-
Zeitschalteinrichtung zur wiederholten Zündung von Entladungsstrecken
innerhalb einer wählbaren Zahl aufeinanderfolgender Wechselspannungshalbwellen Es
tritt häufig die Aufgabe auf, in Verbraucherkreisen, die über Entladungsstrecken
mit Wechselstrom gespeist werden, die Einschaltzeit selbsttätig auf eine bestimmte
wählbare Anzahl von Halbwellen zu beschränken. Vielfach wird dabei gleichzeitig
auch noch gefordert, daß die Zündung der Entladungsstrecken innerhalb jeder Halbwelle
ganz genau in einem ebenfalls wählbaren Zeitpunkt erfolgt, um auf diese Weise den
Energieinhalt jedes Stromimpulses nach Wunsch bemessen zu können. Diese Verhältnisse
liegen insbesondere bei der Steuerung von Widerstandsschweißmaschinen zur Punkt-
oder Na:htschweißung vor.
-
Es ist bekannt, die Zahl der in einer Einschaltzeit ,aufeinanderfolgenden
Zündungen durch eine Folge von Steuerimpulsen zu bestimmen, die stufenweise kleiner
werden, bis ihre Höhe schließlich: nicht mehr zur Zündung der Entladungsstrecken
ausreicht. Bei der bekannten Einrichtung werden diese stufenweise kleiner werdenden
Steuerimpulse durch die schrittweise Ladungsänderung eines Kondensators erzeugt,
der über eine periodisch freigegebene Hilfsentladungsstrecke aus einer Wechselsp.ann@ungsquelle
gespeist wird. Bei jedesmaligem Freigeben der Hilfsentladungsstreckeerhält der Kondensator
dabei eine Ladung, die sich zu der schon vorhandenen addiert. Wegen der somit wachsenden
Spannung des Kondensators wird jeder L,adestromimpuls kleiner als der vorangehende.
Wegen der Benutzung einer Wechselspannung als Ladespannung für den Kondensator hängt
bei der bekannten Einrichtung das Gesetz, nach dem die Ladestromimpulse und die
davon herrührenden Steuerimpulse für die Hauptentladungsstrecken
kleiner
werden, nicht nur von dem Widerstand im Kondensatorkreis, sondern auch von dem Zeitpunkt
ab, in welchem die Hilfsentladungsstrecke jedesmal ipnerhalb der Halbwelle der Lädewechselspannung
freigegeben wird. Man kann infolgedgssen mit dieser Einrichtung die Lage der Zünd;
zeitpunkte nicht frei wählen, da sich dadurch auch sofort die Zahl. der voll den
Hauptentladungsstrecken durchgelassenen Halbwellen und damit die Länge der Einschaltzeit
ändern würde. Andererseits bestimmt der Zündz,itpunkt der Hilfsentladungsstrecke
auch die Zündzeitpunkte der Hauptentladungsstreeken. Deshalb läßt sich bei der bekannten
Anordnung die Energie der einzelnen Schweißstromimpulse nicht ohne weiteres unabhängig
von der Datier der Einschaltzeit einstellen.
-
Die vorliegende Erfindung überwindet dieseil Nachteil dadurch, daß
der Kondensator, dessen Ladung schrittweise geändert wird. durch Stromimpulse über
eine Hilfsentladungsstrecke aus einem Gleichstromnetz .aufgeladen wird, wobei seine
bei jedem Stromimpuls auftretende Ladungsänderung durch ,einen zweiten mit ihm in
Reihe liegenden, um ein Vielfaches kleineren Kondensator bestimmt wird, der sich
jedesmal entsprechend der Spannung des größeren Kondensators voll auflädt und in
den Zwischenzeiten zwischen den Ladeimpulsen über einen Nebenweg wieder entlädt.
Dadurch, daß in dem Stromkreis der Hilfsentladungsstrecke eine Gleichspannung liegt,
ist es für das Abnehmen der entstehenden Steuerimpulse offenbar gleichgültig, welche
zeitliche Lage die .an das Gitter der Hilfsentladungsstrecke gelangenden Zündimpuls
besitzen. Bei einer Anordnung gemäß der Erfindung kann man infolgedessen durch Verlegung
der Zündzeitpunkte der Hilfsentladungsstrecke die mittlere Größe der Schweißstromimpulse
unabhängig von der Einschaltzeit einstellen.
-
Die Erfindung möge an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
sowie an Hand der dazugehörigen Diagramme näher erläutert werden.
