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Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung von Spannung oder Stromstärke
gittergesteuerter Gasentladungsröhren, insbesondere Gleichrichter In vielen Fällen
ist es erforderlich, die von gittergesteuerten Gasentladungsröhren, insbesondere
Gleichrichtern, gelieferten Spannungen `bzw. Stromstärken innerhalb sehr enger Grenzen
konstant zü halten. Die Konstanz soll unabhängig sein von den Schwankungen der die
Gleich richteranordnung speisenden Netzspannung und auch von Schwankungen der angeschlossenen
Belastung. Derartige Anforderungen treten z. B. für Anlagen auf, in denen bei wechselnder
Belastung ständig eine selbsttätige Ladung der Zellen einer Aldkumulätorenbatterie
verlangt wird. Es ist für diese Zwecke nötig, den Ladestrom so zu steuern, idaß
das Ladegerät bei leerer Batterie den Maximalstrom liefert, bei vollgeladener Batterie
den Ladestrom, bis auf den kleinsten Restbetrag absinken läßt, der gerade nötig
ist, um die Eigenverluste der geladenen Batterie im Ruhezustand zu ,decken Die Einhaltung
einer dieser Forderungen entsprechend definierten Ladekennlinie wird aber sehr erschwert
durch Spannungsschwankungen .des Wechselspannungsnetzes, aus dem der Ladegleichrichter
betrieben wird. Sinkt die Netzspannung; so wird unter Umständen die Ladung unterbrochen.
Steigt dagegen die Spannung sehr stark, so besteht die Gefahr einer für die Akkumulatoren
- schädlichen TJ,berladung und einer für die angeschlossenen Verbrauchsgeräte unzulässigen
Erhöhung der abgegebenen Spannung. Analoge Schwierigkeiten treten auf, wenn die
Gasentladungsröhren zur Speisung anderer Verbraucher dienen.
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Man hat, um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, bereits besondere
Relaisschaltungen verwendet, welche die Generator- bzw. Netz-
Spannung
im gewünschten Maße beeinflussen. Sollen die Relaisschaltungen jedoch billig und
betriebssicher ausgeführt-werden, so müssen die Ansprechgrenzen verhältnismäßig
weit auseinandergelegt werden, so daß sich sprunghafte Abweichungen von dem gewünschten
Nennwert der Spannungen um mehrere Prozent ergeben können. Außerdem machen sich
die bekannten Schwierigkeiten bewegter Kontakte unangenehm bemerkbar. Diese speziellen
Nachteile kommen zwar in Fortfall, wenn man auf besondere Relaisschaltungen verzichtet
und dieGasentladungsröhren durch Gittersteuerung unmittelbar beeinflußt. Die bisher
für diesen Zweck verwendeten Schaltungen konnten jedoch auch nicht allen Anforderungen
gerecht werden, besonders dann nicht, wenn Spannung bzw. Stromstärke in sehr engen
Grenzen gehalten werden sollen.
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Bei Gittersteuerung der Entladungsröhren sind grundsätzlich zwei verschiedene
Steuerungs- bzw. Regelungsarten möglich. Man unterscheidet die sogenannte Vorwärtsregelung
von .der sogenannten .Rückwärtsregelung. Bei der Vorwärtsregelung werden die Regel-Spannungen
den Spannungsschwankungen der die Entladungsröhren speisenden Netzspannung entnommen:.
Die Rückwärtsregelung verwendet Regelspannungen, die der Ausgangsspannung :der Entladungsröhren
entnommen werden oder von dem Strom ,der Anordnung abhängig sind. Im letzteren Falle
kann sowohl der Strom im Eingangs- als auch im Ausgangskreis der Gasentladungsröhren
zur Anwendung kommen, @da diese -Ströme einander proportional sind. ' Beide
Regelverfahren haben, für sich allein angewendet, Nachteile. Bei der am häufigsten
angewendeten Rückwärtsregelung besteht die Gefahr einer Rückkopplung. Die Regelanordnung
wird zu einem schwingungsfähigen Gebilde. Um die Stabilität der Gesamtschaltung
nicht zu gefährden, ist es daher bei der Rückwärtsregelung erforderlich, die Regelempfindlichkeit
nach oben zu begrenzen. Die Vorwärtsregelung, bei der eine Rückkopplungsgefahr nicht
besteht, hat dagegen den Nachteil, daß sie nicht in der Lage ist, Änderungen, die
auf Schwankungen der Belastung und auf Schwankungen innerhalb der Röhrenanordnung
selbst zurückzuführen sind, aus-
zugleichen.
