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Transduktorgespeiste Gleichrichteranordnung mit Transistoren Die Erfindung
bezieht sich auf eine von einer Wechselspannungsquelle über einen stromrückgekoppelten
Transduktor als Regelglied gespeiste Gleichrichteranordnung mit mindestens zwei
in Kaskade geschalteten Transistoren zur Herstellung der Regelabweichung für die
selbsttätige Stromgleichhaltung, vorzugsweise eine Anordnung, die eine eingebaute
Akkumulatorenbatterie mit umfassen kann, welche als Pufferbatterie an die Klemmen
der Quelle für den gleichgerichteten Strom gelegt ist.
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Es ist bekannt, eine Gleichspannung und insbesondere die Ladespannung
einer Batterie dadurch zu regeln, daß man die Spannung eines Bezugselements mit
einer von der Ladestromquelle abgegriffenen Spannung unter Berücksichtigung eines
geeigneten Proportionalitätskoeffizienten vergleicht und daß auf die Stromquelle
in Abhängigkeit von der Höhe der Spannungsdifferenz eingewirkt wird.
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Das Spannungs-Bezugselement kann insbesondere von mindestens einer
dichten elektrolytischen Zelle gebildet sein, die im Zustand der permanenten überladung
in die Anordnung eingefügt wird; diese Zelle kann den gleichen Elektrolyten haben
wie die zu ladende Batterie und kann mit dieser in thermischem Kontakt stehen.
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Es ist ferner bekannt, daß die Vergleichsschaltung aus einem Transistor
bestehen kann, dessen Emitter und dessen Basis durch die Bezugsspannung bzw. durch
den zum Vergleich dienenden Bruchteil der gleichgerichteten Spannung entsprechend
polarisiert sind, so daß der Emitterstrom eine Funktion der zur Regelung dienenden
Differenz dieser beiden Spannungen ist.
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Es ist auch bereits bekannt, die Ladestromstärke dadurch zu begrenzen,
daß man in gleicher Weise die Spannung an den Klemmen eines kleinen Serienwiderstandes
im Ladestromkreis mit einer anderen Bezugsspannung vergleicht, die vorteilhafterweise
eine Halbleiterdiode sein kann, durch die ein Strom fließt, der von dem Hauptstrom
abgeleitet ist. Der Vergleich kann wie im vorhergehenden Fall mit Hilfe eines Transistors
mit drei Elektroden vorgenommen werden.
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Man weiß auch schon, daß die Wirkung dieser ersten Detektortransistoren
auf Grund einer Spannungsdifferenz und einer Stromdifferenz mit Hilfe eines entsprechend
polarisierten dritten Transistors verstärkt werden kann.
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Schließlich ist es auch bereits bekannt, daß man im Falle der Speisung
mit gleichgerichtetem Wechselstrom gleichzeitig die Wirkung der Ströme, welche die
Regelung steuern, verstärken kann und sie auf die Wechselstromquelle mit Hilfe eines
Transduktors wirken lassen kann, dessen eine Wicklung von dem Strom der Wechselstromquelle
durchflossen ist, während eine zweite Wicklung von dem ganzen gleichgerichteten
Strom durchflossen ist, der die Selbsterregung dieses Transduktors ermöglicht, und
schließlich eine dritte Wicklung von dem Steuerstrom durchflossen ist.
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Wegen der Selbsterregung dieses Transduktors kann ein verhältnismäßig
schwacher Steuerstrom die Magnetisierung dieses Transduktors im Bereich der Sättigung
seines magnetischen Kreises so beeinflussen, daß die Impedanz des Transduktors und
infolgedessen auch die Stromabgabe der Wechselspannungsquelle sich innerhalb weiter
Grenzen für die Regelung der gleichgerichteten Spannung ändern.
