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Regelkreis mit integral wirkendem Regler Die Erfindung bezieht sich
auf einen Regelkreis mit integral wirkendem Regler, bei dem die Ein- und Ausgangsgrößen
des Reglers, d. h. also die dem Regler zugeführte Regelgröße bzw. Stellgröße des
Regelkreises, elektrische Spannungen bzw. Ströme sind oder in solche umgewandelt
worden sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Regelkreis, wie er
beispielsweise zur Amplitudenregelung von Wechselspannungsverstärkern, zur Frequenzregelung
von Oszillatoren, zur Temperaturregelung u. dgl. Verwendung finden kann.
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Zur Amplitudenregelung von Wechselspannungsverstärkern sind bereits
sogenannte Proportionalregler bekannt, bei denen die gleichgerichtete Ausgangsspannung
des Verstärkers als proportionale Regelgröße dem Eingang des Verstärkers zugeführt
wird. Es ist bei derartigen Proportionalreglem auch bereits bekannt, zur Versteilerung
der Regelempfindlichkeit in den Regelkreis einen Generator einzuschalten, dessen
einen Regelwiderstand steuernde gleichgerichtete Ausgangsspannung durch Beeinflussung
der Gittervorspannung des Generators gesteuert wird (deutsche Patentschrift 743
025 und österreichische Patentschrift 147 727).
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Bei derartigen Proportionalreglem besteht stets ein unmittelbarer
eindeutiger Zusammenhang zwischen der Ausgangs- und Eingangsgröße des Reglers, und
es ist weder eine vollständige Ausregelung noch eine Überregelung möglich. Um diese
Nachteile von Proportionalreglern zu vermeiden, sind zur Amphtudenregelung von Wechselspannungsverstärkem
bereits sogenannte Integralregler bekannt, bei denen die Ausgangsgröße des Verstärkers
mit einer Vergleichsgröße in einer Brückenschaltung verglichen und die Differenz
der beiden Spannungen zur Rechts-Links-Steuerung eines Elektromotors verwendet wird,
wobei der Elektromotor seinerseits beispielsweise über ein Potentiometer zur Veränderung
der Regelspannung dient. Es ist bei derartigen Integralreglern mit einem Elektromotor
als Stellglied auch bereits bekannt, im eigentlichen Regelkreis vor den Elektromotor
einen rückgekoppelten Verstärker anzuordnen, in welchem eine Hilfsspannung erzeugt
wird, die im Zuge des Reglers gleichgerichtet und ausgesiebt wird und zur eigentlichen
Steuerung des Motors dient (belgische Patentschrift 526 949). Derartige bekannte
Integralregler mit Elektromotoren als Stellglied besitzen jedoch den Nachteil, daß
sie infolge der mechanisch zu bewegenden Teile sehr wartungsbedürftig sowie relativ
träge sind und stets eine gewisse Ansprechschwelle besitzen.
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Diese Nachteile der bekannten Integralregler werden bei einem Regelkreis
mit integral wirkendem Regler, dessen Ein- und Ausgangsgrößen (Regelgröße bzw. Stellgröße)
elektrische Spannungen bzw. Ströme sind, insbesondere zur Amplitudenregelung von
Wechselspannungsverstärkern, Frequenzregelung von Oszillatoren u. dgl. erfindungsgemäß
dadurch überwunden, daß der Regler ein Gleichspannungsverstärker mit einem derart
großen Mitkopplungsgrad ist, daß der Verstärker ein monoton instabiles Verhalten
aufweist. Wird der erfindungsgemäße Regelkreis zur Amplitudenregelung eines Wechselspannungsverstärkers
benutzt, so wird eine von dessen Ausgangsspannung abgeleitete Gleichspannung über
den mitgekoppelten Gleichspannungsverstärker dem Wechselspannungsverstärker als
Regelspannung zugeführt. Wird der erfindungsgemäße Regelkreis dagegen zur Frequenzregelung
eines Oszillators verwendet, so kann eine der Sollfrequenz proportionale Gleichspannung
über den mitgekoppelten Gleichspannungsverstärker ein frequenzbestimmendes Glied
des Oszillators beeinflussen. Eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Regelkreises
ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß der Mitkopplungsgrad im Mitkopplungsweg
des Gleichspannungsverstärkers und damit die Verstärkung des Gleichspannungsverstärkers
einstellbar ist, wobei vorzugsweise bei Verwendung eines Gleichspannungsverstärkers
in Form eines mehrstufigen Röhrenverstärkers im Anodenkreis einer Verstärkerröhre
ein einstellbarer Spannungsteiler angeordnet ist, an dessen Abgriff die Mitkopplungsspannung
abgegriffen wird.
