DE1058615B - Einrichtung zur Steuerung der Speisung einer Last von einer Wechselstromquelle - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Leistungssteuerkreise und insbesondere auf Stromkreise für die Steuerung elektrischer Leistung gemäß der Phasenverschiebung, welche zwischen zwei Spannungen besteht.

Nach der bisher geläufigen Technik sind Elemente, wie Thyratrons (Stromtore) und Ignitrons (zündstiftgesteuerte Gefäße für Initialzündung), in Wechselstromleistungssystemen benutzt worden, um die Lastspannung und den Laststrom zu verändern gemäß der relativen Phasenlage, welche zwischen einer Steuerspannung und der Spannung einer elektrischen Leistungsquelle besteht. Solche Vorrichtungen leiden an einer Reihe ihnen eigener Nachteile, zu denen gehören ihre Unfähigkeit, einen Stromfluß zu unterbrechen während einer einzelnen Halbwelle, nachdem ein solcher Stromfluß in Gang gesetzt worden ist, die Isolationsschwierigkeiten, die dann entstehen, wenn eine Vollwellenarbeitsweise erwünscht ist (Ausnutzung beider Halbwellen des Wechselstromes), und der hohe Kathoden-Anoden-Spannungsabfall, welcher eine Arbeitsweise bei sehr niedrigen Spannungen fast unmöglich macht.

Zur Überwindung eines Teiles der obengenannten Mängel ist bereits vorgeschlagen worden, zur Steuerung der einem Verbraucher aus einer Wechselstromquelle zugeführten elektrischen Leistung Transistorcinordnungen als Lastschalter zu verwenden, wobei die steuerbare Durchlaßstrecke jedes Transistors in Reihe mit dem Verbraucher und der Weohselstromquelle liegt. Bei einem derartigen Betrieb eines.Transistors als Schalter wird der zu schaltende Strom dadurch unterbrochen, daß bei einem p-n-p-Transistor die Basis gegenüber beiden benachbarten Elektroden ein genügend hohes positives Potential erhält. Eine Schließung des Stromkreises wird dadurch erreicht, daß die Basis in bezug auf eine der benachbarten Elektroden ein genügend hohes negatives Potential erhält; es tritt dann eine Sättigung des Emitter-Kollektor-Stromes ein, derart, daß auch eine erhebliche Änderung des Basispotentials keine merkliche Änderung des Emitter-Kollektor-Stromes mehr ergibt. Bei einem n-p-n-Transistor führt ein genügend negatives Potential der Basis gegenüber beiden anderen Elektroden zur Sperrung und ein genügend positives Potential der Basis gegenüber einer der beiden anderen Elektroden zur Sättigung des Transistors.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, bei Verwendung von Transistoranordnungen als Lastschalter eine Steuerung der 'Verbraucherleistung durch periodische Unterbrechung der Leistungszufuhr mit einstellbarem Verhältnis von Ein- zu Ausschaltzeit vorzusehen. Bei dieser Schaltungsanordnung ist zwischen Emitter und Basiselektrode des Transistors Einrichtung zur Steuerung der Speisung einer Last von einer Wechselstromquelle

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. April 1954

Charles D. Farnkopf, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

ein Sperrpotential geschaltet, wobei die Wechselspannung der Speisequelle auch in dem Emitter-Basis-Kreis wirksam ist und während eines regelbaren Teiles ihrer Periode das Sperrpotential überschreitet und somit das Sperren des Transistors behebt. Wie sich daraus ergibt, ist diese Anordnung nur für solche Spannungen der Wechselstromquelle geeignet, die das erforderliche Sperrpotential des Transistors überschreiten.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, das erwähnte Steuerungsprinzip auch bei sehr geringer Spannung der speisenden Wechselstromquelle anzuwenden. Sie besteht darin, daß zwischen der Basis und einer angrenzenden Elektrode jedes Transistors eine Wechselspannung angeschlossen ist, die in ihrer Phasenlage in bezug auf die Speisespannung der Wechselstromquelle steuerbar ist, und daß in Reihe mit der Durchlaßstrecke des Transistors ein Einwegventil liegt, dessen Flußrichtung mit der Stromführungsrichtumg der Durchlaßstrecke des Transistors übereinstimmt. Die beiden Endelektroden der steuerbaren Durchlaßstrecke können beispielsweise ■ die Emitter- und Kollektorelektroden sein. Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beruht in diesem Fall darauf, daß entsprechend der Polarität der Steuerspannung der Emitter-KoUektor- und/oder der Kollektor-Basis-Strom zu einem wählbaren Zeitpunkt innerhalb einer Halbwelle der Speisespannung ein- bzw. abgeschaltet wird. Dadurch, daß der Kollektorstrom sehr schnell vom Sperrzustand bis zur Sättigung getrieben wird, kann die vom

