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Stabilisiertes Stromversorgungsgerät mit einer Hilfswechselspannungsquelle
und einem Relais Die Erfindung betrifft den Betrieb elektrischer Geräte, insbesondere
Plattenspieler, in Orten, in denen die Spannung der elektrischen Netzleitung über
einen weiten Bereich hin schwankt, der den zulässigen Spannungsbereich für solche
elektrische Geräte, beispielsweise für Plattenspieler, überschreitet. In einigen
Ländern bzw. Orten sinkt die Netzspannung sogar von ihrem normalen Tageswert auf
etwa die Hälfte in der Nacht ab. Ein für die normale Netzbetriebsspannung ausgelegtes
Gerät, beispielsweise ein Plattenspieler, wird in solchen Orten dann bei der niedrigsten
Spannung nicht mehr zufriedenstellend arbeiten.
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Gegenstand der Erfindung ist also zunächst die Schaffung eines neuen
bzw. verbesserten elektrischen Stromversorgungsgerätes für Plattenspieler oder ähnliche
elektrische Geräte, das zwischen die Netzleitung und das elektrische Gerät geschaltet
wird und ständig dem Gerät die vorbestimmte elektrische Leistung zuführt, indem
es dieses mit konstanten Betriebsspannungen versorgt, selbst wenn die Netzspannung
unter den sonst für ein solches Gerät zulässigen Mindestwert absinkt.
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Es ist bereits bekannt, zum Zweck der Stromversorgung spannungsempfindlicher
elektrischer Verbraucher der Netzspannung beim Absinken eine Hilfsspannung additiv
zuzuschalten, beim wieder Ansteigen der Netzspannung jedoch die Hilfsspannung wieder
abzuschalten.
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Es ist auch bekannt, daß dieses Zu- bzw. Abschalten durch ein Relais
selbsttätig vorgenommen wird. Bei den bekannten Stromversorgungsgeräten dieser Art
wird jedoch die Relaiswicklung direkt von der schwankenden Netzspannung gesteuert,
was folgende Nachteile zur Folge hat: Jedes Relais besitzt zwangläufig im angezogenen
Zustand des Ankers eine andere Impedanz als im abgefallenen Zustand. Infolgedessen
benötigt ein Relais zum Ansprechen eine bestimmte Mindestspannung, während es erst
bei einer tieferliegenden Spannung wieder abfällt. Diese Differenz zwischen Anzugspannung
und Abfallspannung hat zur Folge, daß die dem einem solchen Stromversorgungsgerät
nachgeschalteten Verbraucher zugeführte Spannung beim Ansteigen der Netzspannung
eine andere Treppenkurve durchläuft, als beim Abfallen der Netzspannung. Durch dieses
ungleichmäßige Verhalten bei steigender und sinkender Netzspannung wird die Verbraucherspannung
nicht so gut stabilisiert, als wenn das Umschalten des Relais sowohl bei steigender
als auch bei fallender Netzspannung stets bei demselben Grenzwert erfolgen würde.
Die Erfindung bezieht sich nun auf ein solches Stromversorgungsgerät mit einer Hilfswechselspannungsquelle
und einem Relais, das beim Absenken der Netzspannung unter einen vorgegebenen Grenzwert
die Hilfsspannung in der richtigen Phasenlage zur Netzspannung hinzuschaltet und
damit dem Verbraucher die Summe dieser beiden Spannungen zuführt, während beim Anstieg
der Netzspannung über einen oberen Grenzwert das Relais die Hilfsspannung. abschaltet.
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Erfindungsgemäß ist jedoch vorgeschlagen, das Relais nicht, wie bei
den bekannten Stromversorgungsgeräten, mit seiner Relaiswicklung direkt an die Netzspannung
oder eine davon abgeleitete Spannung anzuschließen, sondern zur Steuerung des Relais
eine Schaltröhre, und zwar eine gittergesteuerte Gasentladungsröhre, zu verwenden.
