-
Schaltungsanordnung zur Spannungskonstanthaltung, 'insbesondere in
Net$anschluß&erät.en Die Erfindung besieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zur Spannungakonatanthaltung, insbesondere in Netzanschlußgeräten, bei der
ein elektrisch steuerbares Regelglied im Zuge einer Stromversorgungsleitung und
Steuerglieder, z.B. Röhren oder Transistoren, an der geregelten Ausgangsspannung
und/oder an der ungeregelten Eingangsspannung liegen und Schaltmittel benutzt sind,
die bei Überschreitung der maximal zulässigen Ausgangsbelastung die Regelglieder
derart steuern, daß der Belastungsstrom auf einen für die Anordnung unschädlichen
Wert begrenzt oder verringert wird und bei der ferner das Schaltmittel unter
anderem einen mit dem Regelglied in Serie und im Zuge der Stromversorgungsleitung
liegenden Widerstand enthält.
-
Für elektronische Geräte und insbesondere für Meßeinrichtungen werden
Gleichspannungsquellen mit konstanter Spannung und kleinem Innenwiderstand gebraucht.
Solche Geräte enthalten Steuereinrichtungen, welche die sich ändernde Eingangsspannung
auch bei wechselnder Ausgangsbelastung auf eine bestimmte, möglichst konstante Ausgangsspannung
regeln. Als Regelglied dienen in den meisten Fällen Elektronenröhren und/oder Transistoren,
deren Innenwiderstand gesteuert wird. J?a die bekannten Geräte die Ausgangsspannung
auch bei Überlastung konstant zu halten versuchen, werden sie bei Überlastung entweder
defekt oder sie fallen durch Ansprechen einer Sicherung aus.
Die.im
vorstehenden beschriebenen elektronisch stabilisierten Gleichspannungaquellen
werden häufig auch in unbemannten Stationen, z.B. in Verstärkerstationen für Fernmeldeleitungen,
eingesetzt, in denen der Ausfall eines elektronisch stabilisierten Gerätes
äußerst störend sein
würde. Erwünscht ist es daher, daß die geregelte
Spannung nach Abschalten des überlastenden Verbrauchers ohne wei-
teren Eingriff
in das Gerät wieder zur Verfügung steht.
-
So kann es beispielsweise in Anlagen, in denen die ge-
regelte
Spannung einer Gleichspannungaquelle über mehrere Aderpaare
an verschiedene Meßstellen weitergeleitet wird,
vorkommen, daß eine
der Meßatellen oder eines der Ader-
paare einen gurzschluß
aufweist. In diesen Pillen würden normale elektronisch@stabilisierte
Gleiahspannungsquellen infolge Durehbrennens einer Sicherung ausfallen,
so daß
eine Messung auch über die in Ordnung befindlichen
Meßleitungen b$w. Einrichtungen nicht mehr möglich wäre.
-
Man müßte die ausgefallene Sicherung erst ersetzen;
bevor
man weitere Messungen durchführt. Dies wäre natürlich
be-
sonders zeitraubend bei in unbemannten Ämtern eingebauten
Anlagen.
-
Es ist bekannt, daß man in spannungsstabilisierten Wetzenschlußgeräten
Röhren oder Transistoren als Regeleinrichtungen benutzt. Diese
Einrichtungen sind natürlich gegen Über-
lastung sehr empfindlich. Ganz
besonders empfindlich sind
Transistoren, weil bei ihnen die Wärmekapazität
sehr klein
ist. Aus diesem Grunde soll die Schutzeinrichtung
ohne Ver-
zögerung ansprechen. Zum Schutz gegen Überlastung
der be-
kannten Regelgeräte sind neben der Überstromsicherung
als
Schmelzsicherung noch Glimmstabilisatoren vorgesehen, die bewirken,
daß der Widerstand der Regelglieder nicht unter
einen bestimmten
Wert sinken kann. Diese Art der Sicherung
schützt aber das Gerät
nicht gegen dauernde Überlastung des Regelgliedes oder gegen Kurzschluß
am Ausgang des Gerätes.
Ea iat bereits eine Schaltungsanordnung
eines transduktorgeregelten Gleichrichters bekannt, bei dem sowohl die Spannungsregelung
als auch die Strombegrenzung durch eine Kombination von linearen und nichtlinearen
Widerständen über getrennte Steuerwicklungen erfolgt; parallel zur Spannungssteuerwicklung
des Transduktors ist ein nichtlinearer Widerstand angeordnet, der so ausgelegt ist,
daß bei kleinen Änderungen der Verbraucherspannung die Arbeitsweise einer
spannungsfühlenden Brückenschaltung nicht beeinflußt wird, während bei Abweichungen
der Verbraucherspannung, die größer als der Regelbereich der Spannungsregelung sind,
der Strom in der Spannungssteuerwicklung begrenzt und praktisch konstant gehalten
wird.
