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Einrichtung zum Konstanthalten einer Gleichspannung Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zum Konstanthalten einer Gleichspannung.
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Es wurden bereits derartige Einrichtungen vorgeschlagen, bei welchen
zwischen einem Belastungswiderstand und einer Spannungsquelle eine Gasentladungsröhre
angeordnet ist, wobei die Gasentladungsröhre als ein Schalter betrieben wird. Die
Schaltvorgänge erfolgen abwechselnd in einem Arbeitstakt, der von dem zwischen der
Belastungsspannung und einer Bezugsspannung bestehenden Unterschied abhängt. Die
Schaltfrequenz ist hoch im Vergleich zur Frequenz der Spannungs- oder Stromänderungen,
welche vermindert werden sollen. Am Ausgang des Stabilisators ist ein Speicherkondensator
erforderlich. Dieser ist mit einer aus einem Widerstand und der Röhre bestehenden
Reihenschaltung verbunden. Die Notwendigkeit eines Widerstandes steht indessen einem
Vorteil entgegen, der sonst durch die Verwendung einer Röhre erhalten werden könnte.
Diese bewirkt nämlich eine Herabsetzung der Energieverluste des Stabilisators, da
sie lediglich als ein Schalter dient, der als Widerstand nur die beiden Bedingungen
Widerstand Unendlich und Widerstand Null aufzuweisen hat.
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Gegenstand der Erfindung, die die obenerwähnten Nachteile vermeidet,
ist eine Einrichtung zum Konstanthalten einer Gleichspannung, bei der zwischen einer
Spannungsquelle und einem Belastungswiderstand ein selbsttätiger Schalter mit periodischen
Schaltzeiten angeordnet ist, der durch Spannungsdifferenzen zwischen einer Sollspannung
und der Spannung am Belastungswiderstand gesteuert wird. Erfindungsgemäß ist zwischen
der Spannungsquelle und dem Belastungswiderstand eine Induktivität mit einem elektronischen
Schalter angeordnet, der bei Schaltpausen des gesteuerten Schalters leitend wird
und die durch die Indu ktivität induzierte Spannung mit dem Belastungswiderstand
verbindet.
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Der Schalter kann entweder parallel oder in Reihe zu dem Belastungswiderstand
angeordnet werden, wobei die Parallelschaltung eine der Spannungsquelle entsprechende
Erhöhung der Belastung zuläßt.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese an Hand der Fig.
1 bis 7 näher beschrieben. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung, wobei der elektronische Schalter zwischen der Spannungsquelle und dem
Belastungswiderstand angeordnet ist; die Fig. 2 enthält eine ausführliche Darstellung
der in Fig. 1 vorhandenen Einzelheiten: die Fig. 3 bis 5 zeigen weitere Ausführungsbeispiele
der Erfindung, bei welchen ein in Reihe angeordneter elektronischer Schalter angewendet
wird; die Fig. 6 zeigt das Beispiel eines parallel angeordneten elektronischen Schalters,
und nach Fig. 7 werden für den Zweck der Erfindung Transistoren benutzt.
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In Fig. 1 wird durch die Ziffer 1 eine ungeregelte Gleichspannungsquelle
bezeichnet. Diese ist mit einem Kondensator 2 verbunden, der entweder mit der Quelle
baulich verbunden ist oder der als zusätzlicher Kondensator zwischen deren Ausgangsklemmen
angeordnet ist. Der Widerstand 3 soll den Belastungswiderstand darstellen, wobei
angenommen wird, daß der zwischen den Klemmen dieses Widerstandes angeordnete Stromkreis
eine konstante Spannung aufrechterhält. Zwischen den positiven Klemmen der Spannungsklemme
1 und der Belastung 3 ist der aus der Triode 4 bestehende Schalter und die Drosselspule
5 vorgesehen, wobei die Kathode der Triode mit der Drosselspule verbunden ist. Die
Kathode der Triode 4 ist auch mit der Kathode einer Diode 6 verbunden, deren Anode
an der gemeinsamen negativen Klemme der Spannungsquelle und des Belastungswiderstandes
liegt. In paralleler Anordnung zu dem Widerstand 3 befindet sich ein Kondensator
1.0, der
seinerseits einem verhältnismäßig hochohmigen Spannungsteiler
9 parallel zugeordnet ist. Die Ziffer 7 bezeichnet einen Impulsgenerator für Schaltimpulse,
dessen Ausgangsspannung dem Steuergitter der Röhre 4 zugeführt ist. Der Arbeitstakt
des Impulsgenerators und der von diesem beeinflußten Röhre 4 wird durch die Ausgangsspannung
eines Gleichstrom-Differentialverstärkers 8 bestimmt. Dieser verstärkt den Spannungsunterschied,
der zwischen einem Bezugspotential E und dem bei 9 abgeleiteten Teil der Ausgangsspannung
besteht. Die Einrichtungen 7 und 8 werden später noch ausführlicher beschrieben.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1 ist folgende: Wenn. die
durch die Einrichtung 8 verstärkte Differenzspannung wesentlich kleiner als Null
ist, hat der Arbeitstakt der Einrichtung 7 seinen Einheitswert und die Ausgangsspannung
E2 ihren annähernd mit der Eingangsspannung Ei übereinstimmenden Maximalwert. Wenn
die am Abgriff 9 abgeleitete Spannung den Wert E übersteigt, wird die Ausgangsspannung
von 8 größer und vermindert den Arbeitstakt von 7 auf einen Bruchteil a des Einheitswertes.
