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Schaltung zum Konstanthalten :eines elektrischen Stromes: mit ,Hilfe
eines.Variators Elektrische Ströme können bekanntlich mittels Variatoren konstant
gehalten werden. Variatoren sind elektrische Widerstände. mit einem großen positiven
Temperaturkoeffizienten. Sie bestehen in der Regel aus sogenannten Kisendrahtwiderstandslampen,
d.. s. in einer Wasserstoffatmosphäre angeordnete Eisendrähte. Es können außer Eisendrähten
auch andere auf geeignete Weise angeordnete Drähte benutzt werden. Es ist z. B.
bekannt, daß gerade gestreckte Wolframdrähte in einer Stickstoffatmosphäre die gleiche
Wirkung zeigen. Bei der Bestimmung des Stromes eines solchen Variators als Funktion
der Spannung ergibt sich, daß -der Strom in einem bestimmten Spannungsbereich nahezu
konstant ist. Der Verlauf dieser Funktion ist z. B. in Fig. i graphisch dargestellt.
Der Spannungsbereich, innerhalb dessen der Strom konstant bleibt; hat eine obere
und eine untere Grenze, die nachstehend : mit A bzw. B angegeben wird.
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Ändern sich die charakteristischen Größen des Kreises, in dem der
Variator liegt (z. B. durch Verringerung des Widerstandes des Kreises oder durch
Erhöhung der dem Kreis aufgedrückten Spannung), derart, daß die von dem Variator
aufzunehmende Spannung größer als A ist, so bleibt der Strom nicht mehr konstant,-
sondern nimmt zu, wie aus Fig. i ersichtlich ist. Es ist ebenfalls möglich, daß
die Spannung .des Variators ,den Wert B unterschreitet, wobei die Stromstärke unter.
den konstanten Wert herabsinkt. Der Regelungsbereich des Variators liegt also .
zwischen, A und B.
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Die Erfindung bezweckt eine Vergrößerung dieses Regelungsbereiches.
. Erfindungsgemäß wird, wenn die Spannung des Väriators sich dem Wert A nähert,
unter dem Einfluß der Variatörspannung in Reihe mit dem Variator ein Widerstand
geschaltet, der die Spannung am Variator herabsetzt, während der Widerstand unter
dem Einfluß der Varatorspannung wieder ausgeschaltet wird, wenn sich die Spannung
des .Väriators dem Werte B nähert. .
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An sich ist schon vorgeschlagen worden, bei Variatoren das Verhältnis
der oberen und unteren Grenze des .flachen Teiles der Charakteristik zu vergrößern,
hierdurch wird aber nicht auch unbedingt eine Vergrößerung der Entfernung beider
Grenzen, also des Regelungsbereichs des Variators, erreicht, Andererseits hat man
bei einer Reihenschaltung von zwei Variatordrähten vorgeschlagen, entsprechend der
Belastung den einen durch einen in "das Gefäß der Variatordrähte eingebautenBimetallschalter
kurzzuschließen. Da aber die Erhitzung, dieses Bimetallschalters nicht nur von der
Belastung der Variatordrähte, sondern auch von anderen Faktoren, beispielsweise
von der Temperatur der Umgebung und dem Druck des Füllgases;
abhängt
und somit das Ein- und Ausschalten nicht immer -zu dem richtigen Zeitpunkt eintritt,
übexdids. der Schalter sich bei sehr schnell veränderlicher Belastung infolge seiner
Trägheit anders verhält als bei langsamen-Belastungsänderungen, hat sich diese -bekannte
Vorrichtung nicht bewährt, und die hier genannten Umstände sind Ursache gewesen,
dad der zu schützende Apparat bei sich ändernder Stromstärke schon beschädigt ist,
bevor der Bimetallschalter eingreift und betätigt wird.
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Das Ein- und Ausschalten des Widerstandes in der erfindungsgemäAen
Schaltung wird dagegen von der Variatorspannung selbst, also von der Größe, die
durch das Eir-und Ausschalten des Widerstandes beeinflußt werden soll, abhängig
gemacht, -wodurch die genannten Nachteile -vermieden werden. Beim Einschalten des
Widerstands nimmt dieser einen Teil der dem Kreis -aufgedrückten Spannurig auf,
so _daß der Variator eine geringere Spannung aufzunehmen braucht: Der Punkt, der
in der Kennlinie der Fig. i das augenblickliche Verhältnis zwischen dem Strom und
der Spannung des Variators angibt, wird dabei- von A eine .bestimmte Strecke in
der Richtung von B -verschoben. Werden nun die . Verhältnisse -derart, daß sich
dieser Punkt dem Werte B nähert, so wird- -der Widerstand wieder. ausgeschaltet,
wodurch der Punkt-wieder in -der -Richtung nach A hin verschoben wird. Es ist ei'nleuchtend,
daß, wenn sich .die Spannung des Varia-tors bei -eingeschaltetem Widerstand von
neuem dem Wert A nähert; .ein zweiter Widerstand, gegebenenfalls ein dritter -usw:
in Reihe geschaltet werden =kann, -Zur selbsttätigen - Ausführung- wird in Reihe
mit dem Variator ein Widerstand .angeordnet, der kurzgeschlossen- werden kann, wobei
der `Kurzschlug von einem Relais aufgehoben wird;. das parallel zu - dem--Variator
geschaltet ist und eine -Betätigungsspannung bzw. eine. Abfallspannung besitzt,.