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Transistor absorbierte Leistung sehr klein gehalten werden, während die Leistung, die der Last durch ihn zugeführt wird, sehr groß ist. Durch Veränderung der Phasenlage der an die Basis gelegten Spannung relativ zur Emitter-Kollektor-Spannung kann die Zeitdauer, während welcher Strom der Last zugeführt wird, während eines ,gegebenen Arbeitszyklus in wählbarer, vorbestimmter Weise verändert werden. Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, ein Vollwegsteuersystem zu schaffen, in welchem mehrere Schalttransistoren durch dieselbe Steuerspannung gesteuert werden.

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen Schaltbilder von Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Es wird nunmehr auf die Fig. 1 Bezug genommen, in welcher eine Wechselstromspannungsquelle 100 gezeigt ist, welche ein Generator sein mag mit einer Nennspannung von 110 Volt bei 60 Perioden oder eine äquivalente Vorrichtung. Die Quelle 100 ist angeschlossen an die Primärwicklung des Leistungstransformators 101, welcher die sekundären Anschlußklemmen 102 und 103 hat. Die Klemme 102 ist angeschlossen an die eine Seite der Last 104 vermittels eines Transistors 108 der p-n-p-Type und eines Gleichrichters 106. Die Last 104 kann der Anker eines Gleichstrommotors sein, eine .Lampenreihe oder eine ähnliche Vorrichtung. Die Klemme 102 ist direkt angeschlossen an den Emitter 110 des Transistors 108, während der Transistorkollektor 112 angeschlossen ist an die Last über den vorerwähnten Einweg- (Halbwellen-) Gleichrichter 106. Die sekundärseitige Anschlußklemme 103 des Transformators ist direkt mit der anderen Seite der Last elektrisch verbunden. Der Einweggleichrichter 106, welcher in geeigneter Weise ein solcher der Selen- oder Siliciumtype sein mag, ist derart polarisiert, daß er einen Stromfmß von der Last 104 zur Klemme 102 über den Transistor 108 verhindert. Während die Gleichricihterwirkung zwischen der Transistorbasis 114 und dem Emitter 110 des Traneistors 108 derart wirkt, daß sie diesem Strom entgegengesetzt gerichtet ist, ist der Gleichrichter 106 als eine zusätzliche Sicherheitsmaßnahme eingefügt.

Ebenfalls parallel an die Wechselstromquelle 100 angeschlossen ist ein Phasenverschiebungsregelsystem für einen Bereich von 180°, welches einen Transformator 128 umfaßt, der eine Sekundärwicklung 130 mit Mittenanzapfung besitzt, mit einem veränderlichen ohmschen Widerstand 126, welcher in Reihe geschaltet ist mit einem Kondensator 124. Die Spannung, welche an der gesamten Sekundärwicklung 130 erscheint zwischen der Mittelanzapfung der Transformator-Sekundärwicklung und der Verbindung des Widerstandes 126 mit dem Kondensator 124 wird einer Begrenzerscbaltung 120 zugeführt, welche eine Vorrichtung sein kann, wie sie in den »Radar Electronic Fundamentals«, US. Navy publication Navships 900,016 (1944), Fig. 171 auf S. 162 beschrieben ist. Die Wirkung, dieser Schaltungsanordnung ist, eine Steuerspanntmg rechteckiger Wellenform an die Klemmen 116 und 118 zu liefern, welche wahlweise in vorbestimmter Weise verändert werden kann in ihrer . zeitlichen Phasenlage entsprechend dem Widerstandswert des. veränderlichen Widerstandes 126. Die Ausgangsleistung der Begrenzereinrichtung 120 wird angelegt zwischen der Basiselektrode 114 und der Emitterelektrode 110 des Transistors 108 über die Anschikißklemmen 116 bzw. 118.

Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform unserer Erfindung ist die folgende: Bei abwechselnden Halbperioden der Stromquelle 100, wenn die Klemme 103 positiv ist in bezug auf die Klemme 102, wird der Gleichrichter 106 derart wirksam, daß er den Stromfluß über die Last 104. und über den Emitter-Kollektor-Stromleitungspfad des Transistors 108 blockiert. Wenn jedoch bei Wechselstromhalbwellen die Klemme 102 positiv ist in bezug auf die Klemme 103, wird die Stromleitung gesteuert vermittels der Emitter-Basis-Spannung des Transistors 108. Wenn die Basis 114

ίο negativ ist in bezug auf den Emitter 110, wird Strom fließen. Wie bereits oben bemerkt, ist die Ausgangsleistung des Begrenzerkreises 120 genügend groß, um den Emitter-Kollektor-Strom des Transistors 108 zur Sperrung bzw. zur Sättigung zu führen. Insoweit, als der elektrische Ausgangswert der Begrenzereinrichtung 120 im wesentlichen eine viereckige Wellenform ist, wird der Transistor 108 vom Sperrzustand zum Sättigungszustand im wesentlichen plötzlich umschnappen, und umgekehrt. Der Zeitmoment, in welchem dieser Übergang stattfindet, wird bestimmt durch die relative Phasenlage der Spannungen an den Klemmen 102, 103 und am Widerstand 126, deren relative Phasenlage ihrerseits gesteuert wird durch die relativen Widerstandswerte des Widerstandes 126 und der Kapazität 124.

Es sei angenommen, daß die Spannung an den Anschlüssen 116 bzw. 118 der Spannung an den Klemmen 103 bzw. 102 nacheile. Am Anfang einer vorgegebenen Halbwelle, wenn die Klemme 102 positiv sein wird in bezug auf die Klemme 103, wird die Spannung an den Steuerspannungsklemmen 116 und 118 die Stromleitung über den Transistor 108 sperren. Nachfolgend in der Halbwelle wird der Anschluß 116 negativ werden in bezug auf die Klemme 118, und der Strom wird über den Transistor 108, den Gleichrichter 106 und die Last 104 fließen. Wenn der Emitter-Kollektor-Widerstand des Transistors 108 und der Widerstand des Gleichrichters 106 klein ist in bezug auf denjenigen der Last 104, so wird die Spannung, die an der Last 104 erscheint, im wesentlichen diejenige an den Klemmen 102, 103 sein. Es ist daher augenscheinlich, daß das SpamiLingsintegral an der Last 104 über eine vorgegebene Halbwelle leicht gesteuert werden kann durch Veränderung des Wider-Standes 126.

In. Fig. 2 ist eine Vollweg- (Vollwellen-) Ausführungsform unserer Erfindung gezeigt, deren einer Vorteil ist, daß in dieser keine Notwendigkeit besteht für die Isolierung der Steuerspannungen der Steuerelemente, wie es üblicherweise der Fall ist in Vollwegsteuervorrichtungen, welche Steuerelemente, wie . Ignitrons und Thyratrons, benutzen. In dieser Ausführungsform beziehen sich die Bezugszahlen, in denen die beiden letzten Ziffern einander entsprechen, auf dieselben Stromkreiselemente wie in Fig. 1. Aus Gründen der Einfachheit ist der Schaltungsteil, welcher den beiden Steueranschlußklemmen 216 und 218 und den Leistungszuführungsanschlüssen 202, 203 zugeordnet ist, fortgelassen worden, und die An-Ordnung soll so verstanden werden, daß der weggelassene SchaltungsU'il der gleiche ist, wie er in Fig. 1 gezeigt ist.

Diese Ausführungsform macht Gebrauch von zwei Transistoren 208 bzw. 217 der 11-p-nType bzw. der p-n-p-Type, wie sie dem Fachmann geläufig sind. Die Emitter 210 und 219 der Transistoren 208 bzw. 217 sind direkt mit der Speiseklemme 202 verbunden. Eine Seite der Last 204 ist direkt mit der Speiseklemme 203 verbunden. Die andere Seite "ist angeschlossen an den Kollektor 221 des Transistors 217 und den Kollektor

212 des Transistors 208 vermittels der Einweg- (Halbwellen-) Gleichrichter 215 bzw. 206. Der Gleichrichter 215 ist derart gepolt, daß er entgegengesetzt gerichtet ist der Stromleitung von der Klemme 203 zum Kollektor 221, während der Gleichrichter 206 so gepolt ist, daß er eine Stromleitung vom Kollektor 212 zu der Speiseklemme 203 verhindert. Die Basis 214 des Transistors 208 und die Basis 223 des Transistors 217 sind beide angeschlossen an die Steuerspannungsklemme 216, während die Steuerspannungsklemme 218 elektrisch verbunden ist mit der Speiseklemme 202. Die Spannung zwischen den Klemmen 216 und 218 eilt der Spannung zwischen den Klemmen 203 und 202 nach, wie es bereits beschrieben worden ist unter Bezugnahme auf Fig. 1.

