AT208465B

AT208465B - Anordnungen zum schnellen Ein- und Ausschalten eines über Transistoren gespeisten induktiven Verbrauchers

Info

Publication number: AT208465B
Application number: AT274159A
Authority: AT
Original assignee: Licentia Gmbh
Priority date: 1959-03-16
Filing date: 1959-04-10
Publication date: 1960-04-11

Description

Anordnungen zum schnellen Ein- und Ausschalten eines über Transistoren gespeisten induktiven Verbrauchers
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Anordnungen zum schnellen Ein- und Ausschalten eines über Transistoren gespeisten induktiven Verbrauchers mit grosser Leistungsaufnahme. Ein solcher induktiver Verbraucher kann z. B. eine magnetische Kupplung sein.

Jeder induktive Verbraucher enthält neben seinem induktiven Widerstand stets einen gewissen Wirkwiderstand. Legt man eine Reihenschaltung, bestehend aus einem induktiven Widerstand und einem Wirkwiderstand, an eine Spannung, so steigt der Strom nach einer Exponentialfunktion auf seinen den stationären Betrieb kennzeichnenden Endwert an. Um die Zeit, innerhalb der dieser Endwert annähernd erreicht wird, zu verkürzen, ist es bekannt, die zur Aufrechterhaltung des Endstromes erforderliche Nennspannung UN beim Einschalten um eine Zusatzspannung Uz zu erhöhen und bei Erreichen des durch die Nennspannung UN gekennzeichneten Endstromes diese Zusatzspannung vom induktiven Verbraucher zu entfernen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, soweit sie das Einschalten betrifft, besteht nun darin, Schaltungen zu finden, bei denen für einen über Transistoren gespeisten induktiven Verbraucher von dieser Massnahme Gebrauch gemacht wird.

Zur Lösung dieses Teiles der Aufgabe gibt die Erfindung eine Schaltung an, bei der während des Einschaltens die am induktiven Verbraucher im stationären Betrieb wirksame Nennspannung UN über einen mit dem induktiven Verbraucher 1 (Fig. l) in Reihe geschalteten Transistor 6 um eine Zusatzspannung Uz erhöht wird, wobei dieser Transistor bei Erreichen des Nennstromes im induktiven Verbraucher in Abhängigkeit von der zwischen seiner Kollektor-und Emitterelektrode auftretende Spannung stromundurchlässig geschaltet und somit die Zusatzspannung Uz von dem induktiven Verbraucher abgeschaltet wird, während der Arbeitsstrom des induktiven Verbrauchers über einen Gleichrichter 10 zu der der Nennspannung UN entsprechenden Spannungsquellenanzapfung zurückfliessen kann.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. Der aus einem induktiven Widerstand 3 und einem Wirkwiderstand 2 bestehende induktive Verbraucher 1 liegt mit einem Hauptschalttransistor 4 in Reihe und ist über den Gleichrichter 10 an die Nennspannung UN und über den Transistor 6 an die erhöhte Spannung UN + Uz angeschlossen. Der Transistor 6 ist vor dem Einschalten stromdurchlässig. Das Einschalten des induktiven Verbrauchers erfolgt, indem der Hauptschalttransistor 4 über die Kippstufe 5 stromdurchlässig geschaltet wird. Es wirkt jetzt am induktiven Verbraucher die Spannung UN + UZ.

So- bald im induktiven Verbraucher der Nennstrom erreicht ist, wird der Transistor 6 In Abhängigkeit von der zwischen seiner Kollektor- und Emitterelektrode auftretenden stromabhängigen Spannung über die Kippstufe 7 stromundurchlässig geschaltet. Dadurch wird die am induktiven Verbraucher wirksame Spannung auf den Wert UN herabgesetzt, so dass der Strom nicht weiter ansteigen kann. Der Arbeitsstrom fliesst nach erfolgter Sperrung des Transistors 6 über den Gleichrichter 10 zu der der Nennspannung UN entsprechenden Spannungsquellenanzapfung 11 zurück.

