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Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung einer Gleichspannung oder
eines Gleichstroms Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung
einer Gleichspannung oder eines Gleichstroms mit großer Genauigkeit unter Verwendung
einer Brückenschaltung mit einem veränderbaren Widerstand in einem Brückenzweig,
einer an eine Brückendiagonale angelegten Hilfswechselspannung sowie einem Stellglied,
welches mit Hilfe der aus der zweiten Brückendiagonale gewonnenen Regelspannung
in seinem auf die zu regelnde Spannung oder den zu regelnden Strom einwirkenden
Wert geändert wird.
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Hochkonstante Gleichspannungen bzw. Gleichströme werden bekanntlich
z. B. zur elektronischen Abstimmung in frequenzselektiven Gliedern unter Verwendung
entsprechender steuerbarer Elemente (Kapazitätsdioden) benötigt.
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Die allgemein üblichen Schaltungsanordnungen zur Konstanthaltung von
Gleichspannungen bzw. Gleichströmen lassen sich fast alle auf das im folgenden geschilderte
Schaltschema zurückführen: In die Leitung, die die zu regelnde Spannung führt, ist
ein Stellglied eingeschaltet; ein Teil der Ausgangsleistung dieses Stellgliedes
wird einem Diskriminator zugeführt, dem zusätzlich noch eine Vergleichsgröße aufgegeben
wird. Aus dem Vergleich dieser beiden zugeführten Spannungen oder Ströme wird die
Regelgröße abgeleitet; mit dieser wird dann das Stellglied beaufschlagt. Bei den
bekannten Anordnungen wird die Vergleichsgröße z. B. einer Vergleichsbatterie entnommen.
Es können jedoch auch Glimmstabilisatoren benutzt werden. Der Diskriniinator kann
in den bekannten Schaltungen z. B. nur in einem Gegeneinanderschalten von zwei Spannungen
gesehen werden.
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Diese bekannten Anordnungen haben aber den wesentlichen Nachteil,
daß sie bestenfalls eine Regelung auf eine Genauigkeit von U=104 zulassen, wobei
(3-U das Verhältnis der Sollspannung U zur maximalen Abweichung d U darstellt.
Eine größere Genauigkeit läßt sich vor allem deshalb nicht erreichen, weil keine
genaueren Vergleichsgrößen (mit Langzeitkonstanz) erzeugt werden können. Die mit
diesen bekannten Anordnungen erhaltene Konstanz reicht aber für viele Zwecke, z.
B. für das oben geschilderte Problem der elektronischen Abstimmung, nicht aus.
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Es soll noch erwähnt werden, daß eine Spannungskonstanthalteanordnung
bekannt ist, bei der die geregelte Gleichspannung in eine Hilfswechselspannung umgesetzt
wird. Jedoch ist diese Hilfswechselspannung von konstanter Frequenz und ihre Amplitude
ist abhängig von der geregelten Gleichspannung. Diese Hilfswechselspannung wird
hierbei derart hochtransformiert, daß sie eine konstante Gleichspannung um einen
geringen Betrag übersteigt. Aus dem Vergleich (Differenzbildung) der Halbwellen
dieser Hilfswechselspannung und der konstanten Gleichspannung werden dann Stromimpulse
gewonnen, diese werden in eine Wechselspannung umgeformt und hieraus wird nach Gleichrichtung
die Regelspannung gewonnen. Auch hier wird trotz der Umwandlung der geregelten Gleichspannung
in eine Wechselspannung wiederum eine konstante Gleichspannung zum Vergleich herangezogen.
Damit treten auch hier die erwähnten Nachteile auf.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile ist eine weitere Schaltungsanordnung
zur Konstanthaltung einer Gleichspannung bekanntgeworden, bei der sich die gewünschte
Genauigkeit erreichen läßt. Bei dieser Schaltungsanordnung ist ebenfalls ein Stellglied
vorgesehen. Ein Teil seiner Ausgangsleistung wird zur Abstimmung eines Oszillators
benutzt. Außerdem ist noch ein weiterer hochkonstanter Oszillator (Quarzoszillator)
vorgesehen. Die Frequenzen dieser beiden Oszillatoren werden in einem Diskriminator
verglichen und die durch diesen Vergleich gewonnene Spannung wird zur Steuerung
des Stellgliedes herangezogen.
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Diese in elektrischer Hinsicht vorteilhafte Schaltungsanordnung hat
aber noch den Nachteil eines relativ großen Aufwandes.
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Es ist weiterhin ein Spannungs- oder Stromregler für Gleich- oder
Wechselspannung bekanntgeworden, bei dem eine Brückenschaltung verwendet wird, in
deren Zweigen ohmsche Widerstände liegen. Einer dieser Widerstände ist steuerbar
ausgebildet und wird durch die zu regelnde Spannung oder den zu
regelnden
Strom in seiner Größe verändert. In die eine Brückendiagonale wird eine Hilfswechselspannung
eingekoppelt. An der anderen Brückendiagonale wird die Regelspannung, deren Frequenz
gleich der Frequenz der Hilfswechselspannung ist, ausgekoppelt. Diese Spannung wird
zur Beeinflussung eines Stellgliedes, welches auf die zu regelnde Spannung einwirkt,
benutzt.
