DE1954397A1 - Spannungsregler - Google Patents

Description

Beschreibung zum Patentgesuch

der Wanlass Electric Company, 1540 East Edinger Street,

Santa Ana, California/USA

betreffend:

¹¹ Spannungs- egl er "

Die Erfindung betrifft einen Spannungsregler.

In der deutschen Patentanmeldung P 15 88 957 ist ein Spannungsregler beschrieben, bei dem ein parametrischer Schaltkreis für die Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung aus einer ungeregelten Eingangswechselspannung benutzt wird. Der parametrische Schaltkreis umfaßt dabei einen LC-Schaltkreis, dessen induktive Komponente ein variabler Induktor der Bauart ist, die in der US-Patentschrift 3 403 323 beschrieben ist. Die Theorie und die Wirkungsweise dieses variablen Induktors und des parame-' trischen Schaltkreises sind in den genannten Literaturstellen ausführlich erläutert, so daß hier nur kurz wiederholt zu werden braucht:

Der variable Induktor naoh der US-Patentschrift 3 403 323 umfaßt einen ferromagnetischen Kern mit einem Paar von Wicklungen. Der Kern ist so aufgebaut, daß er vier gemeinsame Bereiche oder "Söhenkel" besitzt sowie

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zwei End- oder Verbindungsabschnitte für die magnetische Kopplung der gemeinsamen Bereiche. Die Wicklungen sind auf den Endabschnitten mit ihren Achsen um 90° gegeneinander versetzt so angeordnet, daß normalerweise keine Induktive Kopplung zwischen ihnen besteht und die Flußkomponenten, die infolge eines Stromflusses durch die beiden Wicklungen erzeugt werden, jederzeit in zwei der Schenkel einander entgegengesetzt sind und sich addieren in den anderen beiden Schenkeln. Infolge dieses Aufbaus erzeugt ein Strom in einer der Wicklungen, die als Steuerwicklung bezeichnet wird, einen Magnetfluß, der die Reluktanz des Magnetkreises steuert, der verknüpft ist mit der zweiten als Lastwicklung bezeichneten Wicklung, und zwar derart, daß Änderungen dieses Flusses infolge Stromänderung in der Steuerwicklung die Hysteresisschleife des mit der Lastwicklung verknüpften Magnetkreises verdrehen und damit die Induktanz der Lastwicklung ändern. Infolge des Aufbaus der Anordnung ändert sich die Induktanz mit dem doppelten der Frequenz eines der Steuerwicklung zugeführten Wechselstroms.

Dieses Phänomen wird ausgenützt in dem parametrischen Schaltkreis nach der deutschen Patentanmeldung P 15 88 957. Dort ist ein Kondensator mit der Lastwicklung des variablen Induktors zur Ausbildung eines Resonanzkreises gekoppelt. Dem Resonanzkreis wird Energie durch Pumpen der Steuerwicklung mit einem Wechselstrom der gleichen Frequenz zugeführt, auf die der Resonanzkreis abgestimmt ist, d.h. mit der Ausgangsfrequenz. Wenn der parametrische Schaltkreis einmal an einem stabilen Punkt schwingt, beeinflussen Veränderungen der Größe der Pumpquelle den Ausgang nicht merkbar. Demgemäß kann durch ' Ankoppeln der zu regelnden Netzspannung an die Steuerwicklung der Induktanzanordnung eine geregelte beinahe vollkommene