Ein anderer, gleichwertiger Lösungsweg der geschilderten Aufgabe besteht darin, dass die beim Einschalten am induktiven Verbraucher anliegende Gesamtspannung U nach Erreichen des Nennstromes auf

die Weise um die Zusatzspannung Uz vermindert wird, dass ein Transistor 17 (Fig. 2), der parallel zu einem mit dem induktiven Verbraucher in Reihe liegenden Vorwiderstand 14 geschaltet ist, über eine
Kippstufe 15 in Abhängigkeit von der durch den Arbeitsstrom an einem Widerstand 16 erzeugten Spannung stromundurchlässig geschaltet wird.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine solche Anordnung. Der Transistor 17 ist vor dem Einschalten stromdurchlässig. Wird durch ein Signal über die Kippstufe 5 der Hauptschalttransistor 4 stromdurchlässig geschaltet, dann liegt am induktiven Verbraucher die Gesamtspannung U = UN + U Z, wenn man den geringen Spannungsfall am Widerstand 16 vernachlässigt. Sobald im induktiven Verbraucher 1 der Nennstrom erreicht ist, wird der Transistor 17 durch die am Widerstand 16 auftretende Spannung über die Kippstufe 15 stromundurchlässig geschaltet. Dadurch wird der Vorwiderstand 14 in den Arbeitsstromkreis eingeschaltet.

Dieser Widerstand 14 ist so bemessen, dass der an ihm auftretende Spannungsfall bei Nennstrom gleich der Zusatzspannung Uz ist, so dass am induktiven Verbraucher selbst nur noch die Nennspannung UN vorhanden ist.

Beim Abschalten einer Induktivität werden bekanntlich durch den zusammenbrechenden magnetischen Fluss in dem zu öffnenden elektrischen Kreis hohe Spannungen induziert, durch die das den elektrischen Kreis unterbrechende Schaltelement erheblich beansprucht wird. Im vorliegenden Falle ist dieses Schaltelement ein Transistor (4). Da Transistoren gegen Überspannungen sehr empfindlich sind, muss parallel zur induktiven Last ein zusätzlicher Zweig geschaltet werden, so dass der so gebildete elektrische Kreis beim Abschalten ein allmähliches Abklingen des den induktiven Verbraucher durchfliessenden Stromes und damit ein langsames Zusammenbrechen des magnetischen Flusses ermöglicht. Dieser Parallelzweig wird durch einen Gleichrichter 8 (Fig. 1-4) gegen den Arbeitsstrom gesperrt.

Die am Hauptschalttransistor 4 hiebei beim Abschalten auftretende Spannung besteht aus der Klemmenspannung UN zuzüglich der Spannung, die an dem vom Arbeitsstrom nicht durchflossenen Teil des für den abklingenden Strom gebildeten elektrischen Kreises auftritt, d. h. also am Gleichrichter 8 und den mit ihm eventuell in Reihe geschalteten weiteren Schaltelementen. Die Grösse dieser den Hauptschalttransistor 4 zuzüglich beanspruchenden Spannung hängt von zwei Faktoren ab :
1. von der Zeitkonstante des gesamten für den abklingenden Strom gebildeten elektrischen Kreises und
2. von der Verteilung des gesamten Wirkwiderstandes dieses Kreises auf seinen vom Arbeitsstrom nicht durchflossenen Teil und seinen vom Arbeitsstrom durchflossenen Teil.