Diese Au-sführungsform wirkt in der folgenden Weise: Beim Beginn von Halbwellen, bei denen die Klemme 202 positiv ist in bezug auf die Klemme 203, wird die Steuerspannungsklcmme 216 positiv sein in bezug auf die Klemme 218. Der Gleichrichter 206 wird wirksam, um die Stromführung über den Transistor 208 zu blockieren, und die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 217 wird eine Stromleitung verhindern über den Emitter-Kollektor-Kreis des Transistors 217. Nachfolgend in der Halbwelle wird die Klemme 216 negativ werden in bezug auf die Klemme 218, und der Transistor 217 wird in. die Emitter-Kollektor-Stromsättigung geführt werden. Die Spannung an den Klemmen 202, 203 wird an der Last 204 für die Zeitdauer der Halbwelle erscheinen.

Am Anfang der nächsten Halbwelle wird der Gleichrichter 215 die Stromleitung über den Transistor 217 blockieren, und die negative Spannung an der Basis 214 in bezug auf die Emitterelektrode 210 wird eine Stromleitung in dem Emitter-Kollektor-Kreis des Transistors 208 verhindern. Nachfolgend in der Halbwelle schnappt die Klemme 216 auf positiven Wert in bezug auf die Klemme 218, der Transistor 208 wird schnell zur Sättigung getrieben, und die positive Spannung zwischen den Klemmen 203 und 202 wird an der Last 204 erscheinen: Auf diese Weise wird eine Wechselspannung·, welche ein steuerbares Spannungszeitintegral hat, an der Last 204 erscheinen, wobei das Spannungszeitintegral eine Funktion der relativen Phasenlage zwischen der Speisespannung und der Steuerspannung ist.

Fig. 3 veranschaulicht eine Ausführungsform, welche etwas ähnlich derjenigen nach Fig. 2 ist, wobei die Traneistoren zusätzlich die Funktion der Einweggleichrichter übernehmen. In dieser Ausführungsform sind die beiden Transistoren 308 und 317 von der p-n-p-Type. Hierbei beziehen sich wieder Bezugszahlen in den Fig. 3 und 1, in denen die letzten beiden Ziffern einander entsprechen, auf die gleichen Stromkreiselemente.

In Fig. 3 ist die Last 304 angeschlossen zwischen der Speiseklemme 303 und der Basi« 314 des Transistors 308. Sowohl die Speiseklemme 302 als auch die Steuerspannungsklemme 316 sind mit der Basis 323 des Transistors 317 verbunden. Der andere Steuer-Spannungsanschluß 318 ist direkt an den Emitter 319 angeschlossen. Der Emitter 312 und die Basis 314 des Transistors 308 sind an die Steuerspannungsklemmen 318, 316 vermittels des Transformators 325 angeschlossen, so daß die Spannungen an den Basiselektroden 323 und 314 um 180° in der Phase verschoben sind in bezug auf ihre entsprechenden Emitterelektroden. Die Kollektorelektroden 321 und 316 der Transistoren 307 bzw. 308 sind direkt miteinander verbunden.

Es sei angenommen, daß die Spannung an den Klemmen 318 bzw. 316 der Speisespannung an den Klemmen 302 bzw. 303 nacheilt. Bei Halbwellen der Speisespannung, in denen die eine Klemme 302 positiv in bezug auf die Klemme 303, wird die Basis 323 positiv in bezug auf die Emitterelektrode 319 werden, .und es entsteht keine Stromführung von der Basis 323 zur Kollektorelektrode 321. Nachfolgend in der Halbwelle, wenn die Klemme 316 auf negativen Wert

ίο schnappt in bezug auf die Klemme 318, wird eine Stromführung von der Basis zur Kollektorelektrode des Transistors 317 stattfinden. Die Kollektor-Basis-. Impedanz des Transistors 308 kann insoweit, als ein Entgegenwirken der Stromleitung interessiert, vernachlässigt werden, und daher wird Strom zur Last 304 fließen. Wirkungsmäßig ist die Spannung, welche an den Klemmen 302, 303 erscheint, an die Last 304 angeschlossen für den verbleibenden Teil der Halbwell c.

Bei entgegengesetzten Halbwellen der Betriebsweise, wenn die Klemme 302 negativ ist in bezug auf die Klemme 303, wird die Emitter-Basis-Spannung des Transistors 308 in ähnlicher Weise die Stromführung durch diesen hindurch steuern, und die KoI-lektor-Basis-Impedanz des Transistors· 317 wird unwirksam, um die Stromführung wesentlich zu begrenzen. Die negative.Spannung zwischen den Klemmen 302 und 303 wird daher in ähnlicher Weise angeschlossen an die Last 304. An der Last 304 wird eine Wechselspannung erscheinen, deren Spannungszeitintegral wieder gesteuert ist durch die Phasenbeziehung zwischen der Speisespannung und den Steuerspannungen..