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Gemäß ,der Erfindung werden diese Nachteile dadurch beseitigt, daß
beide Regelarten gleichzeitig .durchgeführt werden. Die Regelsteilheit, die bei
reiner Rückwärtsregelung zur Erzielung einer genügenden Genauigkeit sehr groß sein
müßte und infolgedessen leicht zu Rückkopplungsschwingungen Anlaß geben könnte,
kann geringer gehalten werden, wenn die Vorwärtsregelung hinzugenommen wird. Da
bei Gittersteuerung von Gasentladungsröhr.en Leistung verbraucht wird, ist es schwierig,
mit reiner Rückwärtsregelung überhaupt die nötigeRegelsteilheit zu erzielen. Wenn
daher gemäß der Erfindung ein Teil der Spannungsschwankungen durch die zusätzlicheVorwärtsregelung
ausgeglichenwird, so ist es möglich, mit dieser gemischten Regelung eine für alle
praktisch auftretenden Fälle ausreichende Regelgenauigkeit zu erhalten, ohne die
Stabilität,der Anlage zu gefährden.
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Für die Durchführung des Erfindungsgedankens können verschiedene zum
Teil an sich bekannte Regelschaltungen und Regelelemente Anwendung finden. Wie schon
erwähnt, ist es möglich, die Rückwärtsregelung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung,
bei einer Gleichrichteranordnung also von der Gleichspannung, oder aber in Abhängigkeit
von dem Eingangs- bzw. Ausgangsstrom durchzuführen. Werden Gasentladungsröhren mit
zwei Gittern verwendet, so können beide Regelspannungen demselben Gitter zugeführt
werden.
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Die zur Erzielung einer ausreichenden Regelgenauigkeit erforderliche
Erhöhung der im Eingangs- oder Ausgangskreis. auftretenden Spannungsschwankungen
kann mit Hilfe von Spannwngsteilerschaltungen erhalten werden, die aus strom- bzw.
spannungsabhängigen und -unabhängigen Widerständen zusammengesetzt sind.
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In Fig. a ist schematisch eine Gleichrichteranordnung.dargestellt,@bei
der der Erfindungsgedanke zur Anwendung gelangt. Die Gleichrichterröhren Gl werden
über den Transformator Tr aus dem Netz N gespeist. Die Pufferbatterie
B -und der Verbraucher V sind über einen Vorwiderstand R an den Ausgangskreis
des Gleichrichters angeschlossen. Die Aufgabe besteht darin, die Ausgangsspannung
U innerhalb geringer Grenzen konstant zu halten. Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung
ein. Regelglied RG vorgesehen, das den Gleichrichter durch Gittersteuerung beeinflußt
und in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung U durch Rückwärtsregelung RR und in
Abhängigkeit von einer Teilspannung des Transformators Tr durch Vorwärtsregelung
VR gesteuert wird.
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Die Vorwärtsregelung ist bei gittergesteuerten Gasentladungsröhren
in einfacherWeise zu erreichen, weil gleichsinnige Änderungen der Anodenwechselspannung
und der Spannung am Verlagerungsgitter auf die gelieferte Gleichspannung in entgegengesetztem
Sinne einwirken. Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Gleichspannung Ugl von der Spannung
am Verlagerungsgitter U,, für verschiedene Anodenspannungen
UA.
Bei einem Anstieg -der Netzspannung um p % bleibt die Gleichspannung auf ihrem Wert
Uglo konstant, wenn diesem. Anstieg eine h # p%ige Änderung ider Verlagerungsgitterspannungentspricht,
wobei k je nach der Wahl des Anfangsarbeitspunktes etwa 2 bis 5 beträgt. Es ist
also für die Durchführung einer Vorwärtsregelung unbedingt erforderlich, die prozentualen
Änderungen der Netzspannung dem Verlagerun@gsgit ter entsprechend vervielfacht zuzuführen,
d. h. die Änderungen der Verlagerungsgitterspannung müssen zur Erzielung einer konstanten
Gleichspannung prozentual größer sein als die an den Anoden auftretenden Spannungsänderungen.