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Trotzdem ist es natürlich nicht möglich, mit diesen technischen Hilfsmitteln
die obenerwähnte Impedanz unendlich groß zu machen, derart, daß im Maximum der Regelwirkung
die Quelle für den gleichgerichteten Strom fortfährt, weiterhin einen Reststrom
zu liefern, was für die Pufferbatterie nachteilig sein könnte, weil sie sich auf
diese Weise -dauernd im Zustand der Überladung befindet, wenn überhaupt keine Energie
aus ihr entnommen wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gleichrichteranordnung zu schaffen,
die zur Spannungsregelung und zur Begrenzung der Stromstärke des Speisestromes
dient
und den vorstehend genannten Nachteil beseitigt und außerdem Mittel für die Polarisation
der Transistoren an die Hand gibt, die deren einwandfreien Betrieb sichern.
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß parallel
zum Verbraucherausgang ein ohmscher Nebenschlußwiderstand geschaltet ist, dessen
Ohmwert gleich dem Quotienten aus der konstant zu haltenden Gleichspannung und dem
Reststrom des auf höchsten Scheinwiderstand ausgesteuerten Transduktors ist und
an dem die Polarisationsspannungen der Transistoren abgegriffen werden. Im Falle
der Ladung einer Batterie bietet diese Anordnung nach der Erfindung neben der Möglichkeit,
den Ladestrom nach vollständiger Ladung der Batterie und, wenn überhaupt kein Strom
entnommen wird, ganz zu Null zu machen, auch noch andere Vorteile.
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Insbesondere sind die Speisespannungen der Transistoren, weil der
Nebenschlußwiderstand (im folgenden Ballastwiderstand genannt) von einem praktisch
konstanten Strom durchflossen wird, ebenfalls praktisch konstant, und es ist infolgedessen
nicht erforderlich, irgendwelche Hilfsstromquellen anzuwenden.
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Außerdem können diese Spannungen an dem Widerstand so abgegriffen
werden, daß die Transistoren keinesfalls Spannungen ausgesetzt werden, die sie zerstören
könnten.
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Schließlich ist die Anordnung, wie im folgenden noch gezeigt werden
wird, auf alle tatsächlich vorkommenden Gleichspannungen dadurch in einfachster
Weise anwendbar, daß man den Ballastwiderstand und den Spannungszeilerwiderstand
so anpaßt, daß die Teilspannung gewählt werden kann, um sie mit der Bezugsspannung
zu vergleichen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Anordnung nach der Erfindung beispielsweise
dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 das Schaltbild einer vollständigen Speiseeinrichtung
nach der Erfindung, Fig. 2 ein Kurvenbild, das die Wirkung des Ballastwiderstandes
auf den mit Hilfe des Transduktors geregelten Strom zeigt; Fig. 3 und 4 zeigen in
Seitenansicht, teilweise im Schnitt, ein praktisches Ausführungsbeispiel von Teilen
dieser Einrichtung.
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In Fig. 1 speist eine Wechselspannungsquelle, z. B. das Netz, die
Primärwicklung 1 a eines Transformators 1, dessen Sekundärwicklung 1 b eine Wechselspannung
abgibt, die der gewünschten Gleichspannung entspricht. Der Ausgangsstrom des Transformators
wird durch die Gleichrichteranordnung 2 gleichgerichtet, nachdem dieser die Wicklung
3 a des Transduktors 3 durchflossen hat.
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In Fig. 1 ist angenommen, daß die Speisespannung einphasig ist, aber
es ist natürlich auch ohne weiteres möglich, Mehrphasenspannungen mit entsprechenden
geeigneten Gleichrichteranordnungen zu benutzen.
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Die beiden Pole des gleichgerichteten Stromes sind an die Klemmen
4 und 5 der Batterie 6 gelegt, wobei der Stromkreis einerseits die Selbsterregungswicklung
3 b des Transduktors 3 umfaßt und andererseits den schwachen Serienwiderstand 7.
Parallel zu der Batterie 6 liegt der Nebenschluß- bzw. Ballastwiderstand 8; die
Bestimmung seines Wertes erfolgt auf eine noch zu beschreibende Weise.
