-
Gleichspannungswandler für Meß- oder Regelzwecke Die Erfindung bezieht
sich auf eine Meßeinrichtung, der die Aufgabe zugrunde liegt, Gleichspannungen hinsichtlich
des Betrages umzuwandeln unter fester Zuordnung der zu wandelnden und der gewandelten
Spannungswerte. Diese Aufgabe liegt beispielsweise in der Regeltechnik vor, zumeist
in der Form, eine verhältnismäßig kleine, z. B. 1 Volt betragende Spannung, die
von einem an die Regelgröße angeschlossenen Meßwertfühler geliefert wird, in eine
Spannung von höherem Betrag, beispielsweise 100 Volt, umzuwandeln. Es soll so eine
Anpassung für den sogenannten Regelvergleich erzielt werden, bei dem die gewandelte,
dem Regelistwert verhältliche Spannung einer in der gleichen Größenordnung liegenden
Normalspannung entgegengeschaltet wird, die den Sollwert der Regelung darstellt,
zwecks Bildung der Regelfehlergrbße.
-
Zum Umwandeln von Gleichspannungen sind verschiedene Einrichtungen
bekanntgeworden. Man unterscheidet zwischen Wandlern mit mechanisch bewegten Teilen,
z. B. Motorgeneratorumformer, Wechselrichter und ruhenden Einrichtungen, z. B. Röhrenverstärker
oder Magnetverstärker. Während Gleichspannungswandler mit bewegten Teilen Schwierigkeiten
bereiten infolge der bei ihnen verwendeten Kontakte und für Regeleinrichtungen zumeist
wegen unstetiger Art der Regelung und damit verbundener höherer Zeitkonstante ausscheiden,
haben die bekannten ruhenden Einrichtungen andere Nachteile. Sie erfordern z. B.
konstante Hilfsspannungen, benötigen großen Aufwand für hohe Genauigkeiten, belasten
die Regelstrecke oder haben irgendwelche andere Nachteile.
-
Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler für Meß- oder
Regelzwecke, der die obengenannten Nachteile der bekannten Einrichtungen vermeidet.
-
Er besteht in der einfachsten Ausführungsform erfindungsgemäß aus
einer vorzugsweise mit Trockengleichrichtern ausgeführten Graetzschaltung, an deren
Gleicbspannungspole die zu wandelnde Gleichspannung entgegen der Gleichrichterdurchlaßrichtung
und an deren Wechselspannungspole eine Hilfswechselspannung über ein Strombegrenzungsmittel
angeschlossen ist. Die gewandelte Gleichspannung wird dabei über eine Gleichrichteranordnung,
vorzugsweise in Doppelwegsehaltung, und einen Transformator von den Wechselspannungspolen
der Graetzschaltung abgenommen. Ein besonders hervorzuhebender Vorteil ist der geringe
Aufwand, den der Gleichspannungswandler nach der Erfindung erfordert. Durch das
Windungszahlverbältnis des Transformators kann das Wandlungsverhältnis der Gleichspannung
beliebig gewählt werden, so daß sowohl Heraufsetzung als auch Herabsetzung möglich
sind. Es ist ferner eine Umwandlung im Verh,ältnis 1:1 möglich. Die Lösung dieser
Aufgabe kann verlangt sein, wenn eine gal-
vanische Trennung in einem Gleichstromkreis
durch zuführen ist. Der Gleichspannungswandler nach der Erfindung bewirkt zugleich
eine solche galvanische Trennung. Als weiterer Vorteil ist noch zu erwähnen, daß
dieser Gleichspannungswandler nicht den Umwandlungsweg Spannung, Strom, Spannung
geht, wie dies z. B. bei einem Wandler auf Magnetverstärkergrundlage der Fall ist,
sondern eine unmittelbare Spannungsumwandlung von Spannung in Spannung vornimmt.
Der Umweg über den Strom ergibt den Nachteil, daß die Quelle der zu wandelnden Spannung
belastet wird, wodurch leicht Verfälschungen entstehen können. Die bekannten Gleichstromwandler,
die diesen Umweg gehen, sind zumeist auch mehr oder weniger mit Induktivitäten behaftet,
die eine exakte Abbildung des zeitlichen Verlaufes der abzlubibdenden Gleichspannung
durch den Gleichstrom unmöglich machen.
-
Die Zeitkonstante des beschriebenen Spannungswandlers ist dagegen
so klein, daß sie praktisch nicht meßbar ist.
