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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung, insbesondere zur Anwendung
bei einer Stromversorgungsanlage mit konstant geregelter Ausgangsgleichspannung,
bestehend aus einem in Reihe zwischen Stromquelle und Lastwiderstand angeordneten
und vorzugsweise aus einem Transistor bestehenden und von einem eine Hilfsspannungsquelle
benötigenden Taktgeber rhythmisch zu öffnenden und zu schließenden Schaltglied und
einer Drosselspule als Energiespeicher.
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Stromversorgungsanlagen dieser Art, die mit einem Schalter und einer
Drosselspule zur Energiespeicherung arbeiten, sind an sich bekannt (siehe z. B.
Zeitschrift »Elektronik«, 1961, Nr. 6, S. 177, Bild 6), jedoch sollen ihr prinzipieller
Aufbau und ihre Wirkungsweise zum besseren Verständnis kurz erläutert werden. Die
Schaltung einer derartigen Anlage ist in der F i g. 1 schematisch dargestellt. Als
Stromquelle dient beispielsweise eine Batterie B mit der Spannung U 1, die
an den Eingangsklemmen 1-1' eines Regelvierpols liegt, an dessen Ausgangsklemmen
2-2' der Verbraucher, z. B. ein Lastwiderstand RL angeschlossen ist. Der
Regelvierpol besteht aus einer Drossel Dr im Längszweig, einem Siebkondensator C
im Querzweig und einem Schalter S ebenfalls im Längszweig des Vierpols. Parallel
zum Eingang, nach dem Schalter S, ist ein Gleichrichter Gr so angeordnet, daß der
Gleichrichter bei geschlossenem Schalter in Sperrichtung beansprucht ist. Die Arbeitsweise
dieser Schaltung ist wie folgt: Wird der Schalter S geschlossen, so lädt sich der
Kondensator C über die Drossel Dr auf, und an der Drossel Dr liegt die Differenz
zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung des Regelvierpols. Die Drossel wirkt als
Verbraucher, die Klemme 1' ist positiver als die Klemme 2'. Die Gegenspannung der
Drossel wird durch eine Stromänderung erzeugt, deren Geschwindigkeit sich aus der
Beziehung
ergibt. Bei Verwendung einer Drossel mit Luftspalt, d. h. weitgehend stromunabhängiger
Induktivität, bedeutet dies einen linearen Anstieg des Stromes in der Drossel. Wird
nun der Schalter geöffnet, so erzeugt die in der Drossel gespeicherte Energie eine
Spannung mit umgekehrter Polung, d. h., die Klemme 1' ist negativ gegenüber
der Klemme 2'. Da der Schalter S geöffnet ist, wird nun der Gleichrichter
Gr in Flußrichtung beansprucht, und die in der Drossel gespeicherte Energie kann
auf den Kondensator C und den Lastwiderstand RL abfließen. Durch entsprechendes
rhythmisches Ein- und Ausschalten des Schalters S kann also erreicht werden, daß
bei Lastschwankungen am Ausgang an den Klemmen 2, 2' stets die gleiche, also
hochkonstante Verbraucherspannung U2 anliegt. Es ist daher nur nötig, den Schalter
S entsprechend häufig auf und zu zu steuern, und dies geschieht mit Hilfe eines
Taktgebers T. Dem Taktgeber wird eine Regelspannung über die Klemmen 3,
4 zugeführt, die beispielsweise als Teilspannung der Ausgangsspannung U2
am Potentiometer P abgegriffen ist. Zur Steuerung des Schalters S, der vorzugsweise
aus einem Transistor besteht, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in bekannter Weise
als Schalter betrieben ist und dessen Basis entsprechend vorgespannt wird, ist eine
Hilfsenergie nötig, die als Spannung US an den Klemmen 5, 6 des Taktgebers
anliegt. Diese Versorgungsspannung US für den Taktgeber wird im einfachsten Fall
der Batterie B direkt oder über Spannungsteiler entnommen. Sind jedoch die Schwankungen
der Eingangsspannung Ui größer als für den Taktgeber zulässig, so muß die Speisespannung
für den Taktgeber besonders stabilisiert werden. Diese Stabilisierung erfolgt nach
der F i g. 1 in üblicher Weise durch eine Zenerdiode Z und den Widerstand R. Die
Stabilisierung ist bei Forderung nach einem großen Regelbereich meist sehr aufwendig.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, diesen Aufwand
zu verringern, d. h. die Gewinnung dieser Versorgungsspannung für 'den Taktgeber
eines im vorhergehenden beschriebenen Reglers für konstante Ausgangsgleichspannung
wesentlich zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Schaltung der einleitend beschriebenen
Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stromversorgungsklemmen des Taktgebers
während des Startvorganges des Reglers, also kurz nach dem Einschalten bis zum Zeitpunkt,
zu dem die Ausgangsgleichspannung des Reglers den Sollwert wenigstens annähernd
erreicht hat, an eine Hilfsspannungsquelle und während der übrigen Betriebszeit
an die geregelte Ausgangsgleichspannung des Reglers angeschaltet sind.
