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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Regelung der
Stromversorgung eines Verbrauchers sowie auf ein Verfahren zum Betrieb
einer Schaltung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere
auf die störarme
Stromversorgung eines Verbrauchers mit Strompulsen.
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Eine
bekannte Schaltung ist in den 1–3 dargestellt.
Eine bekannte Schaltung 100 umfasst eine getaktete Stromquelle 1 SMC (switch
mode current source). Die Stromquelle 1 wird mittels einer
Regeleinrichtung 2 gesteuert, so dass der Strom I1, welcher von der Stromquelle 1 bereitgestellt
wird, konstant gehalten werden kann. Die Regeleinrichtung umfasst
hierbei mittels eines Widerstandes 3 eine Strommesseinrichtung
um eine entsprechende Ansteuerung der Stromquelle zu gewährleisten.
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Die
Schaltung 100 umfasst des Weiteren eine Induktivität 4 sowie
einen Verbraucher 10, welcher mittels der Stromquelle 1 mit
Strom versorgt wird. Der Verbraucher 10 ist beispielhaft
als eine in Durchlassrichtung betriebene Diode dargestellt.
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Parallel
zum Verbraucher 10 weist die Schaltung 11 einen
ersten Schalter 7 auf, welcher durch einen ersten Treiber 6 angesteuert
wird. Hierfür
wird dem ersten Treiber 6 ein Pulse Control Signal 5 bestehend
aus Pulsen und Pulspausen zugeführt,
so dass in der Pulspause der Schalter 7 mittels des Treibers 6 leitend
und während
eines Pulses schlagartig sperrend gesteuert wird.
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Die
Funktionsweise der bekannten Schaltung gliedert sich in drei Phasen
P1, P2 und P3 in Abhängigkeit
von dem Pulse Control Signal 5. Die drei Phasen sind in
den 1–3 schematisch
dargestellt, wobei in 1 die erste Phase P1, in 2 die zweite
Phase 22 und in 3 die dritte Phase P3 dargestellt
ist.
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Das
Pulse Control Signal besteht aus Pulsen und dazwischen liegenden
Pulspausen. In der vorliegenden Beschreibung ist eine erste Pulspause
mit 21 bezeichnet, ein darauffolgender Puls mit 22 und
eine sich an den Puls P2 anschließende zweite Pulspause mit
P3.
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In
der bekannten Schaltung ist ein zweiter Schalter 13 vorgesehen,
welcher in Reihe zum Verbraucher 10 und parallel zum ersten
Schalter 7 geschaltet ist. Dieser zweite Schalter 13 wird
gegenphasig zum ersten Schalter 7 angesteuert, das heißt, bei
Schließen
des ersten Schalters wird der zweite Schalter geöffnet und umgekehrt. Hierbei
ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Ausdruck „Schließen" eines Schalters
dahingehende zu verstehen, dass der Schalter durch den entsprechenden Treiber
leitend gesteuert wird. Ebenso ist der Ausdruck „Öffnen" eines Schalters so zu verstehen, dass der
Schalter durch den zugeordneten Treiber sperrend gesteuert wird.
Des Weiteren ist eine Last 14 vorgesehen, welche in Reihe
zum Verbraucher 10 und parallel zum ersten Schalter 6 angeordnet
ist und eine hohe Lastspannung aufweist. Hierdurch können die
Fallzeiten deutlich verkürzt
werden.
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Die
Funktionsweise der bekannten Schaltung 100 wird anhand
der 1, 2 und 3 im Folgenden
erläutert.
Hierbei ist in 1 die erste Phase P1 des Pulskontrollsignals 5 dargestellt,
in 2 ist die zweite Phase P2 des Pulskontrollsignals dargestellt
und in 3 ist die dritte Phase P3 des Pulskontrollsignals 5 dargestellt.
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1 zeigt
einen Pulsinvertierer 15 welcher das Pulskontrollsignal 5 invertiert
und an einen zweiten Treiber 12 übermittelt. Der zweite Treiber 12 entspricht
in seiner Funktionsweise dem ersten Treiber 6 und dient
zur Ansteuerung des zweiten Schalters 13. Hierbei ist die
Last 14 parallel zum zweiten Schalter 13 geschaltet.
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In 1 ist
die erste Phase P1 des Pulskontrollsignals 5 dargestellt.
Während
der Pulspause ist der erste Schalter 7 leitend gesteuert
und der zweite Schalter 13 ist sperrend gesteuert. Der
eingestellte und durch die Stromquelle 1 eingeprägte Strom
I1 fließt
durch die Induktivität 4 und
den ersten Schalter 7 zurück zur Stromquelle 1.
Der Verbraucher 10, die Last 14 und der zweite
Schalter 13 sind stromlos.
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In 2 ist
die zweite Phase P2, nämlich das
Pulssignal schematisch dargestellt. Durch das Pulssignal wird der
erste Schalter 7 schlagartig sperrend gesteuert und gleichzeitig
der zweite Schalter 13 leitend gesteuert, so dass der durch
die Stromquelle 1 eingeprägte Strom I1 nun
nicht mehr durch den ersten Schalter 7 sondern aufgrund
des Verhaltens der Stromquelle 1 und der Induktivität 4 pulsartig und
rechteckförmig
mit kurzer Anstiegszeit durch den Verbraucher 10 und den
zweiten Schalter 13 zurück zur
Stromquelle 1 fließt.
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In 3 ist
schematisch die dritte Phase P3 dargestellt. In dieser Pulspause
wird der erste Schalter 7 wieder leitend gesteuert und
gleichzeitig der zweite Schalter 13 sperrend gesteuert.
Hierdurch wird der Verbraucher 10 stromlos ebenso wie der zweite
Schalter 13 und der eingeprägte Strom I1 fließt wieder über die
Induktivität 4 und
durch den ersten Schalter 7 zurück zur Stromquelle 1.
