DE1005594B

DE1005594B - Schaltungsanordnung zur Loeschung von Schaltfunken an einem oder mehreren Schaltern, die in Reihe mit einer Induktivitaet in einem Stromkreis liegen

Info

Publication number: DE1005594B
Application number: DEW9838A
Authority: DE
Inventors: Johann Westenberger
Original assignee: JOHANN WESTENBERGER
Current assignee: JOHANN WESTENBERGER
Priority date: 1952-10-31
Filing date: 1952-10-31
Publication date: 1957-04-04

Description

Die Erfindung betrifft Schaltungsanordnungen mit Sperrschichtgleichrichtern, mit welchen erreicht wird, daß das Abschalten stromdurchflossener Induktivitäten funkenarm bei schnellstem Abbau des Magnetfeldes der Induktivität erfolgt, oszillierende Spannungen vermieden und eine bestimmbare Höhe der Abschaltspannung nicht überschritten wird.

In der angewandten Elektrotechnik, wo Relais, Hubmagnete und Magnetkupplungen angewendet werden, vornehmlich wenn sie mit Gleichspannung erregt sind, besteht ein echtes Bedürfnis nach einer Funkenlöschanordnung, welche einfach, billig, betriebssicher und universal verwendbar ist. Dabei soll der bei Stromunterbrechung auftretende Induktionsstrom in jedem Augenblick möglichst klein gehalten werden, da er den Abbau des Magnetfeldes und damit den schnellen Abfall der Anker behindert. Oszillierende Schaltspannungen ergeben bisweilen unzulässige Teilspannungen und sind daher zu vermeiden.

Bekanntlich zeigen Sperrschichtgleichrichter durch den Kennlinienknick oberhalb der normalen Sperrspannung nichtlineares Verhalten. Eine in Sperrrichtung angelegte wachsende Spannung läßt den Eigenwiderstand oberhalb der Sperrspannung sehr schnell immer kleiner werden, weshalb eine für den Gleichrichter typische Spannung (in der Folge mit Grenzspannung bezeichnet) praktisch nicht überschritten werden kann, so daß bereits kleinen Spannungserhöhungen große Stromerhöhungen entsprechen. Die Belastungsdauer ist dabei begrenzt.

Während ein Sperrschichtgleichrichter, innerhalb seiner normalen Grenzdaten betrieben, ein bezüglich der Spannungsrichtung empfindlicher Schalter ist, wird er über seiner Sperrspannung zu einem für die Spannungshöhe empfindlichen Schalter; man kann auch sagen, er wird zu einem nichtlinearen Widerstand mit konstantem Spannungsabfall (Grenzspannungswert) und kleinem dynamischem Eigenwiderstand.

Erfindungsgemäß wird dieser Effekt zur Schaltfunkenlöschung in Stromkreisen mit Induktivitäten verwertet, wobei die Induktionsspannung der Höhe und die Induktionsströme der Größe und Zeit nach begrenzt werden.

Legt man eine hohe Spannung, wie sie bei Stromunterbrechung einer stromdurchflossenen Induktivität auftritt, in Sperrichtung an einen Gleichrichter geeigneter Dimension, so wird seine Sperrspannung überschritten und der Grenzspannungsbereich mit dem konstanten Spannungsabfall und dem kleinen dynamischen Eigenwiderstand erreicht. Infolge des dabei möglichen großen Induktionsstromflusses über den Gleichrichter und des daraus folgenden Spannungsabfalls an den Stromkreiswiderständen bleibt Schaltungsanordnung zur Löschung von Schaltfunken an einem oder mehreren

Schaltern, die in Reihe mit einer Induktivität in einem Stromkreis liegen

Anmelder:

Johann Westenberger, Hofheim-Marxheim (Taunus), Bahnstr. 20

Johann Westenberger, Hofheim-Marxheim (Taunus), ist als Erfinder genannt worden

die Abschaltspannung auf die Höhe der Grenzspannung begrenzt. Dabei geht der Gleichrichter so in die Schaltung ein, als ob eine konstante Spannungsquelle mit kleinem Eigenwiderstand der Induktionsspannung entgegen geschaltet wäre.

Die Induktions-EMK sinkt nach einer Exponentialfunktion schnell unter die Grenz- und Sperrspannung ab, so· daß der Stromnuß über den Gleichrichter aufhört und beim weiteren Absinken der Induktionsspannung den Abbau des Magnetfeldes der Induktivität nicht mehr behindert.

Da ein größerer Strom, als er zur Vermeidung unzulässiger Spannungen fließen muß, nicht auftritt und die Dauer auf die unbedingt erforderliche Zeit beschränkt wird, können bewegliche Anker (an Relais, Zugmagneten und Magnetkupplungen) in denkbar kurzer Zeit abfallen. (Unfallschutz, hohe Schaltfolge.) Für manche Zwecke ist es zweckmäßig oder notwendig, zwei Gleichrichter gegeneinandergepolt statt des einen zu verwenden, wobei die Dimensionierung derselben unterschiedlich sein kann.

