DE1961707A1 - Elektrischer Leistungsumformer - Google Patents

Description

Airpax Electronics Incorporated 9.0EZ. 1969

Port Lauderdale, FIa., V.St.A» Elektrischer Leistungsumformer

Die Erfindung "betrifft einen leistungsumformer (power transducer) zur Umwandlung eines Steuersignals in elektrische Ausgangsleistung und insbesondere einen Wandler bzw. Umformer, dessen abgegebene Leistung eine lineare Punktion des Eingangs-Steuersignals darstellt. Der erfindungsgemäße Leistungsumformer beinhaltet eine Gegenkopplung, welche an den Eingang ein dem Quadrat des Augenblickswerts der Ausgangsspannung oder des AusgangsStroms unmittelbar proportionales Signal zurückführt. Dabei wird der Mittelwert dieses G-egenkopplungssignals gebildet und auf das Eingangs- bzw. Steuersignal abgestimmt, so daß die Ausgongsleistung in linearem Verhältnis zum Eingang steht.

iQistungBumformer sind bekannt und werden häufig in Verbindung mit Heglern abgewandt, welche die einer elektrischen Last eingespeiste Leistung regeln. Bei Systemen dieser Art wird die, IJensc der an die Last abgegebene Energie durch' ein von einem Fühler geliefertes Eingangssignal mit niedrigem Energieinhalt bestimmt und gesteuert. Beispielsweise können ein oder mehrere Temperaturfühler, wie Thermoelemente, die Temperatur in einem Ofen mausen und ein der Temperatur proportionales Steuersignal erzeugen, welches die von einer Stromquelle an ein odor mehrere Heizelemente des Ofens abgegebene Strommenge regelt.

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Soweit bekannt, gewährleistet jedoch, keines der bisher vorgeschlagenen Systeme eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Eingangssignal und der abgegebenen Leistung zur Last. Einige Systeme gewährleisten ein lineares Verhältnis zwischen dem quadratischen Mittelwert des Ausgangs und dem Eingangssignal oder zwischen dem Mittelwert dos Ausgangs und dem Eingangssignal. Keines dieser Systeme ist jedoch in der lage, ein lineares Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsleistung zu gewährleisten. Infolgedessen sind die bekannten Systeme dem llachteil unterworfen, daß sie einerseits einen konstanten proportionalen Verstärkungsgrad nicht gewährleisten und daß sich andererseits die an die Last abgegebene Leistung bei Schwankungen des Versorgungsstroms ändert.

Der erfindungsgemäße Leistungsumformer vermeidet die Nachteile und Schwierigkeiten des Bekannten in erster Linie durch Verwendung einer elektrischen Schaltungsanordnung, die ein lineares Verhältnis zwischen der an die Last angelegten Ausgangsleistung und dem Rückführsignal von einem Fühler, wie z.B. einem !Thermoelement, bewirkt. Dies gewährleistet insbesondere einen konstanten, proportionalen Verstärkungsgrad, wenn das System in Verbindung mit einem Temperaturregler angewandt wird, wobei außerdem der Strom- bzw. Leistungsausgang unabhängig von der Spannung der Stromversorgung ist. Linearität wird beim erfindungsgemäßen Wandler bzw. Umformer durch Verwendung einer nichtlinearen Dioden-Rückkopplungsschaltung erreicht, welche zur Gegenkopplung vom Ausgang zum Eingang des Umformers vorgesehen ist. Diese nichtlineare Rück-, kopplungsschaltung liefert einen Rückkopplungsstrom an den Eingang, dessen Augenblickswert dem Quadrat des Augenblickswerts des der Last eingespeisten Stroms unmittelbar proportional ist. Vom Rückkopplungssignal wird der Mittelwert be-

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stimmt, welcher dann den Eingangssignalstron abgleicht. Infolgedessen steht dann der quadratische Mittelwert des Ausgangssignals in linearen Verhältnis zum Eingangssignal. Genauer gesagt, bedeutet dies, daß das Quadra.t des Effektiv-Werts dos Ausgangs bzw. der Leistung in linearem Verhältnis zum Eingangssignal steht und der Leistungsausgang unabhängig von der Wechselstromversorgung bzw. der Spannung der Stromquelle für die Last ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Bekannten zn vermeiden und mithin in erster Linie einen verbesserten Leistungaumfonner zu schaffen, bei welchem insbesondere die Ausgangsleistung in linearem Verhältnis zun Eingangssignal steht und die an die Last angelegte Leistung unabhängig von Schwankungen der Versorgungseinrichtung ist.