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Zu
Beginn der dritten Phase P3 fließt durch den Verbraucher 10 aufgrund
der während
der zweiten Phase P2 in den Leitungsinduktivitäten 8, 9 gespeicherten
magnetischen Energie ein Strom I2 , Der Strom I2 hat
zu Beginn der dritten Phase P3 den gleichen Wert wie der Strom I1, er nimmt aber mit zunehmender Zeit ab,
bis er schließlich
null geworden ist.
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Hierfür ist parallel
zum zweiten Schalter 13 eine Last 14 vorgesehen,
welche eine Zenerdiode mit hoher Zenerspannung sein kann. Der abklingende Strom
I2 generiert hierbei an der Last 14 eine
Lastspannung UL die zusammen mit der Verbraucherspannung
UV des Verbrauchers 10 einen Gesamtspannungswert
hinsichtlich der Fallzeit t des Stromes I2 bildet.
Die Last 14 ist dahingehend ausgestaltet, dass sich eine
hohe Lastspannung UL ergibt, so dass die
Fallzeit des Stromes I2 sehr kurz ist.
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Falls
die Verbraucherspannung U
V und die Lastspannung
U
L nicht stromabhängig sind, so gilt für die Fallzeit
t des Stromes I
2:
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In
einem Beispiel bei einer Leitungsinduktivität von jeweils 50 nH, einem
Laststrom von 100 A, einer Verbraucherspannung U
V von
2 V und einer Lastspannung U
L von 100 V
ergibt sich für
die Fallzeit:
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Durch
die gegenphasige Ansteuerung der beiden Schalter kann somit der
Strom I2 gezielt über eine Last mit einer hohen
Lastspannung innerhalb einer kurzen Zeitdauer auf null gebracht
werden.
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Bei
der bekannten Schaltung können
hauptsächlich
durch die getaktete Stromquelle steuerseitig Hochfrequenzstörungen auftreten.
Zur Reduzierung dieser Hochfrequenzstörungen kann, wie in 4 dargestellt,
die Regeleinrichtung 2 mit Masse 19, d. h. mit
dem Gehäuse
und/oder Erde, gekoppelt werden. Die Kopplung mit Masse kann hierbei
entweder galvanisch oder kapazitiv bzw. hochfrequenzmäßig über einen
Kondensator 18 erfolgen, so dass der Ground (Gnd) der Regeleinrichtung 2 mit
einem metallischen Gehäuse
verbundne ist, das wiederum elektrisch mit Erde 19 verbunden
ist.
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Die
bekannte Schaltung wie in 4 dargestellt
weist neben der Leitungsinduktivitäten 8, 9 eine erste
Leitungskapazität 16 und
eine zweite Leitungskapazität 17 zur
Erde auf, welche im Ersatzschaltbild in 4 als Kondensatoren 16, 17 dargestellt
sind.
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Durch
die in 4 dargestellte Schaltung können zwar die Hochfrequenzstörungen minimiert werden,
die Schaltung weist jedoch mehrere Nachteile auf. Insbesondere weist
die bekannte Schaltung den Nachteil auf, dass in den verschiedenen
Phasen des Pulskontrollsignals 5 Ströme über Masse 19, d. h. über das
Gehäuse
oder die Erde fließen.
Dies wird im Folgenden anhand der 4–8 näher erläutert.
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In 4 ist
die erste Phase 21, das heißt die Pulspause dargestellt.
Während
der ersten Phase 21 ist der erste Schalter 7 leitend
gesteuert, wohingegen der zweite Schalter 13 sperrend gesteuert
ist. Der eingestellte und durch die Stromquelle 1 eingeprägte Strom
I1 fließt
durch die Induktivität 4 und
den ersten Schalter 7 auf der Strecke zwischen D und C
zurück zur
Stromquelle 1.
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In 5 ist
der Zeitraum zwischen dem Ende vom Phase 21 und dem Beginn
von der zweiten Phase P2 des Pulskontrollsignals 5 dargestellt.
Hierbei wird der erste Schalter 7 schlagartig sperrend
gesteuert und gleichzeitig wird der zweite Schalter 13 leitend
gesteuert. Hierbei springt die Spannung am ersten Schalter 7 auf
sehr hohe Werte, beispielsweise auf einige 100 V, da die Stromquelle 1 und
insbesondere die Induktivität 4 versuchen,
den Stromfluss I1 aufrecht zu erhalten,
ein Stromfluss durch den Verbraucher 10 jedoch im ersten
Moment durch die beiden Leitungsinduktivitäten 8, 9 verhindert
wird. Der Strom fließt
daher nun schlagartig über
die erste Leitungskapazität 16, über das
metallische Gehäuse 19 oder über die
Erde 19 und über
den Kondensator 18 zurück
zur Stromquelle 1.
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In
dieser Phase treten ganz erhebliche Hochfrequenzstörungen auf
und zeitgleich tritt an der Strecke zwischen D und C eine Hochfrequenzstörspannung
auf, da diese Strecke schlagartig strombeaufschlagt wird.
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Ein
weiterer Nachteil ist, dass im Moment des Spannungssprunges am ersten
Schalter 7 das Potential am Punkt A gegenüber Erde
auf einen positiven Wert entsprechend der Spannung am ersten Schalter 7 springt,
hingegen das Potential am Punkt B aufgrund der galvanischen oder
hochfrequenzmäßigen Erdung
der Regeleinrichtung 2 ganz oder nahe zu auf Erdpotential
bleibt. Im Falle von gleich großen Werten
der Leitungsinduktivitäten 8, 9 springt
hierbei am Verbraucher 10 das Potential gegenüber Erde
auf den halben Wert des Potentials am Punkt A.
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Ist
der Verbraucher 10 nicht hinreichend gegen Masse 19 isoliert,
so kann dies zu einem Durchschlag oder zur Zerstörung des Verbrauchers 10 führen.
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In 6 ist
die zweite Phase P2 dargestellt. In dieser Phase können weitere
Hochfrequenzstörungen
auftreten, wenn, wie in 6 dargestellt, der Verbraucher 10 den
Strom I1 übernommen hat, da nun schlagartig
kein Strom mehr über
die erste Leitungskapazität 16, über das
metallische Gehäuse oder über die
Erde 19 und über
den Kondensator 18 fließt, und zeitgleich die Strecke
zwischen D und C schlagartig wieder mit dem Strom I1 beaufschlagt wird.
