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Schaltung mit gesteuerten Gleichrichtern
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fen, bei welcher eine Zündung der Gleichrichter praktisch zu jedem Zeitpunkt der Halbwelle möglich ist und bei welcher der Zündstromkreis nur eine geringe Leistung aufnimmt.
Weiterhin ist der Zweck der Erfindung bei einer Schaltung der genannten Art, Zündstromkreise vor- zusehen, die einfach aufgebaut sind und nur eine geringe Leistung abgeben müssen.
Die Schaltung gemäss der Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, dass die Zündstromkreise zur
Zündung der gesteuerten Gleichrichter mindestens während der vorgesehenen Zündperioden Impulsfol- gen abgeben.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass auch bei den Zündstromkreisen, die einen eine
Halbwelle andauernden Zündimpuls ausgeben, immer eine geringe Zeit verstreicht, bis der angeschlos- sene gesteuerte Gleichrichter in der Anoden-Kathodenstrecke Strom zu führen beginnt.
Es kann daher mit gleicher Wirksamkeit eine Impulsfolge zur Zündung der gesteuerten Gleichrich- ter verwendet werden. Bei der Impulsfolge kann beispielsweise jeder Einzelimpuls den erforderlichen
Strom einem parallel zur Gleichspannungsquelle geschalteten Kondensator entnehmen, wobei der Kon- densator sich zwischen den Impulsen wieder aufladen kann.
Der Zündstromkreis nimmt somit primärseitig nur die Leistung auf, die dem Effektivstrom der Ein- zelimpulse entspricht. Die Folgefrequenz der Einzelimpulse kann dabei so gewählt werden, dass eine so grosse Anzahl von Einzelimpulsen während einer Halbwelle der Wechselspannung des Hauptkreises er- scheint, dass der durch den zeitlichen Zwischenraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen be- dingte Zeitverlust in der Grössenordnung der Zeit liegt, die der gesteuerte Gleichrichter zum Durch- zünden benötigt.
Die erfindungsgemässe Schaltung ist praktisch bei allen Verwendungsmöglichkeiten von gesteuerten
Halbleitergleichrichtern anwendbar.
Die Schaltung soll anschliessend lediglich beispielsweise an Hand eines in den Zeichnungen gezeig- ten Frequenzumformers erläutert werden, wobei dieser Frequenzumformer sowohl im Netzteil als auch in der Ausgangsstufe gesteuerte Gleichrichter enthält, die gemäss der Erfindung in den leitenden Zustand übergeführt werden.
Die Zeichnungen stellen im einzelnen dar : Fig. l das Blockschaltbild eines Frequenzumforirers,
Fig. 2 die zur Zündung der gesteuerten Gleichrichter erforderlichen Zündimpulsfolgen, bezogen auf die eingegebene Steuerspannung, und Fig. 3 das Linienschaltbild des Frequenzumformers der Fig. l.
In dem in Fig. l als Blodkschaltbild gezeigten Frequenzumformer wird die Eingangsleistung durch einen Transformator 10 mit der Primärwicklung 11 eingegeben. Die Primärwicklung 11 kann dabei di- rekt an das Netz von 220 V 50 Hz. angeschlossen sein. Der. Transformator besitzt drei Sekundärwicklun- gen 12,13 und 14.
Die Sekundärwicklung 12 ist an den Netzgleichrichter A für die Leistungsstufe angeschlossen, die die eingegebene Wechselspannung gleichrichtet. Der Gleichrichter A enthält vier Trockengleichrichter in einer Allwegbrückengleichrichterschaltung, wobei zwei dieser Gleichrichter als gesteuerte Halb- leitergleichrichter ausgebildet sind. Die an den Leitungen 15 und 16 erscheinende Gleichspannung ge- langt zu der Leistungsausgangsstufe B, wo die Gleichspannung in eine Wechselspannung vorgegebener
Frequenz umgewandelt wird. Die Wechselspannung erscheint an den Ausgangsklemmen 17.
Die Sekundärwicklung 13 des Transformators 10 speist den Zündstromkreis C. Dieser Zündstromkreis richtet die Eingangswechselspannung zunächst gleich und erzeugt eine Impulsfolge zur Zündung der bei- den gesteuerten Gleichrichter in der Leistungsgleichrichterstufe A. Zur Zündung der gesteuerten Gleichrichter in der Leistungsgleichrichterstufe A gibt der Zündstromkreis C über die Leitungen 19 und 20 eine ununterbrochene Impulsfolge aus. Die Leitung 19 ist über die Widerstände 21 und 22 mit den Zündelektroden der beiden Gleichrichter verbunden.