Dabei soll insbesondere auch ein linearer Leistungsumiormer mit einer uichtlinearen Gegenkopplui.güschaltung geschaffen werden, um im den Eingang eir. dom Quadrat des Lustötrorns unmittelbar proportionales Signal anzulegen.

Darüber hinaus soll ein linearer Leistuncsurafcraej¹ mit. ei.-.er nicht line ar er. aegenkopplungssohaltuiiG ait eir.er A-'.::ar:l ve:. Öleichrichteiviiodei: zur Erzeugung eines dei.: Quadrat des Laatstroms urj^ittelbar proportionalen RücickoppliuigsoicUiils, doü-3cr. Uittelv/ert ^r rildet und nit den: a:i dsn Ur.fon;:or ai;gc-lc_t:-ci ±i. Beziehung ^eci-achf wird, geschrc'ien werde:;.

In speridlcrer Ausführung seil durch die Erfindung ein neues cjeloystea :r.it einen linearen leistungaunfoiciei·

n werden.

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Im folgenden iat die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Temperatur-Regelaystems mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm des Spannungsverlaufs als Funktion der

Zeit zur Veranscha.ulichung der Wellenformen der unter Vollast- und Teillastbedingungen an die Last ange- . ^ legten Spannung,

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen linearen Leistungsumforners, der einen Teil des Temperatur-Regelsystems gemäß Fig. 1 bildet, und

Fig. 4 ein Einzelheiten zeigendes Schaltbild des linearen Leistungsumformers gemäß Fig. 3.

In Fig. 1 ist das gesamte Temperatur-Regelsystem mit den Merkmalen der Erfindung allgemein mit 10 bezeichnet. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das j) System 10 als Temperatur-Regelsystem ausgebildet, das zum Regeln des einem Heizelement eines Ofens eingespeisten Stroms dient. Dieses System eignet sich speziell für die Temperaturregelung von Diffusions-Grlüh- und Durchlaufofen mit elektrischen Heizelementen.

Gemäß Fig.1 ist ein Temperatur-Fühler in Form eines elektrischen Thermoelements 12 über Leitungen 14 und 16 an die Eingangski emmen 18 und 20 eines Reglers 22 angeschlossen. Der Regler 22 ist in bekannter Weise aufgebaut und gibt an seinen Ausgangskiennen 24 und 26 ein Signal ab, welches in Beziehung

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zu der durch das Thermoelement 12 in einem Ofen gemessenen Temperatur steht, die in eine an den leitungen 14 und 16 liegende Steuerspannung umgeformt wird. Beispielsweise vergleicht der Kegler 22 das vom Thermoelement 12 gelieferte Signal im /UV-Bereich mit einer sehr stabilen Bezugsspannungsquelle. Das Fehlersignal wird durch einen Gleichstrom-Magnetverstärker mit niedrigem Verstärkungsgrad verstärkt und als Regelabweichung vom Bezugswert angezeigt. Das verstärkte Pehlersignal wird weiterhin im Regler 22 verstärkt und sur Berücksichtigung der dynamischen Paktoren des Verfahrens entsprechend aufbereitet, bevor es als Regler-Ausgangssignal an die Ausgangsklemmen 24 und 26 abgegeben wird.

Das vom Regler 22 abgegebene Signal ist entweder ein Gleichstromsignal geringer Amplitude oder ein Wechselstromsignal mit kleiner Jinderungsgeschwindigkeit, das über Leitungen 28 und 30 an die Eingangsklemmen 52 und 34 einer Leistungs-Stufe 36 angelegt wird, welche die von einer elektrischen Stromquelle 38 über einen Transformator 40 an eine last 42 abgegebene Leistung regelt. Beim Ausführungsbeispiel liefert die Stromquelle 28 eine Spannung von 200 oder 225 V, 60 Hz, mit sinusförmiger Wellenform und kann z.B. ein Abgriff von einer Hetzleitung sein. Die Last besitzt vorzugsweise die Form eines Widerstands-Heizelements und heizt den Ofen in Abhängigkeit von der durch das Thermoelement 12 gemessenen Temperatur.