Insbesondere ist dabei vorgesehen, die Relaiswicklung in die Anodenzuleitung
der
Schaltröhre einzufügen und damit, im gezündeten Zustand der Schaltröhre, von deren
Anodenstrom durchfließen zu lassen.
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Selbstverständlich läßt die Schaltröhre im gezündeten Zustand jeweils
nur die positive Halbwelle hindurch, so daß durch die Relaiswicklung ein pulsierender
Gleichstrom fließt. Diese an sich bekannte Schaltung hat den Vorteil, daß man die
Schaltröhre nicht nur jederzeit zünden, sondern auch jederzeit wieder, durch entsprechende
Änderung des Gitterpotentials, löschen kann, was bei Anschluß einer Gleichspannung
an die Kathoden-Anoden-Strecke nicht möglich wäre.
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Die Steuerung der Schaltröhre erfolgt in bekannter Weise über die
Gitter-Kathoden-Strecke, indem an diese eine Gleichspannung angelegt wird, die aus
der Netzwechselspannung in ebenfalls an sich bekannter Weise ausgebildet wird. Die
Gleichspannung wird mit dem positiven Pol an die Kathode und mit dem negativen Pol
an das Gitter gelegt und wirkt somit, sofern sie eine ausreichende Höhe besitzt,
als Sperrspannung. Die Zuordnung der Gleichspannung zur Netzwechselspannung ist,
unter Berücksichtigung des Zündpunktes oder verwendeten Röhre bei der gegebenen
Anodenwechselspannung, so getroffen, daß beim Absinken der Netzwechselspannung unter
einen vorgegebenen Grenzwert die Schaltröhre periodisch zündet und das Relais erregt.
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Umgekehrt wird - beim Wiederansteigen der Netzwechselspannung über
denselben vorgegebenen Grenzwert - das Gitter der Schaltröhre gesperrt und das Relais
wird entregt.
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Das Relais ist nun so geschaltet, daß es im erregten Zustand, also
bei gezündeter Schaltröhre, die einem Transformator -entnommene Hilfswechselspannung
der Netzwechselspannung zuschaltet, während bei entregtem Relais die Hilfswechselspannung
abgeschaltet wird und lediglich die Netzspannung selbst am Verbraucher liegt.
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Das erfindungsgemäße Stromversorgungsgerät ist auf Grund einer Schaltung
und seines Aufbaues völlig betriebssicher und erzeugt insbesondere eine Ausgangsspannung,
die auch bei Betriebsstörungen oder inneren Störungen im Stromversorgungsgerät eine
festgelegte obere Sicherheitsgrenze nicht überschreitet.
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Das erfindungsgemäße Stromversorgungsgerät besitzt ferner eine lange,
störungsfreie Lebensdauer, welche auch nicht davon abhängig ist, ab längere oder
kürzere Zeit normale oder unternormale Netzspannungen herrschen oder ob die Netzspannung
zwischen diesen Grenzwerten seltener oder häufiger schwankt.
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Das erfindungsgemäße Stromversorgungsgerät umfaßt an mechanisch bewegten
Teilen lediglich ein einziges Relais, das aber so geschaltet ist, daß es praktisch
nicht ausfallen kann. Sollte die Schaltröhre ausfallen, so erhält der Verbraucher,
auf Grund der vorgesehenen Zuordnung der Polaritäten, in jedem Fall die Netzwechselspannung.
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Schließlich besitzt das erfindungsgemäße Gerät einen hohen Wirkungsgrad
und eine hohe Zuverlässigkeit, während gleichzeitig seine Herstellungskosten außerordentlich
niedrig gehalten werden können.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, daß das Relais auf den Effektivwert des
durch die Schaltröhre fließenden Stromes anspricht.
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Erfindungsgemäß wird ferner die Gleichspannung zur Steuerung der Schaltröhre
durch eine Spannungskonstanthalteröhre und ein dazugehöriges, aus Widerständen und
Kondensatoren bestehendes Netzwerk erzeugt, wobei vorzugsweise Einstellmittel für
die aus der Eingangsspannung abgeleitete Steuergleichspannung vorgesehen sind, wodurch
eine Anpassung an die jeweiligen speziellen Verhältnisse ermöglicht ist.
