DE2126819A1

DE2126819A1 - Wechselspannungsregler

Info

Publication number: DE2126819A1
Application number: DE19712126819
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-09-15
Filing date: 1971-05-29
Publication date: 1972-12-14
Also published as: FR2140283A1; FR2140283B1; GB1329018A; US3612988A

Description

Beschreibung zum Patentgesuch

Cravens Lamar Wanlass, 9871 Overhill Drive, Santa Ana, Calif./USA

betreffend:
"Wechsel s pannungsr.egler"

Die Erfindung betrifft einen Wechselspannungsregler mit einem einen sättigbaren Kern aufweisenden Induktor und einem Kondensator, wobei die geregelte Spannung über mindestens einem Teil des Induktors abgfceifbar ist. Ein typischer Vertreter dieser Gattung ist der unter dem Namen Ferroresonanz- oder Solaa?- Transformator bekannte Leistungsregler. Bei dieser bekannten Anordnung ist ein Magnetkern vorgesehen mit einem parallelgeschalteten Jochteil mit Luftspalt, Primär- und Sekundärwicklungen sind auf den Kern beidaeits des Jochteils aufgebracht. Der Arbeitspunkt der Anordnung wird so gewählt, daß der Schenkel des Kerns, auf den die Sekundärwicklung aufgebracht ist, in jedem Halbzyklus der Eingangswechselspannung gesättigt wird. Der Rest des primärseitig erzeugten Flusses besetzt dann das NebenSchlußjoch. Ein Kondensator ist der Sekundärwicklung parallelgeschaltet, um so einen Resonanzschaltkreis auszubilden, und der resultierende Ausgang ist eine Rechteckwelle mit einer relativ gut geregelten Amplitude innerhalb des Arbeitsbereichs der Anordnung.

Diese bekannte Anordnung befriedigt in ihrer Wirkungsweise in vielen Fällen und findet deshalb weite Verbreitung.

209851/0243

Sie ist jedoch verhältnismäßig sperrig und schwer infolge der ihr innewohnenden Notwendigkeiten für Kern und Wicklungen. Das gleiche Erfordernis für ein relativ großes Volumen an Kernmaterial und Wicklungen macht die Anordnung auch relativ teuer. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Gerätes besteht darin, daß zwar der Strom begrenzt wird, wenn der Eingangswert einen bestimmten Wert übersteigt, die Amplitude jedoch, bei der der Strom begrenzt wird, um ein Vielfaches höher ist als.der Betriebswert. Dies kann bei bestimmten Belastungen zu schweren Störungen und Schäden führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist", einen Wechselspannungsregler der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der weniger Kernmaterial benötigt als die bekannte Anordnung und außerdem auch mit einer Wicklung anstatt zwei. Wicklungen auskommt, obwohl es zweckmäßig ' sein kann, eine zweite Wicklung für Steuerzwecke vorzusehen. Der Regler soll einen besseren Wirkungsgrad besitzen und kleiner sein als der oben erwähnte Ferroresonanz-Transformator.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Induktor und der Kondensator in Reihe an die ungeregelte Eingangsspannung gelegt sind, daß eine Starteinrichtung vorgesehen ist für die anfängliche Sättigung des Kerns und daß die Induktivität des Induktors so groß bemessen ist, daß die Anfangssättigung des Kerns durch die ungeregelte Spannung allein ausge-' schlossen ist.

Mit dem Regler gemäß der Erfindung werden Rechteckwellen erzeugt, so daß er besonders brauchbar ist beispielsweise in Gleiehspannungsleistungsquellen, und es ergibt sich auch, wie noch erläutert wird, ein automatischer überlastungsschutz. Diese Charakteristiken werden durch das noch zu beschreibende Verhalten· des Induktors in der Sättigung erzielt. Da der Wechselspannungsregler

. ■ τ 3 -

209851/0243

gemäß der Erfindung frequenzempfindlich ist, kann er als Filter verwendet werden, das jedoch immer noch eine geregelte Ausgangsspannung liefert und trotz hoher Selektivität eine erhebliche Energieübertragung ermöglicht. Zusammengefaßt kann man sagen, daß der Regler gemäß der Erfindung relativ kostengünstig ist, eine hohe Effizienz besitzt und auch eine große Zuverlässigkeit aufweist·

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

Fig. 1 zeigt teils schematisch, teils perspektivisch eine erste Ausfuhrungsform des Reglers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt die Wellenform in Zeitabhängigkeit über einen Betriebszyklus des Reglers nach Fig. 1,

