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Anordnung zur selbsttätigen Regelung bzw. Konstanthaltung von elektrischen
Spannungen mittels Kohledruckreglers Die Erfindung bezieht sich auf Anordnungen
zur selbsttätigen Regelung bzw. selbsttätigen Konstanthaltung von elektrischen Spannungen,
vorzugsweise Netzspannungen, mittels Kohledruckreglers, insbesondere zur Verwendung
in Zugbeleuchtungsanlagen, Postverstä.rkeranlagen, medizinischen Behandlungsgeräten
und bei in Haushaltungen Anwendung ' findenden elektrischen Geräten, wie Radioapparaten,
Plattenspielern, Fernsehempfängern u. dgl.
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Gemäß der Erfindung wird zur Erhöhung der Ansprechempfindlichke,it
bzw. Regelempfindlichkeit des Kohledruc kregleirs das den elektrischen Widerstand
der Kohlesäule steuernde elektromechanische Organ (Elel<trorüagnet mit Anker
oder Tauchspule) vermittels einer Elektronenröhre beeinflußt, welche ihrerseits
von der zu regelnden bzw. konstant zu haltenden Spannung gesteuert wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Wheatstonesche
Brücke verwendet, auf welche durch elektrische Mittel die Änderungen der zu regelnden
bzw. konstant zu haltenden Spannungen als Widerstandsänderungen (in einem oder zwei
Brückenzweigen) übertragen werden und deren Gleichgewichtsänderungen über die Elektronenröhre
die Kohlesäule bzw. deren elektromechanisches Steuerorgan beeinflussen. Als Fühlorgan
zur Umwandlung der Änderungen der zu regelnden bzw. konstant zu haltenden Spannung
in zur Steuerung der Elektronenröhre dienende Spannungs- oder Widerstandsänderungen
kann eine an die zu regelnde oder konstant zu haltende Spannung (zu überwachende
Spannung) angeschlossene
öder (gegebenenfalls transformatorisch)
angekoppelte Lichtquelle (Glühlampe, Leuchtröhre) dienen, welche auf ein Lichtumsetzungsorgan,.
wie eine Fotozelle oder Fotozellengruppe, einwirkt, deren (gegebenenfalls in einer
Wheatstoneschen Brücke hervorgerufenen) Widerstandsänderungen zur Steuerung des
elektromechanischen Steuerorgans des Kohledruckreglers über die Elektronenröhre
dienen.
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Statt dessen können die- Änderungen der zu regelnden bzw. konstant
zu haltenden Spannung rein elektrisch auf die Elektronenröhre bzw. auf die erwähnte
Wheatstonesche Brücke (in Form von Widerstandsänderungen in einem oder zwei Brückenzweigen)
übertragen werden. Insbesondere kann die Einrichtung so getroffen, "verden, daß
die Spannungsänderungen oder ein Teil derselben eine gittergesteuerte Hochvakuumröhre
steuern, deren Anodenkreis, einen Zweig der Brücke bildest, deren Gleichgewichtsänderungen
die gittergestieuerte Elektronenröhre beeinflussen, welche das elektromechanische
Organ des Kohledruckreglers steuert.
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Die insbesondere für die Röhre bz.w. Röhren notwendigen Hilfsspannungen
(Heizspannungen, Anodenspannungen, Gittervorspannungen) können erfindungsgemäß der
konstant zu haltenden Spannung entnommen werden. Sofern diese eine Wechselspannung
ist, können entsprechende Transformatoren, gegebenenfalls in Verbindung mit Gleichrichtern,
vorgesehen sein. Ist die konstant zu haltende Spannung eine Gleichspannung, so kann
nach der Erfindung vorteilhaft die Einrichtung so getroffen werden, daß die Gleichspannung
einen Gleichstro@m-Wechselstrom-Umformer, insbesondere Einankerumformer, .speist,
der seinerseits die notwendigen Spannungen liefeirit, insbesondere die verhältnismääig
hohen Anodenspannungen der Hochvakuumröhren. Diese erfindungtsgemäße Lösung ist
besonders günstig, wenn, die konstant zu haltende Gleichspannung verhältnismäßig
klein ist und unterhalb ioo Volt, beispielsweiise in de!r Größenordnung von 2,0
bis 3o Volt oder darunter, liegest, etwa für Zwecke der Batterieladung, wo vor allem
Spannungen von 6o, 24, 12 und 6 Volt in Betracht kommen.
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Zur weiteren Erläuterung mögen die in den Abbildungen dargestellten
Ausführungsbeispiele der Erfindung dienen.