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Die Erfindung nach nachstehend in einem Ausführungsbeispiel an Hand
der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt F i g. 1 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen
Stromversorgungsgerätes und F i g. 2 an einer graphischen Darstellung die Abhängigkeit
der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung.
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Gemäß F i g. 1 ist das Stromversorgungsgerät nach der strichpunktiert
eingerahmten Schaltung 10 zwischen eine Netzleitung 12,14 einerseits und ein elektrisches
Gerät 16, beispielsweise einen Plattenspieler, andererseits eingeschaltet.
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Die beiden Eingangsleitungen 18 und 20 des Stromversorgungsgerätes
sind durch einen Stecker 22 an die mit der Netzleitung 12,14 verbundene Steckdose
24 angeschlossen. Die Anschlußsteckdose 24
führt in üblicher Weise
eine Wechselspannung. Das Stromversorgungsgerät 10 wird besonders dort verwendet,
wo die Größe dieser Wechselspannung zeitweilig anomal niedrig liegt, insbesondere
während der Stunden, in denen das Netz bis zur Spitze belastet ist. In manchen Fällen
schwankt die an der Steckdose 24 abgenommene Spannung von ihrem Spitzenwert von
etwa 130 Volt bis herunter zu einem Minimum von 60 bis 65 Volt. Während das Gerät
16 bei der genannten Spitzenspannung von 130 Volt noch gut arbeitet, wird es andererseits
bei der Minimalspannung von 65 Volt nicht mehr zufriedenstellend arbeiten können.
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Sobald jedoch, wie nachstehend beschrieben werden soll, das Stromversorgungsgerät
10 an die Steckdose 24 angeschlossen wird und an dieses wiederum das Gerät 16, wird
die dem letzteren Gerät zugeführte Ausgangsspannung ständig automatisch auf einem
Wert gehalten, der zum Betrieb des Gerätes noch ausreicht, selbst wenn die von der
Steckdose 24 abgenommene Eingangsspannung unter einen für den Betrieb des Plattenspielers
ausreichenden Mindestwert absinkt.
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Wie man sieht, ist das Gerät 16 durch eine Leitung 26 und einen Stecker
über die Steckdose 28 mit den beiden Ausgangsleitungen 30 und 32 des
Stromversorgungsgerätes verbunden.
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Der eine Leiter 18 des Stromversorgungsgerätes führt über eine Sicherung
34 und einen Schalter 36 zu der einen Ausgangsleitung 30. Außerdem ist hinter dem
genannten Schalter 36 auch noch die Primärwicklung 38 eines Transformators 40 zwischen
die eine Eingangsleitung 18 und die andere Ausgangsleitung 32 geschaltet. Die andere
Eingangsleitung ist über den Ruhekontakt 42 eines Relais mit der genannten Ausgangsleitung
32 verbunden.
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Sobald der genannte Ruhekontakt 42 geschlossen ist, sind also die
beiden Eingangsleitungen 18 und 20 des Stromversorgungsgerätes direkt mit den Ausgangsleitungen
30 und 32 verbunden. Dann erhält das angeschlossene Gerät 16 die der Steckdose 24
entnommene Spannung.
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Außerdem wird bei geschlossenem Ruhekontakt 42 die Spannung der Steckdose
24 direkt der Primärwicklung 38 des Transformators 40 zugeführt. Durch
die
Erregung der Eingangswicklung 38 wird in der einen Sekundärwicklung 44 des
Transformators 40
eine Spannung induziert. Dabei ist die Übersetzung so gewählt,
daß bei einer Eingangsspannung von 117 Volt an der Primärwicklung 38 eine Sekundärspannung
von 30 Volt in der Sekundärwicklung 44
induziert wird.
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Diese Sekundärwicklung 44 ist mit der zweiten Ausgangsleitung
32 direkt, mit der zweiten Eingangsleitung 20 dagegen über einen Arbeitskontakt
46 des bereits genannten Relais verbunden.
