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Schaltungsanordnung mit zwei Thyristoren zur Erzeugung von Impulsen
Mit elektronischen Schaltungen ist häufig die Aufgabe zu lösen, einen Verbraucher
an eine Stromquelle anzuschalten und ihn nach Ablauf einer bestimmten definierten
Zeit wieder abzuschalten. Nicht selten ist die dem Verbraucher hierbei zugeführte
Leistung so groß, daß dieser sie nur für eine begrenzte Zeit aufzunehmen vermag,
ohne Schaden zu erleiden. In diesen Fällen ist eine sichere Begrenzung der Zeitdauer
des dem Verbraucher zugeführten Leistungsimpulses von besonderer Wichtigkeit. Für
diesen Anwendungszweck sind bisher als elektronische Schaltmittel z. B. Elektronenröhren,
Transistoren und ähnliche Elemente bekannt, die jeweils mit einem Schaltkreis für
die Bestimmung der Einschaltzeit verbunden werden.
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Seit einiger Zeit sind als elektronische Schalter Halbleiterelemente
unter dem Namen Thyristoren bekanntgeworden, welche in ihrem Verhalten dem der Thyratrons
sehr ähnlich sind. Insbesondere besitzen sie im allgemeinen die gleiche Eigenschaft
wie Thyratrons, indem sie zwar durch einen der Gate-Elektrode zugeführten Impuls
gezündet werden, aber im gezündeten Zustand nicht mittels der (der Zündelektrode
des Thyratrons entsprechenden) Gate-Elektrode wieder gelöscht werden können.
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Zum Löschen von Thyristoren sind ähnliche Schaltungsanordnungen wie
bei Thyratrons bekanntgeworden, indem - wie die F i g. 1 zeigt - einer solchen Thyristorstufe
ein zweiter Thyristor zugeordnet wird, dessen Anode mit der Anode des ersten Thyristors
über einen Koppelkondensator verbunden ist. Wird nun dieser zweite Thyristor zu
dem Zeitpunkt der gewünschten Abschaltung des ersten Thyristors durch einen seiner
Gate-Elektrode zugeführten Impuls gezündet, so bewirkt die in dem Koppelkondensator
gespeicherte elektrische Ladung eine kurzzeitige Absenkung der Anodenspannung des
ersten Thyristors unter den für die Aufrechterhaltung des Stromflusses in dem ersten
Thyristor notwendigen Spannungswert, so daß dieser löscht. Eine zweite Art der Löschung
von Thyristoren besteht in der Unterbrechung des Anodenstromes des gezündeten Thyristors
bzw. in einer Absenkung des Anodenstromes unter den minimalen Haltestromwert. Auch
eine solche Abschaltungsart ist bei Thyratrons in gleicher Weise bekannt.
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Eine solche Abschaltung des Thyristors kann - wie F i g. 2 zeigt -
beispielsweise dadurch bewirkt werden, daß in die Anodenleitung ein elektronischer
Schalter S, beispielsweise in Form eines Transistors, eingefügt wird, der im Normalzustand
leitend gehalten wird und der zu dem gewünschten Zeitpunkt des Abschaltens des Thyristors
durch einen Impuls stromlos gemacht wird. Beiden bekannten Arten haftet der Nachteil
an, daß dem Schaltkreis selbst nicht die Eigenschaft innewohnt, den Zeitpunkt des
Abschaltens selbst zu bestimmen, sondern daß von einem äußeren zeitbestimmten Glied
erst zu dem gewünschten Zeitpunkt ein zusätzlicher Impuls erzeugt und der Schaltungsanordnung
zugeführt werden muß.
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Es sind weiter sogenannte umschaltbare Thyristoren bekannt, die durch
einen der Steuerelektrode zugeführten Impuls gezündet und durch einen Impuls entgegengesetzter
Polarität gelöscht werden können. Derartige Thyristoren stehen zur- Zeit nur für
sehr kleine Ströme und Spannungen zur Verfügung, so daß ihr Anwendungsbereich begrenzt
ist. Außerdem wird zum Löschen derartiger Thyristoren ein mindestens 10fach höherer
Stromimpuls als der Anschaltimpuls benötigt.