Die gewünschte Frequenz der an den Klemmen 17 erscheinenden Spannung wird durch eine steuernde Wechselspannung gegeben, die über die Klemmen 23 einem Transformator 24 zugeführt wird. Dieser Transformator 24 besitzt zwei Sekundärwicklungen 26 und 27, wobei die Sekundärwicklung 26 mit dem Zünd- stromkreis C verbunden. ist. Der Zündstromkreis C ist dabei so ausgebildet, dass er nur dann Ausgangsimpulse über die Leitungen 19 und 20 abgibt, wenn an den Klemmen 23 ein Eingangssignal erscheint. Fehlt an den Klemmen 23 und somit an der Sekundärwicklung 26 das Signal, gibt der Zündstromkreis C keine Impulse ab, so dass auch an den Leitungen 15 und 16 keine Gleichspannung erscheint.
Eine Folge hievon ist, dass auch dem Netz, an welches die Primärwicklung 11 des Transformators 10 angeschlossen ist, praktisch keine Leistung entnommen wird, wenn an den Klemmen 23 keine steuernde Wechselspannung erscheint.
Die Sekundärwicklung 27 des Transformators 24 ist mit einem Zündstromkreis D verbunden, der die
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Zündimpulse für die beiden gesteuerten Gleichrichter in der Leistungsausgangsstufe B erzeugt. Die Zünd- impulse für einen der beiden gesteuerten Gleichlichter in der Leistungsausgangsstufe B erscheinen zwischen den Verbindungsleitungen 30 und 29, die Zündimpulse für den zweiten gesteuerten Gleichrichter zwischen den Leitungen 31 und 29.
Der Frequenzumformer der Fig. 1 enthält weiterhin eine Sicherheitsschaltung E. Diese Sicherheitsschal- tung ist einerseits mit den beiden Gleichstrom führenden Leitungen 15 und 16 und anderseits mit den Aus- gangsklemmen 17 verbunden. Die Sicherheitsschaltung E bildet ein logisches Element, welches die Er- zeugung von Zündimpulsen in dem Zündstromkreis immer dann für eine vorgegebene Zeit unterbindet, wenn an den Leitungen 15,16 eine Spannung steht, hingegen keine Spannung am Ausgang 17. Hinge- gen lässt das logische Element die Erzeugung von Zündimpulsen zu, wenn am Ausgang 17 eine Spannung erscheint sowie dann, wenn sowohl an den Leitungen 15,16 als auch am Ausgang 17 keine Spannung auftritt.
Durch die Sicherheitsschaltung E wird daher bewirkt, dass die verschiedenen gesteuerten Gleich- richter nicht durch beispielsweise einen Kurzschluss an den Ausgangsklemmen 17 zerstört werden kön- nen.
Wenn während des Betriebes an den Eingangsklemmen 23 eine steuernde Wechselspannung mit in einem grossen Bereich beliebiger Frequenz erscheint, wird somit zunächst eine Gleichrichtung in der
Netzgleichrichterstufe A und weiterhin eine Wechselspannung mit der eingegebenen Frequenz hervorge- rufen, die dann an den Klemmen 17 erscheint, erzeugt.
Zur Erläuterung der Aufgabe, welche die Steuerstromkreise C und D erfüllen, sei anschliessend auf
Fig. 2 Bezug genommen. In Fig. 2a sei die den Klemmen 23 übermittelte, steuernde Wechselspannung in
Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Wenn die Spannung 23 zu dem Zündstromkreis C gelangt, wird eine Schwingung freigegeben, so dass eine regelmässige d. h. ununterbrochene Impulsfolge an den Lei- tungen 19 und 20 erscheint, wie dies etwa in Fig. 2b gezeigt ist. Die Impulsfolgefrequenz ist durch das
Schwingsystem selbst gegeben und weitgehend unkritisch.
Die in Fig. 2b gezeigte Impulsfolge gelangt nun über die Widerstände 21 und 22 zu den beiden gesteuerten Gleichrichtern der Leistungsgleichrichterstufe A, wobei es bedeutungslos ist, dass diese Zündimpulse während beider Halbwellen aufrecht erhalten werden, u. zw. deswegen, weil Zündimpulse die gesteuerten Gleichrichter dann nicht beeinflussen können, wenn die Polarität der an der Hauptstrecke anliegenden Spannung der Sperrichtung der Gleichrichter entspricht.
