DE1240925B - Schaltungsanordnung zur Ein- und Ausschaltung von Gleichstromkreisen mittels Halbleiterstromotore - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Ein- und Ausschaltung von Gleichstromkreisen mittels Halbleiterstromotore

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DE1240925B DES71918A DES0071918A DE1240925B DE 1240925 B DE1240925 B DE 1240925B DE S71918 A DES71918 A DE S71918A DE S0071918 A DES0071918 A DE S0071918A DE 1240925 B DE1240925 B DE 1240925B
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Description

DEUTSCHES PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
DeutscheKl.: 21 al-36/18
Nummer: 1240 925
Aktenzeichen: S 71918 VIII a/21 al
Anmeldetag: 3. Januar 1961
Auslegetag: 24. Mai 1967
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ein- und Ausschaltung von Gleichstromkreisen mittels Halbleiterstromtoren, wobei ein Hauptstromtor in der zu schaltenden Leitung liegt und ihm ein Hilfsstromtor über einen Löschkondensator parallel geschaltet ist, der über einen Ladewiderstand von einer Gleichspannung aufgeladen wird. Die Polarität der Gleichspannung ist dabei so gewählt, daß sich der Kondensator beim Zünden des Hilfsstromtores so über das Hauptstromtor entlädt, daß der Entladestrom dem in dem Hauptstromkreis fließenden Strom entgegengerichtet ist. Das Hauptstromtor geht jedoch nur dann in den Sperrzustand über, wenn die Differenz dieser beiden Ströme vorübergehend einen nahe bei Null gelegenen Wert unterschreitet. Daraus ergibt sich, daß der Ladezustand des Löschkondensators in einem bestimmten Verhältnis zu dem über das Hauptstromtor fließenden Strom stehen muß, wenn eine sichere Abschaltung gewährleistet sein soll. Nun kann man zwar die Bemessung des Löschkreises dem maximal vorkommenden Strom anpassen; aber selbst unter dieser Voraussetzung ist noch keine einwandfreie Betriebsweise gewährleistet, da unter Umständen kurz nacheinander Abschaltbefehle gegeben werden können, noch bevor sich der Löschkondensator auf einen Endwert aufladen konnte. Das gilt vor allem bei periodisch betätigten Gleichstromschaltern, die abhängig von der Abweichung einer Regelgröße von einem Sollwert gesteuert werden (Zweipunktregler).
Die Erfindung bringt eine Verbesserung in dieser Hinsicht und besteht darin, daß Überwachungsmittel vorgesehen sind, die sicherstellen, daß jeweils im Löschaugenblick die für das Löschen des Hauptstromtores erforderliche Energie am Löschkondensator mit ausreichender Sicherheit bereitsteht.
Im Rahmen dieses grundsätzlichen Erfindungsgedankens gibt es verschiedene Lösungswege.
Nach der einen dieser Lösungen kann die an dem genannten Kondensator auftretende Ladespannung unmittelbar für die Steuerung der Zündung des Halbleiterhilfsstromtores benutzt werden, so daß also der aufgeladene Kondensator als Spannungsquelle benutzt wird.
Nach einer anderen Lösung kann derart vorgegangen werden, daß die Spannung, die an dem Kondensator bei seiner Ladung entsteht, überwacht wird, und sobald diese Ladespannung einen gewissen Mindestwert erreicht hat, abhängig von dem Erreichen dieses Wertes ein Stromweg über die Steuerstrecke des Halbleiterlösch- bzw. Hilfsstromtores freigegeben wird, so daß dieses dann auf Durchlaß gesteuert werden kann.
Schaltungsanordnung zur Ein- und
Ausschaltung von Gleichstromkreisen mittels
Halbleiterstromtore
Anmelder:
Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Otto Werner, Endorf (Obb.)
