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Automatische Regelschaltung, insbesondere für
Impulsschweissmaschinen
Die Erfindung betrifft eine automatische Regelschaltung zum Aufladen eines Speicherkondensators mit hohen Ladespannungen oder Ladeströmen in Anwendung insbesonderebci Impulsschweissmaschinen,
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Zeit aufrechterhalten wird.
In vielen Fällen wird in der Technik eine Energiespeicherung in Form eines elektrisch aufgeladenen Kondensators durchgeführt, so auch bei Impulsschweissmaschinen, denn diese Energiequelle hat den Vorteil, die gespeicherte Energie zu einem beliebigen Zeitpunkt und in nur durch die technischen Möglichkeiten begrenzter, beliebig kurzer Zeit zu verbrauchen. Besonders in diesem speziellen Falle ist es wichtig, dass der Energiewert von einem bestimmten, meist einstellbarensollwert nur geringfügig abweicht.
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darstellt. Die gespeicherte Energie kann also einfach mit einem üblichen Spannungsmesser zur Anzeige gebracht werden. Da die Spannung mit ihrem Quadrat in die Energiegleichung eingeht, ist es für einen
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Diese Forderungen werden nach der Erfindung dadurch erfüllt, dass das Einschalten des Ladeschützes durch das Zünden eines Thyratrons erfolgt, dessen Gitter von einer Spannung gesteuert wird, die aus der Differenz der Absolutbeträge der momentan vorhandenen Kondensatorspannung oder eines Teiles derselben und einer Normalspannung besteht, und das Ausschalten des Ladeschützes durch das Löschen des Thyratrons erfolgt, wobei das Löschen des Thyratrons durch Zünden eines zweiten Thyratrons bewirkt wird, an dessen Gitter eine Spannung liegt, die sich in Abhängigkeit von der Kondensator-Ladespannung aber entgegengesetzt zur Steuerspannung am Gitter des ersten Thyratrons ändert.
Um ein schnelles Anziehen des Ladeschützes zu erreichen, ist der Feldspule des Ladeschützes und dem Steuerthyratron ein Hilfskondensator derart zugeordnet, dass sich dessen Energieinhalt beim Zünden des Thyratrons in die Feldspule entlädt, und das Ladeschütz nach Entladung dieses Hilfskondensators über einen Widerstand nur noch den notwendigenHaltestrom erhält. Hiebei kann über ein Potentiometer der Zündeinsatzpunkt des zweiten Thyratrons gegenüber dem des ersten verschoben werden, so dass dieSpannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausschalten des Ladeschützes veränderlich und vorwählbar ist. An Stelle der Thyratrons können auch andere aus der Elektronik bekannte Bauelemente, wie z. B. Shockley-Dioden, oder Schaltungen, z. B. SchmittTrigger, verwendet werden.
Bei Verwendung von Schmitt-Triggern wird nach der Erfindung beim Über- oder Unterschreiten einer Schwelle der Eingangsspannung mit dem am Ausgang entstehenden Spannungs- sprung das Gitter einer Leistungsröhre gesteuert, die mit ihrem Anodenstrom das Schütz hoher Leistung schaltet. In der Kathoden-Zuleitung der Leistungsröhre ist hiebei eine RC-Kombination angeordnet, die bewirkt, dass bei plötzlichem Übergang der Röhre vom gesperrten in den leitenden Zustand zunächst ein hoher Anodenstrom fliesst, der das als Anodenwiderstand geschaltete Schütz sehr schnell zum Anzug bringt, wonach sich dann an der RC-Kombination eine als Gittervorspannung wirkende Spannung aufbaut, die den
Anodenstrom automatisch auf den erforderlichen Haltestrom des Schützes herabsetzt.
Zur näherenErläuterung desErfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung zwei Schaltbilder wiedergegeben, wobei in der Fig. l der wesentliche Erfindungsgedanke zum Ausdruck kommt, und in Fig. 2 eine im Rahmen der Erfindung liegende Schaltungsvariante berücksichtigt ist.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung besteht aus einem üblichen Ladekreis und einem angekoppelten, entsprechend der Erfindung ausgelegten und in zwei Teilkreis aufteilbarenSteuerkreis. Im Ladekreis liegt derEnergie-Speicherkondensator 4 in Reihe mit dem Kontakt 3 des Ladeschützes 8 und dem Ladewiderstand 2 an einem Gleichspannungsgenerator l, dessen Pluspol, wie in der Hochspannungstechnik bei Verwendung hoher Gleichspannungen üblich, geerdet ist. Der Speicherkondensator 4 wird demnach mit einer gegen Erde negativen Spannung aufgeladen. Im ersten Teil des Steuerkreises sind an eine stabilisierte Gleichspannungsquelle von z. B. 400 V zwei Thyratrons 10 und 11 parallel angeschlossen, deren Anoden über einenHilfskondensator 9 miteinander verbunden sind.