-
Es ist ferner aus der US-Patentschrift 2 759 142 eine Stromversorgungseinrichtung
bekannt, bei der als Regelglied Transduktoren benutzt werden; der Strom in den getrennten
Steuerwicklungen der Transduktoren wird mittels Transistoren gesteuert. Die Regelung
erfolgt zunächst über Steuerwicklungen und die dazugehörigen Transistoren mittels
Spannungsvergleich nach einer am Ausgang konstant zu haltenden Spannung. Überschreitet
jedoch der Belastungsstrom am Ausgang der Anordnung ein gewisses Maß, so wirkt die
an einem im Verbraucherstromkreis liegenden Widerstand abfallende Spannung auf eine
Transistorschaltung, die in einer weiteren Steuerwicklung des Tranaduktors eine
Herabsetzung der Ausgangsspannung und damit des Ausgangsstromes hervorruft. Es wird
bei dieser bekannten Einrichtung zwar eine Art Sehwellwertschaltung benutzt; der
Steuer- und der Regelkreis beeinflussen aber die Regelglieder (Transduktoren) nicht
in der gleichen Weise; denn sowohl der Steuerkreis all auch der Regelkreis besitzen
eigene Steuerwicklungen in einem zusätzlichen Steuerelement, nämlich im Transduktor.
Der Fall, daß die vom Belastungsstrom abhängige Spannung über eine Schwellwertschaltung
in entgegengesetzter
Richtung wie die Steuerspannung aus dem Steuerkreis
auf das Regelglied einwirkt, kann hier nicht eintreten.
-
Schließlich ist auch bereits eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung
und Strombegrenzung bei tranoduktorgeregelten Gleichrichteranordnungen mittels einer
Transistor-Gegentaktschaltung vorgeschlagen worden, bei der zur Erzeugung einer
konstanten Vergleichsspannung eine Zenerdiode dient und zu der Zenerdiode die Emitter-Kol7ektor-Strecke
eines Transistors parallel geschaltet ist, der von einer von dem Verbraucherstrom
abgeleiteten Gleichspannung gesteuert wird. Zur Regelung werden Transduktoren mit
getrennten Steuerwicklungen benutzt.
-
Zur Erzielung einer sogenannten Kniekurvenregelung werden hier Transduktoren
benutzt, die räumlich große Abmes:;ungen aufweisen und bezüglich ihrer elektrischen
Steuerung einen großen Aufwand verursachen; außerdem können Transduktoren nur in
Wechselstromkreisen wirksam werden.
-
Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß ein elektronisch Steuerbares Regelglied (Röhren, Transistoren) benutzt iat,
daß die Steuerelektrode des Regelgliedes sowohl mit dem Steuerglied als auch mit
dem Schaltmittel verbunden ist und daß das Schaltmittel außer dem widerstand noch
eine Schwellwertschaltung aufweist derart, de.ß das Regelglied im normalen Betriebsfall
nur von dem auf die Ein- bzw. Ausgangsspannung ansprechenden Steuerglied und beim
Überschreiten der maximal zulässigen Ausgangsbelastung durch das die Sehwellwertschaltung
enthaltende Schaltmittel geregelt wird. Bei der Schaltungsanordnung wird gegenüber
den bekannten Einrichtungen ein einziges, elektronisch steuerbares Regelglied benutzt,
das über ein und dieselbe Steuerelektrode zunächst in Abhängigkeit
von
der Spannungsregeleinrichtung und ab einem kewissen Stromschwellwert dann
von der Stromregeleinrichtung gesteuert wird..Dabei werden die Kriterien für den
. Übergang von Spannungs- auf Stromregelung nicht mit Hilfe nichtlinearer Widerstände
oder verschieden wirksamer Steuer-- Wicklungen von Transduktoren, sondern durch
bloßen Spannungsvergleich in einer Schwellwertschaltung gewonnen. Transistoren als
Regelglieder sind gegenüber Transduktoren insbesondere wegen ihrer trägheitslosen
Arbeitsweise von besonderem Vorteil.