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Hierdurch wird erreicht, daß der Taktgeber ohne weiteren Stabilisierungsaufwand
aus der bereits geregelten Ausgangsspannung versorgt werden kann. Da der Schalter
im ruhenden Zustand der Anordnung geöffnet ist bzw. der Schalttransistor gesperrt
ist, sind Mittel vorgesehen, die beim Starten der Anordnung zunächst den Taktgeber
mit Strom versorgen.
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Dies ist in vorteilhaft einfacher Weise bei Gleichstromspeisung des
Reglers derart ermöglicht, daß das Schaltglied mit einem Widerstand überbrückt ist,
über den ein am Ausgang des Reglers angeordneter Siebkondensator nach dem Einschalten
des Reglers zunächst aufgeladen wird, und daß am Ausgang des Reglers eine Spannungsüberwachung,
vorzugsweise in Form eines Relais, vorgesehen ist, die beim Erreichen der zum Starten
des Taktgebers notwendigen Versorgungsspannung deren Zuführung vom Reglerausgang
her, vorzugsweise über einen Kontakt des Relais, bewirkt.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, die Größe dieses Widerstandes so zu
wählen, daß einerseits die Ansprechspannung der Spannungsüberwachungsschaltung in
kurzer Zeit erreicht ist und andererseits der Regelbereich der Anordnung nicht eingeschränkt
wird. Eine vorteilhafte Variante der Schaltung besteht darin, den dieses Schaltglied
überbrückenden Widerstand über einen Ruhekontakt des Relais der Spannungsüberwachung
anzuschalten.
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Bei Speisung des Reglers aus dem Wechselstromnetz ist es vorteilhaft,
von einer weiteren Wicklung des Netztransformators eine Hilfswechselspannung zu
gewinnen, die gleichgerichtet und gesiebt den Taktgeber während des Startens der
Regelanordnung mit Strom versorgt und die nach Erreichen der Ansprechspannung der
überwachung durch diese vom Steuerteil wieder abgetrennt wird.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, in die Hilfsspannungszuführung vom Reglerausgang
zum Taktgeber einen Gleichrichter so einzufügen, daß nur ein Stromfluß vom Reglerausgang
zum Taktgeber möglich ist.
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Ist eine wahlweise Speisung des Reglers aus einer Batterie oder aus
dem Wechselstromnetz vorgesehen,
So ist es vorteilhaft, am Spannungsüberwachungsrelais
einen ersten Kontaktsatz vorzusehen, der den Taktgeber an den Reglerausgang anschaltet
und außerdem einem zweiten Kontakt, der die Hilfsspannungsquelle abtrennt und parallel
zum Ladekondensator der Netzgleichrichteranordnung über ein Ventil, das nur einen
Stromfluß von der Batterie zum Reglereingang zuläßt, die Batterie anzuschalten;
ferner die Spannungen von Batterie und Netzgleichrichter so auszulegen, daß bei
Ausfall der Netzspannung die Batterie die Stromversorgung übernimmt.
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Zum Schutz des Schaltgliedes bei sekundärem Kurzschluß ist es vorteilhaft,
parallel zum Eingang der Steuerteilstromversorgung einen Kondensator zu schalten,
der so ausgelegt ist, daß er nach dem Kurzschluß den Taktgeber noch kurze Zeit versorgen
kann und Ventile vorzusehen, die eine Entladung des Kondensators in die Quelle vermeiden.
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Für manche Anwendungszwecke ist es vorteilhaft, das Überwachungsrelais
über einen Transistor zu schalten oder das Überwachungsrelais selbst durch einen
oder mehrere Schalttransistoren zu ersetzen.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Schaltungsbeispielen, die
in den F i g. 2 bis 6 dargestellt sind, näher beschrieben.
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In der F i g. 2 ist die Prinzipschaltung eines Reglers der eingangs
geschilderten Art dargestellt. Wie an Hand der F i g. 1 bereits näher erläutert,
wird für die Steuerung des Schaltgliedes S ein besonderer Taktgeber T verwendet.
