-
Anordnung zur Regelung der Klemmenspannung an einem Stromverbraucher
Zum trägheitsfreien Konstantregeln von Gleichspannungen hat .man bisher vorwiegend
Glimmstrecken benutzt, denen der zu regelnde Gleichspannungsverbraucher parallel
geschaltet wird. Es .ist dann eine zweiseitige Regelwirkung vorhanden, die einerseits
Änderungen der Speisespannung ausgleicht und andererseits bei Änderungen der Stromaufnahme
des Verbrauchers dessen Klemmenspannung konstant hält. Für beide Eigenschaften ist
die Konstantregelung nicht vollkommen, sondern es bleibt ein gewisser Einfluß der
Speisespannung und des Verbraucherstroms .auf die Verbraucherspannung bestehen.
Es muß dabei stets durch die Glimmstrecken ein Strom fließen von etwa der Größe
des mittleren Verbraucherstroms, und die Klemmenspannung der Glimmstrecken muß mit
der Verbraucherspannung ii:bereinstirprnen. Da weiterhin in dem zu den Glimmstrecken
notwendigen Vorwiderstand ein nennenswerter Spannungsabfall mit der Stromstärke
der Glimmstrecken und der des Verbrauchers stattfindet; ist der Gesamtwirkungsgrad
nicht sehr ,groß, und besonders für höhere Spannungen ist derAufwand an Glimmstrecken
und an Verlustleistung unerwünscht groß.
-
NTit der Erfindung wird eine Anordnung beschrieben zur Regelung der
Klemmenspannung an einem Stromverbraucher, der von einer veränderlichen Gleichspannung
gespeist wird, auf einen annähernd konstanten Wert. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet,
daß gemäß Abb. i der Verbraucher f zwischen den negativen Pol der SpeisespannungE
und die Kathode d einer Verstärkerröhre l geschaltet wird, deren Anode
an den positiven Pol der Speisespannung und deren Gitter a an den positiven Pol
einer konstanten Gleichspannung Eg von etwa der Größe der Verbraucherspannung angeschlossen
wird, wobei der negative Pol -der konstanten Gleichspannung Eg mit dem negativen
Pol der Spannungsquelle und dem des Verbrauchs verbunden ist (Abb. i).
-
In dem Ausführungsbeispiel der Abb. i sind für die .auf das Gitter
der Verstärkerröhre einwirkende Gleichspannung E,eine oder mehrere hintereinandergeschaltete
Glimmstrecken h gewählt. Da -diese Spannung nur dem Gitter der Verstärkerröhre zugeführt
wird, womit also eine Stromentnahme ausgeschlossen ist (solange das Gitter a gegen
die Kathode d negativ ist), können diese Glimmstrecken für eine ganz kleine Stromstärke
(z. B. i:rnA) bemessen sein. Damit kann der Vorwiderstand c sehr groß sein, der
Leistungsverbrauch ist gering, und die Spannung wird infolge der geringen Erwärmung
und des hohen Vorwiderstandes sowie wegen des Fehlens eines parallel geschalteten
Verbrauchers sehr viel besser konstant gehalten als in der üblichen Art der Glimmstreckenglättung.
Der
Z-erbraucher f ist zwischen die Kathode d? der V erstärkerröhre und den negativen
Pol der Speisespannung geschaltet. Der Strom I in der Verstärkerröhre stellt sich
auf .einen solchen Wert ein, daß der Spannungsabfall im Verbraucher f, der den Widerstand
R hat, die Kathode etwas positiv macht gegen das Gitter a.. Die Spannung
Es, die zwischen dem Gitter a und dem negativen Pol der Speisespannung liegt,
steht im Gleichgewicht mit dem Spannungsabfall I - R und der Spannungsdifferenz.
Egk, die zwischen dem Gitter und der Kathode liegt.