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Da es sich bei dem Faktorp um kleine Werte handelt, genügt im allgemeinen
zur Vervielfachung der Schwankungen eine Reihenschaltung aus einem konstanten und
einem amplitudenabhängigen Widerstand. Es kann z. B. ein Eisenwasserstoffwi-derstand
in Reihe mit einem Ohmschen Widerstand verwendet werden oder, wenn die Trägheit
des Eisenvvasserstoffwiderstandes stör, ein Kandens.ator in Reihe mit einer gesättigten
Drossel: Die sich stärker ändernde (vervielfachte) Spannung wird ah dein Eisemwasserstoffwiderstand,bzw.@demKondensator
abgegriffen. Der gewünschte Regelfaktor läßt sich durch Wahl der Teilwiderstände
festlegen.
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Die Rückwärtsregelung hat die Aufgabe zu lösen, restliche Änderungen
der geregelten Gleichspannung in Änderungen der Amplitu,de der Wechselspannung am
Verlagerungsgitter umzusetzen und damit den Augenblick des Zünders derart zu verschieben,
daß sich wieder die gewünschte Ausgangsspannung einstellt. Für die Lösung dieser
Aufgabe stehen, wie schon. erwähnt, eine. Reihe von Möglichkeiten zur Verfügung.
Bei allen wird ein Meßorgan bzw. ein Spannungsnormal zur Kontrolle der zu regelnden
Spannung benutzt sowie ein Steuerorgan hoher Empfindsichkeit, das auf Abweichungen
der zu regelnden Spannung von der Normalspannung anspricht.
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Eine Ausführungsmöglichkeit ist ;beispielsweise durch das bekannte
Drehspulbolometer gegeben. Auch eine Glimmlampe kann als Spannungsnormal Verwendung
finden. Handelt es sich um kleine Spannungen, so ist ein EisenwasserstoffwiJerstand
der Glimmlampe vorzuziehen. Als eigentliches Regelorgan, das die dem Verlagerungsgitter
zuzuführende Spannung in gewünschter Weise beeinflußt, kommt beispielsweise eine
aus vormagneti-' sierten Drosseln gebildete Wechselstrombrücke in Frage. Diese Brücke
wird in Ab-hängigkeit von der Gleichspannung durch entsprechende Änderung
der Vormagnetisierung der Drosseln verstimmt. Um eine möglichst hohe Regelsteilheit
zu erhalten, werden zweckmäßig alle vier Brückenzweige beeinflußt. Die Steuerung
ist schließlich auch unter Benutzung gesteuerter amplitudenabhängiger Widerstände
möglich. Es kämmen hierfür beispielsweiseTrockengleichrichter oderHeißleiter in
Frage. Diese können in Einfach-oder in Brückenschaltung verwendet werden.
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Einzelheiten eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung sind ein
Fig.3dargestellt. Den !beiden Gleichrichterröhren z und 2 wird die Andenspannung
Cd über ,den Transformator T1 von dem Netz N zugeführt. Die Steuergitter Gst erhalten
ihre Steuerspannung Ust über den Transformator T2. Der Verbraucher V ist zwischen
den Kathoden der Röhren und dem Mittelpunkt der Sekundärwicklung des Transformators
T1 angeschlossen.
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Die Vorwärtsregelung VR wird über -den Transformator T3 und !den Spannungsteiler,
der aus der Drossel Dr und dem Kondensator C gebildet ist, bewirkt. Die in dem Kondensator
C auftretende Wechselspannung gelangt über die Brückenschaltung B2, die für die
Rückwärtsregelung vorgesehen ist und weiter unten beschrieben wird, an die Verlagerungsgitter
G,, der beiden Gleichrichterröhren.
