AT241614B

AT241614B - Schaltungsanordnung zur verlustarmen Steuerung elektrischer Gleichstromverbraucher

Info

Publication number: AT241614B
Application number: AT366064A
Authority: AT
Original assignee: Frako Kondensatoren Und Appbau
Priority date: 1963-04-26
Filing date: 1964-04-24
Publication date: 1965-08-10

Description

Schaltungsanordnung zur verlustarmen Steuerung elektrischer
Gleichstromverbraucher
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur verlustarmen Steuerung elektrischer Gleichstromverbraucher unter Verwendung einer steuerbare elektronische Schaltelemente, insbesondere steuerbare Siliziumgleichrichter, enthaltenden bistabilen Impulserzeugerschaltung, bei welcher in Reihe mit dem Hauptschaltelement der Verbraucher und in Reihe mit dem die Löschung des Hauptschaltelementes bewirkenden Hilfsschaltelement ein Widerstand vorgesehen ist und die mit dem Verbraucher bzw. dem Widerstand verbundenen Elektroden der Schaltelemente über einen Löschkondensator miteinander gekoppelt sind.

Bei Schaltungen der genannten Art soll der mit dem Hilfsschaltelement in Reihe geschaltete Widerstand für die Aufladung des Löschkondensators einen möglichst geringen Widerstand haben, damit der Kondensator schnell aufgeladen und damit das Hauptschaltelement schnell gesperrt wird.

Da aber das Hilfsschaltelement während der gesamten Sperrzeit des Hauptschaltelementes Strom führt, werden bei Verwendung eines niederohmigen Vorschaltwiderstandes die Verluste gross. Verwendet man dagegen einen Vorschaltwiderstand mit hohem Widerstandswert, so können zwar die Verluste vermindert werden, jedoch erfolgt in diesem Falle nur eine langsame Aufladung des Löschkondensators, so dass das Hauptschaltelement nur langsam in den Sperrzustand gebracht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welcher die erwähnten Nachteile nicht auftreten. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Hilfsschaltelement in Reihe geschaltete Widerstand als elektrisch steuerbares Schaltelement ausgebildet ist. Es ist auf diese Weise möglich, den Vorschaltwiderstand für die Aufladung des Löschkondensators klein zu halten, ihn dagegen während der übrigen Stromführungszeit des Hilfsschaltelementes gross zu machen, so dass der Verluststrom klein bleibt.

Vorzugsweise werdenschaltmittel vorgesehen, welche die Ladung und/oder Entladung des Löschkondensators in vorgegebenen definierten Zeiten sicherstellen. Diese Schaltmittel bilden vorzugsweise den Löschkondensator enthaltende geschlossene Schwingkreise, die voneinander insbesondere unabhängig sind.

Diese Schwingkreise werden vorzugsweise so ausgelegt, dass sich eine gedämpfte Lade-bzw. Entladestromschwingung ergibt.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen : Fig. 1 ein Schaltbild des Leistungsteiles der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung, Fig. 2 ein Schaltbild des Steuerteiles der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung und Fig. 3 ein Schaltbild eines Teiles der in Fig. 2 gezeigten Steuereinrichtung.

In Fig. 1 ist mit Grl das Hauptschaltelement bezeichnet, das beispielsweise ein steuerbarer Siliziumgleichrichter sein kann. In Reihe mit dem Gleichrichter Gr sind der Verbraucher R und die sättigbare Schaltdrosselspule Dr2 geschaltet. Mit dem Hilfsschaltelement Gr2 sind die nicht gesättigte Drosselspule Drl und das Schaltelement Gr in Reihe geschaltet. Die Anoden der Schaltelemente Gr und Gr sind miteinander durch den Löschkondensator C gekoppelt. Jedes der genannten Schaltelemente Gr-Gr ist durch ein RC-Glied überbrückt, welches das Schaltelement vor kurzzeitig auftretenden Spannungsspitzen schützt.

Ausserdem wird beim Zünden des Schaltelementes die im Kondensator gespeicherte Energie über den Widerstand des RC-Gliedes und über das Schaltelement selbst entladen.

Das Schaltelement Grl unterbricht die dem Verbraucher R zugeführte elektrische Leistung periodisch, u. zw. mit einer konstanten Impulsfrequenz, wobei die Einschaltdauer zur Veränderung der zugeführten Leistung verändert werden kann. Die Einschaltung des Schaltelementes Gr erfolgt durch Zuführung eines Steuerimpulses zur Steuerelektrode, wodurch das Schaltelement leitend wird. Gleichzeitig wird dem Schaltelement Gr ein Steuerimpuls zugeführt, so dass auch dieses Schaltelement zusammen mit dem Hauptschaltelement Grl leitend wird. Es wird damit der Löschkondensator C über das Schaltelement Gr und die nicht-sättigbare Drossel Dr aufgeladen.

