DE2003700A1

DE2003700A1 - Elektrisches Stabilisiergeraet

Info

Publication number: DE2003700A1
Application number: DE19702003700
Authority: DE
Inventors: Hyatt Edward Philip
Original assignee: Brandenburg Ltd
Current assignee: Brandenburg Ltd
Priority date: 1965-08-23
Filing date: 1970-01-28
Publication date: 1970-09-03
Also published as: US3428882A; GB1302364A; US3636433A

Description

BRANDENBURG LIMITED, 939 London Road, Thornton Heath, Surrey, (England)

Elektrisches Stabilisiergerät

Die Erfindung betrifft ein mit einein Transformator arbeitendes elektrisches Stabilisiergerät. Sie befaßt sich insbesondere mit Spannungsstabilislerern, die beispielsweise einen Streuflußtransformator enthalten.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Transformatorschaltung zu schaffen, deren Ausgangsspannung beziehungsweise -strom innerhalb weiter Grenzen unabhängig ist von Schwankungen.der Primärspannung, der Last, oder der Frequenz. """....

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe sieht ein elektrisches Stabilisiergerät mit einem Transformator vor, dessen Primärwicklung an eine Stromversorgung, beispielsweise an das Netz, anschließbar ist, und der mindestens zwei Sekundärwicklungen aufweist, von

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denen eine eine höhere Spannung als die andere abgibt, daß an eine der Sekundärwicklungen eine Last anschließbar ist und für die andere Sekundärwicklung eine von der Belastung der ersten Sekundärwicklung abhängige Belastungssteuerung vorgesehen ist, und daß der Transformator magnetisch so ausgelegt ist, daß bei steigender Leistungsabgabe aus einer Sekundärwicklung die aus der anderen Sekundärwicklung entnehmbare Ausgangsleistung absinkt. Durch die Maßnahmen ist eine einwandfreie Stabilisierung der Spannungs- beziehungsweise Stromabgabe aus der Stromversorgung an die Last möglich.

f» Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung hervor. Die beigefügten Zeichnungen, auf die bei der Beschreibung Bezug genommen wird, zeigen:

Fig. 1 die Schaltung einer stabilisierten Leistungsversorgung;

Flg. 2 die Schaltung einer vielseitigeren

Ausführungsform der Leistungsstabilisierung ; und

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht des Transformators aus Fig. 2.

A Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung eines erfindungsgemäßen Stabilisiergerätes liefert Gleichstrom aus einer Wechselstrom-Quelle, bei dem der Gleichstromausgang gegenüber Eingangsspannungsschwankungen stabilisiert ist.

Ein Transformator 10 trägt auf einem Magnetkern 15 die Primärwicklung 11 mit den Anschlüssen 16, 17 für die Eingangsspannung sowie die Wicklungen 12, 13, 14. Die drei Wicklungen 12, 13, 14 sind zwar auf dem gleichen Kern

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angeordnet, die magnetische Kopplung'zwischen.der Primärwicklung 11 üfid diesen Wicklungen ist jedoch durch einen bei 18 angedeuteten magnetischen Nebenschluß regelbar. Der magnetische Nebenschluß bewirkt, daß der Transformator so arbeitet, als läge eine hohe Impedanz ■ in Reihe mit der Primärwicklung, so daß selbst bei sehr starker Belastung die Stromaufnahme des Transformators begrenzt bleibt. Der magnetische Nebenschluß 18 ist bezüglich der Wicklungen 13, 14 so angeordnet, daß diese untereinander stärker gekoppelt sind als mit der Primärwicklung 11. Die Wicklung 12 ist an die Wicklung 11 . _Λ stärker gekoppelt als an die Wicklungen 13 und 14. ™

Die Wicklung 14 speist einen Gleichrichter 20., dessen Ausgang durch den Kondensator 21 geglättet, wird und auf die Ausgangsanschlüsse 22, 23 gelangt, an die die Hauptlast anschließbar.ist.

Zusätzlich zu dieser Hauptlast wird der Transformator noch mit einer weiteren, variablen Last über die Wicklung 13 belastet. Diese variable Last ist durch einen Brückengleichrichter 240 gegeben, an dessen Ausgängen Kollektor und Emitter eines Transistors 24 liegen. Dieser Transistor 24 arbeitet als variabler Widerstand, dessen A Wert durch die Basis-Emitterspannung geregelt wird. Diese Spannung ergibt sich durch Vergleich einer am Spannungsteiler 25, 26 abgegriffenen Teilspannung der an den Ausgangsklemmen 22, 23 stehenden Spannung mit der über einer Zener-Diode 27 liegenden Spannung. Die Arbeitsspannung über der Diode 2 7 wird durch einen.Brükkengleichrichter 28, einen Kondensator 29 und Begrenzerwiderstand 30 aufrecht erhalten. .