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Die Erfindung geht von dieser bekannten Regelschaltung aus. Gemäß
der Erfindung wird jedoch zur Verbesserung der Langzeitkonstanz der Schaltung, zur
Erhöhung der Genauigkeit der Regelung bzw. zur Erhöhung der Regelgeschwindigkeit
vorgeschlagen, die Brückenschaltung als Wechselstrombrücke auszubilden, in deren
einem Zweig ein durch die konstant zu haltende Gleichspannung -bzw. den konstant
zu haltenden Gleichstrom in seiner elektrischen Größe steuerbares Element eingeschaltet
ist. Zur Auskopplung der Regelspannung aus der zweiten Brückendiagonale ist ein
Auskoppelglied vorgesehen; dieses (gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines
Verstärkers) sowie die Anordnung zur Erzeugung der Hilfswechselspannung sind mit
einer Schaltungsanordnung zum Vergleich der Phasen der beiden anliegenden Wechselspannungen
verbunden. In der zuletzt genannten Schaltungsanordnung wird eine Regelgleichspannung
erzeugt, deren Größe von der Amplitude und der Phase der Ausgangsspannung der Brücke
abhängig ist. Diese Spannung wird dem Stellglied zugeführt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung
ist -in der F i g. 1 der Zeichnung dargestellt. Die konstant zu haltende Gleichspannung
liegt zwischen den Eingangsklemmen 1a und 1 b, Die geregelte Gleichspannung wird
zwischen den Klemmen 2 a und 2 b abgenommen. Mit 3 ist das Stellglied
bezeichnet. Ein Teil der Ausgangsleistung des Stellgliedes 3 wird über das einstellbare
Potentiometer 4 ausgekoppelt und zur Steuerung einer Kapazitätsdiode 5 benutzt.
Diese Kapazitätsdiode bildet zusammen mit dem Kondensator 6 einen Zweig der Wechselstrombrücke
7. In dem angegebenen Ausführunb Beispiel werden auch die anderen Brückenzweige
durch Kondensatoren 6 a, 6 b und 6 c gebildet. An die Punkte 8 und 9, d. h. an die
eine Brückendiagonale ist auch die Hilfswechselspannung, die in dem Oszillator 7a
erzeugt wird, gelegt. Zwischen die Punkte 10 und 11, d. h. in die andere Brückendiagonale
ist die Primärseite eines übertragers 12 eingeschaltet, dessen Sekundärseite mit
einem Wechselstromverstärker 13 verbunden ist. In dem Glied 14 wird die Ausgangsspannung
des Verstärkers 13 mit der Ausgangsspannung des Oszillators 7a in der Phase verglichen.
Außerdem wird in diesem Glied 14 eine Gleichspannung erzeugt, deren Betrag von der
Amplitude der Ausgangsspannung des Verstärkers 13 abhängig ist. Die Polarität dieser
Gleichspannung wird durch den Phasenvergleich der beiden zugeführten gleichfrequenten
Wechselspannungen bestimmt. Die Spannung wird zur Einstellung des Stellgliedes 3
in bekannter Weise benutzt.
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Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist die folgende: Hat die
Eingangsspannung zwischen den Klemmen 1 a und 1 b und damit die Ausgangsspannung
zwischen den Klemmen 2 a und 2 b die gewünschte Größe, dann ist bei
entsprechender Bemessung der Brückenglieder und bei entsprechender Stellung des
Potentiometers 4 die Wechselstrombrücke 7 gerade abgeglichen. Am Ausgang des Verstärkers
13 tritt also keine Spannung auf; desgleichen erhält man am Ausgang des Glieds 14
keine Spannung und das Stellglied bleibt im. vorherigen Zustand. Weicht dagegen
die Eingangsspannung zwischen den Klemmen 1 a und 1 b vom Sollwert ab, so wird die
Wechselstrombrücke 7 verstimmt. Bei der Verstimmung hängt die Größe des Stroms zwischen
den Punkten 10 und 11, also in der Primärwicklung des Übertragers 12, von der Größe
der Abweichung der Istspannung von dem Sollwert ab. Die Richtung des' Stroms in
der Primärwicklung hängt davon ab, ob der Istwert den Sollwert übersteigt oder unterschreitet.
Bei dem Übersteigen der Istspannung erhält die Gleichspannung am Ausgang des Glieds
14, deren Betrag wie bereits ausgeführt, von der Amplitude der Ausgangsspannung
des Übertragers 12 abhängig ist, eine bestimmte Polarität. Ist dagegen die Eingangsspannung
zwischen den-Klemmen 1 a und 1 b kleiner als der Sollwert, dann ergibt
sich am Ausgang des Glieds 14 die umgekehrte Polarität. Das Stellglied wird somit
durch die Gleichspannung am Ausgang des- Glieds 14 um den für die Konstanthaltung
ermittelten. Betrag in der richtigen Stellrichtung geregelt.