Die Drosselspule Dr und der Kondensator C bilden einen Resonanzkreis, so dass bei Einschaltung des Schaltelementes Gr eine gedämpfte Schwingung entsteht, die beispielsweise eine Frequenz von 100 KHz haben kann. Durch die erste positive Halbwelle dieser Schwingung wird der Kondensator Cl aufgeladen. Beim Nulldurchgang des Ladestromes wird das Schaltelement Gr gesperrt. Durch die Verwendung des Schaltelementes Gr an Stelle eines Widerstandes wird eine sehr kleine Aufladezeit des Kondensators C ohne wesentliche Verluste erreicht. Wesentlich ist auch, dass die Aufladung des Kondensators Cl unabhängig vom Verbraucherstrom erfolgt, so dass immer ein voll geladener Kondensator zur Löschung des Schaltelementes Grl zur Verfügung steht.

Soll das Schaltelement Grl gesperrt werden, so wird dem Schaltelement Grz ein Steuerimpuls zugeführt, wodurch dieses in den leitenden Zustand gebracht wird. Dadurch wird der Stromfluss über den Verbraucher zunächst über den Löschkondensator C und das Schaltelement Gr geführt. Dadurch wird die Spannung an dem Schaltelement Gr so weit abgesenkt, dass es gesperrt wird. Um bei der Stromunterbrechung in dem Schaltelement Grl die entstehende Spannungsspitze zu unterdrücken und auch bei gesperrtem Schaltelement Grl den Entladestromkreis möglichst niederohmig zu halten, ist parallel zu dem Schaltelement Gr ein Gleichrichter Gr geschaltet, welcher für den Entladestrom des Kondensators Cl durchlässig ist.

Durch die Schaltdrosselspule Dr wird zusammen mit dem Löschkondensator Cl ebenfalls ein Resonanzkreis gebildet, welcher durch den Entladestrom zu einer gedämpften Schwingung angeregt wird.

Es gelten somit im wesentlichen die gleichen Gesichtspunkte wie für den Ladekreis des Kondensators C.

Damit ist auch der Löschkreis unabhängig vom Verbraucher R. Es wird also auch bei zufälligem Ausfall eines Löschvorganges in der nächsten Impulsperiode wieder sicher gelöscht. Steigt der Verbraucherstrom auf einen solchen Wert an, dass die im Kondensator gespeicherte Energie nicht mehr zum Löschen des Hauptschaltelementes Grl ausreicht, so bleibt das Hauptschaltelement dauernd leitend, jedoch wird der Löschkondensator C in jeder Impulsperiode über Grs neu aufgeladen und über Gr ent- laden, so dass beiAbsinken desVerbraucherstromes unter den kritischen Wert das Hauptschaltelement Gr wieder sicher gelöscht wird.

In der Praxis wird für die über das Hauptschaltelement Grl gelieferten Impulse eine Frequenz von etwa 150-300 Hz gewählt. Es ergibt sich dabei bei Verwendung eines Motors als Verbraucher eine Stromwelligkeit von zirka 3 bis 7 0/0, bei welcher sich eine geringe Erwärmung des Motors ergibt. Praktisch las- sen sich die Lade-und Entladezeiten des Löschkondensators C in zirka 150 Mikrosekunden beherrschen, was bei 300 Hz Impulsfrequenz zirka 5 % der vollen Periodendauer entspricht. Dies ist in den meisten praktischen Fällen für eine Regelung ausreichend.

Es ist damit möglich, die Impulsbreite von 5 % bis 95 0/0 zu verändern, ohne dass die Gefahr besteht, dass durch gleichzeitige Einschaltung der Schaltelemente Gr2 und Gr ein Kurzschluss entsteht und die Schaltelemente zerstört werden.

Für die Steuerung der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung können Einrichtungen verschiedener Art verwendet werden. Sie können Mittel zu einer derartigen Steuerung der Schaltelemente enthalten, dass bei konstanter Arbeitsfrequenz der bistabilen Impulserzeugerschaltung dem Verbraucher zugeführte Stromimpulse variabler Einschaltdauer entstehen. Sie können auch Mittel zu einer derartigen Steuerung der Schaltelemente enthalten, dass bei konstanter Einschaltdauer die Impulsfrequenz geändert wird. Sie können schliesslich auch Mittel zu einer derartigen Steuerung der Schaltelemente enthalten, dass sowohl die Einschaltdauer als auch die Impulsfrequenz geändert werden. Die erfindungsgemässe Steuereinrichtung ist insbesondere für eine Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 geeignet, sie kann jedoch auch für andere Steuerungsaufgaben verwendet werden.