Fig. 3 zeigt die B-H-Kurve des Induktorkerns, wie er gemäß der Erfindung Anwendung findet,

Fig. 4 1st eine schematische Darstellung eines Gleichspannungsreglers unter Verwendung des Reglers nach Fig. 1,

Fig. 5 zeigt schematisch einen Regler für variable

Ausgangsspannungen unter Benutzung der Anordnung nach Fig. 1, ,

Fig. 6 ist eine teils schematische, tdls perspektivische . Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform

des Reglers nach Fig. 1,

98 61/0243

Figo 7 ist ein Schemadiagramm einer zweiten Ausführungsform des Spannungsreglers gemäß der Erfindung, und

Fig. 8 zeigt schematisch die geschlossene Schleife eines Gleichspannungsregelsystems unter Verwendung des Reglers nach Fig. 7«

Fig, 1 zeigt den Regler gemäß der Erfindung. Eine Wechselspannung wird Eingangsklemmen 10 und 11 zugeführt, die zu einem Seriensehaltkreis aus einem Induktor 12 und einem Kondensator 13 · führen (in Anlehnung an den anglo-amerikanischen Sprachgebrauch wird nachfolgend unterschieden zwischen der Induktivität als Schaltungsgröße und dem Induktor als Bauelement in Analogie zu der Kapazität als Schaltungsgröße und dem Kondensator als Bauelement). Der Induktor 12 umfaßt eine Wicklung 14 auf einem magnetischen Kern 15. Wie dargestellt, besitzt der Kern 15 eine im allgemeinen rechteckige Konfiguration und würde typischerweise aus einem Paar aneinander passender C-Kerne aufgebaut sein. Die Konfiguration des Kerns ist jedoch für den Betrieb des Reglers gemäß der Erfindung nicht wesentlich, und beispielsweise könnten übliche Transformatorbleche in laminierter Form Anwendung finden. Ein Umschalter 16 ist vorgesehen, dessen erster Wechselkontakt 17 mit dem oberen Ende der Wicklung 14 verbunden ist, während der zweite Wechselkontakt 18 mit der Anzapfung 19 auf der Wicklung 14 verbunden ist derart, daß eine Betätigung des Schaltarmes 16' des Schalters 16 vom Wechselkontakt 17 zum Wechselkontakt 18 eine Anzahl von Windungen der Wicklung 14 stillegt, Ausgangsklemmen 20 und 21 sind mit dem oberen Ende der Wicklung 14, wenn der Schaltarm l6^f in seiner Normalstellung, d.h. in galvanischer Verbindung mit dem Wechselkontakt 17»steht,bzw. einer zweiten Anzapfung 22 der Wicklung l4·verbunden. Die LageH dieser Anzapfung 22 wird bestimmt durch die gewünschte Ausgangsspannung, d.h. die Wicklung 14 arbeitet als Spartransformatorwicklung für die Erzeugung einer Ausgangsspannung.

209851/0243

Nachfolgend soll die Wirkungsweise des Spannungsreglers gemäß Fig. 1 beschrieben werden, wobei auch auf Pig. 2 und 3 Bezug genommen wird. Bevor der Schaltarm 16» des Schalters 16 vom Wechselkontakt 17 zum Wechselkontakt 18 bewegt wird, besitzt der Induktor 12 eine sehr hohe Impedanz für die Eingangsspannung mit dem Ergebnis, daß sehr niedrige Ströme fließen würden und eine sehr niedrige Ausgangsspannung vorläge. Dies ist dadurch veranlaßt, daß der Kern 15 des Induktors 12 ungesättigt ist und die Induktivität des Induktors entsprechend hoch liegt. Diese Bedingung wird aufrechterhalten, bis der Schalterarm 16' vom Wechselkontakt 17 zum Wechselkontakt 18 umgelegt wird. Dabei wird nämlich die Anzahl der wirksamen Windungen der Wicklung 14 herabgesetzt mit dem Ergebnis, daß die Induktivität, mit der die Spannungsquelle belastet wird, erheblich herabgesetzt wird und ein relativ hoher Strom durch die wirksamen Windungen der Wicklung 14 fließt. Dieser Strom führt zu einer hohen Plußdichte im Kern 15 derart, daß dieser gesättigt wird und die Regelwirkung beginnt. Falls erwünscht, können die C-Kerne, aus denen der Kern besteht, gegeneinander versetzt werden, um an der Verbindungsstelle eine extrem hohe Flußdichte zu erzeugen. Es versteht sich, daß der Schaltkreis in beliebiger Weise in Betrieb genommen werden kann, wenn nur sichergestellt ist, daß genügend Energie zur Sättigung des Kerns eingeführt wird. Die Energie könnte beispielsweise direkt auf den Kondensator übertragen werden, so daß dieser geladen wird. Alternativ könnte der Kern gesättigt werden durch dine zusätzliche Wicklung, die momentan erregt wird, um eine gaenügend hohe Flußdichte zu erzeugen. Eine kleine Windungszahl des Induktors kann ebenfalls momentan kurzgeschlossen werden, um den Betrieb des Schaltkreises zu starten. Da der Induktor 12 gemäß der Formel E = 1/2 LI mit E als der Energie, L der Induktivität und I dem Strom gespeichert hat, führt die plötzliche Änderung der Induktivität von einem hohen Wert auf einen niedrigen Wert bei Eintreten der Sättigung zu einer Energieübertragung von dem Induktor 12 auf den Kondensator 13, so daß der letztere geladen wird. Die niedrige Impedanz des nun

