DE2317860A1

DE2317860A1 - Schaltungsanordnung zur regelung der spannung an einem wechselstromverbraucher

Info

Publication number: DE2317860A1
Application number: DE2317860A
Authority: DE
Inventors: George William Vancleave
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-04-13
Filing date: 1973-04-10
Publication date: 1973-10-18
Also published as: DE2317860C3; IT979036B; FR2179751B1; DE2317860B2; FR2179751A1; GB1412852A; JPS4916843A; SE377205B; CH554564A; CA986996A; US3746970A; JPS5411898B2

Description

Schaltungsanordnung zur Regelung der Spannung an einem Wechselstromverbraucher«

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Spannung an einem Wechselstromverbraucher durch Steuerung der effektiven Ausgangsspannung der Stromversorgung während jeder Halbperiode.

Herkömmliche Geräte dieser Art sind nicht nur relativ groß, sondern auch in hohem Maße von der Regelung der EingangsspannungsqueHe abhängig, um eine verhältnismäßig konstante effektive Ausgangsspannung liefern zu können. Außerdem müssen bei Änderung der Spannung der kommerziellen Wechselstromquelle (z.B. von einem Land zum anderen)

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andere Transformatoren und/oder Impedanznetzwerke ver-

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wendet werden, um die gewünschte effektive Ausgangsspannung zu erhalten.

Zur Verwendung mit bidirektionalen, stromleitenden Halbleitereinheiten, wie z.B. Thyristoren, wurden verschiedene Steuerschaltungen vorgeschlagen, die einen ausgezeichneten Regulierungsgrad der Effektivspannung aufweisen. Eine solche Spannungsregelschaltung ist im einzelnen in der US-Patentschrift Nr. 3532855 beschrieben. Solche Schaltungen nutzen vielfach den Spitzenwert der Eingangsspannung zur Kompensation des absoluten Ausgangsspannungssignales, um eine Annäherung an die Effektivspannung zu erzielen. In allen herkömmlichen Schaltungen wird jedoch die Annäherung zwischen der absoluten Ausgangsspannung und der Effektivspannung nur in einem begrenzten Bereich der Eingangsspannung aufrechterhalten, d.h. grosse Aenderungen der Eingangsspannungen bewirken trotz allem Aenderungen der effektiven Ausgangsspannung. Solche Aenderungen sind sehr schwerwiegend, wenn die Ausgangs-Effektivspannung in Lichtenergie umgewandelt wird, die z.B. in einer

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Kopiermaschine genutzt werden soll, wo geringe Aenderungen des Lichtpegels grosse Veränderungen in der Qualität der Ausgabekopie hervorrufen. ^v

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Ueberwindung der oben aufgeführten Nachteile herkömmlicher Anordnungen und in der Herstellung eines Effektivspannungsreglers von geringen Abmessungen, der eine nahezu konstante Ausg'angsspannung ungeachtet der Aenderungen der Eingangsspannung •in einem grossen Bereich solcher Aenderungen liefert.

Ein Ausführungsbeispxel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anschliessend näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 in einem Schaltbild die in der Steuerschaltung der vorliegenden Erfindung angewandten Prinzipien;

Fig. 2 in einem Schaltbild und Blockdiagramm den Effektiv-—spannungsregler und

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Fig. 3 in einem Schaltbild eine andere Steuerschaltung, die im Effektivspannungsregler benutzt werden kann.

Die in Fig. 1 gezeigte Steuerschaltung steuert einen Zeitgeberkreis 11, der die Zeit vom NullüWrgang der Wechselstromspannungskurve bis zum Zündzeitpunkt des Thyristors bestimmt. Das Zünden des Thyristors gestattet der Anlage, Strom von einer Stromquelle an eine Last zu leiten. Mit der Steuerschaltung wird also der Leitwinkel des Thyristors gesteuert und dadurch die Effektivspannung über der Last konstant gehalten. Dieses Ziel wird erreicht durch Herstellen eines Ausgleichs zwischen dem der Durchschnittslastspannung proportionalen Strom und einem Normstrom, wobei ein Ungleichgewicht der Ströme in einem Laden oder Entladen des Kondensators 13 resultiert. Die Spannung am Kondensator 13 ist der Steuerparameter des veränderlichen Zeitschaltkreises 11.

