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Schaltungsanordnung zur Regelung der Spannung bzw. des Stromes an
einem Gleichstromverbraucher mit einem Schalttransistor und Speichergliedern Es
ist in der Patentanmeldung S 51077 VIIIb/21 c (Deutsche Auslegeschrift 1049 962)
eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Spannung bzw. des Stromes an einem Gleichstromverbraucher
vorgeschlagen worden, bei welcher für diese Regelung in Reihe mit dem Verbraucher
ein Schalttransistor geschaltet ist und in Reihe mit dem Schalttransistor eine Drossel
liegt, deren eine Anschlußklemme mit der einen Anschlußklemme des Verbrauchers und
deren andere Anschlußklemme über ein bei auf Durchlaß gesteuertem Transistor in
Sperrichtung beanspruchtes Ventil mit der anderen Anschlußklemme des Verbrauchers
verbunden ist.
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Eine solche Schaltungsanordnung veranschaulicht im Prinzip die Fig.
1 der Zeichnung.
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An den Klemmen 1 und 2 dieser Anordnung liegt die Gleichspannungsquelle.
Von dieser wird über die Drossel 3 der Verbraucher 4 gespeist, mit welchem für die
Zwecke der Regelung noch der Schalttransistor 5 in Reihe liegt. Mit 6 ist das Ventil
bezeichnet, welches bei geöffnetem bzw. durchlässigem Transistor 5 in Sperrichtung
beansprucht ist. 7 bezeichnet einen vorzugsweise in einer solchen Schaltung benutzten
Querkondensator. Der Schalttransistor 5 wird im Fall dieser gezeigten Ausführung
abhängig von der Spannung am Verbraucher 4 über ein Hilfsgerät 8 vom Charakter eines
Zweipunktreglers derart gesteuert, daß die an den Verbraucher gelieferte Spannung
praktisch konstant bleibt. Bei geöffnetem, d. h. durchlässigem Transistors liegt
die an den Klemmen1 und 2 bestehende Eingangsspannung an der Reihenschaltung aus
der Drossel 3 und dem Verbraucher 4. Die Differenz zwischen der Eingangsspannung
1-2
und der etwa konstanten Spannung am Verbraucher 4 liegt somit an der Drossel
3. Zur Erzeugung dieser Gegenspannung an der Drossel steigt der Strom in- der Drossel
von einem Anfangswert an. Sobald die Spannung am Verbraucher den durch den einen
Schaltpunkt des Zweipunktreglers 8 vorgegebenen Maximalwert erreicht, wird der Transistor
5 gesperrt. Während der nachfolgenden Sperrphase des Transistors 5 speisen die Drossel
3 und der Kondensator 7 als elektrische Energiespeicher den Verbraucher 4. -Der
von der Drossel 3 -gelieferte Strom fließt über das Ventil 6 zu der anderen Anschlußklemme
der Drossel zurück. Sobald die Verbraucherspannung den durch den zweiten Schaltpunkt
des Zweipunktreglers bestimmten unteren Grenzwert erreicht, wird der Transistor
5 wieder auf Durchlaß gesteuert. Der Strom für die Speisung des Verbrauchers wird
dann wieder von der Eingangsklemme 1 über die Drossel 3, -den Verbraucher
4 und den Transistor 5 zurück zur Klemme 2 geliefert.
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Bei einer solchen Anordnung ergibt sich die nachteilige Erscheinung,
daß der Transistor 5 bei seinem Öffnen nicht unverzögert den vollen über die Drossel
fließenden Strom übernehmen kann, weil der Stromanstieg über den Transistor einmal
infolge des zeitlichen Ablaufes seiner Steuerung und ferner wegen der Induktivität
in diesem Stromkreisteil zwischen den Klemmen 1, 2 und dem Ventil 6 eine endliche
Steilheit hat. Solange aber der Strom über die Drossel 3 noch nicht restlos über
den Transistor 5 fließen kann, bleibt das Ventil 6 durch den Reststrom noch geöffnet.
