DE1961707A1 - Elektrischer Leistungsumformer - Google Patents
Elektrischer LeistungsumformerInfo
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Description
Airpax Electronics Incorporated 9.0EZ. 1969
Die Erfindung "betrifft einen leistungsumformer (power transducer)
zur Umwandlung eines Steuersignals in elektrische Ausgangsleistung
und insbesondere einen Wandler bzw. Umformer, dessen abgegebene Leistung eine lineare Punktion des Eingangs-Steuersignals
darstellt. Der erfindungsgemäße Leistungsumformer
beinhaltet eine Gegenkopplung, welche an den Eingang ein dem Quadrat des Augenblickswerts der Ausgangsspannung oder
des AusgangsStroms unmittelbar proportionales Signal zurückführt.
Dabei wird der Mittelwert dieses G-egenkopplungssignals
gebildet und auf das Eingangs- bzw. Steuersignal abgestimmt, so daß die Ausgongsleistung in linearem Verhältnis zum Eingang
steht.
iQistungBumformer sind bekannt und werden häufig in Verbindung
mit Heglern abgewandt, welche die einer elektrischen Last
eingespeiste Leistung regeln. Bei Systemen dieser Art wird die, IJensc der an die Last abgegebene Energie durch' ein von
einem Fühler geliefertes Eingangssignal mit niedrigem Energieinhalt bestimmt und gesteuert. Beispielsweise können ein oder
mehrere Temperaturfühler, wie Thermoelemente, die Temperatur in einem Ofen mausen und ein der Temperatur proportionales
Steuersignal erzeugen, welches die von einer Stromquelle an ein odor mehrere Heizelemente des Ofens abgegebene Strommenge
regelt.
— 2 —
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Soweit bekannt, gewährleistet jedoch, keines der bisher vorgeschlagenen
Systeme eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Eingangssignal und der abgegebenen Leistung zur Last. Einige
Systeme gewährleisten ein lineares Verhältnis zwischen dem quadratischen Mittelwert des Ausgangs und dem Eingangssignal
oder zwischen dem Mittelwert dos Ausgangs und dem Eingangssignal. Keines dieser Systeme ist jedoch in der lage, ein
lineares Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsleistung zu gewährleisten. Infolgedessen sind die bekannten Systeme
dem llachteil unterworfen, daß sie einerseits einen konstanten
proportionalen Verstärkungsgrad nicht gewährleisten und daß sich andererseits die an die Last abgegebene Leistung bei
Schwankungen des Versorgungsstroms ändert.
Der erfindungsgemäße Leistungsumformer vermeidet die Nachteile und Schwierigkeiten des Bekannten in erster Linie durch
Verwendung einer elektrischen Schaltungsanordnung, die ein lineares Verhältnis zwischen der an die Last angelegten Ausgangsleistung
und dem Rückführsignal von einem Fühler, wie
z.B. einem !Thermoelement, bewirkt. Dies gewährleistet insbesondere einen konstanten, proportionalen Verstärkungsgrad,
wenn das System in Verbindung mit einem Temperaturregler angewandt wird, wobei außerdem der Strom- bzw. Leistungsausgang
unabhängig von der Spannung der Stromversorgung ist. Linearität wird beim erfindungsgemäßen Wandler bzw. Umformer
durch Verwendung einer nichtlinearen Dioden-Rückkopplungsschaltung erreicht, welche zur Gegenkopplung vom Ausgang zum
Eingang des Umformers vorgesehen ist. Diese nichtlineare Rück-, kopplungsschaltung liefert einen Rückkopplungsstrom an den
Eingang, dessen Augenblickswert dem Quadrat des Augenblickswerts des der Last eingespeisten Stroms unmittelbar proportional
ist. Vom Rückkopplungssignal wird der Mittelwert be-
- 3 -0 0 9 8 2 5 / 1 5 1 8 ; α η
stimmt, welcher dann den Eingangssignalstron abgleicht. Infolgedessen
steht dann der quadratische Mittelwert des Ausgangssignals in linearen Verhältnis zum Eingangssignal.
Genauer gesagt, bedeutet dies, daß das Quadra.t des Effektiv-Werts
dos Ausgangs bzw. der Leistung in linearem Verhältnis zum Eingangssignal steht und der Leistungsausgang unabhängig
von der Wechselstromversorgung bzw. der Spannung der Stromquelle für die Last ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Bekannten zn
vermeiden und mithin in erster Linie einen verbesserten Leistungaumfonner
zu schaffen, bei welchem insbesondere die Ausgangsleistung in linearem Verhältnis zun Eingangssignal
steht und die an die Last angelegte Leistung unabhängig von Schwankungen der Versorgungseinrichtung ist.
