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Schaltanordnung zur Regelung einer physikalischen Grösse
Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung zur Regelung einer physikalischen Grösse, mit einem Brückenstromkreis. bei dem mindestens ein Zweig einen mit der zu kontrollierenden oder regelnden Grösse variablen Widerstand enthält, mit einem Verstärker, dessen Eingang an die Brückendiagonale angeschlossen ist, und mit einem Relais, das im Ausgangsstromkreis des Verstärkers liegt, auf das dieser Strom einwirkt und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke so verstimmbar ist, dass der in der Brückendiagonale fliessende, den Verstärkereingang speisende, dem Relais-Ansprechstrom entsprechende Steuerstrom auf einen Wert verstellbar ist, der demjenigen Steuerstrom beliebig nahe ist, welcher dem Haltestrom des Relais entspricht, d. h.
demjenigen Erregerstrom des Relais der gerade noch zum Halten ausreicht.
Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung ist in einfacher Weise eine theoretisch unbegrenzte Präzision der Regelung erreichbar. Dies gilt auch für den Fall, dass die zu regelnde Grösse mit irgendwelchen Trägheitserscheinungen behaftet ist, welche die Tendenz haben, die mit den bisherigen Regelsystemen festgesetzten Grenzen zu überschreiten..
Die Anordnung kann beispielsweise für die Regelung der Temperatur in einem Raum oder in einer thermostatischen Zelle. in einem Kühlschrank, in einem Ofen u. dgl. dienen. Anderseits kann man das System zur Kontrolle von Geschwindigkeiten. mechanischen Kräften oder anderer Grössen benutzen, die auf das Gleichgewicht einer elektrischen Brücke einwirken können. Ein spezielles Anwendungsbeispiel besteht darin, dass der Steuerstrom z. B. verstärkt ausgenutzt wird, um ein Mittel zu steuern (z. B. eine Heizung) das geeignet ist, die'Grösse (z. B. die Temperatur eines Raumes) zu beeinflussen.
Der variable Widerstand kann ein Heissleiter sein, auf den z. B. die Temperatur eines Raumes einwirkt. Vorteilhaft sind hiebei ein oder mehrere Hilfswiderstände so angeordnet, dass sie parallel mit einem oder ebensovielen Widerständen der Brücke, über einen Schalter oder Kommutator, der von diesem Relais gesteuert wird, kombinierbar sind.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kombination der Hilfswiderstände derart, dass ein unstabiles Gleichgewicht in dem durch die Differenz von Ansprechstrom und Haltestrom für das Relais festgelegten Wirkungsintervall erreicht wird, innerhalb welchen Intervalls eine stetige Reihe von Öffnungen und Schliessungen des Relais liegt. Hiebei kann das Relais mit Mitteln kombiniert sein, die die Frequenz der Öffnungen und Schliessungen dieses Relais herabsetzen. Insbesondere wird diese Frequenz unter Unstabilitätsbedingungen durch ein System Widerstand-Kapazität (RC-Glied) herabgesetzt, wobei dieses System in den Hilfswiderstand bzw. in die Hilfswiderstände eingeschaltet ist und durch das Relais in entgegengesetzter Weise (Gegentakt) zu den Widerständen schaltbar ist.
Nach einer weiteren erfindungsgemässen Variante ist in die Diagonale der Brücke ein Transistor als Verstärker eingeschaltet, in dessen Ausgangsstromkreis das Relais liegt.
Die Erfindung wird an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein prinzipielles Schaltschema, Fig. 2 ein Schema nach der Erfindung ;. die Fig. 3 und 4 zeigen zwei Diagramme einer bezüglich der Zeit kontrollierten Grösse, die durch Trägheit beeinflusst ist bzw. ein Regeldiagramm des erfindungsgemässen Systems ; die Fig. 5 und 6 andere Schemen gemäss der Erfindung ; die Fig. 7 und 8 Stabilisierungsschemen der Brücke in bezug auf die Spannungsvariationen.
Nach dem elektrischen Schema der Fig. 1 weist ein Stromkreis, der durch eine Gleichspannung V gespeist wird, vier Zweige mit Widerständen Ry. R , R R, auf, die eine Brücke bilden, mit der ein Tran- slstor-Verstärker T in der Diagonale zwischen den Punkten A und B kombiniert ist. R, ist ein Vorwiderstand für die Versorgung der Brücke. Bei Gleichgewicht, d. h. wenn
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daher ist der Strom durch das Relais Re, das unerregt bleibt, praktisch gleich Null. Dieses Relais dient für die direkte oder indirekte Steuerung der Mittel, die auf die unter Kontrolle stehende physikalische Grösse einwirken.
Der Widerstand Ry ist variabel. u. zw. als stetige Funktion der zu kontrollierenden Grösse. Diese Grö- sse wirkt direkt oder indirekt auf ihn ein. Das Relais Re kann z. B. vorgesehen sein, um die Heizmittel eines Raumes zu regeln, dessen Temperatur auf den Widerstand Ry einwirkt, wobei dieser mit der Temperatur seinen Wert verändert (Heissleiter).
