DE1166356B - Tastschaltung zur Speisung eines Verbrauchers - Google Patents

Tastschaltung zur Speisung eines Verbrauchers

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DE1166356B
DE1166356B DEL43676A DEL0043676A DE1166356B DE 1166356 B DE1166356 B DE 1166356B DE L43676 A DEL43676 A DE L43676A DE L0043676 A DEL0043676 A DE L0043676A DE 1166356 B DE1166356 B DE 1166356B
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inductance
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DEL43676A
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English (en)
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Dipl-Ing Guenter Lehmann
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/125Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M3/135Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M3/137Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Description

  • Tastschaltung zur Speisung eines Verbrauchers Es ist oft erwünscht, einen kapazitiven Energie-Speicher, beispielsweise einen Akkumulator, aus einer vorhandenen Gleichspannungsquelle zu laden. Hierbei ist in vielen Fällen die Spannung des Energiespeichers geringer als die Spannung der zur Verfügung stehenden Gleichstromquelle. Bekannt ist insbesondere das Laden der Energiespeicher über Vorwiderstände oder auch über Wechselrichter mit Zwischentransformator und Gleichrichter. Die üb- licherweise verwendeten Wechselrichterschaltungen haben den Nachteil, daß beim ungewollten Durchschalten eines Ventils, beispielsweise durch einen Störimpuls, ein Kurzschluß der Speisespannung eintritt, der eine Betriebsunterbrechung zur Folge hat.
  • Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit den Möglichkeiten der Ladung eines kapazitiven Energiespeichers (Kondensator, Akkumulator usw.) aus einer Stromquelle höherer Spannung mittels tastbarer Ventile. Unter einem tastbaren Ventil soll ein Ventil verstanden sein, das ein- und ausschaltbar ist. Die Ausschaltung kann im Leistungskreis mit Hilfe eines Löschkondensators oder über den Steuerkreis erfolgen. Als Ventile kommen insbesondere steuerbare Halbleiterzellen, auch Siliziumthyratrone oder Vierschichttrioden genannt, in Frage.
  • Die im Sinne der vorstehenden Aufgabenstellung einfachste Schaltung ist in Fig. 1 gezeigt. Eine Gleichstromquelle 3, 4 wird mit Hilfe eines tastbaren Ventils 2 periodisch auf einen kapazitiven Energiespeicher 1 geschaltet. Hierbei ergeben sich die in F i g. la gezeigten kurzschlußartigen Stromspitzen i 1 = '",4 über der Zeit t. Der Mittelwert des Ladestromes il, ist relativ gering. Dagegen ist die Beanspruchung des Energiespeichers 1, des tastbaren Ventils 2 und der Stromquelle 3, 4 sehr hoch, da die Amplitude der Stromspitzen nur durch die inneren Widerstände begrenzt wird.
  • Eine wesentliche Verbesserung der Schaltung ist in F i g. 2 gezeigt. Es sind zusätzlich eine Induktivität 5 und eine Freilaufdiode 6 vorgesehen. Der zeitliche Verlauf der Ströme ist in F i g. 2 a gezeigt. Während des Zeitabschnittes t, ist das tastbare Ventil 2 durchgeschaltet. Der Stromkreis schließt sich über die Induktivität 5 und den Energiespeicher 1. Der Strom i, = '"'4 zeigt eine ansteigende Tendenz. Nach dem Sperren des tastbaren Ventils 2 schließt sich der Stromkreis über die Induktivität 5, den Energiespeicher 1 und die Freilaufdiode 6. In diesem Zeitabschnitt t. hat der Strom il eine fallende Tendenz, während der Strom 4 4 Null ist. Der Lade-Strom i. schwankt nur wenii um seinen Mittelwert i",. Er kommt also den idealen Verhältnissen sehr nahe. Der aus der Stromquelle 3, 4 entnommene Strom '",4 besteht aus Impulsen, die gegenüber der in F i g. 1 gezeigten Anordnung eine wesentlich kleinere Amplitude und größere Zeitdauer haben. Die Rückwirkungen des Stromes '",4 in Fig. 2a auf die Stromquelle 3, 4 können immer noch sehr unangenehm sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Stromquelle 3, 4 größere induktive Widerstände enthält, wie es beispielsweise bei Netzen und Fahrleitungen zu erwarten ist.
