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Anordnung zum Ausgleichen des Einflusses von Schwankungen der Speisespannung
auf die Fläche bzw. den Energiegehalt von Impulsen Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zum Ausgleichen des Einflusses von Schwankungen der Speisespannung auf die Fläche
bzw. den Energiegehalt der von einem Verstärkerelement gelieferten Impulse.
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Bei der Ansteuerung von Relais, Magneten, Motorwicklungen und anderen
Leistungsverbrauchern durch Impulse muß sichergestellt werden, daß die Impulse stets
genUgend lang und hoch sind, damit die dadurch betätigten Mittel richtig arbeiten.
Dies ließe sich beispielsweise durch Stabilisieren der Speisespannung erreichen,
was aber bei hohem Leistungsbedarf sehr aufwendig ist. In vielen Fällen wäre es
darum sogar vorteilhafter, wenn man als Speisespannung unmittelbar die mehr oder
weniger geglättete pulsierende Gleichspannung verwenden könnte, die durch Transformation
und Gleichrichtung aus der Netzspannung gewonnen wird. Diese Spannung schwankt Jedoch
phasen- und belastungsabhängig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Arbeitsweise impulsgesteuerter
Leistungsverbraucher von Speisespannungsschwankungen weitgehend unabhängig zu machen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß daduroh gelöst,daß an das Bezugspotential
des die Impulse liefernden Verstärkerelements der Kondensator eines entsprechend
der im Normalfall gewUnschten Impulsdauer bemessenen Serien-RO-Glieds angeschlossen
ist, der durch einen Ladeimpuls auf eine gegenüber dem Bezugspotential feste, das
Verstärkerelement sperrende Spannung aufgeladen und Uber den mit der Quelle
für
die Speisespannung verbundenen Widerstand des Serien-RC-Glieds entladen wird, wobei
bei Erreichen einer bestimmten Spannung gegenüber dem Bezugspotential, welche Spannung
kleiner als die Speisespannung ist, das Verstärkerelement in den Sättigungszustand
umgeschaltet wird.
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Der Impuls hat hier Jeweils die Höhe der Speisespannung und dauert
so lange, wie das Verstärkerelement gesperrt ist. Das Verstärkerelement ist hinwieder
vom Beginn des Ladeimpulses an so lange gesperrt, bis nach Ende des Ladeimpulses
der Kondensator beim Entladevorgang eine bestimmte Spannung unterhalb der Speisespannung
erreicht. Dies dauert umso länger, Je kleiner die Speisespannung ist. Folglich wird
bei Jedem Rückgang der Impulshöhe unter die Normalhöhe, sei er netz-, phasen- oder
belastungsbedingt, die Impulsdauer verlängert und bei Jedem Anstieg der Impulshöhe
über die Normalhöhe die Impulsdauer verkürzt, so daß Je nach Anwendungsfall die
Fläche oder der Energiegehalt der Impulse in etwa gleich bleibt.
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Bei manchen Verbrau¢hern, z. B. Strom-Kraft-Wandlern, wie Relais und
Magnete, ist für die Wirkungsweise die Impulsfläche, also das Produkt aus Strom
und Zeit bzw. aus Spannung und Zeit maßgeblich; bei anderen Verbrauchern, z. B.
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ohmschen Widerständen ist dagegen das Produkt aus Leistung und Zeit
entscheidend. Der Flächen- oder Energieausgleich läßt sich in allen Fällen durch
geeignete Wahl der Spannung, bei der das Verstärkerelement in den Sättigungszustand
umgeschaltet wird, im Verhältnis zum Normal- oder Mittelwert der Speisespannung
und zur Höhe des tadeimpulses bewerkstelligen.
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Man kann zum Beispiel die genannte Umschaltspannung so festlegen,
daß sie der im Sättigungszustand an der Steuerelektrode des Verstärkerelements anstehenden
Spannung entspricht, etwa der Basis-Emitterspannung eines Transistors, und die
Spannung
des Ladeimpulses nach der gewlinschten Ausgleiehsfunktion bemessen, Die Spannung
des Ladeimpulses muß dann von entgegengesetzter Polarität zur Speisespannung sein.