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Sinuswelle,urn 90° phasenverschoben gegenüber dem Eingang, an dem .Resonanzkreis abgegriffen werden. Da es keine direkte transformatorische Kopplung zwischen den Wicklungen gibt, arbeitet die Anordnung als bilaterales Filter, das Überschwingungen und Rauschen,sowohl im Netz als auch in der Last erzeugt, unterdrückt. Zwar arbeitet dieser parametrische Spannungsregler sehr befriedigend bei relativ konstanter Frequenz der Eingangsspannung, doch ist sein Ausgang frequenzempfindlich. Der Ausgang 1st außerdem in gewissem Maße empfindlich gegenüber Laständerungen. Darüber hinaus braucht dieser Spannungsregler zwar weniger Magnetmaterial als konventionelle Anordnungen, doch ist immer noch eine erhebliche Menge an magnetischem Material wie auch an Kupfer für die Wicklungen erforderlich. Ebenso 1st der Kondensator ziemlich groß. Die Anordnung ist daher etwas klobig, schwer und teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es, den beschriebenen Spannungsregler in dieser Hinsicht zu verbessern. Das heißt, die Ausgangsspannung soll weniger empfindlich sein hinsichtlich Frequenz- und Laständerungen,und außerdem soll der erforderliche Aufwand für Magnet- und Wicklungsmaterial herabgesetzt werden unter gleichzeitiger Verkleinerung des Kondensators. Der Spannungsregler gemäß der Erfindung soll mithin gegenüber dem eingangs erwähnten Spannungsregler kompakt, leicht und weniger kostspielig sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Spannungsregler für ungeregelte Eingangsspannungen mit einem parametrischen Schaltkreis,der einen an einem stabilen Punkt schwingenden Resonanzkreis umfaßt, an dem die geregelte Spannung abgreifbar

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ist, gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch einen mit der Eingangsspannung beaufschlagten Frequenzwandler für die Erzeugung einer Ausgangsspannung mit gegenüber .der Eingangsspannungsfrequenz erhöhten Frequenz, welcher Frequenzwandler ausgangsseltlg an den Resonanzschaltkreis angekoppelt 1st für die Energieübertragung von dem Frequenzwandler auf. den Resonanzschaltkreis zwecks Aufrechterhaltung von dessen Schwingung an der?) stabilen Punkt, und durch einen Rüc kkopp lungs schaltkreis zur Rückführung der geregelten Spannung zu dem Frequenzwandler für die Beeinflussung der von diesem erzeugten Frequenz in Abhängigkeit von Spannungsänderungen der geregelten ) Spannung.

Die Verwendung einer hochfrequenten Eingangsspannung des parametrischen Schaltkreises ermöglicht eine erhebliche Herabsetzung von Größe und damit Gewicht des Kerns und der Windungszahlen sowie ebenso der Größe des erforderlichen Kondensators. Die Rückkopplung bildet eine Regelschleife zur Steuerung der Frequenz des FrequenzWandlers in Abhängigkeit von der geregelten Ausgangsspannung.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.

" Fig. 1 zeigt perspektivisch eine Komponente des

Spannungsreglers und

Flg. 2 ist ein Blockschaltungsdiagramm des gesamten Spannungsreglers.

In der Zeichnung wird die gleiche Symboldarstellung benutzt wie in der US-Patentschrift 3 403 323 zur Darstellung

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des Kerns, d.h. der Kern wird angedeutet mittels eines T-förmigen Eisensymbols. Zwar können all die verschiedenen Kernkonstruktionen benutzt werden, die in der US-Patentschrift 3 403 323 beschrieben sind, doch ist die bevorzugte Ausfuhrungsform ähnlich der nach Fig. 7 jener Patentschrift. Der Induktor unter Benutzung eines solchen Kerns ist in Pig. I dargestellt. Der Induktor 10 umfaßt einen Kern aus zwei C-förraigen Jochen 11 und 12, die um 90° gegeneinander verdreht sind und an ihren Basen, wie in Fig. 1 gezeigt, verbunden sind. Auf das Joch 11 ist die Wicklung 13 aufgebracht und auf das Joch 12 die Wicklung 14, welche Wicklungen 13 und 14 sich vorzugsweise unter einem rechten Winkel zueinander befinden.