Dessen Regelspannung wird am Abgriff des Potentiometers P gewonnen. Der Taktgeber
T benötigt zur Betätigung des Schalters, der in den meisten Fällen aus einem Schalttransistor
bestehen wird, eine Hilfsspannung, die an den Klemmen 5 und 6 des Taktgebers angelegt
ist. Erfindungsgemäß wird diese Hilfsspannung aus dem geregelten Ausgangskreis der
Stromversorgungsanlage entnommen. Auf diese Weise werden zusätzliche Stabilisierungsmaßnahmen
für diese Hilfsspannung eingespart und der Taktgeber auf einfache Weise mit einer
konstanten Spannung versorgt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Stromversorgungsanlage
aus einer Gleichspannungsquelle, nämlich von der Batterie B, mit der Spannung Ui
gespeist. Da der Taktgeber T beim erstmaligen Anlegen der Spannung U1 an die Klemmen
1-1' zunächst den Schalter S betätigen muß, ist es notwendig, diesen Taktgeber zuerst
mit Strom zu versorgen. An den Reglerausgang ist zu diesem Zweck eine Spannungsüberwachungseinrichtung
Ü angelegt und der Schalter S durch einen Widerstand überbrückt, über den beim Anschalten
der Batterie zunächst der Kondensator C 2 so weit aufgeladen wird, daß ein in der
Spannungsüberwachungsschaltung befindliches Relais ansprechen kann. Ein Kontakt
ü1 der Spannungsüberwachungseinrichtung legt daraufhin die Klemmen 5, 6 des Taktgebers
an die Ausgangsklemmen 2-2' des Reglers, so daß die im Siebkondensator C2 gespeicherte
Energie dem Taktgeber zufließen kann. Der erste vom Taktgeber gelieferte Impuls
schaltet daraufhin das Längsglied des Reglers, in diesem Fall den Schalter S, einmal
oder mehrmals durch, bis die Sollspannung am Reglerausgang erreicht ist. Danach
arbeitet der Regler in der bei der Beschreibung der F i g. 1 erläuterten Weise weiter.
Die Spannungsüberwachungseinrichtung soll bei einer Spannung von etwa 80% des Sollwerts
der Reglerausgangsspannung ansprechen. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, daß
beim ersten Aufladevorgang parallel zum Siebkondensator C 2 an den Klemmen 2-2'
keine Belastung liegt. Es ist deshalb vorteilhaft, den Regler über fremdgesteuerte
Umrichter zu belasten, deren Steuerspannung ebenfalls vom Taktgeber des Reglers
geliefert wird. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es jedoch möglich, die Last
über einen weiteren nicht dargestellten Arbeitskontakt der Spannungsüberwachungseinrichtung
anzuschalten.
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Der Wert des Widerstandes R wird so gewählt, daß der leer laufende
Reglerausgang einerseits in kurzer Zeit auf die Ansprechspannung der Spannungsüberwachungseinrichtung
Ü gebracht werden kann und daß andererseits der Regelbereich besonders im Leerlauf
nicht eingeschränkt und hierdurch der Wirkungsgrad des Reglers nicht wesentlich
verschlechtert wird. Die Größe von Rist daher weitgehend von der Auslegung des Reglers,
d. h. besonders von dessen Durchflußleistung abhängig. Der Widerstand R kann aber
dann einen geringen Wert erhalten, wenn ein Ruhekontakt ü3 der Spannungsüberwachungseinrichtung
an Stelle der Verbindung 7-8 vor den Widerstand R eingeschaltet wird. Durch
diesen Kontakt ü, wird der Widerstand nach dem Erreichen der Ansprechspannung der
Spannungsüberwachungseinrichtung vollkommen abgeschaltet und kann daher die weitere
Funktion des Reglers nicht mehr beeinflussen. In jedem Ausführungsfall ist es jedoch
zweckmäßig, die Spannungsüberwachungseinrichtung Ü möglichst empfindlich auszulegen
und so, daß sie bei einer genau definierten Ausgangsspannung des Reglers anspricht.
Dies wird am besten mit Hilfe einer Transistorschaltung erreicht, wie sie z. B.
in der F i g. 3 skizziert dargestellt ist.
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Die F i g. 3 zeigt den die Spannungsüberwachungseinrichtung U beinhaltenden
Teil der F i g. z. Bei dieser Schaltungsanordnung liegt im Emitter-Kollektor-Kreis
eines Transistors Ts das eigentliche Überwachungsrelais U' an Spannung. Die Basis
dieses Transistors wird über einen Spannungsteiler, bestehend aus den beiden Zenerdioden
DZ 1, DZ 2 und den beiden Widerständen W 1 und W 2 in
der dargestellten Weise über eine Anzapfung zwischen W1 und W2 gesteuert. Der Vorgang
verläuft so, daß die Reglerausgangsspannung beim übersteigen der Zenerspannung der
beiden Zenerdioden DZ1 und DZ2 einen Strom im gesamten Spannungsteiler hervorruft.