Die Frequenz der von dem Hauptschaltelement Grl gelieferten Impulse bestimmt der in Fig. 2 gezeigte astabile Multivibrator 10, dessen gelieferte Rechteckspannung über ein Integrierglied 11 in eine Sägezahnspannung umgeformt wird. Diese Sägezahnspannung wird in dem Vergleichsglied 12 mit einer veränderbaren Gleichspannung Uo verglichen. Das entstehende Signal wird einem mono-stabilen Multivibrator zur ImpuJsformung zugeführt, dessen Ausgangsimpulse über ein Differenzierglied 14 mit nachfolgendem Gatter den Schaltelementen zugeleitet werden.

Die Gleichspannung Uo wird mit Hilfe eines kapazitiven Spannungsteilers 15,16 gewonnen, welchem über den astabilen Multivibrator 17 eine Wechselspannung beliebiger Kurvenform mit einer Frequenz von beispielsweise 20 KHz zugeführt wird. Die in dem Spannungsteiler 16,15 abgegriffene Spannung wird über ein Integrierglied 18 und einen Gleichrichter 19 dem Vergleichsglied 12 zugeführt. Durch die Verwendung eines kapazitiven Spannungsteilers ist es möglich, als Geber einen Drehkondensator 16 zu verwenden, welcher sämtliche Nachteile einer mechanischen Kontaktgabe ausschliesst.

Die Steuereinrichtung enthält ferner ein Messglied 20, welches durch den astabilen Multivibrator 17 gesteuert wird und eine dem Verbraucherstrom proportionale Wechselspannui1g an den Verstärker 21 liefert. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers 21 wird über eine Integrierschaltung 22 und einen Gleichrichter 23 ebenfalls dem Vergleichsglied 12 zugeführt. Das Ausgangssignal ist so bemessen, dass es einen Schutz gegen Spitzenbelastungen des Hauptschaltelementes Gr bewirkt. Ausserdem wird das Ausgangssignal des Verstärkers 22 noch über einen Gleichrichter 24 und eine weitere Integra- tionsschaltung 25 über einen weiteren Gleichrichter 26 dem Vergleichsglied 12 zugeführt. Das
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gehend gegen Überlastungen geschützt.

In Fig. 3 ist eine mögliche Ausführungsform des kapazitiven Spannungsteilers mit nachfolgendem Verzögerungsglied dargestellt. An die Klemmen 30,31 kann beispielsweise der astabile Multivibrator 17 mit einer Impulsfrequenz von zirka 20 KHz angeschlossen werden. Über den Widerstand 32 und den Kondensator 33 werden diese Impulse bzw. die Wechselspannung dem kapazitiven Spannungsteiler 34,35 zugeführt. Der Abgriff des Spannungsteilers ist an die Steuerelektrode eines Transistors 36 geführt, dessen Emitter-und Kollektorelektroden an eine Gleichspannungsquelle geführt sind. Der Ausgang des Transistors 36 ist an das Verzögerungsglied 37 angeschlossen. Dieses enthält in Reihenschaltung einen Widerstand 38 und zwei parallelgeschaltete Kondensatoren 39 und 40. Dabei ist der Kondensator 40 vorzugsweise im Vergleich mit dem Kondensator 39 gross.

Dem Kondensator 40 ist ein Gleichrichter 41 vorgeschaltet, welcher für den Ladestrom des Kondensators 40 durchlässig ist. Der Kondensator 40 ist im übrigen von einem Entladewiderstand 42 überbrückt. Die Wirkungsweise dieser Verzögerungsschaltung ist folgende :
Wird die Ausgangsspannung des Transistors 36 plötzlich erhöht, so werden über den Widerstand 38 die Kondensatoren 39 und 41 aufgeladen. Da die Kapazität des Kondensators 40 verhältnismässig gross ist, erfolgt die Aufladung verhältnismässig langsam, wodurch auch die Ausgangsspannung der Verzögerungsschaltung 37 langsam ansteigt und damit die dem Verbraucher R (Fig. l) zugeführte Leistung langsam erhöht wird. Dies ist bei der Steuerung von Fahrzeugmotoren unter Umständen wesentlich, um eine zu grosse Anfahrbeschleunigung auszuschliessen.