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In 7 ist
der Zeitraum zwischen dem Ende der zweiten Phase P2 und dem Beginn
der dritten Phase 23 des Pulskontrollsignals 5 dargestellt. Der
erste Schalter 7 wird hierbei schlagartig leitend gesteuert
und gleichzeitig wird der zweite Schalter 13 sperrend gesteuert.
Der Strom I1 fließt nun wieder durch den ersten
Schalter 7 zurück
zur Stromquelle 1. Zeitgleich fließt aufgrund der in den Leitungsinduktivitäten 8, 9 gespeicherten
Energie ein eingeprägter Strom
I2 weiter durch den Verbraucher 10.
Da der zweite Schalter 13 sperrend ist, fließt, wie
in 7 dargestellt, der Strom I2 schlagartig über die
zweite Leitungskapazität 17, über das
metallische Gehäuse oder über die
Erde 19 und über
den Kondensator 18 auf der Strecke zwischen C und D zurück.
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Hierbei
treten erhebliche Hochfrequenzstörungen
auf und zeitgleich tritt an der Strecke zwischen C und D eine Hochfrequenzstörspannung
auf, da die mit dem Strom I1 beaufschlagte
Strecke nun durch den Strom I2 stark gestört wird.
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Des
Weiteren lädt
der Strom I2 die zweite Leitungskapazität 17 sehr
schnell auf. Hat die Spannung an der zweiten Leitungskapazität 17 die
Durchbruchsspannung UL1 der beispielhaft
als Zenerdiode dargestellten Last 14 erreicht, so übernimmt
wie in 8 dargestellt die Last 14 schlagartig
den Strom I2.
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Hierbei
treten wiederum erhebliche Hochfrequenzstörungen auf, da das metallische
Gehäuse oder
die Erde 19 nun schlagartig vom Strom I2 befreit ist.
Zeitgleich tritt an der Strecke zwischen C und D eine erhebliche
Hochfrequenzstörspannung
auf, da die Strecke nun ebenfalls schlagartig vom Strom I2 befreit ist.
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Ein
weiterer Nachteil ist, dass das Potential am Punkt B gegenüber Erde 19 auf
einen positiven Wert entsprechend der Lastspannung UL1 springt, hingegen
das Potential am Punkt A aufgrund des leitend gesteuerten ersten
Schalters 7 und der galvanischen oder hochfrequenzmäßigen Erdung
der Regeleinrichtung 2 über
den Kondensator 18 ganz oder nahezu auf Erdpotential bleibt.
Bei gleichgroßen Werten
der Leitungsinduktivitäten 8, 9 springt
hierbei an dem Verbraucher 10 das Potential gegenüber Erde
auf den halben Wert des Potentials am Punkt B. Ist der Verbraucher 10 nicht
hinreichend gegen Masse 19 isoliert, so kann dies zu einem
Durchschlag oder zur Zerstörung
des Verbrauchers 10 führen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile
der bekannten Schaltung zu überwinden.
Insbesondere hat die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine Schaltung
zur Regelung der Stromversorgung eines Verbrauchers sowie ein Verfahren
zum Betrieb einer Schaltung bereitzustellen, bei welchem sowohl
kurze Anstiegs- als auch kurze Fallzeiten ermöglicht werden, und welche gleichzeitig Störungen vermindert.
Des Weiteren ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
sichere Schaltung bereitzustellen, bei der ein eventuelles Gehäuse, in
welchem die Schaltung untergebracht ist, nicht mit Strom beaufschlagt
wird. Darüber
hinaus ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Gefahr der
Zerstörung
von Komponenten der Schaltung zu verringern.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der
unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Regelung der Stromversorgung
eines Verbrauchers umfassend eine Stromquelle zur Bereitstellung
einer Stromversorgung für
einen Verbraucher, einen parallel zum Verbraucher geschalteten und
potentialgetrennt angesteuerten ersten Schalter, wobei durch Öffnen und
Schließen
des ersten Schalters der Strom in Form von getakteten Strompulsen an
den Verbraucher übermittelt
wird, im negativen Zweig einen parallel zum ersten Schalter und
in Reihe zum Verbraucher geschalteten und potentialgetrennt angesteuerten
zweiten Schalter sowie eine parallel zum ersten Schalter und in
Reihe zum Verbraucher geschaltete erste Last, und im positiven Zweig einen
parallel zum ersten Schalter und in Reihe zum Verbraucher und zum
zweiten Schalter geschalteten und potentialgetrennt angesteuerten
dritten Schalter sowie eine parallel zum ersten Schalter und in
Reihe zum Verbraucher und zum zweiten Schalter geschaltete zweite
Last, wobei der zweite Schalter und der dritte Schalter gegenphasig
zum ersten Schalter geöffnet
und geschlossen werden.
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Vorteilhafterweise
ist die Stromquelle eine Gleichstromquelle.
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In
einer ersten Ausführungsform
ist die erste Last parallel zum zweiten Schalter geschaltet und
die zweite Last parallel zum dritten Schalter geschaltet.
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In
dieser ersten Ausführungsform
kann die erste Last und/oder die zweite Last ein Widerstand, ein
spannungsabhängiger
Widerstand, ein Kondensator, eine Diode, eine Zenerdiode, eine Suppressordiode,
ein Halbleiter mit kontrolliertem Avalancheverhalten oder eine Kombination
hieraus sein.
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In
einer zweiten bis siebten Ausführungsform sind
der zweite Schalter und die erste Last in einem Bauelement kombiniert
und der dritte Schalter und die zweite Last sind in einem Bauelement
kombiniert.
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Vorzugsweise
sind hierbei die Last und der zugehörige Schalter in einem Halbleiterschalter
mit kontrolliertem Avalancheverhalten kombiniert.
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Vorteilhafterweise
wird das kontrollierte Avalancheverhalten des Halbleiterschalters
durch die Eigenschaften des Halbleiters bewirkt.