Die Stromquelle 38 ist über Leitungen 44 und 46 sowie Strom-Klemmen 48 und 50 an die Stufe 36 angeschlossen. Der Transformator 40 ist über Leitungen 52 und 54 an die Klemme 50 und an eine Lastklemme 56 der Leistungs-Stufe 36 angeschlossen. Die Leistungsstufe 36 enthält zwei entgegengesetzt gepolte

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Yierschichttrioden 58 und 60, die über die «wtai-KLemmen 48 und 56 parallelgeschaltet sind. Die Gatter 62 und 64 der Vierschichttrioden (!Thyristoren) sind über andere im ieistungs-Modul enthaltene, nachstehend noch näher erläuterte Schaltungen an die Signal-Eingangsklemmen 32 und 34 der £eistungsstufe angeschlossen.

Die Aufgabe der leistungs-Stufe 36 besteht darin, die von der Stromquelle 38 gelieferte Sinuswelle in Abhängigkeit von dem an die Eingangskiemmen 32 und 34 angelegten Steuersignal zu beschneiden, um dergestalt den von der Stromquelle 38 an die Ia3t 42 angelegten Strom entsprechend der Größe des Steuersignals au variieren. Dabei wird der Zündpunkt der Vierschichttrioden 58 und 60 durch das Eingangssignal derart phasengesteuert, daß die Vierschichttrioden an verschiedenen Punkten einer Periode der Sinuswelle der Stromquelle in Abhängigkeit von der Größe des Eingangs signals zünden. Die Wellenform A gemäß fig. 2 zeigt die Form der an die last 42 angelegten gesteuerten Sinuswelle, wenn das Thermoelement 12 volle leistung verlangt. Während eines ersten Abschnitts der Sinuswellen-Periode sind beide Vierschichttrioden 5⁸ und 60, wie bei 66 in der Wellenform A angedeutet, abgeschaltet. Das Durchschalten einer der Vierschichttrioden, beispielsweise der Triode 60, wird durch den steil ansteigenden Abschnitt der Wellenform bei 68 angezeigt, wobei diese Vierschichttriode durchgeschaltet bleibt und die bei 70 angedeutete. Sinuskurve der Stromquelle 38 leitet, bis diese Null durchläuft! zu diesem Zeitpunkt sind beide Vierschichttrioden, wie bei 72 angedeutet, wieder abgeschaltet. An einem wiederum durch das vom Thermoelement 12 abgegebene Signal bestimmten Punkt während der negativen Halbperiode der Stromquelle schaltet die andere Vierschichttriode 58 durch, was durch den steil negativ an-

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steigenden. Abschnitt der Wellenform bei 74 angezeigt wird. Infolge dee Durchschaltens der zweiten Vierschichttriode folgt das Lastsignal, wie bei 76 angedeutet, dem negativen Abschnitt der Sinuswelle, bis letztere wieder Hull durchläuft und beide Vierschichttrioden beispielsweise bei 73 sperren, worauf sich der Arbeitszyklus wiederholt.

Die Wellenform B gemäß Pig. 2 veranschaulicht die während der Phasen an die Last angelegte Spannung, während welcher das Thermoelement nur einen Teiletrom für das Ofen-Heizelement verlangt. Hierbei schalten die Vierschichttrioden an einem späteren Punkt der Stromquellen-Periode durch und erzeugen die durch die Wellenform B dargestellte Signalform Bo und 82. Die Wellenform A stellt die Vollast dar, woraus ersichtlich ist, daß die volle Sinuswelle niemals an die Last angelegt wird. Als maximale Ausgangsleistung werden jedoch 95?6 der Nennleistung erreicht. Die Wellenform B stellt einen Zwischenzustand dar, d.h. an die Last wird eine Teillast angelegt; dabei ist zu beachten, daß wenn das Thermoelement keinen Strom bzw. keine Leistung anfordert, keine der Viereohichttrioden an irgend einem Punkt in der Periode der Stromquelle durchschaltet und mithin kein Strom an das Heizelement 42 abgegeben wird.

