DE1208348B - Elektronischer Schalter mit einer gesteuerten Diode zum schnellen Einschalten von induktiven Lasten - Google Patents
Elektronischer Schalter mit einer gesteuerten Diode zum schnellen Einschalten von induktiven LastenInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
H 03 k
Deutsche Kl.: 21 al - 36/18
Nummer: 1208 348
Aktenzeichen: P 33840 VIII a/21 al
Anmeldetag: 14. März 1964
Auslegetag: 5. Januar 1966
Die Erfindung bezieht sich auf einen durch gesteuerte Kontakte betätigten elektronischen Schalter
zum schnellen Einschalten von Induktivitäten mit geringem Leistungsbedarf im eingeschalteten Zustand.
Es ist bereits ein schnell schaltender elektronischer Schalter vorgeschlagen worden, der im wesentlichen
aus zwei Funktionsteilen besteht. Der eine Funktionsteil bestimmt dabei das Einschaltverhalten, der andere
gewährleistet die Dauererregiing der Last mit möglichst
geringem Energieaufwand. Hierbei werden Transistoren als Schalter verwendet. Ihre Schaltleistung, die sich
als Produkt aus maximalem Kollektorstrom und maximaler Kollektorspannung ergibt, beträgt maximal
etwa 1 kW. Da die Einschaltzeit indirekt proportional zur Schaltleistung der Schalter ist, sind Transistoren
oftmals nicht ausreichend zur Erreichung einer kurzen Einschaltzeit. Beträgt der von der Induktivität während
der Einschaltung aufgenommene Energiebetrag z. B. W = 100 mW, so ergibt sich eine Schaltzeit von etwa
200 as. Kürzere Zeiten lassen sich dann nur durch stark erhöhten Aufwand realisieren.
Eine wesentliche Verkleinerung der Einschaltzeit läßt sich dagegen durch Einsatz spannungsfesterer
Bauelemente, z. B. Thyristoren, erreichen. Thyristoren, auch gesteuerte Silizium-Gleichrichter genannt, sind
Halbleiterbauelemente, die aus vier Halbleiterschichten bestellen und Ströme in der Größenordnung von 10 bis
100 A schalten. Ihre Spannungsfestigkeit beträgt mehrere hundert Volt. Wie schon der Name andeutet,
zeigen Thyristoren ein ähnliches Schaltverhalten wie Thyratrone. Die Anoden-Kathoden-Strecke wird durch
kurze Impulse an der Steuerelektrode in den leitenden Zustand gebracht und verbleibt in diesem, bis durch
äußere Mittel entweder der Strom unterbrochen oder die Spannung in der Polarität umgekehrt wird.
Aus dieser Funktionsweise erklärt sich, daß das Ausschalten dieser Schaltelemente bei Anwendung
in Gleichstromimpulskreisen Schwierigkeiten bereitet. Ein einfaches Ersetzen von Transistoren durch
Thyristoren in bekannten Schaltungen ist daher nicht möglich.
Ein elektronischer Schalter mit einer gesteuerten Diode (Thyristor) und einem ÄC-Speicherglied
zum schnellen Einschalten von Induktivitäten mit geringem Leistungsbedarf im eingeschalteten Zustand,
der die speziellen Eigenschaften dieser Schaltelemente berücksichtigt, ist nun gemäß der Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen das J?C-Glied und den Thyristor eine kleinere Induktivität, hier Hilfsinduktivität
genannt, geschaltet ist, deren Wert ein Fünftel bis ein Zehntel der zu schaltenden Induktivität beträgt,
und der zu schaltenden Induktivität in an sich be-Elektronischer Schalter mit einer gesteuerten
Diode zum schnellen Einschalten von induktiven Lasten
Diode zum schnellen Einschalten von induktiven Lasten
Anmelder:
Philips Patentverwaltung G. m. b. H.,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Peter Blume, Hamburg-Lurup
kannter Weise eine Diode parallel geschaltet ist.
Zur Beschleunigung der Abschaltung kann dabei zu dieser Diode ein Widerstand in Serie geschaltet sein.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen elektronischen Schalter und
F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Zündimpulssperre.
Da der Thyristorschalter nach jedem Einschalt-Vorgang gelöscht, d. h. abgeschaltet werden muß, kann an Stelle der gewöhnlich konstanten Einschaltspannung nur eine zeitlich variierende benutzt werden. Die Veränderung der Spannung muß derartig sein, daß die Spannung im Ruhezustand zunächst den vorgegebenen Nennwert hat, diesen während der Einschaltimpulsdauer bis zum Erreichen des Lastnennstroms beibehält, anschließend dann in eine niedrige Spannung umgekehrter Polarität umschaltet und schließlich nach Löschung des Thyristors auf den ursprünglichen Wert zurückkehrt. Die Realisierung einer so gearteten Spannungsquelle wäre zu aufwendig. Ein ähnliches Verhalten wird jedoch gemäß der Erfindung durch einen Kondensatorentladungskreis erzielt, in den eine Hilfsinduktivität eingeschaltet ist.
