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Einrichtung zum willkürlichen An- und Abschalten eines Verbrauchers,
der über ein Hauptstromtor an eine Gleichspannüngsquelle angeschlossen ist Die Erfindung
bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ein- und Ausschalten von Gleichstromkreisen,
insbesondere zum Regeln und Steuern einer Gleichspannung an einem Verbraucher, bei
der Halbleiterstromtore verwendet werden.
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Die Eigenschaften derartiger Bauelemente stimmen weitgehend überein
mit denen bekannter Gasentladungsröhren, wie sie unter dem Namen Tyratron oder Stromtor
bekanntgeworden sind. Charakteristisch für beide Bauelemente ist es, daß sich die
Leitfähigkeit einer zwischen zwei Hauptelektroden (Anode, Kathode) liegenden Strecke
nur sprunghaft ändern läßt. Wird beispielsweise der Steuerelektrode ein kurzzeitiger
Zündimpuls zugeführt, dann wird das Stromtor leitend. Der danach in den Stromkreis
fließende Strom ist praktisch nur noch durch den äußeren Stromkreiswiderstand und
die Spannungsquelle bestimmt, vorausgesetzt, daß die Spannung dieser Quelle die
geeignete Polarität besitzt.
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Wesentlich schwieriger ist es dagegen, ein Stromtor von dem leitenden
Zustand in den sperrenden überzuführen. Die Stromtore verlieren nämlich ihre Leitfähigkeit
nur dann, wenn der über die Hauptelektroden fließende Strom einen festen, nahe bei
Null gelegenen Grenzwert unterschreitet, was wohl bei Wechselstrom regelmäßig, bei
Gleichstrom jedoch meist nicht ohne weiteres eintritt.
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Um die Verwendung von Stromtoren in Gleichstromkreisen zu ermöglichen,
hatte man bereits dem mit einem Verbraucher in Serie liegenden Hauptstromtor einen
sogenannten Löschkondensator über ein weiteres Hilfsstromtor parallel geschaltet.
Dieser Löschkondensator wurde durch geeignete Maßnahmen aufgeladen und dann durch
Zünden des Hilfsstromtores so entladen, daß der Entladestrom dem über das Hauptstromtor
fließenden Laststrom entgegengerichtet ist. Wenn sich diese beiden Ströme an-nähernd
kompensieren, erlischt das Hauptstromtor.
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Besondere Schwierigkeiten ergeben sich, wenn das Hauptstromtor in
einem bestimmten Takt periodisch ein- und ausgeschaltet werden soll, wie es z. B.
erforderlich ist, wenn eine Gleichspannung nach dem sogenannten Tirril-Prinzip geregelt
oder gesteuert werden soll.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zum willkürlichen An-
und Abschalten eines Verbrauchers, der über ein Hauptstromtor an eine Gleichspannungsquelle
angeschlossen ist, wobei dem Hauptstromtor ein Löschkondensator über ein Hilfsstromtor
parallel geschaltet ist, die auch den zuvor bezeichneten Anforderungen gewachsen
ist.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher über
einen induktiven Energiespeicher an das Hauptstromtor angeschlossen ist und daß
der Serienschaltung aus Verbraucher und Energiespeicher eine Nullanode und über
einen Ladewiderstand der Löschkondensator parallel geschaltet ist.
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Mit dieser Anordnung gemäß der Erfindung läßt sich erreichen, daß
das Hilfsstromtor kurz nach dem Löschen des Hauptstromtores sperrt.
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In F i g. 1 ist ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Gleichstromschalteinrichtung
dargestellt. 1 und 2 bezeichnen die Stromtore, 4 den Kondensator und 3 den Ladewiderstand
des Kondensators. 5 ist ein Halbleiterventil mit der Funktion einer Nullanode, die
den Stromfluß über die Induktivität 6 und den an ,den Klemmen 74 und 75 angeschlossenen
Verbraucher zunächst übernimmt, wenn das Hauptstromtor 2 gesperrt ist. 7 und 8 sind
Hilfseinrichtungen zur Zündung des Stromtores 2.