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In Abb. i liegt an den Klemmen 1, 2 eine Spannung U" z. B.
eine Netzspannung, deren Höhe infolge der wechselnden Stromentnahme anderer Verbraucher
Änderungen unterworfen ist. An die Klemmen 3, .4 ist ein Verbraucher angeschlossen,
dessen Speisung durch eine konstant bleibende Spannung Ug erwünscht ist. Zu diesem
Zweck ist in an sich bekannter Weise in der Leitung zwischen 1, 2 und 3, 4 die Kohlesäule
5 eines Kohledruckreglers vorgesehen, deren Widerstand. durch Änderung der Erregung
der Wicklung 6 geändert werden kann, indem der Magnetanker 7 mehr oder weniger stark
der Feder 8 entgegenwirkt. Erfindungsgemäß ist an die zwischen 3 und 4 liegende
Spannung U, eine Glühlampe 9 angeschlossen, die auf die Fotozelle io wirkt, welche
zwischen Gitter und Kathode der Verstärkerröhre i i angeschlossen ist. Zwischen
Gitter und Kathode liegt außerdem ein (hochohmiger) Widerstand 12. In dem Anodenkreis
der Röhre i i ist die Erregerwicklung 6 des Kohledruckreglers eingeschaltet. Als
Anodenspannung der Röhre dient die geregelte Spannung Ug. Die Anode 13 der Röhre
ist daher über die Wicklung 6 an die Klemme 3 bzw. zwischen Kohlesäule 5 und Klemme
3 angeschlossen. Hat die Spannung Ug den vorgeschriebenen Sollwert, so- stellt die
Fotozelle io im Gitterkreis der Röhre i i einen Widerstand bzw. eine Vorspannung
einer bestimmten Größe dar. Steigt oder fällt die Spannung Ug, so steigt oder sinkt
die Helligkeit der Lampe 9, und es ändert sich der Widerstand der Fotozelle in dem
einen oder anderen Sinn. Die Röhre ii und gegebenenfalls eine im Gitterkreis vorgesehene
Gittervorspannung sind z. B. so gewählt, daß bei Sollwert der Spannung Ug der Ano,de@nstriom
der Röhre einen bestimmten mittleren Betrag hat, der z. B. einem Arbeitspunkt auf
der Mitte der geradlinigen Charakteristik der Röhre entspricht. Der Anodenstrom
wird nun bei Änderung der Helligkeit der Lampe 9, also in Abhängigkeit von der jeweilig
zwischen 3 und 4 liegenden Spannung, geändert.
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Dadurch wird die Erregung der Magnetwicklung 6 und infolgedessen der
Widerstand der Kohlesäule 5 derart geändert, daß die Spannung zwischen den Klemmen
3 und 4 wieder auf den Sollwert gelangt. _Ug wird auf diese Weise selbsttätig konstant
gehalten.
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Dabei kann die Spannung U, und dementsprechend die Spannung U, eine
Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein. Ist sie eine Wechselspannung, so
wirkt die Röhre i i als Gleichrichter ihrer Anodenspannung. Die Heizung der Röhre
wird zweckmäßig der geregelten Spannung Ug, also den Klemmen 3, 4 über einen entsprechenden
Transformator entnommen. Sonstige Hilfsspannungen, wie Gittervorspannungen, können
ebenfalls über einen Transformator mit nachfolgender Gleichrichteranordnung, z.
B. Trockengleichrichter, hergestellt werden, zweckmäßig wiederum aus der geregelten
Spannung Ug (Klemmen 3, 4).
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Ist U, eine Gleichspannung, so können die Heizspannungen und eventuell
Hilfsspannungen der Röhre mit Hilfe einer Potentiometeranordnung der geregelten
Spannung U, entnommen werden. Wie schon oben erwähnt, besteht eine in vielen Fällen
besonders vorteilhafte Lösung darin, mit Hilfe der geregelten ,Spannung Ug (Klemmen
3, 4) einen Gleichstrom-Einphasenwechselstrom-Generatar zu betreiben und mit Hilfe
der von ihm gelieferten Wechselspannung über Transformator bzw. Transformator und
Gleichrichter (Trockengleichrichter) die Hilfsspannungen für die Röhre bzw. alle
vorgesehenen Röhren einschließlich Fotozelle zu erzeugen. Weitere gittergesteuerte
Röhren (außer der Röhre i i) können benutzt werden, um zwischen der
Röhre
i i und der Erregerwicklung 6 eine Gleichstromverstärkung durchzuführen. Dabei können
auch die Anodenspannungen dieser Röhren dem erwähntenGleichstrom-Wechselstrom-Umformer
entnommen werden.
