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Die Erfindung betrifft potentialfreie spannungsgesteuerte Stromquellen zur Steuerung von Hochspannungsquellen mit einer Reihenschaltung aus einem Widerstand und in Reihe geschalteten spannungsgesteuerten Transistoren zwischen den Potentialen und einer mit den spannungsgesteuerten Transistoren verbundenen Ansteuerschaltung mit einem optischen Empfänger und einem Operationsverstärker.
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Durch die Druckschrift
DE 25 59 096 A1 ist eine Stromquelle hoher Gleichspannung mit Stromstärkeregelung bekannt, die über eine Quelle niedriger Gleichspannung zwischen zwei Ausgangsklemmen einen Gleichstrom hoher Spannung liefert. Die Energieversorgung der Regelungsschaltung erfolgt über einen Transformator, der hohe Systemspannung isolieren muss. Dadurch besitzt der Transformator einen sehr großen Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärseite.
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Eine Stromquelle kann auch über eine induktive Übertragung mit Hilfsenergie versorgt werden und gleichzeitig das Ansteuersignal über die gleiche induktive Übertragungsstrecke erhalten. Eine derartige Lösung ist in der Druckschrift Kearly, S. J.; MacKinlay R. R.: Discharge measurements in cables using a solid State 30 kV bipolar lowfrequency generator. In: Fifth International Conference on Dielectric Materials, Measurements and Applications, 1988, S. 171–174 beschrieben. Die Primärseite des induktiven Übertragers liegt immer auf einem erdnahen Potential. Die Sekundärseite des Übertragers liegt auf Hochspannungspotential. Bei der induktiven Energieübertragung und auch bei der induktiven Übertragung der Ansteuersignale muss die Hochspannung vom Übertrager isoliert werden. Für immer höher werdende Spannungen wird die Ausführung der Isolation zwischen der Primär- und Sekundärwicklung komplizierter und teurer.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, spannungsgesteuerte Stromquellen einfach auf Hochspannungspotential liegend zu betreiben.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die potentialfreien spannungsgesteuerten Stromquellen zur Steuerung von Hochspannungsquellen mit einer Reihenschaltung aus einem Widerstand und in Reihe geschalteten spannungsgesteuerten Transistoren zwischen den Potentialen und einer mit den spannungsgesteuerten Transistoren verbundenen Ansteuerschaltung mit einem optischen Empfänger und einem Operationsverstärker zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese einfach auf Hochspannungspotential liegend betreibbar sind.
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Dazu ist zwischen den in Reihe geschalteten spannungsgesteuerten Transistoren und dem Widerstand eine Zenerdiode, eine Suppressordiode oder ein Linearspannungsregler geschalten. Der freie Anschluss des Widerstandes ist ein Potential der potentialfreien spannungsgesteuerten Stromquelle. Weiterhin ist entweder die über die Zenerdiode, die Suppressordiode oder den Linearspannungsregler anliegende Spannung oder die über den Widerstand und die Zenerdiode, die Suppressordiode oder den Linearspannungsregler anliegende Spannung die Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung.
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Die Energie für die Ansteuerschaltung der Stromquelle wird aus dem Strom der durch die Stromquelle selbst fließt gewonnen. Damit kann eine ansonsten vorhandene problematische induktive Hilfsenergieübertragung entfallen. Die Signalübertragung zur Ansteuerung erfolgt einfach potentialfrei über einen Lichtwellenleiter. Der Lichtwellenleiter bietet gleichzeitig eine sehr günstige und einfache Möglichkeit der Isolation zwischen einer erdbezogenen Regelung der Stromquellen und der Ansteuerungen der Stromquellen beispielsweise in einem Hochspannungsprüfgerät.
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Damit ist vorteilhafterweise
- – kein Transformator zur Energieversorgung der Ansteuerschaltung notwendig,
- – muss zum Fußpunkt der Ansteuerschaltung nur noch ein Lichtwellenleiter gelegt werden,
- – die Isolation bei höchsten Spannungen und höchster Frequenz einfach zu realisieren und
- – eine potentialfreie Stromquelle für Spannungen beliebiger Amplitude vorhanden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 angegeben.