Die den Hauptschalttransistor 4 zuzüglich beanspruchende Spannung ist also umso grösser, je kleiner die Zeitkonstante des Abklingkreises ist und je grösser der Anteil des Wirkwiderstandes ist, der im arbeitsstromfreien Teil des Kreises liegt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, soweit sie das Ausschalten betrifft, besteht nun darin, Schaltungen zu finden, die ein möglichst schnelles Verschwinden des den induktiven Verbraucher durchfliessenden Stromes bzw. des von diesem Strom aufgebauten magnetischen Feldes ermöglicht, ohne dass dabei die zulässige Sperrspannung am Hauptschalttransistor überschritten wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe bieten sich verschiedene Möglichkeiten. Man kann durch Erhöhung des Wirkwiderstandes des Abklingkreises die Zeitkonstante dieses Kreises herabsetzen. Würde man jedoch diesen zusätzlichen Wirkwiderstand in den vom Arbeitsstrom nicht durchflossenen Teil des Abklingkreises legen, so würde die den Hauptschalttransistor 4 beanspruchende Spannung unerträglich gross werden. Würde man dagegen diesen zusätzlichen Wirkwiderstand in den vom Arbeitsstrom durchflossenen Teil des Abklingkreises legen, so würde der Wirkungsgrad der Anordnung erheblich verschlechtert werden.

Diese Schwierigkeiten werden durch die Erfindung auf die Weise umgangen, dass in den vom Arbeitsstrom durchflossenen Teil des Abklingkreises ein oder mehrere Widerstände gelegt werden, die während des Einschaltens und des Betriebes über zusätzliche entsprechend-gesteuerte Transistoren kurzgeschlossen werden.

Fig. 3 zeigt eine dieser Erfindung entsprechenden Anordnung, an Hand derer auch die Wirkungsweise der Erfindung im einzelnen erläutert werden soll. Wird der Hauptschalttransistor 4 beim Einschalten über die Kippstufe 5 stromdurchlässig geschaltet, so wird das Emitter-Potential des Transistors 18 positiv. und es fliesst ein Steuer strom über dieBasis und den Widerstand 20. Dadurch wird der Transistor 18 ausgesteuert und stromdurchlässig, so dass auch das Emitter-Potential des Transistors 19 positiv wird. Am Transistor 19 fliesst ein Basisstrom über den Widerstand 21 und den Gleichrichter 22, so dass auch der Transistor 19 leitend wird und der Arbeitsstrom über den induktiven Verbraucher 1 fliesst.

Wird der Hauptschalttransistor 4 über die Kippstufe 5 stromundurchlässig geschaltet, so fliesst der Ar- ) eitsstrom zunächst durch den induktiven Verbraucher 1 weiter über den Gleichrichter 8. Durch den Spanlungsfall am Gleichrichter 8 wird das Basispotential des Transistors 18 positiv gegenüber dem Emitter-

potential, so dass der Transistor 18 stromdurchlässig wird. Der abklingende Arbeitsstrom fliesst dann über die Widerstände 23 und 24. Die Basis des Transistors 19 ist über den Widerstand 26, zwischen die Wider- stände 23 und 24 geschaltet, so dass auch die Basis des Transistors 19 gegenüber dem Emitter positiv wird und der Transistor 19 stromundurchlässig wird. Es fliesst also dann der abklingende Strom über den induk- tiven Verbraucher 1, den Gleichrichter 8 und über die Widerstände 23,24 und 25.

Die über die Transisto- ren 18 und 19 abfallenden Spannungen werden durch die Parallelwiderstände begrenzt. Für den Transistor
18 wird die Basisspannung während des Abklingvorganges durch den Spannungsfall am Gleichrichter 8 be- grenzt, während die Begrenzung der Basisspannung am Transistor 19 über die Spannungsteilerschaltung der
Widerstände 23 und 24 stattfindet. Der Gleichrichter 22, der beim Ausschaltvorgang in Sperrichtung be- ansprucht wird, verhindert, dass das negative Potential der Klemmenspannung UN auf die Basis des Tran- sistors 19 gelangt und damit das Potential des Transistors 19 gegenüber dem Emitter unzulässig positiv wird. Die Schaltung kann grundsätzlich durch weitere Transistoren, die in gleicher Weise, wie Transistor
19 geschaltet sind, für beliebig schnelle Abklingvorgänge ausgelegt werden.