F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Zündimpulssperre.
Da der Thyristorschalter nach jedem Einschalt-Vorgang gelöscht, d. h. abgeschaltet werden muß, kann an Stelle der gewöhnlich konstanten Einschaltspannung nur eine zeitlich variierende benutzt werden. Die Veränderung der Spannung muß derartig sein, daß die Spannung im Ruhezustand zunächst den vorgegebenen Nennwert hat, diesen während der Einschaltimpulsdauer bis zum Erreichen des Lastnennstroms beibehält, anschließend dann in eine niedrige Spannung umgekehrter Polarität umschaltet und schließlich nach Löschung des Thyristors auf den ursprünglichen Wert zurückkehrt. Die Realisierung einer so gearteten Spannungsquelle wäre zu aufwendig. Ein ähnliches Verhalten wird jedoch gemäß der Erfindung durch einen Kondensatorentladungskreis erzielt, in den eine Hilfsinduktivität eingeschaltet ist.
Der Kondensator C bildet eine vom Ladungszustand abhängige Spannungsquelle. Er wird jeweils in den
Ruhepausen zwischen zwei Schaltimpulsen durch eine äußere Spannungsquelle Sp auf die Nennspannung
aufgeladen und nimmt dabei eine definierte
Energiemenge W = ^- CU2 auf, die im Betrag der
von der Lastinduktivität L benötigten Energiemenge W =-^L J2 entsprechen muß (F i g. 1). Kondensator C
und Lastinduktivität L bilden zusammen einen
1
Schwingkreis mit der Schwingfrequenz / = ~—v~t~f· >
Schwingkreis mit der Schwingfrequenz / = ~—v~t~f· >
509 777/398
der durch Eisen- und Kupferverluste der Lastinduktivität bedämpft ist. Da der Strom durch die gleichrichtende
Wirkung des Thyristors Th nur in einer Richtung fließen kann, ist der Schwingungsverlauf
des Schwingkreises von vornherein auf eine Halbperiode beschränkt. Dabei wird die im Kondensator C
gespeicherte Energie einmal zwischen Kondensator C und Induktivität L hin- und hertransportiert. Da
jedoch der Zweck der Schaltung die einmalige Einspeisung der Energiemenge W = γ L P in die Induktivität
ist, muß der Schwingungsvorgang bereits nach einer Viertelperiode abgebrochen werden. Dies
wird auf einfache Weise durch eine parallel zur Lastinduktivität geschaltete Abfangdiode D erreicht. Durch
sie wird die Induktivität für den an sich folgenden Schwingungsverlauf kurzgeschlossen. Die Entladung
des Kondensators C hört dadurch schlagartig auf. Der Stromanstieg in der Induktivität ist damit beendet,
und die Anstiegszeit ergibt sich zu
Der im Abschaltmoment in der Spule fließende Strom fließt über die Abfangdiode weiter und klingt mit der
£/i?-Zeitkonstante von Induktivität L und Diode D
ab. Soll jedoch die Lastinduktivität L über längere Zeit eingeschaltet bleiben, so ist es zweckmäßig, den
Haltestrom über einen gesonderten Stromkreis H einzuspeisen. Dieser Kreis wird durch eine Spannungsquelle sehr niedriger Spannung gespeist und muß
durch eine Diode Ge gegen die hohe Betriebsspannung
des Einschaltkreises gesichert sein. Durch die niedrige Spannung ergibt sich ein besonders geringer Energiebedarf
während der Dauererregung.
Nachdem die Einschaltung der Lastinduktivität £ erfolgt ist, kann bereits der Kondensator C über den
Widerstand R wieder aufgeladen werden. Dazu muß jedoch vorher der durch den Thyristor Th fließende
Strom zu dessen Löschung einen charakteristischen Wert, den sogenannten Haltestromwert, unterschreiten.
Durch die oben beschriebene Wirkung der Abfangdiode wird dies nicht immer sicher erreicht, da der
Strom nicht vom Maximalwert auf Null zurückgeht, sondern nur auf den Ladestromwert, der sich aus
Betriebsspannung und Ladewiderstand R ergibt, absinkt. Da der Ladestrom in den meisten Anwendungsfällen größer als der Haltestrom des Thyristors ist,
wird zur eindeutigen Lösung eine zusätzliche Schaltmaßnahme erforderlich.