Dabei soll insbesondere auch ein linearer Leistungsumiormer
mit einer uichtlinearen Gegenkopplui.güschaltung geschaffen
werden, um im den Eingang eir. dom Quadrat des Lustötrorns
unmittelbar proportionales Signal anzulegen.
Darüber hinaus soll ein linearer Leistuncsurafcraej1 mit. ei.-.er
nicht line ar er. aegenkopplungssohaltuiiG ait eir.er A-'.::ar:l ve:.
Öleichrichteiviiodei: zur Erzeugung eines dei.: Quadrat des Laatstroms
urj^ittelbar proportionalen RücickoppliuigsoicUiils, doü-3cr.
Uittelv/ert ^r rildet und nit den: a:i dsn Ur.fon;:or ai;gc-lct:-ci
±i. Beziehung ^eci-achf wird, geschrc'ien werde:;.
In speridlcrer Ausführung seil durch die Erfindung ein neues
cjeloystea :r.it einen linearen leistungaunfoiciei·
n werden.
BAD 009825/1S18
Im folgenden iat die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel
anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Temperatur-Regelaystems
mit den Merkmalen der Erfindung,
Fig. 2 ein Diagramm des Spannungsverlaufs als Funktion der
Zeit zur Veranscha.ulichung der Wellenformen der unter Vollast- und Teillastbedingungen an die Last ange- .
^ legten Spannung,
Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen
linearen Leistungsumforners, der einen Teil des Temperatur-Regelsystems
gemäß Fig. 1 bildet, und
Fig. 4 ein Einzelheiten zeigendes Schaltbild des linearen Leistungsumformers gemäß Fig. 3.
In Fig. 1 ist das gesamte Temperatur-Regelsystem mit den Merkmalen
der Erfindung allgemein mit 10 bezeichnet. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das
j) System 10 als Temperatur-Regelsystem ausgebildet, das zum Regeln des einem Heizelement eines Ofens eingespeisten Stroms
dient. Dieses System eignet sich speziell für die Temperaturregelung von Diffusions-Grlüh- und Durchlaufofen mit elektrischen
Heizelementen.
Gemäß Fig.1 ist ein Temperatur-Fühler in Form eines elektrischen
Thermoelements 12 über Leitungen 14 und 16 an die Eingangski emmen 18 und 20 eines Reglers 22 angeschlossen. Der
Regler 22 ist in bekannter Weise aufgebaut und gibt an seinen Ausgangskiennen 24 und 26 ein Signal ab, welches in Beziehung
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zu der durch das Thermoelement 12 in einem Ofen gemessenen Temperatur steht, die in eine an den leitungen 14 und 16 liegende
Steuerspannung umgeformt wird. Beispielsweise vergleicht
der Kegler 22 das vom Thermoelement 12 gelieferte Signal im /UV-Bereich mit einer sehr stabilen Bezugsspannungsquelle.
Das Fehlersignal wird durch einen Gleichstrom-Magnetverstärker mit niedrigem Verstärkungsgrad verstärkt und als
Regelabweichung vom Bezugswert angezeigt. Das verstärkte Pehlersignal wird weiterhin im Regler 22 verstärkt und sur
Berücksichtigung der dynamischen Paktoren des Verfahrens entsprechend
aufbereitet, bevor es als Regler-Ausgangssignal
an die Ausgangsklemmen 24 und 26 abgegeben wird.
Das vom Regler 22 abgegebene Signal ist entweder ein Gleichstromsignal
geringer Amplitude oder ein Wechselstromsignal mit kleiner Jinderungsgeschwindigkeit, das über Leitungen 28
und 30 an die Eingangsklemmen 52 und 34 einer Leistungs-Stufe 36 angelegt wird, welche die von einer elektrischen
Stromquelle 38 über einen Transformator 40 an eine last 42
abgegebene Leistung regelt. Beim Ausführungsbeispiel liefert die Stromquelle 28 eine Spannung von 200 oder 225 V, 60 Hz,
mit sinusförmiger Wellenform und kann z.B. ein Abgriff von einer Hetzleitung sein. Die Last besitzt vorzugsweise die
Form eines Widerstands-Heizelements und heizt den Ofen in Abhängigkeit von der durch das Thermoelement 12 gemessenen Temperatur.