203851/0243

gesättigten Induktors 12 ermöglicht auch den Stromfluß im wesentlichen direkt vom Eingang zur Aufladung des Kondensators 13 ο Der Schalter 16 wird jetzt in seine Normallage .zurückbewegt, d.h. so daß.der Schaltarm 16^f in Kontakt mit dem Wechselkontakt 17 steht, und der Regler kommt in stabilen Betriebszustand»

Die Werte der Schaltungsparameter sind nicht kritisch. Es versteht sich jedoch, daß die. richtige Arbeitsweise des Reglers erfordert, daß der Wert der Induktivität groß genug ist, um eine anfängliche Sättigung durch die Spannungsquelle allein zu verhindern, und daß der Kondensator groß genug sein muß, um genügend viel Energie zu speichern, daß die Sättigung des Induktorkerns bewirkt wird, wenn er der. Eingangs spannung in der beschriebenen Weise hinzugefügt? wird, ' .

In Fig. 2 sind die im System nach Fig. 1 auftretenden Wellenformen dargestellt. Man erkennt, daß die Kondensatorspannung Vp und die Induktor spannung V_L ziemlich groß sind und zueinander um etwa 180° phasenverschoben sind. Ferner sind die Eingangsspannung . V_in und der Eingangsstrom I- gezeigt. Man erkennt, daß die Amplituden- und Phasenbeziehungen nur illustrativ sind und als Hilfe dargestellt sind zum Verständnis der Erfindung, da sie sich mit verschiedenen Ausgangsströmen, Eingangsspannungsamplituden und dergleichen ändern können.

,./•si·-

Es sei angenommen, daß der Schaltkreis sich am Punkt A der Fig. 2 befindet. In diesem Punkt ist der Impedanzwert des Induktors 12 hoch, da er nicht gesättigt ist. Eine positive Spannung liegt am Kondensator 13» die ziemlich gut konstant gehalten wird, da der Kondensator sich nicht schnell entladen kann infolge des hohen Wertes der Induktivität. Der Arbeitspunkt auf der B-H-Kurve des Induktors 1.2 ist in Fig. 3 etwa am Punkt A dargestellt» Die Stromwellenform der FIg₉ 2 zeigt den Strom durch

209851/0243

die Serienschaltung von Induktor 12 und Kondensator 13 infolge der Spannung über dem Induktor 12, veranlaßt durch die Ladung des Kondensators 13 in Serie mit der angelegten Quellenspannung.

Diese Betriebsart bleibt nahezu dieselbe, bis die Eingangsspannung ihre Polarität zu ändern beginnt. Wenn dies eintritt, wird die Spannung über dem Induktor herabgesetzt bis zu einem Punkt, wo der Induktor nicht mehr länger die Spannung als Punktion der Zeit aufrechterhalten kann (d.h. Volt-Sekunden) und der Kern 15 des Induktors 12 sich sättigt. Dies ist am Punkt B der Fig. 3 gezeigt. Bei Sättigung des Induktors 12 sinkt seine Induktivität plötzlich auf einen niedrigen Wert, so daß der Kondensator 13 sieh entladen kann mit dem Ergebnis, daß der Strom durch den Induktor 12 sehr groß wird, wie in Fig. 2 am Punkt B gezeigt. Kurz nach diesem Punkt befindet sich die gesamte Energie des Systems im Induktor

in Form von 1/2 LI , während die Spannung über dem Kondensator 13 auf Null gefallen ist.