An dem Ventil 6 entsteht dabei lediglich eine Spannung entsprechend seiner Durchlaßspannung.
Diese Umstände haben daher zur Folge, daß während dieser Zeit des Übergangs des
Transistors aus seinem hochohmigen Sperrzustand in seinen niederohmigen -Durchlaßzustand
an dem Transistor 5 noch die volle Eingangsspannung 1, 2 liegt. Gleichzeitig fließt
aber über den Transistor 5 ein Strom, der sich als Differenz zwischen dem Strom
über die Drossel 3 und dem Strom über das Ventil 6 ergibt. Während dieser Übergangszeit
entstehen in dem Transistor daher erhebliche Verluste. Diese Verluste werden noch
vergrößert; wenn das Ventil 6 einen sogenärinten Trägerstaueffekt aufweist, d. h.,
wenn beim Übergang vom Durchlaß in den Sperrzustand
am Ventil zunächst
ein erheblicher Sperrstrom auftreten kann und somit auch dieser Strom in Sperrichtung
über das Ventil6 seinen Weg über den Schalttransistor 5 nimmt.
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Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß sich diese vorgeschilderten
Mängel einer solchen Anordnung dadurch beseitigen lassen, daß die Drossel in Verbindung
mit mindestens einem weiteren Speicherglied erfindungsgemäß derart bemessen wird,
daß der Strom über die Drossel während der Sperrzeit des Transistors, welche durch
die Taktfrequenz des Arbeitens des Schalttransistors bestimmt ist, auf jeden Fall
bis auf Null oder annähernd Null herabsinkt, bevor ein öffnen bzw. Durchlässigwerdendes
Schalttransistors stattfindet.
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Im Rahmen dieses allgemeinen Grundgedankens können verschiedene Lösungswege
beschritten werden.
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Nach dem einen Lösungsweg kann als weiteres Speicherglied ein Querkondensator
zwischen den Speiseleitungen des Verbrauchers benutzt werden. Eine solche Schaltung
entspricht an sich rein äußerlich derjenigen nach Fig. 1. Für die Zwecke der Erfindung
ist jedoch, wie bereits zum Ausdruck gebracht, eine bestimmte relative Bemessung
der Drossel und des Speichergliedes notwendig. Im Sinn der Erfindung ist es daher
erforderlich, daß der Querkondensator 7 in seiner Größe mindestens derart bemessen
ist, daß die Drosse13 derart klein bemessen werden kann, daß sie während der durch
die Taktfrequenz vorgegebenen Sperrzeit des Transistors praktisch die in ihr während
der Stromführungszeit des Transistors 5 aufgespeicherte Energie für die Speisung
des Verbrauchers derart weitgehend abgibt, daß der Strom über das Querventi16, welches
als Nullanode wirksam ist, praktisch auf Null absinkt.
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Bei einer solchen erfindungsgemäß bemessenen Schaltung im Sinn der
Fig. 1 ist jedoch noch zu beachten, daß die Energiemenge, die der Kondensator 7
während der Sperrzeit des Transistors an den Verbraucher abzugeben hat, während
der öffnungszeit des Transistors dem Kondensator wieder zugeführt werden muß. Da
der Strom über die Drosse13 in seinem Mittelwert mit dem Verbraucherstrom übereinstimmen
muß, der kleinste Drosselstrom aber praktisch bis auf Null zurückgeht, ist es erforderlich,
daß der Maximalwert des Drosselstroms erheblich über dem genannten Mittelwert liegen
muß. Für diesen höchsten Strom muß aber somit auch der Schalttransistor 5 bemessen
werden. Die Erfindung läßt sich jedoch auch dahingehend weiterbilden, daß eine solche
hohe Beanspruchung bzw. Auslegung des Schalttransistors 5 vermieden werden kann.