  • Zur Minderung der geschilderten Nachteile betrifft die Erfindung eine Tastschaltung zur Speisung eines Verbrauchers aus einer Gleichstromquelle, deren Spannung mindestens zeitweise höher als die Spannung des Verbrauchers ist, wobei mit dem Verbraucher eine Induktivität unmittelbar in Reihe geschaltet ist und für den Verbraucher und die Induktivität eine gemeinsame Freilaufdiode vorgesehen ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität in Form einer Drosselspule mit durch mindestens eine Wicklungsanzapfung gebildeten Teilwicklungen versehen ist und daß die Freilaufdiode an eine Wicklungsanzapfung der Induktivi-Lät angeschlossen ist. Die Tastschaltung kann mit beliebigen Tasteinrichtungen, beispielsweise auch mechanischen Tastschaltern, arbeiten. Vorzugsweise wird man jedoch tastbare Halbleiterventile verwenden.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die Figuren.
  • F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung; F i g. 4, 5 und 6 zeigen Weiterbildungen der Erfindung; F i g. 3 a, 5 a und 6 a zeigen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung Ströme i über der Zeit t. In F i g. 3 hat die durch eine Drosselspule gebildete Induktivität 5 zwei Teilwicklungen 5 a und 5 b. Die zeitlichen Verläufe der Ströme sind in F i g. 3 a zu erkennen. Während der Durchlaßzeit ti des tastbaren Ventils 2 fließt über die Wicklung 5 a, 5 b sowie den Energiespeicher 1 ein ansteigender Strom 'l = ',3,4' Wenn das tastbare Ventil 2 gesperrt wird, wird der Stromkreis wiederum über die Diode 6 geschlossen. Da die Induktivität 5 bestrebt ist, ihren magnetischen Fluß aufrechtzuerhalten, jedoch über die Wicklunghälfte 5 a kein Strom mehr fließen kann, wird sich der Strom in 5b so weit erhöhen, daß die vor dem Sperren des tastbaren Ventils 2 erreichten Amperewindungen in der Induktivität 5 in gleicher Höhe erhalten bleiben. Dementsprechend erhöht sich auch der Ladestrom i, während des Zeitabschnittes t2. Die stoßweise Belastung der Stromquelle 3, 4 ist also weiterhin gemindert. Dagegen entspricht der Ladestrom i, nicht mehr in dem gleichen Maße wie in F i g. 2 den idealen Verhältnissen. In vielen Fällen wird das jedoch von untergeordneter Bedeutung sein. Eine Beeinflussung der Stromkurven i, und ',3,4 bei gegebenen Spannungen an der Stromquelle 3, 4 und dem Energiespeicher 1 sowie bei einem bestimmten Ladestrom 11 . läßt sich durch Veränderung des Windungszahlverhältnisses zwischen den Teilwicklungen 5 a und 5 b erreichen. Man kann hiermit jeweils optimale Verhältnisse bei allen vorhandenen Betriebsbedingungen einstellen. Vorteilhafterweise wird man anstreben, daß die magnetische Kopplung zwischen den Teilwicklungen 5 a und 5 b gut ist, so daß überspannungen beim Sperren des tastbaren Ventils 2 weitgehend vermieden werden. Es ist selbstverständlich auch möglich, parallel zur Teilwicklung 5 a spannungsbegrenzende Schaltelemente, wie beispielsweise spannungsabhängige Widerstände oder auch Kondensatoren mit den eventuell erforderlichen Dämpfungswiderständen, zu schalten.
  • F i g. 4 zeigt eine Möglichkeit zur weiteren Minderung der stoßweisen Belastung der Stromquelle 3, 4. Mit Hilfe eines Kondensators 7 erfolgt eine Pufferung, die insbesondere bei größeren inneren Widerständen der Stromquelle 3, 4 wirksam wird. Sehr vorteilhaft ist diese Schaltung, wenn die inneren Widerstände der Stromquelle 3, 4 induktiv sind. Der Kondensator 7 ist vorzugsweise parallel zur Stromquelle 3, 4 angeordnet. Eine Parallelschaltung 7' und 8' zum tastbaren Ventil 2 ist jedoch ebenfalls möglich.