Die Stromquelle 38 ist über Leitungen 44 und 46 sowie Strom-Klemmen
48 und 50 an die Stufe 36 angeschlossen. Der Transformator 40 ist über Leitungen 52 und 54 an die Klemme 50 und
an eine Lastklemme 56 der Leistungs-Stufe 36 angeschlossen. Die Leistungsstufe 36 enthält zwei entgegengesetzt gepolte
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Yierschichttrioden 58 und 60, die über die «wtai-KLemmen 48
und 56 parallelgeschaltet sind. Die Gatter 62 und 64 der Vierschichttrioden (!Thyristoren) sind über andere im ieistungs-Modul
enthaltene, nachstehend noch näher erläuterte Schaltungen an die Signal-Eingangsklemmen 32 und 34 der
£eistungsstufe angeschlossen.
Die Aufgabe der leistungs-Stufe 36 besteht darin, die von der
Stromquelle 38 gelieferte Sinuswelle in Abhängigkeit von dem
an die Eingangskiemmen 32 und 34 angelegten Steuersignal zu
beschneiden, um dergestalt den von der Stromquelle 38 an die
Ia3t 42 angelegten Strom entsprechend der Größe des Steuersignals au variieren. Dabei wird der Zündpunkt der Vierschichttrioden
58 und 60 durch das Eingangssignal derart phasengesteuert, daß die Vierschichttrioden an verschiedenen
Punkten einer Periode der Sinuswelle der Stromquelle in Abhängigkeit von der Größe des Eingangs signals zünden. Die Wellenform
A gemäß fig. 2 zeigt die Form der an die last 42 angelegten gesteuerten Sinuswelle, wenn das Thermoelement 12
volle leistung verlangt. Während eines ersten Abschnitts der Sinuswellen-Periode sind beide Vierschichttrioden 58 und 60,
wie bei 66 in der Wellenform A angedeutet, abgeschaltet. Das Durchschalten einer der Vierschichttrioden, beispielsweise
der Triode 60, wird durch den steil ansteigenden Abschnitt der Wellenform bei 68 angezeigt, wobei diese Vierschichttriode
durchgeschaltet bleibt und die bei 70 angedeutete. Sinuskurve
der Stromquelle 38 leitet, bis diese Null durchläuft! zu diesem
Zeitpunkt sind beide Vierschichttrioden, wie bei 72 angedeutet,
wieder abgeschaltet. An einem wiederum durch das vom Thermoelement 12 abgegebene Signal bestimmten Punkt während
der negativen Halbperiode der Stromquelle schaltet die andere Vierschichttriode 58 durch, was durch den steil negativ an-
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steigenden. Abschnitt der Wellenform bei 74 angezeigt wird.
Infolge dee Durchschaltens der zweiten Vierschichttriode folgt
das Lastsignal, wie bei 76 angedeutet, dem negativen Abschnitt der Sinuswelle, bis letztere wieder Hull durchläuft
und beide Vierschichttrioden beispielsweise bei 73 sperren, worauf sich der Arbeitszyklus wiederholt.
Die Wellenform B gemäß Pig. 2 veranschaulicht die während der Phasen an die Last angelegte Spannung, während welcher
das Thermoelement nur einen Teiletrom für das Ofen-Heizelement
verlangt. Hierbei schalten die Vierschichttrioden an einem späteren Punkt der Stromquellen-Periode durch und erzeugen
die durch die Wellenform B dargestellte Signalform Bo
und 82. Die Wellenform A stellt die Vollast dar, woraus ersichtlich
ist, daß die volle Sinuswelle niemals an die Last angelegt wird. Als maximale Ausgangsleistung werden jedoch
95?6 der Nennleistung erreicht. Die Wellenform B stellt einen
Zwischenzustand dar, d.h. an die Last wird eine Teillast angelegt; dabei ist zu beachten, daß wenn das Thermoelement
keinen Strom bzw. keine Leistung anfordert, keine der Viereohichttrioden
an irgend einem Punkt in der Periode der Stromquelle durchschaltet und mithin kein Strom an das Heizelement
42 abgegeben wird.
Fig. 3 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild der linearen
Leistungs-Stufe 36 gemäß Fig. 1. Das Eingangssignal geringer
Amplitude auf der Leitung 28 von Temperaturregler 22 gemäß Fig. 1 wird an die Eingangskieiaae 32 der Stufe 36 angelegt.