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Es wird davon ausgegangen, daß das Stromtor 2 leitend ist, der Verbraucher
an den Klemmen 74 und 75 also von der mit (-I-) und (-) bezeichneten Gleichspannung
über die Drossel6 mit Strom versorgt wird. Der Kondensator 4 wird dann über den
Widerstand 3 aufgeladen, so daß er links positive und rechts negative Polarität
annimmt. Wird nunmehr durch ein Steuerkommando, welches zwischen der an dem Anschluß
1 a liegenden Steuerelektrode des Stromtores l und dem negativen Pol der Spannungsquelle
(+, -) angelegt wird, das Stromtorl gezündet, so wird der über das Stromtor 2 fließende
Strom über den Kondensator 4 und das Stromtor l abgesaugt, so daß das Stromtor 2
erlischt. Das Stromtor 1 erlischt ebenfalls, sobald der Kondensator 4 auf
die
volle Spannung umgeladen worden ist, wobei er dann mit seiner am Stromtor 2 liegenden
Klemme auf positivem Potential und mit seiner anderen Klemme auf negativem Potential
liegt. Der Verbraucherstrom wird durch die Drossel 6 zunächst noch aufrechterhalten
und kann über die Nullanode 5 zum Verbraucher zurückfließen.
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Durch vorübergehendes Schließen des Kontaktes 7 kann nun der Strom
über den Verbraucher (74 bis 75) wieder eingeschaltet werden, indem das Stromtor
2 leitend gemacht wird. Sofern das Stromtor 1 noch infolge eines ausreichenden großen
Stromes über den Widerstand 3 leitend war, wird es nunmehr gesperrt, indem die Kondensatorspannung
4 entgegengesetzt zur Stromrichtung an das Stromtor 1 gelegt wird.
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In F i g. 2 ist eine Einrichtung dargestellt, bei der ein solcher
Gleichstromschalter bei Erreichen eines bestimmten Stromes selbsttätig abschaltet.
Mit 1 und 2 sind wieder die beiden Stromtore bezeichnet, während 3 den Ladewiderstand
des Kondensator 4 darstellt und 8 und 7 die Einrichtung zum Wiedereinschalten
des Stromtores 2 ist. 5 ist die Nullanode und 6 die Induktivität, die dem Verbraucherwiderstand
27 vorgeschaltet ist. 10 und 11 sind Spannungsteilerwiderstände, wobei der
Spannungsabfall an dem Widerstand 10 etwa so groß gewählt ist wie der Spannungsabfall
an dem Widerstand 15, der der Transistorkippschaltung aus den Transistoren 17 und
21 als deren gemeinsamer Emitterwiderstand vorgeschaltet ist. Im Kollektorkreis
des Transistors 17 ist ein Kollektorwiderstand 18 vorgesehen, während im Kollektorkreis
des Transistors 21 die Widerstände 22 und 23 liegen. Die Basis des Transistors
17 ist über den Widerstand 20 mit dem Kollektor des Transistors
21 verbunden, während die Basis des Transistors 21
über den Widerstand
19 mit dem Kollektor des Transistors 17 verbunden ist, wodurch die beiden Transistoren
17 und 21 zu einer bistabilen Kippschaltung vereinigt sind. Eine weitere Steuerungsmöglichkeit
für den Transistor 17 besteht über den Widerstand 13 von dem Spannungsteiler aus
den Widerständen 10 und 11 aus, über den Widerstand 24, das Ventil 25 und den Kondensator
26 zu dem unteren Anschlußpunkt des Halbleiterstromtores 2. Ein in dem Hauptstromkreis
liegender Widerstand 12 dient zur Erfassung des Stromes. 14 und 16 sind Hilfswiderstände,
die für ein sicheres Sperren der pnp-Transistoren 17 und 21 durch Anlegen einer
positiven Spannung an deren Basiselektroden sorgen. Die Schaltungsanordnung nach
F i g. 2 arbeitet wie folgt: Bei leitendem Stromtor 2 ist der Transistor 17 leitend
und der Transistor 21 somit gesperrt. Die Spannung an der Basis des Transistors
17 ist somit um ein geringes negativ gegenüber derjenigen an seinem Emitter. Übersteigt
die an dem Widerstand 12 anliegende Spannung einen gewissen Wert, so wird die Basis
des Transistors 17 so viel positiver, wie es notwendig ist, um die Kippschaltung
in den anderen Schaltzustand zu bringen, in dem der Transistor 17 gesperrt ist und
der Transistor 21 leitend ist. Somit bekommt das Stromtor 1 durch den an dem Widerstand
23 wegen des über diesen und den durchlässigen Transistor 21 fließenden Stromes
entstehenden Spannungsabfall ein Steuerpotential, wodurch es leitend wird. Stromtor
2 wird somit gelöscht und der Kondensator 4 umgeladen, wodurch der Strom für den
Verbraucher 27 unterbrochen wird. Um diesen Strom wieder einzuschalten, ist es notwendig,
den Taster 7 zu schließen, wodurch einmal das Stromtor 2 durch einen Strom über
den Widerstand 8 in den leitenden Zustand gesteuert wird und ferner der Hauptstromkreis
durch Einschalten des Widerstandes 9 so weit in seinem Widerstandswert vergrößert
wird, daß kein unzulässig hoher Strom auftreten kann. Gleichzeitig bekommt der Transistor
17 ein Kipppotential über den Widerstand 24, das Ventil 25 und den Kondensator 26,
so daß die Transistorkippschaltung (17 bis 21) in denjenigen Schaltzustand
übergeht, in welchem der Transistor 17 leitend und der Transistor 21 gesperrt ist.
