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Elektrische Regelanordnung zur Regelung einer physikalischen Größe
Die Erfindung betrifft eine elektrische Regelanordnung zur Regelung einer physikalischen
Größe mit einem Brückenstromkreis, bei dem mindestens ein Zweig einen mit der zu
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.
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Zur Regelung einer physikalischen Größe ist es notwendig, das Halteverhältnis
des Relais dem Wert 1 möglichst stark anzunähern. Dies wird bei bekannten Schaltungsanordnungen
im allgemeinen erreicht durch Schwächung des magnetischen Flusses des Relais, wenn
der Erregerstrom des Relais den Ansprechwert überschritten hat. So ist bei einer
bekannten Schaltungsanordnung zur Verbesserung des Halteverhältnisses ein Vorwiderstand
vorgesehen, der nach dem Ankeranzug automatisch eingeschaltet wird. Im bekannten
Falle sind jedoch noch Maßnahmen erforderlich, z. B. die Parallelschaltung eines
Kondensators zum Vorwiderstand, um die Funkenbildung am Öffnungskontakt zu unterbinden.
Der hierdurch bedingte zusätzliche Aufwand wird gemäß der Erfindung dadurch vermieden,
daß die Meßbrücke des Reglers so verstimmbar ist, daß der in der Brückendiagonale
fließende, den Verstärkereingang speisende, dem Relaisansprechstrom entsprechende
Steuerstrom auf einen Wert verstellbar ist, der demjenigen Steuerstrom beliebig
nahe ist, welcher dem Haltestrom des Relais entspricht.
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Diese erfindungsgemäß vorgesehene Schaltungsanordnung ermöglicht eine
außerordentlich genaue und zuverlässige Regelung einer bestimmten physikalischen
Größe, auch wenn die zu regelnde Größe von irgendwelchen Trägheitserscheinungen
behaftet ist, die auf die bekannten Regelsysteme störend wirken.
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Vorteilhafterweise sind gemäß der Erfindung ein oder mehrere Hilfswiderstände
so angeordnet, daß sie parallel mit einem oder ebenso vielen Widerständen der Brücke
über einen Umschaltkontakt, der von diesem Relais gesteuert wird, kombinierbar sind.
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Dabei kann die Kombination der Hilfswiderstände derart sein, daß ein
unstabiles Gleichgewicht in dem durch die Differenz von Ansprechstrom und Haltestrom
für das Relais festgelegten Schaltintervall erreicht wird, in dem eine stetige Reihe
von Öffnungen und Schließungen des Relais liegen.
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Vorteilhafterweise wird ferner die Schaltfrequenz des Relais bei Instabilität
des Reglers herabgesetzt durch ein zusätzliches RC-Glied, das dem Brückenwiderstand
bzw. den Brückenwiderständen jeweils mit einer im Vergleich zu der der Hilfswiderstände
entgegengesetzten Schaltfolge durch das Relais zugeschaltet wird. Dabei ist es vorteilhaft,
wenn der Widerstand des RC-Gliedes zugleich als Hilfswiderstand Verwendung findet.
Es kann ferner sehr vorteilhaft sein, die Schaltung derart auszulegen, daß die Größe
des Halteverhältnisses des Relais vom Mömentanwert der zu regelnden Größe innerhalb
des Regelbereiches abhängt.
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In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.
Es zeigen F i g. 1 und 2 zwei Schaltbilder gemäß der Erfindung, F i g. 3 und 4 zwei
Diagramme eines Regelvorganges bei einer mit Trägheit behafteten Regelstrecke, F
i g. 5 und 6 weitere Ausführungsformen gemäß der Erfindung und F i g. 7 und 8 Schaltbilder,
bei denen die Brücke in bezug auf Schwankungen der Speisespannung stabilisiert ist.
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F i g. 1 zeigt einen Stromkreis, der mit Gleichstrom von einer Gleichspannung
V gespeist wird, mit vier Zweigen mit den Widerständen R," R2, R2, R4, die eine
Brücke bilden, mit der ein Transistorverstärker T in der Diagonale zwischen den
Punkten A und B
kombiniert ist. R1 ist ein Vorwiderstand für die Versorgung
der
Brücke. Unter der Gleichgewichtsbedingung
ist die Potentialdifferenz zwischen den Punkten A und B gleich Null, so daß die
Grundemissionsdiode des Transistors T nicht leitet und daher der Strom durch das
Relais Re, das unerregt bleibt, praktisch gleich Null ist. Das Relais dient zur
direkten oder indirekten Steuerung eines Stellgliedes, das auf die zu regelnde physikalische
Größe einwirkt.