Fig. 2 zeigt, daß eine ungeregelte Eingangswechselspannung an die Eingangsquellen l6 und 17 angelegt ist. Diese sind über Leiter 18 und 19 mit einem Vollwellengleichrichter 20 verbunden, dessen Ausgang mittels eines Kondensators

21 geglättet wird und über Leitungen 23,24 dem Frequenzwandler

22 zugeführt wird. Der Frequeazwandler kann nach konventioneller Art aufgebaut sein beispielsweise unter Benutzung gesteuerter Siliziumgleichrichter und dient zur Erzeugung eines Ausgangswechselstromes typischerweise in Rechteckwellenform bei Beaufschlagung mit einem Eingangsgleichstrom. Der Schaltungsaufbau des wandlers wird hier nicht im einzelnen erläutert, da er zum allgemeinen Stand der Technik gehört. Die Ausgangsfrequenz des Frequenzwandlers 22 liegt beispielsweise bei 20 KHz. Falls gewünscht, kann auch anstelle von Gleichrichter 20 und Frequenzwandler 22 ein Frequenzwandlerblock benutzt werden*

Der Ausgang des Frequenzwandler« 22 wird dejr Steuerwicklung 13 eines variablen Induktors 10, beispielsweise

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des in Fig. 1 gezeigten, zugeführt. Dem Ausgang bzw. der Lastwicklung 14 des variablen Induktors 10 ist ein Kondensator 25 paralMgeschaltet zur Ausbildung eines* auf die Ausgangsfrequenz des Frequenzwandlers 22 abgestimmten Resonanzkreises. Die Lastwicklung 14 besitzt eine Mittelanzapfung, die über die Leitung 26 an die Ausgangsklemme 27 geführt ist. Die andere Ausgangsklemme 28 ist über Dioden und 30 mit Anzapfungen 31 bzw. 32 der Lastwicklung 14 verbunden, so daß sich als Ausgang eine Gleichspannung ergibt. EinGlättungskondensator 33 ist über die Ausgangsklemmen 27 und 28 gelegt.

Die Ausgangsspannung an den Klemmen 27 und 28 wird einem Ausgangsspannungsmeßkreis 34 über Leitungen 35 und 36 zugeführt. Der Meßkreis 34 kann einen an sich bekannten Aufbau besitzen; er dient zum Vergleich der Ausgangsspannung mit einer Bezugsspannung und erzeugt eine Steuerspannung, die repräsentativ ist für eine jeweilige Abweichung der Ausgangsspannung von der Bezugsspannung. Der Maßkreis kann z.B. ähnlich jenem sein, der in der US-Patentanmeldung 513 752 vom l4. Dezember 1965 beschrieben ist. Die Steuerspannung am Ausgang des Meßkreises 34 wird über Leitungen 37 und 38 dem Frequenzwandler 22 zugeführt und dient zur Änderung der Frequenz der Ausgangswellenform vom Frequenzwandler 22, falls die Ausgangsspannung von der Bezugsspannung abweicht, mit der der Meßkreis 34 arbeitet.

Ein Startschaltkreis 39 Hegt an den Leitungen 23 und 24 mittels Leitungen 40 bzw. 41. Der Ausgang des Startschaltkreises ist mis den Leitungen 37 und 38 verbunden * und damit mit de» Frequenzwandler 22. Die Aufgabe des

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BAD ORiGtNAL

Startechaltkreises besteht darin, den parametrischen Schaltkreis durch Herabsetzen der Ausgangsfrequenz des Frequenzwandlers 22 unter Erhöhung des Eingangsstromes für den parametrlschen Schaltkreis diesen selbst-anlaufend zu machen, indem eine genügende Kopplung zwischen den ■ Wicklungen 12 und 13 hervorgerufen wird zur Einleitung von Schwingungen der parametrlschen Anordnung, in der' in der deuts'chen Patentanmeldung P 15 88 957 beschriebenen Weise. Der Startschaltkreis 39 kann einfach einen Kondensator und eine Diode enthalten, wie dies für den Fachmann offensichtlich ist. Natürlich können anstelle des Startschaltkreises je nach Wunsch andere Startmechanismen vorgesehen werden.