Wenn der Punkt A negativer wird als der Punkt B, fliesst Strom über die Emitter-Basisstrecke des Transistors T, und der Transistor T leitet einen Kollektorstrom CT. Dieser Strom, der gegebenenfalls nochmals verstärkt werden kann (nicht dargestellt) wirkt auf das Relais Re ein.
Es ist bekannt, dass der Ansprechstrom eines Relais beträchtlich höher ist als der Haltestrom, wenn man nicht Typen von Mikrorelais mit beweglichen Spulen benutzt, die sehr teuer sind und eine sehr empfindliche Struktur aufweisen. Hieraus folgt, dass das durch die Differenz von Ansprechstrom und Haltestrom für jedes Relais festgelegte Wirkungsintervall unter diesen Bedingungen stets endlich ist und von der Funktion abhängt, die die zu prüfende Grösse an den Widerstand Ry bindet, von der Verstärkung des Transistors T (oder von dem Transistorsystem, wenn der Kollektorstrom seinerseits verstärkt wird), und endlich von den Charakteristiken des Relais.
Die Schaltung nach Fig. 2 gestattet gemäss der Erfindung, in sehr einfacher Weise, dieses Wirkungsintervall auf jeden beliebigen Wert zu reduzieren. Dies erhält man, indem man zwei Widerstände Rs und R derart anordnet, dass diese parallel zu den Widerständen Rv bzw. über einen Kommutator X zwi- schen den Punkt A und jeden dieser Widerstände geschaltet werden können. Die Anordnung wird so ausgeführt, dass das Auslösen des Relais Re direkt oder über ein anderes Organ, das Ausschalten des Widerstandes R ; allein hervorruft, oder das Einschalten des Widerstandes Rg allein, oder-wie oben erwähnt-die Umschaltung des Punktes A von dem Widerstand ssg zu dem Widerstand R6, wenn man das System symmetrisch erhalten will.
Die Werte von R, und/bzw. oder von R6 sind so gewählt, dass die Polarisation des Transistors T variiert wird, bis der Kollektorstrom auf einen Wert gebracht ist, der dem der Nichterregung des Relais beliebig nahe ist. Unter diesen Bedingungen wird eine minimale Variation von Rv genügen, um das Relais unerregt zu machen, und man erhält daher ein beliebigkleines Wirkungsintervall. Die Einstellung eines der Brückenwiderstaade ernogUcht es, den gewünschten Arbeitspunkt festzulegen, während die Einstellung der Widerstände Rs und/bzw. oder R6 das Wirkungsintervall bestimmt.
Die Anordnung nach der Erfindung ist auch dazu geeignet, Grössen präzis zu regeln, die eine gewisse Trägheit besitzen. Bei den normalen Systemen ist das übliche Regeldiagramm das der Fig. 3. In diesem Diagramm ist auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Grösse G (z. B. die Temperatur) die zu regulieren ist, aufgetragen. Die Geraden P und Q schliessen das Wimkmgsintervall I ein, wobei längs der Linie Q die Öffnungsbedingungen und längs der Linie P die Schliessbedingungen erfüllt sind. Die Öffnungsund Schliesszyklen werden mit a und c angegeben. Wie man aus dem Diagramm der Fig. 3 sieht, hat man bei konventioneller Regelung eine AbweichungD der geregelten Grösse, die grösser ist als das Wirkungsin- tervall I. Dieses Intervall kann mittels der Schaltung nach Fig. 2 beliebig reduziert werden.
Eine weitere Reduktion der zyklischen Ausschläge der Grösse. wenn diese der Trägheit unterliegt, erhält man, wenn die Wirkungsvorrichtung die Regelung bei der unteren Grenze des Wirkungsintervalls beginnt, d. h. (s. Fig. 4) auf der Linie Q', anstatt auf der Linie P', und in dem Intervall P'Q'einen Öffnungs-und Schliesszyklus bewirkt, dessen Verhältnis von der Lage der Grösse in dem Bereich P'Q'abhängt, und die Periode des Zyklus der Trägheit des Systems proportional ist. Man erhält so ein Regeldiagramm der in Fig. 4 dargestellten Art nach dem wie ersichtlich, der Ausschlag D'der geregelten Grösse leicht innerhalb des Wirkungsintervalls I der Wirkungsvorrichtung gehalten werden kann.
Eine solche Art der Regelung kann man sehr einfach dadurch erhalten, wenn man den Kreis gemäss der Fig. 2 wie in Fig. 5 oder Fig. 6 modifiziert. In diesen Zeichnungen sind die Elemente, die denen der Fig. 2 entsprechen, in gleicher Weise bezeichnet. Nach der Fig. 5 wird zu dem Schema der Fig. 2 eine Gruppe Widerstand-Kapazität hinzugefügt, die aus einem Widerstand Rr und einer Kapazität K besteht. Diese Serienschaltung wird zwischen dem Punkt A und einem Kommutator Y eingeschaltet.
