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Netzgleichrichter mit elektronischer Regeleinrichtung In der Technik kommt es oft vor, dass die Ausgangsspannung einer wechselstrombetriebenen Speisequelle von Schwankungen ihrer Eingangsspannung und der Belastung nicht beeinflusst werden darf. Dies ist z. B. bei Konstanthaltegeräten der Fall, die eine konstante Ausgangsgleichspannung liefern müssen. Solche Konstanthaltegeräte werden häufig in Laboratorien, Eichstationen, Prüfämtern usw. verwendet und müssen dann infolge der verschiedenen Verwendungszwecke eine in weiten Grenzen, vorzugsweise von Null an, einstellbare Ausgangsgleichspannung aufweisen.
Im allgemeinen wird bei einem elektronischen Gleichspannungs-Konstanthaltegerät ein Teil der Ausgangsgleichspannung an eineng Spannungsteiler abgegriffen, mit einer konstanten Vergleichsspannung verglichen und die sich beim Vergleich ergebende Spannungsdifferenz nach Verstärkung in einem Gleichstromverstärker zur Steuerung einer in den Belastungsstromkreis geschalteten Leistungsröhre verwendet. Die Vergleichsspannung wird entweder durch eine Batterie oder durch ein stabilisiertes Netzgerät geliefert. Die Leistungsröhre ist anodenseitig an den Pluspol der umstabilisierten, von einem Netzgleichrichter herrührenden Gleichspannung angeschlossen und kathodenseitig mit der positiven Ausgangsklemme verbunden.
Die Ausgangsgleichspannung Uk ergibt sich aus der Gleichung: Uk = (UG,-IB - RGI) - U8, in der UGl = EMk des Netzgleichrichters, 1B = Belastungsstrom, RGl - Innenwiderstand des Netzgleichrichters und U" = Spannungsabfall an der Leistungsröhre ist. Die Regelung der Ausgangsgleichspannung beruht nun darauf, dass der von der Leistungsröhre gebildete Vorwiderstand durch den Gleichstromverstärker derart gesteuert wird, dass die Einflüsse von Schwankungen von UGl und/oder 1B auf Uk von der Leistungsröhre absorbiert werden.
Aus obenstehender Gleichung ist sofort ersichtlich, dass der Spannungsbereich der Leistungsröhre, das heisst der Unterschied zwischen dem maximalen und dem minimalen Wert von U", um iso grösser sein muss, je grösser der Einstellbereich von Uk ist und je grösser die auftretenden Netzspannungs- und Belastungsschwankungen sind.
Die Verwendung von normalen Leistungsröhren, deren Spannungsbereich sich auf nur einige hundert Volt beläuft, hat zur Folge, dass der Einstellbereich der Ausgangsgleichspannung verhältnismässig gering ist, es sei denn, dass man für die Leistungsröhren spezielle und weniger marktgängige Röhrentypen verwendet, die einen grösseren Spannungsbereich bewältigen können.
Die Erfindung betrifft einen Netzgleichrichter mit elektronischer Regeleinrichtung zum Regulieren der Ausgangsspannung auf einen einstellbaren Sollwert und ermöglicht trotz Verwendung handelsüblicher Röhrentypen in der Leistungsstufe mit verhältnismässig geringem Anodenspannungsbereich eine Ein- stellung der Ausgangsspannung von Null bis zu einigen tausend Volt dadurch, dass ein mit zwei Abgriffbürsten versehener Regeltransformator vorgesehen ist, dessen erste Abgriffbürste mit der Einstellvorrichtung für die Einstellung der konstant zu haltenden Ausgangsgleichspannung Uk mechanisch gekuppelt ist,
und dass sich bei Änderung der Einstellung dieser Vorrichtung die konstant zu haltende Ausgangsgleichspannung Uk der Regeleinrichtung und die Ausgangsgleichspannung UG1 des am Regeltransformator angeschlossenen Gleichrichters um
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denselben Betrag ändern, und dass ferner die zweite Abgriffbürste des Transformators durch eine einen Servomotor enthaltende Grobreguliereinrichtung für die Verkleinerung der Schwankungen der Netzspannung gesteuert wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild, Fig. 2 ein Diagramm über die Betriebsverhältnisse der Leistungsstufe dieses Beispiels und Fig. 3 ein Schaltschema.