Man erkennt in Fig. 2, daß der Strom während dieser Schaltoperation in derselben Richtung geflossen ist. Wenn der Kondensator 13 sich entlädt, wird der Induktor 12 zur Energiequelle und beginnt mit der Wiederaufladung des Kondensators mit entgegengesetzter, d.h. mit negativer Polarität. Dies beruht auf der Tatsache, daß der Induktor 12 eine der Klemmenspannung entgegengerichtete Spannung aufbaut in seinem Bestreben, den Strom konstant zu halten. Der Kondensator 13 wird weiter durch die im Induktor gespeicherte Energie und dureh die Klemmenspannung aufgeladene

Es scheint, daß es dieser Zeitpunkt ist, zu dem die Eingangsleistungsquelle Energie auf das System überträgt, um Energieverluste in die Belastung usw. auszugleichen. Diese Energieübertragung findet wahrscheinlich statt, wenn die Spannung . über dem Induktor und dem Kondensator beide niedrig sind«, Wenn der Kondensator 13 sich weiter auflädt, beginnt der Strom durch den

- 8 -■

2098 51/0243

Induktor und den Kondensator abzunehmen. Dieser Prozeß setzt sich •fort, bis der Strom durch den Induktor 12 und damit die Ampere-Windungen bis zu einem Punkt abnehmen, wo der Induktor wieder aus der Sättigung herausgelangt. Wenn dies stattfindet, nimmt die Impedanz des Induktors 12 plötzlich auf einen hohen Wert zu derart, daß die Ladung des' Kondensators beendet wird und die Kondensator-» spannung im wesentlichen konstant gehalten wird. Dieser Betriebspunkt ist in Fig. 2 bei C dargestellt. Der Kondensator 13 wird nun zur Energiequelle und läßt einen kleinen Strom in entgegengesetzter Richtung durch den Induktor 12 fließen. Dies führt zur Vormagnetisierung des Induktors 12 zum Punkt D auf der Hysterese-Kurve der Fig. 3.

Dieser Prozeß wiederholt sich nun, wenn die Eingangsspannung wieder ihre Polarität ändert und ihre Amplitude zunimmt, da es sich ja um Wechselspannung handelt. Wenn die Eingangsspannung eine genügende Höhe erreicht hat, treibt sie den Induktor 12 in Sättigung in entgegengesetzter Richtung, wie am Punkt E der Fig. dargestellte Der Prozeß wiederholt sich nun immer wieder, wobei jede Polaritätsumkehr der Eingangsspannung dazu führt, daß der Induktor in Sättigung getriggert wird. Das Ergebnis ist eine Spannung über dem Induktor 12, die einen konstanten Effektivwert aufweist. Da der Ausgang über einem Abschnitt des Induktors abgegriffen wird, bildet diese Spannung einen vorgegebenen Prozentsatz der Spannung über dem Induktor, und ihre Amplitude wird infolgedessen konstant gehaltene

Die geregelte Ausgangsspannung rührt daher, daß für gegebene Betriebsfrequenz,Kernmaterial und Wicklung die B-H-Kennwerte der Anordnung ziemlich konstant sind und derart auch die Volt-Sekunden, die erforderlich sind, um den Induktor 12 zu sättigen ebenfalls ziemlich konstant sind,, Mit anderen Worten, Der Volt-Sekunden-Wert resultierend aus der Addition der Klemmenspannung nach ihrem

- 9 209851/0243

Polaritätswechsel zu der bereits über dem Induktor aufgebauten Spannung übersteigt die Fähigkeit des Induktors sie aufrechtzuerhalten mit dem Ergebnis, daß der Induktor gesättigt wird, Da der Anstieg der angelegten Wechselspannung am größten ist, wenn sie durch Null geht, ändert eine erhebliche Amplitudenänderung dieser Spannung nicht merkbar den Volt-Sekunden-Wert, der aus dieser Spannung herrührt. Infolgedessen wird die Sättigung des Induktors bei im wesentlichen demselben Amplitudenpunkt der Eingangsspannung bewirkt unabhängig von der Maximalamplitude, welche von dieser Spannung erreicht werden wird. Wenn, mit anderen Worten, die Amplitude der Eingangsspannung ansteigt, ändert sich der Augenblick, in dem der Induktor schaltet, etwas. Der Augenblick jedoch, wenn er wieder schaltet (d.h. beim nächsten Halbzyklus), wird in entsprechender Weise geändert. Das Zeitintervall zwischen diesen beiden Schaltpunkten bleibt konstant, und infolgedessen wird auch die Spannung konstant bleiben, da der Volt-Sekunden-Wert konstant bleibt. Die einzige Änderung der Ausgangsspannung, die stattfindet, erfolgt während des Zeitpunkts, in dem sich die Eingangswerte ändern, doch wird diese Änderung unbedeutend bleiben.