In der Zündschaltung D werden zwei Impulsfolgen erzeugt, wobei die erste Impulsfolge der Fig. 2c beispielsweise nur in den positiven Halbwellen der steuernden Wechselspannung (Fig. 2a) und die zweite Impulsfolge der Fig. 2d nur während der negativen Halbwellen der steuernden Wechselspannung (Fig. 2a) erscheinen. Die Spannung der Fig. 2c erscheint beispielsweise zwischen den Leitungen 29 und 30 und die steuernde Wechselspannung der Fig. 2d zwischen den Leitungen 29 und 31. Die Impulsfolgefrequenzen der Impulsfolgen der Fig. 2c und 2d ist wieder unabhängig von der Frequenz der Steuerspannung, muss jedoch über dieser liegen. Vorzugsweise ist diese Impulsfolgefrequenz einstellbar.
Die Wirkungsweise und der Aufbau der einzelnen Leistungs-und Steuerkreise soll anschliessend an Hand von Fig. 3 mehr im einzelnen erläutert werden, welche ein Linienschaltbild des Frequenzumformers zeigt. In der Zeichnung sind die Leitungen, die die Leistung übertragen, stark ausgezogen.
Wie bereits an Hand von Fig. 1 ausgeführt, ist der gezeigte Frequenzumformer so beschaffen, dass er an ein kommerzielles Netz von beispielsweise 220 V und 50 Hz angeschlossen werden kann. Zum Anschluss an das Netz ist der Transformator 10 vorgesehen, der neben der Primärwicklung 11 drei Sekundärwicklungen 12,13 und 14 aufweist. Die Sekundärwicklung 12 ist an die Leistungsgleichrichterstufe A angeschlossen, die die Halbleitergleichrichterelemente 35,36, 37 und 38 in Allwegbrückenschaltung enthält. Die Gleichrichterelemente 35 und 36 können normale Sperrschichtgleichrichter sein, während es sich bei den Gleichrichterelementen 37 und 38 um die erwähnten gesteuerten Gleichrichterelemente mit pnpn-Halbleiterschichten handelt.
Die beiden gesteuerten Gleichrichter 37 und 38, die mit der Leitung 16 verbunden sind, die als der positive Pol der Gleichspannungsquelle aufgefasst werden kann, werden durch den Zündstromkreis C durch die erwähnte Impulsfolge derart gezündet, dass die Gleichrichterbrückenschaltung wie eine normale Brükkenschaltung arbeitet. Bleiben die Zündimpulse von dem Steuerkreis C aus, kann keine Gleichspannung mehr erzeugt werden, so dass auch das an die Primärwicklung 11 angeschlossene Netz durch den Umformer nicht mehr belastet wird.
Die beiden nicht gesteuerten Gleichrichterelemente 35 und 36 sind an die Leitung 15 angeschlossen, die den negativen Pol des gleichstromseitigen Ausganges des Gleichrichters darstellt. Zwischen den beiden Polen bzw. den Leitungen 15 und 16 ist in bekannter Weise ein Glättungskondensator 31 vorgese-
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bunden, die den positiven Pol des Netzgleichrichter5- 60 darstellt. Wenn nun an der Sekundärwicklung 26 des Transformators 24 keine Spannung erscheint, wird die Basis des Transistors 89 durch den Widerstand 93 auf positivem Potential gehalten, so dass der Transistor 89 leitend ist und sich der Kondensator 83 nicht aufladen kann.
Eine Folge hievon ist, dass der Transistor 80 gesperrt ist und keine Zündimpulse an die gesteuerten
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15 und 16. Erscheint hingegen ein Signal an den Klemmen 23, lädt sich der Kondensator 91 auf, so dass an der Basis des Transistors 89 ein negatives Potential erscheint, welches den Transistor 89 sperrt. Eine
Folge hievon ist, dass sich der Kondensator 83 aufladen kann und wieder Zündimpulse zu den gesteuerten
Gleichrichtern 37 und 38 gelangen. Bleibt die Wechselspannung an den Klemmen 23 aus, entlädt sich der
Kondensator 91 über die Schutzdiode 92, so dass der Transistor 89 wieder leitend wird und keine Impulse mehr an dem Transistor 80 bzw. Widerstand 81 erscheinen.
