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Wechselstromschütz-Steuerung mittels Schaltertransistoren Die Erfindung
bezieht sich auf eine Wechselstromschütz-Steuerung mittels im Schalterbetrieb arbeitender
Transistoren, beispielsweise für Wendeschütze für Elektromotoren, die bei Antrieben
mehr oder weniger häufig wechselnder Drehrichtungen benutzt werden.
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Die Steuerung der Schütze kann mechanisch oder elektronisch vor sich
gehen. Die mechanische Steuerung hat zwar den Vorteil der leichteren Wartung, aber
den Nachteil oft auftretender schlechter Kontaktgabe und schlechter Anpassungsfähigkeit.
Demgegenüber haben die auf Röhrengrundlage arbeitenden elektronischen Steuerungen
mit Verstärker und Endstufe zwar den Vorteil einer guten Anpassung, sie sind jedoch
weniger robust und bedürfen eines zusätzlichen Aufwandes, um einen Betrieb ohne
Ausfälle auf längere Zeit sicherzustellen.
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Es sind zwar gleichspannungsgesteuerte Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsschaltungen
mit Röhren bekannt, die aber infolge der relativ hohen Widerstände und Impedanzen
bei größeren Strömen und höheren Spannungen für die Steuerung von Schützen ungeeignet
sind.
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Einen wesentlich geringeren Betriebsaufwand bei praktisch unbegrenzter
Lebensdauer und größter Robustheit erfordern Transistoren, wobei der Wechselstromfluß
durch einen Verbraucher (z. B. Schütz) mittels eines im Schaltbetrieb arbeitenden
symmetrischen Transistors gesteuert wird, der seinerseits über wechselspannungsgesteuerte
Transistoren gesteuert wird. Eine Wechselstromansteuerung, insbesondere wenn die
Phasenverhältnisse berücksichtigt werden, erfordert nun wegen der Transformatoren
immer einen größeren Aufwand, und die Ansteuerung läßt sich nicht so gut und einfach
wie eine Gleichspannungsansteuerung handhaben. Daher ist auch die bekannte Wechselstromspeisung
von Transistorgegentaktstufen mit Wechselstromansteuerung nicht für einen Schalterbetrieb
für induktiv abzunehmenden Arbeitswechselstrom geei gnet.
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Für Gleichstromlasten ist es auch bekannt, gleichspannungs- oder impulsartig
angesteuerte Transistoren als Schalter zu verwenden. Jedoch sind diese bekannten
Schaltungsanordnungen für schlagartige Wechselstromschütz-Steuerungen mit größerem
Leistungsbedarf nicht ohne weiteres anwendbar, da mit ihnen die unterschiedlichen
Wechselstromzustände im Zeitpunkt der Schützbetätigung ohne Rückwirkungen nicht
berücksichtigt werden können.
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Die Erfindung beseitigt diese Nachteile bei einer Wechselstromschütz-Steuerung
mittels im Schalterbetrieb arbeitender Transistoren dadurch, daß auf einen Vorverstärker
aus zwei Schaltertransistoren in Emitterfolgeschaltung eine basis- und parallel-Cyesteuerte
Doppelendstufe mit symmetrischen Transistoren folgt, in deren Kollektorkreis Speisewicklung
und Erregerwicklung des Schützes in Reihe liegen.
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Transistorgleichstromverstärker in Emitterfolgeschaltung sind an sich
bekannt, doch tragen ihre Eigenschaften bei der neuen Verwendung in einer Wechselstromschütz-Steuerung
zu derem vorteilhaften Aufbau und deren vereinfachten Ansteuerung bei, so daß mit
besonders geringem Aufwand an Verstärkungsmitteln und bei verhältnismäßig kleiner
Anforderung an diese eine sichere Steuerung auch von Schützen gewährleistet ist,
die eine größere Energieleistuno, benötigen, ohne daß die Leistungsgrenze der Transistoren
erreicht ist bzw. die Betriebssicherheit der Transistoren gefährdet ist, da sämtliche
Transistoren im Schalterbetrieb arbeiten und Rückwirkungen von der Lastseite auf
die Ansteuerungsverstärker vermieden sind.
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An Hand der Figuren der Zeichnung sei die Erfindung näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt ein Schaltbeispiel der Vorverstärkerstufe der
neuen Wendeschützsteuerschaltung; F i g. 2 bis 4 zeigen Ausführungsbeispiele
der Endstufe.
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Die neue Wendeschützschaltung besteht aus einer Steuerungsstufe
1, einer aus zwei Schaltertransistoren 2 und 3 aufgebauten Verstärkerstufe,
einer Endstufe 4 und einem Netzteil 5, wobei der Übersichtlichkeit halber
in den Fi-Uren nur das Linksschütz berücksichtigt wurde, da die Kaskadenverstärker
und Endstufen für das Rechtsschütz gleich aufgebaut sind, das seine Wechselspannung
aus der Wicklung 14 des Transformators 13 erhält, der über Wicklung
15 die von 27 gelieferte Wechselspannung auch für das Linksschütz
liefert. Die Steuerungsstufe kann von beliebiger Art sein, sie muß nur die Möglichkeit
besitzen, z. B. durch bei 7 oder 8 zugeführte Spannungsimpulse oder
auch durch Dauerkontakte eines der Schätze einzuschalten und das andere abzuschalten.
I'
bezeichnet die Steuerleitung zu den Verstärkerstufen für das Linksschütz und
l" die für das nichtgezeichnete Rechtsschütz.