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Der Widerstand R,. ist veränderlich und dient zur Erfassung des Istwertes
der zu regelnden Größe, die direkt oder indirekt auf ihn einwirkt. Das Relais Re
kann z. B. die Heizmittel eines Raumes steuern, dessen Temperatur auf den Widerstand
R,. einwirkt, wobei dieser mit der Temperatur seinen Wert verändert (Heißleiter).
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Wenn der Punkt A negativer wird als der Punkt B,
fließt
Strom durch die Grundemissionsdiode des Transistors T, so daß der Transistor
T in einem Kollektorstromkreis Cr einen Strom zum Fließen bringt, der gegebenenfalls
(in einer nicht dargestellten Weise) nochmals verstärkt werden kann und auf das
Relais Re einwirkt.
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Es ist bekannt, daß der Ansprechstrom eines Relais beträchtlich höher
ist als sein Haltestrom. Die Schaltung nach Fig.2 gestattet nun in sehr einfacher
Weise die Reduzierung des durch die Differenz von Ansprech- und Haltestrom bedingten
Schaltintervalls auf jeden beliebigen Wert. Dies wird dadurch erzielt, daß zwei
Widerstände R, und R6 derart angeordnet sind, daß sie zu den Widerständen R,. bzw.
R., über einen Umschaltkontakt X zwischen dem Punkt A und jedem dieser Widerstände
parallel geschaltet werden können. Die Anordnung ist dabei so ausgeführt, daß das
Auslösen des Relais Re direkt oder über ein anderes Organ das Ausschalten des Widerstandes
RI, allein hervorruft oder das Einschalten des Widerstandes R6 allein oder - wie
oben erwähnt -die Umschaltung des Punktes A von dem Widerstand R5 zu dem Widerstand
R6, wenn man das System symmetrisch erhalten will. Die Werte von R5 und von R6 sind
so gewählt, daß die Polarisation des Transistors T variiert wird, bis der Kollektorstrom
auf einen Wert gebracht ist, der dem bei Abfall des Relais beliebig nahe ist. Unter
diesen Bedingungen genügt eine minimale Änderung von R,,, um das Relais zum Abfallen
zu bringen, und man erhält daher ein beliebig kleines Schaltintervall. Die Einstellung
eines der Brückenwiderstände ermöglicht es, den gewünschten Arbeitspunkt festzulegen,
während die Widerstände R, und R6 für das Halteverhältnis des Relais maßgebend sind.
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Die Anordnung nach der Erfindung ist auch dazu geeignet, Regelstrecken
präzis zu regeln, die eine gewisse Trägheit besitzen. Bei den normalen Systemen
ist das übliche Regeldiagramm das der F i g. 3. In diesem Diagramm ist auf der Abszisse
die Zeit t und auf der Ordinate die Regelgröße G (z. B. die Temperatur) aufgetragen.
Die Geraden P und Q schließen das Schaltintervall I ein, wobei längs der
Linie Q die Öffnungsbedingungen . und längs der Linie P die Schließbedingungen
erfüllt sind. Die Öffnungs- und Schließzyklen sind mit a und c bezeichnet. Wie aus
F i g. 3 ersichtlich, besteht hier eine Abweichung D der geregelten Größe, die größer
ist als das Schaltintervall 1, das durch die Schaltung nach F i g. 2 beliebig reduziert
werden kann. Eine weitere Reduktion der zyklischen Ausschläge der Regelgröße, die
der Trägheit unterliegt, wird erhalten, wenn die Regelung bei der unteren Grenze
des Schaltintervalls beginnt, d. h. (F i g. 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 wenn die Periode
des Zyklus der Trägheit des Systems proportional ist. So wird ein Regeldiagramm
der in F i g. 4 dargestellten Art erhalten, bei dem, wie ersichtlich, der Ausschlag
D' der geregelten Größe leicht innerhalb des Schaltintervalls I der Wirkungsvorrichtung
gehalten werden kann.