Wird die Ausgangsspannung an dem Kondensator 36 plötzlich vermindert, so entlädt sich der verhältnismässig kleine Kondensator 39 über die an die Ausgangsklemmen der Verzögerungsschaltung 37 angeschlossenen äusseren Widerstände, während die Entladung des Kondensators 40 über die Aussenwiderstände durch den Gleichrichter 41 verhindert wird. Der Kondensator 40 wird vielmehr ausschliesslich über den Widerstand 42 entladen, so dass seine Spannung für die Steuerung der Schaltelemente nicht wirksam wird. Die Verzögerung ist in diesem Falle infolgedessen verhältnismässig gering, so dass es bei Steuerung eines Fahrzeuges beispielsweise möglich ist, ein grosses Bremsmoment zu erzeugen.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur verlustarmen Steuerung elektrischer Gleichstromverbraucher unter Verwendung einer steuerbare elektronische Schaltelemente, insbesondere steuerbare Silizium-Gleichrichter, enthaltenden bistabilen Impulserzeugerschaltung, bei welcher in Reihe mit dem Haupt-Schaltelement der Verbraucher und in Reihe mit dem die Löschung des Haupt-Schaltelementes bewirkenden Hilfsschaltelement ein Widerstand vorgesehen ist und die mit dem Verbraucher bzw. dem Widerstand verbundenen
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trisch steuerbares Schaltelement (Grs) ausgebildet ist.

Claims

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch steuerbares Schaltelement ein elektronisches Schaltelement, vorzugsweise ein steuerbarer Siliziumgleichrichter, vorgesehen ist. <Desc/Clms Page number 4> g. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch steuerbares Schaltelement ein magnetisches Schaltelement vorgesehen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel vorgesehen sind, welche die Ladung und/oder Entladung des Löschkondensators (C) in vorgegebenen defi- nierten Zeiten sicherstellen.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel den Löschkondensator (C) enthaltende geschlossene Schwingkreise bilden, die voneinander vorzugsweise unabhängig sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufladekreis (Gr, C, Cr) als Schaltmittel eine mit dem Schaltelement (Gr) in Reihe geschaltete Induktivität (Drl) vorgesehen ist, die vorzugsweise nicht gesättigt ist. EMI4.1 dämpfte Lade- bzw. Entladestromschwingung ergibt.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (Dr2) zwischensteuerbarem Hauptschaltelement (Grl) und Löschkondensator (C) eingeschaltet ist. EMI4.2 der steuerbaren Schaltelemente (Grl'Gr2'Grs) durch Begrenzung des Stromanstieges während der Umschaltzeit in zulässigen Grenzen gehalten wird.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die den Löschkondensator (C) enthaltenden Schwingkreise auf eine Frequenz abgestimmt sind, die ein mehrfaches der Arbeitsfrequenz der bistabilen Pulserzeugerschaltung ist.

12. SchaltUngsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptschaltelement (Gr) von einem für den Entladestrom des Löschkondensators (C) durchlässigen Gleichrichter (Gr) überbrückt ist, der bei gesperrtem Hauptschaltelement (Gr) den Entladestromkreis geschlossen hält.

13. Steuereinrichtung, insbesondere für eine Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zu einer derartigen Steuerung der Schaltelemente vorgesehen sind, dass bei konstanter Arbeitsfrequenz der bistabilen Impulserzeugerschaltung dem Verbraucher zugeführte Stromimpulse variabler Einschaltdauer entstehen.

14. Steuereinrichtung, insbesondere für eine Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche1bis12, dadurchgekennzeichnet,dassMittelzueinerderartigenSteuerungderSchaltelemente vorgesehen sind, dass bei konstanter Einschaltdauer der den Verbraucher speisenden Stromimpulse die Impulsfrequenz verändert wird.

15. Steuereinrichtung, insbesondere für eine Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der An- sprüchelbisl2, dadurch gekennzeichnet, dassMittelzueinerderartigenSteuerungderSchalt- elemente vorgesehen sind, dass sowohl die Einschaltdauer der dem Verbraucher zugeführten Stromimpulse als auch die Impulsfrequenz verändert werden.

16. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Steuerung der Schaltelemente ein kontaktloses Stellorgan umfassen.

17. Steuereinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellorgan ein Drehkondensator in Reaktanzschaltung bzw. als kapazitiver Spannungsteiler od. dgl. vorgesehen ist. EMI4.3

19. Steuereinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellorgan ein Halbelement innerhalb eines Magnetfeldes bewegbar angeordnet ist.

20. Steuereinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellorgan ein Variometer vorgesehen ist.

21. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stellorgan eine Verzögerungsschaltung nachgeschaltet ist. <Desc/Clms Page number 5> 22. Steuereinrichtung nach Anspruch 21m dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsschaltung wenigstens zwei in Abhängigkeit von der Stellrichtung wirksame Integrierglieder enthält.