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Mit der deutschen Auslegeschrift 1188 127 ist für derartige
umschaltbare Thyristoren eine Schaltung bekanntgeworden, mit der eine automatische
Löschung erzielt wird. Die starke Begrenzung der Anwendungsmöglichkeiten heute bekannter
umschaltbarer Thyristoren steht auch dieser monostabilen Anordnung hindernd im Wege.
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Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gesetzt, mit nichtumschaltbaren
Thyristoren eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die ohne Zuführung eines Löschimpulses
von außen her, aus sich selbst heraus die Abschaltung des gezündeten Schaltthyristors
nach einer bestimmten, durch entsprechende Bemessung von Bauelementen wählbaren
Zeit durchführt.
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Dies wird nach dem Gedanken der Erfindung dadurch erreicht, daß eine
Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die aus einem ersten nichtumschaltbaren Thyristor
besteht, der in gezündetem Zustand den
Verbraucher anschaltet und
in an sich bekannter Weise diesem ein zweiter nichtumschaltbarer Thy= ristor zugeordnet
wird, dessen Anode zum Zwecke des gegenseitigen Löschens mit der Anode des ersten
Thyristors über einen Kondensator verbunden ist.
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Gemäß dem Erfindungsgedanken wird die Bestimmung der Anschaltzeit
dieser Anordnung dadurch erreicht, daß dem zum Löschen bestimmten Thyristor über
einen Widerstand an seine Gate-Elektrode eine Gleichspannung zugeführt wird, die
den Thyristor in gezündetem Zustand erhält, und diese Gate-Elektrode mit der Anode
des ersten Thyristors über einen Kondensator verbunden ist, welcher mittels seiner
in ihm gespeicherten Ladung bewirkt, daß im Gate des Thyristors nach dem Zünden
des ersten Thyristors für eine bestimmte, aus der Größe des Widerstandes und des
Kondensators resultierende Zeitdauer eine Gleichspannung mit einer zum Zünden des
zweiten Thyristors nicht geeigneten Polarität anliegt. Wenn nun nach Umladung des
Kondensators die Gleichspannung am Gate des zweiten Thyristors die Polarität wechselt,
so wird dieser wieder zünden und durch seinen Zündvorgang mittels des Kondensators
in bekannter Weise den ersten Thyristor wieder löschen.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Nachfolgend soll an Hand weiterer Figuren der Aufbau und die Arbeitsweise
der Schaltung näher erläutert werden. Es zeigt F i g. 3 eine erfindungsgemäße Schaltung
mit zwei Thyristoren und die Einschaltdauer bestimmenden Bauelementen, F i g. 4
Spannungskurven, wie sie beim Schalten der Einrichtung nach F i g. 3 auftreten.
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In der F i g. 3 ist der Schaltthyristor mit Tyl, der diesen ausschaltende
zweite Thyristor mit Ty2 bezeichnet. Ein zu schaltender Verbraucher 1 liegt an der
Anode des Thyristors Tyl. Die beiden Anoden der Thyristoren Tyl und Ty. sind mit
einer Leitung 2 und einem darin vorgesehenen Kondensator Cl wie bei der Schaltung
gemäß F i g. 1 miteinander verbunden. Eine weitere Leitung 3 und ein in dieser vorgesehener
Kondensator C2 verbindet die Anode A des Thyristors Ty, mit der Gate-Elektrode G
des Thyristors Ty2. An die zu der Gate-Elektrode G des Thyristors Ty2 führende Leitung
3 ist außerdem eine Leitung 4 angeschlossen, die zu einer Versorgungsleitung
5 über einen Widerstand R führt. Widerstand R und Kondensator C2 bilden in bekannter
Weise ein RC-Glied. Die Kathoden der Thyristoren sind an 0 Volt gelegt; die Anode
von Thyristor Ty, liegt über den Verbraucher 1 an der Versorgungsleitung 5, während
die Anode des Thyristors Tyz über einen nicht bezeichneten Widerstand mit der Plusspannung
gespeist wird. Die Arbeitsweise der Schaltung gemäß F i g. 3 ist folgende: Beim
Einschalten einer Schaltungsanordnung gemäß F i g. 3 gelangt über die Leitung 5
die Speisespannung über den Widerstand R und Leitung 4 zur Gate-Elektrode
G des Thyristors Ty2, so daß dieser gezündet wird. Führt man nun der Gate-Elektrode
G des Thyristors Ty, einen positiven Impuls zu, so zündet der Thyristor Tyl und
speist den Verbraucher 1.