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Die Stromquelle weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 eine Gatespannungssymmetrierung mit in Reihe geschalteter Gatewiderstände für die in Reihe geschalteten spannungsgesteuerten Transistoren zur Symmetrierung und Bereitstellung der Ansteuerspannungen für die Gates der Transisitoren auf.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 sind ein Eingang des Operationsverstärkers zur Sollwertspannungseingabe über einen Demodulator mit dem optischen Empfänger und der andere Eingang des Operationsverstärkers mit der Verbindung des Widerstands und der Zenerdiode, der Suppressordiode oder dem Linearspannungsregler verbunden, so dass der Strom zur Versorgung der Ansteuerschaltung am Widerstand vorbei und zusätzlich zur Sollwertvorgabe fließt und das Potential der Stromquelle gleichzeitig das Bezugspotential der Ansteuerschaltung ist. Weiterhin ist der Ausgang des Operationsverstärkers über einen Pegelanpasser mit dem Gate des mit der Zenerdiode, der Suppressordiode oder dem Linearspannungsregler verbundenen spannungsgesteuerten Transistors zusammengeschaltet. Die Ansteuerschaltung weist damit den Operationsverstärker, den Demodulator, den optischen Empfänger und den Pegelanpasser auf.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 sind ein Eingang des Operationsverstärkers zur Sollwertspannungseingabe über einen Demodulator mit dem optischen Empfänger und der andere Eingang des Operationsverstärkers über einen invertierenden Verstärker mit dem Potential der Stromquelle verbunden. Die Verbindung des Widerstands und der Zenerdiode, der Suppressordiode oder dem Linearspannungsregler ist dabei das Bezugspotential der Ansteuerschaltung, so dass der Strom zur Versorgung der Ansteuerschaltung durch den Widerstand geleitet wird. Damit ist der Strom zur Versorgung der Ansteuerschaltung ein Bestandteil des vorgegebenen Sollwertes. Weiterhin ist der Ausgang des Operationsverstärkers über einen Pegelanpasser mit dem Gate des mit der Zenerdiode, der Suppressordiode oder dem Linearspannungsregler verbundenen spannungsgesteuerten Transistors zusammengeschaltet. Die Ansteuerschaltung weist damit den Operationsverstärker, den Demodulator, den optischen Empfänger, den Pegelanpasser und den invertierenden Verstärker auf.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 sind ein Eingang des Operationsverstärkers zur Sollwertspannungseingabe über einen Demodulator mit dem optischen Empfänger und der andere Eingang des Operationsverstärkers über einen invertierenden Verstärker mit dem Potential der Stromquelle verbunden. Die Verbindung des Widerstands und der Zenerdiode, der Suppressordiode oder dem Linearspannungsregler ist das Bezugspotential der Ansteuerschaltung, so dass der Strom zur Versorgung der Ansteuerschaltung durch den Widerstand geleitet wird. Damit ist der Strom zur Versorgung der Ansteuerschaltung ein Bestandteil des vorgegebenen Sollwertes. Weiterhin ist der Ausgang des Operationsverstärkers über einen Pegelanpasser und einer Einrichtung zur Überwachung des Stromes in den Gatewiderständen der Transistoren mit dem Gate des mit der Zenerdiode, der Suppressordiode oder dem Linearspannungsregler verbundenen spannungsgesteuerten Transistors zusammengeschaltet. Darüber hinaus ist die Einrichtung zur Überwachung des Stromes in den Gatewiderständen der Transistoren mit dem Demodulator verbunden, so dass ein Rückschluss auf die Vorlaufspannung der Stromquelle gegeben ist. Die Vorlaufspannung ist eine über der Stromquelle anliegende Mindestspannung. Der Strom durch den Spannungsteiler wird dabei erfasst, wodurch ein Rückschluss auf die Vorlaufspannung gegeben ist. Dadurch kann bei zu geringer Vorlaufspannung gegengesteuert werden und in der spannungsgesteuerten Stromquelle ist eine Art Selbsterhaltungstrieb integriert. Die Ansteuerschaltung weist damit den Operationsverstärker, den Demodulator, den optischen Empfänger, den Pegelanpasser, den invertierenden Verstärker und die Einrichtung zur Überwachung des Stromes in den Spannungsteilern der Transistoren auf.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine potentialfreie spannungsgesteuerte Stromquelle zur Steuerung von Hochspannungsquellen,
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2 eine potentialfreie spannungsgesteuerte Stromquelle zur Steuerung von Hochspannungsquellen, wobei der Strom zur Versorgung der Ansteuerschaltung ein Bestandteil des vorgegebenen Sollwertes ist, und
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3 eine potentialfreie spannungsgesteuerte Stromquelle mit einer Einrichtung zur Überwachung des Stromes in den Gatewiderständen der Transistoren.