In derAnodenleitung des ersten Thyratrons 10 liegen ferner nacheinander dieSchaltschütz-Spule 8 und derArbeitswiderstand 7, in derAnodenleitung des zweiten Thyratrons 11 lediglich der übliche, und deshalb nicht näher bezeichnete Anodenwiderstand. Die Schaltschütz-Spule 8 ist zusammen mit dem Thyratron 10 von einem weiteren Hilfskondensator 6 überbrückt, der auf hohe Spannung ausgelegt ist.
An der Kathode des Steuerthyratrons 10 liegt eine entsprechend gepolte Gleichspannung, die z. B. aus einem Glimmröhren-Stabilisator 15 von 200 V entnommen ist. Als Steuerspannung liegt am Gitter dieses Thyratrons 10 eine mit dem Schleifer des Potentiometers 5 abgegriffene Teilspannung der Ladespannung des Speicherkondensators 4. Das Gitter des zweiten Thyratrons 11 erhält seine Spannung aus dem zweiten Teil des Steuerkreises. Dieser besteht im wesentlichen aus zwei Elektronenröhren 13 und 14, an Stelle derer auch eine Verbundröhre mit getrennten Systemen verwendet werden kann, die mit ihren Kathodenwiderständen und einem Potentiometer 12 nebeneinander an einer stabilisierten Gleichspannungsquelle von zirka 150 V angeschlossen sind.
Das Gitterpotential der ersten Röhre 13 wird über das Potentiometer 12 der Gleichspannungsquelle selbst entnommen, das Gitter der Röhre 14 liegt hingegen über einem Gitterwiderstand am Abgriff des Potentiometers 5 und erhält so seine Spannung aus dem Speicherkondensator.
Ausserdem liegt ihre Kathode am negativen Pol der Vergleichsspannung.
Wie ersichtlich, ist die zwischen den Steuergittern des Steuerthyratrons 10 und der Röhre 14 und den zugehörigen Kathoden wirksame Steuerspannung gleich der Summe der am Potentiometer 5 abgegriffenen negativen Teilspannung des Speicherkondensators 4 und der am Glimmröhren-Stabilisator 15 abfallenden positiven Spannung. Ist nun der Speicherkondensator 4 nicht, der Hilfskondensator 6 jedoch auf eine hohe positive Spannung aufgeladen, so entlädt sich zunächst dieser Kondensator 6 über die Ladeschützspule 8 und das gezündete Thyratron 10. Das Schütz 8 zieht hiedurch an und der Spulenstrom geht mit der Entladung des Kondensators 6 auf einen Wert zurück, der vorwiegend durch den jetzt wirksamen Arbeitswiderstand 7 bestimmt wird, und der ausreicht, das Schütz 8 in angezogenem Zustand zu halten.
Bei angezo-
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genem Schütz 8 ist dessen Kontakt 3 geschlossen, und damit auch der Ladestromkreis für den Speicherkon- densator 4, d. h. dieser wird aufgeladen. Mit seiner steigenden negativen Spannung wird nun ebenfalls die
Steuerspannung an den Gittern des Thyratrons 10 und der Röhre 14 negativer. Da die Röhren 13 und 14 in
Anodenbasisschaltung betrieben werden, liegt das Kathodenpotential von Röhre 13 fest und wird durch die
Einstellung des Potentiometers 12 bestimmt, während das Kathodenpotential von Röhre 14 denÄnderungen derSteuergitterspannung gleichsinnig folgt.
Bei negativer werdender SteuergitterspannunganRöhre 14 wird damit auch deren Kathode gegenüber der Kathode von Röhre 13 negativer, oder umgekehrt ausgedrückt, die Kathode von Röhre 13 wird gegenüber der Kathode von Röhre 14 positiver. Da aber die Spannung zwi- schen den Kathoden der Röhre 12 und 14 als Steuerspannung für das Hilfsthyratron 11 wirksam ist, wird bei negativer werdender Spannung am Gitter von Röhre 14 die Steuerspannung am Gitter des Hilfsthyratrons 11 positiver. u. zw. so weit, bis die Steuerspannung erreicht ist, bei der das Hilfsthyratron 11 zündet.