Eine Änderung der Eingangsspannung führt zu einer Phasenverschiebung nach links in Fig. 2, falls die Spannung ansteigt, und nach rechts, falls sie abfällt. Da diese Phasenverschiebung jedoch für jede gegebene Eingangsspannung konstant ist, erkennt man, daß das Zeitintervall konstant bleibt und demnach auch die Triggerspannung. Demgemäß ist idle über dem Induktor abgreifbare Ausgangsspannung im wesentlichen unabhängig von Klemmenspannungsänderurigen und innerhalb der Grenzwerte der Anordnung von Laststromänderungen» Wie man in Fig· 2 sieht, ist die Spitzenspannung über dem Induktor nicht absolut konstant, sondern widerspiegelt etwas die Eingangsspannungswellenform. Dies beeinflußt nur unwesentlich die hier diskutierte Effektivwertregelung und hat nur einen sehr geringen Einfluß auf die Spitzen- oder Mittelwertregelung.

- 10 -

209851/0242

Falls, erwünscht, kann man elektrische Isolation vorsehen durch transformatorische Kopplung des Ausgangskreises mit dem Induktor 12, Ein solcher Schaltkreis ist in Fig. 4 dargestellt, in der entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind; Man erkennt, daß eine Wicklung 25 auf den Kern 15, der die Wicklung 14 trägt, aufgebracht ist. Der Ausgang der Wicklung 25 kann direkt als Wechselspannungsausgang benutzt werden oder nach entsprechender Gleichtung, und Filterung, wie dargestellt, Gleichspannungsausgangsklemmen ,26 und 27 zugeführt wurden. Falls erwünschte können mehrere Wicklungen mit unterschiedlichen Windungszahlen auf den Kern 15 aufgebracht werden, so daß man verschiedene Ausgangsspannungen erhält. Die Ausgänge dieser Wicklungen können gleichgerichtet werden oder als Wechselspannungsausgänge verbleiben.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Schaltkreises nach Fig. 1, bei der die Ausgangsspannung veränderbar ist. Auch hier werden die entsprechenden Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente benutzt. Hier ist die Sekundärwicklung 25 an einen Spartransformator 28 angeschlossen, dessen Abgriff 29 beweglich ist, um unterschiedliche Spannungen abgeben zu können. Natürlich kann, falls erwünscht, der Ausgang an den Klemmen 30 und 31 gleichgerichtet werden, falls ein Gleichspannungspotential erfordert wird. Wie oben betont, ist der Schaltkreis gemäß der Erfindung besonders geeignet, um geregelte Gleichspannungen zu erzeugen, da sich der Rechteckwellenausgang der Anordnung leicht gleichrichten und filtern läßt» _v

In Fig. 6 ist eine Modifikation des Reglers nach Fig. 1 gezeigt. Wie bei Fig, 1 umfaßt der Regler grundsätzlich einen Induktor 40 in Serienschaltung mit einem Kondensator 41 zwischen einem Paar von Eingangsklemmen 42 und 43, Ein Schalter 44 ist

- 11 -

209851/0243

. · li -

vorgesehen mit einem beweglichen Schaltarm 44' zwischen einem oberen Wechselkontakt 45 und einem unteren Wechselkpntakt.46, um selektiv eine Anzahl von Windungen der Wicklung 47 stillzulegen, die auf einen ferromagnetischen Kern 48 aufgebracht ist. Die Betriebsweise der soweit beschriebenen Anordnung ist identisch der Anordnung nach Fig. 1. Zusätzlich zum Hauptkern 48 ist der Induktor 40 mit einem Hilfskern 49 versehen, auf dem sich eine Steuerwicklung 50 befindet. Wie man Fig. 6 entnimmt, 1st der Hilfskern 49 im wesentlichen U- oder C-förmig, wobei die Stirnenden 51 und 5? am Hauptkern 48 in solcher Weise anliegen, daß der Hilfs- oder VormagnetIsierungsfluß, erzeugt im Hilfskern 49 infolge eines Stromflusses in seiner Wicklung 50 beim Aufbau des Magnetkreises durch einen Teil des Kerns 48 geht in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Primärflußrichtung des Kerns 48, die auf dem Strom in der Wicklung 47 beruht. Der Kern 49 ist' natürlich mit dem Kern 48 so sorgfältig wie möglich verbunden, um Luftspalte zwischen dem Kern 48 und den Enden 52 und 51 des Kerns 49 soweit wie möglich zu verhindern.

