DE1164479B - Elektronischer Gleichspannungsschalter mit einem Halbleiterstromtor - Google Patents
Elektronischer Gleichspannungsschalter mit einem HalbleiterstromtorInfo
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Description
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
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)
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.
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 008 349.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
«9 537/478 2.64 © Bundesdruckerei Berlin
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