Der beim Zünden dieses Thyratrons 11 an dessen Anode entstehende negative Spannungssprung wird über den
Anodenkondensator 9 der Anode desSteuerthyratrons 10 zugeführt, so dass dieses löscht, da ja auch dessen
Steuerspannung inzwischen stark negative Werte angenommen hat. Beim Löschen des Thyratrons 10 fällt dasSchütz 8 ab, derKontakt3 öffnetsichund dieAufladungdesSpeicherkondensators4 wird unterbrochen.
Die Ladung im Kondensator 4 kann natürlich nicht beliebig lang gespeichert bleiben. Durch innere
Verluste, über den Widerstand des Spannungsteilers 5 und ein eventuell parallelgeschaltetes Messinstrument zur Anzeige der Ladespannung wird der Speicherkondensator 4 immer etwas an Ladung verlieren. Damit wird aber auch die am Steuerthyratron 10 wirksame Steuerspannung positiver, u. zw. solange, bis das
Thyratron zündet. Dann setzt der bereits beschriebene Ladevorgang erneut ein. Die Ladung am Speicher- kondensator 4 pendelt also zwischen den beiden Werten, bei denen entweder das Thyratron 10 oder das
Thyratron 11 zündet.
Da die Steuerspannung des Thyratrons 11, d. h. die Spannung zwischen den Kathoden der Röhren 13 und 14 nicht nur von der Spannung am Gitter der Röhre 14, sondern auch von der am Gitter der Röhre 13 bestimmt wird, lässt sich der Zündeinsatzpunkt des Hilfsthyratrons 11 mit Hilfe des Potentiometers 12 ge- genüber dem Zündeinsatzpunkt des Steuerthyratrons 10 verschieben. Man erhält so einen Zweipunktregler, dessen untererschwellwert durch die Einstellung am Potentiometer 5 gegeben, und der Abstand des oberen Schwellwertes von diesem unteren durch die Einstellung am Potentiometer 12 bestimmt ist.
Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung hat den Vorteil, dass bei Verwendung eines leistungfähigen Steuerthyratrons 10 selbstleistungsstarkeLadeschütze 8 direkt gesteuertwerden können, die wegen ihrer Grösse eine erhebliche Steuerleistung benötigen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass sich eine alterungsbedingte Änderung des Zündeinsatzpunktes des Thyratrons 10 oder 11 nicht direkt auf die Genauigkeit der Anordnung auswirkt, sondern nur in ihrem Verhältnis zur gesamten am Potentiometer 5 gegen Erde abgegriffenen Spannung. Der Einfluss solcher alterungsbedingter Zündspannungsänderungen wird also umso geringer, je grösser die stabilisierte Spannung am Glimmröhren-Stabilisator 15 gewählt wird.
Wenn die Spannungsversorgung für die Elektronenröhren 13 und 14 zusätzlich stabilisiert ist, so lassen sich mit der Schaltung nach der Erfindung grosse Genauigkeiten erreichen. Die Abweichung der Schwellwerte des Zweipunktreglers betragen weniger als 10/0 vom Sollwert, und der obere und untere Schwellwert lassen sich auf weniger als 10/0 einander annähern.
AnStelle der als Spannungs-Diskriminatoren wirkenden Thyratrons 10 und 11 lassen sich auch andere, aus der Elektronik bekannte Bauelemente einsetzen. So haben z. B. die in der Halbleitertechnik bekannten Vierschichtdioden (Shockley-Dioden) Eigenschaften, die denen der Thyratrons sehr ähnlich sind. Ebenso ist es möglich, an Stelle eines Thyratrons eine Schaltungsanordnung zu benutzen, die in der Schaltungstechnik als Schmitt-Trigger bekannt geworden ist. Hiebei besteht wieder die Möglichkeit, die Feldspule des Ladeschützes entweder direkt als Anodenwiderstand einer der beiden Röhren eines Schmitt-Triggers zu schalten, oder aber, falls die Leistung der Röhren nicht ausreicht, mit dem am Ausgang eines SchmittTriggers entstehenden Spannungssprung eine Leistungsröhre anzusteuern.