-
In Fig. i bedeutet 7 einen Schweißtransformator, dessen Sekundärwicklung
9 an die Schweißelektroden 13 angeschlossen ist. Die Primärwicklung 15 des Schweißtransformators
7 wird aus dem Wechselstromnetz 17, 19 über ein Paar Entladungsstrecken 21 und 23
in gegensinniger Parallelschaltung gespeist. Die Entladungsstrecken arbeiten mit
Initialsteuerung. Zu diesem Zweck besitzt jede Entladungsstrecke eine Anode 25,
eine flüssige Kathode 27 und eine Zündelektrode 29, die aus Borcarbid, Siliciumcarbid
oder einem ähnlichen Stoff besteht und ständig in die Kathode eintaucht. An Stelle
derartiger Entladungsgefäße können aber auch Entladungsgefäße anderer Art, z. B.
gittergesteuerte Entladungsgefäße oder Glühkathodengefäße, treteil.
-
Der Schweißstrom wird den Schweißelektroden während genau bestimmter
Zeitintervalle zugeführt. Die Zeiteinheit für die Mes-_, sang der Länge der Schweißstromimpulse
ist eine Halbwelle der zugeführten Wechselspannung. Die Hauptentladungsstrecken
21 und 23 werden während solcher Halbwellen der Wechselspannung leitend gemacht,
die hinsichtlich ihrer Zahl dem vorgegebenen Zeitintervall, während dessen der Schweiß-Strom
fließen soll, entsprechen. Die Größe der Schweißenergie wird dadurch geregelt, dalä
die Zündzeitpunkte der Entladungsstrecken innerhalb der Halbwellen verschoben werden.
Dies geschieht durch entsprechende Steuerung der den Zündelektroden 29 zugeführten
1#-rregerströme.
-
Wenn eilte Serie von Stromimpulsen zur Erzeugung eines Schweißpunktes
eingeleitet werden soll, wird der Druckkilopfschalter 31, der in Reine mit der Erregerspule
33 des Einschaltrelais 35 liegt, geschlossen. Hierbei wird die Erregerwicklung 33
an die Spannung des Gleichstromnetzes -, ; , 39 gelegt, und das Relais
zieht an. Der obere bewegliche Kontakt 41 des Einschaltrelais berührt dann die festen
Kontakte 43 und schließt dadurcheinen Stromkreis. der wie folgt verläuft: Positiver
Leiter 37 des Gleichstromnetzes, Drosselspule 45, Kontakt 41, Parallelschaltung
aus Kondensator 47 und Widerstand 51, Kondensator 53, Anode 55 und Kathode 57 des
Hilfsentladungsgefäßes 59, Widerstand 61, negativer Leiter 39. Das Relais 35 enthält
außerdem einen zweiten unteren Kontakt 63, der im Ruhezustand geschlossen ist und
dabei den Kondensator 53 kurzschließt. Die Kapazität des Kondensators 53 ist im
Verhältnis zu der des Kondensators 47 sehr groß, beispielsweise zehnmal so groß.
Die Hilfsentladungsstrecke 59 kann vorzugsweise als gasgefüllte Glühkathodenröhre
ausgeführt sein, obwohl an Stelle dessen auch ein Hochvakuumrohr verwendet werden
kann.
-
Ein Steuerpotential, welches ausreicht, um die Leitfähigkeit der Hilfsentladungsstrecke
59 wesentlich zu erhöhen, wird über den Hilfstransformator 67 dem Wechselstromnetz
17, i9 entnommen. Die Sekundärwicklung 83 des Hilfstransformators 67 hat eine Phasendreheinrichtung
69, die in bekannter Weise aus einem regelbaren Widerstand 71 und einer Drosselspule
73 besteht. Zur Erzeugung spitzer Spannungskurven dient ein gesättigter Transformator
7 5, dessen Primärwicklung 77 an die Klemmen 79 und 83 der Phasendreheinrichtung
angeschlossen ist. Die Spannungsspitzen,
die der Sekundärwicklung
85 dieses Transformators entnommen werden, werden über einen Vollweggleichrichter
89, der vorzugsweise aus zwei Trockengleichrichtern 9i besteht, dem Widerstand 87
zugeführt. Dieser Widerstand e; liegt zwischen der Kathode 5 r und dem Gitter 65
der Hilfsentladungsstrecke 59 unter Zwischenschaltung eines Gitterkondensators 95.