Die Wirkungswelse der Spannungsregleranordnung nach Fig. 2 ist im Prinzip ähnlich der in der Patentanmeldung P 15 88 957 beschriebenen. Der Hauptunterschied ist natürlich, daß die Frequenz am Eingang des parametrlschen Schaltkreises und die Frequenz,auf die der Resonanzkreis aus der Wicklung und dem Kondensator 25 abgestimmt 1st, viel höher sind als die konventionellen Netzfrequenzen. Die Verwendung einer solchen hohen Frequenz ermöglicht eine erhebliche Verringerung der Kernabmessunge' und der Windungszahlen für die Wicklungen. Da die Höhe der Ausgangsspannung des parametrischen Schaltkreises von den Parametern des Resonanzschaltkreises und von der Eingangsfrequneζ abhängt, erkennt man, daß die Ausgangsspannung konstant gehalten werden kann durch Verwendung eines Meßkreises 3¹I, der die Frequenz an Frequenzwandlerausgang 22 steuert. Demgemäß ist der Spannungsregler gemäß der Erfindung unempfindlich gegenüber Änderungen der Netzfrequenz und auch unempfindlich gegenüber Laständerungen oder Änderungen anderer Parameter, die die Ausgangsspannung beeinflussen könnten. Dies wird erreicht, ohne daß die Übrigen Vorteile des bekannten Spannungsreglers beeinträchtigt werden,

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wie beispielsweise die bilaterale Filterung. Das dargestellte Aueführungsbeispiel arbeitet mit Eingangswechselspannung, doch versteht es sich für den Fachmann, daß man auch mit Eingangsgleichspannung arbeiten kann, in welchem Fall der Gleichrichter 20 und der Kondensator 21 entfallen würden.

Patentansprüche t

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ORIGINAL INSPECTED

Claims (1)

1. Patentansprüche

   (i)J Spannungsregler für ungeregelte Eingangsspannungen mit einem parametrischen Schaltkreis, der einen an einem stabilen Punkt schwingenden Resonanzkreis umfaßt, an dem die geregelte Spannung abgreifbar ist, gekennzeichnet durch einen mit der Eingangsspannung beaufschlagten Frequenzwandler für die Erzeugung einer'Ausgangsspannung mit gegenüber der Eingangsspannungsfrequenz erhöhten Frequenz, welcher Frequenzwandler ausgangsseitig an den Resonanzschaltkreis angekoppelt ist für die Energieübertragung von dem Frequenzwandler auf . den Resonanzschaltkreis zwecks Aufrechterhaltung von dessen Schwingung an dem stabilen Punkt, und durch einen Rückkopplungsschaltkreis zur Rückführung der geregelten Spannung zu dem Frequenzwandler für die Beeinflussung der von diesem erzeugten Frequenz in Abhängigkeit von Spannungsänderungen der geregelten Spannng.

   2) Spannungsregler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Startschaltkreis für die anfängliche Herabsetzung der Ausgangsfrequenz des Frequenzwandlers.

   3) Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzwandler gesteuerte Siliziumgleichrichter' umfaßt.

   Ό Spannungsregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der parametrische Schaltkreis einen Induktor mit einem ferromagnetischen Kern,einer auf dem Kern angeordneten und mit dem Ausgang des Frequenzwandlers gekoppelten Steuerwicklung und einer Lastwicklung auf dem Kern umfaßt, welche mit einem parallelgeschalteten Kondensator den Resonanzschaltkreis bildet.

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   5) Spannungsregler nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen parametrischen Schaltkreis, bei dem die Induktanz der Lastwicklung sich mit der doppelten Frequenz eines der Steuerwicklung zugeführten Wechselstromsignals ändert.

   6) Spannungsregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ersten Gleichrichter für die geregelte Spannung. .

   7) Spannungsregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zweiten Gleichrichter zwischen Anschlußklemmen der ungeregelten Spannung und dem Frequenzwandler.

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