DE1208396B - Elektrische Schaltung zur Steuerung des einem Verbraucher zugefuehrten Stromes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Ο.:

G05f

H02p
Deutsche Kl.: 21c-67/10

Nummer: 1208 396

Aktenzeichen: W 34049 VIII b/21 c

Anmeldetag: 8. März 1963

Auslegetag: 5. Januar 1966

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zur Steuerung des einem Verbraucher zugeführten Stromes mit einem eine pulsierende Gleichspannung liefernden Gleichrichter, der den Verbraucher über mindestens einen Leistungstransistor speist, der mittels einer eine einstellbare Gleichspannung abgebenden Steuervorrichtung über Steuertransistoren derart steuerbar ist, daß in einem von der Höhe dieser Gleichspannung abhängigen, mittleren Zeitbereich jedes von dem Gleichrichter gelieferten Spannungsimpulses kein Strom durch den Leistungstransistor zum Verbraucher fließt. Bei einer bekannten Schaltung dieser Art wird einem Steuertransistoreinezweitepulsierende Gleichspannung zugeführt, die mit der vom genannten Gleichrichter gelieferten ersten pulsierenden Gleichspannung um 90 phasenverschoben ist, d. h. in Quadratur steht. Es ist also eine zweite Quelle pulsierender Gleichspannung erforderlich, zu deren Realisierung im allgemeinen ein Phasenschieber und ein Gleichrichter erforderlich sind.

Die Erfindung bezweckt, den hiermit verbundenen Aufwand auf einfache Weise zu vermeiden und zugleich auch die Empfindlichkeit der Steuerung zu erhöhen. Die Schaltung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen der Steuervorrichtung und dem Leistungstransistor eine gerade Anzahl von in Kaskade geschalteten Steuertransistoren angeordnet ist, von denen mindestens der erste, von der Steuervorrichtung unmittelbar gesteuerte Steuertransistor mit der genannten pulsierenden Gleichspannung gespeist wird.

Wie in der Beschreibung näher erläutert v/erden soll, wird infolge der geraden Anzahl von Steuertransistoren der Strom durch den Leistungstransistor tatsächlich im mittleren Zeitbereich jedes Spannungsimpulses unterbrochen, ohne die zweite pulsierende Gleichspannungsquelle zu benötigen. Der Aufwand für die Steuertransistoren ist dabei wesentlich geringer als derjenige für die früher benötigte Spannungsquelle. Ferner können gegenüber der bekannten Schaltung noch gewisse bei derselben benötigte Vorspannimgsquellen eingespart werden. Ein auf den ersten Steuertransistor folgender Steuertransistor kann von einer Quelle konstanter Gleichspannung gespeist werden. Besonders vorteilhaft ist es, die Emitter des Leistungstransistors und der Steuertransistoren an denselben Pol eines die pulsierende Gleichspannung liefernden Zweiweg-Gleichrichters anzuschließen, wobei vorzugsweise die Kollektoren der Steuertransistoren einerseits an die Basis des jeweils folgenden Transistors und andererseits jeweils über einen Widerstand an den anderen Pol dieses Gleichrichters angeschlossen werden.

Elektrische Schaltung zur Steuerung des einem
Verbraucher zugeführten Stromes

Anmelder:

Eldima A. G., Zürich (Schweiz)

Vertreter:

Dr. H. H. Willrath und Dipl.-Ing. H. Roever,

Patentanwälte, Wiesbaden, Hildastr. 18

Als Erfinder benannt:

Rudolf Diener, Zürich (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 22. März 1962 (3396)

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt.

F i g. 1 zeigt eine Stromsteuerschaltung, während F i g. 2 a bis 2 c Diagramme zur Erläuterung ihrer Wirkungsweise zeigen.

