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Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung einer Gleichspannung Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung einer Gleichspannung
mit mindestens einen zwischen einer Gleichspannungsquelle und einer Last längs eirgefügen
gesteuerten Gleichrichter (Thyristor) sowie -rr.it einer die an der Last liegende
Spannung abfühlenden Steuerschaltung.
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Es sind bereits Schaltungsanordnungen zur Konstanthaltung einer Gleichspannung
bekannt, die einen im Strompfad liegenden, stetig gesteuerten Transistor verwenden.
Bei einer solchen Regel.:chaltung liegt die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors
zwischen einer Gleichspannungsquelle und einem Verbraucher im Strompfad. Parallel
zur Gleichspannungsquelle liegt ein aus einem Widerstand und einer Zenerdiode bestehender
Spannungsteiler, dessen Abgriff mit der Basis des Transistors verbunden ist.
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Die sich aus dem Spannungsabfall am Verbraucher und aus der Zenerspannung
ergebende Differenzspannung steuert den Transistor und verändert kontinuierlich
den Kollektor-Emitter-WiderstarE des Transistors. Wenn die zu regelnde Leistung
groß ist, so ist ein teurer Leistungstransistor vorzusehen, der den angebotenen
Uberschuß an Energie aufnehmen können muß.
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Es ist auch bereits eine Schaltungsanordnung zur Konstantaaltung einer
von einer Wechselspannungsquelle abgeleiteten Gleichspannung bekannt, bei der die
Wechselspannung durch Gleichrichter in Zweiweggleichrichtung gleichgerichtet und
dann als Halbwellenspannung urgeglattet über die Schaltstrecke eines mit der Anode
auf der Gleichrichterseite liegenden steuerbaren Gleichrichters einem mit einem
Kondensator überbrückten Verbraucher zugeführt wird.
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Der steuerbare Gleichrichter wird von einer Steuerschaltung impulsweise
geöffnet, die Zündimpulse in Abhängigkeit von der sich aus der Verbraucherspannung
und einer Vergleichsspannung ergetenden Differenzspannung an seine Steuerelektrode
abgibt. Je nach dem, ob die Ausgangsspannung größer bzw. kleiner ist als die Referenzspannung,
wird der Zündzeitpunkt des steuerbaren Gleichrichters in Jeder Halbperiode der Halbwellenspannung
verändert.
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Der Gleichrichter bestimmt den Ladestrom für den Kondensator und damit
auch die Ausgangsspannung. Da die Nachladung des Kondensators innerhalb einer Halbwelle
erfolgt, ist seine Nachladezeit durch die Frequenz der Wechselspannungsquelle, üblicherweise
ist es das 50 Hz Netz, festgelegt. Das bedeutet, daß bei gröberer Leistungsentnahme
Kondensatoren mit großer Siebkapazität erforderlich sind.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Scnaltuqgsanordnung
zur Konstanthaltung einer Gleichspannung in der Eingangs genannten Art anzugeben,
die im Vergleich zu bekannten Anordnungen mit weniger Siebkapazitäten bei gleich
großer Leistungsabgabe auskommt.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß ein Serienschwingkreis über die Schaitstrecke eines ersten Thyristors parallel
zur Gleichspannungsquelle liegt, daß dem Serienschwingkreis über die Schaltstrecke
eines zweiten Thyristors ein Ladekondensator parallel geschaltet ist, an dem eine
konstante Gleichspannung abgreifbar ist und daß die beiden Thyristoren von der Steuerschaltung
durch gegenüber der Eigenschwingungszeit des Serienkreises kurze Impulse abwechselnd
reitend gemacht werden.
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Eine Abänderung der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung besteht darin,
daß der Ladekondensator über die Schaltstrecke des zweiten Thyristors nicht parallel
zum gesamten Serienschwingkreis sondern.. in Reihe mit einer zweiten Induktivität
parallel zu dessen Kapazität geschaltet ist und daß die zweite Induktivität mit
der Kapazität einen zweiten Serienschwingkreis bildet.
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Anhand zweier Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutern
Einander entsprechende Bauelemente werden mit gleichen Bezugszeichen benannt.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 führt eine Gleichspannungsquelle
1 den Eingangsklemmen 3 und 4 der Schaltungsanordnung eine unstabilisierte Gleichspannung
UE zu. Die Gleichspannungsquelle besteht aus einem Gleichrichtergerät mit Brückengleichrichter
und Siebmitteln, das'seine Energie aus dem Wechselspannungsnetz U, bezieht; sie
kann durch andersartige Quellen, z.B.