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Das Glied 14 kann beispielsweise- in folgender Weise aufgebaut sein:
Es wird aus den beiden zugeführten Spannungen (aus dem Verstärker 13 und dem Oszillator
7a) sowohl die Summe als auch die Differenz gebildet. Die entstehenden Spannungen
werden gleichgerichtet und gegeneinandergeschaltet. Daß sich hierbei die gewünschte
Gleichspannung ergibt, ist an Hand des Vektordiagramms der F i g. 2 gezeigt. Es
sind in der F i g. 2 zwei Fälle dargestellt, die sich nur dadurch unterscheiden,
daß einmal die Eingangsspannung um einen bestimmten Betrag zu klein und zum andern
um den gleichen Betrag zu groß ist. In der F i g. 2 a stellt der Vektor 15 die Ausgangsspannung
des Verstärkers 13 dar, während der Vektor 16 die Ausgangsspannung des Hilfsoszillators
7 a (zum gleichen Zeitpunkt) versinnbildlicht. Es wird einmal die Summe der beiden
Spannungen gebildet, wodurch sich die durch den Vektor 17 dargestellte Spannung
ergibt. Außerdem wird, wie bereits ausgeführt, noch die Differenz der Vektoren 15
und 16 gebildet (Vektor 15 a und 16 a),
wobei man die Spannung mit
dem Vektor 17 a erhält. Nach der Gleichrichtung erhält man einmal eine Gleichspannung
mit dem Betrag 18 (aus der Summenspannung) und zum andern einen Betrag 18a (aus
der Differenzspannung). Durch Gegeneinanderschaltung dieser beiden Gleichspannungen
verbleibt eine Restspannung 19 mit einer bestimmten Polarität.
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Wird dagegen die Brücke in entgegengesetzter Richtung verstimmt, dann
erhält man die in F i g. 2 b mit 15 b (Ausgangsspannung des
Übertragers) und 16b (Oszillatorausgangsspannung) bezeichneten Spannungsvektoren.
Bei der Summenbildung verbleibt eine Spannung, die durch den Vektor 17 b symbolisiert
ist, während bei der Differenzbildung sich eine Spannung mit dem Vektor 17 c ergibt.
Nach Gleichrichtung (Beträge 18 b und 18 c) der beiden Spannungen 17 b und 17 c
und Gegeneinanderschaltung erhält man eine .Spannung 19a, die zwar den gleichen
Betrag wie die Spannung 19 aufweist, jedoch (bewirkt durch die Gegeneinanderschaltung)
nunmehr umgekehrte Polarität hat. Es sei noch erwähnt, daß man an Stelle der oben
geschilderten
Schaltungsanordnung für das Glied 14 auch einen sogenannten
Ringmodulator verwenden kann.
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Verwendet man als Stellglied z. B. einen Transistor, so kann man die
gleichgerichtete Hilfsoszillatorspannung auch zur Einstellung des Transistorarbeitspunktes
benutzen. Die verstärkte und gegenüber der Hilfsoszillatorspannung kleinere Brückenspannung
braucht hier nur noch zu der Hilfswechselspannung transformatorisch addiert und
die Summe gleichgerichtet zu werden; hierbei findet automatisch ein Phasenvergleich
statt. In Abhängigkeit von der gegenseitigen Phasenlage der beiden Wechselspannungen
wird die Transistorvorspannung größer oder kleiner. Bei dieser Ausführungsform vereinfacht
sich somit das Glied zur Erzeugung der Steilgleichspannung gegenüber den oben beschriebenen
Anordnungen.
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Man erkennt, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gegenüber
der vorn aufgeführten Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung einer Gleichspannung
unter Verwendung eines Quarzoszillators einen weit geringeren Aufwand benötigt.
Der Hilfsoszillator7a braucht keineswegs frequenzkonstant zu sein, da sich Frequenzabweichungen
nicht nachteilig auswirken können. Die Brücke selbst ist in ihrem Aufbau einfach.
Selbstverständlich kann sie auch aus Induktivitäten mit einer entsprechenden stromgesteuerten
Induktivität in einem Zweig gebildet werden. Auch können andere bekannte Brückenschaltungen
Verwendung finden. Auch das Glied 14 ist, wie oben ausgeführt, keineswegs eine komplizierte
Schaltungsanordnung. Trotzdem können Genauigkeiten von etwa (-gu = 105 (und noch
bessere Genauigkeiten) mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzielt werden.
In bezug auf Genauigkeit ist also die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung durchaus
vergleichbar mit der gerade erwähnten, bekannten Schaltungsanordnung mit einem Quarzoszillator.