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Ist die Spannung U, eine Wechselspannung, so kann an Stelle der Hochvakuumröhre
i i eine gittergesteuerte Entladungsröhre mit Lichtbogen- oder lichtbogenartiger
Entladung Anwendung finden auf Grund des Umstandes, daß die Entladung bei Nulldurchgang
dein Anodenwechselspannung jeweils erlischt. Gegebenenfalls kann zur Vergrößerung
des Regelbereiches im Gitterkreis zusätzlich eine Wechselspannung geeigneter Phasenlage
als (feste) `'orspannung vorgesehen sein.DeRegelung erfolgt dann durch die von der
Fotozelle dargestellte veränderbare Gleichvorspannung, die mit der festen Wechselvorspannung
überlagert ist. Die Wechselspannung im Gitterkreis ist zweckmäßig um go° phasenverschoben
gegen die Anodenwechselspannung. An Stelle der gittergesteuerten Hochvakuumröhre
können auch Entladungsgefäße mit Lichtbogen- oder lichtbogenartiger Entladung, deren
Entladungseinsatz in jeder positiven Anodenspannungshalbwelle durch Initialzündung
eingeleitet wird, Anwendung finden.
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Es liegt, insbesondere soweit es sich um Hochvakuumröhren handelt,
im Rahmen der Erfindung, an Stelle von Eingitterröhren Mehrgitterröhren, insbesondere
Pentoden, zu benutzen. Die eventuell für Raumladegitter Schutzgitter benötigten
Vorspannungen können in der für die Gittervorspannung des Steuergitters oben dargelegten
Weise hergestellt werden und beispielsweise dem erwähnten Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer
über einen Transformator bzw. besondere Transformatorwicklungen und Gleichrichteranordnung
entnommen werden.
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Die Fotozelle kann, insbesondere sofern es sich um eine Cäsiumzelle
od. dgl. handelt, eine Vorspannung bzw. Saugspannung erhalten, die zwischen, ihr
und denn Widerstand 12 eingeschaltet sein und entsprechend wie die anderen Hilfsspannungen
erzeugt werden kann.
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Die Abb.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das demjenigen
nach der Abb. i weitgehend ähnlich ist, wie sich aus der Übereinstimmung der Bezugszeichen
ergibt. In der Abb. i vorkommende Teile werden daher in bezug auf die Abb-. 2 nicht
nochmals erläutert. Der hauptsächliche Unterschied gegenüber der Abb. i liegt darin,
daß in der Abb. 2 die Fotozelle io, vorzugsweise Selenzelle bzw. Sperrschichtzelle
aus Selen oderKupferoxyd, in einemZweig einerWheats.toneschen Brücke liegt, deren
drei andere Zweige von den teils einstellbaren Ohmschen Widerständen 18, 18', 18"
gebildet werden. Von den Klemmen 14,15 aus wird zwei Diagonalpunkten der Brücke
eine Spannung, vorzugsweise eine Gleichspannung, zuge,führt, die z. B. einer Trockenbatterie
oder in der erwähnten Weise von dem genannten Gleichstrom-Wechselstrc,m-Umformer
geliefert wird. Die Brücke liegt im Gitterkreis der Hochvakuumröhre i i und ist
durch Wahl bzw. Einstellung der Widerstände 1.8, 18', 18" abgeglichen für den Zustand,
daß die Fotozelle io von der Lampe g die Lichtmenge erhält, die dem Sollwert der
Spannung Ug. entspricht. Ändert sich die Spannung U" so wird das Brückengleichgewicht
in der einen oder anderen Richtung gestört und dadurch die am Gitter der Röhre i
i wirksame Spannung im einen oder anderen Sinn geändert, woraus sich eine entsprechende
Änderung des Anodenstromes der Röhre, und infolgedessen der Erregung der Wicklung
6 des Kohledruckreglers ergibt. .
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Der Widerstand 17 zwischen der Kathode und dem einen Diagonalpunkt
der Brücke, deren anderer Diagonalpunkt an das Gitter angeschlossen ist, dient zur
Erzeugung einer festen Gittervorspannung, die den. Arbeitspunkt der Röhre ii bei
abgeglichenem Gleichgewichtszustand der Brücke festlegt.
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Die Anordnung nach der Abb. 2 kann wiederum :Anwendung finden in dem
Fall, daß U, eine Gleichspannung ist, als auch in dem Fall, daß es sich um eine
Wechselspannung handelt. Ist U, eine Wechselspannung, so kann die Spannung 14.,
15 eine von der Spannung Uä transformatorisch entnommene und z. B. mittels Trockengleichrichter
gleichgerichtete Spannung sein.