-
E" - I - R -1- (- E,1,) _-- I - R - Egl@. (I) Der Wert
EIL. ist gegeben durch die Eigenschaften derVerstärkerröhre, durch die Stromstärke
I und durch die Spannung zwischen sder Kathode d und der Anode e. Hier interessieren
hauptsächlich die Änderungen, die der Wert E,,, erfährt bei Änderungen der Stromstärke
1 und der Speisespannung E, wodurch die Spannung zwischen Kathode und Anode verändert
wird. Die Änderungen des Wertes Elk sind ebenso groß, wie wenn die 1 öhre
in der üblichen Weise an der Anodenspannung E mit dem Anodenwiderstand R arbeitete.
Darin ist D der Durchgriff der Verstärkerröhre, I- der wirksame Spannungsverstärkungsfaktor,
R1 der innere Widerstand der Verstärkerröhre und Eu die Spannungsänderungen zwischen
Kathode und Anode der Verstärkerröhre, die ebenso groß sind wie die -lnderungen
der Speisespannung. Bei einer solchen Änderung würde sich dann Egk um
verändern. Für eine Verstärkerröhre mit V= io (bei R=Rt und D,=0,05) wäre der Einfluß
von A EQauf ER, also nur 1110 der Anoden- oder Speisespannungsänderung. Nach Gleichung
i ist I - R= E, -i- Eck und 1- R, nämlich die Spannung am Verbraucher wird
dann nur beeinflußt mit d Egk = 1/1o - J Eu, weil ja E; konstant ist.
Bei einer Änderung des 'v'erbraucherwiderstandes auf
(*verdoppelte Stromentnahme) würde sich nach Gleichung 2 eine Änderung des Verstärkungsfaktor
I" auf 6,67 errechnen. Damit würde sich Edk von
auf- - erhöhen,
un 1 auch diese Änderung ist mit Rücksicht darauf, daß E.,1. nur einen kleinen
Teil gegenüber I - R oder E; ausmacht, nur gering.
-
An Stelle der Glimmstrecken b kann das Gitter auch von einer Trockenbatterie,
aus der keine Stromentnahme stattfindet, versorgt werden. Wenn es auf die Aufrechterhaltung
eines Absolutwertes nicht so sehr ankommt als auf die Ausregelung von Schwankungen,
ist auch ein Kondensator, der über einen sehr `soßen Widerstand mit sehr großer
Zeitkonstante aufgeladen wird, zu benutzen. Die Kathode muß so beheizt werden (indirekt
oder durch Wechselstrom von einer besonderen Transformatorenwic'klung), daß sie
unabhängig von anderen Schaltelementen ist und die Änderungen, die sich nach obigen
Rechnungen ergeben können, frei mitmachen kann.
-
Die Schaltung kann durch verschiedene Maßnahmen, wie sie in Abb. ?
dargestellt sind, in ihrem Regeleffekt wesentlich wirksamer gemacht werden. Als
eine Möglichkeit zur Verbesserung der Regelwirkung gegen Änderungen der Speisespannung
E .ist eine Schiringitterröhre benutzt. Die Schirmgitterspannung E". darf aber nur
zwischen der Kathode und dem Schirmgitter wirksam sein und muß deswegen aus einer
besonderen Spannungsquelle entnommen werden, z. B. aus einem Trockengleichrichter,
der von einer besonderen `'Wicklung des Netzanschlußtransforinators gespeist wird.
Die Stromstärke in einer Schirmgitterröhre ist bekanntlich nur sehr wenig von der
Anodenspannung abhängig, so daß deren Änderung die am Verbraucher liegende Spannung
fast gar nicht mehr beeinflußt. Die Änderungen der Schirmgitterspannung können entweder
mit bekannten Glättungsmitteln ausgeglichen «-erden, oder, wenn dies nicht geschieht,
die Spannungsdifferenz Eck, wird zur Aufrechterhaltung derGleichgewichtsbedingungen
zwischen Gitterspannung und der an der Kathode liegenden Spannung einer Beeinflussung
unterworfen.