Da die den Hauptschalttransistor 4 zusätzlich beanspruchende am Gleichrichter 8 auftretende Spannung nach einer Exponentialfunktion verläuft, tritt die gefährlichste Spannungsbeanspruchung zu Beginn des Abklingvorganges auf. Es ist also wünschenswert, den Abklingvorgang, nachdem er seine erste Phase durchlaufen hat, schneller stattfinden zu lassen, als nach der durch die Zeitkonstante des Abklingkreises festgelegten Exponentialfunktion. Hiezu ist eine Zeitkonstante erforderlich, die sich während des Abklingvorganges selbst verkleinert, d. h. es muss der Wirkwiderstand des Abklingkreises während des Abklingens grösser werden.

Um dies zu erreichen, kann in den Anordnungen nach der Erfindung in Reihe mit dem parallel zum induktiven Verbraucher geschalteten Gleichrichter 8 eine zu diesem Gleichrichter 8 gegensinnig geschaltete Zenerdiode 9a oder ein Satz gleichsinnig geschalteter Gleichrichter 9b gelegt werden. Bei zweckmässiger Dimensionierung lässt sich auf diese Weise ein fast geradliniges Abklingen des Arbeitsstromes erreichen. Durch diese Massnahme wird allerdings die den Hauptschalttransistor 4 beanspruchende Sperrspannung vergrössert. Um diese Spannungserhöhung zu vermeiden, kann die Zenerdiode 9a bzw. der Satz zusätzlicher Gleichrichter 9b in den vom Arbeitsstrom durchflossenen Teil des Abklingkreises gelegt werden (Fig. 1 : 9').

Diese Schaltungsmöglichkeit kommt praktisch aber nur für kleine Leistungen in Frage, da die Zenerdiode bzw. der Gleichrichtersatz für Dauerlast bemessen werden muss. Bei der Schaltung nach Fig. 3 kann man zur Erreichung der gleichen Wirkung, statt eine Zenerdiode oder einen Gleichrichtersatz zu verwenden, auch die Widerstände 23,24 und 25'durch nichtlineare Widerstände ersetzen.

Ist die Arbeitsweise des induktiven Verbrauchers dadurch gekennzeichnet, dass mittels seines magnetischen Feldes ein mechanischer Schaltvorgang durchgeführt wird (z. B. magnetische Kupplung), dann kann eine Beschleunigung dieses Schaltvorganges ohne eine zusätzliche Erhöhung der Sperrspannung an dem Hauptschalttransistor 4 durch eine mit dem Abschalten verbundene Beseitigung eines remanenten magnetischen Flusses des induktiven Verbrauchers erreicht werden.

Nach der Erfindung kann die Beseitigung des remanenten magnetischen Flusses des induktiven Verbrauchers während des Abschaltens durch eine Anordnung erreicht werden, bei der eine Spannungsquelle 27 (Fig. 4), die über einen Transistor 28, der in Abhängigkeit des über einen Widerstand 29 fliessenden Arbeitsstromes gesteuert wird, derart auf den induktiven Verbraucher geschaltet wird, dass der von ihr im induktiven Verbraucher hervorgerufene Strom der zur Aufhebung des remanenten magnetischen Flusses erforderlichen Koerzitivkraft entspricht.

Ein Ausführungsbeispiel dieser Schaltung zeigt Fig. 4. Die Spannungsquelle 27 ist über den Transistor 28 in einer dem Arbeitsstrom entgegenwirkenden Weise auf den induktiven Verbraucher 1 geschaltet. Solange der Arbeitsstrom fliesst, wird der Transistor 28 durch die am Widerstand 29 auftretende Spannung stromdurchlässig gehalten. Erst wenn dieser Strom nach erfolgter Abschaltung durch den Hauptschalttransistor 4 einen gewissen Wert unterschreitet, wird durch Öffnen des Transistors 28 eine Belastung der Spannungsquelle 27 über den induktiven Verbraucher freigegeben.