In der Fig. 1 ist A eine von einem Netz 1 gespeiste Gleichspannungsquelle, die eine konstant gehaltene Vergleichsspannung UV liefert, welche über mehrere Stunden weniger als 0,010/00 vom Sollwert abweicht. Diese Spannung wird in einem Gleichstromverstärker B mit einem Teil U, der konstant gehaltenen Ausgangsgleichspannung Uk verglichen, welcher Teil von einem Spannungsteiler 2, 3, 4 abgegriffen wird. Der Gleichstromverstärker B steuert eine Leistungsstufe C, die in Reihe mit dem zwischen den Klemmen 5 und 6 angeschlossenen und von einem Netzgleichrichter D gespeisten Verbraucher liegt, welcher in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
Die Leistungsstufe C enthält mindestens eine Leistungsröhre, deren Steuergitter an den Ausgang des Gleichstromverstärkers B angeschlossen ist. Treten Netz- spannungs- und!oder Belastungsschwankungen auf, so ändert sich die Steuerspannung U@.L der Leistungsstufe C derart, dass die an ihr auftretende Änderung des Spannungsabfalles diese Schwankungen gerade ausgleicht. Mit dem Einstellwiderstand 2 wird die Ausgangsgleichspannung Uk eingestellt. Ist sein Widerstand gleich Null, @so ist auch U; gleich Null.
Anhand des in der Fig. 2 dargestellten Diagrammes sei der Einfluss, den die Betriebsverhältnisse der in der Leistungsstufe C verwendeten Leistungsröhren auf den Einstellbereich der Ausgangsgleichspannung Uk haben können, erläutert.
Dabei sei zunächst vorausgesetzt, dass die Ausgangsgleichspannung UGl des Netzgleichrichters D nicht einstellbar ist und dass 10 % Netzspannungsschwankungen, auftreten kön- nen. Im dargestellten Diagramm sind die Spannungen U., und UGI als Abszissen und der durch eine Leistungsröhre fliessende Strom I@ als Ordinate aufgezeichnet.
Das zulässige Arbeitsgebiet der Leistungsröhr-- wird durch folgende Grössen bestimmt: 1. die maximal zulässige Anodenverlustleistung, dargestellt durch die Grenzleistungskurve N."..
2. die minimal zulässige Steuergitterspannung, bei der noch kein den Gleichstromverstärker B belastender Gitterstrom fliesst, dargestellt durch die Anodenstrom-Anodernspannungscharakteristik für U'.L - 0.
3. die maximal zulässige Anodenspannung, dargestellt durch die Gerade
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Dieser Wert wird bei 10 0/0 Überspannung erreicht, wenn also die Gleich- " beträgt, Uk gleich richterausgangsspannung 1,1 Uc Null ist und dem Konstanthaltegerät kein Strom entnommen wird. Damit bei diesem Betriebszustand nicht überschritten
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wird, muss somit der Nennwert von U("1 so gewählt werden, dass die Bedingung
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erfüllt ist.
Das tatsächlich ausnutzbare Arbeitsgebiet ist aber bedeutend kleiner als das zulässige, da noch die folgenden Betriebsgrössen zu berücksichtigen sind: a) der minimale Anodenstrom welcher ohne Belastung des Konstanthaltegerätes
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durch den Spannungsteiler 2, 3, 4 fliesst, dargestellt durch die horizontale Kennlinie
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b) der Innenwiderstand R < < i des Netzgleichrichters D, demzufolge die Kennlinie (1,1 UGt-la'RGI), die durch den Punkt P geht,
welcher bei 10 % Über- spannung und Uk gleich Null für die maximal zulässige Anodenspannung der Leistungsröhre
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ergibt, welche Kennlinie unter einem mehr als 90z, betragenden Winkel, bezogen auf die Abszisse, verläuft.
