DE1208348B

DE1208348B - Elektronischer Schalter mit einer gesteuerten Diode zum schnellen Einschalten von induktiven Lasten

Info

Publication number: DE1208348B
Application number: DEP33840A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Peter Blume
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1964-03-14
Filing date: 1964-03-14
Publication date: 1966-01-05
Also published as: US3374422A; FR1426681A; NL6503018A; GB1077924A; FR1426680A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

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

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.

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· >

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 G_e 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

Patentansprüche:

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