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Für die Rückwärtsregelung ist außer der erwähnten Brückenschaltung
B2 auch eine Brückenschaltung B, aus drei Ohmschen Widerständen und einer Glimmlampe
vorgesehen. Die eine Brückendiagonale -liegt pärallel zu denn Verbraucher V an der
konstant zu haltenden Gleichspannung U,1. Die Brükkenschaltung B1 ist für den Normalwert
der Ausgangsspannung Ufil abgeglichen. Weicht diese im einen oder anderen Sinne
von diesem Normalwert ab, so werden -die Gleichrichter der Brückenschaltung B2 von
Strömen durchflossen, ,die ihren Widerstand derart beeinflussen, daß an den Verlagerungsgittern
die gewünschte Spannung auftritt, die geeignet ist, die Schwankungen der Ausgangsspannung
zu kompensieren.
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Fig. q. zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem den Verlagerungsgittern
der beiden Gasentladungsröhren R1 und R2 eine von der Eingangs- und Ausgangsspannung
abhängige Gleichspan°nu_ ng zugeführt wird. Im Ausgang der Röhren wird über das
Potentiometer P ein Teil der Ausgangsspannung abgegriffen, mit Hilfe ,des Siebmittels
S und des Kondensators C von unerwünschten Störschwingungen gereinigt und in Gegenschaltung
zu der von dem Gleichrichter Gl gelieferten Spannung den Verlagerungsgittern zugeführt.
Der Gleichrichter Gl wird eingangsseitig über -die beiden Transformatoren T1 und
T2 mit der
Netzspannung gespeist. DerTransformator T2 besitzt einen
gesättigten Eisenkern, so daß die an seiner Sekundärwicklung S2 auftretende Spannungsänderung
kleiner ist als die Spannungsänderung der Sekundärwicklung S1 des anderen Transformators
bei gleicher Spannungsänderung an den in Reihe liegenden Primärwicklungen. Da dem
Gleichrichter die Differenz der an den Sekundärwicklungen auftretenden Spannungen
zugeführt wird, ändert sich diese Spannung in entgegengesetzt@m Sinne wie die Netzspannung.
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Die Bemessung der Schaltung ist so gewählt, daß bei vorgeschriebener
Netzspannung und bei vorgeschriebener Spannung am Verbraucher h die Ausgangsspannung
des Gleichrichters Gl und die am Potentiometer P abgegriffene Spannung einander
aufheben. Nimmt beispielsweise die Netzspannung zü, so steigt die durch die Rückwärtsregelung
erzeugte Verlagerungsspannung an, während die Ausgangsspannung am Gleichrichter
GI abnimmt. Es entsteht infolgedessen im Regelkreis, da die durch Vorwärts- und
Rückwärtsregelung erzeugten Gleichspannungen einander nicht mehr aufheben, eine
Verlagerungsspannung, die die unerwünschten Spannungsschwankungen wieder ausgleicht.
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Die durch .die beiden Transformatoren T1 und T2 bewirkte Abhängigkeit
der dem Gleichrichter Gl zugeführten Spannung von der Netzspannung kann auch mit
Hilfe anderer, nichtlinearer -Schaltelemente, die mit linearen zusammenwirken können,
herbeigeführt werden. Hierfür kommen Heißleiter, Halbleiter, Eisenwasserstoffwiderstände
in Frage, die zweckmäßig mit Ohmschen Widerständen zu Spannungsteilern zusammengeschaltet
werden.
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Da die zur Rückwärtsregelung dienende Gleichspannung von Wechselspannungsanteilen
frei sein muß und nur die langsamen Schwankungen der dem Verbraucher zuzuführenden
Gleichspannung enthalten .darf, ist eine hochwertige Siebung erforderdlich. Diese
wird gemäß der Erfindung :durch besondere Siebmittel S, C herbeigeführt. Wollte
man, wie es bisher üblich war, die Regelspannung hinter dem zwischen den Gasentladungsröhren
und dem Verbraucher liegenden Sieb D, K abnehmen, so würde sich,die hohe Induktivität
der Drossel D in unerwünschter Weise durch Erhöhung der Zeitkonstante des Regelvorganges
auswirken. Die Regelspannung wird deshalb von dem Verbrauchersieb abgegriffen.