Es sind Funkenlöschanordnungen bekannt, welche mit Widerständen und/oder Kapazitäten aufgebaut sind. Widerstände allein ermöglichen, nur eine unzulängliche Funkenlöschung bei langandauernden, starken Induktionsströmen. Kapazitäten ergeben mit der Induktivität stets ein schwingungsfähiges System. Kombinationen von Widerständen und Kapazitäten ergeben eine für viele Zwecke ausreichende, aber keineswegs eine ideale und stets betriebssichere Lösung. Vor allem bei großen Induktivitäten mit großer magnetischer Energie treten erhebliche Schwierigkeiten auf.

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Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden bei hoher Betriebssicherheit und guter Funkenlöschung die Induktionsströme optimal klein gehalten, ohne daß Schwingungen auftreten, können.

Weiterhin sind Schaltungsanordnungen zur Funkenlöschung bekannt, welche "einen Sperrschichtgleichrichter enthalten. Dieser liegt parallel zu der Induktivität und ist so gepolt, daß er bei anliegender Speisespannung gesperrt ist. Wird der Stromfluß durch die Induktivität unterbrochen, so polt an dieser die Spannung um, so daß für diese der Gleichrichter in Durchlaßrichtung liegt. Im Verhältnis zu dem Eigenwiderstand der Induktivität stellt der Gleichrichter einen sehr kleinen ohmschen Widerstand dar, so daß der Induktionsstrom praktisch unbehindert fließen kann. Dies ergibt zwar eine gute Funkenlöschung, aber andererseits starke und langanhaltende Induktionsströme, die den schnellen Zusammenbruch des Magnetfeldes verhindern.

Die Erfindung ermöglicht bei gleich guter Funkenlöschung den schnellen Abbau des Magnetfeldes.

Weiterhin sind Schaltungsanordnungen bekannt, in welchen vermittels einer getrennten Spannungsquelle ein Gleichrichter in der Sperrichtung vorgespannt wird, so· daß die Induktionsspannung die Vorspannung übersteigen muß, damit der Gleichrichter in seiner normalen Durchlaßrichtung leitend wird. Die Anwendung dieser in jeder Hinsicht guten Schaltungsanordnung ist wegen der erforderlichen getrennten Spannungsquelle,, welche einen kleinen Eigenwiderstand besitzen muß, nur für sehr kleine Leistungen wirtschaftlich tragbar (Rundfunk- und Fernsehtechnik, Labor).

Die Erfindung erreicht die gleich guten Funktionen mit kleinem Aufwand, ohne zusätzliche Spannungsquelle, vor allem bei hohen Spannungen und Strömen.

Weiterhin werden in neuester Zeit zur Schaltfunkenlöschung »nichtlineareWiderstände« angeboten. Ihr Kennlinienverlauf folgt einer Exponentialfunktion mit relativ kleinem Exponenten. Ein Kennlinienknick, wie er Sperrschichtgleichrichtern eigen ist, ist nicht vorhanden. Die Verwendung dürfte deshalb auf unkritische Zwecke beschränkt bleiben, Bezüglich der Haltbarkeit und Betriebssicherheit sind Erfahrungen noch nicht bekanntgeworden.

Die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen werden höchsten Anforderungen gerecht und sind praktisch erprobt.

Weiterhin sind Anordnungen bekannt, in welchen Sperrschichtgleichrichter zur Mischung von. Wechselspannungen oder zur Begrenzung und Stabilisierung von Spannungen verwendet werden. Es wird jedoch nirgends offenbart, die Löschung von Schaltfunken in den Kreis der Betrachtungen gezogen zu haben.

Die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen sind nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltschema mit einem bzw. zwei gegeneinandergepolten Sperrschichtgleichrichtern, welche parallel zu zwei Schaltern angeordnet sind,