Für den Stromausgleich werden drei Stromquellen summiert, die weiter auf zwei Stromquellen vereinfacht werden können. Am Anfang wird ein Rückkopplungsstrom I_p proportional der gleichgerichteten Ausgangslastspannung kombiniert mit einem

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Strom I„ proportional dem Leitwinkel des Thyristors. Der kombinierte Differenzstrom I₁, - I_Q wird mit einem Konstant-

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strom I verglichen und veranlasst das Laden bzw. Entladen des Kondensators 13. Unter der Voraussetzung, 'dass die gewünschte Effektivspannung nicht einen kleinen ode-r grossen Leitwinkel vom Thyristor fordert, existiert eine lineare¹ Beziehung zwischen dem durchschnittlichen RückkopplÜngsstrom Ip und dem Strom I_fl. Für jede gegebene Effektivspannung kann also gezeigt werden, dass die absolute Spannung, welche der phasengesteuerten Sinuswelle entspricht, der Beziehung folgt: V = AX + B, worin X der Leitwinkel, V und B absolute Spannungswerte und A eine Konstante ist, die sich auf das Verhältnis X zu B bezieht. Diese lineare Beziehung zwischen I_p und I_Q wird somit ausgenutzt, um einen ausgezeichneten Grad der Regelung der Effektivspannung unabhängig von grossen Netzspannungsschwankungen zu erzielen.

Wenn also der Rückkopplungsstrom Ip'den aus den Strömen I„ und Iq abgeleiteten Normstrom übersteigt, wird der Kondensator 13 entladen. Diese Abnahme der Kondensatorspannung resultiert in einem längeren durch den Zeitsteuerkreis 11 bestimmten Zeitabschnitt und somit einer späteren Zündung des ThyristOTs.

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Da der Leitwinkel dadurch verkürzt wird, wird die gleichgerichtete absolute Spannung' über der Last reduziert, bis der der Lastspannung proportionale Strom Ip mit dem Normstrom ins Gleichgewicht gebracht wird. Wenn der der Lastspannung proportionale Strom I„ kleiner als der Normstrom wird, wird der Kondensator 13 aufgeladen. Wenn die Kondensatorspannung ansteigt, wird die Zeitperiode des Zeitschaltkreises 11 kleiner und der Thyristor früher gezündet. Dadurch wird der Leitwinkel verlängert und die Lastspannung steigt an, bis der Stromausgleich wieder hergestellt ist. Auf diese Weise hält der Spannungsregler eine konstante
Effektivspannung über der Last aufrecht. Wenn die Belastung rein resistiv· ist, wird auch die Leistung in ihr konstant gehalten. Der Effektivspannungsregler steuert somit den
Effektivwert unter Ausnutzung der linearen Beziehung
zwischen mittlerer Spannung und Leitwinkel. In früheren
Schaltungsanordnungen ist die Spitzeneingangsspannung dazu verwendet worden, die Effektiv- und die Durchschnittsspannung zueinander in Beziehung zu setzen. Sie erzielten dadurch eine genaue Pegelung nur in einem kleinen Aenderungsbereich der Eingangsspannung.

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Die Stromquellen können nach verschiedenen Gesichtspunkten angeordnet werden. Die beste Regelung erreicht man, wenn der dem Phasenwinkel proportionale Strom Iq und der der Lastspannung proportionale Strom I_P kombiniert werden, bevor der Stromausgleich erfolgt. Somit ist der Stromausgleich die Summierung eines Stromes (I_p - I_fl) und eines konstanten Stromes I_r, die zu einer tatsächlich konstanten Effektivspannung über einem sehr grossen Aenderungsbereich der Eingangsspannung führt. Im praktischen Aufbau des Schaltkreises wird der Stromausgleich durch Widerstände, Transistoren, Dioden und eine Spannungsquelle erreicht. Fig. zeigt ein Schaltbild und Blockdiagramm des Effektivspannungsreglers mit einer vereinfachten Steuerschaltung.

Nach Darstellung in Fig. 2 ist der Thyristor 21 in Reihe mit einer 115-Volt-Wechselstromquelle und einer Last, wie z.B. der Lampe 23, geschaltet. Der Thyristor 21 ist eine bidirektionale Silizium-Triode oder ein Schalter, der einen relativ hohen Strom in beiden Richtungen leiten kann und dessen Zündungseinsatz in einer Halbperiode davon abhängig ist, wann eine Steuerspannung am Transformator 25 angelegt

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wird. Wenn der Thyristor 21 während einer Halbperiode der Speisespannung einmal leitend gemacht ist, bleibt er im leitenden Zustand, bis die Speisespannung am Anfang der nächsten Halbperiode umgekehrt wird. Die Gesamtanord-

nung bewirkt, dass durch Steuern des Leitwinkels des Thyristors 21 die Effektivspannung über der Lampe 2 3 genau geregelt ist. "

Der Leitwinkel des Thyristors 21 wird durch Rückkoppeln des momentanen Wertes der Spannung über der Lampe mittels der Rückkopplungsleitungen 27, 29 an den Brückengleichrichter 31 gesteuert. Das Ausgangssignal des Brückengleichrichters 31 stellt somit den gleichgerichteten Wert der momentanen Lastspannung dar und wird an den Transistor 33 angelegt.