Die Widerstände Rs und ru sino so ausgelegt, dass für Rv innerhalb bestimmter Werte das Schliessen des Relais Re durch Umschalten des Punktes A von Rg auf R6 mit dem Kommutator X den das Relais Re durchfliessenden
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Strom unterhalb des Erregungswertes bringt und umgekehrt, um so eine unstabile Funktionszone zuerhal- ten. Gleichzeitig mit dem Umschalten von Rs auf Rus wired die Gruppe RC in umgekehrter Weise derart umgeschaltet, dass der Laststrom des Kondensators C, indem er durch den Widerstand R, fliesst, für einen Zeitraum, der von der Konstante R, C abhangt, die Kommutationswirkung Rs Re annuliert, und die darauffolgende Auslösung beliebig verzögert.
Mit a und c werden die I und Y entsprechenden Positionen angegeben. Dieser Vorgang wiederholt sich bis Rv sich innerhalb des Intervalls der Unstablli1äthält, dasbe- Liebig mit den Werten von R, R6 reguliert werden kann. Gemäss der Fig. 6 verwendet man an Stelle der beiden Widerstände Rs Rg einen einzigen Widerstand Rs, der von einem Kommutator N umgeschaltet wird, welcher vom Relais Re gesteuert wird. Die Kondensatoren K Kg haben den Zweck, die durch die Kommutation des Widerstandes eingeführte Wirkung zu verzögern.
Die dargestellten Schaltungen sind besonders zur Temperaturregelung geeignet, wenn Rv ein Widerstand mit hohem Temperaturkoeffizienten ist (Heissleiter). Bei dieser Anwendung hat man im Vergleich zu den gewöhnlichen Thermostaten den Vorteil, über ein wärmeempfindliches Element von kleinsten Dimensionen zu verfügen, das in die kleinsten Höhlungen eingeführt werden kann, und das im Grenzfall eine thermische Trägheit in der Grössenordnung eines Bruchteiles einer Sekunde per OC haben kann. Das wärmeempfindliche Element kann ausserdem in beliebigem Abstand vom Regelort angebracht werden.
Wenn man mehrere wärmeempfindliche Elemente, die entsprechend verbunden sind, verwendet, ist es möglich, mit einem einzigen Temperaturregler die Durchschnittstemperatur von mehreren Räumen oder von mehreren Punkten eines einzigen Raumes zu kontrollieren, indem, wenn nötig, auch verschiedenen Punkten oder Räumen, die kontrolliert werden, eine verschiedene Rangordnung zugeteilt wird.
Was die Empfindlichkeit der Stromkreise gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung betrifft, ist hervorzuheben, dass, da die Grundemissionsdiode des Transistors auf der horizontalen Diagonale einer Brücke arbeitet, diese schon durch die Anordnung nur sehr wenig empfindlich gegen Spannungsschwankungen ist. Wenn jedoch die Versorgungsstromquelle sehr inkonstant sein sollte, kann man einfach die Widerstandsbrücke allein stabilisieren, z. B. mit einer Zener-Diode Z, die z. B. gemäss Fig. 7 angeordnet wird, oder, für Zwecke die eine grössere Präzision erfordern, mit zwei entsprechenden stabilisierenden Elementen Z, und Z, die wie in Fig. 8 dargestellt. angeordnet sind.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass die Schaltung nach Fig. 5 oder Fig. 6 auch als periodischer Schalter mit einem beliebigen Intermittenzverhältnis und regelbarer Frequenz benutzt werden kann.
Das Regelsystem ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse des Verhältnisses "Offen - ge- schlossen" vom Momentanwert der zu regelnden Grösse innerhalb des Regelbereiches abhängt.
Um die Ge genreaktionswirkung, die bei dem Durchgang des Stroms des Relais Re durch den Widerstand R4 auftritt, maximal zu begrenzen, kann dieser Widerstand R. durch eine Zoner-iode ersetzt werden, die, indem sie die Spannung des Emitters stabilisiert, einen niedrigen dynamischen Widerstand bietet und den Verstärkungseffekt des Transistors T stark erhöht.
Selbstverständlich können die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen der Erfindung beliebig variiert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Schaltanordnung zur Regelung einer physikalischen Grösse, mit einem Brückenstromkreis, bei dem mindestens ein Zweig einen mit der zu kontrollierenden oder regelnden Grösse variablen Widerstand ent- hält, mit einem Verstärker, dessen Eingang an die Brückendiagonale angeschlossen ist, und mit einem Relais, das im Ausgangsstromkreis des Verstärkers liegt, auf das dieser Strom einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke so verstimmbar ist, dass der in der Brückendiagonale fliessende, den Verstärkereingang speisende, dem Relais-Ansprechstrom entsprechende Steuerstrom auf einen Wert verstellbar ist, der demjenigen Steuerstrom beliebig nahe ist, welcher dem Haltestrom des Relais entspricht.