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Da man die Höhe der für den Ladeimpuls verfUgbaren Spannung im allgemeinen
nicht frei wählen und einstellen kann, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor,
daß der Mittelpunkt des Serien-RC-Glieds mit der Steuerelektrode des Verstärkerelements
über ein einen etwa konstanten Spannungsabfall erzeugendes Koppelglied, vorzugsweise
eine Z-Diode, verbunden ist.
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Z-Dioden gibt es mit verschieden gestuften Durchbruchspannungen, so
daß sich allein durch die Wahl der richtigen Z-Diode ein guter Ausgleich erzielen
läßt, Dementsprechend kann man hier auf die Einbeziehung der Höhe des Ladeimpulses
in das Ausgleichsergebnis verzichten und gelangt zu einer besonders einfachen Ausführung
der Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Kondensator des Serien-RC-Glieds
durch den Ladeimpuls auf das Bezugspotential aufgeladen wird.
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In allen Ausführungen und Anwendungsfällen läßt sich gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung ein noch genauerer Ausgleich unter Berücksichtigung des Schaltverhaltens
der Verbraucher dadurch erreichen, daß zur Feineinstellung des Ausgleichsverhaltens
die Dauer des Ladeimpulses verändert wird.
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Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt, Impulsgesteuerte
Leistungsverbraucher können von unstabilisierten Speisespannungsquellen, sogar mit
pulsierender Spannung, betrieben werden, ohne daß eine Phasensynchronisation oder
eine Bemessung nach dem ungünstigten Wert vonnöten wäre. Da die Impulse Je nach
der Höhe der Speisespannung verlängert oder verkürzt werden, tritt kein Energieverlust
auf, und Zeitverluste mitteln sich aus. Durch einfach zu beherrschende Maßnahmen
läßt
sich die Ausgleichsfunktion dem Verhalten des Jeweiligen Verbrauchers anpassen,
so daß ein sehr genauer Ausgleich mdgllch ist.
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Ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen -Fig, 1 ein Beispiel für die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, Fig. 2 eine Schaltungsanordnung nach der
Erfindung, Fig. 3 und 4 Diagramme zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Erfindung.
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In Fig. 1 ist eine pulsierende Gleichspannung dargestellt, wie sie
von einem Doppelweggleichrichter in einem Netzteil geliefert wird. Ihr Spitzenwert
beträgt im Normalfall USN kann aber aufgrund von Netzspannungsschwankungen und abhängig
von der Belastung auf einen Unterspannungswert U5u sinken oder auf einen Überspannungswert
USU steigen. Wird diese Spannung zur impulsmäßigen Ans teuerung eines Verbrauchers
verwendet, beispielweise zum Erregen der Magnete in einer Stanzvorrichtung, so ergeben
sich bei festgelegter Impulsdauer d sehr unterschiedliche Bedingungen. Fällt etwa
der Beginn des Impulses (angedeutet durch il) auf den Phasenwinkel ¢1 und liegt
Unterspannung U8u vor so erhält der Magnet während der Impulsdauer d weniger als
ein Drittel des Strom-Zeit-Produkts, das er in dem Fall bekommt, wenn der Beginn
des Impulses (i2) mit dem Phasenwinkel 2 zusammenfällt und Uberspannung USÜ herrscht.
