-
Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Impulsen mittels eines Kettenleiters
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Impulsen mittels
eines Kettenleiters, der durch einen Strom aufgeladen und durch das mittels eines
Auslösemechanismus bewirkte Schließen eines elektronischen Schalters über eine Last
entladen wird. Die Schaltungsanordnung eignet sich zum Schalten hoher Leistungen
im Impulsbetrieb.
-
Eine bekannte Impulsschaltung besteht aus einem Kettenleiter, welcher
langsam auf eine verhältnismäßig hohe Spannung z. B. durch Zuführen eines Stromes
über einen Serienwiderstand aufgeladen wird. Durch Schließen eines Schalters, der
den Kettenleiter an einen Lastwiderstand anschließt, entsteht ein Ausgangsimpuls.
Bei geschlossenem Schalter wird der Kettenleiter über den Lastwiderstand entladen,
wodurch ein Ausgangsimpuls über der Last entsteht. Die Entladungsdauer ist gleich
Laufzeit, die eine Welle vom einen Ende des Kettenleiters zum anderen und zurück
benötigt.
-
Im Idealfall schaltet der Schalter augenblicklich. Bekannte Schalteranordnungen
für Impulsschaltungen bestehen z. B. aus Thyratrons, impulsgeschalteten Funkenstrecken,
rotierenden Funkenstrecken und in neuerer Zeit aus Halbleiteranordnungen, z. B.
Transistoren, gesteuerten Siliziumgleichrichtern, Vierschichtschaltdioden und anderen
Schaltungsanordnungen.
-
Bei der Verwendung von Halbleiteranordnungen als Schalter wird die
Schaltzeit durch die Eigenschaften der Anordnung, z. B. die Diffusionszeit, die
Kapazität des pn-überganges u. ä. begrenzt. Grundsätzlich schaltet also die
Anordnung nicht augenblicklich in den Zustand niedrigen Widerstandes um. Die Anstiegszeit
des Ausgangsimpulses liegt in der Größenordnung von 0,05 bis 0,1 Mikrosekunden
oder mehr. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß wegen der begrenzten Schaltzeit
sowohl die hohe Spannung als auch der verhältnismäßig hohe Strom gleichzeitig an
dem Schalter liegen. Dadurch entsteht eine hohe Verlustleistung in dem Schalter,
die abgeleitet werden muß.
-
Die Erfindunehat sich zur Aufgabe gesetzt, eine verbesserte Schaltungsanordnung
zu schaffen, durch welche die in dem elektronischen Schalter erzeugte Verlustleistung
vermindert und die Schaltgeschwindigkeit erhöht wird. Das wird nach der Erfindung
dadurch erreicht, daß die an sich bekannte Wirkung einer Drosselspule zur Verzögerung
eines ansteigenden Stromes gegenüber einer ansteigenden Spannung ausgenutzt wird,
indem eine Drosselspule mit sättigbarem Eisenkern in Reihe mit dem elektronischen
Schalter geschaltet ist und die BH-Charakteristik der Drosselspule so eingestellt
ist, daß das Ansteigen des Stromes gerade so lange verzögert wird, bis die an dem
elektronischen Schalter während des Schaltvorganges anliegende Spannung auf einen
geringen Wert abgesunken ist. Die Spannung kann z. B. durch eine Halbleiteranordnung
geschaltet werden, z. B. durch einen aus Vierschichtdioden bestehenden Schalter,
während der Strom durch die Drosselspule mit sättigbarem Eisenkern um
900 phasenverschoben wird.
-
Drosselspulen stellen einen Mindwiderstand dar und werden vorwiegend
zum Unterdrücken von periodischem Wechselstrom verwendet, z. B. zum Glätten von
Gleichstrom, zur Beseitigung von Stromspitzen bei Ein- und Ausschaltvorgängen, in
Siebgliedem und in Frequenzweichen, Drosselspulen können kernlos oder mit einem
Eisenkern versehen sein. Der Eisenkern dient gewöhnlich zur Erhöhung der Induktivität
der Drosselspule. Es ist auch bekannt, für spezielle Zwecke, z. B. für Magnetverstärker,
durch geeignetes Kernmaterial der Drosselspule eine bestimmte Hysteresecharakteristik
zu geben.
-
Durch die Einschaltung von Drosselspulen im Stromkreis wird bekanntlich
eine Phasenverschiebung zwischen der periodisch sich ändernden Spannung und dem
Strom bewirkt, indem der Strom gegenüber der Spannung verzögert wird. Diese Eigenschaft
der Drosselspule ist in den meisten Anwendungsfällen unerwünscht und macht gewöhnlich
-die Verwendung von Kompensationsgliedern, z. B. Kondensatoren, erforderlich. Bei
der Erfindung wird diese Eigenschaft einer Drosselspule gezielt ausgenutzt,
um
die Verlustleistung eines elektronischen Schalters im Impulsbetrieb zu vermindern.