-
Zum Stande der Technik sei noch bemerkt, daß es bekannt ist, Ventile
zur Begrenzung der Aufladespannung eines Kondensators heranzuziehen und ferner eine
Graetzschaltung von Trockengleichrichtern zur Wechselrichtung einer Gleichspannung
zu verwenden. Bei der letzteren Schalung wird die Gleichspannung als Speisespannung
der Graetzbrücke zugeführt, die durch eine Wechselspannung periodisch gesperrt und
geöffnet wird. Die Wechselspannung ist hierbei an die Gleichstrompole der Graetzbrücke
angeschlossen. (Der Ausdruck »Gleichstrompol « bezieht
sich auf
die Verwendung der Graetzbrücke als normaler Gleichrichter.) Der Ausgangsstrom der
Anordnung wird also von der Gleichspannungsquelle geliefert. Bei der Erfindung handelt
es sich dagegen um eine völlig andere Wirkungsweise, wie im folgenden noch näher
erläutert. Sie kommt in der Schaltung dadurch zum Ausdruck, daß die Gleichspannung
nunmehr an den Gleichstrompolen der Graetzschaltung, die Wechselspannung dagegen
an den Wechselstrompolen liegt. Der Ausgangsstrom wird daher von der Wechselspannungsquelle
geliefert, und die Gleichspannungsquelle, deren Spannungswert transformiert werden
soll, dient ausschließlich zur Steuerung der Graetzbrücke.
-
Zur näheren Erläuterung der Erfindung sowie weiterer vorteilhafter
Eigenschaften ist in der Zeichnung in Fig. 1 ein mögliches Ausführungsbeispiel dargestellt.
-
Der Gleichspannungswandler besteht in seiner einfachsten Ausführungsform
aus einer Graetzschaltungl, an deren Gleichstrompole die zu wandelnde Spannung U=
angeschlossen ist und deren Wechselstrompole U, V über eine Widerstandsanordnung
2 an einer Hilfswechselspannung U liegen. Die Graetzschaltungl ist eine Brückenschaltung
aus vier in Reihe geschalteten Gleichrichtern 3, die vorzugsweise Trokkengleichrichter
sind. Den Ausgang der Brücke bildet eine Gleichrichteranordnung4, beispielsweise
ebenfalls in Graetzschaltung, die über einen Transformator 5 an die Pole U, V angeschlossen
ist. Werden an die mit + und - bezeichneten Eingangsanschlüsse der Graetzschalbung
die zu wandelnde Gleichspannung in der bezeichneten Polarität und an die Klemmen
R, S eine Hilfswechselspannunlg U~ von vorzugsweise mehr als zehnmal größerem Betrag
als die zu wandelnde Spannung U angeschlossen, so wird bis zu dem Augenblick, in
dem die Hilfswechselspannung, von Null aus größer werden. den Betrag der zu wandelnden
Gleichspannung erreicht, kein Strom über die Gleichrichter 3 fließen. Der dieser
Dauer zugehörige zeitliche-Abschnitt der Wechselspannung wird, da die Graetzbrücke
einen sehr hohen Widerstand darstellt, an der Primärwicklung des Transformators
5 und danach gleichgerichtet am Ausgang der Gleichrichteranordnung 4 erscheinen.
Nach dem genannten Zeitpunkt wird die Graetzbrücke plötzlich durchlässig, und es
fließt ein Wechselstrom. der einerseits durch die Widerstandsanordnung 2 und andererseits
durch den Innenwiderstand der an die Klemmen + und - angeschlossenen Gleichspannungsquelle
bestimmt ist.
-
Der innere Widerstand der Ventile 3 kann für die Betrachtung zunächst
außer acht gelassen werden.
-
Vom Augenblick des Leitendwerdens der Graetzschaltung ab liegt am
Transformator 5 beständig eine Spannung vom Betrage der zu wandelnden Spannung U=.
Hat die Amplitude dér Wechselspannung an den Polen U, V schließlich wieder bis auf
den Betrag von U= abgenommen, so sperrt die Graetzschaltung 1 wieder, und am Ausgang
liegt von da ab eine bis auf Null abnehmende Spannung vor. Die geschilderten Vorgänge
sind in der graphischen Darstellung nach Fig. 2 näher erläutert.