Die dargestellte Schaltung weist einen Transformator 1 auf, dessen Primärwicklung 2 an das Wechselstromnetz angeschlossen ist. An die Enden der Sekundärwicklung 3 sind zwei entgegengesetzt gerichtete Dioden 4, 5 angeschlossen, die andererseits durch einen geerdeten Leiter 6 miteinander verbunden sind. Der Leiter 6 ist mit dem Emitter 7 eines ersten Transistors T₁ verbunden, dessen Kollektor 8 mit einer Anschlußklemme 9 eines Verbrauchers verbunden ist,

der aus einer einen Magnetkern 10 umgebenden Erregerwicklung 11 und einer parallel zu derselben geschalteten Diode 12 besteht. Die andere Anschlußklemme 13 des Verbrauchers 11, 12 ist an den Mittelpunkt 14 der Sekundärwicklung 3 angeschlossen. Es ist ersichtlich, daß, wenn der Transistor T₁ leitend, also der Widerstand zwischen dem Emitter 7 und dem Kollektor 8 klein ist, die beiden Dioden 4 und 5 beide Halbwellen der Netzspannung gleichrichten, so daß durch die von der Wicklung 11 gebildete Induktivität ein Gleichstrom von dem positiven Leiter 6 zum negativen Mittelpunkt 14 fließt, welcher Gleichstrom durch die Diode 12 geglättet wird.

Eine Batterie B ist mit ihrem negativen Pol an den Mittelpunkt 14 der Sekundärwicklung 3 und mit ihrem positiven Pol an den Emitter 15 eines zweiten Transistors To angeschlossen, dessen Kollektor 16 einerseits mit der Basis 17 des Transistors T₁ und anderer-

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seits über einen Widerstand 18 mit dem Mittelpunkt 14 18 angelegte Spannung konstant, nämlich gleich der

verbunden ist. Spannung der Batterie B ist, bedeutet dies, daß der

An den Leiter 6 ist der Emitter 19 eines dritten Widerstand w₂ des Transistors T₂ plötzlich sehr klein

Transistors T₃ angeschlossen, dessen Kollektor 20 wird. Hierzu ist es nötig, daß der Betrag ]—e₂\ des

einerseits mit der Basis 21 des Transistors T₂ und 5 Potentials der Basis 21 einen gewissen Schwell-

anderseits über einen Widerstand 22 mit dem Mittel- wert |—e₂|₀ überschreitet; beim Zunehmen der am

punkt 14 verbunden ist. Spannungsteiler T₃, 22 angelegten Spannungshalb-

Schließlich sind auch noch eine Anschlußklemme 23 welle wird es vom Widerstand w₃ des Transistors T₃

eines hochohmigen Potentiometers 24 und der positive abhängen, ob und wann dieser Schwellwert |—e₂\₀

Pol 25 einer Batterie 26 an den geerdeten Leiter 6 an- io überschritten wird. Ist der Betrag [—e_a\ des Potentials

geschlossen. Der negative Batteriepol 27 ist mit der der Basis 30 des Transistors T₃ groß (Abgriff im

anderen Potentiometerklemme 28 verbunden, während Punkt a), so ist der Widerstand w₃ so klein, daß der

der bewegliche Abgriff 29 des Potentiometers 24 an die Spannungsabfall |—e₂\ == w₃ · i₃ während der ganzen

Basis 30 des Transistors T₃ angeschlossen ist. Halbperiode kleiner bleibt als j—e₂|₀. Wird der

Bei einer nach dem dargestellten Schema aus- 15 Betrag |—e₃| geringer gemacht (Abgriff im Punkte

geführten Schaltung hatten die vom Gleichrichter 4, 5 bzw. c), so wird in jeder Halbperiode \—e_z\ schließlich

gelieferten Spannungshalbwellen einen Scheitelwert |—e₂|₀ erreichen, wobei der Zeitpunkt i*, in dem dies

von 12 V, während die Batterie B eine Spannung von der Fall ist, um so näher beim Nulldurchgang der

etwa 15 V und die Batterie 26 eine Gleichspannung Spannung liegt, je geringer |—e₃| ist; für \—e₃\ = Iv

von 2 V lieferte. Der im Kollektorkreis des Tran- 20 wird SChHeBIiChW₃ so groß, daß j—e₂[ immer den

sistors T₂ befindliche Widerstand 18 hatte einen Wert r₂ Schwellwert |—e₂\₀ überschreitet und somit der

von etwa 700 Ohm und der im Kollektorkreis des Transistor T₁ überhaupt keinen Strom I₁ mehr liefert.

