DE102007056955B4

DE102007056955B4 - Schaltung zur Regelung der Stromversorgung eines Verbrauchers und Verfahren zum Betrieb einer Schaltung

Info

Publication number: DE102007056955B4
Application number: DE200710056955
Authority: DE
Inventors: Peter Moosbauer
Original assignee: Moosbauer Peter Dipl-Ing(fh)
Current assignee: Messtec Power Converter De GmbH
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2027-11-28
Also published as: US8487482B2; DE102007056955A1; US20100283321A1; WO2009068163A1

Abstract

Schaltung zur Regelung der Stromversorgung eines Verbrauchers (10) umfassend
eine Stromquelle (1) mit zwei in Reihe liegenden Induktivitäten (4, 20) zur Bereitstellung einer Stromversorgung für einen Verbraucher (10),
einen parallel zur Reihenschaltung aus Stromquelle (1) und den Induktivitäten (4, 20) geschalteten und potentialgetrennt angesteuerten ersten Schalter (7), wobei durch Öffnen und Schließen des ersten Schalters (7) der Strom in Form von getakteten Strompulsen an den Verbraucher (10) übermittelt wird,
eine parallel zum ersten Schalter (7) angeordnete Reihenschaltung aus einem potentialgetrennt angesteuerten zweiten Schalter (13, 24) im negativen Zweig, dem Verbraucher (10) und einem potentialgetrennt angesteuerten dritten Schalter (22, 25) im positiven Zweig,
eine parallel zum zweiten Schalter (13) geschaltete erste Last (14) mit hoher Lastspannung oder einen zweiten Schalter (24) mit hoher Durchbruchspannung als Last, eine parallel zum dritten Schalter (22) geschaltete zweite Last (23) mit hoher Lastspannung oder einen dritten Schalter (25) mit hoher Durchbruchspannung...