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Über der Wicklung 13 liegt also ein durch den Transistor repräsentierter variabler Widerstand, so daß die Belastung der Wicklung sich mit schwankenden Widerstandswerten verändert. Da die gesamte, aus den Sekundärwicl·- lungen entnehmbare Leistung durch die effektive Primär impedanz begrenzt ist, führt ein Anwachsen der Belastung in der Wicklung 13 zu einem Absinken der von der Wicklung 14 erzeugten Spannung.

Da die Basis-Emitterspannung des Transistors eine Funktion der Differenz zwischen der Ausgangsspannung und der von der Zener-Diode 27 gelieferten Bezugsspannung ist, wird die Belastung der Wicklung 13 und damit der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von dieser Differenz geregelt.

Eine weitere Ausgestaltung dieser Schaltung ist in Fig. wiedergegeben. Der Eingangstransformator 30 ist in seiner Anordnung dem Transformator 10 aus Fig. 1 weithin ähnlich. Er enthält einen Kern 31, auf den eine Primärwicklung 32 mit den Anschlüssen 33, 34 zur Wechselstromaufnahme gewickelt ist. Weiterhin sitzen auf dem Transformatorkern zwei Wicklungen 35, 36. Ferner ist ein magnetischer Nebenschluß 18 vorgesehen, der wie vorbeschrieben einen großen magnetischen Streufluß liefert und die magnetische Kopplung zwischen der Primärwicklung 32 und den Wicklungen 35, 36 reduziert. Der Transformator enthält eine weitere Wicklung 37, die mit der Primärwicklung 32 relativ eng gekoppelt ist.

Die Wicklung 36 liefert den wesentlichen Anteil der Leistungsabgabe des Transformators. In einer bevorzugten Ausführungsform, ähnlich der dargestellten, gibt diese

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Wicklung 2 S^O Vⁱ _eff bei einer Belastung von 8,5 mA. Ein./HGCh.apänhun"gs^:-Brück.engleichi:idlⁱite-r. 38 ist an die Wicklung 36 angeschlossen, dessen Ausgang durch die Kondensatoren 39, 40 sowie den Widerstand 41 geglättet wird* Der geglätteteAusgang steht dann an den Ausgangsanschlüssen 42, 43. / "■■;,

Wie bereits erwähnt, ist die Wicklung 36 mit der Wicklung 35 eng gekoppelt und die EMK an den Anschlüssen der beiden Wicklungen ergibt sich aus dem Verhältnis ihrer Windungszahlen. Da die Wicklungen 35, 36 mit der Primär-Wicklung 32 nur relativ lose magnetisch gekoppelt sind, sti|ht der aus den Wicklungen 35,. 36 entnehmbare Maximalstrom in umgekehrtem Verhältnis zu ihren Windungszahlen, was für jeden Transformator und jede Leistungsversorgung gilt. Weiterhin ist die Summe der Spännung-Stromstärke-Produkte (Scheinleistungen) der Wicklungen 35, 36 gleich dem maximalen Spannungs-Strom-Ausgang (maximalen Scheinleistung) der bei gegebener Primärspannung aus den Wicklungen entnehmbar ist.

Dementsprechend ist durch Vergrößerung der von der Wicklung 35 abgegebenen Scheinleistung (Spanrfungs-Strom-Produkt) eine Regelung des Ausgangs der Wicklung 36 möglich. Um für die Wicklung 35 eine variable Belastung vorzusehen, liegen die Anschlüsse dieser Wicklung an einem Brückengleichrichter 44, dessen Ausgang am Kollektor und Emitter eines Transistors 45 liegt (in Analogie zu Fig. !); der durch ihn repräsentierte Widerstand schwankt in Abhängigkeit von den an den Anschlüssen 42, 43 vorliegenden Bedingungen.