-
Die Spannungsverhältnisse des an die Hilfsentladungsstrecke 59 angeschlossenen
Steuerkreises 67, 69 und 75 sind in Fig. 2 kurvenmäßig dargestellt. Die stark: ausgezogene
Sinuslinie.97 stellt die Wechselspannung des Netzes 17, i9 dar. Die dünn ,ausgezogene
Sinuslinie 99 gibt die durch die Phasendreheinrichtung 69 verschobene - und der
Primärwicklung 77 des Transformators 75 zugeführte Spannung wieder. Durch die Sättigung
des Transformators 75 entsteht in dessen Sekundärwicklung 93 eine Spanntalg spitzer
Wellenform, so daß wegen der Zwischenschaltung des Vollweggleichrichters 89 an dem
Widerstand 87 eine Spannung auftritt, -wie sie in Fig. 2 durch die Kurve i o i dargestellt
wird.
-
Wenn durch den Kontakt 41 der Stromkreis über das Hilfsentladungsgefäß
59 geschlossen ist und dem Gitterkreis dieser Entladungsstrecke von dem Transformator
75 ein Steuerimpuls zugeführt wird, wird diese letztere leitend, und es fließt über
sie ein Ladeimpuls. Der große Kondensator 53 -wird bis zu einem Betrag aufgeladen,
der von der Größe des kleineren Kondensators ¢7 abhängt. Da in dem Stromkreis außerdem
eine Drossel q-5 liegt, ist die Potentialdifferenz zwischen den beiden Kondensatoren
,am Ende des Ladeimpulses etwas größer als die Spannung des Gleichstromnetzes 37,
39. Infolgedessen ist die Spannung zwischen der Anode und der Kathode des Hilfsentladungsgefäß,es
59 in diesem Augenblick negativ, so daß die Entladungsstrecke erlischt. Dadurch
wird die Spannung, die die beiden Kondensatoren 49 und 53 geladen hält, zum Verschwinden
gebracht und der kleinere Kondensator sofort über' den ihm parallel geschalteten
Widerstand 51 entladen. Infolge hiervon wird die Spannung Anode-Kathode der Entladungsstrecke
59 wieder positiv, ohne jedoch denselben Betrag wie vorher zu erreichen. Die Entladungsstrecke
wird von neuem leitend. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis der größere
Kondensator 53 fast vollständig geladen ist.
-
Der Ladevorgang des großen Kondensators wird- in Fig.3 durch die Treppenkurve
i o3 dargestellt. Die Spannung des Kondensators ist dabei ,als Ordinate und ,die
Zeit als Abszisse aufgetragen. Die Zeitabstufungenentsprechen denen der Fig. i,
und zwar tritt, wie aus einem Vergleich mit Fig.2 zu ersehen ist, eine Erhöhung
der Spannung des Kondensators jedesmal dann auf, wenn an dem Widerstand 87 eine
Spannungsspitze i o i @erzeugt wird. Ein solcher Impuls wiederholt sich während
jeder Halbwelle.
-
Entsprechend jedem Ladeimpuls -wird durch den Widerstand 6 r in Reihe
mit dem Hilfsentladungsgefäß ein Stromimpuls geschickt, dem wiederum ein Spannungsimpulsentspricht,
der zwischen. dem :einstellbaren Abgriff io5 auf diesem Widerstand und dem Abgriff
107
des Spannungsteilers i o9 entsteht. In demselben Maße, wie der große Kondensator
53 stufenweise geladen wird, nimmt die Größe des Sparmungsimpulses zwischen den
Abgriffen io5 und 107 ab. Dieser Vorgang ist in Fig. 4. kurvenmäßig wiedergegeben.
Die Zeitteilung auf der Abszissenachse entspricht derjenigen in den Fig. 2 und 3.
jedesmal in dem Augenblick, in dem das Potential, welches in Fig. 3 durch die Kurve
103 dargestellt ist, um einen Schritt steigt, entsteht zwischen den Abgriffen io5
und 107 eine Spannungsspitze i i i, die ihrer Höhe nach ,allmählich abnimmt. Es
sei an dieser Stelle bemerkt, daß die Anordnung auch so getroffen werden kann, daß
ein normalerweise beladener Kondensator in Stufen von der Dauer einer Halbwelle
durch einen kleinen Kondensator und eine Entladungsstrecke ientladen wird.