-
Man kann den in Serie liegenden Widerstand des Schaltmittels auch
durch zwei Teilwicklungen eines Relais bilden und das Relais und das Regelglied
so zusammenschalten, daß die eine Teilwicklung im Normalzustand durch einen Ruhekontakt
des Relais überbrückt ist und die an beiden Teilwicklungen bei Ansprechen
des Relais abfallende Spannung über eine Sohwellwertschaltung dem Regelglied
zugeführt wird, sobald das Relais infolge zu großen Belastungsstromes angezogen
hat. Den Widerstand und die Windungszahlen der Wicklungen des Relais bemißt man
so, daß sich das Relais bei der durch Öffnung des Ruhekontaktes bedingten Verringerung
des Be-lastungsstromes in der Arbeitslage hält. Die Schwellwertsehaltung
besteht varteilhafterweise aus einen Gleichrichter, der durch die
am Regelglied wirkende Steuerspannungen in Sperrichtung vorgespannt ist und erst
stromdurchlässig wird, wenn die an dem stromdurchflossenen Widerstand des
Schaltmittels abfallende Spannung die ursprüngliche Steuerspannung übersteigt. Als
Schwellwertschaltung kann auch $.B. ein Gleichapannungsverstärker mit Gleichrichtereigenschaft
dienen. A19 Schwellwertschaltung kann ferner eine in Sperrichtung betriebene Halbleiterdiode
(Zenerdiode) benutzt werden, bei der ein Teil der Durchbruchsspannung
durch eine Vorspannung kompensiert wird.
-
-Das Schaltmittel kann man so bemessen, daß das Regelglied
auch
bei Kurzsahluß der an sich geregelten Ausgangsspannung nicht überlastet
wird. In einer weiteren Ausgestal-tung der Erfindung kann man als Schaltmittel
ein polari-
siertes Relais. mit einer dritten Wicklung benutzen, die
parallel
zu den Ausgangsklemmen der Schaltungsanordnung derart geschaltet ist,
daB die Erregung der im Weg des
Belastungsstroaes liegenden
Wicklungen entgegenwirkt,
und dafl ferner die Wicklungen so bemessen sind,
daß ein Ansprechen des Relais kurz nach Einsatz der Strombegren-
zung
durch steiles Anateigen der Erregung erfolgt. In
vorteilhafter
Weise kann man den Gleiehapannungsverstärker mit Gleichrichtereigensahaften
durch eine Transistor-
schaltung bilden, deren Transistor mit seinem
Emitter am ausgangsseitigen Ende des vom Belaatungastrom durchflossenen
Widerstandes liegt, mit seinem Kollektor an
Steueranschluß des Regelgliedes
und mit seiner Basis am Abgriff eines Spannungsteilers liegt, der zwischen
dem
auagangaseitigen Ende des Regelgliedes und dem über einen
Yorwiderstand
von der Ausgangsspannung gespeisten Pol des
als Normalspannungsquelle
dienenden Stabilisatorelementes liegt; diese Schaltungsanordnung soll
so bemessen sein,
daß der Transistor bei unter dem zulässigen Grenzwert
liegenden
Auagangsatrömen gesperrt 13t, während der Kollek-
tor Strom führt,
wenn der Grenzwert der Belastung über-
schritten ist.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Auaführungsbeispielen
näher erläutert.
-
In der Fig.1 ist eine Prinzipschaltung für
die Schaltungsanordnung nach der Erfindung gezeigt, bei der das
elektrisch
steuerbare Regelglied 1 im Zuge einer Stromversorgungslei-
tung
2 angeordnet ist. Das Steuerglied 3 kann, von der ge-
regelten
Spannung 4 beeinflußt, das Regelglied 1 so steuern,
daß die ungeregelte
Spannung 5 durch Variation des Innen-
widerstandes
des Regelglieder 1 auf die konstante, geregelte Spannung 4 gebracht wird. In der
Stromversorgungsleitung 2 ist ein Schaltmittel 6 vorgesehen, welches bei Überschreitung
des maximal zulässigen Belastungsstromes das Regelglied 1 so steuert, daß der Belastungsstrom
7 infolge Absinkens der an sich geregelten Ausgangsspannung 4 auf einen für die
Anordnung unschädlichen Wert begrenzt wird oder unter den Wert der maximalen Belastung
sinkt. Das Regelglied 1 wird dann also in Abhängigkeit vom Belastungsstrom 7 gesteuert.