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Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird der Ausgang als Funktion der Ausgangsspannung geregelt. Über den Anschlüssen 42, 43 liegt ein Spannungsteiler bestehend aus den Widerständen 46, 47, 48, 49. Zur Veränderung des Widerstandsverhältnisses können die Widerstände 46 und 47 durch entsprechende Schalter 50, 51 überbrückt werden, während Widerstand 48 regelbar ist. Die am Widerstand 49 stehende Spannung wird mit der Bezugsspannung einer Zener-Diode 52 verglichen. Die Spannung über dieser Diode wird durch einen Brükkengleichrichter 53 aufrecht erhalten, der an die Wicklung 37 angeschlossen ist und dessen Ausgang durch die Kondensatoren 54, 55 sowie den Widerstand 56 geglättet wird. Der gleichgerichtete und geglättete Ausgang aus dem Brückengleichrichter wird über einen Begrenzerwiderstand 57 auf die Zener-Diode 52 gegeben. Eine Spannungsvergleichsstufe ist vorgesehen und umfaßt einen Differenzial-Verstärker aus den Transistoren 59, 60 mit gemeinsamem Emitterwiderstand 61. Die Bezugspannung aus der Diode 52 liegt an der Basis des Transistors 59 und die am Widerstand 49 stehende Spannung liegt an der Basis des Transistors 60 über einen Reihenwiderstand 62. Die am Kollektorwiderstand 63 des Transistors 59 auftretende Spannung liegt an einem weiteren Transistor 64, der als Gleichstrom-Emitterfolger mit einem Emitterwiderstand 65 geschaltet ist. Dieser Emitterwiderstand 65 liegt in dem Basis-Emitterstromkreis eines Transistors 66, der zusammen mit dem Transistor 45 als Darlington-Schaltung geschaltet ist.

Die am Widerstand 49 stehende Spannung ist ein Bruchteil der Ausgangsspannung, der durch die Widerstandswerte der Widerstände 46, 47, 48, 49 bestimmt ist. Eine Ände-

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rung dieser Spannung relativ zur Bezugsspannung der Diode 52 bewirkt eine Änderung des Kollektorstromes im Transistor 59. Transistor 64, der im wesentlichen als Impedanzwandler arbeitet, liefert eine entsprechende Änderung des Basisstromes im Transistor 66, so daß der vom Transistor 45 repräsentierte Widerstand, und damit die Belastung der Wicklung 35 entsprechend geändert wird. Man bemerkt, daß der Transistor direkt über dem Ausgang des Brückengleichrichters 44 liegt, ohne daß eine Glättungsschaltung dazwischen liegt; eine derartige Schaltung würde nämlich" die Ansprechzeit der. Steuerung verlängern. Beispielsweise würde ein Kondensator beträchtlicher Größe über dem Ausgang des Gleichrichters eine kapazitive Last über den Kollektor-Emitter-Anschlüssen des Transistors 45 bedeuten. Aus nachstehend noch erwähnten Gründen ist es jedoch erwünscht, daß der Laststrom der. Wicklung 35 eine kapazitiv wirkende Komponente enthält, die durch die Reihenschaltung eines Kondensators 67 mit einem Widerstand 68 zwischen Kollektor und Easis des Transistors 66 geliefert wird. Die Ansprechzeit der Stabilisierschleife wird weiterhin durch den Reaktanz-shunt zur Last des Transistors 64, in der Form eines Kondensators 70 und eines Widerstandes 71, beeinflußt. "

Die optimale Arbeitsweise der beschriebenen Schaltung hängt, wesentlich von der Auslegung des Transformators 30 ab. Nach Fig. 3 besteht er aus einem Kern 73 aus gestapeltem, laminiertem magnetischen Material mit den Windungsfenstern 73a und 73b. Die Primärwicklung 32 (die der Wicklung 32 aus Fig. 2 entspricht) ist bei einem inneren Abschnitt des mittleren Kernes angeordnet und die Wicklung 37 ist außerhalb der Wicklung 32 unterge-

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bracht. Diese beiden Wicklungen beanspruchen etwa ein Drittel der Länge des mittleren Kernbleches. Auf dem Kern ist ein magnetischer Nebenschluß 18 angebracht, der aus zwei in die Wicklungsfenster eingesetzten Blechstapeln besteht. Diese Stapel weisen einen Luftspalt oder eine eingesetzte, nicht magnetische Abstandsscheibe auf, so daß sich ein bestimmter Grad an magnetischem Streufeld ergibt. Die Wicklung 36 ist am verbleibenden Kernteil untergebracht und von der aufgewickelten Wicklung 35 umgeben. Dadurch sind die auf der gleichen Seite des Jfc magnetischen Nebenschlusses 18 angeordneten Wicklungen 35, 36 eng magnetisch gekoppelt; in ähnlicher Weise sind die Wicklungen 32, 3 7 eng gekoppelt, doch ist die Kopplung zwischen den Wicklungspaaren 32, 3 7 und 35, 36 loser Damit ergibt sich ein ungefähr konstanter Gesamtausgang an Spannung mal Stromstärke (Scheinleistung) aus den Wicklungen 35, 36; die Zunahme der Belastung einer Wicklung führt zu einer entsprechenden Abnahme der Ausgangsleistung der anderen Wicklung.