An die Eingangsklemme ist ein Operationsverstärker 84 angeschlossen,
der gleichzeitig der Mittelwertbildung dient und welcher das Signal, das den Mittelwert des Eingangssignals
darstellt, an eine Zündschaltung 86 anlegt, die ihrerseits das
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BAD OBiGiNAL
Signal in variable Phasen-Zündimpulse für eine Thyristor-Leistungsschaltung
88 (Pig. 3) umwandelt. Eraichtlicherwsise enthält die Schaltung 88 gemäß Pig. 3 die Vierschichttrioden
58 und 60 gemäß Mg. 1, welche auf die in Mg. 1 gezeigte
Weise an die Stromquelle und an die Last angeschlossen sind. Die Schaltung 88 liefert dem Verbraucher 42 eine variable
Leistung, wie dies in Pig. 3 schematisch durch den Pfeil auf der Verbraucher-Leitung 90 angedeutet ist.
Eine dem zum Verbraucher 42 fließenden Strom proportionale Rückkopplungs spannung wird durch eine zu einer niehtlinearen
Gegenkopplungs schaltung 94 führende Rückkopplungsleitung 92 abgegriffen. Die nichtlineare Schaltung 94 enthält vorzugsweise eine Anzahl von Gleichrichterdioden und Widerständen,
obgleich sie auch aus einem einzigen niehtlinearen Widerstandselement
bestehen kann, so daß sie an ihrer Ausgangsleitung 96 ein Signal erzeugt, das dem Quadrat des augenblicklich
an der Rückkopplungsleitung 92 liegenden SignaJß unmittelbar
proportional ist, d.h. das dem Quadrat des augenblicklich zum Verbraucher 42 fließenden Stroms unmittelbar proportional
ist. Das an der Leitung 96 liegende Spannungssignal wird algebraisch
mit dem auf der Signalleitung 28 an der Eingangsklemme 32 liegenden Eingangssignal vom Regler 22 gemäß Mg. 1
summiert. Dies bedeutet, daß das Rückkopplungssignal auf der
Ausgangsleitung 96 vom Eingangssignal auf der Leitung 28 abgezogen oder auf dieses abgestimmt und in der Schaltung 84
auf einen Mittelwert gebracht wird.
Die Heizwirkung von Wechselstrom ist bekanntlich unabhängig von der Stromflußrichtung. Diese Tatsache bildet die Grundlage
für einen Vergleich von Wechselstrom mit Gleichstrom auf der Basis seines quadratischen Mittelwerts bzw. seines Effektiv-
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werts. Der z.B. sinusförmige Wechselstrom soll "beispielsweise
einen Effektivwert von 1 A besitzen, wenn er in einem bestimmten Widerstand Wärme in der gleichen Größenordnung erzeugt,
wie sie im selben Widerstand durch einen Gleichstrom von 1 A erzeugt wird. Da die Heizwirkung eines Gleichstroms dem Quadrat
seines Werts, d.h. IH, proportional ist, ist die Heizwirkung eines Wechselstroms in jedem Augenblick dem Quadrat
seines Werts zur gleichen Zeit proportional. Indem in der nichtlinearen Rückkopplungsschaltung 94 ein auf der Ausgangsleitung
96 anliegendes Spannungssignal mit einem Augenblickswert erzeugt wird, welcher dem Quadrat des augenblicklichen
Spannungsabfalls am Verbraucher 42 und mithin dem Quadrat des augenblicklich über den Verbraucher fließenden Stroms proportional
ist, und dieses Signal in der Schaltung 84 auf einen
Mittelwert gebracht wird, erzeugt die Gegenkopplung eine Übertragungs-Charakteristik
der Leistungs-Stufe, bei welcher das Quadrat des Effektivwerts, welcher definitionsgemäß der Ausgangsleistung
proportional ist, in linearer Beziehung zum Eingangssignal, d.h. zur Eingangsspannung auf der zur Summiervorrichtung
32 führenden Leitung 28 steht. Die Ausgangsleistung ist gleich K-i'Ieif, wobei K^ eine durch die Parameter
des Systems bestimmte Proportionalitäts-Konstante darstellt.