Diese Steuerung darf natürlich erst dann erfolgen, wenn der maximale Ausgangsstrom
überschritten wird. Ein Ausführungsbeispiel für eine derartige Schaltung ist in
Fig.2 dargestellt. Als elektrisch steuerbares Regelglied 1 ist in dieser Schaltungsanordnung
eine Elektronenröhre benutzt und als Schaltmittel 6 dient unter anderem ein mit
dem Regelglied 1 in Serie und im Zuge der Stromversorgungsleitung 2 liegender Widerstand
B. Das Schaltmittel weist noch eine Schwellwertochaltung auf, die derart aufgebaut
ist, daß die an dem Widerstand 8 entstehende Spannung erst ab einer gewissen Größe
die Steuerung an dem Regelglied 1 übernimmt. Die Schwellwertachaltung besteht in
diesem Fall' aus einem Gleichrichter 9, der durchlässig wird, sobald der Spannungsabfall
an dem Widerstand 8 größer wird als der Spannungsabfall an dem Widerstand 10. Die
an dem Z'iiderstand 8 abfallende, dem Belastungsstrom 7 proportionale Spannung beeinflußt
somit die n ormale, auf das Regelglied 1 wirkende Steuerspannung im den Belastungsstrom
begrenzenden bzw. verkleinernden Sinn von dem Zeitpunkt an, in welchem der Belastungsatrom
7 den maximalen Wert überschreitet.
-
In der Entladungsstrecke 11 wird in bekannter Weise eine Vergleichsspannung
erzeugt, die ein Spannungsnormal für die konstante Ausgangsspannung darstellt. Durch
den Spannungsteiler 12 kann in ebenfalls bekannter Weise die Größe der konstanten
Ausgangsspannung eingestellt werden; der Spannungsabgriff bestimmt hier nämlich
die Gitterspannung
für das Steuerglied 3. Das Steuerglied 3 wirkt
hier gleichzeitig als Verstärker, so dar man die Ausgangsspannung sehr genau konstant
halten kann.
-
In vorteilhafter Weise kann man zwischen die Schaltmittel 6 und das
Regelglied 1 einen Verstärker sehalten, der selbst die Funktion einer Schwellwertschaltung
erfüllt. Man gewinnt so die Möglichkeit, daß man den maximalen Ausgangsstrom 7 scharf
begrenzt. Besitzt ein solcher Verstärker beispielsweise Kippeigenschaften, dann
kann bei einem bestimmten Wert des Ausgangsstromes dieser Strom sprunghaft verringert
werden; man muß dabei Lia2-nahmen treffen, die keine unerwünschte Mitkopplung für
andere Glieder, die in der Schaltungoanordnung benutzt werden, entstehen lassen.
-
In der Fig.3 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, bei der das
Schaltmittel ein Relais 13 aufweist. Dieses Relais stellt praktisch einen Verstärker
mit Kippeigenschaft dar. Es besitzt drei Wicklungen a, b und e. Die Wicklung a bildet
einen vom Belastungsstrom 7 durchflossenen Widerstand. Im Normalzustand wird der
von der Wicklung a erzeugte magnetische Fluß durch die gegengeschaltete Spannungswicklung
c dieses Relais kompenciiert. Der m-Kontakt liegt auf dem Kontakt T und schließt
die Wicklung b kurz. Sobald der Au:3gangsstrom die Größe des maximal zulässigen
Stromes erreicht, wird die Strombegrenzung über den Gleichrichter 9 wirksam. Bei
zu hohem Ausgangsstrom wird die Ausgangsspannung 4 sinken. Damit überwiegt der magnetische
Fluß der Wicklung a des Relais gegenüber dem abfallenden magnetischen Fluß, erzeugt
durch die Wicklung c; der Kontakt m hebt von T ab. Durch Einschalten der Wicklung
b wächst der in der Stromversorgungsleitung liegende Widerstand sprunghaft, so daß
der Ausgangsstrom 7 sprunghaft verringert wird. Die auf den
Anker
A wirkende Kraft in Richtung auf den Z-Kontakt wird verstärkt durch weiteres Absinken
der Erregung der Wicklung c und durch die. zusätzliche umgekehrte Erregung der Wicklung
b, so daß der Anker A auf Z umschlägt. Damit ,kann die Überlastung der Schaltungsanordnung
beispielsweise durch Aufleuchten einer Glimmlampe 14 angezeigt werden. Wird der
Belastungswiderstand 15 abgeschaltet oder dessen Wert vergrößert, so tritt wieder
der Fall ein, daß der m-Kontakt des Relais in seine ursprüngliche Stellung zurückschalten
kann. Die Schaltungsanordnung kann wieder normal arbeiten und braucht nicht erst
durch äußere Eingriffe dazu veranlaßt zu werden.