Die in den Fig. 1-4 erläuterten Anordnungen können in beliebiger Weise zu einer Schaltung zum schnellen Ein- und Ausschalten eines über Transistoren gespeisten induktiven Verbrauchers kombiniert werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE : l. Anordnung zum schnellen Ein-und Ausschalten eines über Transistoren gespeisten induktiven Verbrauchers (1) mit grosser Leistungsaufnahme, z. B. elektromagnetische Kupplung, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einschalten die am induktiven Verbraucher im stationären Betrieb wirksame Nennspannung UN llber einen mit dem induktiven Verbraucher in Reihe geschalteten Transistor (6) um eine Zusatzspannung <Desc/Clms Page number 4> Uz erhöht wird, wobei der Transistor (6)

bei Erreichen des Nennstromes im induktiven Verbraucher in Abhängigkeit von der zwischen seiner Kollektor- und Emitterelektrode auftretenden Spannung stromundurchlässig geschaltet und somit die Zusatzspannung Uz vom induktiven Verbraucher abgeschaltet wird, während der Arbeitsstrom des induktiven Verbrauchers über einen Gleichrichter (10) zu der der Nennspannung UN entsprechenden Spannungsquellenanzapfung (11) zurückfliesst (Fig, l).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Einschalten am induktiven Verbraucher anliegende Gesamtspannung U nach Erreichen des Nennstromes auf die Weise um die Zusatzspannung U7 vermindert wird. dass ein Transistor 17, der parallel zu einem mit dem induktiven Verbaucher (1) in Reihe liegenden Vorwiderstand (14) geschaltet ist, über eine Kippstufe (15) in Abhängigkeit von der durch den Arbeitsstrom am Widerstand (16) erzeugten Spannung stromundurchlässig geschaltet wird (Fig. 2).

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschleunigung des Ausschaltvorganges und zur gleichzeitigen Herabsetzung der am Hauptschalttransistor 4 auftretenden Sperrspannung in den vom Arbeitsstrom durchflossenen Teil des für den abklingenden Strom gebildeten Kreises ein oder. mehrere Widerstände (23, 24, 25) gelegt werden, die während des Einschalten und des Betriebes über zusätzliche, entsprechend gesteuerte Transistoren (18, 19) kurzgeschlossen werden.

4. Anordnung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, dass die Basisspannung der zusätzlichen Transistoren (18, 19) über einen Spannungsteiler vom vorgeschalteten Transistor abgegriffen wird.

'5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisspannungen der zusätzlichen Transistoren (18, 19) durch Gleichrichter (22, 8) begrenzt werden.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichrichter (22), der in Reihe mit einem Widerstand (21) liegt, beim Abschaltvorgang in Sperrichtung beansprucht wird und verhindert, dass die Basissperrspannung unzulässig hoch wird.

7. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu den zusätzlichen Transistoren zo 19) parallel liegenden Widerstände (23, 24,25) nichtlineare Widerstände sind.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung des zeitlichen Verlaufs des beim Abschalten im induktiven Verbraucher abklingenden Stromes parallel zum induktiven Ver- ) raucher ein Gleichrichter (8) und eine diesem Gleichrichter (8) gegensinnig geschaltete Zenerdiode (9a) ) der ein Satz gleichsinnig geschalteter Gleichrichter (9b) gelegt wird.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herabsetzung der am Hauptschalttransistor (4)beim Abschalten auftretenden Sperrspannung die Zenerdiode (9a) bzw. der Gleichrichtersatz 9b) in den vom Arbeitsstrom durchflossenen Teil des für den abklingenden Strom gebildeten Kreises gelegt wird (9|).

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausschalten zur Beseitigung : ines remanenten magnetischen Flusses im induktiven Verbraucher eine Spannungsquelle (27) über einen rransistor (28), der in Abhängigkeit des über einen Widerstand (29) fliessenden Arbeitsstromes gesteuert briard, derart auf den induktiven Verbraucher geschaltet wird, dass der von ihr im induktiven Verbraucher lervorgerufene Strom der zur Aufhebung des remanenten magnetischen Flusses erforderlichen Koerzitiv- uaft entspricht (Fig. 4).