Dadurch wird die Schaltzeit der Röhre 4 auf einen Bruchteil a der ganzen Arbeitsperiode
herabgesetzt. An den Kathoden von 4 und 6 hat dann das mittlere Potential E2 den
Wert a - Ei, wenn die Drosselspule 5 bezüglich des Belastungswiderstandes 3 und
der Impulswiederholungsfrequenz der Einrichtung 7 geeignet gewählt ist. über die
Röhre 4 wird dadurch während der Einschaltzeiten und über die Diode 6 während der
Ausschaltzeiten des Taktkreises ein gleichmäßiger Strom aufrechterhalten. Die Ausgangsspannung
hat ebenfalls den Wert a - El abzüglich des in der Drosselspule 5 auftretenden Spannungsabfalls.
Die Rückkopplung bewirkt eine automatische Regelung des Faktors a, bis die Abgreifspannung
annähernd das Potential E erreicht. Wenn die bei 9 abgeleitete Spannung größer ist
als die festgelegte Bezugsspannung E, erhält das Steuergitter der Röhre 4 von der
Einrichtung 7 verlängerte negative Impulse. Der Anodenstrom der Röhre 4 wird dadurch
für längere Perioden unterbrochen. Wenn man zudem annimmt, daß die Drosselspule
5 genügend groß ist, um den Strom in dem Belastungswiderstand im wesentlichen konstant
zu halten, wird die Diode 6 bei Ab-Schaltung der Röhre 4 leitend, um den Ausgangsstromkreis
während der Abschaltperiode der Röhre 4 zu vervollständigen. Eine Herabsetzung des
zwischen der Ein- und Abschaltzeit bestehenden Verhältnisses hat eine Verkleinerung
der von der Spannungsquelle entnommenen Leistung zur Folge, und die Ausgangsspannung
nähert sich dem gewünschten Wert.
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Der Kondensator 10 dient als Speicher. Er kann so gewählt werden,
daß er mit den zugeordneten Widerständen eine Zeitkonstante bildet, welche die Welligkeit
der Ausgangsspannung bis zu einem gewünschten Grad herabsetzt. Wenn es erforderlich
ist, kann eine weitere Filterstufe verwendet werden.
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Die Fig. 2 zeigt die Ausführung eines vergleichenden Verstärkers und
einen Impulsgenerator, der von einem Taktkreis gesteuert wird. Diese können für
die Einrichtungen 7 und 8 in Fig. 1 verwendet werden. Das Gitter der Verstärkerröhre
11 erhält das vom Spannungsteiler 9 der Fig. 1 abgeleitete Potential. Die Kathode
der Röhre 11 ist mit den Kathoden der Doppeltriode 12 und einer stabilisierenden
Gäsentladungsröhre 13 verbunden. Diese bewirkt an der Kathode die Aufrechterhaltung
eines Bezugspotentials E. Die Doppeltriode 12 ist als ein Multivibrator geschaltet,
wobei die Kondensatoren 15 und 16 den Anodenleiter 17 an den Gitterleiter 19 und
entsprechend hierzu den Anodenleiter 18 an den Gitterleiter 20 ankoppeln.
Der Gitterleiter 20 ist durch den Widerstand 22 mit der Anode der Röhre 11
verbunden. Die im Anodenleiter 18 auftretenden Impulse werden dem Gitter der in
Fig. 1 dargestellten Regeltriode 4 zugeführt.
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Bei der Einrichtung nach Fig. 2 wird die Röhre 12 als ein kontinuierlich
arbeitender Multivibrator betrieben, jedoch mit der Neigung, daß bei beispielsweiser
Erhöhung des Gitterpotentials und damit des Anodenstroms der Röhre 11 sich über
den Leiter 20 am rechten Gitter der Röhre 12 eine negative Vorspannung einstellt.