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Der Endstufe 4 ist ein zweistufiger Transistor-Gleichstromverstärker
vorgeschaltet. In diesem Verstärker sind beideStufen übersteuert, damit dieTransistoren
2 und 3 als Schalter arbeiten. Hierdurch wird die Kollektorverlustleistung
der Transistoren sehr klein, so daß es kein Kühlproblem und keine Gefahr der thermischen
Instabilität gibt.
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Der Transistor3 des Verstärkers liefert im eingeschalteten Zustand
den geforderten Strom in die Basen25 der Endstufentransistoren (Fig. 2 bis 4). Bei
eingeschalteter Endstufe 4 bzw. angezogenem Schütz ist der Transistor2 des Verstärkers
bis unter die Kniespannung ausgesteuert. Sein Kollektorwiderstand 2' wirkt dann
als Basisvorwiderstand für den Transistor 3. Er ist zweckmäßigerweise so
zu bemessen, daß auch Transistoren mit einem Stromverstärkungsfaktor an der unteren
Grenze genügend Basisstrom erhalten, um die Endstufe 4 mit dem notwendigen Basisstrom
auszusteuern.
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Die Endstufentransistoren 23, 24 (F i g. 2) bzw.
28,
29 (F i g. 3 bzw. F i g. 4) arbeiten als gleichstromgesteuerte
Wechselspannungsschalter, so daß zu ihrer Sperrung nur eine kleine positive Spannung
erforderlich ist, deren Größe nicht von der Wechselspannung abhängt. Die Transistoren
können vom pnp- oder npn-Typ sein. Die Wechselspannung ist nicht durch die maximale
Basis-Emitter-Spannung begrenzt. Sie kann so groß gewählt werden, wie es die zulässige
Kollektor-Basis-Spannung erlaubt.
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Soll das Schütz abgeschaltet werden, wird durch die Steuerstufe
1 die Basis 19 des Transistors 2 positiv gegen den Emitter der Endstufentransistoren
gemacht, so daß alle Transistoren abschalten. Wird das Schütz durch eine positive
Basisspannung abgeschaltet, muß die aus dem momentanen Strom des Schützes resultierende
Energie des Magnetfeldes, die bei maximalem Strom z. B. 50 Milliwatt-Sekunden
betragen kann, vernichtet werden. Da die Endstufentransistoren gesperrt sind und
keine unzulässig hohe Spannung an dem Kollektor auftreten darf, ist die Verwendung
eines normalen Widerstandes als Parallelwiderstand zum Schütz möglich, weil der
Schützscheinwiderstand beim Durchzug wesentlich kleiner ist als im angezogenen Zustand,
so daß die Stromaufnahme eines Parallelwiderstandes im Moment des Durchzuges relativ
klein ist.
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Endstufen für Wendeschützschaltungen mit Flächentransistoren sind
so aufgebaut, daß in allen Fällen das Wechselstromschütz durch einen auf den Eingang
gegebenen Gleichstrom anzieht und durch eine Sperrspannung am Eingang abfällt, wobei
die Größen des möglichen Laststromes und der möglichen Lastspannung, die durch die
Grenzdaten der Transistoren bedingt werden, beachtet werden müssen. Liegt an einem
Endstufentransistor Wechselspannung, so arbeitet er während der negativen Halbwelle
der Wechselspannung in normaler Emitterschaltung. Während der positiven Halbwelle
vertauschen Kollektor und Emitter ihre Rolle, so daß der Transistor im inversen
Betrieb arbeitet. Für diesen Betrieb ist die Stromverstärkung der üblichen Leistungstransistoren
im allgemeinen zu klein, da diese unsymmetrisch aufgebaut sind. Die Endstufentransistoren
sind in Reihe geschaltet, so daß immer einer in inverser und einer in normaler Richtung
arbeitet. Die Schaltung nach F ig. 2 ist allerdings vorteilhaft nur für symmetrische
Transistoren 23, 24 geeignet. Als Sperrspannung wird nur eine kleine positive
Spannung am Eingang 25 der Endstufe benötigt. Mit 26 ist der Transformator
zur Abgabe der Schützsteuerungsspannung und mit 27
der Netztransformator bezeichnet.
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Eine entsprechende Schaltung gleicher Ausgangsleistung ergibt sich
nach F i g. 3 für zwei unsymmetrische Transistoren 28, 29 durch zwei
Dioden 30,
31 in den Kollektorleitungen und einen Mittelleiter
32 zu den Emittern 33, 34 der Transistoren.
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Wenn nur ein Gleichrichter 35 in die gemeinsame Zuleitung zu
den Emittern der Endstufentransistoren gemäß F i g. 4 gelegt wird, ist die
zulässige maximale Wechselspannung des Transformators 27 nur halb so groß
wie für die Schaltung nach F i g. 3. Gegenüber dieser Schaltung hat diese
zuletzt beschriebene Maßnahme jedoch den Vorteil, daß auch die inverse Stromverstärkung
ausgenutzt wird, so daß bei Verwendung von symmetrischen Transistoren unter Einsparung
einer Diode das gleiche erreicht werden kann wie mit der Schaltung nach F i
g. 3.
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Abschließend wird bemerkt, daß die Erfindung nur in der Kombination
der kennzeichnenden Merkmale besteht, während für die einzelnen Merkmale kein Schutz
in Anspruch genommen wird.