DE1164479B - Elektronischer Gleichspannungsschalter mit einem Halbleiterstromtor - Google Patents

Elektronischer Gleichspannungsschalter mit einem Halbleiterstromtor

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DE1164479B
DE1164479B DES77471A DES0077471A DE1164479B DE 1164479 B DE1164479 B DE 1164479B DE S77471 A DES77471 A DE S77471A DE S0077471 A DES0077471 A DE S0077471A DE 1164479 B DE1164479 B DE 1164479B
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Dipl-Ing Erich Krestel
Erich Rainer
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: H 03 k
Deutsche KL: 21 al - 36/18
Nummer; 1 164 479
Aktenzeichen: S 77471 VIII a / 21 al
Anmeldetag: 9. Januar 1962
Auslegetag: 5. März 1964
In letzter Zeit sind sogenannte Halbleiterstromtore bekanntgeworden, deren Betriebsverhalten dem von gasgefüllten Entladungsgefäßen äquivalent ist. Es handelt sich in der Regel um Vierschichthalbleiter aus Silizium, die durch einen Impuls an der Steuerelektrode gezündet werden und so lange Strom führen, bis die angelegte Spannung unter den für die Aufrechterhaltung des Stromes erforderlichen Wert gesunken ist bzw. in der Polarität umgekehrt wird. Zu diesem Zweck gibt es verschiedene Löschschaltungen, die meist auf Kondensatorentladung beruhen.
Man kann beispielsweise den Kondensator einpolig mit dem Halbleiterstromtor verbinden und ein weiteres Halbleiterstromtor dazu heranziehen, den Kondensator zur Löschung dem ersten Halbleiterstromtor parallel zu schalten.
Die vorliegende Erfindung gibt einen elektronischen Gleichspannungsschalter mit einer Löschschaltung an, die grundsätzlich auf dem Prinzip der Kondensatorlösung aufbaut und so ausgebildet ist, daß im Stromkreis des Hauptstromtores keinerlei zusätzliche Schaltungselemente erforderlich sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Löschkondensator ein Dämpfungswiderstand und parallel zum Ladewiderstand ein Reihen-Schwingkreis zur Lösung des fremdgespeisten Hilfsstromtores liegt. Nähere Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes sowie die zweckmäßige Dimensionierung seien im folgenden an einem Ausführungsbeispiel erläutert, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist.
An eine Gleichspannung U ist über das Hauptstromtor S1 ein Verbraucher angeschlossen, der gemischt ohmisch-induktiven Charakter haben mag, so daß er durch die Reihenschaltung eines Widerstandes R und einer Induktivität L nachgebildet werden kann. Parallel zum Halbleiterstromtor S1 liegt die Reihenschaltung eines fremdgespeisten Hilfsstromtores S2, eines Löschkondensators Cl und eines Dämpfungswiderstandes Rd- In die Speiseleitung des Hilfsstromtores S2 ist die Parallelschaltung eines Reihenresonanzkreises aus Induktivität Ls und Kapazität Cs sowie eines Ladewiderstandes R0 geschaltet. Die Speisespannung ist mit U0 bezeichnet.
Parallel zu den Stromtoren kann man Dioden G1, G2 legen, die in Sperrichtung belastet sind. Ferner kann man parallel zum Hilf sstromtor S2 einen Kondensator C2 schalten. Zweckmäßig liegt über der Speisespannung U0 ein Kondensator C1.
Die Zündung der Stromtore erfolgt beispielsweise aus Kippstufen K1, K2 über Impulstransformatoren T15 T2. Parallel zur Last kann man ein Ventil G legen, das Elektronischer Gleichspannungsschalter
mit einem Halbleiterstromtor
Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Erich Rainer,
Dipl.-Ing. Erich Krestel, Erlangen
die bekannte Funktion der Nullanode hat. Um bei Belastungen großer Induktivität sofort beim Zünden des Stromtores S1 das Durchlässigbleiben sicherzustellen, kann man parallel zur Belastung einen Kondensator Ca in Reihe mit einem Widerstand Ra schalten. Ca und Ra können entfallen, wenn man die Zündvorrichtung so auslegt, daß der Zündimpuls so lange am Hauptstromtor S1 anliegt, bis der Haltestrom überschritten ist.