Transistors T₃ befindliche Widerstand 22 einen Wert r_a Es ist klar, daß, wenn in einer Spannungshalbperiode

von etwa 15 000 Ohm. der Strom Z₁ bei einem Wert Z₁* aussetzt, er hierauf

Durch Einstellen der Vorspannung des Tran- 25 bei sinkender Spannung praktisch bei demselben Wert

sistors T₃ mittels des Potentiometers 24 konnte der Z₁* wieder einsetzen wird.

der Wicklung 11 zugeführte Strom von 0 bis etwa Mit einer Schaltung der beschriebenen Art ist es 2 Amp. reguliert werden, wobei die Leistungsverluste unter Anwendung eines Transistors T₁ großer Leistung nur etwa 1% betragen. Um die Wirkungsweise der gelungen, den Strom in einer 400-Watt-Erreger-Schaltung zu untersuchen, wurde der Kollektorstrom Z₁ 30 wicklung eines Elektromagnetventils nahezu verlustdes Transistors T₁ mittels eines Oszillographen unter- los auszusteuern bei äußerst feiner und stabiler Einsucht, wobei sich folgendes ergab: stellung des Stromwertes.

Wenn der Potentiometerabgriff 29 sich bei α in der Es wird bemerkt, daß die vorliegende Schaltung Nähe der negativen Klemme 28 befindet, hat der prinzipiell auch mit einem Einweggleichrichter ausStrom Z₁ in Funktion der Zeit t die Form von voll- 35 führbar wäre, der nur eine Spannungshalbwelle ständigen Halbwellen, wie in F i g. 2a gezeigt ist. Ver- gleichrichtet;jedochistes offensichtlich zweckmäßiger, schiebt man den Abgriff 29 etwa in die dargestellte, den beide Spannungswellen gleichrichtenden Zweiwegmit b bezeichnete Lage, so fällt der Strom Z₁ gemäß gleichrichter 3 bis 6 zu benutzen. Der Gleichrichter F i g. 2 b in einem mittleren Bereich einer Halbperiode muß aber eine pulsierende Spannung liefern und nicht der Wechselspannung aus, d. h., er wächst nur bis zu 40 etwa eine konstante Gleichspannung; es ist also kein einem gewissen Wert Z₁*, wird dann plötzlich zu Null Kondensator zwischen den Mittelpunkt 14 der Se- und setzt dann wieder mit demselben Werte Z₁* ein, kundärwicklung 3 und den Leiter 6 zu schalten. Es wenn die ihn erzeugende Spannung sinkt. Verschiebt wäre möglich, den Transistor T₃ mit Hilfe zweier man den Abgriff 29 nach einem in der Nähe der weiterer Transistoren ebenso zu steuern, wie der positiven, mit dem Emitter 19 des Transistors T₃ ver- 45 Leistungstransistor T₁ durch die Transistoren T₂ und bundenen Klemme23 gelegenen Punkte, so wird der T₃ gesteuert wird; man könnte also dem Leistungsmittlere, stromlose Bereich der Halbperiode gemäß transistor T₁ eine Kaskade von vier Steuertransistoren Fi g. 2 c sehr groß, und wenn der Abgriff 29 bzw. die vorschalten. Da die Widerstände der aufeinander-Basis 30 dasselbe Potential hat wie der Emitter 19, folgenden Transistoren abwechselnd groß und klein wird dem Verbraucher 11, 12 überhaupt kein Strom 50 sind, ist es aber nicht möglich, eine Kaskade mit einer mehr zugeführt. ungeraden Anzahl von Steuertransistoren zu ver-

Die experimentell festgestellte Wirkungsweise der wenden. Die pulsierende Spannung, die dem ersten