Der Punkt P liegt auf der Anodenstrom-Anoden- spannungscharakteristik für die Gitterspannung
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Durch den Schnittpunkt Q der Kennlinie (1,1 U(;1-I.'RGI) mit der Kennlinie N",,, ist der maximale zulässige Anodenstrom
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festgelegt. Die minimal zulässige Anodenspannung ist demzufolge durch den Arbeitspunkt R gegeben. Da für jeden Wert von Uc1 und Uk die Anodenspannungs-Anodenstromkennlinie immer parallel zur Kennlinie (1,1 U@x1 -1a RGW) verläuft, ist auch der Arbeitspunkt S bestimmt, der mit den Arbeitspunkten P, Q und R das tatsächlich ausnutzbare Arbeitsgebiet P Q R S der Leistungsröhre ergibt.
Von diesem Arbeitsgebiet muss der Teil P Q U T zum Ausregulieren von Netzspannungsschwankungen reserviert werden. Die kürzere Seite PT des Arbeits- gebietes P Q U T beträgt 0,2 UGI, da bei 10% igen Spannungsschwankungen die Gleichrichterausgangs- spannung zwischen 0,9 und 1,1 ihres Nennwertes variieren kann. Der übrigbleibende Teil T U R S lässt einen Einstellbereich von Uk - 0 bis zu.
Da nun mit den als Leistungsröhren meistens
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verwendeten Pentoden Anodenspannungen bis zu etwa 800 V zulässig sind, ist ersichtlich, dass mit solchen Röhren nur Einstellbereiche von höchstens einigen hundert Volt erzielt werden können. Die Verwendung einer Pentode als Leitungsröhre bedingt aber ein separates Netzspannungsgerät zur Lieferung einer stabilisierten Schirmgitterspannung. Häufig wird man sich, um den hierdurch bedingten Mehraufwand zu
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vermeiden, mit der Triodenschaltung von Pentoden begnügen.
Hierdurch wird aber eine weitere Einschränkung des Einstellbereiches hervorgerufen, da die Spannung U., an der Leistungsröhre in diesem Fall nicht grösser als die maximal zulässige Schirmgitterspannung sein darf, welche weit unter der maximal zulässigen Anodenspannung liegt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem diese Nachteile vermieden sind, wird nun anhand der Fig. 3 erläutert. Darin sind entsprechende Teile des Konstanthaltegerätes mit den gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 1 versehen worden.
Der Netzgleichrichter D enthält einen als Autotransformator geschalteten Regeltransformator 7, der über eine Leitung 8 und eine Abgriffbürste 9 an das Wechselstromnetz 1 angeschlossen ist. Der Gleichrichterteil 10 des Netzgleichrichters D ist über die Leitung 8 und eine weitere, mit der Leitung 11 verbundene Abgriffbürste 12 am Regeltransformator 7 angeschlossen. Der Gleichrichterteil 10 enthält einen nicht dargestellten Hochspannungstransformator, mit dem die vom Regeltransformator 7 abgegriffene Spannung auf z. B. 6000 V transformiert wird. Wie bereits anhand der Fig. 1 erläutert worden ist, speist der Netzgleichrichter D über die Leistungsstufe C einen an die Ausgangsklemmen 5. und 6 angeschlossenen, in der Zeichnung nicht dargestellten Verbraucher.
Der Einstellwiderstand 2 des Span- nungsteilers 2, 3, 4, mit dem die konstant gehaltene Ausgangsgleichspannung Uk von 0 bis z. B. 4500 V eingestellt wird, ist mit der Abgriffbürste 12 des Regeltransformators 7 mechanisch gekuppelt, was durch die Linie 13 schematisch dargestellt ist.