Fig. 3 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild der linearen Leistungs-Stufe 36 gemäß Fig. 1. Das Eingangssignal geringer Amplitude auf der Leitung 28 von Temperaturregler 22 gemäß Fig. 1 wird an die Eingangskieiaae 32 der Stufe 36 angelegt. An die Eingangsklemme ist ein Operationsverstärker 84 angeschlossen, der gleichzeitig der Mittelwertbildung dient und welcher das Signal, das den Mittelwert des Eingangssignals darstellt, an eine Zündschaltung 86 anlegt, die ihrerseits das

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BAD OBiGiNAL

Signal in variable Phasen-Zündimpulse für eine Thyristor-Leistungsschaltung 88 (Pig. 3) umwandelt. Eraichtlicherwsise enthält die Schaltung 88 gemäß Pig. 3 die Vierschichttrioden 58 und 60 gemäß Mg. 1, welche auf die in Mg. 1 gezeigte Weise an die Stromquelle und an die Last angeschlossen sind. Die Schaltung 88 liefert dem Verbraucher 42 eine variable Leistung, wie dies in Pig. 3 schematisch durch den Pfeil auf der Verbraucher-Leitung 90 angedeutet ist.

Eine dem zum Verbraucher 42 fließenden Strom proportionale Rückkopplungs spannung wird durch eine zu einer niehtlinearen Gegenkopplungs schaltung 94 führende Rückkopplungsleitung 92 abgegriffen. Die nichtlineare Schaltung 94 enthält vorzugsweise eine Anzahl von Gleichrichterdioden und Widerständen, obgleich sie auch aus einem einzigen niehtlinearen Widerstandselement bestehen kann, so daß sie an ihrer Ausgangsleitung 96 ein Signal erzeugt, das dem Quadrat des augenblicklich an der Rückkopplungsleitung 92 liegenden SignaJß unmittelbar proportional ist, d.h. das dem Quadrat des augenblicklich zum Verbraucher 42 fließenden Stroms unmittelbar proportional ist. Das an der Leitung 96 liegende Spannungssignal wird algebraisch mit dem auf der Signalleitung 28 an der Eingangsklemme 32 liegenden Eingangssignal vom Regler 22 gemäß Mg. 1 summiert. Dies bedeutet, daß das Rückkopplungssignal auf der Ausgangsleitung 96 vom Eingangssignal auf der Leitung 28 abgezogen oder auf dieses abgestimmt und in der Schaltung 84 auf einen Mittelwert gebracht wird.

Die Heizwirkung von Wechselstrom ist bekanntlich unabhängig von der Stromflußrichtung. Diese Tatsache bildet die Grundlage für einen Vergleich von Wechselstrom mit Gleichstrom auf der Basis seines quadratischen Mittelwerts bzw. seines Effektiv-

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werts. Der z.B. sinusförmige Wechselstrom soll "beispielsweise einen Effektivwert von 1 A besitzen, wenn er in einem bestimmten Widerstand Wärme in der gleichen Größenordnung erzeugt, wie sie im selben Widerstand durch einen Gleichstrom von 1 A erzeugt wird. Da die Heizwirkung eines Gleichstroms dem Quadrat seines Werts, d.h. IH, proportional ist, ist die Heizwirkung eines Wechselstroms in jedem Augenblick dem Quadrat seines Werts zur gleichen Zeit proportional. Indem in der nichtlinearen Rückkopplungsschaltung 94 ein auf der Ausgangsleitung 96 anliegendes Spannungssignal mit einem Augenblickswert erzeugt wird, welcher dem Quadrat des augenblicklichen Spannungsabfalls am Verbraucher 42 und mithin dem Quadrat des augenblicklich über den Verbraucher fließenden Stroms proportional ist, und dieses Signal in der Schaltung 84 auf einen Mittelwert gebracht wird, erzeugt die Gegenkopplung eine Übertragungs-Charakteristik der Leistungs-Stufe, bei welcher das Quadrat des Effektivwerts, welcher definitionsgemäß der Ausgangsleistung proportional ist, in linearer Beziehung zum Eingangssignal, d.h. zur Eingangsspannung auf der zur Summiervorrichtung 32 führenden Leitung 28 steht. Die Ausgangsleistung ist gleich K-i'I_eif, wobei K^ eine durch die Parameter des Systems bestimmte Proportionalitäts-Konstante darstellt.