-
Alle restlichen Beeinflussungen, die von der Änderung der Anodenspannung,
der Schirmgitterspannung, der Heizspannung oder der aus Glimmstrecken (wie in Abb.
i ) von der Speisespannung entnommenen Gitterspannung hervorgerufen werden, können
ausgeglichen werden durch die Einführung einer Hilfsspannung EI, welche ohne
Regelung sich im gleichen Verhältnis ändert wie die Speisespannung E. Die Hilfsspannung
wirkt auf die am Widerstand lt liegende Spannung ein. Wenn sich die Speisespannung
E erhöht (z. B. um 2o"/,), wird infolge der Regelwirkung der Röhre 2 sich die Spannung
zwischen d und g nur zu einem kleinen Teil initverändern (z. B. z °/o). Die Spannung
an li hat sich ebenfalls erhöht (z. B. um 12 °/o, weil durch h auch der nahezu konstante
Strom des Verbrauchers fließt), und die Spannungen an Ir .und an f stehen
in einem solchen Verhältnis zueinander (z. B. i : 5), daß der absolute
Wert
der Erhöhung an h (r # 12 %) ebenso groß ist wie der absolute Wert der Erhöhung
zwischen d und g ([1 -f- 5j # 20;ö). Die für den Verbraucher f verbleibende Spannung
hat dann keine Beeinflussung erhalten, weil sich die Spannung am Punkte i ebensosehr
veränderte wie die an d. Die Hilfsspannung Ei, kann entweder einem an der
Speisespannung E liegenden Spannungsteiler entnommen werden oder einem besonderen
Gleichrichter, wenn der Wirkungsgrad der ganzen Anordnung hoch sein soll.
-
Es ist aber auch möglich, die Hilfsspannung zur Vermeidung eines .größeren
Leistungsaufwandes auf das Gitter einwirken -zu lassen. Sie muß dxnn als Spannung
Et, so mit der auf das Gitter einwirkenden Spannung E, in Reihe. liegen,
daß sie -dieser entgegen geschaltet ist. Bei einer Vergrößerung der Spannung E und
Ek vermindert sich: dann das am Gitter liegende Potential, und ,diese Verminderung
gleicht die gleichzeitig eintretende Erhöhung .des Wertes Ew so aus, daß das Potential
an d für denVerbraucher (jetzt f 1-g) unverändert bleibt. Dieser Ausgleich kann
nicht nur für länger dauernde Änderungen wirksam sein, sondern auch für die von
der Gleichrichtung herrührenden Pulsationen, indem man die Glättungsmittel an der
Speisespannung E zu den an Ek wirkenden in ein Verhältnis bringt, das der wirksamen
Verstärkung in der glättenden Verstärkerröhre 2 entspricht.
-
Wenn damit ein vollständiger Ausgleich für Änderungen der Speisespannung
erreicht ist, so bleibt in den beschriebenen Anordnungen doch noch die Möglichkeit
zu Änderungen der Verbraucherspannung, wenn sich die Stromstärke,des Verbrauchers
erhöht oder erniedrigt. Abb. 3 zeigt eineVerstärkerröhrenanordnung, mit .der auch
in dieser Hinsicht auf völlige Konstanz geregelt werden kann. Die Verstärkerröhre
2 bewirkt die Regelung hinsichtlich .der Änderungen der Speisespannung. Der Verbraucher
ist durch den Widerstand f dargestellt, und .in Reihe damit liegt der gegenüber
f kleineWiderstand 1. DieVerstärkerröhre 3 liegt mit ihrem Gitter
an einem Teil der konstanten Spannung für das Gitter der Röhre 2, und die Kathode
der Röhre 3 erhält vom Punkte o den an dem Widerstand l liegenden Spannungsabfall
als positive Vorspannung. Bei Erhöhung des Verbraucherstroms in f erhöht
sich die Spannung an 1
und damit die zwischen Gitter und Kathode der Röhre
3 liegende Spannungsdifferenz; so daß die Stromstärke in den im Anodenkreis liegenden
Widerständen in und n abnimmt. Der Widerstand n liegt zwischen der konstanten Vorspannung
(hier aus Glimmstrekk en b entnommen) und dem Gitter der Röhre 2, und er ist so
bemessen, .daß sich durch die genannte Stromänderung in .der Röhre 3 die Gitterspannung
der Röhre 2 um den Betrag erhöht, der als Spannungsminderung durch die erhöhte Verbraucherstromstärke
zwischen der Kathode d (Verkleinerung von Eak der Röhre 2) und dem Punkte
o (Erhöhung des Spannungsabfalls an L) eingetreten war. Die Spannung für
den Verbraucher f ist .dann konstant und unabhängig von Änderungen der Stromstärke,
soweit diese innerhalb des geradlinigen Teils der Charakteristik der Röhre :2 liegen.