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durch eine Batteri, setzt werden. An der positiven Eingangsklemme
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liegt die Anode eines Thyristors Th1, dessen Schaltstrecke in Reihe mit einem Serienschwingkreis
aus der Induktivität L1 und der Kapazität C1 liegt. Parallel zum Serienschwingkreis
liegt die Reihenschaltung aus einem zweiten Thyristor TN und einem Ladekondensator
C2. C1 und C2 sind gemeinsam an der negativen Eingangsklemme 4 angeschlossen. Die
geregelte Gleichspannung UA wird am Ladekondensator abgegrifren, dem eine veränderliche
Last in Form eines Widerstandes R parallel geschaltet ist. Die Steuerelektroden
der beiden Thyristoren sind mit einer Steuerschaltung 2 verbunden, die aus einem
Sollwertgeber, aus einer Vergleichsschaltung zum Vergleich des Istwertes der geregelten
Gleichspannung UA mit dem Sollwert und aus zwei Impulsgebern zur zeitlich getrennten
Ansteuerung der Thyristoren besteht.
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Weicht der Istwert, also die Gleichspannung UA, vom vorgegebenen Sollwert
ab, so liefert die Vergleichsschaltung ein Sprungsignal, mit dem beispielsweise
einemonostabile Kippschaltung getriggert wird. Eine monostabile Kippstufe erzeugt
bekanntlich bei Ansteuerung mit einem geeigneten Sprungsignal einen Ausgangsimpuls
mit definierter Dauer, wobei dessen Impuls ende gegenüber dem Signalsprung zeitlich
verzögert ist. Sprunganfang und-ende dieses Impulses werden dazu benutzt, die beiden
Thyristoren zeitlich nacheinander zu triggern; hierbei ist die Dauer des Impulses
größer als die Eigenschwingungszeit des Serienkreises zu wählen.
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- Aus Gründen der Ubersichtlichkeit wird auf eine genauere schaltungstechnische
Darstellung der Steuerschaltung verzichtet, da sie nur Schaltungen enthält, deren
Aufbau und Funktion jedem Fachmann hinreichend bekannt sind.
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Die Steuerschaltung überwacht die Spannung UA am Ladekondensator C2
und liefert zunächst einen kurzen Steuerimpuis an die Steuerelektrode des ersten
Thyristors Thl, sobald UA den gewähiten Sollwert um einen bestimmten Betrag über-
.oder unterschreitet.
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Die Schaltstrecke des Thyristors Thl wird niederohmig und legt dadurch
impulsartig die Gleichspannung UE an den Serienschwingkreis L1-C1. Durch den Kreis
fließt ein von dessen Resonanzfrequenz bestimmter sinusförmiger Strom. In der ersten
Halbperiode des beide Speicher L1 und C1 durchfließenden Stromes lädt sich die Kapazität
auf eine Spannung auf, die bekanntlich größer als die angelegte Eingangsspannung
UE ist, wobei die Spannungsüberhöhung von der Güte des Kreises abhängt. Es sei beispielsweise
angenommen, daß die Güte des hier dargestellten Kreises L1-C1, also das Verhältnis
des Kennwiderstandes zum Verlustwiderstand genügend groß ist; dann lädt sich die
Kapazität etwa auf den doppelten Wert der Eingangsspannung, also auf etwa 2 . UE
auf.
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Sobald die Spannung an der Kapazität C1 diesen Wert erreicht, geht
der Kreisstrom durch Null. Der Strom erreicht den Nullwert nach einer halben Periode
der Serienresonanzfrequenz; dann wird auch der Strom durch den leitenden Thyristor
Thl Null und dieser Thyristor erlischt. Die Dauer des Stromflusses durch den Thyristor
Thl wird somit durch die Resonanzfrequenz des Serienkreises L1 und C1 bestimmt und
ist gleich der halben Periodendauer dieser Frequenz. Gegenüber dieser halben Periodendauer
soll die Impulsbreite für die Steuerung. der'Thyristoren klein sein.
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Die in der Kapazität C1 gespeicherte elektrische Energie wird nun
dazu benutzt, den Ladekondensator C2 nachzuladen, um so der Spannungsabnahme aufgrund
der Belastung entgegenzuwirken. Hierzu gibt die Steuerschaltung 2, sobald der Thyristor
Thl erlischt, einen weiteren kurzen Steuerimpuls an die Steuerelektrode des zweiten
Thyristors Th2 ab und zündet seine Schaltstrecke. Die Kapazität C1 entlädt sich
über den Thyristor Th2 und gibt seine elektrische Energie an den Ladekondensator
C2 ab. Die Dauer der Energiezufuhr an den Ladekondensator C2 ist durch die Serienresonanzfrequenz
des Schwingkreises C1-L1 festgelegt und er.det, sobald der sinusförmig verlaufende
Kreisstrom durch Null geht, denn in diesem Moment wird der Haltestrom des zweiten
Thyristors unterschritten. Der Thyristor erlischt und unterbricht die Verbindung
zwischen dem Schwingkreis und dem Ladekondensator.