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Zwischen den Klemmen 4 und 5 liegt der Spannungsteiler, der folgende
Teile umfaßt: Die Diode 9 für die Temperaturkompensation, den Widerstand
10,
die beiden Potentiometer 11 und 12 und den Widerstand 13. Der Abgriff
14 des Potentiometers 11 ermöglicht die Wahl einer Teilspannung zwischen den Klemmen
4 und 5; die Feineinstellung dieser Teilspannung erfolgt mit großer Genauigkeit
durch das Potentiometer 12. Die so gewählte Teilspannung wird an die Basis bi des
(p-n-p)-Transistors T1 angelegt; der Emitter ei dieses Transistors wird durch die
von einer dichten elektrolytischen Zelle 15 gelieferte Bezugsspannung polarisiert;
die Zelle wird dadurch im Zustand permanenter überladung gehalten, daß sie zusammen
mit dem Widerstand 16 in Reihe und zwischen die Klemmen 4 und einen Abgriff P2 des
Widerstandes 8 gelegt wird. Diese Zelle, die vorzugsweise von gleicher Art wie die
Batterie 6 ist, ist in engem thermischem Kontakt zu dieser angeordnet, so daß sie
deren Temperaturschwankungen folgen kann. Der Kollektor c1 des Transistors T1 wird
von demselben Abgriff P2 aus und über den Widerstand 17 polarisiert.
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Ein regelbarer Teil der Spannung an den Klemmen des schwachen Widerstandes
7, der an dem Potentiometer 18 abgegriffen wird, liegt an der Basis b2 des zweiten
Transistors T2, der ebenfalls ein (p-n-p)-Transistor ist. Parallel zu diesem Potentiometerteil
liegt ein großer Kondensator 19, der einen Nebenschluß für den pulsierenden Anteil
des gleichgerichteten Stromes darstellt.
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Der Emitter e2 des Transistors T2 wird durch die Halbleiterdiode 20
polarisiert, deren Stromkreis sich über den Widerstand 21 an dem Angriffspunkt P..,
schließt.
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Der Kollektor c2 des Transistors T2 wird ebenso wie der Kollektor
cl von dem Abgriff P., aus über den Widerstand 17 polarisiert. Die beiden Kollektoren
cl und c2 sind an die Basis b3 des dritten Transistors T3, der ebenfalls ein (p-n-p)-Transistor
ist und dessen Emitter e3 von einem zweiten Abgriff P1 des Widerstandes 8 aus polarisiert
wird. Der Kollektor c3 dieses dritten Transistors ist ebenfalls an den Abgriff P2
angeschlossen, und zwar über die Wicklung 3 c des Transduktors 3, welche die Polarisation
dieses Kollektors bestimmt.
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Unter der Annahme, daß - wie später noch gezeigt werden soll - der
Strom i, (Fig. 2), der durch die Steuerwicklung des Transduktors 3 fließt, sich
innerhalb der Grenzen Null und einem bestimmten Höchstwert i ändert, ändert sich
der von dem Gleichrichter gelieferte Strom wegen des Transduktors 3 von einem Minimalwert
1," bis zu einem Maximalwert Ihl nach der Kurve 22, welche die Charakteristik des
Transduktors darstellt; das bedeutet aber, daß für den Wert Null des Reglerstromes
i, immer noch der Reststrom I"Z durch die Batterie fließt.
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Ist E die Nennspannung der Batterie im geladenen Zustand, dann wird
der Wert R des Widerstandes 8
so gewählt, daß
das bedeutet aber, daß bei geladenem Zustand der Batterie der gesamte Reststrom
durch den Widerstand 8 fließt.
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Hieraus ergibt sich, daß die Stärke des Stromes I," in sämtlichen
Ladezuständen von der Größe des Widerstandes 8 abhängt, so daß die Regelkurve des
Transduktors nicht mehr die Kurve 22, sondern die Kurve 22a ist, die durch den Koordinatenursprung
hindurchgeht.
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Der Strom in dem Ballastwiderstand 8 ist somit praktisch konstant,
und die Polarisation, die an den
Abgriffen P1 und P2 abgenommen
wird, ist ebenfalls konstant und genau definiert.