Pig. 4 ist eine Einzelheiten zeigende Schaltung der linearen Leistungs-Stufe 36 gemäß den Pig. 1 und 3, wobei den vorangehenden
Figuren entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind. Gemäß Fig. 4 wird das Gleichstrom-Steuersignal
vom Regler 22 gemäß Pig. 1 an die Umformer-Eingangsklemmen 32 und 34 angelegt. Das Signal gelangt über ein
Potentiometer 98 zur Einstellung des Verstärkungsgrads zu
der Transistoren Q- und Q2 aufweisenden Schaltung 84.. Das
Potentiometer 98 empfängt über eine Leitung 100 ein Vorspan-
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00982S/1518 o«G/NAL
nungs-Steuersignal von einer nicht dargestellten Signalquelle.
Das Steuersignal wird dann an die zwei Transistoren Q3 und Q^ sowie eine Doppelbasisdiode Q6 enthaltende Zündschaltung
86 angelegt, welche die Zündimpulse an einen Impulsformer 102 (T3) liefert. Die vom Umformer 102 abgegebenen Impulse
werden an die G-PoIe der Vierschichttrioden 58 und 60 angelegt,
um diese auf vorher beschriebene Weise durchzuschalten. Die Vierachichttrioden 58 und 60 sind mit Überlast-Schutzsicherungen
104 und 106 in Reihe geschaltet. SS1 ist ein
Selen-tranaient-protector, während ein Widerstand R15 und
ein Kondensator C8 dazu dienen, daß sich über den Vierschichttrioden
ein Haltestrom aufbauen kann, wenn sie mit nur schmalen Steuerimpulsen angesteuert werden.
An der leitung 92 (Pig. 4) liegt ein Rückkopplungssignal
in Form einer Spannung an, welche dem über die Klemmen 50 und 56 und den Verbraucher fließenden Strom unmittelbar proportional
ist. Das Rückkopplungssignal gelangt über einen Impulsformer
108 an einen Zweiweggleichrichter 110, der Gleichrichter-Dioden
CRC und CR,, aufweist. Dar Gleichrichter wandelt
die entsprechend ausgesteuerten Sinuswellenimpulse in Impulse gleicher Polarität um, ohne ihre Form zu verändern.
Wenn die an die last angelegten Impulse beispielsweise die Form der Impulse 80 und 82 gemäß Fig. 2 aufweisen, so besteht
die Wirkung des Umformers darin, den Impuls 82 so umzupolen, daß er wie der Impuls 80 gemäß Fig. 2 zu einem positiv ansteigenden
Impuls wird. Die gleichgepolten Impulse gelangen dann über die nichtlineare Rückkopplungs schaltung 94» die '
eine Reihe von Gleichrichterdioden CR8 bis CR15 sowie eine
Atizahl von in Fig. 4 mit R21 bis R31 bezeichneten Widerständen
aufweist. Die auf der Leitung 96 anliegende Spannung besteht aus einer Reihe von einpoligen Impulsen, die an jedem
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ORIGINAL INSPECTED
Punkt dem Quadrat dee Augenblickswerts der an die Rückkopplungeschaltung
94· angelegten Impulse unmittelbar proportional sind. Diese quadrierten Rückkopplungsimpulse werden
sodann durch Kondensatoren 112 und 114 auf einen Mittelwert
gebrachtι wobei der Mittelwert des Rückkopplungsstroms den
EingangsBignaletrom über die Widerstände R und R. (Pig. 4)
abgleicht.
Beim Aueführungsbeispiel schwankte dabei das vom Regler an die Klemmen 32 und 34 angelegte Eingangssignal zwischen Null
und <f1,8 γ Gleichstrom. Dieses Signal wird durch den durch die
Transistoren Q^ und Q2 gebildeten Differentialverstärker verstärkt. Das verstärkte Signal liegt am Widerstand R5 an und
wird durch den Transistor Q. und den Widerstand Rg zu einem
Signal mit eingeprägtem Strom umgewandelt. Dieser Strom lädt einen Kondensator C,- (Fig. 4) bis zum Erreichen der Schleusenspannung
der Doppelbasisdiode Qg von etwa 11 V auf. Der
Kondensator C5 entlädt sich plötzlich über den Impulsformer
T*1 wobei dieser Impuls die Vierschichttrioden 58 und 60
durchschalten. Der Augenblick, an welchem der Impuls in jeder Halbperiode der Stromquelle auftritt, wird durch die
Größe des an die Klemmen 32 und 34 angelegten Eingangssignals bestimmt. Je höher das Eingangssignal, desto größer ist der
dem Kondensator C,- eingespeiste Strom und desto eher wird die
Schwellwertspannung der Doppelbasisdiode Q6 erreicht. Infolgedessen
schalten die Yierachichttrioden früher in der Periode und wird eine höhere Auegangsleistung an das Heiselement des
Ofens abgegeben. Eine fiierdiode CR2 begrenzt den Höchstwert
dee Signals und mithin auch den maximalen Steuerwinkel. Der Transistor Q5 synchronisiert die Zündschaltung mit der Netzleitung.