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird nun-
ao mehr auf die Ausführungsbeispiele nach den Figuren der Zeichnung Bezug genommen, bei deren Erläuterung sich noch weitere in Verbindung mit der Erfindung benutzbare, technisch vorteilhafte Einzelmerkmale ergeben werden.
In der Schaltung nach F i g. 1 bezeichnen 1 und 2 die Eingangsklemmen der Schaltung, an welchen eine Gleichspannungsquelle liegt, welche die Spannung Ue liefert. 3 und 4 bezeichnen die Ausgangsklemmen, an denen die Ausgangsspannung Ua besteht, die zur Speisung irgendwelcher Verbraucher bestimmt ist. Diese Anordnung hat die Zweckbestimmung, auch bei einer Änderung der an den Eingangsklemmen 1 und 2 liegenden Eingangsspannung dafür zu sorgen, daß die Ausgangsspannung Ua einen praktisch konstanten Wert hat. Die Schaltung enthält außerdem noch eine zusätzliche Einrichtung mit der Zweckbestimmung, den an den Verbraucher über die Klemmen 3 und 4 gelieferten Strom auf einen oberen Wert zu begrenzen. Die Schaltung enthält zunächst zwei Halbleiterstromtore 5 bzw. 6. Das Halbleiterstromtor 5 hat die Funktion des Halbleiterhauptstromtores, welches gewissermaßen in dem Speiseleitungszug von der Spannungsquelle 1, 2 über den Verbraucher nach Art eines Schalters wirkt. 6 bezeichnet das dem Halbleiterhauptstromtor 5 zugeordnete Halbleiterhilfsstromtor, welches dazu dient, das Halbleiterhauptstromtor 5 in einem gewissen Zeitmoment auf Sperrung zu steuern bzw. zu löschen. 7 bezeichnet einen vorhandenen Kondensator, der über den Reihenwiderstand 8 von der an den Klemmen 1 und 2 liegenden Spannungsquelle aufgeladen wird, sobald das Halbleiterstromtor 5 auf Durchlaß gesteuert ist.
709 587/490
Bei der Aufladung des Kondensators 7 verläuft also der Strom von der Klemme 1 über den Widerstand 8, den Kondensator 7, die Arbeitsstrecke des Halbleiterhauptstromtores 5 und das elektrische Ventil 9 zur Minusklemme 2 der Anordnung. Hierbei entsteht an diesem Ventil 9 in seiner Durchlaßrichtung ein entsprechender Spannungsabfall, welcher als Hilfsspannung für Steuerzwecke ausgenutzt wird, wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben wird.
Der Zustand der Durchlässigkeit des Halbleiterhauptstromtores 5 bedingt, daß über seine Steuerstrecke ein entsprechender Strom fließt. 10 bezeichnet eine elektrische Ventileinrichtung, welche in demjenigen Zustand, wo das Halbleiterhauptstromtor 5 gesperrt ist, nachdem vorher eine Stromführung über den Verbraucher und das Drosselglied 11 stattgefunden hatte, als Nullanode wirkt, um bei gesperrtem Halbleiterhauptstromtor S für eine weitere Speisung des Verbrauchers mittels der in der Drossel gespeicherten Energie zu sorgen. In diesem Zustand der Schaltanlage, wo das Ventil 10 als Nullanode wirkt, also in seiner Durchlaßrichtung geöffnet ist, bildet dieses Nullanodenventil gleichzeitig einen Stromweg, über welchen von der Plusklemme 1, das Ventil 10, den Widerstand 12, die Steuerstrecke des Halbleiterhauptstromtores 5 und das Ventil 9 zur Minusklemme 2 der Anlage ein Strom fließen kann. Das hat zur Folge, daß das Halbleiterhauptstromtor 5 in seiner Arbeitsstrecke geöffnet wird, so daß nunmehr ein Stromfluß von der Klemme 1 über die Klemme 3, den Verbraucher, die Klemme 4, die Drossel 11, das Halbleiterhauptstromtor 5 und das Ventil 9 zurück zur Minusklemme 2 der Eingangsquelle stattfinden kann. Befindet sich das Halbleiterhauptstromtor 5 — wie angegeben — im Zustand der Durchlässigkeit, und ist in diesem Zustand der Kondensator? auf einen ausreichenden Spannungswert aufgeladen worden, so wirkt der Kondensator 7 als Spannungsquelle für die Lieferung eines Stromes über den Widerstand