-
In der Fig.4 ist die Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer konstanten
Verbraucherspannung unter Benutzung von Transistoren dargestellt. Sowohl das Regelglied
1 als auch das Steuerglied 3 enthalten je einen Transistor. Wegen der unterschiedlichen
Potentialverhältnisse gegenüber einer Röhre muß die Steuerspannung an der Basis
des Transistors 1 im Überlastungsfall durch einen Gleichrichter begrenzt werden,
dem eine zusätzliche Spannungsquelle in Reihe geschaltet ist. Zu diesem Zweck
wird vorteilhafterweise die bekannte Zenerdiode 16 benutzt. Ein Teil der sogenannten
Zenerspannung kann gegebenenfalls durch die an dem Potentiometer 17 abgenommene
Spannung kompensiert werden. Dadurch läßt sich der Maximalwert des Belastungsstromes
festlegen. Als Vergleichsspannung wird die an der zweiten Zenerdiode 18 abfallende
Spannung benutzt. Das Regelglied 1 kann mit Vorteil auch durch einen Verbundtransistor
gebildet werden. Ein Beispiel hierfür ist in fig.5 symbolisch dargestellt.
Den Transistor 3 kann man mit einem Kondensator 19 überbrücken, um ein Schwingen
der Schaltung mit Sicherheit auszuschalten. Die Fig.6 zeigt eine Schaltungsanordnung
zur Spannungskonstanthaltung,
bei der das Regelglied durch
einen
Verbundtransistor 20 gebildet ist. Sie enthält den vom Ausgangsstrom
durchflossenen Widerstand 8 und die Normalspannungsquelle 18 in Form einer
Zenerdiode. Das Steuerglied besteht aus dem Transistor 3 mit parallel geschaltetem
Kondensator 19. Die Schaltungsanordnung enthält eine weitere Zenerdiode 21, die
der Erhöhung der Meßempfindlichkeit dient. Die auf den Transistor 3 wirkende Basisspannung
ist damit abhängig von dem Verhältnis der Zenerspannung an der Zenerdiode
18 zu der Differenz aus der geregelten Ausgangsspannung und der Zenerspannung
an der Zenerdiode 21. Durch den Widerstand 22 wird in an sich bekannter Weise
eine Stromkompensation erreicht, wodurch gewisse Restfehler
der Ausgangsspannung
ausgeglichen werden können. Der
Schutz gegen Überlastung
der Schaltungsanordnung erfolgt
mit Hilfe der Schaltungselemente 23,
24 und 259 26 und 27. Solange der Ausgangsstrom kleiner a19 der maximal
zu-
lässige Belastungsstrom ist, ist das Basispotential für den Transistor
23 über die Widerstände 24 und 25 positiv höher als das des Emitters. Sobald
der Ausgangsstrom den maximal zulässigen Belastungsstrom erreicht, sind
die Potentiale von Basis und Eaitter gleich. Der Transistor 23
beginnt den Verbundtransistor 20 entgegen der Wirkung des Transistors
3 zu steuern. Wird nun der Belastungsstrom nur ein wenig vergrößert,
so sinkt die an sich geregelte
Ausgangsspannung sprunghaft. Sie unterschreitet
die an der
Zenerdiode 18 abfallende Vergleichsspannung, so daB
der
Innenwiderstand der Zenerdiode 18 groß wird; dadurch
ist
die für den Transistor 23 wirksame Basis-Bmitterspannung
praktisch gleich dem Spannungsabfall am Widerstand B. Dieser Spannungsabfall
sinkt so weit, wie es das Gleich-
gewicht zwischen Transistor
23 und dem Verbundtransistor 20 erfordert, d.h. der Ausgangsstrom
wird stark verringert.
-
Da die Schaltungsanordnung eine Regelung auf konstanten
Strom
bewirkt, kann der Ausgang auch ohne Schaden kurzgeschlossen werden; der die Zenerdiode
18 überbrückende Kondensator 27 sichert, das beim Einschalten des Gerätes
die Spannungsregelung vor der Stromregelung wirksam wird. Die Diode 26 kann.
durch den Kondensator 27 bedingte Kippschwingungen verhindern. Die Stromverringerung
tritt bei der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung praktisch verzögerungsfrei ein.
Der Widerstand 8 kann gegebenenfalls Strom- und/oder temperaturabhängige Eigenschaften
aufweisen.