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Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen mitgekoppelten Gleichspannungsverstärker
kann auf einfache Weise das für einen Integralregler charakteristische Verhalten
gegeben werden, denn der Verlauf der Ausgangsamplitude des Wechselspannungsverstärkers
kann
in Abhängigkeit von der Eingangsamplitude beispielsweise durch Einstellen des Reglermitkopplungsbetrages
auf den Wert 1 konstant, durch Einstellen dieses Mitkopplungsbetrages. auf den Wert
kleiner als 1 im Sinne einer Unterregelung steigend oder durch Einstellen des Mitkopplungsbetrages
auf einen Wert größer als 1 im Sinne einer Überregelung fallend eingestellt werden.
Da der erfindungsgemäße Integralregler völlig elektronisch arbeitet, besitzt er
gegenüber den bekannten Integralreglern mit mechanischen Stellgliedern wie Motoren,
Relais od. dgl. den Vorteil, daß er völlig trägheitslos ist, im wesentlichen keine
Ansprechschwelle besitzt und vor allem stets betriebssicher und nahezu wartungsfrei
arbeitet.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Regelkreis zur Amplitndenregelung
eines Wechselspannungsverstärkers; Fig. 2 zeigt einen entsprechenden Regelkreis
zur Frequenzregelung eines Oszillators, und Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des erfindungsgemäßen
Regelkreises zur Amphtudenregelung eines Wechselspannungsverstärkers.
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Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Zusammenschaltung eines mitgekoppelten
Gleichspannungsverstärkers von monoton instabilem Verhalten mit einem Wechselspannungsverstärker
1. Er verstärkt die Eingangsspannung UE. Die Ausgangsspannung UA des Verstärkers
1 wird in der Diode 2 gleichgerichtet und dem aus den Röhren 3 und 4 bestehenden,
nach Art einer Schmitt-Kippschaltung aufgebauten rückgekoppelten (mitgekoppelten)
Gleichspannungsverstärker zugeführt. Die Ausgangsspannung der Diode 2 wird in der
Röhre 3 verstärkt und dem Steuergitter der Röhre 4 zugeführt. Über den gemeinsamen
Kathodenwiderstand 5 erfolgt die notwendige Rückkopplung. Die Regelspannung UR,
die dem Verstärker 1 zugeführt wird, wird vom Anodenwiderstand 6 der Röhre 4 abgenommen.
Die Batterie 7, die in Serie zur Regelspannung UR geschaltet wird, hat die Aufgabe,
einen Ausgleich zwischen dem hohen positiven Potential der Anode der Röhre 4 und
dem Nullpotential des Verstärkers 1 zu schaffen. Würde der Regelkreis bei der Batterie
7 unterbrochen, so würde der Gleichspannungsverstärker mit monoton instabilem Verhalten
in eine der beiden Gleichgewichtslagen hineinlaufen, bei denen entweder die Röhre
3 Strom führt und die Röhre 4 gesperrt ist oder aber die Röhre 4 Strom führt und
die Röhre 3 gesperrt ist, und zwar je nachdem, wie groß im Augenblick der Wert der
gleichgerichteten Ausgangswechselspannung UA ist. Nach dem Schließen des Regelkreises
(also wie angenommen wieder an der Stelle 7) wird ein Gleichgewichtszustand zwischen
den beiden Extremlagen des Gleichspannungsverstärkers mit an sich monoton instabilem
Verhalten herbeigeführt und aufrecht erhalten.
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Der erfindungsgemäße Integralregler mit einem rückgekoppelten Gleichspannungsverstärker
kann in elektrischen Regelkreisen verschiedener Art verwendet werden. Ein dementsprechendes
Anwendungsbeispiel zeigt die Fig. 2, in der die Frequenz eines Oszillators 22 über
ein Frequenzregelglied 23, z. B. eine Reaktanzröhre, so gesteuert wird, daß die
Oszillatorfrequenz exakt mit der Nullfrequenz Fo eines Frequenzdiskriminators 24
übereinstimmt. Auch hier wird die Ausgangsspannung des Diskriminators 24 über einen
rückgekoppelten Gleichspannungsverstärstärker, der aus den Röhren 25 und 26 besteht,
dem Frequenzregelglied 23 zugeführt: Auch in diesem Beispiel würde bei geöffnetem
Regelrelais der rückgekoppelte Gleichspannungsverstärker aus den Röhren 25 und 26
in eine seiner Endlagen hineinlaufen und somit ein monoton instabiles Verhalten
zeigen. Die Stabilisierung wird nur durch Schließen des Regelkreises erreicht.