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Sobald der Thyristor Tyl stromführend wird, verschieben sich die Potentiale
des Kondensators Cl in folgender Weise: Im »Aus«-Zustand des Thyristors Tyl war
der linke Belag auf -1-20 Volt aufgeladen, der rechte lag auf 0 Volt. Beim Einschalten
des Thyristors Ty nimmt der linke Belag das Potential 0 Volt an und der rechte weist
nun - 20 Volt auf. Damit ist gewährleistet, daß der Thyristor Ty2 gelöscht wird,
da nunmehr an seiner Anode kurzzeitig -20 Volt bis zur Umladung des Kondensators
Cl liegen. Im gelöschten Zustand des Thyristors Ty, lag auch der Kondensator C2
über die Leitung 3 an der positiven Speisespannung und zeigte an seinem linken Belag
gleichfalls -I-20 Volt. Nach dem Einschalten des Thyristors Ty, ist dieser Belag
gleichfalls auf 0 Volt geschaltet, so daß der rechte Belag des Kondensators C2 nunmehr
-20 Volt aufweist. Der Kondensator C2 beginnt nun, sich entsprechend der Zeitkonstante
des Kondensators C2 und des Widerstandes R umzuladen und erreicht nach einer entsprechenden
Zeit über die Spannung von 0 Volt hinaus eine leicht positive Spannung, die nunmehr
an der Gate-Elektrode G des Thyristors Ty. liegt und diesen zündet. Sobald Thyristor
Ty2 gezündet hat, wird über Leitung 2 und Kondensator Cl die Spannung an der Anode
des Thyristors Tyl auf -20 V gesenkt, wodurch dieser gelöscht wird. Nach der Umladung
weist der Kondensator C1 dann wieder am linken Belag -i-20 Volt und am rechten 0
Volt auf, da nun der Thyristor T y2 stromführend ist. Ungefähr die gleichen
Potentiale liegen nach seiner Umladung auch am Kondensator C2 an. Der einmal gezündete
Thyristor Ty2 bleibt so lange stromführend, bis ein weiterer Impuls an der Gate-Elektrode
G des Thyristors Ty, eintrifft. Dann wiederholt sich das Spiel, daß der Thyristor
Ty, zündet und damit den Thyristor T y2 löscht, bis dieser letztgenannte nach entsprechender
Umladung des Kondensators C.; automatisch wieder gezündet wird und damit seinerseits
den Thyristor Tyl löscht.
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Die Einschaltdauer des Thyristors Tyl kann in bekannter Weise durch
Veränderung des Widerstandes R und/oder durch entsprechende Dimensionierung des
Kondensators C2 beliebig gewählt und eingestellt werden. Es kann aber auch der Widerstand
R als veränderlicher Widerstand ausgebildet sein, so daß die Einschaltzeit des Thyristors
Ty, in bestimmten Grenzen stufenlos variiert werden kann.
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In der Schaltung nach F i g. 3 sind mit einem Kreis umgebene Punkte
1 bis 4 aufgezeigt und in der F i g. 4 die an diesen Punkten auftretenden Spannungskurven
dargestellt. Hier ist wohl lediglich zu dem Punkt 4 auszuführen, daß klar zu erkennen
ist, wie die Spannung am rechten Belag des Kondensators C2 von etwa -20 Volt entsprechend
der Zeitkonstante des RC-Gliedes R, C2 ansteigt und über 0 Volt hinausgeht, wodurch
der Thyristor Ty. gezündet wird.