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Eine potentialfreie spannungsgesteuerte Stromquelle zur Steuerung von Hochspannungsquellen besteht im Wesentlichen aus spannungsgesteuerten Transistoren T1, T2, ... TN mit Gatewiderständen RG1, RG2, ... RGN, einer Ansteuerschaltung 1, einem Widerstand R und einer Zenerdiode ZD.
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Bei einer Reihenschaltung einer beliebigen Anzahl von spannungsgesteuerten Transistoren T1, T2, ... TN kann entsprechend der Sperrfähigkeit der Transistoren T1, T2, ... TN eine Spannung V bis zu mehreren 100 kV anliegen. Diese Spannung V kann auch als Vorlaufspannung bezeichnet werden. Die spannungsgesteuerten Transistoren T1, T2, ... TN sind beispielsweise bekannte MOSFET's (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder IGBT's (insulated-gate bipolar transistor, Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode). Mit Hilfe der mit den Gates verbundenen Gatewiderstände RG1, RG2, ... RGN wird die Spannung zur Ansteuerung der Transistoren T1, T2, ... TN bereitgestellt und symmetriert, so dass auch von einer Gatespannungssymmetrierung gesprochen werden kann. Der Strom i_Gate durch die Gatewiderstände RG1, RG2, ... RGN ergibt sich nach dem ohmschen Gesetz. Die Leckströme in die Gates der Transistoren T1, T2, ... TN sind vernachlässigbar klein. Mit Hilfe der Ansteuerschaltung 1 wird das Gate des untersten Transistors T1 angesteuert. Durch die Gatewiderstände RG1, RG2, ... RGN der Gatespannungssymmetrierung werden darauf hin auch die Gates aller darüber liegenden Transistoren T2, ... TN passend angesteuert. Mit Gateansteuerung ist dabei gemeint, dass die Gate-Source-Spannung bei MOSFET oder die Gate-Emitter-Spannung bei IGBT exakt auf die Amplitude eingestellt wird, um den gewünschten Strom i zu erhalten. Die Transistoren T1, T2, ... TN müssen dabei für diese Art der Stromquelle notwendigerweise immer im Linearbetrieb arbeiten.
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Die Reihenschaltung der spannungsgesteuerten Transistoren T1, T2, ... TN und der Widerstand R sind in Reihe zwischen den Potentialen V, 7 geschalten. Zwischen den in Reihe geschalteten Transistoren T1, T2, ... TN und dem Widerstand R ist die Zenerdiode ZD geschalten. Der freie Anschluss des Widerstandes R ist ein Potential und hier der Fußpunkt der potentialfreien spannungsgesteuerten Stromquelle. Die über die Zenerdiode ZD anliegende Spannung oder die über den Widerstand R und der Zenerdiode ZD anliegende Spannung ist die Versorgungsspannung V+ der Ansteuerschaltung 1. Die Widerstände sind ohmsche Widerstände.
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Die Ansteuerschaltung 1 weist dazu
- – einen optischen Empfänger 2 für einen Lichtwellenleiter 6, der das Licht aus einer Regelung für die Ausgangsspannung der potentialfreien spannungsgesteuerten Stromquelle in ein elektrisches Signal wandelt,
- – einen Demodulator 3, der das elektrische Signal in die notwendige Sollspannung u_Soll für den nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 4 wandelt,
- – dem Operationsverstärker 4 zur Generierung der notwendigen Gateansteuerung und
- – einen Pegelanpasser 5 zum Aufsteuern des mit der Zenerdiode ZD verbundenen spannungsgesteuerten Transistors T1 als ersten der in Reihe geschalteten spannungsgesteuerten Transistoren T1
auf.
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Die 1 zeigt eine spannungsgesteuerte Stromquelle zur Steuerung von Hochspannungsquellen in einer prinzipiellen Darstellung.
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In einer ersten Ausführungsform ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 4 mit der Verbindung des Widerstands R und der Zenerdiode ZD zusammengeschaltet. Damit fließt der Strom zur Versorgung der Ansteuerschaltung 1 am Widerstand R vorbei und zusätzlich zur Sollwertvorgabe. Der Fußpunkt 7 der Stromquelle ist gleichzeitig das Bezugspotential der Ansteuerschaltung 1.
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Die 2 zeigt eine spannungsgesteuerte Stromquelle zur Steuerung von Hochspannungsquellen, wobei der Strom zur Versorgung der Ansteuerschaltung 1 ein Bestandteil des vorgegebenen Sollwertes ist, in einer prinzipiellen Darstellung.