Der Transistor 35 ist mit seiner Basis über die Zenerdiode 39 an die Spannungsquelle 37 angeschlossen. Der Transistor 35 liefert somit einen konstanten Strom an den Summierungskondensator 13 zu dessen Aufladung. Der vom Transistor 35 gelieferte Strom baut die Ladung am Kondensator 13 allmählich auf und erzeugt dadurch ein weiches Anlaufen des

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Spannungsreglers. Wenn der Ladepegel am Kondensator 13 die Transistoren 41 und 42 einmal in den leitenden Zustand versetzt, wird ein der Spannung am Kondensator 13 proportionaler Strom dem Sägezahn-Kondensator .43 zugeführt. Wenn die Ladung an diesem Kondensator einen vorgegebenen Wert erreicht, liefert der Schwellenwertdetekto'r 45 ein Signal an den Thyristortrigger 47, das seinerseits den Thyristor

leitend macht. Die Ladung des Sägezahn-Kondensators.43 wird nach jeder Halbperiode durch den Rückstellschalter 49 zurückgestellt, der auf das Signal eines Nulldetektors 51 anspricht. Wenn nämlich das Wechselstromsignal der 115-Volt-Stromquelle die Polarität umkehrt, schliesst der Nulldetektor 51 vorübergehend den Rückstellschalter 49 und öffnet so einen Entladungsweg für den Kondensator 43- Somit wird ein Spannungsanstieg mit einem der Spannung am Kondensator 13 proportionalen Verlauf am Kondensator 43 erzeugt und dadurch der Zündwinkel des Thyristors bestimmt.

Wenn der Thyristor 21 zündet, wird der Schalter 53 geschlossen und ein Strom durch den Transistor 55 geleitet, der von dem durch den Transistor 33 fliessenden Rückkopplungsstrom

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subtrahiert wird. Der resultierende Strom wird wiederum

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mit dem durch den Transistor 35 gelieferten Konstantstrom kombiniert. Am Anfang steigt die Spannung langsam an der Basis des Transistors 41 aufgrund der Ladung des Konden-

sators 13, die durch.den Strom vom'Transistor 35 geliefert wurde. Diese langsam ansteigende Spannung erzeugt einen· Sägezahn mit allmählich zunehmendem Anstieg am Kondensator 43 und somit stets grösserer' Amplitude am Ende aufeinanderfolgender Halbperioden. Schliesslich ist der Sägezahn-Spannungspegel hoch genug, um den Schwellenwertdetektor 45 zu triggern, wodurch dieser den Thyristortrigger zur Abgabe eines Impulses an den Thyristor 21 veranlasst. Zu diesem Zeitpunkt leitet, der Thyristor nur während eines kurzen Schlussteiles der Wechselstrom-Halbperiode und liefert dadurch einen kleinen Rückkopplungsstrom über die Leitungen 27 und 29. Ausserdem ist der Schalter 53 während der Thyristor 21 leitet geschlossen und liefert dadurch einen Strom, der vom Rückkopplungsstrom subtrahiert wird. Dieser kombinierte Strom wird vom Konstantstrom, der vom Transistor 35 geliefert wird, subtrahiert, wodurch die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 13 etwas abnimmt. Die Spannung auf dem Kondensator 13 nimmt jedoch weiter zu, bis der kompensierte

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Rückkopplungsstrom gleich dem konstanten Bezugsstrom ist, der vom Transistor 35 geliefert wird. Von da an bleibt der Ladungspegel konstant, und der Gleichgewichtszustand wirdaufrechterhalten, da der Ladestrom für den Sägezahn-Kondensator 43 proportional der Spannung am Kondensator 13 ist.