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Während der Einschaltdauer wird bei der Schaltungsanordnung nach F
i g. 3 der Gate-Elektrode G des Thyristors Ty. durch den Kondensator C2 eine negative
Spannung zugeführt, die den Thyristor TyZ so lange hindert, wieder zu zünden, bis
sich der Kondensator C2 mittels des Widerstandes R auf eine positive Spannung umgeladen
hat. Die am Anfang der Einschaltdauer auftretende negative Spannung an dem Kondensator
C2 kann etwa in der Größenordnung der Anodenspeisespannung liegen. Da für Thyristoren
im allgemeinen die zwischen ihrer Gate-Elektrode und ihrer Kathode zulässige, in
Sperrrichtung
liegende, negative Spannung erheblich kleiner ist
als die Anodenspannung, empfiehlt es sich, in die Zuleitung zur Gate-Elektrode des
Thyristors Ty2 eine Diode einzufügen, die unzulässig hohe negative Spannungen von
der Gate-Elektrode G des Thyristors Ty2 fernhält. Damit hierbei das Potential der
Gate-Elektrode G des Thyristors T y2 stets einen definierten Wert behält, wird sie
über einen Widerstand mit der eigenen Kathode verbunden. Wie aus der Kurve (Punkt
4, F i g. 4) weiter zu ersehen ist, findet außerdem eine Rückwirkung von
der Anode des Thyristors Ty2 auf seine Gate-Elektrode G über die Kondensatoren C,
und C2 statt, die kurz nach der Zündung des Thyristors Ty. eine kurze negative Spannungsspitze
ergibt, die gleichfalls bei vorliegendem Beispiel bis -20 Volt ansteigen kann. Auch
diese negative Spannungsspitze könnte dem Thyristor Ty, schaden; sie gelangt aber
bei Einschaltung der vorerwähnten Diode nicht zu der Gate-Elektrode G.
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In der Schaltung nach F i g. 3 ist somit aufgezeigt, wie ein Thyristor
einen anderen nach entsprechend vorbestimmter Zeit automatisch wieder abschaltet.
Ohne besondere Schwierigkeiten kann der eine Thyristor Ty. auch zum gleichzeitigen
Abschalten einer Vielzahl von Schaltthyristoren verwendet werden. Dabei ist lediglich
zu beachten, daß diese mehreren Schaltthyristoren zum gleichen- Zeitpunkt gezündet
werden müssen, da sonst die Möglichkeit besteht, daß beim Zünden eines Thyristors
ein anderer, bereits gezündeter Thyristor über die Verkoppelung der entsprechenden
Kondensatoren Cl vorzeitig gelöscht wird.
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Eine Schaltung nach der Erfindung eignet sich somit insbesondere zur
Steuerung von elektromechanischen Einrichtungen wie z. B. Hubmagneten oder Relais
mit begrenzter Einschaltdauer oder auch allgemein als Leistungs-Impulsgenerator
mit wählbarer Impulsbreite, um hier nur einige Anwendungsbeispiele herauszugreifen.
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Die wesentlichsten Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltung sollen
hier noch einmal kurz zusammengefaßt werden: a) Zum An- und Abschalten des Schaltthyristors
wird nur ein Impuls benötigt. Ein gesonderter Löschimpuls entfällt somit.
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b) Mit dieser Schaltung wird das Löschen des Schaltthyristors nach
vorbestimmter Zeit sichergestellt.
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c) Die Dauer der Einschaltzeit des Schaltthyristors , ist wählbar
und kann d) bei besonderen Anforderungen auch veränderbar, eventuell sogar stufenlos
veränderbar ausgebildet werden.
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e) Die Schaltung kann mit gleichem Vorteil auch mit Thyratrons aufgebaut
werden.