-
Die gestrichelte Kurve U, zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung
an den Klemmen R, S, die ausgezogene Kurve den zeitlichen Verlauf der Spannung an
den Polen U, V bzw. am Transfor-mator 5. Nach der Doppelweggleichrichtung hinter
der Gleichrichteranordnung 4 ergibt sich die gewandefte Gleichspannung U'=, deren
Verlauf in Fig.-3 dargestellt ist. Die auf die Zeitlinie t berunterragenden Spitzen
werden um so schmaler, je größer die Amplitude der Hilfswechsel-
spannung U im Verhältnis
zu der zu wandelnden Gleichspannung U= gewählt wird, und können durch verhältnismäßig
gering bemessene Siebmittel eliminiert werden. Ändert sich die Spannung U=, so folgt
die Spannung U'= dieser Änderung trägheitslos.
-
Der Gleichspannungswandler nach Fig. 1 kann gemäß einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung durch die im folgenden beschriebenen Maßnahmen noch
verbessert werden.
-
Zur Verminderung des Einflusses von Schwanhungen der Hilfswechselspannung
U kann eine Kompensation vorgesehen werden. In Fig. 1 ist für diese Kompensation
ein als Potentiometer ausgebildeter Lastwiderstand 6 vorgesehen, der auch mit der
Widerstandsanordnung 2 identisch sein kann. In diesem Falle wird ein Teil der an
dem Lastwiderstand 6 abfallenden Wechselspannung in den Ausgangskreis des Gleichspannungswandlers,
jedoch vor der Gleichrichteranordnung 4, eingespeist. Dies kann, wie dargestellt,
sowohl auf der Sekundärseite als auch auf der Primärseite des Transformators 5 durch
einen Hilfstransformator 10 erfolgen. Es ist auch möglich, die Kompensationsspannung
für sich gleichzurichten und in Reihe mit den Ausgangsanschlüssen der Gleichrichteranordnung
4 zu schalten. Eine weitere Möglichkeit, bei der die Kompensationsspannung ebenfalls
als Gleichspannung verwendet ist, besteht, falls als Widerstandsanordnung 2 eine
in Fig. 4 dargestellte, jedoch an sich für andere Zwecke vorgesehene Hilfsgraetzschaltung
zwischen R und U eingeschaltet ist, in deren Gleichstromkreis ein Widerstand 7 liegt.
Der Widerstand 7 kann ebenfalls als Potentiometer ausgebildet sein. Die abgegriffene
Spannung wird mit der Alusgangsspannung U'= gegensinnig in Reihe geschaltet. Die
Kompensation bewirkt außerdem, wenn die Hilfsgraetzschaltung nach Fig. 4 verwendet
wird, daß die Spannungsabfälle an den Gleichrichtern 3 ohne Einfluß auf die Ausgangsspannung
U'= bleiben.
-
Die bereits erwähnte Hilfsgraetzsch altung nach Fig. 4 arbeitet ebenfalls
vorzugsweise mit Trockengleichrichtern 8. In Reihe mit dem ohmschen Widerstand 7
liegt eine Luft- oder Luftspaltdrossel 9. Durch die Hilfsgraetzschaltung wird der
Hilfswechselsftom in einen Rechteckstrom umgeformt, der einen während der Halbwellen
der Hilfswechselspannung konstanten Spannungsabfall an den Ventilen 3 hervorruft.
Da die Summe der zu wandelnden Spannung U~ und der Spannungsabfälle an den Gleichrichtern
3 durch die Glei-chspannungswandlung mit abgebildet wird und der Spannungsabfall
an den Gleichrichtern 3 über den Hilfstransformator 10 kompensiert wird, ist eine
formgetreue Abbildung der zu wandelnden Spannung U= gewährleistet.
-
Eine weitere Verbesserung des Gleichspannungswandlers nach der Erfindung
kann durch einen Pufferwiderstand 11 parallel zu den Gleichspannungspolen der Graetzbrücke
1 (Fig. 1) erreicht werden. Wird der Ohmwert des Pufferwiderstandes gleich dem Quotienten
aus dem Betrag der zu wandelnden Gleichspannung und dem Gleichrichterstrom der Graetzschaltung
1 gewählt, so findet keine Rückwirkung auf die die zu wandelnde Spannung U= liefernde
Gleichstromquelle statt. Der Pufferwiderstand kann insbesondere ein spannungsabhängiger
Widerstand sein mit einer der jeweils vorliegenden Umwandlungsaufgabe entsprechenden
Abhängigkeit im Bereich der zu wandelnden Gleichspannung. Dadurch kann bei allen
in diesem Bereich liegenden Beträgen der Gleichspannung eine praktisch vollständige
Rückwirkungsfreiheit erreicht werden.