Dies bedeutet, daß der Transistor Q5 am Ende jeder
Halbperlode den Kondensator C5 kurzschließt und entlädt. Dies
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wird dadurch, ermöglicht, daß der Transistor Qj- an. eine Spannungsquelle
angeschlossen ist, welche eine gleichgerichtete (Zweiweg-Gleichrichtung), ungefilterte Spannung von -40 V
abgibt, die am Ende jeder Halbperiode auf Null abfällt, während die geregelte +18 V-Spannungsquelle eine Durchschaltung
des Transistors Q,- bewirkt.
Der Transistor Q„ gewährleistet gedämpfte Einschaltbedingungen,
so daß sich der Wechselstrom-Ausgang von der Leistungs-Stufe beim Anlegen von Strom von der Versorgungsleitung langsam
aufbaut. Dieses Merkmal verhindert ein Durchbrennen der Sicherung infolge von Transformator-Belastungen, die während
der ersten Halbperiode hohe Einschaltstromspitzen hervorrufen können. Wenn erstmalig Strom angelegt wird, ist der Transistor
Q7 durchgeschaltet und bleibt durchgeschaltet. Der Transistor
Q, wird gesperrt, da über den Widerstand R-r ein entsprechender
Ba3isstrom fließt, bis sich der Kondensator C,
auflädt. Beim Absinken dieses Basisstroms schaltet der Transistor Q, langsam durch und läßt das Regler-Signal die Vierschichttrioden,
immer ausgehend von einem bestimmten NuIl-Anschnittwinkel,
in Phase durchschalten. Im Fall eines plötzlichen Stromausfalls bricht sofort die ungefilterte -40 V-Spannung
an der Basis des Transistors Q~ ab, so daß letzterer
durch die +18 V über den Widerstand R17 kurzgeschlossen wird
und sich der Kondensator C. innerhalb von Mikrosekunden auflädt.
Wenn die Netzspannung wieder anliegt, wird wiederum ein gedämpfter Einschaltvorgang gewährleistet. Der Transformator
T2 nimmt die Ausgangsspannung der Leistungs-Stufe ab und liefert
ein Rückkopplungssignal über die aus den Dioden CBg CR15
sowie den Widerständen Rp- - R^ bestehende nichtlineare
Gegenkopplungsschaltung 94· Infolgedessen ist die von der Iieistungs-Stufe
abgegebene Leistung eine lineare Funktion dee
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Eingangssignala, wobei die Gegenkopplungsschaltung auch den
Stromausgang unempfindlich gegenüber Netzapannunga-Schwankungen
macht.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung einen verbesserten linearen Leiatungsumformer und
ein verbessertes, den Leistungsumformer enthaltendes Temperatur-Regelsystem
schafft. Die linearität wird durch die Einführung einer Gegenkopplung und insbesondere durch. Anordnung
einer Gegenkopplungs-Schaltung ermöglicht, die ein dem Quadrat des Augenblickswerts des über die Heizelement-Last
fließenden Stroms unmittelbar proportionales Signal erzeugt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine
dem Spannungsabfall über das Widerstandselement der Heizvorrichtung proportionale Spannung in der Rückkopplungsschaltung
quadriert, dann der Mittelwert davon gebildet und gegen das Eingangsapannungasignal vom Regler abgeglichen. Als Ergebnis
steht der an das Widerstandselement der Heizvorrichtung angelegte Strom in linearer Beziehung zum Eingangsspannungssignal
des Leistungsumformers und ist außerdem die an das Heiz-Widerstandselement angelegte Leistung unabhängig von etwaigen
Schwankungen der Wechselstrom-Spannungsversorgung. Da gemäß Definition das Quadrat des Effektivwerts (RMS ) gleich dem
Durchschnitt des Augenblickwerts des Quadrats der Spannung ist, ist die an das Heiz-Widerstandselement angelegte Leistung
durch Rückkopplung linear auf das Eingangssignal zurückbezogen. Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit
einem dem Quadrat des Ausgangs proportionalen Rückkopplungssignal beschrieben ist, sind ersichtlicherweise gewisse Änderungen
möglich und kann die Gegenkopplungsschaltung ein Signal erzeugen, in welchem der Exponent zum Ausgleich für niedrige
Kreis-Verstärkung oder andere Fehler größer als 2 ist und beispielsweise 2,2 beträgt.