Das Schaltbild in Fig. 3 zeigt eine andere Steuerschaltung, die zusammen mit dem Effektivspannungsregler verwendet werden kann. Diese Steuerschaltung kann anstelle der in "Fig. 2 gezeigten Steuerschaltung 57 verwendet werden. Im Betrieb liefert der Transistor 35' einen konstanten Ladestrom an den Kondensator 13', ähnlich wie es oben im Zusammenhang mit der Steuerschaltung 5 7 beschrieben wurde. Der durch den Transistor 55' gelieferte Strom fliesst durch den unteren Teil des Brückengleichrichters 31 an die Wechselstromerde 59, wenn kein Rückkopplungssignal auf den Leitungen 27, 29 liegt. Somit hat der Strom auf den Ladepegel des Kondensators 13' keinen Einfluss. Wenn ein Rückkopplungssignal über die Rückkopplungsleitungen 27, 29 geliefert wird, neigt der an die Basis des Transistors 33' gelieferte Rückkopplungsstrom zum Entladen des Kondensators 13', wenn

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dieser Rückkopplungsstrom den durch den Transistor 55' gelieferten Strom übersteigt. Der vom Transistor 55' gelieferte Strom wird also vom Rückkopplungsstrom subtrahiert, sobald dieser vorhanden ist. Wenn der

Rückkopplungsstrom den vom Transistor 55' gelieferten Strom übersteigt, wird er von dem vom Transistor 35' gelieferten Strom subtrahiert. Ein Gleichgewichtszustand, bei welchem die Ladung auf dem Kondensator 13' einen konstanten Wert erreicht, resultiert dann ebenso wie es im .Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde.

Der Brückengleichrichter 31 wirkt analog dem Schalter 5 3 der Fig. 2 und lässt einen dem-. Phasenwinkel proportionalen Strom, geliefert durch den Transistor 55', vom Rückkopplungsstrom subtrahieren. Die Schaltung der Fig. 3 unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten dadurch, dass ein Stromfluss vom Transistor 55' daran gehindert wird, die Ladung auf dem Kondensator 13' zu beeinflussen, wenn dieser Strom den Rückkopplungsstrom übersteigt. Es wurde festgestellt, dass die lineare Beziehung zwischen dem Rückkopplungsstrom, dem dem Phasenwinkel proportionalen Strom und

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der Effektivspannung durch die in Fig. 3 gezeigte Schaltung verbessert wird.

Der Regelwiderstand 63 steuert die Einstellung einer gewünschten effektiven Ausgangsspannung. Wenn diese Spannung einmal eingestellt ist, ist die Schaltung tatsächlich unempfindlich für Veränderungen in der Ein^abespannung und liefert die gewünschte Effektivspannung nach einer Anfangsverzögerung für die weiche Anlaufphase, die durch den Ladungsaufbau im Kondensator 13' bedingt ist. Die weiche Anlaufphase schützt die Glühfaden der Lampe vor übermässigen Kaltstartströmen.

Mit den.nachfolgend aufgeführten Komponentenwerten wurde eine Schaltung aufgebaut, die eine Effektivspannung von 85 Volt, geregelt auf ± 1% von einer 115-Volt-Stromquelle mit Aenderungen von ± 151, lieferte.

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R63	2OK
R65	1S.8K
R6 7	1.18K
R69	3K
C13¹	330 uf
Z39¹	3.6 V nominal

T55, 35¹, 33' IBM 136, 136, 194

Abweichungen von den dargestellten Schaltungen sind ohne Weiteres denkbar. So kann beispielsweise eine einzige Stromquelle den vom Phasenwinkel abhängigen sowie den konstanten Strom (I_fi» Ip) liefern und an die Summierungsvorrichtung abgeben.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Schaltungsanordnung zur Regelung der Spannung an einem Wechselstromverbraucher durch Steuerung der effektiven Ausgangsspannung der Stromversorgung während jeder Halbperiode, gekennzeichnet durch einen Schalter in Reihe mit Stromversorgung und Verbraucher, durch eine Steuervorrichtung zur Betätigung des genannten Schalters, durch einen Rückkopplungskreis, der mit Schalter und Verbraucher zwecks Abgabe eines die Ausgangsspannung kennzeichnenden ersten Signals verbunden ist, ferner durch einen mit dem genannten Schalter verbundenen Schaltkreis zur Abgabe eines die Einschaltdauer des Schalters während einer Halbperiode kennzeichnenden zweiten Signals, durch eine Quelle zur Abgabe eines konstanten dritten Signals, durch eine Summiereinriehtung zur Kombination wenigstens von Teilen der drei genannten Signale und schließlich durch Schaltmittel, welche die Summiereinrichtung mit der genannten Steuervorrichtung verbinden.
2. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungskreis gleichrichtende Schaltelemente umfaßt.

3# Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Schaltkreis zur Abgabe des zweiten Signals derart ausgebildet ist, daß er auf Nulldurehgänge in der Ausgangsspannung anspricht.

Ij. Schaltungsanordnung nach den Patentansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Summiereinrichtung aus einer Kap&iität zur Aufnahme der den drei Signalen entsprechenden Ströiae besteht.

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