Durch einen Glättungskondensator, den man üblicherweise vorsehen wird, können diese
Verhältnisse zwar etwas verbessert werden, doch bleiben nach wie vor große Unterschiede
in der Versorgung des Verbrauchers, etwa vom Faktor 2 und mehr, bestehen,
Nach
der Erfindung ist zur Erzeugung der Impulse eine Anordnung gemäß Fig. 2 vorgesehen,
Durch Anlegen eines positiven Steuerimpulses 1, dessen Höhe in weiten Grenzen schwanken
kann, an den Eingang E der Schaltungsanordnung wird ein im Ruhewuetand gesperrter
Transistor 2 in die Sättigung geschaltet. FUr die Dauer des Steuerimpulses 1 geht
die Kollektorspannung des Transistors 2 von einem positiven Wert Uz, der der Summe
aus der Durchbruchspannung einer nachgeschalteten Z-Diode 6 und der Besis-Emitter-Spannung
eines an die Z-Diode angeschlossenen Transistors 8 entspricht, auf annähernd Null
zurUak Dieser negative Impuls 3 lädt einen Kondensator 5 auf annähernd die Spannung
Null auf.
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Der vorher gesättigte Transistor 8 wird dadurch gesperrt und Uber
den Widerstand 7 so lange gesperrt gehalten, wie die Spannung am Kondensator 5 unterhalb
der Spannung UZ bleibt.
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Der Kondensator 5 entlädt sich Ueber den Widerstand 4 gegen die Speisespannung
ÇUs na¢h der Funktion UC = US (1 - e (Uc n Spannung am Kondensator).
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Die Zeit, nach der die Spannung Uc den Wert der Spannung Uz erreicht,
ergibt sich zu t = RC . In 1/1 - UZ/US und ist somit abhängig von der Höhe der Speisespannung
US.
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Je größer die Speisespannung U5 ist, umso kUrzer ist die Zeit t, in
der der Transistor 8 nach Beendigung des Ladeimpulses 3 gesperrt ist, und umgekehrt.
Am Ausgang A des Transistors 8 erscheint also ein Rechteckimpuls 10 von der Jeweiligen
Höhe der Speisespannung U8 und von einer Dauer, die in einem umgekehrten Verhältnis
zur Höhe der Speisespannung US steht. Ein an den Ausgang A angeschlossener Verbraucher
erhält während der Dauer dieses Rechteckimpulses 10 einen Strom, der durch die Speisespannung
Ug, den Kollektorwiderstand 9 des Transistors 8 und seinen eigenen Innenwiderstand
bestimmt ist,
In Fig. 3 sind die Zeitverhältnisse deutlich gemacht.
Zum Zeitpunkt tL lädt der Ladeimpuls den Kondensator auf die Spannung Ut von etwa
Null auf und verschwindet sofort wieder. Hat die Speisespaanung einen Normalwert
UQN, erfolgt die Entladung des Kondensators gemäß Kurve a, hat sie hingegen einen
Unterspannungswert Usu, entlädt sich der Kondensator gemäß Kurve b. FUr die Darstellung
wurde angenommen, daß~die SpeSespannung USN bzw, Usu während des Entladevorgangs
auf gleicher Höhe bleibt, damit die Kurven a und b nicht unnötig kompliziert werden.
Grundsätzlich ändern aber selbst schnelle Schwankungen der Speisespannung US nichts
an der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung. Im Beispiel von Fig. 3 beträgt die
Unterspannung UQU zwei Drittel der Normalspannung USN. Wenn das Produkt I . t oder
U . t etwa konstant gehalten werden soll, wählt man die Z-Diode 6 in Fig. 2 so,
daß Uz etwa ein Drittel bis ein Fünftel der Normalspannung USN beträgt. In Fig.
3 ist dafür die Spannung Uzi eingetragen. Bei Normalspannung wird die Spannung Uzl
gemäß Kurve a nach einer Zeit tNi erreicht, bei Unterspannung gemäß Kurve b nach
einer Zeit tul, die etwa das 1,5fache von tNl beträgt. Soll dagegen das Produkt
I . U . t etwa konstant gehalten werden, wird mittels der Z-Diode 6 in Fig. 2 die
Spannung h auf etwa die Hälfte oder etwas mehr als die Hälfte der Normalspannung
USN eingestellt, in Fig. 3 mit Uz2 bezeichnet. Die Zeit tau2, die der Entladevorgang
gemäß Kurve b bei Unterspannung dauert, entspricht Jetzt etwa dem 2,25fachen der
Zeit tN2, die gemäß Kurve a bei Normalspannung benötigt wird. Die angegebenen Zeiten
sind hierbei Verhältniswerte und gelten ftir beliebige RC-Werte, mittels denen die
Absolutwerte der Zeiten eingestellt werden.