Diese Anordnung kann vereinigt werden mit einer Schaltung, wie sie in Abb. 2 für
die völlige Ausregelung der Speisespannungsänderungen .dargestellt ist. Die Hilfsspannung
Er, wäre dann z. B. zuwischen den Punkt o und den Verbraucher f (Abb. 3) einzufügen
oder aber ohne besonderen Leistungsverbrauch als Spannungsabfall an dem Widerstand
q, und zwar jetzt (umgekehrt w.ie in Abb.2) gleichsinnig mit dem Spannungsabfall
in den Glimmstrecken b. Eine Spannungserhöhung an_ q, die eintritt bei Erhöhung
der Speisespannung durch die Erhöhung des durch die Glimmstrecken b fließenden Stromes,
macht. das Gitter der Röhre 3 positiver. Es wird dann durch die Stromerhöhung der
Röhre 3 ein größerer Spannungsabfall ,an n auftreten, der das Gitter der Röhre 2
um so viel negativer macht, wie die Kathode d ohne diese Regelung positiver geworden
wäre. Die Stromstärke der Röhre 3 in den Widerständen za und in kann sehr gering
sein, weil das Gitter der Röhre 2 keinen Strom aufnimmt. Diese kleine Stromstärke
kommt über den Widerstand p ebenfalls von der Speisespannung E. , Wenn es sich um
.die Regelung sehr hoher Spannungen handelt, und besonders dafür ist das Verfahren
vorteilhaft gegenüber den bekannten> kann man den Aufbau von Glimmstrecken oder
Trockenbatterien für die volle zu regelnde Spannung vermeiden durch Benutzung einer
Hilfsröhre .4 (gemäß Abb. q.). Diese regelt in der für Abb. i beschriebenen Weise
den Spannungsabfall für den Widerstant r konstant durch Vergleich mit der ". Die
konstante Stromstärke Spannung E" in r gibt auch an dem Widerstands einen konstanten
Spannungsabfall, und beide Spannungsabfälle (an Y und an s) werden dem Gitter der
Röhre 2 zugeführt, welche die Regelung der Spannung für den Verbraucher f übernimmt.
Mit dem Regler t kann das Verhältnis zwischen den Widerständen r und s verändert
werden, wodurch die Spannungen für das Gitter der Regelröhre 2 und die des Verbrauchers
stufenlos verändert werden können, ohne daß dadurch die Regelwirkung beeinträchtigt
wird.
Es sind andere Schaltungen zur Regelung von Spannungen vermittels
V erstärkerröhren bekanntgeworden; z. B. wird die Spannungsänderung einer Spannungsquelle
dem Gitter einer #'erstärkerröh-re zugeführt, in dereia Anodenkreis der Verbraucher
liegt. In dieser Anordnung findet eine Rückwirkung der Verbraucherspannung auf den
Regelvorgang nicht statt, und die Regelwirkung bleibt weitgehend von den Eigenschaften
der Verstärkerröhre, also von Steilheit und Gittervorspannung, abhängig, was in
der Schaltung der Erfindung nicht der Fall ist. Auch eine Fortbildung di°ser Regeleinrichtung
zeigt grundsätzliche Abweichungen von den Schaltungen dieser Erfindung. Der Verbraucher
ist hier in die Brückenmitte einer Brückenschaltung gelegt, und es ist bekannt,
daß der Leistungsverbrauch der Brückenmitte nur klein sein kann gegenüber dem Leistungsverbrauch
der vierBrückenzweige. DemgegeniiberhatdievorliegendeErfindung denVorteil des verschwindend
geringen Leistungsverbrauchs in den Schaltelementen, welche zum Hervorbringen des
Regelvorgangs auf die Verstärkerröhre einwirken. Außerdem kann an dem Verbraucher
der vorbekannten Schaltung nur eine Spannung auftreten, die kleiner ist als der
übliche Spannungswert zwischen Gitter und Kathode. Erst dadurch, daß in der vorliegenden
Erfindung ein positiver Spannungswert zwischen dem einen Anschlußpunkt (-) der Vergleichsspannung
und .dein Gitter eingefügt ist, kann die am Verbraucher vorhandene Spannung größere
Werte erreichen.