In Fig. 2 ist die Schaltung eines entsprechenden Ausführungsbeispiels angegeben. Hiebei entspricht der Ladekreis des Speicherkondensators 4 dem der Fig. l. Die am Potentiometer 16 abgegriffene Messspannung wird ebenfalls mit einer am Glimm-Stabilisator 2t abfallenden Spannung verglichen und die hieraus resultierende Spannung steuert den aus den beiden Röhren 17 und 23 bestehenden Schmitt-Trigger. Mit dem an der Anode der Röhre 23 entstehendenSpannungssprung kann eine leistungsstarkeElektronenröhre 19 vom gesperrten Zustand in den leitenden Zustand gesteuert werden, wenn die Steuerspannung am Gitter der Schmitt-Trigger-Röhre 17 den Schwellwert über- oder unterschreitet.
Da es eine Eigenschaft des SchmittTriggers ist, dass für das Über-oder Unterschreiten des Schwellwertes dieser voneinander abweichende Werte annimmt (sogenannte Hysterese), ist es möglich, die Schaltung nach Fig. l, bei der zwei Span-
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nungsdiskriminatoren verwendet werden, dahingehend zu vereinfachen, dass nur noch einSchmitt-Trigger erforderlich ist. Der Abstand der beiden Schwellwerte voneinander, also der Wert der Hysterese, kann durch die Dimensionierung des Schmitt-Triggers beeinflusst werden. Allerdings ist dies dann nicht mehr ohne Einfluss auf die absolute Höhe des Schwellwertes, so dass eine voneinander unabhängige Regelung, wie bei der Schaltung nach Fig. l, nicht mehr möglich ist, und somit der einmaligen festen Einstellung der Hysterese der Vorzug gegeben werden sollte.
Eine Besonderheit der Schaltung nach Fig. 2 stellt der
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RöhreFunktion wie der Kondensator 6 nach Fig. l. Wird die Röhre 19 mit einem vom Schmitt-Trigger gelieferten Spannungssprung vom gesperrten in den leitenden Zustand gesteuert, so stellt der Kondensator 21 einen Kurzschluss für den Kathodenwiderstand 20 dar, so dass ein hoher Anodenstrom fliesst. Durch den am Kathodenwiderstand 20 entstehenden Spannungsabfall lädt sich der Kondensator 21 auf, so dass am Gitter der Röhre 19 automatisch eine negative Vorspannung wirksam wird, die den Anodenstrom auf den für das Schütz 18 erforderlichen Haltestrom herabsetzt.
Mit der Schaltung nach der Erfindung lassen sich mit relativ geringem Aufwand Ladeaggregate für Speicherkondensatoren aufbauen, die bei ausreichender Dimensionierung den Energiespeicher auch mit sehr hohen Ladespannungen und starken Ladeströmen aufladen, und die gespeicherte Energie mit Schwankungen von nur rund 10/0 für eine beliebig lange Zeit aufrechterhalten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Automatische Regelschaltung zum Aufladen eines Speicherkondensators mittels hoherLadespannun- gen und hoher Ladeströme, und zum selbsttätigen Aufrechterhalten der gespeicherten Ladung auf einen in geringen und einstellbaren Grenzen schwankenden Sollwert, insbesondere für Impulsschweissmaschinen,
Magnetisierungsgeräte und sonstige Hochspannungsgeräte, wobei das Laden des Kondensators über einLade- schütz erfolgt, das mittels elektronischer Hilfsmittel beim Erreichen des einstellbaren Höchst-bzw.
Min- destspannungswertes amKondensatordessenLadekreis automatisch aus-bzw. einschaltet, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Einschalten des Ladeschützes (8) durch das Zünden eines Thyratrons (10) erfolgt, dessen
Gitter von einer Spannung gesteuert wird, die aus der Differenz der Absolutbeträge der mittels eines
Potentiometers (5) abgegriffenen augenblicklichen Ladespannung am Speicherkondensator (4) oder eines
Teiles derselben und einer Normalspannung, z. B. einem Glimmröhren-Stabilisator (15) besteht, und das Ausschalten des Ladeschützes (8) durch das Löschen des Thyratrons (10) erfolgt, wobei dessen Löschen durch
Zünden eines zweiten Thyratrons (11) bewirkt wird, an dessen Gitter eine Spannung liegt, die sich in Abhängigkeit von der Kondensatorladespannung, aber entgegengesetzt der Steuerspannung am Gitter des ersten Thyratrons (10) ändert.