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Alternativ
kann das kontrollierte Avalancheverhalten des Halbleiterschalters
durch externe Beschaltung des Halbleiterschalters bewirkt werden.
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In
einer dritten Ausführungsform
ist eine erste Schutzdiode parallel zum Verbraucher geschaltet.
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In
einer vierten Ausführungsform
ist eine zweite Schutzdiode im negativen Zweig in Reihe zum Verbraucher
geschaltet und eine dritte Schutzdiode ist im positiven Zweig in
Reihe zum Verbraucher geschaltet.
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In
einer fünften
Ausführungsform
ist ein erster Widerstand parallel zum zweiten Schalter geschaltet
und ein zweiter Widerstand ist parallel zum dritten Schalter geschaltet.
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In
einer sechsten Ausführungsform
ist eine erste Konstantstromlast parallel zum zweiten Schalter geschaltet
und eine zweite Konstantstromlast ist parallel zum dritten Schalter
geschaltet.
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In
einer siebten Ausführungsform
ist eine Vorrichtung zur Strommessung vorgesehen und es wird ein
Signal mittels einer geeigneten Anordnung dem zweiten Schalter und
dem dritten Schalter so zugeführt,
dass der zweite Schalter und der dritte Schalter unterhalb eines
bestimmten Stromes wieder leitend gesteuert wird.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
sollen nunmehr anhand der Figuren der begleitenden Zeichnungen und der
detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert werden.
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Hierbei
zeigt
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1 eine
erste Phase einer ersten bekannten Schaltung,
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2 eine
zweite Phase einer ersten bekannten Schaltung,
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3 eine
dritte Phase einer ersten bekannten Schaltung,
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4 eine
erste Phase einer zweiten bekannten Schaltung,
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5 den Übergang
von der ersten zu einer zweiten Phase einer zweiten bekannten Schaltung,
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6.
eine zweite Phase einer zweiten bekannten Schaltung,
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7 den Übergang
von der zweiten zu einer dritten Phase der zweiten bekannten Schaltung,
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8 eine
dritte Phase einer zweiten bekannten Schaltung,
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9 eine
erste Phase eines ersten Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung,
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10 eine
zweite Phase eines ersten Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung,
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11 eine
dritte Phase eines ersten Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung,
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12 eine
erste Phase eines ersten Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung,
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13 den Übergang
von der ersten Phase zu einer zweiten Phase eines ersten Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung,
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14.
eine zweite Phase einer eines ersten Ausführungsbeispieles der vorliegenden
Erfindung,
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15 den Übergang
von der zweiten zu einer dritten Phase eines ersten Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung,
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16 eine
dritte Phase eines ersten Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung,
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17 die
dritte Phase eines zweiten Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung,
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18 die
dritte Phase eines dritten Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung,
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19 die
dritte Phase eines vierten Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung,
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20 die
dritte Phase eines fünften
Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung,
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21 die
dritte Phase eines sechsten Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung,
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22 die
dritte Phase eines siebten Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung.
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In
den 9–22 sind
verschiedene Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gleiche Komponenten sind
hierbei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Eine Schaltung 11 gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst eine Stromquelle 1, welche vorzugsweise
eine getaktete Stromquelle SMC (switch mode current source) ist. Die
Stromquelle 1 wird mittels einer Regeleinrichtung 2 gesteuert,
so dass der Strom I1, welcher von der Stromquelle 1 bereitgestellt
wird, konstant gehalten werden kann. Die Regeleinrichtung umfasst
hierbei mittels eines Widerstandes 3 eine Strommesseinrichtung,
um eine entsprechende Ansteuerung der Stromquelle zu gewährleisten.
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Die
Schaltung 11 umfasst des Weiteren eine erste Induktivität 4 im
positiven Zweig, eine zweite Induktivität 20 im negativen
Zweig sowie einen Verbraucher 10, welcher mittels der Stromquelle 1 mit Strom
versorgt wird. Der Verbraucher 10 ist im dargestellten
Ausführungsbeispiel
beispielhaft als eine in Durchlassrichtung betriebene Diode dargestellt,
ist aber nicht auf die dargestellte Ausführung beschränkt und
auf jeden anderen beliebigen Verbraucher 10 anwendbar,
welcher mit Strompulsen betrieben wird.
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Parallel
zum Verbraucher 10 weist die Schaltung 11 einen
ersten Schalter 7 auf, welcher durch einen ersten Treiber 6,
in 9 bis 22 beispielhaft als Überträger dargestellt
potentialgetrennt angesteuert wird. Hierfür wird dem ersten Treiber 6 ein Pulse
Control Signal 5 bestehend aus Pulsen und Pulspausen zugeführt, so
dass in der Pulspause der Schalter 7 mittels des Treibers 6 leitend
und während eines
Pulses schlagartig sperrend gesteuert wird.
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Wie
bereits erläutert
ist in der vorliegenden Beschreibung eine erste Pulspause mit P1
bezeichnet, ein darauffolgender Puls mit P2 und eine sich an den
Puls P2 anschließende
zweite Pulspause mit P3. Obwohl sich die vorliegende Beschreibung
auf die Erläuterung
von drei Pulsphasen P1, P2 und P3 beschränkt, ist es klar, dass sich
an diese Phase eine längere
aus mehreren Pulsen und Pulspausen bestehende Folge anschließt. Insbesondere
die Phasen P2 und P3 wiederholen sich.