Dazu wird eine Drossel mit einem sättigbaren Eisenkern so ausgebildet, daß der Stromimpuls
erst dann einsetzt, wenn die Spannung am Schalter bereits auf einen kleinen Wert
abgefallen ist.
-
Die weiteren Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im folgenden
an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
-
F i g. 1 zeigt eine Impulssehaltanordnung mit einem aus in
Reihe geschalteten Vierschichtdioden bestehenden Schalter; F ig. 2A, 2B und
2C zeigen die bekannten Spannungs-, Strom- und Leistungsdiagramme für einen
in Fig. 1 dargestellten Schalter; F i g. 3 zeigt eine Impulssehaltung
mit Vierschichtdioden und den Merkmalen der Erfindung; in Fig. 4 ist ein BH-Diagramm
für eine Drosselspule mit sättigbarem Eisenkern, wie sie in F i g. 3
dargestellt
ist, dargestellt; in F i g. 5 A, 5 B und 5 C sind die Spannungs-,
Strom-und Leistungskurven für einen Schalter gemäß F i g. 3 dargestellt;
in F i g. 6 ist eine Anordnung mit einem gesteuerten Siliziumgleichrichter
als Schalter nach der Erfindung, wie sie in Impulsschaltungen verwendet werden kann,
dargestellt; F i g. 7 zeigt einen Schalter nach der Erfindung mit einem.
Transistor, wie er in einer Impulsschaltung eingesetzt werden karm.
-
Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer Impulschaltung beschrieben.
In F i g. 1 besteht die Impulsschaltung aus einem Kettenleiter
11 mit einer Mehrzahl von Abschnitten 12. Das eine Ende des Kettenleiters
ist -über die Primärwicklung 13 eines Transformators 14 mit Masse verbunden.
Das Ausgangssignal wird über der durch den Widerstand RL dargestellten Last
15 erhalten, die mit der Sekundärwicklung 16 des Transformators 14
verbunden ist. Bekanntlich entsteht ein Ausgangsimpuls 17, wenn das Ende
19 des Kettenleiters mit Masse verbunden und der Kettenleiter entladen wird.
Beim Verbinden des Endes 19 mit Masse wird eine Welle erzeugt, welche im
Kettenl#iter hin- und zurückläuft und den Impuls bildet. Der Kettenleiter
11 wird von einer Spannungsquelle B+ -über einen ein langsames Aufladen bewirkenden
Strombegrenzer-Widerstand 18
geladen.
-
Der eigentliche Hochspannungsschalter besteht aus mehreren Vierschichtdioden
21, welche in Reihe geschaltet sind. Die Serienschaltung ermöglicht das Schalten
relativ höher Spannungen entsprechend der Summe der Spannungswerte der einzelnen
Elemente bei Strömen, durch welche jedes einzelne Element belastet werden kann.
Die Verzögerung beim Umschalten hängt von der Zahl der Elemente ab. Die Stromanstiegszeit
ist im wesentlichen unabhängig von der Zahl der Elemente in der Reihenschaltung,
sie hängt vom einzelnen Element ab.
-
Die überbrückungskondensatoren 22 gewährleisten optimales Einschalten
durch Anlegen einer Überspannung an jedes Schaltereleinent. Die Elemente werden
durch einen die Zündspannung des Elementes 21a überschreitenden Impuls geschaltet,
wobei dieses zündet. Wenn das Element 21 a zündet, bildet sich über den Schaltern
eine Spannung aus, die ein Schalten des nächsten Elementes bewirkt usw. Es entsteht
eine Kettenreaktion, bis alle Elemente eingeschaltet sind und das Ende
19 des Kettenleiters mit Masse verbunden ist.
-
In F i g. 2 A ist die Spannung am Ende 19 durch
die Kurve 26 dargestellt. Die Spannung benötigt eine endliche Zeit
A t, bis der Einschaltwert der Spannung für die Serienschaltung
der Elemente 21 erreicht ist. Der Strom steigt entsprechend der Kurve
27 in' F i g. 2 B im wesentlichen während des Zeitabschnittes
A t an, bleibt während eines Zeitabschnittes, der von den Eigenschaften
des Kettenleiters abhängt, auf seinem Höchstwert und fällt dann entsprechend dem
Teil 28 der Kurve ab. Wie dem gestrichelten Teil 29
der Leistungskurve
in F i g. 2 C zu entnehmen ist, wird während der Einschaltzeit eine
erhebliche Leistung in den Elementen 21 erzeugt. Diese Leistung muß abgeleitet werden.
Nach der Einschaltzeit ist die in den Elementen erzeugte Leistung verhältnismäßig
niedrig, wie dein gestrichelten Teil 30 der Kurve zu entnehmen ist, -Bei
Impulsen mit einer Periode kleiner als 10,d t wird während der Einschaltzeit
mehr Leistung vernichtet als während der eigentlichen Arbeitszeit.
-
Die Erkenntnis der Erfindung besteht darin, daß durch Einfügen eines
sättigbaren Kernes 31 in Reihe mit der Schalteranordnung 21 die Möglichkeit
besteht, den Strom während eines genügend langen Zeitabschnittes zu verzögern, so
daß der Strom erst zu fließen beginnt, wenn die Spannung an dem Schalter ihren geringsten
Wert erreicht hat.