Der Fachmann erkennt, daß der Hilfs- oder Vormagnetisierungs· fluß im Herii 48 den wirksamen Querschnitt des Kerns 48 für den Primärfluß terabsetzt. Da die Flüsse orthogonal zueinander stehen und in jedem Halbzyklus symmetrisch sind, erfolgt keine Fluß-" kopplung zwischen den beiden Wicklungen 47 und 50.

Wie man erkennt, beeinflußt die Stromapplitude In der Wicklung 50 und infolgedessen der orthogonale Vormagnetisierungsfluß, der im Kern 48 zwischen den Stirnenden 51 und 52 des Kerns hervorgerufen wird, die magnetische Leitfähigkeit des Kerns 48 für den Primärfluß und infolgedessen auch den Punkt, an dem der Induktor 40 getriggert, d.h. gesättigt wird.Dieses Phänomen kann Anwendung finden, um einen Regler mit geschlossener Schleife zu schaffen, wie in Fig. 6 dargestellt durch die einfache Maßnahme,

- 12 -

209851/0243

¹ daß ein Abtast- und Steuerschaltkreis 53 vorgesehen wird, welcher die Spannung über den Ausgangsklemmen 54, und 55 abtastet und einen entsprechenden Steuerstrom in der Wicklung 50 hervorruft.

Es sei beispielsweise angenommen, daß eine Änderung der Ausgangsbelastüng oder der Eingangsklemmenfreqüenz dazu führt, daß die Ausgangsspannung die Tendenz zu einer sich vergrößernden Amplitude annimmt. Diese Amplitudenvergrößerung wird dann durch den Schaltkreis 53 abgetastet, welcher den Steuerstrom in der Wicklung 50 entsprechend erhöht. Diese Zunahme des Steuerstromes führt zu einer Zunahme des Vormagnetisierungsflusses im Kern 48 zwischen den Stirnenden 51 und 52 des Kerns 49, was dazu führt, daß der Querschnitt des Kerns 48 "herabgesetzt" wird. Damit wird der Punkt reduziert, an dem der Induktor 40 triggert, und dies seinerseits verursacht eine Herabsetzung der Ausgangsspannung. Das Gegenteil© würde eintreten, wenn die Ausgangsspannung ursprünglich absinken würde. Zwar ist hier ein Wechselspannungsregler dargestellt, doch versteht es sich, daß ein geregelter Gleichspannungsausgang ebenfalls möglich ist durch Anwendung eines entsprechenden Gleichrichternetzwerks. Es versteht sieh ferner, daß erwünschtenfalls die Ausgangsspannung an einer Sekundärwicklung abgegriffen werden könnte, die auf dem Kern 48 in der in Fig. 4 bzw. 5 dargestellten Weise angeordnet ist.

Fig. 7 zeigt eine Ausfuhrungsform des Erfindungsgegenstandes mit einem Paar von Ringkernen 60 und 61 anstelle des einzigen in den vorhergehenden Fig. dargestellten Kerns. Grundsätzlich arbeitet der Regler in Fig. 7 in der gleichen Weise wie der Regler nach Figo 6. Die Eingangsspannung wird über Klemmen 62 und 63 einem Serienschaltkreis aus Kondensator 64 und Induktor 65 zugeführt mit einSr Wicklung 66 auf dem Kern 60 und einer Wicklung 67 auf dem Kern 61» Der Ausgang wird über einem Abschnitt jeder der

- 13 209851/0243

Wicklungen 66 und 67 abgegriffen und erscheint an Ausgangsklemmen und 69. Wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen wird der Regler gestartet mittels Schaltern 7.0 und 71» mittels denen ein Abschnitt jeder der Wicklungen 66 bzw. 67 stillgelegt werden kann, Falls erwünscht, kann auch nur ein einziger solcher Schalter verwendet werden, doch ist es vorzuziehen, die Anordnung in symmetrischem Zustand zu halten.