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Die beiden Kontakte 42 und 46 werden gemeinsam durch
die Wicklung 48 des Relais betätigt, wobei der Ruhekontakt 42 bei
Erregung des Relais geöffnet, der Arbeitskontakt 46 dagegen geschlossen wird. Sobald
die Wicklung 48 des Relais stromlos ist, kehrt der Kontakt 42 wieder
in seine geschlossene Ausgangslage und der Kontakt 46 in seine geöffnete
Ausgangslage zurück.
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Durch das öffnen des Kontaktes 42 und das Schließen des Kontaktes
46 wird die Sekundärwicklung 44 des Transformators 40 zwischen die
zweite Eingangsleitung 20 und die zweite Ausgangsleitung 32 geschaltet. Dabei
sind die Anschlüsse der Sekundärwicklung 44 an die genannten Leitungen unter Berücksichtigung
des Wicklungssinnes der Sekundärwicklung 44 so vorgenommen, daß die in dieser
Wicklung induzierte Spannung sich zu der Eingangsspannung an den Leitungen
18 und 20 addiert.
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Sobald also der Kontakt 42 geöffnet und der Kontakt 46 geschlossen
wird, ist die am Ausgang 30, 32 abgenommene Spannung gleich der Summe der Sekundärspannung
an der Sekundärwicklung 44 und der Eingangsspannung an der Steckdose 24. Diese erhöhte
Ausgangsspannung liegt nicht nur an der Ausgangssteckdose 28, sondern auch
an der Primärwicklung 38 des Transformators 40 an. Dadurch wird der
Stromfluß in der Primärwicklung 38 und infolgedessen auch die Spannung an
der Sekundärwicklung 44 abermals erhöht, und die an der Steckdose
28 abgenommene Ausgangsspannung erhöht sich dadurch abermals.
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Die Erregung der Relaiswicklung 48 erfolgt selbsttätig, entsprechend
der an der Steckdose 24 abgenommenen Eingangsspannung, und zwar derart, daß
bei einem entsprechenden Absinken der Eingangsspannung zu dieser die genannte Hilfsspannung
zugeschaltet und damit die Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes für das
angeschlossene Gerät erhöht wird. Wie noch nachstehend beschrieben werden wird,
kann der Grenzwert, bei dem die selbsttätige Zuschaltung der Hilfsspannung erfolgt,
je nach Wunsch eingestellt werden.
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Die Leistung zur Steuerung des genannten Relais wird der Sekundärwicklung
50 eines Hilfstransformators 52 entnommen, dessen Primärwicklung 54 an die
Eingangsleitungen 18 und 20 angeschlossen ist. Als Transformator 52
wird in diesem Fall ein normaler Trenntransformator mit einem übersetzungsverhältnis
1 : 1 verwendet.
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Die Erregung der Relaiswicklung 48 wird durch ein Thyratron 56 gesteuert,
welches in Serie mit der Relaiswicklung an die Sekundärwicklung 50 des Trenntransformators
52 angeschlossen ist. Durch die von der Sekundärwicklung 50 dieses Transformators
erzeugte Wechselspannung wird das Thyratron 56 jeweils für eine halbe Periode so
vorgespannt, daß es leitend werden kann. Um die Relaiswicklung 48 auch während der
anderen Halbwellen erregt zu halten, ist parallel zu dieser Wicklung noch ein Kondensator
58
und ein damit in Reihe geschalteter Widerstand 60
geschaltet.
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Der Heizfaden 62 des Thyratrons 56 wird über einen Heißleiter
64 oder sonstigen Widerstand mit negativer Charakteristik von der zweiten
Sekundärwicklung 66 des Transformators 40 gespeist.