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Wie
bereits erläutert
ist in der bekannten Schaltung ein erster Schalter 7 parallel
zum Verbraucher 10 vorgesehen und des Weiteren im negativen Zweig
ein zweiter Schalter 13, welcher parallel zum ersten Schalter 7 und
in Reihe zum Verbraucher 10 geschaltet ist. Gemäß eines
ersten Ausführungsbeispieles
ist parallel zum zweiten Schalter 13 ist eine erste Last 14 geschaltet,
welche eine hohe Lastspannung aufweist und hierdurch die Fallzeiten
des Stromes verkürzt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist darüber
hinaus der zweite Schalter 13 potentialgetrennt über dem
Treiber 12, in 9 bis 22 beispielhaft als Übertrager
dargestellt, angesteuert. Weiter ist im positiven Zweig ein dritter
Schalter 22 vorgesehen, welcher in Reihe zum Verbraucher 10 und
parallel zum ersten Schalter 7 geschaltet ist. Der dritte
Schalter 22 wird potentialgetrennt über den Treiber 21,
in 9 bis 22 beispielhaft
als Übertrager
dargestellt, angesteuert. Gemäß des ersten
Ausführungsbeispieles
ist parallel zum dritten Schalter eine zweite Last 23 vorgesehen,
welche ebenfalls eine hohe Lastspannung aufweist.
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Der
Begriff potentialgetrennte Ansteuerung im Sinne der vorliegenden
Erfindung bedeutet, dass das Pulskontrollsignal 5 galvanisch
von den Treibern und somit auch galvanisch von den drei Schaltern
getrennt ist. Entsprechend sind in den 9 bis 22 die
Treiber beispielhaft als Übertrager
dargestellt, die Treiber können
jedoch auch mittels eines Optokopplers galvanisch vom Pulskontrollsignal 5 getrennt sein.
Durch die galvanische Trennung der Treiber vom Pulskontrollsignal 5 sind
auch die Schalter galvanisch vom Pulskontrollsignal 5 getrennt.
Dies ist erforderlich, da sich die Schalter, abhängig von der Phase des Pulskontrollsignals 5 auf
unterschiedlichen Potentialen befinden. Ohne eine galvanische Entkopplung
vom Pulskontrollsignal 5 könnten die Schalter keine unterschiedlichen
Potentiale annehmen. Durch die Entkopplung können die Schalter floaten.
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In
diesem ersten Ausführungsbeispiel
sind die erste Last 14 und der zweite Schalter 13 sowie die
zweite Last 23 und der dritte Schalter 22 getrennte
Komponenten. Wie anhand von weiteren Ausführungsbeispielen später erläutert werden
wird, können der
zweite Schalter und die erste Last in einem Bauelement kombiniert
sein, ebenso können
der dritte Schalter und die zweite Last in einem Bauelement kombiniert
sein.
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Die
Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltung 11 wird
anhand des ersten Ausführungsbeispieles,
wie es in den 9–11 dargestellt ist,
im Folgenden erläutert.
Hierbei ist in 9 die erste Phase P1 des Pulskontrollsignals 5 dargestellt, in 10 die
zweite Phase P2 des Pulskontrollsignals 5 und in 11 die
dritte Phase P3 des Pulskontrollsignals 5.
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In 9 ist
ein Pulsinvertierer 15 dargestellt, welcher das Pulskontrollsignal 5 invertiert
und das invertierte Signal an den zweiten Treiber 12 und
an einen dritten Treiber 21 übermittelt. Der zweite Treiber 12 und
der dritte Treiber 21 entsprechen in ihrer Funktionsweise
jeweils dem ersten Treiber 6 und dienen zur Ansteuerung
des zweiten Schalters 13 bzw. des dritten Schalters 22.
In diesem ersten Ausführungsbeispiel
ist die erste Last 14 parallel zum zweiten Schalter 13 geschaltet
und die zweite Last 23 ist parallel zum dritten Schalter 22 geschaltet.
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In 9 ist
die erste Phase P1 des Pulskontrollsignals 5 dargestellt.
Während
der Pulspause ist der erste Schalter 7 leitend gesteuert
und der zweite Schalter 13 sowie der dritte Schalter 22 sind
sperrend gesteuert. Der eingestellte und durch die Stromquelle 1 eingeprägte Strom
I1 fließt
durch die erste Induktivität 4,
den ersten Schalter 7 und die zweite Induktivität 20 zurück zur Stromquelle 1.
Der Verbraucher 10, der zweite Schalter 13, der
dritte Schalter 22 sowie die erste Last 14 und
die zweite Last 23 sind stromlos.
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In 10 ist
die zweite Phase P2, nämlich das
Pulssignal schematisch dargestellt. Durch das Pulssignal wird der
erste Schalter 7 schlagartig sperrend gesteuert und gleichzeitig
der zweite Schalter 13 und der dritte Schalter 22 leitend
gesteuert, so dass der durch die Stromquelle 1 eingeprägte Strom I1 nun nicht mehr durch den ersten Schalter 7 sondern
aufgrund des Verhaltens der Stromquelle 1, der ersten Induktivität 4 und
der zweiten Induktivität 20 pulsartig
und rechteckförmig
mit kurzer Anstiegszeit durch den Verbraucher 10 sowie
den zweiten Schalter 13 und den dritten Schalter 22 zurück zur Stromquelle 1 fließt.
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In 11 ist
schematisch die dritte Phase P3 dargestellt. In dieser Pulsspause
wird der erste Schalter 7 wieder leitend gesteuert und
gleichzeitig der zweite Schalter 13 und der dritte Schalter 22 sperrend
gesteuert. Hierdurch wird der Verbraucher 10 stromlos ebenso
wie der zweite Schalter 13 und der dritte Schalter 22,
und der eingeprägte
Strom I1 fließt wieder über die Induktivitäten 4, 20 und
durch den ersten Schalter 7 zurück zur Stromquelle 1.
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Zu
Beginn der dritten Phase P3 fließt durch den Verbraucher 10 aufgrund
der während
der zweiten Phase 22 in den Leitungsinduktivitäten 8, 9 gespeicherten
magnetischen Energie ein Strom I2. Der Strom
I2 hat zu Beginn der dritten Phase P3 den
gleichen Wert wie der Strom I1, er nimmt
aber mit zunehmender Zeit ab, bis er schließlich null geworden ist.