Der Spannungsabfall am Widerstand W 2 macht die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors
leitend, wodurch das Relais Ü' anspricht. Ein Arbeitskontakt ü1 des Relais Ü' überbrückt
die Zenerdiode DZ1 und vergrößert damit den öffnenden Basisstrom des Transistors,
wodurch ein Kippeffekt entsteht und die Schaltung sich selbst hält. Ein weiterer
Arbeitskontakt ü2 des gleichen Relais legt die Klemmen 5, 6 des Taktgebers T des
Reglers (F i g. 2) an den Reglerausgang, d. h. an die Klemmen 2-2'. Das Relais
ü' fällt erst dann wieder ab, wenn die Reglerausgangsspannung die Zenerspannung
der Diode DZ2 unterschreitet, wodurch ein genügender Sicherheitsabstand gegen Abfallen
bei geringen Störamplituden gegeben ist. Bei einem 24-V-Regler ist dies beispielsweise
bei Absinken der Spannung auf 14 V der Fall.
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Die Schaltung nach der F i g. 3 kann duch Ersatz des Relais Ü' durch
einen weiteren Transistor kontaktlos ausgeführt werden. Ein Schaltbeispiel hierfür
zeigt die F i g. 4. In dieser Figur ist gegenüber der F i g. 3 der Kontakt ü1 des
Relais Ü' durch einen Transistor Ts 1 ersetzt. Bei dieser Überwachungsschaltung
wird,
wie bereits bei F i g. 3 geschildert, zunächst der Transistor Ts leitend, dessen
Kollektorkreis an Stelle der Relaiswicklung eine Serienschaltung der Zenerdiode
DZ 3 und der Widerstände W 3
und W 4 enthält. Parallel zu dieser
Serienschaltung ist der Taktgeber T geschaltet, so daß dessen Klemmen 5, 6 beim
Durchschalten des Transistors Ts an die Reglerausgangsspannung angelegt sind. Durch
den Spannungsabfall am Widerstand W 3 wird nach dem Transistor Ts auch der Transistor
Ts1 leitend, der die Diode DZ1 überbrückt, wodurch wieder eine Stromverstärkung
im Transistor Ts hervorgerufen wird mit dem beim Ausführungsbeispiel nach der F
i g. 3 geschilderten Folgeeffekt. Damit nicht schon Störspannungen die Schalter
zumAnsprechen bringen können, ist die Zenerdiode DZ3 vorgesehen, so daß im Kollektorkreis
des Transistors Ts erst nach Erreichen einer Schwelle Strom fließen kann. Diese
Schaltung hat durch den Wegfall mechanischer Kontakte eine höhere Betriebssicherheit
und ist daher in vielen Fällen vorteilhaft anzuwenden.
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Oft wird die Speisung des Reglers nicht aus einer Batterie, sondern
aus dem Wechselspannungsnetz vorgenommen werden. Bei dieser Speisungsart wird der
Taktgeber des Reglers mit Vorteil zunächst von einem Hilfskreis mit Strom versorgt.
Die Spannung für diesen Hilfskreis wird zweckmäßig einer weiteren Wicklung eines
dann an sich notwendigen Netztransformators entnommen. Ein Schaltungsbeispiel hierfür
ist in der F i g. 5 dargestellt. Eine Sekundärwicklung des gemeinsamen Netztransformators
Tr wird über die Gleichrichter Gr 4 an die Klemmen 1-1' des
Reglers angelegt. Parallel zu diesen Klemmen 1-1' ist noch der Ladekondensator C4
gelegt. Der Hilfskreis zur Versorgung des Taktgebers wird von einer zweiten Sekundärwicklung
des Netztransformators Tr, den Gleichrichtern Gr3 und dem Ladekondensator C3 gebildet.