Damit ein Halbleiterstromtor gelöscht wird, d. h. aus dem leitenden in den nichtleitenden Zustand übergeht, muß die Anoden-Kathoden-Spannung für eine Zeitdauer π, die mindestens gleich der Löschzeit Tl ist, kleiner als die Haltespannung sein, die geeignet ist, den Stromfluß aufrechtzuerhalten. Diese Haltespannung liegt in der Größenordnung von 1 V, so daß man einfach fordern kann, daß die Spannung am Stromtor gleich oder kleiner als Null werden muß.
Berücksichtigt man diese Bedingungen beim Erfindungsgegenstand, so erhält man für den Löschkondensator Cl die Dimensionierungsvorschrift
= <? · Tx, ■
U0
Darin bedeutet e die Basis des natürlichen Logarithmus, TL die Löschzeit, die etwa 10 psec beträgt, /den gewählten Laststrom und U0 die Speisespannung des Hilfsstromtores.
Man macht RD-CL = TL und erhält für RD die Bemessungsvorschrift
Rd =
409 537/478
Vorteilhaft wird die Speisespannung U0 gleich der Netzspannung U gewählt. In diesem Fall ist Rd gleich
dem —fachen des ohmschen Verbraucherwiderstandes. e
Mit den bisher behandelten Schaltungselementen kann man also die Löschung des Hauptstromtores S1 folgendermaßen erzielen: Das Hilfsstromtor S2 wird gezündet, so daß die am Löschkondensator Cl liegende Spannung parallel zum Hauptstromtor S1 geschaltet wird. Dadurch wird die Spannung am Hauptstromtor S1 unter den Haltewert gesenkt und das Stromtor gelöscht. Die Löschung kann mit HMe der Diode G1 erleichtert werden, die den Entladestrom des Löschkondensators Cl aufnimmt, so daß am Hauptstromtor S1 in Sperrichtung nur die Schwellspannung der Diode liegt. Durch die angegebene Bemessung von Löschkondensator und Dämpfungswiderstand ist gewährleistet, daß die Spannung am Hauptstromtor während ausreichender Zeit unter den Haltewert gebracht wird.
Nunmehr führt das Hilfsstromtor S2 Strom und muß, um den Ruhezustand des Schalters herbeizuführen, ebenfalls noch gelöscht werden. Dies erfolgt mit Hilfe des Reihenschwingkreises Ls. Cs, der beim Zünden des Hilfsstromtores S2 zu einer Schwingung angeregt wurde.
Zur Bemessung des Schwingkreises und des Ladewiderstandes R0 können folgende Überlegungen herangezogen werden.
Die Zeit T0, nach der der mit der Löschung des Hauptstromtores in Zusammenhang stehende Umladevorgang des Löschkondensators Cl abgelaufen ist, setzt sich aus drei Summanden zusammen, nämlich
(R + Rd)-Cl
Darin bedeutet R den ohmschen Verbraucherwiderstand und Li die innere Induktivität des Gleichspannungsnetzes. Die beim Zünden des Hilfsstromtores S2 entstehende Schwingung im Reihenschwingkreis überlagert sich strommäßig dem konstanten Grundstrom
Jn ■—' ZT"
Durch diese Bemessung der Schaltungselemente wird sichergestellt, daß nach Löschen des Hauptstromtores auch das Hilfsstromtor gelöscht wird.
Verwendet man den Schalter nach der Erfindung als Zweipunktregler mit Impulsbreitenmodulation, so ist ein möglichst großer Aussteuerbereich erwünscht. Der Aussteuerbereich hängt davon ab, in welchen Grenzen sich das Verhältnis von Impulsbreite und Periodendauer der Löschimpulse ändern läßt. Im
ίο Idealfall soll das Verhältnis stetig alle Werte zwischen 1 und O annehmen.