Diese besteht gemäß der Erfindung darin, daß eine zusätzliche Hilfsinduktivität Lh in den Schwingkreis
eingeschaltet wird. Diese Hilfsinduktivität bleibt in Wirkung, wenn die Lastinduktivität L durch die
Abfangdiode D kurzgeschlossen ist, und bewirkt dadurch eine Fortsetzung der Schwingung, wenn auch
mit anderer Frequenz und anderer Spitzenamplitude. Durch die Fortsetzung der Schwingung werden eine
sinusförmige Abnahme des Stromes vom Maximalwert auf den Wert Null und die Aufladung des
Kondensators C auf eine Spannung umgekehrter Polarität erzielt. Wenn der Strom den Haltestrom
unterschreitet, wird der Thyristor Th gelöscht und eine Sperrspannung an den Thyristor gelegt, wodurch
dieser die in ihm gespeicherte Ladung abgeben kann. Die Hilfsinduktivität Lh muß so dimensioniert sein,
daß eine genügend große Sperrspannung am Thyristor auftritt. Dies ist der Fall, wenn die Hilfsinduktivität
etwa ein Zehntel bis ein Fünftel der Arbeitsinduktivität beträgt. Nach der Ausschaltung des Thyristors setzt
die Aufladung des Kondensators C ein. Die Aufladung erfolgt mit der ZeitkonstanteT = R-C. Sie muß so
dimensioniert sein, daß sie kleiner als die kürzeste Pausenzeit zwischen zwei Einschaltimpulsen ist.
Während der Aufladezeit darf kein Impuls an die Steuerelektrode des Thyristors Th gelangen, da die
zur Sperrung dienende Spannung proportional zur Kondensatorspannung im Zündmoment ist und daher
nur ein voll aufgeladener Kondensator C eine zur Lösung genügende Sperrspannung gewährleistet. Um
sicherzustellen, daß während der Aufladezeit kein Zünd- oder Störimpuls an den Thyristor Th gelangen
kann, wird gemäß weiterer Erfindung die Zündimpulsleitung während dieser Zeit durch eine Sperrschaltung
blockiert. Die Sperrschaltung I8 kann in Form eines
Und-Gatters V (Fig. 2) ausgebildet sein, d. h., ein
Einschaltimpuls wird nur dann durchgelassen, wenn gleichzeitig ein Signal »Thyristor zündbereit« anliegt.
Dieses Schutzsignal wird durch Spannungsteilung und Verstärkung aus der momentan anliegenden
Spannung des Kondensators abgeleitet.
Das Signal entsteht am Kollektor eines im Ruhezustand leitenden Transistors Tr. Überschreitet die
Kondensatorspannung einen bestimmten Schwellwert, der durch einen Potentiometerwiderstand W2 am
Spannungsteiler W1, W2 eingestellt werden kann, dann
wird der Transistor Tr plötzlich gesperrt, wodurch am Kollektor ein negativer Spannungssprung entsteht.
Das Potential ist so gewählt, daß die Sperrung des Zündimpulses dann aufgehoben ist. Jeweils nach einer
Zündung ist die Spannung am Kondensator C jedoch immer so niedrig, daß die Sperrung wirksam ist.
Durch die Einführung der Hilfsinduktivität Lh und
der Sperrschaltung /s genügt der Schaltverstärker allen
gestellten Anforderungen. Der Gesamtenergieverbrauch pro Schaltvorgang ist, verglichen mit anderen
Schaltungen, sehr niedrig und beträgt im wesentlichen nur das Zweifache der Mangetisierungsarbeit. Durch
die hohe Spannungsfestigkeit des Thyristors sind außerdem außerordentlich kurze Stromanstiegs- bzw.
Feldaufbauzeiten erzielbar. In einer Schaltung mit einer Arbeitsinduktivität von 3 mH und einer Betriebsspannung
von 360 V konnte eine Anstiegszeit von 35 [is erreicht werden. In einer Versuchsschaltung
mit höheren Strömen und kleinerer Induktivität wurde sogar eine Stromanstiegszeit von nur 12 [is gemessen.
Claims (3)
1. Elektronischer Schalter mit einer gesteuerten Diode (Thyristor) und einem i?C-Speicherglied
zum schnellen Einschalten von Induktivitäten mit geringem Leistungsbedarf im eingeschalteten Zustand,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das i?C-Glied und den Thyristor eine
kleinere Induktivität geschaltet ist, deren Wert ein Fünftel bis ein Zehntel der zu schaltenden
Induktivität beträgt, und der zu schaltenden Induktivität in an sich bekannter Weise eine Diode
parallel geschaltet ist.
2. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Kondensator
des J?C-Gliedes eine Sperrspannung für den Thyristor abgeleitet ist, die während der
Aufladung des Kondensators eine Zündung des Thyristors verhindert.
3. Elektronischer Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschaltung
aus einem den Thyristor-Zündimpuls aufnehmenden Und-Tor mit vorgeschalteter Transistorstufe besteht.
In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 051 326,1071133.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
509 777/398 12.65 © Bundesdruckerei Berlin
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GB (1) | GB1077924A (de) |
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