-
Zur Verkleinerung der Breite der spitzenförmigen Spannungslücken
in der erzeugten Gleichspannung U'= (vgl. Fig. 3) kann bei gegebenem Betragsverhältnis
zwischen Hilfswecbselspannung und umzuwandelnder Gleichspannung ein in Fig. 1 mit
12 bezeichneter Kondensator parallel zu dem Lastwiderstand 6 vorgesehen werden.
Dadurch wird eine weitere Verbesserung der gewandelten Gleichspannung erzielt, ohne
daß es dazu erforderlich wäre, den Betrag der Hilfswechselspannung unverhältnismäßig
groß zu wählen.
-
Es ist ferner vorteilhaft, insbesondere wenn das Verhältnis zwischen
den Beträgen der Hilfswechselspannung und der zu wandelnden Gleichspannung sehr
groß gewählt wird, den Transformator 5 (Fig. 1) derart zu bemessen, daß er sich
bei geöffnetem Eingangskreis des Gleichspannungswandlers sättigt, so daß sich eine
selbsttätige Begrenzung der Ausgangsspannung des Wandlers ergibt, die anderenfalls,
ähnlich wie hei einem Wechselstromwandler mit offener Bürde, einen beispielsweise
für die Ventile der Gleichrichteranord nung 4 oder eine andere im Ausgang des Wandlers
liegende Einrichtung schädlichen hohen Wert annehmen könnte.
-
Der Gleichspannungswandler nach der Erfindung eignet sich außerdem
zur Verwendung als Vorschalteinrichtung für Oszillographen zum Registrieren des
Kurvenverlaufs einer Wechselspannung in der Nähe ihrer Nulldurchgänge. Dies interessiert
z. B. zur Feststellung der Sperrspannung bei Kontaktstromrichtern, ferner überall
dort, wo kleine Spannungsabfälle gemessen werden sollen, die Spannung aber selbst
große Augenblickswerte annehmen kann, z. B. bei Hg-Großgleichrichtern. Insbesondere
bei hohen Spannungen ist es schwierig, den Verlauf in der Nähe der N-durchgänge
festzustellen. Schleifenoszillographen können wegen tffberlastung mit hohen Spannungen
nicht betrieben werden, wenn gleichzeitig eine entsprechend große Abbildung des
Nul ldurchganges gewünscht wird. Kathodenstrabloszillographen können dabei ebenfalls
beschädigt werden. Es zeigt sich bei einigen von ihnen aber auch noch, daß schon
bei nicht schädlichen hohen Spannungen Verzerrungen auf dem Leuchtschirm auftreten
können. Als Vorschaltgerät für Oszillographen wird der Wandler nach der Erfindung
unter Fortlassung des Transformators 5 und der Gleichrichteranordnung 4 mit den
Polen U und V an einen Oszillographen angeschlossen. An die Stelle der Hilfswechselspannung
tritt die zu untersuchende Wechsel spannung. Es ergibt sich, daß die Wechselspannung
an den Polen U, V nicht über den Betrag einer an den Polen P, N liegenden Gleichspannung
ansteigen kann. Die Gleichspannung an den Polen P, N wird deshalb niedriger gewählt
als die zulässige Spannung des Oszillographen.
-
Die Einrichtung nach der Erfindung ist weder hinsichtlich Ausführung
noch Anwendung auf die beschriebenen Beispiele beschränkt. So kann beispielsweise
an Stelle der Widerstandsanordnung 2 in Fig. 1 auch ein anderes Strombegrenzungsmiittel,
beispielsweise eine an sich bekannte Magnetverstärkeranordnung mit in Reihe geschalteten
Arbeitswicklungen, vorgesehen sein. Ferner können als Gleichrichter drei steuerbare
Gasentladungsgefäße mit konstanter Brennspannung verwendet werden.
-
PATENTANSPRtJCHE 1. Gleichspannungswandler für Meß- oder Regelzwecke,
dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer vorzugsweise mit Trockengleichrichtern
au sge führten Graetzschaltung besteht, an deren Gleich-
spannungspolen die zu wandelnde
Gleichspannung entgegen der Gleichrichterdurchlaßrichtung angeschlossen ist, daß
an die Wechselspannungspole eine Hilfswechselspannung über ein Strombegrenzungsmittel
angeschlossen ist und daß die gewandelte Gleicbspannung über eine Gleichrichteranordnung,
vorzugsweise in Doppelwegschaltung, und einen Transformator von den Wechselspannungspolen
der Graetzschaltiung abgenommen ist.