Dieser Vorgang läßt die Stromintervalle der linken Triode 12 entsprechend den Durchlaßperioden
der rechten Triode anwachsen, und auf Grund der Eigenschaft des Transformators 21
wird das Verhältnis der Durchlaß- zur Sperrzeit der Röhre 4 verkleinert und bewirkt
so eine Verminderung des am Widerstand 9 der Fig. 1 auftretenden Potentials, wodurch
die gewünschte Bedingung wieder hergestellt wird.
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Der Anodenleiter 18 der in Fig. 2 dargestellten Röhre 12 ist nicht
direkt mit der Steuerelektrode der in Fig. 1 dargestellten Röhre 4 verbunden, weil
die Kathode der Röhre 4 verhältnismäßig hohen Spannungsschwankungen ausgesetzt ist.
Die geeignete Gittersteuerspannung könnte in dieser Weise nur schwer erhalten werden.
Bei dem vorliegenden Beispiel ist daher direkt zwischen dem Gitter und der Kathode
der Röhre 4 die Sekundärwicklung des Transformators 21 angeordnet. In den Fig. 3
und 4 sind Einrichtungen dargestellt, bei welchen eine Transformatorkopplung vermieden
wird.
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In der Fig. 3 haben die der Fig. 1 entsprechenden Elemente die gleichen
Bezugszeichen. Die Primärwicklung des Transformators 23 ist der Taktröhre 4 vorgeordnet.
Der Transformator hat eine ähnliche Aufgabe wie die in Fig. 1 dargestellte Drosselspule
5. Die Anode der Diode 6 ist über die Sekundärwicklung des Transformators 23 mit
dem negativen Pol der Spannungsquelle 1 verbunden. Die anderen Elemente sind ähnlich
angeordnet wie in Fig. 1, jedoch schwankt bei dieser Einrichtung das Kathodenpotential
der Röhre 4 nicht im gleichen Maß wie bei der Ausführung nach Fig.1, so daß die
Steuerelektrode der Röhre 4 direkt mit dem Anodenleiter 18 des in Fig. 2 dargestellten
Multivibrators verbunden werden kann.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführung entsteht eine scharfe Unterbrechung
des Stromes in der Röhre 4, wenn deren Steuergitter einen negativen Schaltimpuls
von der Einrichtung 7 erhält. An der Anode 4 entsteht dadurch ein positiver Schaltimpuls:
Dieser wird verkleinert durch die Leitfähigkeit der Diode 6, welche die Restenergie
vom Transformator 23 zu dem Kondensator 10 ableitet.
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Eine Abwandlung der Fig. 3 ist in Fig. 4 dargestellt. Bei dieser Anordnung
ist der Transformator 23 durch die beiden Drosseln 24 und 25 ersetzt, und der Kondensator
2 wird dazu benutzt, die Anode der Röhre 6 mit der Anode der Röhre 4 zu koppeln.
Am Ausgang der Einrichtung 1 ist kein Kondensator erforderlich. Die Anoden der Röhren
4 und 6 sind über die Drosselspulen 24 und 25 mit der positiven und der negativen
Ausgangsklemme der Spannungsquelle 1
verbunden. Beim Betrieb dieser
Anordnung ist die Diode 6 gesperrt, wenn die Röhre 4 leitend ist. Wenn jedoch das
Gitter der Röhre 4 durch ein Schaltsignal gegenüber der Kathodenspannung negativ
wird, entsteht eine plötzliche Unterbrechung des Anodenstromes in der Röhre 4, und
die plötzliche Stromänderung in der Drossel 24 verursacht eine starke Potentialerhöhung
an der Anode der Röhre 4. Diese Erhöhung wird durch den Kondensator 2 zu der Anode
der Röhre 6 übertragen, welche dadurch leitend wird und die Restenergie von der
Drosselspule 24 zu dem Kondensator 10 ableitet.
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Bei der Ausführung nach Fig. 2 wird die Schwierigkeit hinsichtlich
der Ankopplung des Impulsgenerators 7 an die Schaltröhre 4 durch die Verwendung
eines Transformators 21 überwunden. Diese Schwierigkeit besteht jedoch nicht, wenn
die Polarität der Röhre 4 bezüglich der Spannungsquelle umgekehrt wird, so daß die
Spannungsquelle und der Belastungswiderstand an Stelle einer gemeinsamen negativen
Klemme eine gemeinsame positive Klemme haben. Die Fig. 5 zeigt eine vollständige
Einrichtung dieser Art. Für die verschiedenen Elemente werden dieselben Bezugszeichen
wie in den Fig. 1 und 2 verwendet. Die Arbeitsweise der Einrichtung erscheint im
Hinblick auf die vorhergehende Beschreibung selbstverständlich. Bei dieser Ausführung
ist jedoch zwischen dem Anodenleiter 18 und der Steuerelektrode der Röhre 4 ein
Kondensator 26 für die Sperrung von Gleichstrom angeordnet. Dieser ist mit einem
Gitterableitwiderstand 27 verbunden.