über einen Ruhekontakt ü der im Reglerausgang an den Klemmen 2-2' angeschalteten
Spannungsüberwachungseinrichtung Ü kann der Hilfskreis an die Klemmen 5 und 6 des
Taktgebers T angeschaltet werden. Die Klemmen 2-2' sind mit den Eingangsklemmen
des Steuerteiles 5, 6 über einen Gleichrichter Gr 1 verbunden, so daß ein
Stromfuß nur in Richtung Reglerausgang - Taktgebereingang erfolgen kann. Beim Einschalten
des Reglers wird also zunächst über den Ruhekontakt ü der Taktgeber mit Strom versorgt,
und nach ein oder mehrmaligem Durchschalten des Schalters S wird das Relais zum
Ansprechen gebracht. Der Hilfskreis wird durch den Kontakt ü vom Taktgeber abgetrennt,
und die weitere Versorgung des Taktgebers erfolgt vom Reglerausgang her. Bei dieser
Schaltung im Hilfskreis darf der Reglerausgang bereits beim Einschalten der Anordnung
belastet sein. In diesem Fall ist es auch kaum nötig, das Relais durch eine elektronische
Schaltung zu ersetzen, da eine besondere Empfindlichkeit der Spannungsüberwachungseinrichtung
nicht erforderlich ist. Das Schaltglied S des in der F i g. 5 skizzierten Reglers
befindet sich hinter dem Hauptgleichrichter Gr4. Die Speisung des Steuerteils vom
Ausgang des Reglers her kann jedoch auch bei einem Regler mit gesteuerten Gleichrichtern,
beispielsweise Silizium-Stromtoren, vorgenommen werden.
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In manchen Anwendungsfällen ist es zweckmäßig, eine wahlweise Speisung
aus dem Wechselspannungsnetz oder einer Batterie vorzusehen, besonders dann, wenn
bei Netzausfall die Versorgung des Verbrauchers aufrechterhalten werden soll. Eine
für diesen Fall günstige Schaltungsanordnung ist in der F i g. 6 dargestellt. Diese
Schaltungsanordnung stellt eine Kombination der Schaltungen nach den F i g. 2 bis
5 dar. An den Eingangsklemmen 1-1' des Reglers liegen jetzt der Hauptgleichrichterkreis
Gr4 und die Batterie B über den Gleichrichter Gr6 parallel. Der Gleichrichter Gr
6 soll einen Stromfuß vom Netzteil zur Batterie verhindern. Zum Anlassen des Taktgebers
T bei Anlegen der Netzspannung dient wieder der Netzhilfskreis mit dem Gleichrichter
Gr3 und dem Ladekondensator C3. Zum Anlassen bei Batteriebetrieb dient der Widerstand
R, der das Schaltglied S überbrückt. Dieser Widerstand kann wiederum, wie in der
Figur durch die gestrichelte Verbindung angedeutet, über einen Ruhekontakt ü. des
Relais angeschaltet werden, während die Verbindung 7-8 dann entfällt. Die Spannungsüberwachungseinrichtung
Ü sorgt einerseits durch einen Kontakt ü2 für die Abschaltung des Netzhilfskreises
und andererseits durch den Kontakt üi für die Anschaltung der Reglerausgangsspannung
an die Klemmen 5, 6 des Taktgebers T. Da die Gleichspannungsquelle
B durch das Ventil Gr6 vom Netzteil des Reglers entkoppelt ist, kann bei
geeigneter Wahl der Spannungen die Gleichspannungsquelle dauernd angeschaltet bleiben,
um nur bei einem Netzausfall die Versorgung des Reglers zu übernehmen. Auf diese
Art kann ein völlig unterbrechungsfreierBetrieb gewährleistet werden.
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Der in der F i g. 6 noch zusätzlich vorhandene Gleichrichter Gr5 ist
zusammen mit dem Kondensator C 1 dazu vorgesehen, um bei einem sekundären Kurzschluß
des Reglers die Versorgung des Taktgebers noch einige Millisekunden nach dem Kurzschluß
aufrechtzuerhalten. Beim sekundären Kurzschluß würde nämlich auch der Taktgeber
spannungslos sein, und eine für den Kurzschlußfall vorgesehene Strombegrenzerschaltung,
die in der F i g. 6 der Einfachheit halber nicht eingezeichnet ist, kann dem Schaltglied
S des Reglers keinen Sperrbefehl geben, so daß das Schaltglied gefährdet wäre. Mit
dem aufgeladenen Kondensator C 1, der in den Schaltbeispielen der F i g. 2, 4 und
6 vorhanden ist, wird in dieser Phase die Stromversorgung des Taktgebers noch kurze
Zeit aufrechterhalten, so daß das Schaltglied gesperrt werden kann. Ein Abfließen
der Kondensatorladung von C 1 auf den Reglerausgang wird in allen drei Fällen durch
den Gleichrichter Grl verhindert, während das zusätzliche Ventil Gr 5 in
F i g. 6 die Entladung des Kondensators C1 auf den spannungslosen Siebkondensator
C 3 des Hilfskreises über den abgefallenen ü2-Kontakt vermeidet.