In einer praktischen Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2 arbeitet die Schaltung mit einer angelegten Wechselspannung von 200 bis 250 Volt bei einer Frequenz von SP . 50 +_ 1 Hz. Die Ausgangsspannung an den Anschlüssen 42, 43 war zwischen 100 und 2 500 Volt variabel, bei einem Ausgangsstrom von 5 mA. Die Ausgangsspannung blieb' innerhalb von 1 % konstant beim Ab- und Anlegen der Last.

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Claims

A η s ρ r ü c h e

[1J Elektrisches Stabilisiergerät mit einem Transformator, dadurch gekennzeichnet» daß zur Stabilisierung der abgegebenen Spannung beziehungsweise des Stromes der Transformator eine an eine Stromversorgung anschließbare Primärwicklung (11, 32) sowie mindestens zwei Sekundärwicklungen (13, 14; 35,36) aufweist, von denen an eine erste Sekundärwicklung (14,36) eine Last anschiießbar und für die zweite Sekundärwicklung (13, 35) eine auf die Belastung der ersten Sekundärwicklung ansprechende Belastungssteuefung (24 ... 27; 45 ...52) vorgesehen ist; und daß aufgrund der magnetischen Auslegung des Transformators (10, 30) bei steigender Leistungsabgabe aus einer Sekundärwicklung die aus der anderen Sekundärwicklung entnehmbare Ausgangsleistung absinkt.
2. Stabilisiergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Sekundärwicklungen eine höhere Spannung erzeugt als die andere Sekundärwicklung.
3. Stabilisiergerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator einen Kern aus magnetischem Material besitzt, auf dem die Wicklungen angeordnet sind und dem ein magnetischer Nebenschluß (18) zugeordnet ist, der die magnetische Kopplung zwischen der Primär- und den Sekundärwicklungen vermindert; und daß die Sekundärwicklungen untereinander fester gekoppelt sind als mit der Primärwicklung.

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4. Stabilisiergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Leistungsabgabe aus den Sekundärwicklungen der Kern des Transformators einen Weg relativ niedrigen magnetischen Widerstandes für den Magnetfluß durch die Primärwicklungen und durch die Sekundärwicklungen sowie einen Nebenweg relativ höheren magnetischen Widerstandes durch die Primärwicklung aufweist; und daß die auf die Größe der Last an der ersten Sekundärwicklung ansprechende Steuerung eine regelbare Last (45 ... ) steuert, die an die zweite Sekundärwicklung angeschlossen ist.
5. Stabilisiergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Eingangsspannung an der Primärwicklung abhängende, von der zweiten Sekundärwicklung erzeugte Spannung wesentlich größer ist als die bei gleicher Eingangsspannung von der ersten Sekundärwicklung erzeugte Spannung.
6. Stabilisiergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Last einen Gleichrichter (240, 44) aufweist; daß ein eine Strombelastung darstellender Transistor (45) mit den Ausgängen des Gleichrichters verbunden ist; daß die Steuerung eine Bezugsspannungsquelle (27, 52) aufweist; daß ferner ein Spannungsteiler (25, 26; 46 ... 51) eine Teilspannung der an der Last für die erste Sekundärwicklung liegenden Spannung erzeugt; daß eine Spannungs-Vergleichsschaltung die Spannung der Bezugsquelle und die vom Spannungsteiler erzeugte Spannung vergleicht und den Transistor (24., 45) regelt.

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7. Stabilisiergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator eine mit der Primärwicklung eng gekoppelte, auf dem Kern angeor 1-nete dritte Sekundärwicklung (12, 3 ⁿ) aufweist, an.die ein zweiter Gleichrichter (28, 53) für den Betrieb der Steuerung angeschlossen ist.
8. Stabilisiergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die äußere Last der ersten Sekundärwicklung (14, 36) ein dritter Gleichrichter (20, 38) vorgesehen ist und daß die variable Last für die zweite Sekundärwicklung einen Gleichrichter (240, 44) sowie einen mit dessen Ausgang verbundenen Transistor (24, 45) aufweist; und daß die Steuerung den Transistor (24, 45) als Funktion der an der äußeren Last liegenden Spannung regelt, wobei die an der ersten Sekundärwicklung erzeugte Spannung wesentlich höher ist als die an den Transistor anlegbare Spannung.

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