13 und die Steuerstrecke des Halbleiterhilfsstromtores 6 sowie das elektrische Ventil 9 nach der Minusklemme 2 der Spannungsquelle. Hierdurch wird das Halbleiterhilfsstromtor 6 an seiner Arbeitsstrecke durchlässig, und es wird auf diese Weise dann die an den Klemmen des Kondensators 7 bestehende Spannung an die Arbeitsstrecke des Halbleiterhauptstromtores 5 angelegt. Wie zu erkennen ist, hat die Spannung an dem Kondensator 7 die umgekehrte Polarität wie diejenige Spannung, die auf Grund der von den Klemmen 1 und 2 gelieferten Spannung an dem durchlässigen Halbleiterhauptstromtor 5 liegt, so daß nunmehr durch die vom Kondensator? gelieferte Spannung das Halbleiterhauptstromtor 5 in den Zustand seiner Sperrung übergeführt wird.
Diese Steuerung des Halbleiterhauptstromtores 5 auf Sperrung durch das Halbleiterhilfsstromtor 6 soll naturgemäß zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt erfolgen. Damit das gewährleistet ist, ist der Steuerstrecke des Halbleiterhilfsstromtores 6 ein Transistor
14 parallel geschaltet. In gleichartiger Weise ist auch der Steuerstrecke des Halbleiterhauptstromtores 5 ein Transistor 15 parallelgeschaltet.
Im Rahmen der Erfindung ist nun die Anordnung derart getroffen, daß mit entsprechender Aufladung des Kondensators 7 auf eine vorbestimmte Spannung das Halbleiterhilfsstromtor 6 über seine Steuerstrecke für seine Steuerung auf Durchlässigkeit zwar vorbereitet ist, die eigentliche Steuerung auf Durchlässig-
keit jedoch erst dann erfolgt, wenn der Transistor 14 an seiner Arbeitsstrecke auf Sperrung gesteuert wird. Ebenso ist eine Steuermöglichkeit des Halbleiterhauptstromtores 5 dann vorbereitet, wenn die an dem Kondensator 7 bestehende Spannung eine vorböstimmte Höhe hat, und die Steuerung findet statt, sobald der Transistor 15, der der Steuerstrecke des Hauptstromtores 5 parallel liegt, auf Sperrung gesteuert wird.
ίο Die Steuerung der beiden Transistoren 14 und 15 erfolgt abhängig von einer Kippschaltung, welche aus den beiden Transistoren 16 und 17 besteht. Die Steuerung der Kippschaltung 16, 17 erfolgt abhängig von einem Transistor 18, der abhängig von der an den Ausgangsklemmen 3 und 4 bestehenden Spannung gesteuert wird. Die Steuerung des Transistors 18 erfolgt, indem die Spannung an dem Teilwiderstand 23 des Spannungsteilers 23 und 24 mit der Spannung an der Zenerdiode 22 verglichen wird. Ab-
ao gesehen hiervon ist in diesem Steuerkreis noch eine Spannung eingeschleust, die an der Parallelschaltung des Widerstandes 19 mit dem Kondensator 21 auftritt. Der Widerstand 19 bildet zusammen mit dem Widerstand 20 ebenfalls einen Spannungsteiler, der an der zu regelnden Spannung liegt. Zusätzlich wird der Widerstand 19 noch belastet durch den Emitterstrom des Transistors 18, so daß die am Kondensator 21 auftretende Spannung ansteigt, wenn der Transistor 18 durchlässig ist, und wieder abnimmt, wenn der Transistor 18 gesperrt wird. Es wird auf diese Weise dem Steuerkreis des Transistors 18 eine Spannungsänderung vorgetäuscht, obgleich an sich die Spannung an den Ausgangsklemmen 3, 4 der Ehv richtung konstant bleibt, so daß der Transistor 18 zeitweise in seinem leitenden und zeitweise in seinem gesperrten Zustand besteht.