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Ein weiterer Regelkreis mit einem Wechselspannungsverstärker als Regelstrecke,
dessen Ausgangsamplitude in Abhängigkeit von der Eingangsamplitude wahlweise konstant
oder im Sinne einer überregelung absinkend oder im Sinne einer Unterregelung steigend
eingestellt werden kann, ist in Fig. 3 dargestellt. Dieser Regelkreis ist ebenfalls
mit einem rückgekoppelten Gleichspannungsverstärker ausgestattet, der sich aber
nun in günstigerer Weise den Potentialverhältnissen im Regelkreis anpaßt. Dieser
Regler hat wahlweise proportionales oder auch proportional-integrales Verhalten,
wobei im allgemeinen die Regelschärfe des proportionalen Reglers so groß ist, daß
der integrale Anteil nur zur Beseitigung eines Regelrestfehlers oder zur überregelung
verwendet wird.
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In Fig. 3 wird der Wechselspannungsverstärker für die Eingangsspannung
UZ, der die Regelstrecke darstellt, durch die Röhre 8 gebildet. Die Ausgangsspannung,
die den gewünschten Verlauf nehmen soll, ist UA'. Die Ausgangsspannung wird in der
Diode 9 gleichgerichtet. Die gleichgerichtete Spannung erscheint an der Widerstandskondensatorkombination
10. An den Kathodenwiderständen 11 und 12 der ersten Röhre 13 fällt durch den Strom,
der durch diese Röhre fließt, eine Spannung ab. Diese Spannung wird der gleichgerichteten
Ausgangsspannung UA' entgegengeschaltet. Ihre Summe bildet die Regelspannung UR,
die über die Diode 14 am Widerstand 15 abfällt und dem Wechselspannungsverstärker
8 zugeführt wird. Die Regelspannung UR wird nun zusätzlich über den Widerstand 16
dem Gitter der Röhre 13 zugeführt. Dieses Gitter wird aber auch weiterhin von der
Anode der zweiten Verstärkerröhre 17 her über den Widerstand 18 gesteuert, wobei
diese Röhre selbst von einem Teil des Spannungsteilers 11 und 12 in der Kathode
der Röhre 13 gesteuert wird.
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Die Wirksamkeit der Röhre 17 kann durch Einstellen des Potentiometers
19 vom Wert 0 auf einen Maximalwert eingestellt werden. Wird der Abgriff des Potentiometers
19 unmittelbar an die Plusspannung gelegt, so hat die Steuerwirkung der Röhre 17
keinen Einfluß auf das Gitter der Röhre 13. Die Röhre 13 wirkt dann als rein proportionaler
Verstärker, der die Gegenspannung beeinflußt, die in Serie zur gleichgerichteten
Ausgangsspannung UÄ zur Bildung der eigentlichen Regelspannung UR geschaltet ist.
In diesem Falle liegt ein rein proportionaler Regler vor. Wird nun das Potentiometer
19 mit seinem Abgriff an die Anode gelegt, was den anderen Extremfall darstellt,
so arbeiten die Röhren 13 und 17 wieder als stark rückgekoppelter Gleichspannungsverstärker,
und das Verhalten des Reglers wird entsprechend Fig.1. Es tritt dann ein gemischt
proportional-integrales Verhalten auf. Je nach der Stellung des Potentiometers ist
es daher möglich, eine Unterregelung entsprechend dem rein proportionalen Verhalten
bzw. eine Aus- oder Überregelung bei proportional-integralem
Verhalten
zu erzielen. Mit Hilfe des Kondensators 20 kann die Regelgeschwindigkeit des proportionalen
Anteiles und mit Hilfe des Kondensators 21 die Regelgeschwindigkeit des integralen
Anteiles verändert werden: Dies kann von Bedeutung sein, wenn man das dynamische
Verhalten des Reglers beim Übergang von einem Wert der Eingangsspannung des Wechselspannungsverstärkers
auf einen anderen Eingangsspannungswert beeinflussen will.