-
Der Abgriff io5 des Widerstandes 61 ist mit der Steuerelektrode 113
seiner zweiten Hilfsentladungsstrecke i 15 verbunden, die ebenfalls entweder als
gasgefüllte oder als Hochvakuumröhre ,ausgebildet sein kann. Der Abgriff io7 des
Spannungsteilers sog liegt an der Kathode 117 dieser Hilfsentladungsstrecke; deren
Anode i io mit einem Ausgangspunkt 121 einer Brückenschaltung 123 verbunden ist.
Die Brückenschaltung 123 umfaßt vier vorzugsweise gleich große Widerstände 125,
127, 129 und 131, die in üblicher Weise in Reihe geschaltet sind. Die Eingangsklemmen
133 und 13-5 liegen an den Verbindungspunkten der Widerstände 125 und 131 einerseits
und 127 und 129 andererseits. Ihnen wird von der Sekundärwicklung 137 eines Transformators
139 Spannung zugeführt. Die Sekundärwicklung dieses Transformators, deren Außenklemmen
mit 141 bezeichnet sind, besitzt außerdem eine Mitbelanzapfung 43. Die Außenklemmen
sind mit den Eingangsklemmen 133 und 135 der Brückenschaltung über die Gleichrichterelemente
145 und 147, vorzugsweise Trockengleichrichter, verbunden. Die Gleichrichter sind
hinsichtlich ihrer Durchlaßrichtung so ,angeordnet, daß der Strom, der durch einen
von ihnen. und über die Widerstände 125 und 127 fließen könnte, jeweils durch den
anderen gesperrt wird.
Selbst wenn die Gleichrichter einen gewissen
Rückstrom führen, kann dadurch keine Botentialdifferenz zwischen den Ausgangsklemmen
121 und 149 der Brückenschaltung hervorgerufen werden, insofern als ein Strom, der
einzig und allein durch die Brückenimpedanzen zwischen den Klemmen 141 fließt, das
Brückengleichgewicht nicht stören kann. Da jedoch die Kathode 117 der Hilfsentladungsstrecke
115 an die Mittelanzapfung 143 angeschlossen ist, so fließt durch beide Gleichrichter
145 bzw. 147 ein erheblicher Strom in der Durchlaßrichtung des betreffenden Gleichrichters.
Ein solcher Strom ruft aber eine Verstimmung des Brückengleichgewichtes hervor.
-
Der Hilfsentladungsstrecke 115 wird in diesem Falle eine Anodenspannung
zugeführt. Wenn die Potentialdifferenz zwischen den Abgriffen los und 107 in positiver
Richtung den kritischen Spannungswert überschreitet, wird die Hilfsentladungsstrecke
leitend. Nun entstehen, wie bereits oben auseinandergesetzt, zwischen den Abgriffen
1o5 und -l07 kurzzeitige, spitze Spannungsstöße während jeder Halbwelle der Wechselspannung,
sofern der Druckknopfschalter ,31 geschlossen ist. Während einer bestimmten Anzahl
von Halbwellen, die durch entsprechende Einstellung der Anzapfungen 1o5 und 107
beliebig eingestellt werden kann, reichen die Spannungsspitzen aus, um die Hilfsentladungsstrecke
115 leitend zu machen.
-
Diese Auswahl einer bestimmten Anzahl von Halbwellen, während deren
die Hilfsentladungsstrecke 115 leitend ist, ist in Fig. 5 als Diagramm wiedergegeben.
Auf der Abszissenachse ist wiederum die gleiche Zeitteilung wie in den Fig.2 bis
4 vorgenommen. Die Zündung der Entladungsstrecke erfolgt jedesmal, wenn in Fig.4
ein Spannungsstoß 111 auftritt, dessen Spitze noch den kritischen Wert 151 überschreitet.
Im vorliegenden Fall wird folglich die Entladungsstrecke in drei aufeinanderfolgenden
Halbwellen gezündet. Die Sinushalbwellen 153 stellen dabei das Potential Anode-Kathode
der Hilfsentladungsstrecke 115 dar, welches durch die Gleichrichter 145 und 147
der im Gleichgewicht befindlichen Brückenschaltung geliefert wird. Die schraffierten
Flächen 155 der ersten drei Halbwellen stellen die Zeitabschnitte dar, während derer
die Entladungsstrecke 115 leitend ist. Der induktive Widerstand in dem Anodenkreis
der Entladungsstrecke 115 ist so klein, daß diese sofort erlischt, wenn ihre Anodenspannung
gerade den Nullwert erreicht, d. h. also jedesmal am Ende der betreffenden Halbwelle.