  • Nach dem Sperren des tastbaren Ventils 2 kann der Strom aus der Stromquelle 3, 4 langsam über den Kondensator 7 (bzw. T) abklingen. Ebenso wird beim Durchschalten des tastbaren Ventils 2 der Kondensator 7 die Stromquelle 3, 4 weitgehend vom Einschaltstromstoß entlasten. Um zu verhindern, daß der Kondensator7 mit der inneren Induktivität der Stromquelle 3, 4 resonanzartige Schwingungserscheinungen hervorruft, kann zusätzlich ein Dämpfungswiderstand 8 vorgesehen werden.
  • Eine zweckmäßige Weiterbildung zeigt F i g. 5. Das tastbare Ventil 2, die Induktivität 5 und die Freilaufdiode 6 sind je zweimal in gesonderten Strompfaden angeordnet. Es ist auch ohne weiteres denkbar, diese Einrichtungen noch öfter vorzusehen. Der Tastbetrieb erfolgt bei einer zweimaligen Anordnung in der Weise, daß entweder das tastbare Ventil 2 geöffnet und das tastbare Ventil 2' gesperrt ist oder umgekehrt. Damit wird aus der Stromquelle 3, 4 ständig Energie bezogen. Deren Stromschwankungen sind nur gering und Stromlücken können vermieden werden. Sie können durch die Größe der Induktivitäten 5 und 5' sowie durch die Tastfrequenz beeinflußt werden. Die Höhe des Ladestromes i, wird durch das Verhältnis der Windungszahlen der Teilwicklungen 5 a zu 5 b bzw. 5 a' zu 5 b' beeinflußt. Der Ladestrom il schwankt ebenfalls nur wenig um seinen Mittelwert il , und entspricht somit weitgeheiid den idealen Verhältnissen. Diese Schaltung eignet sich somit -ebenso wie die in F i g. 2 angegebene - auch zur Speisung von Gleichstromverbrauchem mit einem nennenswerten inneren induktiven Widerstand. Bei den anderen hier angegebenen Schaltungen ist es ebenfalls möglich, an Stelle des Energiespeichers 1 irgendeinen anderen Gleichstromverbraucher vorzusehen. Dieser Verbraucher soll je- doch zweckmäßig spannungsbegrenzende Eigenschaften haben. Die spannungsbegrenzende Eigenschaft besitzt beispielsweise auch ein Ohmscher Widerstand, da die Tastschaltung den Strom begrenzt. Dementgegen neigen induktive Verbraucher dazu, überspannungen hervorzurufen, wenn durch die gewählte Tastschaltung in diesen induktiven Verbrauchem schnelle Stromänderungenhervorgerufen werden.
  • F i g. 6 zeigt eine Möglichkeit, das Verhältnis der Windungszahlen der Teilwicklung der Induktivität 5 bzw. 5' kontaktlos zu verändern. Hier-zu sind für jede Induktivität 5 und 5' drei Teilwicklungen vorgesehen, wobei die mittlere Teilwicklung wahlweise der oberen oder der unteren Teilwicklung zugeordnet werden kann. Die Freilaufdioden 6 und 6' sind durch steuerbare Ventile 16 und 16' (Trioden) ergänzt. Wenn die steuerbaren Ventile 16 und 16' gesperrt sind, arbeitet diese Tastschaltung ebenso wie die in F i g. 5 angegebene. Wenn während der Stromführungszeit einer Freilaufdiode, beispielsweise der Freilaufdiode 6, ein steuerbares Ventil, beispielsweise das steuerbare Ventil 16, gezündet wird, so vermindert sich der Strom in der unteren Teilwicklung der Induktivität 5 entsprechend der vergrößerten Windungszahl. Die gesamten Amperewindungen der Induktivität 5 bleiben hierbei erhalten. Der Ladestrom il für den Energiespeicher 1 wird jpdoch in dem gleichen Maße wie der Wicklungsstrom in der unteren Teilwicklung der Induktivität 5 vermindert. Das gleiche gilt für die andere Hälfte der Tastperiode in bezug auf die Diode 6', das steuerbare Ventil 16' und die Induktivität 5'. F i g. 6 a zeigt analog zur F i g. 5 a die einzelnen Ströme i. Hierbei ist angenommen, daß im Zeitpunkt t" das steuerbare Ventil 16' gezündet wird usf. Durch eine Verschiebung des Zeitpunktes t" innerhalb der Stromführungszeit des tastbaren Ventils 2 und analog hierzu des tastbaren Ventils 2' kann also eine kontinuierliche Verstellung des Mittelwertes 11. des Ladestromes für den Energiespeicher 1 erfolgen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist, daß die Forderung nach enger magnetischer Kopplung der Teilwicklung der Induktivität 5 bzw. 5' leicht erfüllbar ist. Selbstverständlich kann das Prinzip dieser Tastschaltung auch für eine Anordnung entsprechend F i g. 3 verwendet werden.