Pig. 4 ist eine Einzelheiten zeigende Schaltung der linearen Leistungs-Stufe 36 gemäß den Pig. 1 und 3, wobei den vorangehenden Figuren entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind. Gemäß Fig. 4 wird das Gleichstrom-Steuersignal vom Regler 22 gemäß Pig. 1 an die Umformer-Eingangsklemmen 32 und 34 angelegt. Das Signal gelangt über ein Potentiometer 98 zur Einstellung des Verstärkungsgrads zu der Transistoren Q- und Q₂ aufweisenden Schaltung 84.. Das Potentiometer 98 empfängt über eine Leitung 100 ein Vorspan-

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nungs-Steuersignal von einer nicht dargestellten Signalquelle. Das Steuersignal wird dann an die zwei Transistoren Q₃ und Q^ sowie eine Doppelbasisdiode Q₆ enthaltende Zündschaltung 86 angelegt, welche die Zündimpulse an einen Impulsformer 102 (T3) liefert. Die vom Umformer 102 abgegebenen Impulse werden an die G-PoIe der Vierschichttrioden 58 und 60 angelegt, um diese auf vorher beschriebene Weise durchzuschalten. Die Vierachichttrioden 58 und 60 sind mit Überlast-Schutzsicherungen 104 und 106 in Reihe geschaltet. SS₁ ist ein Selen-tranaient-protector, während ein Widerstand R₁₅ und ein Kondensator C₈ dazu dienen, daß sich über den Vierschichttrioden ein Haltestrom aufbauen kann, wenn sie mit nur schmalen Steuerimpulsen angesteuert werden.

An der leitung 92 (Pig. 4) liegt ein Rückkopplungssignal in Form einer Spannung an, welche dem über die Klemmen 50 und 56 und den Verbraucher fließenden Strom unmittelbar proportional ist. Das Rückkopplungssignal gelangt über einen Impulsformer 108 an einen Zweiweggleichrichter 110, der Gleichrichter-Dioden CR_C und CR,, aufweist. Dar Gleichrichter wandelt die entsprechend ausgesteuerten Sinuswellenimpulse in Impulse gleicher Polarität um, ohne ihre Form zu verändern. Wenn die an die last angelegten Impulse beispielsweise die Form der Impulse 80 und 82 gemäß Fig. 2 aufweisen, so besteht die Wirkung des Umformers darin, den Impuls 82 so umzupolen, daß er wie der Impuls 80 gemäß Fig. 2 zu einem positiv ansteigenden Impuls wird. Die gleichgepolten Impulse gelangen dann über die nichtlineare Rückkopplungs schaltung 94» die ' eine Reihe von Gleichrichterdioden CR₈ bis CR₁₅ sowie eine Atizahl von in Fig. 4 mit R₂₁ bis R₃₁ bezeichneten Widerständen aufweist. Die auf der Leitung 96 anliegende Spannung besteht aus einer Reihe von einpoligen Impulsen, die an jedem

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ORIGINAL INSPECTED

Punkt dem Quadrat dee Augenblickswerts der an die Rückkopplungeschaltung 94· angelegten Impulse unmittelbar proportional sind. Diese quadrierten Rückkopplungsimpulse werden sodann durch Kondensatoren 112 und 114 auf einen Mittelwert gebrachtι wobei der Mittelwert des Rückkopplungsstroms den EingangsBignaletrom über die Widerstände R und R. (Pig. 4) abgleicht.