Description

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.
Eine betriebsintern bekannte Schaltung wie in der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2007 056 956.6-32 ist in den 1–3 dargestellt. Die 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.
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.
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.
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 P2 und in 3 die dritte Phase P3 dargestellt ist.
Das Pulse Control Signal besteht aus Pulsen und dazwischen liegenden Pulspausen. In der vorliegenden Beschreibung ist eine erste Pulspause mit P1 bezeichnet, ein darauffolgender Puls mit P2 und eine sich an den Puls P2 anschließende zweite Pulspause mit P3.
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.
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.
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.
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.
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.
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 nach Ablauf der Fallzeit 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.
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.
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 U_L die zusammen mit der Verbraucherspannung U_V des Verbrauchers 10 einen Gesamtspannungswert hinsichtlich der Fallzeit t des Stromes I₂ bildet. Die Last 14 ist dahingehend ausgestaltet, dass sich eine hohe Lastspannung U_L ergibt, so dass die Fallzeit des Stromes I₂ sehr kurz ist.
Falls die Verbraucherspannung U_V und die Lastspannung U_L nicht stromabhängig sind, so gilt für die Fallzeit t des Stromes I₂:
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:
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.
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 verbunden ist, das wiederum elektrisch mit Erde 19 verbunden ist.
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.
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.
In 4 ist die erste Phase P1, das heißt die Pulspause dargestellt. Während der ersten Phase P1 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.
In 5 ist der Zeitraum zwischen dem Ende vom Phase P1 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.
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 stromentlastet wird.
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.
Ist der Verbraucher 10 nicht hinreichend gegen Masse 19 isoliert, so kann dies zu einem Durchschlag oder zur Zerstörung des Verbrauchers 10 führen.
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.
In 7 ist der Zeitraum zwischen dem Ende der zweiten Phase P2 und dem Beginn der dritten Phase P3 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.
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.
Des Weiteren lädt der Strom I₂ die zweite Leitungskapazität 17 sehr schnell auf. Hat die Spannung an der zweiten Leitungskapazität 17 die Durchbruchsspannung U_L1 beispielhaft als Zenerdiode dargestellten Last 14 erreicht, so übernimmt wie in 8 dargestellt die Last 14 schlagartig den Strom I₂.
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.
Ein weiterer Nachteil ist, dass das Potential am Punkt B gegenüber Erde 19 auf einen positiven Wert entsprechend der Lastspannung U_L1 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 dem 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.
Eine Schaltung zur Erzeugung eines elektrischen Pulses hoher Leistung ist aus der Druckschrift DE 44 40 013 C1 bekannt. Der Modulator umfasst einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter, welche gegenphasig getaktet sind. Der erste Schalter befindet sich im Energiespeicherzweig des Modulators und der zweite Schalter im Lastzweig des Modulators. Durch einen im Lastzweig vorgesehenen Kondensator parallel zum Verbraucher, welcher bei leitendem zweiten Schalter wirksam wird, kann ein Serienschwingkreis realisiert werden.
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.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Regelung der Stromversorgung eines Verbrauchers umfassend eine Stromquelle mit zwei in Reihe liegenden Induktivitäten zur Bereitstellung einer Stromversorgung für einen Verbraucher, einen parallel zur Reihenschaltung aus Stromquelle und den Induktivitäten 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, eine parallel zum ersten Schalter angeordnete Reihenschaltung aus einem potentialgetrennt angesteuerten zweiten Schalter im negativen Zweig, dem Verbraucher und einem potentialgetrennt angesteuerten dritten Schalter im positiven Zweig, eine parallel zum zweiten Schalter geschaltete erste Last mit hoher Lastspannung oder einen zweiten Schalter mit hoher Durchbruchspannung als Last, eine parallel zum dritten Schalter geschaltete zweite Last mit hoher Lastspannung oder einen dritten Schalter mit hoher Durchbruchspannung als Last, wobei der zweite Schalter und der dritte Schalter gegenphasig zum ersten Schalter geöffnet und geschlossen werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltung, wobei die Schaltung eine Stromquelle mit zwei in Reihe liegenden Induktivitäten zur Bereitstellung einer Stromversorgung für einen Verbraucher, einen parallel zur Reihenschaltung aus Stromquelle und den Induktivitäten geschalteten und potentialgetrennt angesteuerten ersten Schalter, eine parallel zum ersten Schalter angeordnete Reihenschaltung aus einem potentialgetrennt angesteuerten zweiten Schalter im negativen Zweig, dem Verbraucher und einem potentialgetrennt angesteuerten dritten Schalter im positiven Zweig, eine parallel zum zweiten Schalter geschaltete erste Last mit hoher Lastspannung oder einen zweiten Schalter mit hoher Durchbruchspannung als Last, eine parallel zum dritten Schalter geschaltete zweite Last mit hoher Lastspannung oder einen dritten Schalter mit hoher Durchbruchspannung als Last umfasst, umfassend die Schritte Öffnen und Schließen des ersten Schalters zur Übermittlung von getakteten Strompulsen an den Verbraucher und Öffnen und Schließen des zweiten Schalters und des dritten Schalters gegenphasig zum ersten Schalter.
Vorteilhafterweise ist die Stromquelle eine Gleichstromquelle.
Es 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.
Vorzugsweise sind hierbei die Last und der zugehörige Schalter in einem Halbleiterschalter mit kontrolliertem Avalancheverhalten kombiniert.
Vorteilhafterweise wird das kontrollierte Avalancheverhalten des Halbleiterschalters durch die Eigenschaften des Halbleiters bewirkt.
Alternativ kann das kontrollierte Avalancheverhalten des Halbleiterschalters durch externe Beschaltung des Halbleiterschalters bewirkt werden.
In einer dritten Ausführungsform ist eine erste Schutzdiode parallel zum Verbraucher geschaltet.