In allen vorbeschriebenen Ausführungsformen ist es, wenn es erwünscht ist, die Speisespannungsquelle an die Last anzukuppeln von Beginn einer vorgegebenen Halbwelle bis zu einem Zeitmoment, der im Verlauf der Halbwelle folgt, erfindungsgemäß nur not-· wendig, die S teuer spannung um 180° in ihrer zeitliehen Phase zu verschieben. Das kann bewirkt werden mittels eines einfachen doppelpoligen Umkehrscbalters mit zwei Schaltstellungen oder analoge Mittel, wie sie dem Fachmann geläufig sind.

In gleicher Weise ist es möglich, Impulsgeneratoren, welche eine steuerbare Halbwelle haben und eine gesteuerte Phasenbeziehung in bezug auf die Speisespannung, zur Erzeugung der Steuerspannung zu benutzen, wenn es erwünscht ist, die Stromleitung über die Transistoren über vorbestimmte Teile vorgegebener Halbwellen zu steuern.

Ernndiungsgemäß wurde eine Schaltungsanordnung für die Steuerung elektrischer Leistung in Übereinstimmung mit der relativen Phasenlage zwischen einer Speisespannung und einer Steuerspannung geschaffen, wobei nur ein sehr geringer Energieverlust zwischen der Speisespannungsquelle und der Last entsteht. Wenn eine Vollweg- (Vollwellen-) Arbeitsweise gewünscht wird, so· ergeben sich hinsichtlich der ^5teuerkreise keine Isolierungsprobleme. Der Stromfluß kann zu einem beliebigen Zeitmoment während einer vorgegebenen Halbwelle ein- und ausgeschaltet werden.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Steuerung der einem Verbraucher aus einer Wechselstromquelle zugeführten elektrischen Leistung durch periodische Unterbrechung der Leistungszufuhr mit einstellbarem Verhältnis von Ein- zu Ausschaltzeit unter Verwendung einer als Lastschalter dienenden Transistoranordnung aus einem oder mehre-

ren Flächentransistoren, wobei die über zwei seiner Elektroden verlaufende, steuerbare Durchlaßstrecke jedes Transistors mit dem Verbraucher und der Wechselstromquelle in Reihe liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen, der Basis und einer angrenzenden Elektrode jedes Transistors eine Wechselspannung angeschlossen ist, die in ihrer Phasenlage in bezug auf die Speisespannung der Wechselstromquelle steuerbar ist, und. daß in Reihe mit der Durchlaßstrecke des Transistors ein Einwegventil liegt, dessen Flußrichtung mit der Stromführtmgsrichtung der Durchlaßstrecke des Transistors übereinstimmt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 für beide Halbwellen des Wechselstromes, gekennzeichnet durch Verwendung eines Transistors der p-n-p-Type und eines weiteren Transistors der n-p-n-Type, wobei jeder Transistor über ein Einwegventil mit seiner steuerbaren Durchlaßstrecke in Reihe mit der Last und Laststromquelle liegt und eine in ihrer Polarität umkehrbare Steuerspannung von relativ zur Spannung' der Laststromquelle veränderlicher Phasenlage zwischen der Basiselektrode und einer angrenzenden Elektrode jedes Transistors angeschlossen ist, um die Transistoren abwechselnd leitend zu machen,

'3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter zwei Transistoren gleicher Type über ihre Kollektorelektroden miteinander, über die Basiselektrode des einen Transistors mit der Last und über die Basiselektrode des anderen mit der LaststromqueHe verbunden sind und zwischen Basiselektrode und Emitterelektrode jedes Transistors eine Steuerwechselspannung von relativ zur Speisespannung des Lastkreises einstellbarer Phasenlage angeschlossen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerspannungsquelle an jedem der Transistoren zwischen Basis und Emitterelektrode mit entgegengesetzter Phasenlage angeschlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung umkehrbarer Polarität über eine Phasenregelbrücke von der gleichen Stromquelle abgeleitet wird, welche den Laststromkreis speist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Basiselektrode und der angrenzenden Elektrode des Transistors eine in ihrer Polarität umkehrbare Wechselsteuerspannung rechteckiger Kurvenform angelegt ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenregelbrücke eine Begrenzerschaltung für die Bildung der rechteckigen Kurvenform nachgeschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift N 9837 VIIIb/21c
kanntgemacht am 2. 2. 1956).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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