Wenn nach dem Loslassen des Tasters 7 der Strom abermals den kritischen Wert überschreitet,
so schaltet der Gleichstromschalter (1 bis 2) wieder ab.
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In F i g. 3 ist eine Einrichtung mit einem Gleichstromschalter beschrieben,
der selbsttätig die Gleichspannung am Verbraucher auf eine bestimmte Höhe regelt
in Verbindung mit einer selbsttätigen Strombegrenzungseinrichtung, d. h., in dieser
Einrichtung wird die Anlage auch selbsttätig bei Überströmen bzw. Kurzschlüssen,
die auf der Gleichstromseite auftreten, geschützt, indem der Gleichstromschalter
jeweils ausschaltet, sobald der kritische obere Stromwert erreicht ist. Damit dies
einwandfrei geschehen kann, erhält der Gleichstromschalter für seinen Kondensator
an Stelle eines einfachen Ladewiderstandes eine Transistorenanordnung, die eine
Ladewiderstandsanordnung selbsttätig während der Einschaltung des Hauptstromtores
derart klein im Widerstandswert macht, daß der Kondensator für ein in Betracht gezogenes
kürzestes Zeitintervall zwischen zwei Schutzschaltungsvorgängen in genügend kleiner
Zeit eine ausreichende Ladung bekommt, während der übrigen Zeit aber den Widerstandswert
der Ladewiderstandsanordnung derart groß macht, daß keine unerwünscht großen Ströme
auftreten können. Diese Schaltungsanordnung enthält wieder die grundsätzliche Anordnung,
wie sie bereits in F i g. 1 der Zeichnung enthalten und im vorausgehenden beschrieben
worden ist. Es sind also die beiden Halbleiterstromtore 1 und 2 und
der Kondensator 4 vorhanden. An Stelle des Widerstandes 3, welcher das Zeitkonstantenglied
für die Aufladung des Kondensators 4 nach der F i g. 1 bildet, ist nunmehr
eine neuartige Einrichtung vorgesehen. Diese enthält zunächst einen Spannungsteiler
aus den Widerständen 30 und 31. Ferner liegt parallel zu diesem Spannungsteiler
die Reihenschaltung aus den beiden Transistoren 32 und 34 sowie den beiden ohmschen
Widerständen 33 und 35. Schließlich ist ein weiterer Spannungsteiler vorhanden,
der zwischen den beiden Speiseleitungen des Verbrauchers liegt und aus der Reihenschaltung
des Gleichrichterventils 36, dem ohmschen Widerstand 37 und dem Kondensator 38 besteht.
Die Polung des Gleichrichterventils 36 ist dabei eine solche, daß es von der an
den Klemmen (+) und (-) liegenden Gleichspannung in seiner Sperrichtung beansprucht
wird. Die Wirkungsweise dieser bisher beschriebenen Teilschaltung nach F i g. 3
ist die nachfolgende.