-
Bei der in F i g. 3 dargestellten Schaltungsanordnung entsprechen
verschiedene Schaltungselemente denen in F i g. 1 und sind mit den gleichen
Bezugszeichen versehen. Die Drossel mit einem sättigbaren Kern 31 hat eine
BH-Kurve entsprechend der Darstellung in F i g. 4. Danach besitzt dieses
Element eine Charakteristik mit einem relativ hohen y bis zur Sättigung und einem-
verhältnismäßig kleinen »
während der Sättigung. In dem Abschnitt mit hohem
1,t ist die Stromänderung durch die Anordnung verhältnismäßig gering. Sobald die
Anordnung ihren Sättigungswert erreicht hat, verringert sich der magnetische Widerstand,
so daß die Stromänderung durch die Anordnung verhältnismäßig groß wird.
-
Die Schaltungsanordnung arbeitet im wesentlichen folgendermaßen: Ein
Schaltimpuls 33 wird der unteren Diode zugeführt, wodurch die in Reihe geschalteten
Dioden in der- vorgehend beschriebenen Weise schalten. Die Spannung über den Dioden
entspricht der in F i g. -5 A dargestellten Kurve 34. Sie benötigt etwa die
Zeit At,-um auf ihren niedrigsten Wert abzufallen. Während dieses Zeitabschnittes
baut der sättigbare Kein seinen magnetischen Fluß auf, und die Änderung des durch
diesen fließenden Stromes ist verhältnismäßig klein. Das ist durch den Teil
36 der Stromkurve, in F i g. 5 B dargestellt. Sobald der Kern seinen
Sättigungswert erreicht hat-, steigt die Änderung des Stromes und wird verhältnismäßig
hoch, was in dem Teil 37 der Kurve in F i g. 5 B angedeutet ist. Es
ist deut4ich zu erkennen, daß bei der Stromschaltung eine Verzögerung eintritt,
die etwa gleich A t ist, so daß der Strom erst zu. fließen
beginnt, wenn die Spannung bereits wieder abgesunken ist. Ein weiterer Vorteil der
Schaltung besteht darin, daß -die Schaltzeit des Stromes nahezu vollständig durch
den Kein bestimmt wird. Dies ermöglicht ein erheblich schnelleres Schalten. Zum
Beispiel kann der Kern in -einer Zeit schalten, welche in der Größenordnung von
20 Nanosekunden
oder weniger liegt. Dagegen würde die Halbleiteranordnung
allein Zeiten von der Größenordnung 100 Nanosekunden benötigen.
-
Der Strom fließt, bis der Kettenleiter entladen ist. Da der Strom
und die Spannung phasenungleich sind, wird die Verlustleistung in der Anordnung
während der Einschaltzeit wesentlich herabgesetzt. Der gestrichelte Teil in F i
g. 5 C gibt die Leistung an, die in der Anordnung erzeugt wird. Der
gestrichelte Teil 38 veranschaulicht die Leistung während des Einschaltens,
während der Teil 39 die während des Impulses entstehende Verlustleistung
wiedergibt. Es ist eindeutig zu erkennen, daß erheblich weniger Verlustleistung
während der Einschaltperiode entsteht als bei der Schaltung nach F i g. 1.
Daraus folgt, daß die Schaltanordnung lediglich für die Nutzleistungen geeignet
zu sein braucht an Stelle der Einschaltleistungen. Bei der dargestellten Schaltungsanordnung
nach F i g. 3'wird der Kein in den Ausgangszustand zurückgebracht und die
Spannungssehaltelemente durch eine Gegenspannung ausgeschaltet, die am Ende des
Impulses erzeugt wird.
-
Das gleiche Prinzip der Erfindung, nämlich eine Verzögerung des Stromes
gegenüber der Spannung, kann bei Schalteranordnungen angewendet werden, die aus
gesteuerten Siliziumgleichrichtern bestehen. Ein derartiges Beispiel ist in F i
g. 6 dargestellt. Die sättigbare Drosselspule 41 ist dort in Reihe mit einem
gesteuerten Siliziumgleichrichter 42 geschaltet. Ebenso kann das Prinzip der Erfindung
bei einer Schalteranordnung mit einem Transistor verwendet werden. Ein derartiges
Beispiel ist in F i g. 7 dargestellt, wo die sättigbare Drossel 43 in Reihe
mit dem Transistor 44 geschaltet ist.
-
Das Grundprinzip der Erfindung besteht also darin, in einer Schalteranordnung
den Strom durch den Schalter in bezug auf die an ihr liegende Spannung zu verzögern,
um die Leistung herabzusetzen. Dies wird nach der Erfindung dadurch verwirklicht,
daß ein Element zum Schalten der Spannung und ein weiteres Element zur Erzeugung
einer Phasenverschiebung des Stromes um 901 benutzt wird.