Fig. 2 ein Schaltschema mit zwei gegeneinandergepolten Sperrschichtgleichrichtern, welche parallel zu einer Induktivität angeordnet sind.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 sei zunächst die Eingangsspannung U₁= angelegt, der Sperrschichtgleichrichter 2 und der Widerstand R_v als nicht \^rorhanden gedacht. Der Sperrschichtgleichrichter 1 ist so bemessen, daß er die Spannung U₁ _ sperrt. Schließt man den Schalter 3 und 3„, so fließt ein Strom I₁ von + über die Schalter 3 und 3_a über die Induktivität 4 nach —. Öffnet man nun den Schalter 3 oder 3_a, so wechselt augenblicklich die Polarität der Spannung an der Induktivität 4 (Selbstinduktions-EMK) und addiert sich zu der Eingangsspannung U₁ _. Diese Summenspannung ergibt sich an dem sich öffnenden Schalter 3 oder 3_a und damit an dem Sperrschichtgleichrichter 1, so> daß dessen Sperrspannung wesentlich überschritten wird und sich der Arbeitspunkt weit in das Gebiet der Grenzspannung verschiebt. Der Eigenwiderstand wird sehr klein und überbrückt trägheitslos die Kontakte des öffnenden Schalters 3 oder 3_B. Der Selbstinduktionsstrom wird von dem Sperrschichtgleichrichter 1 augenblicklich übernommen, so daß es zu einer nennbaren Funkenbildung nicht kommen kann. Infolge des dabei möglichen großen Induktionsstromes über den Sperrschichtgleichrichter und des daraus folgenden Spannungsabfalls an den Stromkreiswiderständen (vor-

20.nehm.lich an der Induktivität 4) bleibt die Abschaltspannung auf die Höhe der Grenzspannung des Gleichrichters 1 begrenzt. Die Induktions-EMK sinkt nach einer Exponentialfunktion sehr schnell unter die Grenz- und Sperrspannung ab. Der Induktionsstroni fällt noch schneller, da er bereits null ist, wenn die Induktions-EMK die Sperrspannung des Gleichrichters 1 unterschreitet. Der Abbau des Magnetfeldes der Induktivität 4 wird durch den Induktionsstrom nur in so geringem Maße behindert, als es zur Vermeidung unzulässig hoher Schaltspannungen unumgänglich notwendig ist.

Denkt man sich den Sperrschichtgleichrichter 2 wieder vorhanden, so erreicht man dieselben Funktionen für Eingangsspannungen beliebiger Polarität, da für jede Spannungsrichtung einer der beiden Sperrschichtgleichrichter die Steuerungsfunktionen übernimmt, während der andere in Durchlaßrichtung bedeutungslos ist.

Oftmals wird zur Beeinflussung des Einschaltvorgangs ein Vorschaltwiderstand R_v in Reihe mit der Induktivität gelegt. Dieser Widerstand R_v wird zweckmäßig von dem oder den Gleichrichtern mit überbrückt.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 fließt bei geschlossenem Schalter 3 der Strom I₁ von + über den Schalter 3, den Widerstand R_v und über den induktiven Verbraucher 4 nach —. Der Sperrschichtgleichrichter 1 ist so gepolt und dimensioniert, daß er bei der Eingangsspannung U₁ gesperrt ist, während mit ihm in Reihe der Sperrschichtgleichrichter 2 in Durchlaßrichtung liegt. Beide zusammen liegen parallel zu der Induktivität 4. Öffnet man den Schalter 3, so polt die Spannung an der Induktivität um, so daß der Sperrschichtgleichrichter 1 in Durchlaßrichtung Hegend bedeutungslos wird, während der Sperrschichtgleichrichter 2, nunmehr in Sperrichtung liegend, durch die Induktionsspannung belastet wird. Sein Arbeitspunkt verschiebt sich weit in das Gebiet seiner Grenzspannung, der Eigenwiderstand wird sehr klein, so daß der volle Induktionsstrom über die beiden Sperrschichtgleichrichter fließen kann. Daher treten auch hierbei keine nennenswerten Schaltfunken auf. Zugunsten eines geringen Induktionsstromes wird wiederum die Klemmenspannung an dem Sperrschichtgleichrichter 2 und damit an der Induktivität annähernd konstant auf der gewählten. Höhe gehalten, bis die Induktionsspannung unter die Sperrspannung des Gleichrichters 2 abgesunken ist. Da der Gleichrichter 1 nur die Speisespannung U₁ zu sperren hat und der Gleichrichter 2 die Höhe der Abschaltspan-

nung bestimmt, kann es zweckmäßig sein, die beiden verschieden zu dimensionieren.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltungsanordnung zur Löschung von Schaltfunken an einem oder mehreren Schaltern, die in Reihe mit einer Induktivität in einem Stromkreis liegen, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Sperrichtung zum normalen Stromfluß oder zwei gegeneinander gepolte Sperrschichtgleichrichter parallel zu dem oder den Schaltern angeordnet sind.

2. Schaltungsanordnung zur Löschung von Schaltfunken an einem oder mehreren Schaltern, die in Reihe mit einer Induktivität in einem Stromkreis liegen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegeneinandergepolte Sperrschichtgleichrichter parallel zur Induktivität angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 694 607;

Fortschritte der Radiotechnik, Bd. 12, 1950/51, S. 51 bis 71;

S. Moskowitz: »Pulse Techniques«, New York, 1951, S. 150ff.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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