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Bezüglich der Wahl der Hochvakuurffröhre i i und ihres etwaigen Ersatzes
durch Röhren mit Lichtbogen- oder l.ichtbogenartiger Entladung gilt das zu Abb.
i Gesagte.
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Die Abb.3 veranschaulicht ein Ausführun:gsbeispiel der Erfindung,
das ebenfalls weitgehend dem nach der Abb. i ähnelt und des weiteren mit einer Wheatstoneschen
Brücke gemäß der Abb. 2 arbeitet. Auf die obigen diesbezüglichen Erläuterungen wird
verwiesen. Es soll durch die Abb. 3 vor allem die übrigens nicht nur auf Anordnungen
nach der Art von Abb. 2, sondern auch bei Anordnungen nach Art von Abb. i vorteilhaft
anwendbare Maßnahme veranschaulicht werden, daß als Fühlorgan zur Übertragung der
Änderungen der zu regelnden bzw. konstant zu haltenden Spannung auf das Steuerorgan
des Kohledruckreglers bzw. die vorgeschaltete Elektronenröhre eine gittergesteuerte
Röhre, vorzugsweise gittergesteuerte Hochvakuumröhre, dient. Diese Röhre ist in
der Abb. 3 mit ig bezeichnet. Ihre Kathoden-Anoden.-Strecke bildet einen Zweig der
im Gitterkreis der Röhre i i liegenden Wheatstoneschen Brücke mit den übrigen Zweigen
18, 18', 18".
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Von einem potentiometerartig ausgebildeten Widerstand 2o, der an die
Spannung Ug angeschlossen ist, wird der Röhre ig zwischen Gitter und Kathode eine
Spannung zugeführt, deren Größe von der jeweiligen Größe von Ug abhängig ist. Änderungen
von U, bewirken Änderungen des inneren Widerstandes der Röhre ig, welche die Brücke
in, der einen oder anderen Richtung aus dem Gleichgewichtszustand bringen. Auf diese
Weise wird die Röhre i i gesteuert und der die Erreger-Wicklung 6 des Kohledruckreglers
entsprechende Strom entsprechend geändert.
Ist U, eine Wechselspannung,
so kann es z-uveckmäßig sein, eine von der Spannung Ug vorteilhaft über einen Transformator
abgenommene und (etwa mittels Trockengleichrichters) gleichgerichtete Spannung zur
Steuerung der Röhre i9 zu verwenden. Auch können bekannte Maßnahmen zur Einfügung
einer Gittervorspannung in den Gitterkreis der Röhre 19 angewendet werden. Dieses
gilt auch für den Fall, daß Ue eine Gleichspannung ist. Im letzteren Fall kann auch
zur Erzeugung einer Gittervorspannung für die Röhre i9 der er,-wähnte Gleichstrom-Wechselstrom-Uniformer
benutzt werden.
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Bezüglich der Anwendbarkeit der Anordnung für Gleichspannungen und
Wechselspannungen U, gilt wie@detrum das zu den Abb. i und z Gesagte, ebenso hinsichtlich
des Ersatzes der Röhre i I durch Entladungsröhren mit Lichtbogen- oder lichtbogenartiger
Entladung. In manchen Fällen kann in entsprechender Weise auch die Röhre i9 durch
Entladungsröhren dieser Art (mit Gas- oder Dampffüllung) ersetzt werden.
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Auch bei Anordnungen nach der Art der Abb. i kann die Fotozelle io
durch eine gittergesteuerte Röhre nach Art der Röhre i9 (Abb. 3) ersetzt werden
und an Stelle von Lichtquelle 9 -f- Fotozelle io den veränderlichen, von der Größe
der Spannung Ug abhängigen Widerstand im Gitterkreis bilden.
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Anordnungen nach der Erfindung sind u. a. überall dort vorteilhaft
anwendbar, wo, es sich darum handelt, daß eine Spannungsquelle eine Mehrzahl von
Verbrauchern speisen soll und durch Zu- und Abschalten einzelner Verbraucher die
Spannungsquelle starken Belastungsschwankungen unterworfen ist, während andererseits
wenigstens ein Teil der an- die Spannungsquelle angeschlossenen Betriebe oder sonstigen
Benutzer (Haushaltungen, Kliniken, Kinotheater, Postverstärkerämter) Wert darauf
legt, eine tunlichst konstante Spannung zur Verfügung zuhaben. Beispielsweise ist
die Erfindung in dem Fall vorteilhaft anwendbar, daß in ein und demselben, Gebäude
außer Mietern, die auf ein einwandfreies Arbeiten von 'Geräten, wie Radioapparaten,
Plattenspielern, Fernsehempfängern, Wert legen; ein gewerblicher Betrieb mit zeitweise
starkem Stromverbrauch untergebracht ist. Ein anderer Fall ist der, daß ein Fernsprechamt
an dieselbe Spannung wie industrielle Betriebe angeschlossen ist, deren Stromverbrauch
sich stark und häufig ändert, und die dadurch für das Fernsprechamt störende Änderungen
der Netzspannung hervorrufen. Ferner ist die Anwendung der Erfindung in solchen
Fällen besonders vorteilhaft, wenn z. B. eine Akkumulatorenbatterie, die für mehrere
Verbraucher vorgesehen ist, auch im Zustand der Ladung an die Verbraucher oder an
einzelne Verbraucher die Spannung vom vorgeschriebenen Sollwert abgeben soll.