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Der Abgriffspunkt P, ist so gewählt, daß die Polarisation, die zwischen
die beidenElektroden derTransistoren gelegt wird, größenordnungsmäßig höchstens
lilo Volt beträgt. Infolgedessen bleibt beim Fehlen jeden Stromes die Polarisationsspannung
zwischen Emitter und Kollektor erheblich unter der Durchschlagsspannung dieser Strecke.
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Der Abgriffspunkt P1 ist so gewählt, daß die Spannung U1, die praktisch
konstant ist, an dem Emitter e3 des Transistors T3 ein wenig über der Polarisationsspannung
U3 der Basis b3 dieses Transistors liegt und - woran man sich bei den nun folgenden
Ausführungen erinnern muß - durch die Transistoren T1 und T2 festgelegt wird.
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Ist die Spannungsdifferenz U3 - U1 positiv und groß genug (z.
B. größer als 0,25 Volt), dann ist der Widerstand zwischen dem Emitter e.; und dem
Kollektor e3 des Transistors T3 gering, und die Steuerwicklung3c liegt praktisch
an der Spannung zwischen den Punkten P1 und P2.
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Da der Widerstand 8 einen verhältnismäßig niedrigen Wert hat, um den
Strom Im, der ungefähr 1 Amp. beträgt, zu verbrauchen, und da die Stärke
des Stromes, der dann in der Wicklung 3 c fließt, höchstens ein Zehntel derjenigen
des erstgenannten Stromes ist, ändert die dann hervorgerufene Abgabe der Wicklung
3 c den Wert der Spannung an den Klemmen des Widerstandes 8 nicht merklich, das
bedeutet aber, daß die Polarisation aus den AbgriffenPl und P2 praktisch konstant
bleibt und der aus der Wicklung 3 c entnommene Strom im Vergleich zu demjenigen,
der den Widerstand 8 durchfließt, vernachlässigbar klein ist.
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Ist die Spannungsdifferenz U3 - Ul sehr klein oder sogar negativ,
dann ist der Widerstand des Transistors T3 sehr groß und der die Wicklung 3 c des
Transduktors durchfließende Strom praktisch Null.
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Zwischen diesen beiden Grenzwerten des die Wicklung3 c durchfließenden
Stromes erhält man die durch die Kurve 22a wiedergegebenen Änderungen dieses Stromes
in Abhängigkeit von den Änderungen der Polarisation des Transistors T3. Diese Polarisation
hängt einerseits von dem Transistor Ti für die Spannungsregelung, andererseits von
dem Transistor T.= für die Stromregelung ab.
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Die Leitfähigkeit des Transistors Ti hängt von der Differenz zwischen
der an seinem Emitter angelegten konstanten Bezugsspannung UK und der an seine Basis
angelegten veränderlichen Spannung UB ab. Diese wiederum ist ein konstanter
Bruchteil der Spannung, die während der Ladung der Batterie zwischen den Klemmen
4 und 5 herrscht.
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Da der Wert der Polarisationsspannung UB - Ult des Transistors
T1 klein oder negativ ist, ist der Widerstand zwischen dem Emitter ei und dem Kollektorc,
hoch; infolgedessen ist derSpannungsabfallu zwischen diesen Elektroden groß. Die
an die Basis b3 angelegte Spannung U3, d. h. die Summe UR -i- u ist groß, und der
Transistor T3 wird stromdurchlässig.
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Andererseits wird der Transistor T1 bei steigender Spannung
UB (bei sehr hoher Speisespannung) stromdurchlässig, die Spannung u verringert
sich, und infolgedessen blockiert sich der Transistor T3 durch Verringerung der
Spannung U3.
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In analoger Weise arbeitet der Transistor T2 bei der Blockierung bzw.
Freigabe des Transistors T3. Die Spannung an den Klemmen der Diode 20 ist
praktisch konstant, da sie ja von einem praktisch konstanten Strom durchflossen
wird; sie dient zur Polarisation des Emitters e2 des Transistors T2. Andererseits
hängt die Polarisation der Basis b2 des Transistors T2 von dem Spannungsabfall in
dem schwachen Widerstand 7 ab, d. h. also von der Stärke des in ihm fließenden Stroms.