Beim Aueführungsbeispiel schwankte dabei das vom Regler an die Klemmen 32 und 34 angelegte Eingangssignal zwischen Null und <f1,8 γ Gleichstrom. Dieses Signal wird durch den durch die Transistoren Q^ und Q₂ gebildeten Differentialverstärker verstärkt. Das verstärkte Signal liegt am Widerstand R₅ an und wird durch den Transistor Q. und den Widerstand Rg zu einem Signal mit eingeprägtem Strom umgewandelt. Dieser Strom lädt einen Kondensator C,- (Fig. 4) bis zum Erreichen der Schleusenspannung der Doppelbasisdiode Qg von etwa 11 V auf. Der Kondensator C₅ entlädt sich plötzlich über den Impulsformer T*1 wobei dieser Impuls die Vierschichttrioden 58 und 60 durchschalten. Der Augenblick, an welchem der Impuls in jeder Halbperiode der Stromquelle auftritt, wird durch die Größe des an die Klemmen 32 und 34 angelegten Eingangssignals bestimmt. Je höher das Eingangssignal, desto größer ist der dem Kondensator C,- eingespeiste Strom und desto eher wird die Schwellwertspannung der Doppelbasisdiode Q₆ erreicht. Infolgedessen schalten die Yierachichttrioden früher in der Periode und wird eine höhere Auegangsleistung an das Heiselement des Ofens abgegeben. Eine fiierdiode CR₂ begrenzt den Höchstwert dee Signals und mithin auch den maximalen Steuerwinkel. Der Transistor Q₅ synchronisiert die Zündschaltung mit der Netzleitung. Dies bedeutet, daß der Transistor Q₅ am Ende jeder Halbperlode den Kondensator C₅ kurzschließt und entlädt. Dies

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wird dadurch, ermöglicht, daß der Transistor Qj- an. eine Spannungsquelle angeschlossen ist, welche eine gleichgerichtete (Zweiweg-Gleichrichtung), ungefilterte Spannung von -40 V abgibt, die am Ende jeder Halbperiode auf Null abfällt, während die geregelte +18 V-Spannungsquelle eine Durchschaltung des Transistors Q,- bewirkt.

Der Transistor Q„ gewährleistet gedämpfte Einschaltbedingungen, so daß sich der Wechselstrom-Ausgang von der Leistungs-Stufe beim Anlegen von Strom von der Versorgungsleitung langsam aufbaut. Dieses Merkmal verhindert ein Durchbrennen der Sicherung infolge von Transformator-Belastungen, die während der ersten Halbperiode hohe Einschaltstromspitzen hervorrufen können. Wenn erstmalig Strom angelegt wird, ist der Transistor Q₇ durchgeschaltet und bleibt durchgeschaltet. Der Transistor Q, wird gesperrt, da über den Widerstand R-r ein entsprechender Ba3isstrom fließt, bis sich der Kondensator C, auflädt. Beim Absinken dieses Basisstroms schaltet der Transistor Q, langsam durch und läßt das Regler-Signal die Vierschichttrioden, immer ausgehend von einem bestimmten NuIl-Anschnittwinkel, in Phase durchschalten. Im Fall eines plötzlichen Stromausfalls bricht sofort die ungefilterte -40 V-Spannung an der Basis des Transistors Q~ ab, so daß letzterer durch die +18 V über den Widerstand R₁₇ kurzgeschlossen wird und sich der Kondensator C. innerhalb von Mikrosekunden auflädt. Wenn die Netzspannung wieder anliegt, wird wiederum ein gedämpfter Einschaltvorgang gewährleistet. Der Transformator T₂ nimmt die Ausgangsspannung der Leistungs-Stufe ab und liefert ein Rückkopplungssignal über die aus den Dioden CBg CR₁₅ sowie den Widerständen Rp- - R^ bestehende nichtlineare Gegenkopplungsschaltung 94· Infolgedessen ist die von der Iieistungs-Stufe abgegebene Leistung eine lineare Funktion dee

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Eingangssignala, wobei die Gegenkopplungsschaltung auch den Stromausgang unempfindlich gegenüber Netzapannunga-Schwankungen macht.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung einen verbesserten linearen Leiatungsumformer und ein verbessertes, den Leistungsumformer enthaltendes Temperatur-Regelsystem schafft. Die linearität wird durch die Einführung einer Gegenkopplung und insbesondere durch. Anordnung einer Gegenkopplungs-Schaltung ermöglicht, die ein dem Quadrat des Augenblickswerts des über die Heizelement-Last fließenden Stroms unmittelbar proportionales Signal erzeugt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine dem Spannungsabfall über das Widerstandselement der Heizvorrichtung proportionale Spannung in der Rückkopplungsschaltung quadriert, dann der Mittelwert davon gebildet und gegen das Eingangsapannungasignal vom Regler abgeglichen. Als Ergebnis steht der an das Widerstandselement der Heizvorrichtung angelegte Strom in linearer Beziehung zum Eingangsspannungssignal des Leistungsumformers und ist außerdem die an das Heiz-Widerstandselement angelegte Leistung unabhängig von etwaigen Schwankungen der Wechselstrom-Spannungsversorgung. Da gemäß Definition das Quadrat des Effektivwerts (RMS ) gleich dem Durchschnitt des Augenblickwerts des Quadrats der Spannung ist, ist die an das Heiz-Widerstandselement angelegte Leistung durch Rückkopplung linear auf das Eingangssignal zurückbezogen. Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit einem dem Quadrat des Ausgangs proportionalen Rückkopplungssignal beschrieben ist, sind ersichtlicherweise gewisse Änderungen möglich und kann die Gegenkopplungsschaltung ein Signal erzeugen, in welchem der Exponent zum Ausgleich für niedrige Kreis-Verstärkung oder andere Fehler größer als 2 ist und beispielsweise 2,2 beträgt.