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Es können auf Grund der Erfindung Zusatzgeräte geschaffen werden,
die sich der Strombezieher, etwa industrieller Betrieb. oder Haushalt, der auf eine
konstante Spannung Wert legt, anschaffen und dadurch für seinen Bereich die konstante
Spannung gewährleisten kann. Eine andere Möglichkeit ist die, daß an Leitungsverzweigungsstellen,
z. B. an Straßenkreuzungen, für .einzelne Abzweige oder jeden abgehenden Leitungszweig
ein Zusatzgerät gemäß der Erfindung vorgesehen wird.
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Es sei noch bemerkt, daß als veränderlicher Widerstand, der in einem
Brückenzweig einer im Gitterkreis einer gittergesteuerten Röhre, vorzugsweise Hochvakuumröhre,
angeordneten Brücke liegt, z. B.. eine Diode (mit Kathode und Anode) verwendet werden
kann, deren innerer Widerstand dadurch veränderbar ist, daß ihr Heizstrom von der
zu regelnden bzw. konstant zu haltenden Spannung Ug oder einem z. B. potentiometrisch
oder transformatorisch abgezweigten Teil dieser Spannung erzeugt wird.
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In manchen Fällen kann ferner beim Erfindungsgegenstand der Kohledruckregler
einen anderen veränderbaren Widerstand steuern. Im Fall der Regelung bzw. Konstanthaltung
von Wechselspannungen kann als solcher z. B. eines Eisendrossel mit Gleichstrom-Vormagnetisierung
in der erfindungsgemäßen Weise mit Hilfe eines Kohledruckreglers, gesteuert werden,
dessen Kohlesäule mit der Vonmagnetisierungswicklung in Reihe geschaltet ist und
dessen elektromechanisches Steuerorgan (Magnetwicklung; Tauchspule) beispielsweise
in einer der an Hand der Abb. i bis 3 erläuterten Möglichkeiten gesteuert wird.
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Der Erfindungsgegenstand kann u. a. vorteilhaft bei der elektrischen
Speisung von Werkzeugmaschinen, elektrischen Schweißgeneratoren od. dgl. anwendbar
sein.
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Der- Erfindungsgegenstand gestattet u. a., Gewicht und Volumen des
I-Cohledruckreglers herabzusetzen und seine fabrikatorische Herstellung zu vereinfachen.
So wird z. B. in manchen Fällen von dem astatischen Aufbau des beweglichen Systems
abgesehen oder wenigstens die Konstruktion wesentlich vereinfacht werden können.
Im übrigen ist die Kohlesäule des Kohledruckreglers bzw. ihr Widerstand frequenzäbhängig,
was in sehr vielen Fällen einen wesentlichen Vorteil gegenüber Regelorganen, wie
Eisendrosseln mit Vormagnetisierung, bedeutet.
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An Stelle des erwähnten Gleichstrom-Wechselstrom-Umformers (Einankerumformer)
zur Erzeugung von Hilfsspannungen können ohne rotierende Teile, wie Zerhacket oder
Kippschwingungsgeneratoren, Anwendung finden, die aus der konstant gehaltenen Spannung
U" - gespeist werden.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, wechselstromgespeiste Wheatstonesche
Brücken zu verwenden, bei denen Widerstandsänderungen bzw. Impedanzänderungen in
einem Brückenzweig eine Änderung der Phasenlage der an der anderen Brückendiagonale
auftretenden Wechselspannungen ergeben. Dadurch können gittergesteuerte Entladungsröhren
mit Lichtbogen- oder lichtbogenartiger Entladung gesteuert werden, die an die
Stelle
der in den obigen Ausführungsbeispielen bevo,rzugten gittergesteuerten Hochvakuumröhren
treten können. Die Widerstands- bzw. Impedanzänderungen in dem Brückenzweig können
z. B. entsprechend Abb. 2 oder 3 erzeugt werden.