Ist die Stromstärke groß, dann ist natürlich auch der Spannungsabfall groß, und
die Polarisationsspannung an der Basis ist höher als an dem Emitter; der Transistor
T2 wird stromdurchlässig, und dies hat wiederum, wie vorher gezeigt wurde, zur Folge,
daß die Spannung U3 und damit die Speisung aus der Quelle für die gleichgerichtete
Spannung abnimmt.
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In der beschriebenenEinrichtung kann man für die üblichen Spannungen
(von beispielsweise 12 bis 220 Volt) immer einen passenden Widerstand 8 auswählen
und auf diesem die Punkte P1 und P2, welche die gewünschten Polarisationsspannungen
liefern. Infolgedessen können viele Teile der Einrichtung ihre festen Werte haben.
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So kann man z. B. in einer Schalteinheit 23 (mit der strichpunktierten
Umrißlinie) die Transistoren T1 und T3 unterbringen, ferner den festen Widerstand
17, die Diode 9, den festen Widerstand 10 und die beiden Potentiometer
11 und 12. Der Widerstand 16 kann ebenfalls einen festen Wert
haben und entweder in dieser Schalteinheit untergebracht sein oder auch nicht.
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In diesem Fall erfolgt die Anpassung der Einrichtung an eine vorgegebene
Spannung nicht nur durch die Wahl des Widerstandes 8 und die Auswahl der AbgriffspunktePl
und P,, sondern außerdem noch durch die Auswahl des Widerstandes 13, der ein mitbestimmendes
Glied des Spannungsteilers ist, von dem die Spannung UB abgegriffen wird.
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In der gleichen Weise kann man in einer weiteren, in sich geschlossenen
Schalteinheit 24 (strichpunktierte Umrißlinie) den Transistor T2, das Potentiometer
18, den Kondensator 19, die Diode 20 und den Widerstand 21 unterbringen.
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In diesem Fall wird nur der schwache Widerstand 7 in Abhängigkeit
von der gewünschten Nennspannung und von dem Ladestrom ausgewählt.
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Eine Ausführungsform für eine Schalteinheit23 ist in Fig. 3 wiedergegeben.
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Die Grundplatte 25 trägt auf der einen Seite Kontaktstifte 26 und
auf der anderen Seite ein Gerüst aus Isolierstoff 27, auf welches zwischen den Nietklemmen
28 die Verbindungsleiter zu der Diode 9, den Widerständen 10 und
17 und zu den Transistoren Ti und T3 aufgeschweißt sind. Im oberen Teil des
Gerüstes sind die beiden Potentiometer 11 und 12 angeordnet, die mit Hilfe eines
Schlüssels oder eines Schraubenziehers eingestellt werden können.
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Das Ganze ist in ein Gehäuse 29 eingeschlossen, das durch die Schraube
30 festgehalten und mit Löchern versehen ist, um die aus den verschiedenen Bauteilen
herauskommende Wärme abführen zu können.
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Die Stifte 26 passen in die festen Kontaktstücke einer Dose 31 auf
dem Sockel 32, und zur Vermeidung von Irrtümern bei dem wieder lösbaren Zusammenbau
der Einrichtung trägt die Grundplatte Prisonstifte 33, die in entsprechende Löcher
32 a in dem Sockel eingreifen.
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Analog ist der Aufbau der Schalteinheit 24.
Die Diode
20 und der Widerstand 21 sind, wie in Fig. 1, auf dem Gerüst oder
auf der Tafel 27 festgeschweißt. Der Kondensator 19 besteht bei dem
gezeigten Ausführungsbeispiel aus zwei parallel geschalteten Kondensatoren geeigneter
Größe, die ebenfalls auf der Tafel festgeschweißt sind. Im oberen Teil derSchalteinheit
befinden sich dasPotentiometer 18 und der Transistor T,.
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Auch diese Schalteinheit, die ebenfalls lösbar ist, wird wie die Schalteinheit
nach Fig. 3 mit Hilfe von Kontaktstiften in eine Steckdose gesteckt.
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Selbstverständlich läßt sich der Erfindungsgegenstand von einem Spezialfachmann
in mannigfacher Weise abändern, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen
würde.