  • Es ist bei einer Anordnung mit einem zusätzlichen steuerbaren Ventil (wie 16) auch möglich, die Induktivitäten 5 und 5' so auszuführen, daß die obere der drei Teilwicklungen entfällt. Beispielsweise können die steuerbaren Ventile 16 und 16' in F i g. 6 direkt an den oberen Anschluß der Induktivitäten 5 und 5' gelegt werden. Die Funktion der Schaltung wird hierdurch nicht beeinträchtigt.

Claims (2)

  1. Patentanspräche: 1. Tastschaltung zur Speisung eines Verbrauchers aus einer Gleichstromquelle, deren Spannung mindestens zeitweise höher als die Spannung des Verbrauchers ist, wobei mit dem Verbraucher eine Induktivität unmittelbar in Reihe geschaltet ist und für den Verbraucher und die Induktivität eine gemeinsame Freilaufdiode vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (5) in Form einer Drosselspule mit durch mindestens eine Wicklungsanzapfung gebildeten Teilwicklungen (5a, 5b) versehen ist und daß die Freilaufdiode(6) an eine Wicklungsanzapfung der Induktivität (5) angeschlossen ist.
  2. 2. Tastschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwicklungen (5a, 5b) hinsichtlich ihres gegenseitigen Windungszahlverhältnisses veränderbar sind. 3. Tastschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Gleichstromquelle (3, 4) ein Kondensator (7) angeschlossen ist (F i g. 4, 5). 4. Tastschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Tasteinrichtung, insbesondere einem tastbaren Ventil (2), ein Kondensator (7) angeschlossen ist (F i g. 4 ). 5. Tastschaltung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem jeweiligen Kondensator (7 bzw. 7') ein Ohmscher Widerstand (8 bzw. 8') geschaltet ist (F i g. 4, 5). 6. Tastschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrmals und in gesonderten Strompfaden angeordnet jeweils eine Induktivität (5, 5), eine Freilaufdiode (6, 6') und eine Tasteinrichtung, insbesondere ein tastbares Ventil (2, V), vorgesehen sind und daß die gesonderten Strompfade an den gemeinsamen Verbraucher (1) angeschlossen sind (F i g. 5, 6). 7. Tastschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tasteinrichtungen, insbesondere die tastbaren Ventile (2, 2'), derart gesteuert sind, daß ein möglichst gleichmäßiger Stromfluß ('",4) aus der Stromquelle (3, 4) erfolgt (F i g. 5 a, 6 a). 8. Tastschaltung nach Anspruch 2, gegebenenfalls in Verbindung mit einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des Windungszahlverhältnisses der Teilwicklungen zusätzliche steuerbare Ventile (16, 16') an die jeweilige Induktivität (5, 5') angeschlossen sind (Fig. 6). 9. Tastschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Wicklungsanschlüsse inForm vonWicklungsanzapfungen vorgesehen sind und daß an mindestens einen- Teil der Wicklungganschlüsse die zusätzlichen steuerbaren Ventile (16, 16') angeschlossen sind (Fig. 6).
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