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.
In einer fünften Ausführungsform ist ein erster Widerstand parallel zum zweiten Schalter geschaltet und ein zweiter Widerstand ist parallel zum dritten Schalter geschaltet.
In einer sechsten Ausführungsform ist eine erste Konstantstromlast parallel zum zweiten Schalter geschaltet und eine zweite Konstantstromlast ist parallel zum dritten Schalter geschaltet.
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.
Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr anhand der Figuren der begleitenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Hierbei zeigt
1 eine erste Phase einer ersten bekannten Schaltung,
2 eine zweite Phase einer ersten bekannten Schaltung,
3 eine dritte Phase einer ersten bekannten Schaltung,
4 eine erste Phase einer zweiten bekannten Schaltung,
5 den Übergang von der ersten zu einer zweiten Phase einer zweiten bekannten Schaltung,
6. eine zweite Phase einer zweiten bekannten Schaltung,
7 den Übergang von der zweiten zu einer dritten Phase der zweiten bekannten Schaltung,
8 eine dritte Phase einer zweiten bekannten Schaltung,
9 eine erste Phase eines ersten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
10 eine zweite Phase eines ersten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
11 eine dritte Phase eines ersten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
12 eine erste Phase eines ersten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
13 den Übergang von der ersten Phase zu einer zweiten Phase eines ersten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
14. eine zweite Phase einer eines ersten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
15 den Übergang von der zweiten zu einer dritten Phase eines ersten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
16 eine dritte Phase eines ersten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
17 die dritte Phase eines zweiten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
18 die dritte Phase eines dritten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
19 die dritte Phase eines vierten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
20 die dritte Phase eines fünften Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
21 die dritte Phase eines sechsten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
22 die dritte Phase eines siebten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung.
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.
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.
Parallel zur Reihenschaltung aus Stromquelle 1 und Induktivitäten 4, 20 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.
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.
Wie bereits erläutert, ist in der bekannten Schaltung ein erster Schalter 7 parallel zur Reihenschaltung aus Stromquelle 1 und Induktivitäten 4, 20 vorgesehen und des Weiteren im negativen Zweig ein zweiter Schalter, welcher zusammen mit dem Verbraucher 10 eine parallel zum ersten Schalter 7 angeordnete Reihenschaltung bildet. Gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels ist parallel zum zweiten Schalter 13 eine erste Last 14 geschaltet, welche eine hohe Lastspannung aufweist und hierdurch die Fallzeiten des Stromes verkürzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist darüber hinaus der zweite Schalter 13 potentialgetrennt über den Treiber 12, in 9–22 beispielhaft als Übertrager dargestellt, angesteuert. Weiter ist im positiven Zweig ein dritter Schalter 22 vorgesehen, welcher zusammen mit dem Verbraucher 10 und dem zweiten Schalter 13, 24 eine parallel zum ersten Schalter 7 angeordnete Reihenschaltung darstellt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 nach Ablauf der Fallzeit 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.
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.
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 U_L1 bzw. eine zweite Lastspannung U_L2, die zusammen mit der Verbraucherspannung U_V 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 U_L1 und U_L2 ergibt, sodass die Fallzeit des Stromes I₂ sehr kurz ist.
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 I₂:
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:
Durch die vorliegende Erfindung mit dem potentialgetrennt 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.
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 12–16 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.
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.
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.
In 13 ist der Zeitraum zwischen dem Ende der ersten Phase P1 und dem Beginn der zweiten Phase P2 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.
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.
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.
In 15 ist der Zeitraum zwischen dem Ende der zweiten Phase P2 und dem Beginn der dritten Phase P3 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.
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 U_L1 der ersten Last 14 und die Durchbruchspannung U_L2 der zweiten Last 23 erreicht, so übernehmen in der dritten Phase P3 wie in 16 dargestellt, die Lasten 14, 23 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.
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 U_L2, hingegen springt das Potential am Punkt A auf einen negativen Wert entsprechend der Spannung U_L2. 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.
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.
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.
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 I₂ 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.
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 U_C2 bzw. U_C3 geladen, entsprechend den Werten der Durchbruchspannung des zweiten Schalters 24 und des dritten Schalters 25. Diese Spannungen U_C2 bzw. U_C3 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.
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.
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.
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 U_C2 bzw. U_C3 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.
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 U_C2 bzw. U_C3 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.
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.
Die in dem zweiten bis siebten Ausführungsbeispiel genannten Möglichkeiten zum Schutz des Verbrauchers 10 vor einer Inversspannung können auch im ersten Ausführungsbeispiel angewendet werden.
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.
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.