Der Zündstromkreis D dient zur Erzeugung der Steuerimpulse für die gesteuerten Gleichrichter 50 und
51 in der Ausgangsstufe B. Zur Erzeugung der Speisegleichspannung für den Zündstromkreis D ist an die
Sekundärwicklung 14 des Transformators die Gleichrichterbrückenschaltung 61 angeschlossen. Der posi- tive Pol der so gebildeten Gleichspannungsquelle wird durch die Leitung 62, der negative Pol durch die
Leitung 63 gebildet. Zur Glättung der Gleichspannung ist ein Glättungskondensator 95 zwischen diese
Leitungen eingeschaltet.
Zur Erzeugung der Impulse für die gesteuerten Gleichrichter 50 und 51 sind hier zwei einzelne Im- pulserzeuger vorgesehen, die unter sich identisch und im wesentlichen gleich aufgebaut sind wie der Im- pulserzeuger für die gesteuerten Gleichrichter 37 und 38. Anschliessend soll der Impulserzeuger für den gesteuerten Gleichrichter 50 mehr im einzelnen erläutert werden.
Der Impulserzeuger enthält wieder einen Doppelbasistransistor 100, der über die Widerstände 101 und
102 mit den Leitungen 62 und 63 verbunden ist. Der Emitter ist über den einstellbaren Widerstand 103 und den Kondensator 104 ebenfalls mit diesen Leitungen 62 und 63 verbunden. Die mit dem Widerstand
103 einstellbare Impulsfolgefrequenz wird über die Leitung 30 und einen Schutzwiderstand 106 auf die Steuer-bzw. Zündelektrode des gesteuerten Gleichrichters 50 übertragen.
Die frequenzbestimmenden Elemente 103 und 104 sind so bemessen bzw. eingestellt, dass die Frequenz erheblich grösser ist als die Frequenz der Spannung, die von der Ausgangsstufe B abgegeben wird bzw. die Frequenz der Steuerspannung.
Parallel zum Kondensator 104 liegt ein Transistor 107, der bei Abwesenheit einer negativen Steuerspannung an seiner Basiselektrode einen sehr geringen Widerstand darstellt, d. h. das Schwingsystem durch Kurzschluss des Kondensators 104 sperrt. Die Basiselektrode des Transistors 107 ist über einen Widerstand 103 mit der Leitung 62 und über eine Diode 105 mit der Leitung 63 verbunden.
Die Basiselektrode ist weiterhin mit einem Ende der Sekundärwicklung 27 des Transformators 24 verbunden, dessen Primärseite mit der Steuerspannung gespeist wird, deren Frequenz von dem Umformer abgegeben werden soll. Das andere Ende der Sekundärwicklung 27 ist mit der Basiselektrode des entsprechenden Transistors des zweiten Impulserzeugers verbunden. Dieser Transistor in dem zweiten Impulserzeuger ist mit 107'bezeichnet.
Es ist nun ohne weiteres zu ersehen, dass die beiden Transistoren 107 und 107'wechselweise gesperrt und offen sind, wobei der Wechsel jeweils bei dem Nulldurchgang der steuernden Wechselspannung erfolgt. Entsprechend kann jeweils nur ein Impulserzeuger die zum Zünden des angeschlossenen gesteuerten Gleichrichters erforderliche Impulsfolge abgeben. Während der oberen Halbwelle der steuernden Wechselspannung gebe beispielsweise der in der Zeichnung oben liegende Impulserzeuger eine Impulsfolge ab, so dass der gesteuerte Gleichrichter 50 gezündet wird, während in der zweiten unteren Halbwelle der unten liegende Impulserzeuger eine Impulsfolge an den Gleichrichter 51 zu dessen Zündung abgibt, in gleicher Weise, wie dies an Hand von Fig. 2c, d erläutert worden ist.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die steuernde Spannung nicht notwendigerweise sinusförmig oder regelmässig sein muss. Vielmehr können über den Transformator 24 auch Impulsfolgen gegeben werden, bei denen die positiven und die negativen Halbwellen verschieden lange andauern.
Entsprechend wird dann auch die Ausgangsspannung an der Sekundärwicklung geformt sein. Dies kann insbesondere dann von Bedeutung sein, wenn der Umformer als Generator für Funkenerosionsprozesse verwendet wird.