-
In einer anderen bekannten Anordnung sind Verstärker mit ein oder
drei Stufen angewendet worden, um eine Regelung zu bewirken. Es ist in dem Gitterkreis
eines ein-oder dreistufigen Verstärkers einer konstanten Gleichspannung die Spannung
eines Hilfsgenerators, dessen Spannung von seiner Antriebsdrehzahl abhängig ist,
entgegengeschaltet. Die Spannung dieses Hilfsgenerators ändert sich mit der Drehzahl
eines Elektromotors, auf dessen Felderregung die Ausgangsleistung des Verstärkers
einwirkt. Das Gitter steht damit unter dem Einfluß von zwei entgegengesetzt gerichteten
Spannungen, von denen eine konstant ist, so daß Änderungen der anderen auf den Verstärker
einwirken. Es ist damit das in der Meßtechnik allgemein bekannte Prinzip angewendet
«-orden, daß eine relativ kleine Änderung eines Meßwertes dadurch wirksamer zur
Anzeige gebracht wird. daß dein lleßwert ein größerer l:onstanter @!#'ert entgegenwirkt.
Relativ kleine Änderungen des gesamten Meßwertes bewirken in der Differenzbildung
gegen den konstanten entgegengeschalteten Wert sehr viel größere und daher wirksamere
:Änderungen. Eiale Rückwirkung des Anodenstrom: der r. oder 3. Verstärkerröhre,
wie dies in der vorliegenden Schaltung der Fall ist, findet nur auf dem Umwege über
die Drehzahl der zu regelnden -Maschine statt. Dabei ändert sich dann die Klemmenspannung
des Verbrauchers. also die an der Erregerwicklung des zu regeInden -Motors liegende
Spannung, ganz erheblich, während durch die vorliegende Schaltung erreicht werden
soll. daß die Klemmenspannung des Verbrauchers ntöglichst konstant bleibt.
-
Die Vorteile der beschriebenen Regelung gegenüber der bisher gebräuchlichen
reinen Gliininstreckenregelung liegen in verschiedenen Eigenschaften der Glimmstrecken
begründet. Es ist schwierig, die Höhe der Klemmenspannung von Glimmstrecken frei
von innerer Temperaturbeeinflussung zu machen. Die absolute Höhe der Spannung ändert
sich also zeitlich mit der Erwärmung. die nach Änderungen der Speisespannung oder
der Verbraucherstromstärke jedesmal andere Werte annimmt. Solche Erwärmungsänderungen
sind in Hochvakuumröhren nur sehr gering und kommen durch die besonderen Eigenschaften
der benutzten Schaltung auch nur sehr wenig zur Auswirkung. Die Stromstärke in den
in Abb. i und 3 gezeichneten Glimmstrecken ist von Änderungen der Verbraucherstromstärke
unabhängig und ist außerdem so gering, daß die Temperaturen selbst und die Einflüsse
ihrer Änderungen bei veränderterSpeisespannung sehr kleinbleiben.