Claims

Schaltung zur Regelung der Stromversorgung eines Verbrauchers (10) umfassend eine Stromquelle (1) mit zwei in Reihe liegenden Induktivitäten (4, 20) zur Bereitstellung einer Stromversorgung für einen Verbraucher (10), einen parallel zur Reihenschaltung aus Stromquelle (1) und den Induktivitäten (4, 20) geschalteten und potentialgetrennt angesteuerten ersten Schalter (7), wobei durch Öffnen und Schließen des ersten Schalters (7) der Strom in Form von getakteten Strompulsen an den Verbraucher (10) übermittelt wird, eine parallel zum ersten Schalter (7) angeordnete Reihenschaltung aus einem potentialgetrennt angesteuerten zweiten Schalter (13, 24) im negativen Zweig, dem Verbraucher (10) und einem potentialgetrennt angesteuerten dritten Schalter (22, 25) im positiven Zweig, eine parallel zum zweiten Schalter (13) geschaltete erste Last (14) mit hoher Lastspannung oder einen zweiten Schalter (24) mit hoher Durchbruchspannung als Last, eine parallel zum dritten Schalter (22) geschaltete zweite Last (23) mit hoher Lastspannung oder einen dritten Schalter (25) mit hoher Durchbruchspannung als Last, wobei der zweite Schalter (13, 24) und der dritte Schalter (22, 25) gegenphasig zum ersten Schalter (7) geöffnet und geschlossen werden.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromquelle (1) eine Gleichstromquelle ist.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Last (14) und/oder die zweite Last (23) ein Widerstand, ein spannungsabhängiger Widerstand, ein Kondensator, eine Diode, eine Zenerdiode, eine Suppressordiode, ein Halbleiter mit kontrolliertem Avalancheverhalten oder eine Kombination hieraus ist.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Last und der zugehörige Schalter (24, 25) in einem Halbleiterschalter mit kontrolliertem Avalancheverhalten kombiniert sind.
Schaltung nach Anspruch 4, wobei das kontrollierte Avalancheverhalten des Halbleiterschalters durch die Eigenschaften des Halbleiters bewirkt wird.
Schaltung nach Anspruch 4, wobei das kontrollierte Avalancheverhalten des Halbleiterschalters durch externe Beschaltung des Halbleiterschalters bewirkt wird.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine erste Schutzdiode (28) parallel zum Verbraucher (10) geschaltet ist.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine zweite Schutzdiode (29) im negativen Zweig in Reihe zum Verbraucher (10) geschaltet ist und wobei eine dritte Schutzdiode (30) im positiven Zweig in Reihe zum Verbraucher (10) geschaltet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein erster Widerstand (31) parallel zum zweiten Schalter (13, 24) geschaltet ist und wobei ein zweiter Widerstand (32) parallel zum dritten Schalter (22, 25) geschaltet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine erste Konstantstromlast (33) parallel zum zweiten Schalter (13, 24) geschaltet ist und wobei eine zweite Konstantstromlast (34) parallel zum dritten Schalter (22, 25) geschaltet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Vorrichtung zur Strommessung vorgesehen ist und wobei ein Signal mittels einer geeigneten Anordnung dem zweiten Schalter (13, 24) und dem dritten Schalter (22, 25) so zugeführt wird, dass der zweite Schalter (13, 24) und der dritte Schalter (22, 25) unterhalb eines bestimmten Stromes wieder leitend gesteuert wird.
Verfahren zum Betrieb einer Schaltung, wobei die Schaltung (11) eine Stromquelle (1) mit zwei in Reihe liegenden Induktivitäten (4, 20) zur Bereitstellung einer Stromversorgung für einen Verbraucher (10), einen parallel zur Reihenschaltung aus Stromquelle (1) und den Induktivitäten (4, 20) geschalteten und potentialgetrennt angesteuerten ersten Schalter (7), eine parallel zum ersten Schalter (7) angeordnete Reihenschaltung aus einem potentialgetrennt angesteuerten zweiten Schalter (13, 24) im negativen Zweig, dem Verbraucher (10) und einem potentialgetrennt angesteuerten dritten Schalter (22, 25) im positiven Zweig, eine parallel zum zweiten Schalter (13) geschaltete erste Last (14) mit hoher Lastspannung oder einen zweiten Schalter (24) mit hoher Durchbruchspannung als Last, eine parallel zum dritten Schalter (22) geschaltete zweite Last (23) mit hoher Lastspannung oder einen dritten Schalter (25) mit hoher Durchbruchspannung als Last umfasst, umfassend die Schritte Öffnen und Schließen des ersten Schalters (7) zur Übermittlung von getakteten Strompulsen an den Verbraucher (10) und Öffnen und Schließen des zweiten Schalters (13, 24) und des dritten Schalters (22, 25) gegenphasig zum ersten Schalter (7).