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In einer zweiten Ausführungsform ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 4 über einen invertierenden Verstärker 8 als weiterer Bestandteil der Ansteuerschaltung 1 mit dem Fußpunkt 7 der Stromquelle zusammengeschaltet. Die Verbindung des Widerstands R und der Zenerdiode ZD ist das Bezugspotential 9 der Ansteuerschaltung 1, so dass der Strom zur Versorgung der Ansteuerschaltung 1 durch den Widerstand R geleitet wird. Damit ist der Strom zur Versorgung der Ansteuerschaltung 1 ein Bestandteil des vorgegebenen Sollwertes.
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Die 3 zeigt eine potentialfreie spannungsgesteuerte Stromquelle mit einer Einrichtung 10 zur Überwachung des Stromes in den Gatewiderständen RG1, RG2, ... RGN der Transistoren T1, T2, ... TN in einer prinzipiellen Darstellung.
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In einer dritten Ausführungsform ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 4 über einen invertierenden Verstärker 8 als weiterer Bestandteil der Ansteuerschaltung 1 mit dem Fußpunkt 7 der Stromquelle verbunden. Die Verbindung des Widerstands R und der Zenerdiode ZD ist das Bezugspotential 9 der Ansteuerschaltung 1, so dass der Strom zur Versorgung der Ansteuerschaltung 1 durch den Widerstand R geleitet wird. Damit ist der Strom zur Versorgung der Ansteuerschaltung 1 ein Bestandteil des vorgegebenen Sollwertes. Der Ausgang des Operationsverstärkers 4 ist über den Pegelanpasser 5 und einer Einrichtung 10 zur Überwachung des Stromes in den Gatewiderständen RG1, RG2, ... RGN der Transistoren T1, T2, ... TN und damit der Gatespannungssymmetrierung zusammengeschaltet. Diese Einrichtung 10 als weiterer Bestandteil der Ansteuerschaltung 1 ist mit dem Demodulator 3 verbunden, so dass ein Rückschluss auf die Vorlaufspannung der Stromquelle gegeben ist.
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Anstelle der Zenerdiode ZD kann in weiteren Ausführungsformen des Ausführungsbeispiels auch eine Suppressordiode oder ein Linearspannungsregler eingesetzt werden.
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Die Transistoren T1, T2, ... TN sind bekannterweise vor elektromagnetischen Einflüssen geschützt. Dazu werden diese mit Schutzelementen, beispielsweise Suppressordioden, als Überspannungsableiter versehen.
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Für eine Hochspannungsquelle mit einer positiven und einer negativen Hochspannung sind zwei potentialfreie spannungsgesteuerte Stromquellen zusammengeschaltet. Eine erste Reihenschaltung aus dem Widerstand R und der in Reihe geschalteten spannungsgesteuerten Transistoren T1, T2, ... TN ist zwischen einem Bezugspotential für eine Last und der positiven Hochspannung geschalten. Die zweite Reihenschaltung aus dem Widerstand R und der in Reihe geschalteten spannungsgesteuerten Transistoren T1, T2, ... TN ist zwischen der negativen Hochspannung und dem Bezugspotential für die Last geschalten. Das Bezugspotential der Last ist dabei die Verbindung zwischen Widerstand der ersten Reihenschaltung und letztem spannungsgesteuerten Transistor TN der zweiten Reihenschaltung.
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In Fortführung können für eine potentialfreie Hochspannungsquelle zwei derartige aus zwei miteinander verbundenen Stromquellen bestehende Stromquellenanordnungen parallel zueinander angeordnet und mit der Hochspannungsquelle als Parallelschaltung verbunden sein. Die Last ist dabei zwischen die Bezugspotentiale der miteinander verbundenen Stromquellen geschaltet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ansteuerschaltung
- 2
- optischer Empfänger
- 3
- 3 Demodulator
- 4
- Operationsverstärker
- 5
- Pegelanpasser
- 6
- Lichtwellenleiter
- 7
- Potential der Stromquelle
- 8
- invertierender Verstärker
- 9
- Bezugspotential der Ansteuerschaltung
- 10
- Einrichtung zur Überwachung
- i_Gate
- Strom durch die Gatewiderstände
- R
- Widerstand
- RG
- Gatewiderstand
- T
- spannungsgesteuerter Transistor
- u_Soll
- Sollspannung
- V
- Potential
- V+
- Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung
- ZD
- Zenerdiode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Kearly, S. J.; MacKinlay R. R.: Discharge measurements in cables using a solid State 30 kV bipolar lowfrequency generator. In: Fifth International Conference on Dielectric Materials, Measurements and Applications, 1988, S. 171–174 [0003]