Nachdem der Umformer sofort nach Eintreffen eines Signals zu arbeiten beginnt, d. h. auch innerhalb einer Halbwelle der Steuerspannung, eignet sich der Umformer ausgezeichnet für Netzkommandoanlagen. Alle eingegebenen Impulsfolgen erscheinen praktisch trägheitslos am Ausgang. Wie bereits er-
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wähnt, wird dem speisenden Netz praktisch keine Leistung entnommen, wenn an dem Transformator 24 kein Eingangssignal erscheint.
Die Sicherheitsschaltung E dient dazu, eine Zerstörung der Gleichrichter 50 und 51 zu verhindern, wenn beispielsweise die Ausgangsseite kurzgeschlossen ist oder ein gesteuerter Gleichrichter zufolge einer kapazitiven Belastung nicht wie vorgesehen, erloschen ist. Wie bereits ausgeführt, arbeitet die Sicherheit- schaltung als logisches Element. Zur Ermittlung des Eingangssignals ist die Leitung 110 vorgesehen, deren eines Ende mit dem negativen Pol der Leistungsgleichrichterstufe A bzw. mit der Leitung 15 verbunden ist. Zur Ermittlung des Ausgangssignals sind mit den Leitungen 52 und 53 zwei Dioden 111 und 112 ver- bunden, deren Verbindungspunkt an die Leitung 120 angeschlossen ist.
Die Leitung 110 ist über zwei Widerstände 114 und 119 mit der Leitung 120 verbunden. Die Leitung
120 ist über eine Diode 116 mit dem Emitter des Transistors 80 und über einen Widerstand 115 mit der
Leitung 72 verbunden. Weiterhin liegt zwischen der Leitung 72 und dem Verbindungspunkt der Wider- stände 114 und 119 ein Kondensator 117.
Es sind nun drei Betriebszustände möglich : Der erste Betriebszustand ist beim Einschalten gegeben, d. h. zu dem Zeitpunkt, an welchem weder an der Leitung 15 bzw. 110 noch an der Leitung 120 eine
Spannung erscheint. In diesem Fall arbeitet der Zündkreis C normal, da keinerlei Spannungen auf die
Basiselektrode des Transistor 80 einwirken, die dessen Betriebsweise nachteilig beeinflussen könnten.
Die Spannung wird sich entsprechend den Dimensionierungen des Kondensators 83 und des Widerstandes 84 wie oben beschrieben einstellen.
Beim zweiten Betriebszustand ist sowohl auf der Leitung 110 als auch auf der Leitung 120 die nor- male Betriebsspannung. Die Spannung auf der Leitung 120 ist somit auf einem positiven Potential gehal- ten, so dass ebenfalls kein Potential zu dem Emitter des Transistors 80 gelangen kann, welches diesen nachteilig beeinflussen könnte.
Ist hingegen gemäss dem dritten Betriebszustand auf der Leitung 110 eine Spannung und fehlt bei- spielsweise infolge eines Kurzschlusses die Spannung auf der Leitung 120, so ist zufolge des negativen
Potentials, welches durch die Leitung 15 auf die Leitung 120 übertragen wird, die Diode 116 leitend und. die Basis des Transistors 80 erhält eine negative Vorspannung, so dass das System nicht schwingen kann.
Das System bleibt nun solange gesperrt, bis der Kondensator 117, der parallel zu den Widerständen
115,119 liegt, entladen ist. Falls der Kurzschluss oder die kurzzeitige Belastung, die die Störung hervor- gerufen hat, sich in der Zwischenzeit behoben hat, arbeitet das System nach erneutem Anschwingen des
Zündkreises C ordnungsgemäss weiter. Die Sicherheitsschaltung ist insbesondere deswegen bedeutungsvoll, weil einer der gesteuerten Gleichrichter 50 und 51 zufolge spezieller Belastungsbedingungen nicht gelöscht worden sein kann, so dass beide gesteuerten Gleichrichter 50 und 51 gleichzeitig gezündet sind.
Die Dimensionierung des Kondensators 117 und der Widerstände 115,119 muss so bemessen sein, dass der Transistor 80 so lange gesperrt bleibt, bis die beiden gesteuerten Gleichrichter 50 und 51 mit Sicher- heit erloschen sind.
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durch die steuernde Wechselspannung an den Klemmen 23 des Transformators 24 gegeben ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltung mit gesteuerten Halbleitergleichrichtern, wobei Zündkreis zur Zündung der Gleichrichter vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkreise mindestens während der vorgesehenen Zündperioden Impulsfolgen direkt auf Gleichrichter abgeben.