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Es wird wieder davon ausgegangen, daß das Halbleiterstromtor 2 leitend
und das Halbleiterstromtor 1 gesperrt war und daß jetzt auf die Steuerstrecke des
Halbleiterstromtores 1 ein Kippotential gegeben wird. Während der Zeit der Stromführung
des Stromtores 2 wird gleichzeitig der Kondensator 4 in der Weise aufgeladen, daß
sein linker Belag positive und sein rechter Belag negative Polarität annimmt. Der
Stromweg
für die Aufladung dieses Kondensators 4 verläuft über
die genannte Reihenschaltung aus den beiden Transistoren 32 und 34 sowie die Widerstände
33 und 35. Damit aber dieser Strom fließen kann, ist es notwendig, daß die beiden
Transistoren 32 und 34 leitend sind. Während der Stromführung. des Halbleiterstromtores
2 entsteht ein Steuerstrom von (-f-) über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors
32, den Widerstand 37 und den Kondensator 38 so lange nach (-), bis der Kondensator
38 vollständig aufgeladen ist. Andererseits liegt der Transistor 34 mit seiner Basis
an der Verbindungsleitung der beiden Widerstände 30 und 31, welche den Spannungsteiler
bilden, der mit dem Kondensator 4 in Reihe liegt. Solange die Aufladung des Kondensators
4 noch nicht vollendet ist, kann also ein Strom von (-I-) über die beiden Widerstände
30 und 31 und den Kondensator 4 nach der (-)-Klemme der Gleichspannungsquelle (-f-,
-) fließen. Hierbei hat aber, sobald über den leitenden Transistor 32 der Emitter
des Transistors 34 an Spannung gelegt wird, die Basis des Transistors 34 ein negatives
Potential gegenüber dessen Emitter, so daß also von der (+)-Klemme der Spannungsquelle
über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 32, den Widerstand 33 und die
Emitter-Basis-Strecke des Transistors 34, den Widerstand 31 und den Kondensator
4 ein Strom nach der (-)-Klemme der Anordnung fließt. Hierdurch wird auch die Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 34 leitend, so daß nunmehr ein entsprechender Ladestrom für den
Kondensator 4 auch über den ohmschen Widerstand 35 fließen kann. Die Widerstandsverhältnisse
in der Reihenschaltung aus dem Transistor 32, dem ohmschen Widerstand 33, dem Transistor
34 und dem ohmschen Widerstand 35 sind derart gewählt, daß der Widerstand dieser
Reihenschaltung wesentlich geringer ist als der Widerstand des aus den beiden Widerständen
30 und 31 gebildeten Spannungsteilers. Es ist daher im wesentlichen diese Reihenschaltung
mit ihrem Widerstandswert zusammen mit dem Kapazitätswert des Kondensators 4 bestimmend
für die Zeitkonstante, mit welcher der Kondensator 4 aufgeladen wird. Sobald der
Kondensator 4 vollständig aufgeladen worden ist, kann also kein Strom mehr über
den Spannungsteiler 30 und 31 fließen. Es entfällt damit eine ausreichende Steuerspannung
für die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 34, so daß der Leitungszug über die
Reihenschaltung der Transistoren 32 und 34 selbsttätig gesperrt wird. In ähnlicher
Weise erfolgt eine Sperrung des Transistors 32 an seiner Emitter-Kollektor-Strecke,
indem mit Vollendung der Rufladung des Kondensators 38 ein ausreichender Steuerstrom
am Transistor 32 nicht mehr vorhanden ist, der diesen in seinem durchlässigen Zustand
über seine Emitter-Kollektor-Strecke erhalten könnte. Mit Vollendung des geschilderten
Vorganges ist somit der Kondensator 4 in der angegebenen Weise aufgeladen, daß er
an seinem linken Belag positive und an seinem rechten Belag negative Polarität aufweist.
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Soll die Stromführung über das Halbleiterstromtor 2 unterbrochen werden,
so ist es sinngemäß wieder notwendig, daß ein entsprechendes Steuerpotential auf
die Steuerstrecke des Halbleiterstromtores 1 gegeben wird. Bei einem ausreichenden
Steuerpotential wird also das Halbleiterstromtor 1 über seine Außenelektroden durchlässig,
und es kann nunmehr der Kondensator 4 sich über dieses Halbleiterstromtor 1 entladen.
Da er außerdem in einem Stromkreis von der (+)-Klemme über den Kondensator und das
Halbleiterstromtor nach der (-)-Klemme liegt, wird er im Anschluß an diesen Entladungsvorgang
auf die entgegengesetzte Polarität umgeladen, so daß er also dann an seinem rechten
Belag positive und seinem linken Belag negative Polarität aufweist. Während des
Entladungsvorganges des Kondensators, als dieser an seinem linken Belag positive
und an seinem rechten Belag negative Polarität aufweist, war diese Spannung an die
Außenelektroden des Halbleiterstromtores 2 angelegt worden, so daß wegen dieser
nunmehr umgekehrten Polarität der an den Außenklemmen des Halbleiterstromtores 2
liegenden Spannung dieses gelöscht wurde. Wenn der Kondensator 4 nunmehr die angegebene
Polarität annimmt, daß er also an seinem rechten Belag positive und an seinem linken
Belag negative Polarität aufweist, erlischt mit der vollen Aufladung des Kondensators
4 auch das Halbleiterstromtor 1. Der durch die Induktivität 72 fließende Verbraucherstrom
kann dann über die Nullanode 5 noch weiterfließen. Das Ventil 5 wird somit in Durchlaßrichtung
beansprucht und besitzt an seinem rechten Teil positive und an seinem linken Teil
negative Polarität. Da der Kondensator 38 vorher links mit positiver Polarität und
rechts mit negativer Polarität geladen war, wird er sich nunmehr über den Widerstand
37 und das Ventil 36 bis auf die Spannung des Ventiles 5 entladen. Dieser Entladestrom
bewirkt, daß der Transistor 32 im Sperrzustand gehalten wird und somit der Strom
über die Ladewiderstandsanordnung (30 bis 35) für den Kondensator 4 praktisch auf
die Größe der Spannungsteilerwiderstände 30 und 31 begrenzt bleibt.