Der Ausgang des Reglers kann gesteuert werden durch Steuerung der Volt-Sekunden-Speicherfähigkeit der Kerne 60 und 61. Dies kann bewirkt werden mittels Wicklungen 72 und 73 auf diesen Kernen, die an eine Steuerquelle 74 angeschlossen sind. Damit in den Steuerschaltkreis keine Spannung Induziert wird,sind die Wicklungen 72 und 73 gleich ausgebildet und einander entgegengeschaltet , Es versteht sich, daß das Vorhandensein eines Steuerstroms in den Wicklungen 72 und 73 die Volt-Sekunden-Speicherfähigkeit der Kerne 60 und 6l beeinflußt und infolgedessen auch den Punkt, an dem der Induktor 65 getriggert wird, womit entsprechend die Ausgangsspannung an-den Klemmen 68 und 69 beeinflußt wird. Der Fachmann erkennt, daß jeder Kernaufbau, bei dem die Wicklungen nicht direkt gekoppelt sind, jedoch der Strom in einer Wicklung benutzt werden kann, um die Triggerzeitpunkte des Induktors zu steuern,anstelle der beiden in Fig. 7 gezeigten Kerne eingesetzt werden kann.

Man erkennt, daß der in Fig. 7 dargestellte Regler besonders geeignet 1st für.die Anwendung in einem Regelsystem mit geschlossener Schleife. Ein solches System ist in Fig. 8 dargestellt. Hier wird eine ungeregelte Wechselspannung den Eingangsklemmen 80 und 81 zugeführt, die in Serie geschaltet sind mit einem Schaltkreis bestehend aus einem Kondensator 82 und einem Induktor 83, der seinerseits aus einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung 85 zusammengesetzt ist, die Jeweils

- IH 209851/0243

auf Kerne wie die Kerne 60 und 6l in Fig. 7 gewickelt sind. Der Betrieb des Regelschaltkreises wird eingeleitet mittels Schaltern 86 und 87 in der oben beschriebenen Weise.

Steuerwicklungen 88 und 89 sind auf die Kerne in der gleichen Weise, wie in Fig. 7 dargestellt, gewickelt und durchflossen von einem Steuerstrom, der abgeleitet wird von einem'Äbtast- und Steuerschaltkreis 90.'Die Ausgangsspannung wird,anstatt über einem Abschnitt des Induktors 83 abgegriffen zu werden, über Wicklungen 91 und 92 abgenommen, die auf die Kerne gewickelt sind und transformatorisch mit den Wicklungen 8¹I bzw. 85 gekoppelt sind. Die Wicklungen 91 und 92 sind in Reihe geschaltet mit dem Eingang eines Brückengleichrichters 93, dessen Ausgang mittels eines Kondensators 9^ gefiltert wird und an den Ausgangsklemmen 95 und 96 erscheint. Der Eingang des Abtast- und Steuerschaltkreises 90 wird über diesen AusgangsKlemmen 95 und 96 gewonnen. Es wird angenommen, daß der Betrieb dieses Schältkreises in Anbetracht der oben gegebenen Ausführungen verständlich ist.. Falls erwünscht, können natürlich die Gleichrichter 93 und Filter S eliminiert werden, so daß man eine geregelte Wechselspannung am Ausgang erhält«, Die Aus gangs spannung kann auch über einem Abschnitt der Wicklungen 84 und 85 anstatt mittels getrennter Wicklungen 91 und 92 gewonnen werden, falls dies erwünscht ist. Diese Technik gestattet außerdem,eine einstellbare Ausgangs-Glelch-i oder Wechselspannung zu gewinnen.

Oben ist erwähnt worden, daß eine geschlossene Schleifenanordnung vorgesehen werden kann, indem der Punkt geändert wird,, zu dem der Induktor triggert, wobei diese Änderung das Ergebnis einer Änderung des Magnetkreises des Induktors ist. Da der Regler gemäß der Erfindung empfindlich für die Eilgangsfrequenz ist, kann die Triggerung des Induktors und damit auch die Ausgangsspannung

■■"'■- 15 ■-209851/0243

auch geändert werden durch Änderung der Eingangsfrequenz. Dies kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, daß die Eingangsspannung gleichgerichtet wird und einem Üblichen Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler zugeführt wird, dessen Aus gangs frequenz geändert werden kann gemäß einem !Steuersignal· Typischerweise arbeiten solche Wandler im kHz-Bereich unter Verwendung gesteuerter Siliziumgleichrichter oder Leistungstransistoren, um einen Rechteckweilenausgang der erwünschten Frequenz zu erzeugen. Die Ausgangsfrequenz eines solchen Wandlers kann gesteuert werden durch ein Steuersignal, das in konventioneller Weise von der Ausgangsspannung abgeleitet wird. Auf diese Weise wird eine geschlossene Schleife vorgesehen, wobei jeder Änderung der Ausgangsspannung durch eine Änderung der Eingangsfrequenz der Anordnung-entgegengewirkt wird.