Weiter umfaßt die Schaltung noch eine Einrichtung zur Strombegrenzung, welche den Transistor 25 umfaßt, der durch die Differenz der Spannungen an dem im Hauptstromkreis liegenden Widerstand 26 und dem Widerstand 27 gesteuert wird. Am Widerstand 27 herrscht eine konstante Spannung, die durch die Zenerdiode 28 in Verbindung mit den Widerständen 29 und 30 bestimmt ist. Solange die Spannung am Widerstand 27 diejenige am Widerstand 26 überwiegt, ist der Transistor 25 durchlässig, so daß das Ventil 31 in Sperrichtung beansprucht wird. Ist dagegen die Spannung am Widerstand 26 gleich oder größer als die Spannung am Widerstand 27, so kommt der Transistor 25 in Sperrung, und es fließt nunmehr ein Steuerstrom über den Transistor 18, der diesen öffnet, so daß auf diese Weise der Strom über den Verbraucher an den Klemmen 3 und 4 herabgesetzt wird.
Die Schaltung nach F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel für diejenige Lösung, nach welcher die Spannung am Kondensator 7 unmittelbar für die Zündung des Halbleiterhilfsstromtores 6 benutzt wird.
In dem weiteren Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist eine Schaltung dargestellt, bei der der Zündstromkreis für das Hilfsstromtor 6 erst dann freigegeben wird, wenn die Spannung am Kondensator 7 eine für die Löschung des Hauptstromtores 5 genügende Größe erreicht hat. Diese Überwachung geschieht mittels einer Zenerdiode 40. Überschreitet die Spannung am Kondensator 7 die Zenerspannung der Diode 40, so wird ein Transistor 41 gesperrt und dadurch der Transistor 42 leitend, der im Steuerkreis

Claims (2)

des Hilfsstromtores 6 liegt. Die Steuerung der Stromtore 5 bzw. 6 erfolgt im übrigen mit Spannungsimpulsen, die der Transformator 43 liefert, der auf seinner Primärseite von den Transistoren 44 bzw. 45, die zusammen eine Kippschaltung bilden, gesteuert wird. Die Speisung der Kippschaltung aus den Transistoren 44 und 45 sowie der übrigen Teile der Strombegrenzungseinrichtung der Anlage erfolgt mittels einer an den Klemmen A und B liegenden Hilfsspannungsquelle. An den Klemmend und C liegt eine weitere Hilfsspannungsquelle. Die Steuerung dieser Kippschaltung erfolgt wieder über einen Transistor 46, der in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung an den Klemmen 3 und 4 über eine Zenerdiode 47 in seinem Steuerkreis beeinflußt wird. Die Begrenzung des über die Klemmen 3 und 4 fließenden Verbraucherstromes erfolgt durch den Transistor 48, der in ähnlicher Weise, wie es zu F i g. 1 beschrieben ist, über eine Diode 49 auf den Steuerkreis des Transistors 46 arbeitet. Damit der Transistor 48 ebenfalls ao als Schalttransistor arbeitet, ist eine Rückkopplung über einen TransistorSO vorgesehen. F i g. 3 stellt eine Schaltung dar, bei der die Stromtore 5 und 6 in ähnlicher Weise gesteuert werden wie bei F i g. 1, nur daß nunmehr auch im Steuerkreis der Transistoren 14 bzw. 15 eine galvanische Trennung durch einen Transformator 51 vorgesehen ist. Man ist dadurch in bezug auf die Wahl der Sperrspannung der Transistoren 16 und 17 unabhängig von der Höhe der Eingangsspannung an den Klemmen 1 und 2. Die Steuerspannung des Transformators 51 erfolgt in sinngemäßer Weise, wie es zu der F i g. 2 für die Transistoren 44 und 45 und den Transformator 43 angegeben ist. Sekundärseitig steuert der Transformator 51 dann wieder eine Kippschaltung mit den Transistoren 52 und 53, die ihrerseits