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Anordnungen, die gemäß der Erfindung ausgeführt sind, können für die
Umwandlung der von einer Spannungsquelle zu einem Belastungswiderstand übertragenen
Spannung verwendet werden.
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Eine derartige Einrichtung ist in Fig. 6 dargestellt. Mit dieser Anordnung
wird eine Ausgangsspannung erhalten, welche größer ist als die Eingangsspannung.
Die positive Ausgangsklemme der Spannungsquelle 1 ist über die Drossel 5 mit den
Anoden der Röhren 4 und 6 und die Kathode der Röhre 4 mit der negativen Klemme der
Spannungsquelle 1 verbunden. Die Kathode der Röhre 6 liegt an der positiven Ausgangsklemme,
wobei der Spannungsteiler 9 und der Kondensator 10 sowie die Einrichtungen 7 und
8 in der bisher beschriebenen Weise angeordnet sind. Aus der Fig. 6 geht hervor,
daß der Strom in der Drossel 5 exponentiell ansteigt, wenn das Steuergitter der
Röhre 4 ein Signal erhält, um diese einzuschalten. Wenn die Röhre 4 wieder abgeschaltet
wird, entsteht an den Anoden 4 und 6 durch die Drosselspule 5 ein großer Potentialanstieg,
wodurch die Diode 6 leitend wird. Wenn das Potential am Spannungsteiler 9 unter
das Bezugspotential E abfällt, werden die Einschaltperioden der Röhre 4 durch die
Einrichtung 7 zunehmen. In jeder Periode wird dadurch eine größere Spannungszunahme
erzeugt. Die Röhre 4 wird daher abgeschaltet, weil die Stromänderung in der Drossel
5 bei dem Auftreten von Abschaltungen größer ist. Bei dieser Einrichtung ist der
mittlere Strom von der Stromquelle naturgemäß größer als der mittlere Strom im Belastungswiderstand.
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In der beschriebenen Einrichtung wird der elektronische Schalter als
eine Einrichtung betrachtet, welche im leitenden Zustand einen verhältnismäßig kleinen
Widerstand hat. Während diese Bedingung durch den positiven Anstieg der Gitterspannung
von Elektronenröhren erreicht wird, ist es noch naheliegender, für diesen Zweck
Transistoren zu verwenden. Für Transistoren ist die Erfindung besonders geeignet,
weil bei diesen sehr geringe Verluste auftreten. Alle obengenannten Ausführungsarten
können mit Hilfe von Transistoren verwirklicht werden.
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Eine in dieser Weise ausgeführte Einrichtung nach Fig. 5 ist durch
die Fig. 7 dargestellt. In der Fig. 7 haben die der Fig.5 entsprechenden Elemente
die gleichen Bezugszeichen. Die Stabilisatorröhre 13 wird in der Ausführung nach
Fig. 7 durch die Diode des Zenertyps ersetzt, um an der Basiselektrode des Transistors
11 eine stabilisierte Spannung zu erhalten. Die Emitterelektrode des Transistors
liegt an der positiven Ausgangsklemme der Anordnung, und ein Potentiometer, welches
die Widerstände 9 a und 9 b enthält, ist mit den beiden Ausgangsklemmen verbunden.
Die beiden Transistoren 12a und 12b sind in Multivibratorschaltung angeordnet, wobei
die Basiselektrode des Transistors 12 b zwischen den Widerständen 9 a und 9 b mit
einem der Ausgangsspannung verhältnisgleichen Potential verbunden ist. Die Schwankungen
der Ausgangsspannung beeinflussen den Kollektorstrom des Transistors 11. Dadurch
werden die Leitperioden der Transistoren 12 a und 12 b verändert. Wenn daher die
Ausgangsspannung ansteigt, wird die Schaltdauer des Multivibrators für 12 b im Verhältnis
zu derjenigen von 12a ansteigen. Die Zeitperioden, während denen die Basiselektrode
des Transistors 4 positiv ist, werden dadurch vergrößert, und die Ausgangsspannung
wird damit auf ihren vorherbestimmten Wert herabgesetzt.
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Die Anwendung der Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen
Ausführungsbeispiele. Wenn z. B. die Einrichtung 1 eine im wesentlichen konstante
Stromquelle darstellt, ist die Drosselspule 5 nicht erforderlich. Diese Möglichkeit
besteht beispielsweise bei Einrichtungen nach Fig. 6, obwohl sich in diesem Fall
keine Spannungsumsetzung ergäbe.