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Im
vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel ist
parallel zum zweiten Schalter eine erste Last 14 vorgesehen
und parallel zum dritten Schalter 22 eine zweite Last 23,
welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel
jeweils eine Zenerdiode mit hoher Zenerspannung sein kann. Der abklingende
Strom I2 generiert hierbei an der ersten
Last 14 und an der zweiten Last 23 eine erste
Lastspannung UL1 bzw. eine zweite Lastspannung
UL2, die zusammen mit der Verbraucherspannung
UV des Verbrauchers 10 einen Gesamtspannungswert
hinsichtlich der Fallzeit des Stromes I2 bildet.
Vorteilhafterweise ist die erste Last 14 und die zweite
Last 23 dahingehend ausgestaltet, dass sich eine hohe Lastspannung
UL1 und UL2 ergibt, sodass
die Fallzeit des Stromes I2 sehr kurz ist.
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Falls
die Verbraucherspannung U
V und die beiden
Lastspannungen U
L1 und U
L2 nicht
stromabhängig
sind, so gilt für
die Fallzeit t des Stromes I
2:
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In
dem bereits genannten Beispiel bei einer Leitungsinduktivität von jeweils
50 nH, einem Laststrom von 100 A, einer Verbraucherspannung U
V von 2 V und einer Lastspannung von jeweils
100 V ergibt sich für
die Fallzeit:
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Durch
die vorliegende Erfindung mit dem potenetialgetrennt angesteuerten
ersten Schalter 7, sowie durch das Vorsehen eines potentialgetrennt
angesteuerten zweiten Schalters und eines potentialgetrennt angesteuerten
dritten Schalters sowie einer weiteren Induktivität 20 können somit
wie bei der bekannten Schaltung weiterhin kurze Fallzeiten und kurze
Anstiegszeiten ermöglicht
werden. Darüber
hinaus ermöglicht
die vorliegende Erfindung einen störarmen Betrieb. Auch im Falle
einer Kopplung der Regeleinrichtung 2 mit Masse wird ein
störarmer
Betrieb der Schaltung ermöglicht.
Dies wird im Folgenden anhand der 13–16 im
Detail erläutert. Hierbei
ist exemplarisch wieder das erste Ausführungsbeispiel mit je einer
zum zweiten und dritten Schalter parallel geschalteten Last dargestellt.
Die folgenden Ausführungen
sind aber ebenso auf die anderen Ausführungsbeispiele anwendbar.
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Hierbei
ist wie in der bekannten Schaltung die Regeleinrichtung 2 mit
Masse 19 gekoppelt. Dies kann entweder durch eine galvanische
Verbindung oder kapazitiv bzw. hochfrequenzmäßig mittels eines Kondensators 18 erreicht
werden. Hierdurch können steuerseitig
auftretende Hochfrequenzstörungen, welche
hauptsächlich
durch die getaktete Stromquelle 1 verursacht werden, reduziert
werden. Gleichzeitig weisen die beiden Leitungen zum Verbraucher 10 jeweils
eine Leitungskapazität
zur Erde 19 auf, welches in den 13–16 durch
einen ersten Kondensator 16 und einen zweiten Kondensator 17 im Ersatzschaltbild
dargestellt ist. Auch falls keine Kopplung der Regeleinrichtung
mit Masse vorliegt, erlaubt die vorliegende Schaltung einen störarmen Betrieb.
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Die
verschiedenen Phasen bei der bekannten Schaltung wurden bereits
anhand der 4–8 erläutert. Im
Folgenden werden nun die gleichen Phasen für den Fall der erfindungsgemäßen Schaltung
anhand der 12–16 erläutert, sodass
die Vorteile der vorliegenden Erfindung deutlich werden.
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In 12 ist
die erste Phase P1 des Pulskontrollsignals 5 dargestellt.
Während
der Pulspause ist der erste Schalter 7 leitend gesteuert,
der zweite Schalter 13 und der dritte Schalter 22 sind
sperrend gesteuert. Der eingestellte und durch die Stromquelle 1 eingeprägte Strom
I1 fließt
durch die erste Induktivität 4,
den ersten Schalter 7 und durch die zweite Induktivität 20 zurück zur Stromquelle 1,
der Verbraucher 10 ist stromlos.
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In 13 ist
der Zeitraum zwischen dem Ende der ersten Phase P1 und dem Beginn
der zweiten Phase 22 des Pulskontrollsignals 5 dargestellt. Wird
der erste Schalter 7 schlagartig sperrend gesteuert und
gleichzeitig der zweite Schalter 13 und der dritte Schalter 22 leitend
gesteuert, so springt die Spannung am ersten Schalter 7 auf
sehr hohe Werte, beispielsweise auf einige 100 Volt, da die Stromquelle 1 und
insbesondere die Induktivitäten 4 und 20 versuchen,
den Stromfluss aufrecht zu erhalten, ein Stromfluss durch den Verbraucher 10 jedoch
im ersten Moment durch die beiden Leitungsinduktivitäten 8, 9 verhindert
wird.
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Anders
als bei der bekannten und in 5 dargestellte
Schaltung, springt bei gleichen Werten der Induktivitäten 4, 20 im
Moment des Spannungssprunges am ersten Schalter 7 das Potential
am Punkt A gegenüber
Erde auf einen positiven Wert entsprechend der halben Spannung am
ersten Schalter 7, das Potential am Punkt B gegenüber Erde 19 springt
hingegen auf einen negativen Wert entsprechend der halben Spannung
am ersten Schalter 7. Der eingeprägte Strom I1 fließt somit über die
erste Leitungskapazität 16,
die zweite Leitungskapazität 17 und über die
Induktivität 20 zurück zur Stromquelle 1.
Es fließt
somit kein Strom mehr über
das metallische Gehäuse
oder über
die Erde 19 und über
den Kondensator 18 zurück
zur Stromquelle 1, somit treten keine Hochfrequenzstörungen auf.
Auch an der Strecke zwischen D und C tritt keine Hochfrequenzstörspannung
auf, da der Strom I1 an der Strecke unverändert bleibt.