Die Abgriffbürste 9 wird durch einen Servomotor 14 angetrieben, welcher über die Leitung 15 bzw. die Leitungen 16 und 17, die Relaiskontakte 18 und 19 und die Leitung 20 an das Netz 1 angeschlossen ist. Die Relaiskontakte 18 und 19 werden je durch ein Relais 21 bzw. 22 gesteuert, die sich in den Anodenstromkreisen von zwei Röhren 23 und 24 befinden. Die Steuergitter 25 und 26 der Röhren 23 und 24 erhalten über je ein Potentiometer 27 bzw. 28 ein einstellbares Potential, das durch eine Stabilisator- röhre 29 konstant gehalten wird.
Letztere ist im Gerät A, das eine genau konstant gehaltene Vergleichsspannung U,, liefert (siehe Fig. 1), enthalten und in Reihe mit einem Widerstand 30 an eine Hilfs- gleichspannung U' < < , gelegt. Diese Spannung wird von einem Gleichrichter 31 geliefert, der eingangsseitig über Leitungen 32, 33 mit dem Netz 1 bzw. einer Anzapfung 34 am Regeltransformator 7 verbunden ist. Im Gerät A, welches die Vergleichsspannung U, liefert, sind nur diejenigen Teile eingezeichnet, welche sowohl für das Gerät A als auch für den Netzgleichrichter D verwendet werden.
Eine zweite Stabilisatorröhre 35 und ein Widerstand 36, der gleichzeitig für die beiden Röhren 23 und 24 den gemeinsamen Kathodenwiderstand darstellt, bilden zusammen mit der Stabilisatorröhre 29 und dem Widerstand 30 eine Brückenschaltung, in deren Diagonale die Git- terkathodenkreise der Röhren 23 und 24 aufgenommen sind. An den Potentiometern 27 und 28 werden die Gitterpotentiale so eingestellt, dass im Ruhezustand bei Nennwert der Netzspannung die Röhre 23 Strom führt und das Relais 21 somit erregt, während die Röhre 24 gesperrt und das Relais 22 ent regt ist.
Die Anordnung arbeitet nun folgendermassen: Nimmt beispielsweise die Netzspannung zu, so wird auch U'Gi grösser und damit steigt die Spannung am Kathodenwiderstand 36. Diese Spannungsänderung kommt als Gitterspannungsänderung an den Röhren 23 und 24 voll zur Wirkung, da ihre Gitterpotentiale durch die Stabilisatorröhre 29 konstant gehalten werden. Die Röhre 24 bleibt weiterhin gesperrt, in der Röhre 23 dagegen geht der Anodenstrom so weit zurück, dass das Relais 21 abfällt.
Sein Ruhekontakt 18 setzt den Servomotor 14 so in Betrieb, dass er die Abgriffbürste 9 so weit nach rechts verschiebt, bis die Spannung an der Anzapfung 34 und die Spannung U'Gl wieder ihre Sollwerte erreicht haben. Sinkt hingegen die Netzspannung, so bleibt die Röhre 23 stromführend und der Kontakt 18 ist geöffnet. Der Anodenstrom der Röhre 2.4 nimmt nun so weit zu, d'ass das Relais 22 anspricht und sein Arbeitskontakt 19 den Stromkreis für den Servomotor 14 für die entgegengesetzte Drehrichtung schliesst. Die Abgriffbürste 9 wird in diesem Fall nach links bewegt, bis der Sollwert der Spannung UI", wieder erreicht ist.
Mit der beschriebenen Einrichtung zur Grobregulierung der Netzgleichrichterspan- nung lassen sich Netzspannungsschwankungen bis auf mindestens 1 % reduzieren. Wünscht man eine bestimmte Ausgangsgleichspannung Uk einzustellen, so erfolgt dies mit dem Einstellwiderstand 2, dessen Einstellung der Spannung U, direkt proportional ist. Mit diesem Widerstand wird gleichzeitig mittels der Kupplung 13 die Abgriffbürste 12 des Regeltransformators 7 verstellt.