Der Wert 1 für das Verhältnis läßt sich unter der Voraussetzung zweckmäßiger Steuermittel für die Zündimpulse gut annähern. Im praktischen Betrieb wurde eine Annäherung bis auf 1 % erreicht. Schwieriger ist die Annäherung des Wertes O, da der Aussteuerbereich durch den zeitlichen Ablauf der Umladung des Löschkondensators Cl begrenzt ist. Erst nach Abschluß der Entladung des Löschkonden-
ao sators kann das Hauptstromtor S1 durch Zündung des Hilfsstromtores S2 gelöscht werden. Die kleinste erreichbare Impulsbreite liegt somit in der Größenordnung
2-Cl-(R0 +Rd).
Die Zeitkonstante des aus Löschkondensator, Dämpfungswiderstand und Ladewiderstand gebildeten ÜC-Gliedes ist also gleich der halben kleinsten Impulsbreite.
Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Grundschaltung des Erfindungsgegenstandes läßt verschiedene Abweichungen zu, ohne daß die geschilderte Wirkungsweise wesentlich geändert wird. Insbesondere sind die beiden Ventile G1 und G2 nicht unbedingt erforderlich. Wesentlich ist jedoch, daß der Erfindungsgegenstand eine beliebig wiederholbare Ein- und Ausschaltung von Gleichspannungsverbrauchern gestattet, ohne daß im Verbraucherstromkreis zusätzliche energieverbrauchende Schaltungsteile angeordnet werden müssen.

Claims (8)

Patentansprüche: und dem Umladungsstrom des Löschkondensators Cl-Wird die Amplitude der zweiten Schwingungshalbwelle, die der Durchlaßrichtung des Hilfsstromtores S8 entgegengerichtet ist, so groß, daß sie die beiden in Durchlaßrichtung fließenden Ströme überwiegt, so fließt ein Strom über die Diode G2, die Haltespannung des Stromtores S2 wird unterschritten und das Stromtor gelöscht. Da der Umladestrom des Löschkondensators Cl groß ist, wählt man die Schwingungsdauer des Reihenschwingkreises so groß, daß die Amplitude in der gegenphasigen Halbwelle erst nach Ablauf von mindestens zwei Zeitkonstanten T0 durchlaufen wird. Damit ergeben sich die Bemessungsvorschriften Ls Der Ladewiderstand ist also gleich dem Wellenwiderstand des Reihenschwingkreises zu wählen.
1. Elektronischer Gleichspannungsschalter mit einem Halbleiterstromtor, dem über einen Löschkondensator ein Hilfsstromtor parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Löschkondensator (C£) ein Dämpfungswiderstand (Rd) und parallel zum Ladewiderstand (R0) ein Reihenschwingkreis (Ls, Cs) zur Löschung des fremdgespeisten Hilfsstromtores (S1) liegt.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Sperrichtung belastete Dioden (G1, G2) parallel zu den Stromtoren liegen.
3. Schalter nach den Ansprüchen 1 und 2 für induktive Verbraucher, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verbraucher eine Reihenschaltung von Kondensator (Ca) und Widerstand (RA) parallel geschaltet ist.
4. Schalter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisespannung (U0) des Hilfsstromtores (S2) der Netzgleichspannung (U) entspricht.
5. Schalter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des aus Löschkondensator (Cl) und Dämpfungswiderstand (Rd) gebildeten i?C-Gliedes gleich der zur
Löschung des Hauptstromtores (SJ erforderMchen Zeit ist.
6. Schalter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungswiderstand (Rd) gleich dem —fachen des ohmschen
Verbraucherwiderstandes (R) ist.
7. Schalter nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladewiderstand (i?0) gleich dem Wellenwiderstand des Reihenschwingkreises ist.
8. Schalter nach den Ansprüchen 1 bis 7 als Zweipunktregler mit Impulsbreitenmodulation, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des aus Löschkondensator (Cl), Dämpfungswiderstand (.Rd) und Ladewiderstand (i?0) gebildeten ÄC-Gliedes gleich der halben kleinsten Impulsbreite ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 008 349.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
«9 537/478 2.64 © Bundesdruckerei Berlin
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