-
Ein anderer Vorteil besteht darin, daß der Gesamtwirkungsgrad sehr
viel besser sein kann als bei Regelung finit Glimmstrecken. Die Leistung für die
Vergleichsspannung. auch die für die Hilfsröhren 3 in Abb. 3 oder Hilfsröhre 4 in
Ahb. 4, kann einschließlich des Verbrauchs für die Heizung -ler Kathwlen sehr klein
sein gegenüber der Leistung des Z-erbrauchers. Der Spannungsverlust in der Regelröhre
selbst entspricht dem Spannungsabfall. der bei Glimmstreckenregelung in dein notwendigen
Vorwiderstand auftritt. Die Stromstärke darin setzt sich aber zusammen aus der @'
erbraucherstromstärke und aus der durch die Glimmstrecke fließenden, die meistens
etwa die Größe der @'erliraucherstroinstärke hat. Der Gesamtwirkungsgrad liegt in
einem solchen Falle für die Glimmstreckenregelung bei etwa 33 °/o, wenn angenommen
wird, claß '/3 der Speisespannung im Vorwiderstand verbraucht wird (6; °'o für den
Verbraucher und die Glimmstrecke und die Hälfte davon für den Verbraucher i. In
der beschriebenen Schaltung würde der Wirkungsgrad, wenn die Regelröhre 1/3 der
Spei See, als Spannungsabfall hat, für den Verbraucher 67 °/o betragen, und
wenn weitere
1o °% für die Heizung der Regelröhrenkathode und für
die Vergleichsspannung nötig sind, bleiben immer noch 57 °/o für den Verbraucher.
-
Auch die in den Abb. z und 3 dargestellten Möglichkeiten zur absoluten
Konstantregelung unabhängig von den Änderungen der Speisespannung und des Verbraucherstroms
erfordern nur geringen Leistungsaufwand und bieten Vorteile, die mit reiner Glimmstrekkenregelung
gar nicht oder nur mit größerem Leistungsaufwand zu erzielen wären.
-
Die oben durchgeführte Wirkungsgradberechnung fällt zugunsten der
erfindungsgemäßen Schaltung noch sehr viel vorteilhafter aus, wenn verhältnismäßig
kleine Änderungen an sehr hohen Spannungen auszugleichen sind.
-
Die Genauigkeit der Regelung steht bei Benutzung geeigneter Verstärkerröhren
nicht hinter der von gebräuchlichen Glimmstrecken zurück. Außer durch die angegebenen
Kompensierungsmaßnahmen besteht aber auch die Möglichkeit, die Genauigkeit der Regelung
sehr groß zu machen, wenn man gemäß Abb. c einen mehrstufigen Gleichstromverstärker
anstatt einer Regelröhre benutzt. Wenn dieser in dreistufiger Ausführung einen wirksamen
Verstärkungsfaktor von 5ooo hat, werden die Beeinflussunen des Verbrauchers durch
die Änderungen' der Speisespannung und durch Stromänderungen bis auf %" der in der
Ausführung mit einer Regelröhre vorhandenen herabgesetzt. Die Vergleichsspannung
wirkt dabei auf das Gitter der Eingangsröhre, und der Verbraucher liegt nur im Anodenkreis
der Ausgangsröhre.
-
Mit Glimmstrecken können nur solche Spannungswerte der Verbraucherspannung
erhalten' werden, die als ganze Vielfache der Spannung einer Glimmstrecke entstehen.
Eine Regelung der Verbraucherspannung ist auch nur in solchen Stufen möglich. Mit
der erfindungsgemäßen Schaltung kann nicht nur jeder Spannungswert erhalten werden,
sondern es ist auch möglich, mit sehr hochohrigen Reglern, die als Spannungsteiler
für die am Gitter liegende Spannung. angeordnet sind, eine stufenlose Regelung der
Verbraucherspannung vorzunehmen. Die zum Ausgleich von Verbraucherstromänderungen
in Abb.3 beschriebene Hilfsröhre 3 kann sinngemäß auch Anwendung finden, wenn die
Verbraucherspannung irgendwelchen anderen Einwirkungen ausgesetzt werden soll. Auch
in der Stromstärke sind keinerlei Einschi-änkungen vorhanden. Die Parallelschaltung
von Glimmstrecken macht wegen der stets etwas verschiedenen Zündspannungen und Arbeitsspannungen
Schwierigkeiten, während beliebig viele Ve.rstärkerröhren in Parallelschaltung ohne
Nachteil angewendet werden können.