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Die übrige Beschaltung der F i g. 3 enthält zwei Transistorkippstufen
mit den Transistoren 50 und 56 bzw. 65 und 70. Die erstere der beiden Kippstufen
wird in Abhängigkeit von der am Ausgangs-bzw. Glättungskondensator 73 liegenden
Spannung gesteuert, indem ein Spannungsteilerwiderstand (44-45-46) vorgesehen ist,
dessen Teilspannung am Widerstand 44 mit der Spannung an der Zenerdiode 51 verglichen
und als Steuerspannung für den Transistor 50 benutzt wird. Sobald die Spannung am
Widerstand 44 größer ist als die Zenerspannung der Diode 51, wird der Transistor
50 leitend, wodurch gleichzeitig der Transistor 56 in den Sperrzustand übergeht.
Gleichzeitig bekommt das Stromtor 1 einen Steuerimpuls über den Widerstand 41 und
den Kondensator 39. Hierdurch wird das Halbleiterstromtor 1 leitend und der Verbraucherstrom
durch die Sperrung des Halbleiterstromtores 2 unterbrochen. Sobald die Spannung
am Widerstand 44 unter den Ansprechwert der Diode 51 absinkt, wird der Transistor
50 in den Sperrzustand übergeführt und dementsprechend der Transistor 56 leitend.
Hierdurch bekommt das Stromtor 2 einen Steuerimpuls über den Widerstand 42 und den
Kondensator 40, der das Stromtor 2 über seine Außenelektroden durchlässig macht,
so daß auf diese Weise wieder die Speisung des Gleichstromverbrauchers stattfindet,
der an die Klemmen 74 und 75 angeschlossen ist. Der Widerstand 46 ist durch einen
Kondensator 47 überbrückt. Der Widerstand 46 wird in Abhängigkeit von der Spannung
an der Drossel 72 über deren Sekundärwicklung 72 b und den Widerstand 48 zusätzlich
gespeist, so da.ß der Widerstand 46 in dem Spannungswert an seinen Klemmen nicht
nur durch die zwischen (-I-) und (-) anliegende statische
Spannung
bestimmt wird, sondern auch zusätzlich dynamisch durch die Spannung an der Drossel
72.
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Die weitere Transistorkippschaltung aus den Transistoren 65 und 70
wird beeinflußt in Abhängigkeit von dem Verbraucherstrom über den Widerstand 43.
Normalerweise ist der Transistor 65 leitend und dementsprechend der Transistor 70
gesperrt. Sobald aber der Strom über den Widerstand 43 einen solchen Wert annimmt,
daß sein Spannungsabfall einen bestimmten Betrag überschreitet, wird der Transistor
65 gesperrt und gleichzeitig der Transistor 70 leitend. Im Sperrzustand des Transistors
65 fließt nun ein zusätzlicher Steuerstrom für den Transistor 50 über das Ventil
63. Dementsprechend wird die Transistorkippschaltung mit den Transistoren
50 und 56 in den anderen Schaltzustand übergeführt, in dem der Transistor 50 leitend
ist und ein Steuerpotential auf das Stromtor 1 gibt, dieses also leitfähig macht
und dementsprechend das Halbleiterstromtor 2 gesperrt wird, womit der Stromfluß
von der an den Klemmen (-+-) und (-) liegenden Speisespannungsquelle über den Verbraucher
(74 bis 75) unterbrochen wird. Sobald der Strom durch den Widerstand 43 wieder genügend
abgesunken ist, so daß der an dem Widerstand 43
entstehende Spannungsabfall
nicht mehr ausreicht, um den Transistor 50 im Sperrzustand zu halten, wird der Transistor
65 wieder leitend, und der Transistor 70 wird gesperrt. Dann geht der Transistor
50 ebenfalls in den Sperrzustand zurück. Der Transistor 56 wird leitend und gibt
über den Widerstand 42 und den Kondensator 40 ein Steuerkommando auf das Stromtor
2, das den Verbraucherstrom wieder einschaltet.