Des Weiteren wird durch die vorliegende Schaltung ein hoher Sicherheitsstandard
gewährleistet,
da kein Strom über
das Gehäuse,
in welchem eine solche Schaltung untergebracht sein kann, fließt.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass bei gleich großen Leitungsinduktivitäten 8, 9 das
Potential an dem Verbraucher 10 gegenüber Erde unverändert bleibt, der
Verbraucher somit annähernd
Erdpotential hat somit muss der Verbraucher nicht mit hoher Spannungsfestigkeit
gegen Erde isoliert sein. Die vorliegende Schaltung 11 ist
somit weniger gefährdet,
in bestimmten Komponenten auszufallen. Des Weiteren wird der Aufbau
des Gehäuses,
in welchem die Schaltung untergebracht ist, vereinfacht, da keine spezielle
Isolierung vorgesehen sein muss. Ebenfalls anders als bei der bekannten
Schaltung treten keine Hochfrequenzstörungen auf wenn, wie in 14 dargestellt,
der Verbraucher in der zweiten Phase P2 den Strom I1 übernommen
hat.
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In 15 ist
der Zeitraum zwischen dem Ende der zweiten Phase P2 und dem Beginn
der dritten Phase 23 des Pulskontrollsignals 5 dargestellt. Der
erste Schalter 7 wird schlagartig leitend gesteuert und
gleichzeitig werden der zweite Schalter 13 und der dritte
Schalter 22 sperrend gesteuert. Der Strom I1 fließt nun wieder
durch den ersten Schalter 7 zurück zur Quelle. Zeitgleich fließt aufgrund
der in den Leitungsinduktivitäten 8 und 9 gespeicherten
Energie ein eingeprägter
Strom I2 weiter durch den Verbraucher 10.
Da der zweite Schalter 13 und der dritte Schalter 22 gesperrt
sind, fließt,
wie in 15 dargestellt, der Strom nun
nicht mehr wie bei der bekannten Schaltung, dargestellt in 7,
schlagartig über die
zweite Leitungskapazität 17 über das
metallische Gehäuse
oder über
die Erde 19 und über
den Kondensator 18 auf der Strecke zwischen D und C zurück, sondern
er fließt über die
zweite Leitungskapazität 17 und
die erste Leitungskapazität 16 zurück.
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Anders
als bei der bekannten Schaltung 100 treten hierbei keine
Hochfrequenzstörungen
auf, da kein Strom über
das metallische Gehäuse
oder über die
Erde 19 fließt.
Auch an der Strecke zwischen D und C tritt keine Hochfrequenzstörspannung
auf, da der Strom I1 an der Strecke unverändert bleibt.
Der Strom I2 wie in 15 dargestellt
lädt die
Leitungskapazitäten 16 und 17 sehr
schnell auf. Hat die Spannung an den Leitungskapazitäten 16 und 17 die Durchbruchspannung
UL1 ersten Last 14 und die Durchbruchspannung
UL2 der zweiten Lasten 22 erreicht,
so übernehmen
in der dritten Phase P3 wie in 16 dargestellt,
die Lasten 14, 22 schlagartig den Strom I2. Anders als bei der bekannten Schaltung
treten hierbei wiederum keine Hochfrequenzstörungen auf, da kein Strom über das
metallische Gehäuse oder über die
Erde 19 geflossen ist.
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Auch
an der Strecke zwischen D und C tritt keine Hochfrequenzstörspannung
auf, da der Strom I1 an der Strecke unverändert bleibt.
Ebenfalls anders als bei der bekannten Schaltung springt das Potential am
Punkt B gegenüber
Erde 19 auf einen positiven Wert entsprechend der Spannung
UL2, hingegen springt das Potential am Punkt
A auf einen negativen Wert entsprechend der Spannung UL2.
Bei gleich großen
Werten der Leitungsinduktivitäten 8, 9 bleibt
somit der Verbraucher 10 annähernd auf Erdpotential und
muss somit nicht mit hoher Spannungsfestigkeit gegen Erde isoliert
sein.
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Durch
die vorliegende Erfindung werden somit Hochfrequenzstörungen vermieden,
gleichzeitig wird ein hoher Sicherheitsstandard garantiert, da kein
Strom über
das Gehäuse
oder über
die Erde fließt.
Gleichzeitig wird jedoch die Funktionsweise der Schaltung, welche
kurze Fallzeiten des Stromes I2 garantiert,
nicht beeinträchtigt,
sondern im Gegenteil durch eine weitere Last weiter verbessert.
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Das
Prinzip der vorliegenden Erfindung wurde anhand einer ersten Ausführungsform,
welche in den 9–16 dargestellt
ist, beschrieben. Hierbei ist jeweils zum zweiten Schalter 13 und
zum dritten Schalter 22 parallel eine Last geschaltet,
welche eine hohe Lastspannung aufweist.
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In 17 ist
eine zweite Ausführungsform gemäß der Schaltung 11 der
vorliegenden Erfindung dargestellt. In 17 wird
als zweiter Schalter 24 ein Halbleiterschalter mit kontrolliertem
Avalanche-Verhalten verwendet, wodurch dieser Schalter zusätzlich die
Funktion einer Last hat. Ebenso ist als dritter Schalter 25 ein
Halbleiterschalter mit kontrolliertem Avalanche-Verhalten verwendet,
wodurch auch der dritte Schalter 25 zusätzlich die Funktion einer Last hat.
Somit ist nicht wie im ersten Ausführungsbeispiel jeweils eine
zusätzliche
parallel zum Schalter geschaltete Last notwendig. Das Avalance-Verhalten der beiden
Schalter 24, 25 kann hierbei entweder durch die
Eigenschaft des Halbleiters selbst oder durch geeignete externe
Beschaltung des Halbleiters herbei geführt sein. Zu beginn der dritten
Phase P3 während
der zweite Schalter 24 und der dritte Schalter 25 sperrend gesteuert
sind, generiert der Strom I2 an den Schaltern
eine so hohe Spannung, dass diese in den Avalance-Durchbruch kommen
und die anliegende Spannung so lange auf dem Wert der Durchbruchspannung
halten, bis der Strom 12 zu null geworden ist. Wird für den zweiten
und dritten Schalter 24, 25 ein Halbleiter gewählt, der
eine hohe Durchbruchspannung hat, so ist die Fallzeit des Stromes
I2 sehr kurz.