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Eine solche Regelung läßt sich sehr einfach durch eine Abwandlung
des Kreises der F i g. 2 entsprechend den F i g. 5 oder 6 erhalten. In diesen Figuren
sind die Teile, die denen der F i g. 2 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Nach F i g. 5 wird zu dem Schaltbild der F i g. 2 ein RC-Glied hinzugefügt, das
aus einem Widerstand R7 und einer Kapazität K besteht. Diese Serienschaltung wird
zwischen dem PunktA und einem Umschaltkontakt Y geschaltet. Die Widerstände R.,
und R6 sind so ausgelegt, daß für R,, innerhalb bestimmter Werte das Ansprechen
des Relais Re durch Umschalten des PunktesA von R5 auf R6 mit dem UmschaltkontaktX
den das Relais Re durchfließenden Strom unterhalb des Ansprechwertes bringt und
umgekehrt, um so eine unstabile Funktionszone zu erhalten. Gleichzeitig mit dem
Umschalten von R5 auf R6 wird die Gruppe R7K in umgekehrter Weise derart umgeschaltet,
daß der Laststrom des Kondensators K, indem er durch den Widerstand R7 fließt, für
einen Zeitraum, der von der Konstante R7K abhängt, die Wirkung von Rp R6 aufhebt
und die darauffolgende Auslösung beliebig verzögert. Mit a und c sind die I und
Y entsprechenden Positionen bezeichnet. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis R,,
sich innerhalb des Intervalls der Unstabilität hält, das beliebig mit den Werten
von R., R6 eingestellt werden kann. Gemäß F i g. 6 wird an Stelle der beiden Widerstände
R5, R6 ein einziger Widerstand R" verwendet, der von einem Umschaltkontakt XI umgeschaltet
wird, der vom Relais Re gesteuert wird. Die Kondensatoren KZ, K3 haben den Zweck,
die durch die Umschaltung des Widerstandes R6 erzielte Wirkung zu verzögern.
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Die dargestellten Schaltungen sind besonders zur Temperaturregelung
geeignet, wenn R,, ein Widerstand mit hohem Temperaturkoeffizienten ist (Heißleiter).
Diese Anwendung hat im Vergleich zu dem gewöhnlichen Thermostaten den Vorteil, daß
das wärmeempfindliche Element sehr klein ist und in sehr kleine Hohlräume eingeführt
werden kann, das im Grenzfall aber eine thermische Trägheit in der Größenordnung
eines Bruchteiles einer Sekunde pro °C haben kann. Das wärmeempfindliche Element
kann außerdem in beliebigem Abstand vom Regler angebracht werden. Werden mehrere
wärmeempfindliehe Elemente, die entsprechend verbunden sind, verwendet, ist es möglich,
mit einem einzigen Temperaturregler die Durchschnittstemperatur von mehreren Räumen
oder mehreren Punkten eines einzigen Raumes zu regeln, wobei auch verschiedenen
Punkten oder Räumen, die geregelt werden, eine verschiedene Rangordnung zugeteilt
werden kann.
Gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung ist
die Schaltung schon durch die Anordnung der Grundemissionsdiode des Transistors
im Diagonalzweig einer Brücke sehr unempfindlich. Wenn jedoch die Versorgungsstromquelle
sehr inkonstant sein sollte, kann einfach die Widerstandsbrücke allein stabilisiert
werden, z. B. mit einer Zenerdiode Z, die z. B. gemäß F i g. 7 angeordnet wird oder
für Zwecke, die eine größere Präzision erfordern, mit zwei entsprechenden stabilisierenden
Elementen Z und 4, die F i g. 8 entsprechend angeordnet sind.
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Die Regelanordnung nach der Erfindung bewirkt ferner eine kontinuierliche
Serie von Öffnungen und Schließungen bestimmter Frequenz in dem der Lage und Größe
nach veränderbaren Schaltintervall, wobei das Halteverhältnis von der Lage der Größe
abhängt, die in dem Schaltintervall geregelt werden soll und wobei außerhalb desselben
stabile Positionen von »offen« und »geschlossen« erreicht werden.
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Um die Rückwirkung, die beim Durchgang des Stromes des Relais Re durch
den Widerstand R4 auftritt, möglichst stark zu begrenzen, kann dieser Widerstand
R4 durch eine Zenerdiode ersetzt werden, die durch Stabilisierung der Spannung des
Emitters einen niedrigen dynamischen Widerstand bietet und den Verstärkungseffekt
des Transistors T stark erhöht.