angeben.
Die Amplitude des Fehlersignals hängt vom Maß der Temperaturabweichung ab und ändert
sich mit diesem. Das Fehlersignal gemäß F i g. 4 (b) tritt während der ersten Periode
als positives Signal am Eingang des Impulsformerkanals 80A und als negatives Signal
am Eingang des Impulsformerkanals 80B auf.
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Der Transistor T4 bleibt von dem negativen Signal unberührt, da er
im Zustand der Sättigung ist. Das positive Signal an der Basis T3B führt jedoch
zu einem negativen Impuls an der Klemme 104, dargestellt in F i g. 4 (c), dessen
Vorderflanken den Vorderflanken des Fehlersignals um einen Winkel 0 nacheilen, der
von der Amplitude des Fehlersignals abhängt und sich mit dieser ändert. Dieser Impuls
erzeugt positive Impulse an den Anschlußklemmen »B« der Sekundärwicklungen des Transformators
152, um an die Gleichrichter 182 und 184, wie in F i g. 4 (e) (erste Periode) dargestellt
ist, positive Schaltimpulse anzulegen. Unwirksame negative Impulse, die während
dieser
Periode an die Gleichrichter 186 und 188 angelegt werden, sind in F i g. 4 (f) gezeigt.
Da die Anschlußklemme 1.78 während dieser Periode positiv ist, ist der positive
Schaltimpuls gemäß F i g. 4 (e) nur für die Gleichrichter 184 wirksam, um den Strom
V, in Richtung 210, in der sogenannten »Heizrichtung«, zu erzeugen [F i g. 4 (g)].
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In der nächsten (der zweiten) Halbperiode werden die Spannungen VIN,
Ve und V, umgekehrt, und ein positives Signal wird an den Impulsformerkanal 80 B
angelegt, was einen negativen Impuls an der Anschlußklemme 108 [F i g. 4 (d)] und
positive Impulse an den Gleichrichtern 186 und 188 [F i g. 4 (f)] zur Folge hat.
Da die Anschlußklemme 180 negativ ist, wird nur der Gleichrichter 186 gezündet,
wodurch der Strom V" in Richtung 210, entsprechend einer Temperatursteigerung, [F
i g. 4 (g)] erzeugt wird. Bei steigender Temperatur wird die Fehlerspannung VL geringer,
und die den Gleichrichter verlassende Spannung V0 fällt. Wenn die Fehlerspannung
VL unter die Generatorschwelle 80 fällt, werden die Zündimpulse unterbrochen,
und die Abgabe von Vo ist gleich Null. In diesem Zeitpunkt ist die Temperatur innerhalb
eines schmalen »normalen« Bereiches, dem P-Bereich, in welchem korrigierende Maßnahmen
nicht erforderlich sind. Der Zündwinkel O der Gleichrichter und damit die Größe
des sich ergebenden Stromes wird von der Größe des Fehlersignals VF bestimmt, das
seinerseits vom Maß der Temperaturabweichung abhängt.
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Wenn die Temperatur in der Zone 22 über den Normalwert steigt (über
den P-Bereich), ist die Phase des Fehlersignals V1; den Wechselspannungen VIN und
VR gegenüber um 180° verschoben. Dies ist in F i g. 5 graphisch erläutert, worin
die Wechselstromspannungen VIN und VR bei (a) bzw. (g) gezeigt sind. Die
Fehlerspannung Vr ist in F i g. 5 (b) über dem Schwellwert (gestrichelte Linie)
des Impulsformers 80 eingezeichnet. Wie in F i g. 5 (c) und (d) angegeben ist, sind
die Wirkungen auf die Impulsformerkanäle 80A bis 80B bei einer bestimmten Periode
des Eingangswechselstromes die Umkehrung der in F i g. 4 dargestellten. Ebenso sind
die von der Sekundärwelle 152 [F i g. 5 (e), (f)] erzeugten Impulse die Umkehrung
der in F i g. 4 (e), (f) dargestellten. Somit liegen für diesen Zustand Schaltimpulse
gemäß F i g. 5 (e) an dem Gleichrichter 182 während der ersten Halbperiode (Anschlußklemme
178 positiv) und an dem Gleichrichter 188 [F i g. 5 (f)] während der zweiten Halbperiode
(Anschlußklemme 180 positiv). Dies bewirkt den Ausgangsstrom V, in Richtung 212,
entsprechend einer Temperaturabnahme, zu den Thermoelementen 18, wodurch die überwachte
Temperatur zurück in den P-Bereich gebracht wird. Die Breite des P-Bereichs und
die Regelung können durch Verstellen der Eingangsschwellenhöhe des Impulsformers
80 eingestellt werden. In der Praxis ist dieser P-Bereich weniger als 1/s° Fahrenheit
breit, und es kann sogar noch schmaler gemacht werden. Der P-Bereich stellt ungeachtet
seiner Breite die »normale Temperatur« dar.