die höchstens gleich' A bzw. mindestens gleich B- ist. Unter Betä°figünggs-
bzw. Abfallspannung ist die Spannung, -bei welcher der Ankes .des Relais angezogen
bzw: losgelassen wird,- zu verstehen. Der in- Reihe- mit' dem Variator geschaltete.
Widerstand muß dabei kleiner als
sein, wobei kund V2--clie.Betätigungs--bzw. die Abfallspannung des Relais- und il
die von dem Väriator konstant ---gehaltene Stromstärke darstellen.
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Diese Schaltung ist in Fig. a dargestellt. In Fig. 2 ist i der Variator,
2 eine Stromquelle und 3 die Belastung des Stromkreises, in dem der -Strom auf dem
in Fig. i angegebenen Wertzl konstant gehalten werden soll. In- Reihe mit dem Variator
ist ein Widerstand4 geschaltet, der von dem beweglichen Teil s, des .Relais 6 kurzgeschlossen
werden kann. Die Erregerspule- dieses Relais ist parallel zu dem Variator i geschaltet.
Dieses Relais ist derart eingerichtet, daß der Anker 5 bei einer Spannung Toi angezogen
wird, die erheblich größer -als die Spannung T12 ist, bei welcher der Anker wieder
losgelassen wird. Diese Spannungen sind in Fig. i angegeben.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird von dem Zustand ausgegangen,
in dem der Widerstand q. durch den Anker 5 kurz= geschlossen ist und ein Strom durch
den Kreis fließt, der von dem Variator auf dem Wert i, gehalten wird. Nimmt nun
der Belastungswiderstand 3 ab, so wird die voni diesem Widerstand aufgenommene Spannung
=kleiner, was zur Folge hat, .daß die Spannung des Variators zunimmt und gegebenenfalls
den Wert A übersteigt. Sobald jedoch die an dem Variator liegende- Spannung den
Wert T11 erreicht, wird der Anker 5 angezogen, wodurch der Kurzschluß des Widerstands
q. aufgehoben. und von diesem ein Teil der aufgedrückten- Spannung- aufgenommen
'wird. Die Spannung des Variators nimmt infolgedessen- ah. - Der -Widerstand g.
darf nicht so groß -gewählt werden, däß die Spannung, des Variators unter den Wert
B herabsinkt, da der Strom in diesem Fall einen zu kleinen Wert erhalten würde.
Die Spannung an dem. Variator darf sogar nicht bis auf denWert V^ herabsinken, da
in diesem Fall das Relais abfallen und den Widerstand 4. wieder kurzschließen würde.
Es läßt sich leicht erkennen, daß zu diesem Zweck der Widerstand q. kleiner als
sein muß. Ist der. Widerstand auf .dieseWeise
bemessen,. so sinkt bei Aufhebung des- Kurzschlusses die Spannung am Variator auf
einen zwischen 171 und T12 liegenden Wert herab, so daß der Variator seine' regelnde
Wirkung wieder völlig ausüben- kann. .
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Nimmt jetzt :der Widerstand 3 wieder zu, so nimmt die Spannung - am
Variator ab, bis sie den Wert T12 erreicht, In diesem. Augenblick fällt das Relais
ab und schließt den Widerstand q: wieder kurz, wodurch die Spannung am Variator
ansteigt, und zwar bis zu einem .zwischen T71 und j12. liegenden Wert.
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Es ist einleuchtend, daß die Betätigungs-.spännung Tli :des Relais
nicht kleiner als A zu sein. braucht., Es ist im -Gegenteil vorteilhaft, V1 gleich;
A zu machen. Es braucht ebenfalls- I72 nicht :größer als B zu sein;
es. ist möglich, T12. den Wert B zu geben.
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Es ist vorteilhaft, dem Relais eine Verzögerung zu erteilen, so daß
kurzzeitige
Änderungen der an dem Väriator liegenden Spannung das
Relais nicht betätigen können.
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In den meisten Fällen wird die in Fig. i dargestellte Charakteristik
zwischen den Grenzen A und B nicht genau horizontal verlaufen. Dies
ändert jedoch nichts an den obigen grundsätzlichen Erörterungen.