Erfindungsgemäß wird hierfür als weiteres Speicherglied in der Anordnung eine Drossel
benutzt, welche einem zwischen den Speiseleitungen liegenden Querglied nachgeschaltet
ist. Als Drossel wird dabei vorzugsweise eine Luftspaltdrossel benutzt. Als Querglied
können verschiedene Schaltungselemente benutzt werden. So kann z. B. ein Kondensator
benutzt werden. Vorzugsweise wird jedoch als Querglied ein spannungsabhängiger,
nichtlinearer Widerstand bzw. ein Ventil benutzt, welches derart eingeschaltet ist,
daß es durch die Speisespannungsquelle der Anordnung in seiner Sperrichtung beansprucht
wird. Gegebenenfalls kann es sich im Rahmen der Erfindung als zweckmäßig erweisen,
um eine bestimmte Bemessung für die als weiteres Speicherglied benutzte Drossel
im Sinn einer Verkleinerung wählen zu können, zusätzlich noch einen Querkondensator
zwischen den Speiseleitungen bzw. parallel zum Verbraucher zu benutzen.
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Eine in diesem Sinn weitergebildete Schaltung veranschaulicht das
Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 der Zeichnung.
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Soweit in dieser Darstellung wieder die gleichen Schaltungselemente
vorhanden sind wie bereits in Fig. 1, sind der Einfachheit halber und für eine bessere
übersicht unmittelbar die gleichen Bezugszeichen für diese Schaltungselemente beibehalten
worden. Zusätzlich zu den Schaltungselementen nach den Klemmen 1 und 2 sind in der
Schaltung das Ventil 9, die Drossel 10 und der Kondensator 11 vorhanden.
Die Gleichspannungsquelle, von welcher die Anordnung an den Klemmen 1 und 2 beliefert
wird, ist in diesem Fall veranschaulicht durch einen Trockengleichrichter
12,
der an den Klemmen 13 und 14 vom Wechselstromnetz gespeist wird und welchem
für die Glättung der Gleichspannung ein Kondensator 15 nachgeschaltet ist. Die Drossel
10 bildet das in diesem Fall benutzte zusätzliche Speicherglied, während
das Ventil 9 das Querglied zwischen den Speiseleitungen des Verbrauchers ist, welchem
diese Drossel 10 nachgeschaltet ist. Entsprechend dem Grundgedanken der Erfindung,
daß der Strom über das Halbleiterventil 6 praktisch bis auf den Wert Null abgesunken
sein soll, bevor der Schalttransistor 5 wieder für eine neue Stromführungsphase
geöffnet wird, wird die Drossel 3 hinsichtlich der von ihr übernommenen elektromagnetischen
Energie klein gegenüber der Drossel 10 bemessen.
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In dieser Schaltung wird mit dem Einsetzen der Sperrphase des Transistors
5 der Verbraucherstrom nunmehr von dem Kondensator 11 und den Drosseln 3 und 10
als wirksamen elektrischen Energiespeichern geliefert. Der von den Drosseln 3 und
10
über den Verbraucher geschickte Strom fließt dabei zunächst über das Ventil
6 zu dem oberen Anschluß der Drossel 3 zurück. Sobald aber der Strom der Drossel
3 kleiner wird als der Strom der Drossel 10,
wird das Ventil 9 geöffnet. Der
Strom der Drossel 10 fließt dann von deren unterer Klemme über den Verbraucher 4
zu einem Teil zurück über das Ventil 9 zum oberen Anschluß der Drossel
10 und zu einem anderen Teil über das Ventil 6 zum oberen Anschluß der Drossel
3. In diesem Betriebszustand der Anlage sind demnach beide Ventile 6 und
9 geöffnet. Die Drossel 3 hat daher nur eine Spannung entsprechend der Differenz
der Durchlaßspannungen der beiden Ventile 6 und 9 aufzubringen. Damit nun die Drossel
3 im Sinn der angestrebten Wirkung während der Sperrzeit des Transistors 5 genügend
entladen wird, ist es zweckmäßig, in Reihe mit dem Ventil 6 einen Widerstand, insbesondere
einen Stromabhängigen Widerstand, zu schalten, an dem während der Entladezeit der
Drossel 3 ein genügend hoher Spannungsabfall auftritt.