Es versteht sich, daß die oben gegebenen Theorien für die Wirkungsweise nach festem Wissen des Erfinders gegeben worden sind, daß sie jedoch nicht notwendigerweise mit den tatsächlichen Verhältnissen übereinstimmen müssen. Wesentlich ist, daß die angestrebten Wirkungen mit den angegebenen Mitteln erzielt werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung läßt sich entnehmen, daß gemäß der Erfindung ein einfacher, kompakter und zuverlässiger Regler vorgeschlagen wird. Da der Ausgang eine Rechteckwelle ist, regelt der Schaltkreis nicht nur den Effektivwert der Spannung, sondern ist auch brauchbar für die Regelung des Mittel- und des Spitzenwerts der Spannung. Falls der Schaltkreis überlastet wird, hört er auf zu arbeiten, da dann der Induktor 12 nicht mehr gesättigt wird, wie es erforderlich ist, weil die aus dem Schaltkreis pro Zyklus entnommene Energie größer ist als die pro Zyklus zugeführte. Das hat das Ergebnis, daß die Induktivität des Induktors 12 im hochimpedanten Status bleibt und damit die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom auf sehr niedrige Werte herabgesetzt werden. Die verarbeitbare Leistung des Systems

- 16 209851/0243

In Punktion der Größe und des Gewichts ist ausgezeichnet wie auch der erzielbare Wirkungsgrad. ,

Patentansprüche :

- 17 -

•209851/0243

Claims

Pat e η t a η s ρ r Ü c h e

/I)J Wechselspannungsregler mit einem einen sättigbaren Kern aufweisenden Induktor und einem Kondensator, wobei die geregelte Spannung über mindestens einem Teil des Induktors abgfceifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (14,47,66,67,84,85) und der Kondensator (13,41,64,82) in Reihe an die ungeregelte Eingängsspannung gelegt sind, daß eine Starteinrichtung (16,44,70,71,86,87) vorgesehen ist für die anfängliche Sättigung des Kerns (15,48,60,61) und daß die Induktivität des Induktors so groß bemessen ist, daß die Anfangssättigung des Kerns durch die ungeregelte Spannung allein ausgeschlossen ist.
2) Wechselspannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Starteinrichtung für die Herabsetzung der Induktivität des Induktors ausgebildet ist.
3) Wechselspannungsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Starteinrichtung Schalter zur Stillegung eines Teils des Induktors umfaßt,
4) Wechselspannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators so groß bemessen ist,daß dieser genügend Energie für die Sättigung des Kerns im Zusammenwirken mit der Eingangsspannung zu speichern vermag·
5) Wechselspannungsregler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen einzigen Kern (Pig* I, 4, 5, 6), dessen zahlreiche Windungen umfassende Wicklung den Induktor bildet.

- 18 -

209851/0243
6) Wechselspannungsregler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den einzigen Kern (48) ein Hilfskern (49) angesetzt ist, auf den eine Steuerwicklung (50) aufgebracht ist, deren Strom die Induktivität, und, Volt-Sekunden-Speicherfähigkeit des Induktors ändert»
7) Wechselspannungsregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskern so an den Kern angesetzt ist, daß der vom Steuerwicklungsstrom erzeugte Hilfsmagnetfluß den Kern quer zu der Plußrichtung des in ihm durch seine Wicklung (47) erzeugten Magnetflusses durchsetzt.
8) Wechselspannungsregler nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Abtasteinrichtung (53) für die Ausgangsspannung zur Erzeugung des Steuerstroms in der Steuerwicklung (50).
9) Wechselspannungsregler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Kernen (6o-6l), auf die je eine Teilwicklung (66 bzw. 67, 84 bzw. 85) des Induktors aufgebracht ist. ■·'■■'
10) Wechselspannungsregler nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß auf die Kerne Steuerwicklungen (72-73, 88-89) zur Veränderung der Induktivität des Induktors aufgebracht sind.
11) Wechselspannungsregler nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Abtasteinrichtung (90) für die Ausgangsspannung zur Erzeugung des die Steuerwicklungen durchfließenden Steuerstroms.
12) WechselspannungsrqgJ.er nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geregelte Spannung an den Klemmen einer transformatorisch mit dem Induktor gekoppelten Wicklung (25, 91-92) abgreifbar ist.
13) Wechselspannungsregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Gleichrichternetzwerk (93) für die geregelte Ausgangsspannung. Ίΐ)3&5'4/ Öl H3

Leer seife