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Im Beispiel von Fig. 2 hat der Ladeimpuls die Spannung Null, und daher
wird die Spannung UZ allein durch die Z-Diode 6 und die Basis-Emitter-Spannung des
Transistors 8 bestimmt.
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Wie man aus Fig. 3 sofort erkennt, kann man dem Ladeimpuls aber auch
einen negativen Spannungswert UL zuordnen und durch Fortlassen der Zenerdiode 6
die Spannung Uz auf den Wert der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 8 festlegen.
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Sofern die Differenz Uzl - Ui, bzw. Uz2 - UL die gleiche wie in Fig.
3 ist, gelten die dortigen Kurven uneingeschränkt auch ftir diesen Fall. Ebenso
ist es möglich, einen Teil der allein maßgeblichen Spannungsdifferenz Uz - Ut durch
eine Z-Diode und den Rest durch die Höhe der Ladespannung UL zu bestimmen.
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Bisher wurde vorausgesetzt, daß der Ladeimpuls 3 selbst sehr kurz
ist, so daß seine Dauer vernachlässigt werden konnte.
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Da der Transistor 8 in Fig. 2 mit Beginn des Ladelmpulses 3 gesperrt
wird und der Entladevorgang erst nach Beendigung dieses Impulses einsetzen kann,
addiert sich die Dauer des Ladeimpulses zu den angeführten Zeiten. Die Gesamtdauer
des Rechteckimpulses 10 ergibt sich somit zu tg = to RC . In 1 1 - UZ/US (to = Dauer
des ladeimpulses).
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Damit läßt sich das Ausgleichsverhalten der Anordnung von Fig. 2 in
noch größerem Maße variieren.
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Fig. 4 zeigt einige Beispiele für die Funktion tU8/tNUsN in Abhängigkeit
von US/USN. Um das Produkt t US konstant gleich dem Produkt tN e USN zu machen,
müßte Kurve b in Fig. 4 erreicht werden. Mit Uz = 1/3 USN erzielt man mit der Schaltungsanordnung
von Fig. 2 ein Verhalten gemäß Kurve a in Fig. 4. Gibt man zusätzlich dem Ladeimpuls
eine Dauer to von 0,1 RC, wird Kurve c erhalten, die im Bereich 0,6 USN # u5 # 1,8
USN die Kurve b mit weniger als 10 % Abweichung annähert. Ohne die Ausgleichswirkung
der Anordnung von Fig. 2 würde Kurve d erhalten werden.
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Bei Verbrauchern mit induktivem Anteil muß bei Festlegung der Ausgleichsfunktion
der aufgrund der Selbstinduktion erzeigte Gegenstrom berücksichtigt werden. Die
Impulse dUrfen hier bei hohen Spannungen US nicht zu kurz sein und brauchen bei
kleinen Spannungen U5 nicht so lang zu sein, wie es Kurve b von Fig. 4 entspricht.
Die erwünschte Unterkompensation erhält man dadurch, daß man die Dauer t0 des Ladeimpulses
im Verhältnis zur Dauer des Entladevorgangs vergrößert, also den konstanten Anteil
von to an der Gesamtdauer tg erhöht. Sollte dagegen zur Anpassung an einen anderen
Verbraucher eine stärkere Überkompensation als nach Kurve a von Fig. 4 erwtlnscht
sein, wählt man Uz größer, z. B. zu 2/5 oder 1/2 USN. Die Grenze ist hier durch
den Unterspannungswert USU, der auf alle Fälle größer als UZ sein muß, gegeben.
Bei pulsierender Gleichspannung ist für UsU der zeitliche Mittelwert zu setzen.