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Die Arbeitsweise des Thyratrons und damit die Erregung der Relaiswicklung
48 werden selbsttätig, entsprechend der Spannung der Steckdose
24, gesteuert, und zwar durch eine Steuerschaltung 68, die ebenfalls
an die Sekundärwicklung 50 des Trenntransformators 52 angeschlossen
ist. Wie man sieht, ist die eine Seite der genannten Sekundärwicklung
50 mit Masse verbunden. Die andere Seite dieser Sekundärwicklung führt an
ein Potentiometer 70;
dessen anderes Ende ebenfalls mit Masse verbunden ist
und von dem durch einen Schleifer 72 od. dgl. die jeweils auf den gewünschten Wert
eingestellte Teilspannung abgenommen wird.
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Der Abgriff 72 des Potentiometers 70 ist über einen
Gleichrichter 74 und einen Serienwiderstand 76 an den einen Pol einer Spannungskonstanthalterröhre
78 angeschlossen. Die Verbindung zwischen dem Gleichrichter 74 und dem Widerstand
76 ist noch über einen Ableitwiderstand 80 mit einem verhältnismäßig hohen
Widerstandswert mit Masse verbunden.
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Der andere Pol der Röhre 78 ist über die beiden in Serie geschalteten
Widerstände 82 und 84 ebenfalls an Masse geführt. Dabei sind die beiden Widerstände
durch Kondensatoren 86 und 88 in der dargestellten Weise überbrückt. Durch diese
besondere Art der Verbindung, bei der einerseits die Widerstände, andererseits die
Kondensatoren in Reihe geschaltet und außerdem durch eine Querverbindung jeder Widerstand
durch einen der beiden Kondensatoren überbrückt ist, wird eine besonders sichere
Arbeitsweise der Schaltung erzielt, selbst für den Fall, daß einer der beiden Kondensatoren
durchschlagen sollte.
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Die mit der vorgenannten Widerstandskondensatorkette verbundene Seite
der Röhre 78 ist außerdem über einen hohen Vorwiderstand 92 mit dem Steuergitter
90 des Thyratrons 56 verbunden.
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Außerdem ist das Steuergitter in der in F i g. 1 ersichtlichen Weise
durch eine ähnliche Widerstandskondensatorkette, wie sie vorstehend beschrieben
wurde, nämlich durch die Widerstände 96 und 98
und die Kondensatoren
100 und 102 gegen Masse abgeblockt und abgeleitet.
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Durch diese besondere Schaltung wird ebenfalls sichergestellt, daß
für den Fall des Kurzschlusses eines der Kondensatoren 100,102 die Steuerspannung
am Gitter 90 vollständig zusammenbricht.
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Der Aufbau und die Bemessung der vorstehend erläuterten Steuerschaltung
68 sind so getroffen, daß bei normaler Eingangsspannung an der Steckdose 24 die
Röhre 78 leitend ist, wodurch an den Widerständen 82 und
84 einerseits sowie an den Widerständen 92, 96 und 98 andererseits ein bestimmter
Spannungsabfall auftritt. Der an den beiden Widerständen 96 und 98 zusammen auftretende
Spannungsabfall liegt dann am Gitter 90 des Thyratrons und spannt dieses
so vor, daß das Thyratron sperrt. Eine negative Vorspannung des Gitters 90 gegenüber
der an Masse liegenden Kathode sperrt bekanntlich das Thyratron,
welches
nur in den positiven Halbwellen der Anodenspannung zünden kann.
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Solange das Thyratron 56 gesperrt ist, ist die Relaiswicklung 48 stromlos,
und durch den Ruhekontakt 42 ist das an die Ausgangssteckdose 28 angeschlossene
Gerät direkt an den Eingang des Stromversorgungsgerätes angeschlossen.
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Sobald jedoch die Spannung der Steckdose 24 unter einen bestimmten
Wert, der sich durch das Potentiometer 70 genau einstellen läßt, absinkt, löscht
die Röhre 78 und erzeugt infolgedessen an den Widerständen 96 und 98 keine Spannung
mehr, die zum Löschen des Thyratrons 56 ausreicht, Im dargestellten Ausführungsbeispiel
wurde das Potentiometer 70 so eingestellt, daß das Thyratron 56 zündet, sobald die
Eingangsspannung an den Leitungen 18, 20 unter einen Wert von 93 Volt absinkt.