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Der Nullwert des Kreisstromes ist nach einer halben Periode der Serienresonanzfrequenz
des Kreises C1-L1 erreicht. Damit ist ebenfalls die Dauer des Stromflusses durch
den zweiten Thyristor von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestimmt.
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Der Kapazität C1 ist eine HalbleiterdioaeDparallel geschaltet.
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Sie verhindert, daß sich C1 in umgekehrter Richtung auflädt.
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Dies würde irjrer dann geschehen, wenn der Ausgang UA überlastet bzw.
kurzgeschlossen würde. Die Kapazität hätte dann bereits eine negative Ladung, wenn
der Strom durch C1, L1 und TX zu Null wird. Diese negative Ladung würde aber bei
einem erneuten Ladezyklus über Thl zu einer hohen Aufladestromstärke führen.
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Schließlich würde sich ein eingeschwungener Zustand einstellen,
bei
dem eine so große Energiependelung entsteht, daß dTe dabei auftretenden Verluste
die Größenordnung der Ausgangs leistung erreichen. Dies wird durch die Diode D parallel
zu C1 verhindert. Der geschilderte Nachladevorgang wiederholt sich vorn neuem, so
lange die Belastung eine Spannungsabnahme hervorruft. Die Anzahl aufeinanderfolgender
Ladevorgänge pro Zeiteinheit ist dabei abhängig von der Höhe der Belastung. Die
Dauer der Einschaltzeit der Thyristoren ist jedoch unabhängig von der Höhe der Belastung,
denn sie wird, wie beschrieben, allein von der Resonanzfrequenz des Serienkreises
bestimmt.
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Die Höhe der Resonanzfrequenz ist grundsätzlich unabhängig vom übrigen
Teil der Schaltungsanordnung frei wählbar. In einem praktischen Ausführungsbeispiel
wurde die Resonanzfrequenz zu etwa 5 KHz gewählt. Im Anwendungsfall ist darauf zu
achten, daß durch die bei dieser hohen Frequenz auftretenden Schaltverluste kerne
schädliche Erwärmung der Thyristoren entsteht.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich schaltungstechnisch
von dem nach Fig. 1 dadurch, daß parallel zur Kapazität C1 des Serienschwingkreises
die Reihenschaltung aus einer zweiten Induktivität L2> dem zweiten Thyristor
T und dem Ladekondensator C2 liegt, wobei die Induktivität L2 mit der Kapazität
C1 einen zweiten Schwingkreis bildet. Das hat zur Folge, daß in diesem Beispiel
die in C1 gespeicherte elektrische Energie sich bei gezündetem Thyristor Th2 über
die Induktivität L2 auf den Ladekondensator C2 entlädt. Die Dauer der Entladung
ist
deshalb durch dieSerienresonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises Ci festgelegt
und endet, sobald der sinusförmig verlaufende Kreisstrom durch Null geht und den
Haltestrom von Thyristor Th2 unterschreitet. - Die Aufladung von C1 über den Thyristor
Thl erfolgt in der gleichen Weise, wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.
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Die Resonanzfrequenz der beiden Kreise Ll-Cl und L2-C1 wird zweckmäßigerweise
gleich groß gewählt, d.h. L1 und L2 besitzen etwa gleich große Induktivitäten.
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Die Vorteile der beschriebenen Schaltungsanordnung bestehen hauptsächlich
darin, daß in der Schaltung außer den geringen ohmschen Verlustwiderständen der
Speicher und der Thyristoren keine Längswiderstände vorhanden sind, die Verlustwärme
erzeugen; der Wirkungsgrad der Stabilisierungsschaltung ist daher wesentlich höher
als bei vergleichbaren Schaltungen üblicher Bauart mit einem Längstransistor. Wegen
der hohen Arbeitsfrequenz der Schaltung werden bei vergleichbaren Ausgangsleistungen
am Ausgang (Ladekondensator C2) geringere Siebkapazitäten benötigt, als bei bekannten
thyristorgeregelten Gleichspannungsquellen.
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Das Ausführungsbeispiel mit zwei Serienschwingkreisen bietet zusätzlich
noch den Vorteil, daß im Kurzschlußfall am Ausgang der Kurzschlußstrom durch die
mit den Thyristorschaltstrecken in Reihe liegenden Induktivitäten begrenzt wird.
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Abschließend wird noch ein Dimensionierungsbeispiel für das Ausführungsbeispiel
nach Fig. 2 angegeben: UE = 24 V + 15 - 25% UA = 24 V # 2 % bei IA max - 4 A L1
= loo L2 = 100 µH C1 = lo C2 = 100 g f # 5 KHz Die Thyristoren und die Diode sind
handelsübliche Typen.