Solange die Entladungsstrecke 115 leitend ist, fließt durch die Widerstände 125
und 127 der Brükkenschaltung 123 Strom. Während der ersten 14albwelle, also beispielsweise
wenn der obere Gleichrichter 145 leitend ist, wird in einem Stromkreis, der sich
von der oberen Transformatorklemme 141 durch den Gleichrichter 145, den oberen Widerstand
125, die Hilfsentladungsstrecke 115 zu der Mittelanzapfung= 143 der Transformatorwicklung
schließt, ein Stromstoß hervorgerufen. Der Strom, der durch den entgegengesetzten
Gleichrichter 131 fließt, ist dabei vernachlässigbar klein. Wenn der Widerstand
125 stromdurchflossen ist, ist das Brückengleichgewicht gestört, und es entsteht
an der Primärwicklung 157 des Ausgangstransformators 159 und dementsprechend auch
in den Sekundärwicklungen 161 und 163 ein Spannungsimpuls. Wenn der Gleichrichter
147 Strom führt, ergeben sich analoge Verhältnisse. In diesem Fall ist der Spannungsimpuls,
der der Primärwicklung 157 aufgedrückt wird, wiederum von der gleichen Polarität
wie vorher.
-
Die Sekundärwicklungen 161 und 163 des Ausgangstransformators 159
sind über die Varspannungsquellen 173 und 175 zwischen die Steuerelektroden und
die Kathoden der Zündentladungsstrecken 169 bzw. 171 geschaltet: Jede dieser Zündentladungsstrecken
ist mit ihrer Anode 181 an eine der Hauptentladungsstrecken 21 bzw. 23 über die
Leitungen 179 bzw. 189 angeschlossen. Wenn beispielsweise die Zündentladungsstrecke
169 leitend ist, so fließt ein Strom von dem Leiter 179 über diese Entladungsstrecke,
die Zündelektrode 29 und die Kathode 27 nach dem Leiter 185.
-
Den Zündentladungsstrecken wird demgemäß in jeder Halbwelle abwechselnd
eine positive und eine negative Anodenspannung zugeführt. Die Verbindung der Sekundärwicklungen
161 und 163 des Ausgangstransformators 159 ist derart, daß, wenn in ihnen ein Spannungsimpuls
induziert wird, dieser die Steuerelektrode 165 der betreffenden Zündentla.dungsstrecke
gegenüber der Kathode 167 positiv macht. Daraus folgt, daß, wenn die Brückenschaltung
123 außer Gleichgewicht ist, die Zündentladungsstrecken 169 und 171 leitend werden.
Diese Impulse werden .über die Hilfsentladungsstrecke 115 in solchen Augenblicken
der Halbwellen zugeführt, wie sie durch die Phasendreheinrichtung 69 vorher bestimmt
sind. Die Zündentladungsstrekken 169 und 171 werden somit in den in Fig. 5 durch
die schraffierten Flächen dargestellten Teilen der Halbwellen leitend. In diesem
Zeitpunkt zünden damit auch die Hauptentladungsgefäße 21 und 23, die den Schweißtransformator
über die Leitungen 177, 185 und 193 mit Strom speisen. Die Erregung jeder Hauptentladungsstrecke
hält so lange an, wie die Hilfsentladungsstrecke 115
leitend bleibt.
Durch das Schließen ;des Druckknopfschalters 31 wird somit dem Schweißmaterial i
i während eines Zeitintervalles Strom zugeführt, welches von der gewählten Halbwellenzahl
abhängt, und die Erhitzung des Schweißmaterials richtet sich nach den Zeitpunkten
innerhalb der Halbwellen, in welchen die Stromimpulse beginnen. Auf diese Weise
läßt sich der Schweißvorgang ;weitestgehend den Erfordernissen des Jeweiligen Schweißmaterials
anpassen.
-
Darüber hinaus ist . die Steuerspannung, die der Hilfsentladungsstrecke
i 15 zugeführt wird, nur eine Funktion des Verhältnisses der Kapazität des
großen Kondexisators 53 zu der des kleineren Kondensators 5i. Die absolute Kapazität
spielt dabei praktisch keine Rolle. Die Temperatur und andere Störungserscheinungen,
z. B. das Altern der Entladungsstrecken, wodurch eine Veränderung in den absoluten
Kapazitätswerten der Kondensatoren hervorgerufen wird, beeinflussen daher in keiner
Weise die reingestellten Zeiten.