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Zusammenfassend schafft die Erfindung mithin einen elektrischen leistungsumformer zur Regelung von großen elektrischen Leistungen durch eine Gleichstromquelle mit einem Ausgangssignal niedriger Amplitude sowie ein diesen Leistungsumformer enthaltendes Temperatur-Regel syst em. Im Leistungsumformer ist eine nichtlineare Gegenkopplungsschaltung vorgesehen, die an den Eingang ein Signal zurückführt» das unmittelbar dem Quadrat des Augenblickswerts des durch die Last fließenden k Stroms proportional ist. Der Mittelwert des Rückkopplungssignals wird gebildet, so daß die Ausgangsleistung in linearer Beziehung zum Schwachstromsignal am Steuereingang steht.

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Claims (1)

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Patentansprüche

.J Elektrischer LeistttngBUmformer zur Umwandlung eines Eingangssignals mit niedrigem Energieinhalt in einen elektrischen Ausgang hoher Energie, gekennzeichnet durch einen elektrischen Eingang zur Aufnahme eines Eingangssignals niedriger Energie, einen Ausgang zur Lieferung eines elektrischen Ausgangssignals hoher Energie an eine Last, einen zwischen Eingang und Ausgang geschalteten Wandler zur Umwandlung der Eingangssignale in einen elektrischen.Ausgang hoher Energie und eine zwischen den Eingang und den Ausgang des Wandlers eingeschaltete nichtlineare Gegenkopplungs-Schaltung ι die an den Eingang ein Signal rückkoppelt, das praktisch dem Quadrat des Augenblickswerts des Ausgangssignals direkt proportional ist.

2· Leistungsumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine an den Wandler und an die Gegenkopplungs-Schaltung angeschlossene Schaltung zur Bildung des Mittelwerts des an den Eingang angelegten Rückkopplungssignals vorgesehen ist.

3. Leistungsumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler eine Einrichtung zur Umwandlung eines Gleichstrom-Eingangs in einen Impulsausgang mit hohem Energieinhalt aufweist·

4. Elektrischer Leistungsumformer, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, zur Regelung des Stromflusses

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zu einer laati gekennzeichnet durch eine variable Impedanz, eine Einrichtung zur Einschaltung der Impedanz zwischen eine Stromquelle und eine Last, eine an die Impedanz angeschlossene Steuereinrichtung zur Änderung des Werte der Impedanz in Abhängigkeit von einem von der Steuereinrichtung gelieferten Steuersignal und eine die Impedanz mit der Steuereinrichtung verbindende nichtlineare Gegenkopplungs-Schaltung, welche der Steuereinrichtung ein Signal einspeist, das praktisch dem Quadrat des Augenblicks-Wert a des über die Impedanz fließenden Stroms unmittelbar proportional ist.

5. Leistungsumformer nach Anspruch 4-t dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz ein Halbleiter ist.

6. Leistungsumformer nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz ein Halbleiter-Schalter ist und daß die Steuereinrichtung einen Wandler zur Umwandlung eines Eingangssignals in eine Anzahl von Steuerimpulsen zur Be-.tätigung des Sehaltelements aufweist.

7. Leistungsumformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement eine Vierschichttriode ist.

8. Elektrischer Leistungsumformer, insbesondere nach, einem der vorangehenden Ansprüche, zur Regelung des Flusses von elektrischer Leistung zu einer Last, gekennzeichnet, durch eine variable Impedanz, eine Einrichtung zur Einschaltung der Impedanz zwischen eine Stromquelle und eine Last, eine Steuereinrichtung mit einem an die Impedanz angekoppelten Wandler, der ein Eingangssignal in ein Steuersignal zur Änderung der Impedanz in Abhängigkeit von einem der * Steuereinrichtung eingespeisten Eingangssignal umwandelt, ·

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und eine zwischen die Impedanz und den Eingang der Steuereinrichtung eingeschaltete nichtlineare Gegenkopplungs-Schaltung, welche der Steuereinrichtung ein dem Quadrat des Augenblickswerts des über die Impedanz fließenden Stroms unmittelbar proportionales Signal einspeist, wobei die Steuereinrichtung eine Einrichtung zur Bildung des Mittelwerts des von der Gegenkopplungs-Schaltung eingespeisten Signals aufweist.

9. Leistungsumformer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungs-Schaltung eine Anzahl von parallelgeschalteten Gleichrichterdioden aufweist.

10. Leistungsumformer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungs-Schaltung ein Leitungsnetz (Kettenleiter) aus Gleichrichterdioden und Widerständen aufweist.

11. Leistungsumformer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden jeweils gleich sind und die Widerstände in jeder Stufe des Kettenleiters unterschiedliche Werte besitzen.

12. Elektrischer Leistungsumformer, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, zur Regelung des Flusses von elektrischer Leistung zu einer Last, gekennzeichnet durch mindestens ein Halbleiter-Schaltelement, eine Einrichtung zum Einschalten des Sehaltelements zwischen eine Stromquelle und eine Last, eine an das Schaltelement angeschlossene, variable Steuerschaltung zur Speisung des Schaltelements mit Betätigungsimpulsen, die sich zeitlich in Abhängigkeit von einem an diese Schaltung ange-

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legten Steuersignal ändern, eine zwischen das Schaltelement und die Steuerschaltung eingeschaltete nichtlineare Gegenkopplungs-Schaltung, die der Steuerschaltung ein dem Quadrat des Augenblickswerts des über das Schaltelement fließenden Stroms unmittelbar proportionales Signal einspeist, und eine zwischen die Gegenkopplungs-Schaltung und die Steuerschaltung eingeschaltete Mittelwert-Schaltung zur Bildung des Mittelwerts des durch die Gegenkopplungs-Schaltung an die Steuerschaltung angelegten Signals·

13. Iieistungsumformer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement zwei antiparallelgeschaltete Vierschichttrioden aufweist.

14· Leistungsumformer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Mittelwert-Schaltung und die Steuerschaltung ein Verstärker eingefügt ist und daß die Steuerschaltung einen an den Emitter einer Doppelbasisdiode angeschlossenen Kondensator aufweist.

15. Leistungsumformer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement zwei antiparallelgeschaltete Vierschichttrioden aufweist, daß die Steuerschaltung einen an den Emitter einer Doppelbasisdiode angeschlossenen Kondensator aufweist und daß ein Transformator mit getrenn ten Sekundärwicklungen vorgesehen ist, welche die Schaltung aus erster und zweiter Basis der Doppelbasisdiode mit den Steuer-Elektroden der jeweiligen Vierschichttrioden verbinden.

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16* Temperatur-Regelvorrichtung, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprücheι gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler, eine den Ausgang des Fühlers mit einem Regler verbindende Einrichtung, eine Leistungs-Stufe, eine den Auegang des Reglers an die Leistungs-Stufe ankoppelnde Einrichtung, eine Sinuswellen-Stromquelle mit sinusförmigem Ausgang und eine mit der Leistungs-Stufe verbundene Heizelement-Last, eine in der Leistungs-Stufe vorgesehene Einrichtung zum Beschneiden der von der Stromquelle an die Last angelegten Energie in einem dem vom Regler der Leistungs-Stufe eingespeisten Signal proportionalen Ausmaß und eine zwischen die Last und den Ausgang des Reglers eingeschaltete nichtlineare Gegenkopplungs-Schaltung, wobei der durch die Stromquelle der Last eingespeiste Strom in linearer Beziehung zum Ausgang des Reglers steht.

17. Vorrichtujag nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplunge-Bchaltung eine Einrichtung zur Erzeugung eines Auegange aufweist, der dem Quadrat ihres Eingange proportional ist.

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