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Die Arbeitsweise bzw. Wirkung des Stromversorgungsgerätes 10 ersieht
man aus F i g. 2. Wie man sieht, ist die Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes,
die dem Verbrauchergerät 16 zugeführt wird, so lange gleich der Eingangsspannung,
als letztere oberhalb 93 Volt liegt. Das ergibt sich daraus, daß bei einer Eingangsspannung
oberhalb 93 Volt das Thyratron SG gesperrt ist und folglich die Relaiswicklung 48
abgeschaltet hat.
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Wenn die Eingangsspannung unter 93 Volt absinkt, zündet das Thyratron
56 und wird leitend, so daß die Relaiswicklung 48 erregt wird und die Hilfsspannung
der Sekundärwicklung 44 des Transformators 40 in Reihe mit der Eingangsspannung
an die Ausgangsklemmen gelegt wird. Dabei ist noch zu berücksichtigen, wie bereits
bemerkt wurde, daß der Primärwicklung 38 des Transformators 40 die den Ausgangsleitungen
30, 32 zugeführte Gesamtspannung zugeführt wird. Infolge dieser Umschaltung erhöht
sich die dem Verbrauchergerät 16 gelieferte Ausgangsspannung schlagartig auf 128
Volt, sowie die Eingangsspannung eben unter einen Wert von 93 Volt absinkt.
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Ein weiteres Absinken der Eingangsspannung des Stromversorgungsgerätes
10 unter den kritischen Umschaltwert von 93 Volt hat ein proportionales Absinken
der Ausgangsspannung, die dem Verbrauchergerät 16 zugeführt wird, zur Folge. Infolge
der Zuschaltung einer Hilfsspannung ist jedoch die Ausgangsspannung des Stromversorgungsgerätes
selbst dann noch für den Betrieb beispielsweise eines Plattenspielers ausreichend,
wenn die Eingangsspannung auf etwa 60 Volt absinkt. Wie man beispielsweise aus F
i g, 2 erkennt, liefert das Stromversorgungsgerät 10 noch eine Ausgangsspannung
von 90 Volt an den Verbraucher 16, wenn die Eingangsspannung 64 Volt beträgt, Wenn
dann die Eingangsspannung wieder steigt und den kritischen Umschaltwert, im vorliegenden
Beispiel 93 Volt, überschreitet, dann wird die Röhre 78 wieder leitend und erzeugt
eine Vorspannung für das Gitter 90 des Thyratrons 56, so daß dieses gesperrt wird
und die Relaiswicklung 48 abschaltet. Dadurch wird der Kontakt 46 geöffnet und der
Kontakt 42 geschlossen und die Eingangsspannung direkt auf den Ausgang geschaltet.
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Es sei bemerkt, daß die Zuschaltung der Hilfsspannung in dem Stromversorgungsgerät
10 nur dann erfolgt, wenn das Thyratron 56 leitend ist. Wenn nun das Thyratron ausfallen
sollte, beispielsweise infolge Durchbrennens des Heizfadens 62 oder aus anderen
Gründen, dann wird die Relaiswicklung 48 stromlos, und die Eingangsleitungen
30, 32 werden direkt mit den Ausgangsleitungen 18, 20 des Stromversorgungsgerätes
verbunden. Dadurch wird verhindert, daß die Ausgangsspannung durch Hinzuspannung
auch dann noch. erhöht wird, wenn die Eingangsspannung den kritischen Umschaltwert,
im vorliegenden Beispiel 93 Volt, überschritten hat.
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Wie bereits bemerkt wurde, kann der kritische Umschaltwert der Eingangsspannung,
bei dessen Unterschreiten selbsttätig die Hilfsspannung hinzugeschaltet wird, durch
Einstellen des Potentiometers 70 auf jeden gewünschten Wert innerhalb eines gewissen
Einstellbereiches eingestellt werden.