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In Fig. 3 sind zwei Widerstände 4 und #7 in Reihe mit dem Variator
geschaltet.- Beide Widerstände sind auf die an Hand der Fig. a beschriebene Weise
kurzgeschlossen. Steigt bei kurzgeschlossenen Widerständen die Spannung am Variator
zu sehr, so wird zunächst der Kurzschluß eines der Widerstände aufgehoben. Erreicht
die Spannung am Variator dann aufs neue die höchstzulässige Grenze, so wird auch
der Kurzschluß des zweiten Widerstandes aufgehoben. Um zu vermeiden, daß der Kurzschluß
beider Widerstände gleichzeitig aufgehoben wird, können die Relais derart gebaut
sein, daß das eine eine etwas höhere Betätigungsspannung als das andere besitzt
oder aber, daß die Verzögerung des einen Relais etwas größer als die des anderen
ist. Auf ähnliche Weise kann gleichzeitiges Abfallen dadurch - vermieden werden,
daß man die Abfallspannungen ein wenig voneinander abweichen läßt; Bei Verwendung
von mehreren Widerständen können die Relais auch auf die in Fig. 4 angegebene Weise
geschaltet werden. Hier ist die Spule 8 des Relais, das den Kurzschluß des Widerstandes
7 bewirkt, nicht mit beiden Klemmen des Variators verbunden, sondern parallel zu
dem Variator nebst dem Widerstand 4 geschaltet. Dieses Relais ist derart gebaut,
daß seine Betätigungsspannung gleich der Summe des Spannungsverlustes in dem Widerstand
4; also gleich i1 # R4, und der höchsten Spannung A des Regelungsbereiches des Variators
ist. Die Abfallspannung des Relais ist gleich der Summe des Spannungsverlustes in
dem Widerstand 4 und der Spannung B.
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Es ist einleuchtend, daß die Anzahl der mit dem Variator in Reihe
geschalteten Widerstände nach Bedarf ausgedehnt werden kann. So ist z. B. in Fig.
q. noch ein dritter Widerstand 9 vorhanden. Die Spule zo des zu diesem Widerstand
gehörigen Relais ist parallel zu dem- Variator nebst den Widerständen.4 und 7 geschaltet.
Die Betätigungsspannung dieses Relais ist gleich dem Wert A vermehrt um den Spannungsverlust
in den Widerständen 4 und 7, also A -I- il (R4 + R7), während die Abfallspannung
B -E- ix (R4 -{- R,) beträgt. Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung hat den Vorzug,
daß eine gleichzeitige Betätigung von mehr als einem Relais unbedingt vermieden
wird. Der Unterschied in den Betätigungs- und Abfallspannungen der verschiedenen
Relais kann auf einfache Weise dadurch erhalten werden, daß in Reihe mit den Erregerspulen
Widerstände geschaltet werden.
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Fig. 5 zeigt ein Relais, das sich zur Verwendung in der dargestellten
Schaltung eignet. Dieses Relais enthält einen U-förmigen Rahmen i i aus Messing,
in dessen offenem Ende ein Eisenstäbchen i2 befestigt ist, das zwei Eisenkerne 13
und.i4 trägt, auf die zwei Spulen gewickelt sind. Der eiserne Anker 15 ist um die
Achse 16 drehbar angeordnet und trägt einen Quecksilberschalter 17. Der Standdes
Quecksilbers in bezug auf die Elektroden dieses Schalters ist in Fig.6 bei nicht
angezogenem Anker und in Fig..7 bei angezogenem Anker .angegeben. Die beiden Elektroden
des Quecksilberschalters werden mit den Enden des kurzzuschließenden Widerstandes
verbunden. In dem Kern 14 befindet sich eine Messingschraube 18, während durch den
Rahmen i i eine zweite' Messingschraube i9 hindurchgeführt ist. .Mit Hilfe der -beiden
Stellschrauben 18 und zg können die Betätigungs- und die Abfallspannung des Relais
sehr genau eingestellt -,verden.
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Die erfindungsgemäße Schaltung kann mit Erfolg zum Konstanthalten
des Stromes einer Anzahl von in Reihe geschalteten Lampen, z. B. Natriumdampflampen,
angewendet werden. Parallel zu jeder Lampe kann in diesem Fall ein Widerstand (auch
Durchschlagpatrone genannt) geschaltet werden, der beim normalen Betrieb der Lampe
keinen Strom durchläßt, aber die Lampe kurzschließt, sobald diese in Unordnung gerät.
Es ändern sich infolgedessen die Belastung des Stromkreises und die Spannung des
Variators. Steigt diese Spannung zu sehr, so wird der i in Reihe geschaltete Widerstand
auf die oben beschriebene Weise in Tätigkeit gesetzt, so daß der Strom sogar bei
einer starken Belastungsänderung konstant bleibt..
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Bei einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung wurde der Strom
auf 5 Amp. konstant gehalten. Die dabei verwendete Eisendrahtwiderstandslampe hatte
einen zwischen 30 und 85 Volt liegenden Regelungsbereich. Das Relais wurde derart
eingestellt, daß die Betätigungsspannung 85 Volt und die Abfallspannung
30 Volt betrug. Der in Reihe mit dem: Variator geschaltete Widerstand betrug
io Ohm.