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In
den 18–22 sind
weitere Ausführungsbeispiele
der vorliegenden erfindungsgemäßen Schaltung 11 dargestellt,
bei welchen der zweite Schalter 24 und der dritte Schalter 25 jeweils
ein Halbleiterschalter mit kontrolliertem Avalanche-Verhalten sind.
Der zweite Schalter 24 und der dritte Schalter 25 haben
in den dargestellten Ausführungsformen
eine parasitäre
Parallel-Kapazität (Drain-Source-Kapazität), welche
schematisch als Kondensator 26 und 27 im Schaltbild
dargestellt sind. Zu Beginn der dritten Phase P3, wenn der Strom
I2 sich dem Nullwert nähert, gehen der zweite Schalter 24 und
der dritte Schalter 25 bei noch anliegender Durchbruchspannung
aus dem Avalanche-Durchbruch in den Sperrzustand über. Hierbei
bleiben die Parallel-Kapazitäten
unerwünscht
auf einem Spannungswert UC2 bzw. UC3 geladen, entsprechend den Werten der Durchbruchspannung
des zweiten Schalters 24 und des dritten Schalters 25.
Diese Spannungen UC2 bzw. UC3 sind
derart gerichtet, dass sie an dem Verbraucher 10 invers
anliegen. Wird als Verbraucher 10 beispielsweise eine Diode
mit geringer Sperrspannung verwendet, so würde diese aufgrund der anliegenden
Inversspannungen zerstört
werden. Dieses Problem wird bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen
vermieden.
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18 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der parallel zum Verbraucher 10 eine
erste Schutzdiode 28 geschaltet ist und somit eine Inversspannung
an dem Verbraucher 10 vermieden wird.
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19 zeigt
eine vierte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Schaltung 11,
bei der eine zweite Schutzdiode 29 im negativen Zweig in
Reihe zum Verbraucher 10 liegt und bei der eine dritte Schutzdiode 30 im
positiven Zweig in Reihe zum Verbraucher 10 liegt, und
somit ebenfalls eine Inversspannung an dem Verbraucher 10 vermieden
wird.
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20 zeigt
eine fünfte
Ausführungsform, bei
der ein erster Widerstand 31 parallel zum zweiten Schalter 24 liegt
und so die parasitäre
Parallelkapazität 26 des
Schalters 24 entlädt.
Ebenso ist ein zweiter Widerstand 32 parallel zum dritten
Schalter 25 vorgesehen, welcher die parasitäre Parallelkapazität 27 des
Schalters 25 entlädt.
Hierbei sind die Widerstände
so dimensioniert, dass zu dem Zeitpunkt, in welchem der Strom I2 zu null geworden ist, auch die Spannungen
UC2 bzw. UC3 am
zweiten bzw. dritten Schalter 24, 25 zu null geworden
sind, die Kapazitäten
somit entladen sind und dadurch eine Inversspannung an dem Verbraucher 10 vermieden
wird.
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21 zeigt
eine sechste Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Schaltung 11,
bei welcher eine erste Konstantstromlast 33 parallel zum
zweiten Schalter 24 und ein zweite Konstantstromlast 34 parallel
zum dritten Schalter 25 liegen und somit die Kapazitäten der
Kondensatoren 26, 27 entladen. Hierbei sind die
Konstantstromlasten 33, 34 so dimensioniert, dass
zu dem Zeitpunkt, in welchem der Strom I2 zu
null geworden ist, auch die Spannungen UC2 bzw. UC3 am zweiten bzw. dritten Schalter 24, 25 zu
null geworden sind, die Kapazitäten
somit entladen ist und dadurch eine Inversspannung an dem Verbraucher 10 vermieden
wird.
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22 zeigt
eine siebte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Schaltung,
bei welcher über einen
in Reihe zum zweiten Schalter 24 geschalteten dritten Widerstand 35 der
Strom I2 gemessen wird und das Messsignal über eine
geeignete Anordnung in der Treiberschaltung 12 dem zweiten
Schalter 24 so zugeführt
wird, dass dieser unterhalb eines bestimmten Stromwertes I2 wieder leitend gesteuert wird und somit
die Kapazität
des parasitären
Kondensators 26 entladen ist, wenn der Strom I2 zu
null geworden ist. Eine solche Anordnung ist ebenfalls mittels eines
vierten Widerstandes 36, welcher in Reihe zum dritten Schalter 25 geschaltet
ist, dargestellt. Dadurch tritt keine Inversspannung an dem Verbraucher 10 auf.
Statt einer Strommessung mittels eines Widerstandes ist auch jede
andere Art der Strommessung möglich,
um den zweiten Schalter 24 und den dritten Schalter 25 unterhalb
eines bestimmten Stromwertes wieder leitend zu steuern. Beispielsweise
kann die Strommessung auch mittels eines Stromwandlers erfolgen.
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Die
in dem zweiten bis siebten Ausführungsbeispiel
genannten Möglichkeiten
zum Schutz des Verbrauchers 10 vor einer Inversspannung
können auch
im ersten Ausführungsbeispiel
angewendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Beispielsweise ist es möglich,
einen der beiden Schalter 24, 25 als Schalter
mit separater und parallel dazu geschalteter Last auszubilden und
den anderen Schalter als kombiniertes Bauelement aus Schalter und
Last. Insbesondere kann die Last ein Widerstand, ein spannungsabhängiger Widerstand,
ein Kondensator, eine Diode, eine Zenerdiode, eine Suppressordiode,
ein Halbleiter mit kontrolliertem Avalancheverhalten oder eine Kombination
hieraus sein.
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Des
Weiteren ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Ausführungsbeispiel
beschränkt,
in welchem die Regeleinrichtung 2 mit Masse 19 gekoppelt ist.
Vielmehr ermöglicht
das Versehen dreier potentialgetrennt angesteuerter Schalter generell
einen störarmen
Betrieb mit kurzen Anstiegs- und Fallzeiten.