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Zusammenfassend schafft die Erfindung mithin einen elektrischen leistungsumformer zur Regelung von großen elektrischen
Leistungen durch eine Gleichstromquelle mit einem Ausgangssignal niedriger Amplitude sowie ein diesen Leistungsumformer
enthaltendes Temperatur-Regel syst em. Im Leistungsumformer ist
eine nichtlineare Gegenkopplungsschaltung vorgesehen, die an den Eingang ein Signal zurückführt» das unmittelbar dem Quadrat
des Augenblickswerts des durch die Last fließenden k Stroms proportional ist. Der Mittelwert des Rückkopplungssignals wird gebildet, so daß die Ausgangsleistung in linearer
Beziehung zum Schwachstromsignal am Steuereingang steht.
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Claims (1)
1361707
Patentansprüche
.J Elektrischer LeistttngBUmformer zur Umwandlung eines Eingangssignals
mit niedrigem Energieinhalt in einen elektrischen
Ausgang hoher Energie, gekennzeichnet durch einen elektrischen Eingang zur Aufnahme eines Eingangssignals
niedriger Energie, einen Ausgang zur Lieferung eines elektrischen Ausgangssignals hoher Energie an eine Last, einen
zwischen Eingang und Ausgang geschalteten Wandler zur Umwandlung der Eingangssignale in einen elektrischen.Ausgang
hoher Energie und eine zwischen den Eingang und den Ausgang des Wandlers eingeschaltete nichtlineare Gegenkopplungs-Schaltung
ι die an den Eingang ein Signal rückkoppelt, das praktisch dem Quadrat des Augenblickswerts des Ausgangssignals
direkt proportional ist.
2· Leistungsumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine an den Wandler und an die Gegenkopplungs-Schaltung
angeschlossene Schaltung zur Bildung des Mittelwerts des an den Eingang angelegten Rückkopplungssignals
vorgesehen ist.
3. Leistungsumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wandler eine Einrichtung zur Umwandlung eines Gleichstrom-Eingangs in einen Impulsausgang mit hohem
Energieinhalt aufweist·
4. Elektrischer Leistungsumformer, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, zur Regelung des Stromflusses
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zu einer laati gekennzeichnet durch eine variable Impedanz,
eine Einrichtung zur Einschaltung der Impedanz zwischen eine Stromquelle und eine Last, eine an die Impedanz
angeschlossene Steuereinrichtung zur Änderung des Werte der Impedanz in Abhängigkeit von einem von der
Steuereinrichtung gelieferten Steuersignal und eine die Impedanz mit der Steuereinrichtung verbindende nichtlineare
Gegenkopplungs-Schaltung, welche der Steuereinrichtung ein Signal einspeist, das praktisch dem Quadrat des Augenblicks-Wert
a des über die Impedanz fließenden Stroms unmittelbar proportional ist.
5. Leistungsumformer nach Anspruch 4-t dadurch gekennzeichnet,
daß die Impedanz ein Halbleiter ist.
6. Leistungsumformer nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet,
daß die Impedanz ein Halbleiter-Schalter ist und daß die Steuereinrichtung einen Wandler zur Umwandlung eines Eingangssignals
in eine Anzahl von Steuerimpulsen zur Be-.tätigung des Sehaltelements aufweist.
7. Leistungsumformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement eine Vierschichttriode ist.
8. Elektrischer Leistungsumformer, insbesondere nach, einem
der vorangehenden Ansprüche, zur Regelung des Flusses von elektrischer Leistung zu einer Last, gekennzeichnet, durch
eine variable Impedanz, eine Einrichtung zur Einschaltung der Impedanz zwischen eine Stromquelle und eine Last,
eine Steuereinrichtung mit einem an die Impedanz angekoppelten Wandler, der ein Eingangssignal in ein Steuersignal
zur Änderung der Impedanz in Abhängigkeit von einem der *
Steuereinrichtung eingespeisten Eingangssignal umwandelt, ·
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und eine zwischen die Impedanz und den Eingang der Steuereinrichtung
eingeschaltete nichtlineare Gegenkopplungs-Schaltung, welche der Steuereinrichtung ein dem Quadrat
des Augenblickswerts des über die Impedanz fließenden Stroms unmittelbar proportionales Signal einspeist, wobei
die Steuereinrichtung eine Einrichtung zur Bildung des Mittelwerts des von der Gegenkopplungs-Schaltung eingespeisten
Signals aufweist.