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Eine andere Möglichkeit, die von der Drossel 3 gespeicherte Energie
möglichst rasch zum Verschwinden zu bringen, besteht darin, an der Stelle des Ventils
9 der Schaltung einen Kondensator anzuordnen, an dem dann eine mittlere Spannung
etwa in Höhe der Verbraucherspannung liegt. In diesem Fall tritt dann an der Drossel
3 bei geöffnetem Ventil 6 eine Spannung in Höhe dieser Kondensatorspannung auf.
Während die Drossel 3 demnach während der Sperrzeit des Transistors 5 mit ihrem
Strom bis praktisch
auf Null zurückgeht, bleibt die Drossel
10 für die Speisung des Verbrauchers 4 wirksam. Der Strom durch die Drossel
10 braucht hierbei nur verhältnismäßig wenig abzunehmen, weil die Bemessung der
Drossel 10 und des Kondensators 11 nunmehr unabhängig ist von den Bedingungen, die
mit Rücksicht auf den Schalttransistor 5 an dem Ventil 6 und der Drossel 3 bestehen
sollen. Beim Wiederöffnen des Transistors 5 ist daher das Ventil 6 sofort in der
Lage, die Spannung an den Klemmen 1, 2 in vollem Umfang zu übernehmen. Der über
den Schalttransistor 5 nach dessen Öffnung einsetzende Strom wird zunächst allein
durch die Drossel 3 bestimmt. Er steigt also von Null aus an. Durch diesen Strom
wird der Gleichrichter 9, der bisher den vollen Strom der Drossel 10 führte,
entlastet, so daß, wenn der anwachsende Strom der Drossel 3 den Wert des Drosselstroms
10 erreicht hat, der Strom über das Ventil s auf Null abgeklungen ist. Das Ventil
9 wird nunmehr in Sperrichtung beansprucht, und die Ströme der Drosseln 3 und 10
stimmen miteinander überein. Der weitere Anstieg dieses Stroms ist im wesentlichen
durch die Größe der Drossel 10 in Verbindung mit dem gegebenenfalls vorhandenen
weiteren Speicherglied in Form des Kondensators 11 bestimmt. Durch entsprechende
Bemessung der Drossel 10 und, wenn vorhanden, des Kondensators 11 hat man es in
der Hand, den Scheitelwert des Stroms über die Drossel 10, der als Belastungsstrom
des Transistors 5 wirksam ist, niedrig zu halten.
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Bei dem in der vorstehenden Beschreibung geschilderten Ausführungsbeispiel
ist eine Regelung der Speisung des Verbrauchers abhängig von der Verbraucherspannung
erläutert worden. Die Erfindung ist aber ebensogut anwendbar für die Regelung des
Verbraucherstroms als auch für eine kombinierte Anwendung, nach welcher ein Verbraucher
auf konstante Spannung geregelt und zugleich in der Anordnung eine Begrenzung des
Verbraucherstroms auf einen oberen Grenzwert benutzt wird. Im Fall einer stromabhängigen
Regelung wäre sinngemäß in der Schaltung zusätzlich ein Schaltungselement vorzusehen,
an welchem eine von dem Belastungsstrom abhängige Spannung auftritt und abgenommen
werden kann, die zur Beeinflussung des einen oder eines zweiten vorhandenen Zweipunktreglers
benutzt wird. Ein solches eine verbraucherstromabhängige Spannung lieferndes Schaltungselement
wäre z. B. ein in den Verbraucherstromkreis eingeschalteter Widerstand, an dem als
Nebenwiderstand die Spannung in Form des an diesem Widerstand anfallenden Spannungsabfalles
in ihrer vollen Höhe oder mit einem anteiligen Betrag abgenommen wird.