Schaltung kann qualitativ etwa wie folgt erklärt Steuertransistor T₃ zugeführt wird, muß nicht un-

werden: bedingt von dem gleichen Gleichrichter herrühren, der

Der Emitter-Kollektor-Widerstand des Transistors^, 55 den Leistungstransistor speist, doch ist dies offenbar der kurz als dessen Widerstand W₁ bezeichnet werden besonders einfach und zweckmäßig. Um die Leistung soll, hängt von der Emitter-Basisspannung ab oder, zu erhöhen, könnten dem Leistungstransistor T₁ weil der Emitter 7 geerdet ist, von dem Betrag (Abso- weitere Leistungstransistoren parallel geschaltet werlutwert) des negativen Potentials |—e_x| der Basis 17, den. An Stelle einer Elektromagnetwicklung könnte wobei dieses Potential seinerseits vom Widerstands- 60 man z. B. die Feldwicklung eines Motors oder einen verhältnis w₂: r₂ des vom Transistor T₂ und dem Heizwiderstand oder eine beliebige andere ohmsche, Widerstand 18 gebildeten Spannungsteilers und von induktive oder kapazitive Impedanz als Verbraucher der an diesem Spannungsteiler liegenden Spannung oder Teil eines solchen vorsehen, abhängt. Der Umstand, daß bei wachsender Es ist nicht unbedingt nötig, die Batterie B vorspannung der Strom Z₁ im Zeitpunkt t* (s. F i g. 2b 65 zusehen, indem man dem Emitter 15 des zweiten und 2 c) aussetzt, deutet darauf hin, daß in diesem Steuertransistors T₂ (und gegebenenfalls die Emitter Zeitpunkt der Betrag |—e_t\ des Potentials der Basis 17 von zwei weiteren zwischen demselben und dem plötzlich sehr klein wird. Da die am Spannungsteiler?^, Leistungstransistor T₁ vorgesehenen Transistoren) auch

mit dem Leiter 6 verbinden kann, wie als Variante durch die gestrichelte Linie 31 angedeutet ist. In diesem Fall erhält man aber, wie experimentell erwiesen, ein etwas weniger günstiges Ergebnis, indem der Strom Z₁ bei der Fig. 2 a entsprechenden Einstellung des Potentiometerabgriffes 29 am Anfang und Ende jeder Halbperiode kurzzeitig aussetzt, wie durch die gestrichelten Linien 32 angedeutet ist. Ferner sind auch die Flanken des stromlosen Mittelintervalls nicht mehr senkrecht zur Zeitachse, sondern leicht geneigt und gebogen, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektrische Schaltung zur Steuerung des einem Verbraucher zugeführten Stromes mit einem eine pulsierende Gleichspannung liefernden Gleichrichter, der den Verbraucher über mindestens einen Leistungstransistor speist und der mittels einer eine einstellbare Gleichspannung abgebenden Steuervorrichtung über Steuertransistoren derart steuerbar ist, daß in einem von der Höhe dieser Gleichspannung abhängigen mittleren Zeitbereich jedes von dem Gleichrichter gelieferten Spannungsimpulses kein Strom durch den Leistungstransistor zum Verbraucher fließt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuervorrichtung (24) und dem Leistungstransistor (J₁) eine gerade Anzahl von in Kaskade geschalteten Steuertransistoren (T₂, T₃) angeordnet ist, von denen mindestens der erste, von der Steuervorrichtung (24) unmittelbar gesteuerte Steuertransistor (T₃) mit der genannten pulsierenden Gleichspannung gespeist wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein auf den ersten Steuertransistor (T₃) folgender Steuertransistor (T₂) von einer Quelle (B) konstanter Gleichspannung gespeist wird.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter (7,15,19) des Leistungstransistors (T₁) und der Steuertransistoren (T₂, T₃) an denselben Pol (6) eines die pulsierende Gleichspannung liefernden Zweiweggleichrichters (3 bis 6) angeschlossen sind.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren (16, 20) der Steuertransistoren (T₂, T₃) einerseits an die Basis (17, 21) des jeweils folgenden Transistors (T₁, T₂) und anderseits jeweils über einen Widerstand (18, 22) an den anderen Pol (14) des Gleichrichters (3 bis 6) angeschlossen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 872 378;
USA.-Patentschrift Nr. 2 858 456.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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