9. Leistungsumformer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gegenkopplungs-Schaltung eine Anzahl von parallelgeschalteten Gleichrichterdioden aufweist.
10. Leistungsumformer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungs-Schaltung ein Leitungsnetz (Kettenleiter)
aus Gleichrichterdioden und Widerständen aufweist.
11. Leistungsumformer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden jeweils gleich sind und die Widerstände
in jeder Stufe des Kettenleiters unterschiedliche Werte besitzen.
12. Elektrischer Leistungsumformer, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, zur Regelung des Flusses von
elektrischer Leistung zu einer Last, gekennzeichnet durch mindestens ein Halbleiter-Schaltelement, eine Einrichtung
zum Einschalten des Sehaltelements zwischen eine Stromquelle
und eine Last, eine an das Schaltelement angeschlossene, variable Steuerschaltung zur Speisung des
Schaltelements mit Betätigungsimpulsen, die sich zeitlich in Abhängigkeit von einem an diese Schaltung ange-
- 18 009826/1518
legten Steuersignal ändern, eine zwischen das Schaltelement und die Steuerschaltung eingeschaltete nichtlineare
Gegenkopplungs-Schaltung, die der Steuerschaltung ein dem Quadrat des Augenblickswerts des über das Schaltelement fließenden Stroms unmittelbar proportionales
Signal einspeist, und eine zwischen die Gegenkopplungs-Schaltung und die Steuerschaltung eingeschaltete Mittelwert-Schaltung
zur Bildung des Mittelwerts des durch die Gegenkopplungs-Schaltung an die Steuerschaltung angelegten
Signals·
13. Iieistungsumformer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß das Schaltelement zwei antiparallelgeschaltete Vierschichttrioden aufweist.
14· Leistungsumformer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Mittelwert-Schaltung und die Steuerschaltung
ein Verstärker eingefügt ist und daß die Steuerschaltung einen an den Emitter einer Doppelbasisdiode angeschlossenen
Kondensator aufweist.
15. Leistungsumformer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement zwei antiparallelgeschaltete
Vierschichttrioden aufweist, daß die Steuerschaltung einen an den Emitter einer Doppelbasisdiode angeschlossenen
Kondensator aufweist und daß ein Transformator mit getrenn ten Sekundärwicklungen vorgesehen ist, welche die Schaltung
aus erster und zweiter Basis der Doppelbasisdiode mit den Steuer-Elektroden der jeweiligen Vierschichttrioden
verbinden.
- 19 009825/1518
16* Temperatur-Regelvorrichtung, insbesondere nach einem der
vorangehenden Ansprücheι gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler,
eine den Ausgang des Fühlers mit einem Regler verbindende Einrichtung, eine Leistungs-Stufe, eine
den Auegang des Reglers an die Leistungs-Stufe ankoppelnde Einrichtung, eine Sinuswellen-Stromquelle mit sinusförmigem
Ausgang und eine mit der Leistungs-Stufe verbundene Heizelement-Last, eine in der Leistungs-Stufe vorgesehene
Einrichtung zum Beschneiden der von der Stromquelle an die Last angelegten Energie in einem dem vom Regler der Leistungs-Stufe
eingespeisten Signal proportionalen Ausmaß und eine zwischen die Last und den Ausgang des Reglers
eingeschaltete nichtlineare Gegenkopplungs-Schaltung, wobei der durch die Stromquelle der Last eingespeiste
Strom in linearer Beziehung zum Ausgang des Reglers steht.
17. Vorrichtujag nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gegenkopplunge-Bchaltung eine Einrichtung zur Erzeugung
eines Auegange aufweist, der dem Quadrat ihres Eingange proportional ist.
009825/1518
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US78224368A | 1968-12-09 | 1968-12-09 |
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FR2597656A1 (fr) * | 1984-03-19 | 1987-10-23 | Enertec | Electro-aimant a champ reglable et application aux filtres a resonance gyromagnetique |
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