von einer fremden an den KlemmenD und E liegenden Hilfsspannung gespeist werden und die Transistoren 14 und 15 steuern. Die in der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 von der Sekundärseite des Transformators 51 gesteuerten Transistoren 52 und 53 arbeiten als Gedächtniseinrichtung, indem sie einen Steuerimpuls umwandeln in einen Dauerstrom für die Steuerung der Transistoren 14 und 15 und einer der beiden Transistoren 52 bzw. 53 sich jeweils in leitendem Zustand befindet, also einen Strom zu den Transistoren 14 bzw. 15 liefert, während der andere gleichzeitig gesperrt ist. F i g. 4 stellt schließlich eine Schaltung dar, bei der die Höhe der Eingangsspannung Ue an den Klemmen 1 und 2 an die zulässige Spannungsbeanspruchung der Transistoren 16 bzw. 17 dadurch angeglichen wird, daß im Kollektorkreis der Transistoren Zenerdioden 54 bzw. 55 angeordnet sind. Die Transistoren 16 bzw. 17 werden dann nur von einer Spannung beansprucht, die gleich ist der Eingangsspannung Ue abzüglich der Spannung an diesen Zenerdioden. Die F ig. 4 ist eine vereinfachte Wiedergabe gegenüber Fig. 1, indem die Strombegrenzungseinrichtung nicht eingetragen ist, die an sich auch bei dieser Schaltung benutzt werden kann. Bei einer erfindungsgemäß aufgebauten Anordnung braucht das jeweilige Halbleiterhilfsstromtor entsprechend 6 nach den Ausführungsbeispielen nicht für die gleiche große Leistung wie das Hauptleiterhauptstromtor 5 bemessen zu werden, sondern es kann für einen geringeren Arbeitsstrom bemessen werden. Nach angestellten Versuchen braucht das Halbleiterhilfsstromtor jeweils nur etwa für ein Drittel des Stromes oder weniger bemessen zu werden, den betriebsmäßig das Halbleiterhauptstromtor zu übernehmen hat. Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat grundsätzlich die Eigenart, daß die Schaltfrequenz, mit welcher das Halbleiterhauptstromtor und das Halbleiterhilfsstromtor bei der Regelung der Ausgangsspannung der Anlage arbeiten, desto größer ist, je größer die Eingangsspannung Ue ist. So ergab sich z. B. eine Schaltfrequenz von etwa 2000 Hz, wenn die Eingangsspannung von einer Normalspannung von etwa 7 auf 100 Volt erhöht wurde, während die Ausgangsspannung auf 60 Volt konstant gehalten wurde. Die Diode 9 in den F i g. 1, 3 und 4 wird von dem Strom über das Halbleiterhauptstromtor 5 bzw. dem Strom über das Halbleiterhilfsstromtor 6 und dem Widerstand 8 durchflossen. Die an ihm entstehende, etwa konstante Spannung dient als Hilfsspannung für die Steuerung der Transistoren 14 und 15, damit diese an ihrer Arbeitsstrecke voll geöffnet werden. In F i g. 5 der Zeichnung ist schließlich noch ein Kurvenschaubild wiedergegeben, dessen Kurven durch entsprechende Messungen an einer erfindungsgemäßen Anordnung nach F i g. 1 erhalten wurden. In dieser Figur ist auf der Abszissenachse der Belastungsstrom bzw. Verbraucherstrom und auf der Ordinatenachse die Ausgangsspannung aufgetragen. Die Figur zeigt zwei Meßkurven a und b, von denen die Kurve a beim Anliegen einer Eingangsspannung Ue von 72 Volt und die Kurve b beim Anliegen einer Eingangsspannung Ue von 100 Volt gemessen wurde. Wie die Eintragung des Prozentwertes erkennen läßt, ergibt sich eine Spannungskonstanz von ±l°/o. Die Kennlinien a und b gehen an der rechten Seite in je einen etwa parallel zur Ordinatenachse verlaufenden Teil über als Zeichen dafür, daß an dieser Anordnung auch die Strombegrenzungseinrichtung entsprechend wirksam ist. In Verbindung mit der Erfindung ist insbesondere gedacht an die Anwendung von Halbleiterstromtoren, welche auf der Basis eines Halbleiters aus oder nach Art von Germanium oder Silizium oder einer intermetallischen Verbindung arbeiten. Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung zur Ein- und Ausschaltung von Gleichstromkreisen mittels Halbleiterstromtore, wobei ein Hauptstromtor in der zu schaltenden Leitung liegt und ihm ein Hilfsstromtor über einen Löschkondensator parallel geschaltet ist, der über einen Ladewiderstand von einer Gleichspannung aufgeladen ist, dadurch gekennzeichnet, daß Überwachungsmittel vorgesehen sind, die sicherstellen, daß jeweils im Löschaugenblick die für das Löschen des Hauptstromtores erforderliche Energie am Löschkondensator mit ausreichender Sicherheit bereitsteht.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladespannung des Kondensators als Spannungsquelle für die Steuerung der Zündung des Halbleiterhilfsstromtores bzw. Halbleiterlöschstromtores benutzt wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Halbleiterlöschstromtores eine Reihenschaltung aus einem Wi-
derstand und einem Transistor geschaltet ist, wobei der Widerstand parallel zur Kollektor-Basis-Strecke des Halbleiterlöschstromtores und der Transistor parallel zur Basis-Emitter-Strecke dieses Stromtores liegen.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Verbindungsleitung zwischen dem Kondensator und dem Halbleiterlöschstromtor eine Zenerdiode derart angeschlossen ist, daß sie den Zündstrom des Löschstromtores über eine Transistorschaltung so lange sperrt, bis der Kondensator auf den Durchbruchsspannungswert der Zenerdiode aufgeladen worden ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl parallel zur Emitter-Basis-Strecke des Halbleiterhauptstromtores als auch derjenigen des Halbleiterlöschstromtores je ein Gleichrichterventil mit solcher Polung parallel geschaltet ist, daß es den Zünd- ao strom des entsprechenden der beiden Halbleiterstromtore sperrt.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der geladene Kondensator auch als Spannungsquelle zur Speisung des Zündstromkreises des Halbleiterhauptstromtores benutzt ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung der Anlage von dem Steuerteil der beiden Halbleiterstromtore galvanisch, vorzugsweise durch eine transformatorische Ankopplung getrennt ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Sekundärseite des Ankopplungstransformators eine Gedächtnisspeichereinrichtung vorgesehen ist, durch welche ein von der Sekundärseite des Transformators übernommener Energieimpuls in einen Dauerimpuls für die Steuerung der Halbleiterstromtore umgeformt wird.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von der Ausgangsspannung der Einrichtung gesteuerte Transistoren, die zur Steuerung der Halbleiterstromtore dienen, in Reihe mit derart bemessenen Zenerdioden geschaltet sind, daß durch die von den Zenerdioden übernommene Spannung eine am Eingang der Anordnung auftretende überhöhte Spannung jeweils auf einen solchen oberen Grenzwert herabgesetzt ist, welcher als Arbeitsspannung für die genannten Transistoren zulässig bzw. unschädlich ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 587/490 5.67 © Bundesdtuckerei Berlin
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