Die Anordnung ist so getroffen, dass, wenn mit dem Einstellwiderstand 2 eine andere Ausgangsspannung Uk eingestellt wird, die Abgriffbürste 12 gleichzeitig so weit verschoben wird, dass sich die Spannung UGi des Netzgleichrichters D um denselben Betrag ändert. Demzufolge ist unter sonst gleichen Betriebsverhältnissen für alle Werte von U" die Spannung Uy an der Leistungsstufe immer gleich. Selbstverständlich ist es notwendig, für grosse Einstellbereiche von Uk die Einstellung in Stufen und innerhalb jeder Stufe stetig vorzunehmen.
Sinngemäss ist daher der dazu notwendige Stufenschalter im Spannungsteiler 2, 3, 4 mit dem Stufenschalter, der die entsprechenden Anzapfungen am Regeltransformator umzuschalten hat, mechanisch zu kuppeln.
Die beschriebenen Massnahmen, nämlich die Grobregulierung der Netzgleichrichterspannung U'Gi mittels des Servomotors 14 und die kontinuierliche Anpassung dieser Spannung an die Ausgangsgleich-
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spannung Uk., ergeben für den Betrieb der Leistungsstufe C Vorteile, welche anhand des Diagrammes der Fig. 2 erläutert werden.
Das Parallelogramm P Q U T, das bei den bekannten Konstanthaltegeräten für die Ausregulie- rung der Netzspannungsschwankungen vorgesehen werden muss, ist bei der beschriebenen Anordnung dank der Grobregulierung viel schmäler, und zwar wird die Länge der Seite PT von 0,2 UGi auf z. B. 0,02 Uci herabgesetzt.
Die kontinuierliche Anpassung der Gleichrichterspannung U(" an die Einstellung der Ausgangsgleichspannung U" bewirkt, d'ass das Arbeitsgebizt T U R S, welches bei den bekannten Kon- stanthaltegeräten mit fester Gleichrichterspannung UGl für die Einstellung von 171, reserviert werden muss, vollständig wegfällt.
Man kann daher mit dem beschriebenen Gerät ohne Schwierigkeit Gleichspannungen bis zu :einigen tausend Volt einstellen und die Leistungsstufe C ganz für ihre eigentliche Aufgabe, nämlich für die Ausregulierung von Belastungsschwankungen und von nach der Grobregulierung noch übrigbleibenden Netzspannungsschwankungen, ausnutzen. Ausser der Vergrösserung des Einstellbereiches von UI, kann die weckmässigere Ausnutzung des Arbeitsparallelogramms P Q R S der Leistungsstufe C zur Vergrösserung des Belastungs- strombereiches
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benutzt werden.
Das Arbeitsparallelogramm P Q R S wird in diesem Fall schmäler und höher, wie durch das Parallelogramm P'Q'R'S' gezeigt wird, so dass ein höherer Wert von
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zulässig ist. Demzufolge kann dem Konstanthaltegerät ein entsprechend grösserer Belastungsstrom I$ entnommen werden oder es kann für eine bestimmte Belastung eine kleinere Zahl von parallel geschalteten Leistungsröhren vorgesehen werden. Die erwähnten Vorteile des beschriebenen Kon- stanthaltegerätes lassen sich mit einem verhältnismässig sehr geringen Mehraufwand verwirklichen, da sich mit dem Regeltransformator 7 durch Anordnung der zweiten Abgriffbürste 9 auch die Grobregulierung in einfacher Weise vornehmen lässt.
Des weiteren braucht kein spezielles Netzgerät für die Speisung der den Servomotor 14 steuernden Brückenschaltung bereitgestellt zu werden, da hierzu das Ge- rät A zur Erzeugung der Vergleichsspannung UV benutzt wird, das ebenfalls mit dem in ihm enthaltenen Stabilisatorröhrenkreis 29, 30 die Stabilisierung der Potentiale der Steuergitter 25 und 26 vornimmt.