DE1513883A1 - Wechselrichter zur periodischen AEnderung der Stromrichtung in einem Verbraucherwiderstand - Google Patents

Wechselrichter zur periodischen AEnderung der Stromrichtung in einem Verbraucherwiderstand

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DE1513883A1
DE1513883A1 DE19651513883 DE1513883A DE1513883A1 DE 1513883 A1 DE1513883 A1 DE 1513883A1 DE 19651513883 DE19651513883 DE 19651513883 DE 1513883 A DE1513883 A DE 1513883A DE 1513883 A1 DE1513883 A1 DE 1513883A1
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Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Masehinen Gesellschaft mbH
Böblingen, 23. September I969 ka-sk
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk,N,Y.10504
Amt1.Aktenzeichen: P I5 I3 885.7
Aktenz.d.Anmelderin: Docket 13 212
Wechselrichter zur periodischen Änderung der Stromrichtung in einem Verbraucherwiderstand
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter zur periodischen Änderung der Stromrichtung in einem Verbraucherwiderstand durch die Ein/Ausschaltung ,von Richtleitern, die zwischen zwei Potentialstufen einer Gleichspannung und der einen Klemme eines Verbraucherwiderstandes in entgegengesetzter Durchlaßrichtung angeordnet sind, mit abwechselnder Durchschaltung der Richtleiter, durch die während der Einschaltzeit eines Richtleiters über eine Induktivität ein Kondensator aufgeladen wird, dessen Ladestromkreis während der Ausschaltzeit des Richtleiters unterbrochen und dessen Ladespannung in Sperrichtung mit den Elektroden des Richtleiters verbunden sind·
. ν. 4. 9.196,
ORIGINAL INSPECTED
Bekannte Einrichtungen die ser Art sind so ausgebildet, daß eine Klemme des Verbraucherwiderstandes während einer ersten Halbperiode durch einen ersten Richtleiter mit einer hohen Potentialstufe und während einer zweiten Halbperiode durch einen zweiten Richtleiter mit einer niederen Potentialstufe verbunden ist. Die andere Klemme des Widerstandes ist mit einer dritten Po-
^ tentialstufe verbunden, die durch einen mittleren, zwischen den beiden erstgenannten Potentialstufen liegenden Potentialwert dargestellt wird. Während der ersten Halbperiode des Stromes ist somit der erste der beiden Richtleiter durchgeschaltet, während der zweite Richtleiter gesperrt ist. Während der zweiten Halbperiode des Stromes ist der zweite Richtleiter durchgeschaltet, während der erste Richtleiter gesperrt ist. Diese Bedingungen müssen genau eingehalten werden, da bei gleichzeitiger Durchschaltung der beiden Richtleiter die beiden abwechselnd mit dem Verbraucherwiderstand verbundenen Potentialstufen kurz-
" geschlossen werden. Bei einer hohen Geschwindigkeit der Umschaltvorgänge, d.h. bei einer hohen Frequenz der Schaltsignale,können diese Bedingungen nicht eingehalten werden, weil die als Siliziumdioden ausgebildeten Richtleiter bezüglich der Umschaltung eine Trägheit aufweisen. Diese besteht darin, daß ein Richtleiter noch leitend ist, wenn die steuernde Vorspannung den Schwellwert zur Durchschaltung des Ricriuleiuers uereiws unuerscuriuuen nat.
Es ist oekannt, die Trägneit der Sunaltdioden zu üoerwinden dürun Sperrsignale, die verhindern, daß die beiden Richtleiter
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gleichzeitig leitend sind. Die Sperrsignale werden in bekannter Weise erzeugt durch die Serienschaltung einer Induktivität und eines Kondensators, die zwischen dem Veroindungspunkt der beiden Richtleiter und dem Verbindungspunkt von zwei steuerbaren Schaltdioden angeordnet isi. Die Scnalodioden und die Ricnvleiuer werden ueioliun nauneinander so gesueuert, daß die in der Indukuiviuät uei der Unterbrechung des Kondensators-Lade-Stromkreises erzeugte Selbstinduktionsspannung am Verbindungspunkt der beiden Richtleiter ein Sperrsignal bildet, das die gleichzeitige Durchschaltung der beiden Richtleiter verhindern soll. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß bei hoher Schaltgeschwindigkeit durch die Induktivität am Verbindungspunkt der beiden Richtleiter Selbstinduktionsspannungen hoher Plankensteilheit erzeugt werden, die eine gleichzeitige Durchschaltung der beiden RiehtIelter berbe!führen können. Die Nachteile bekannter Einrichtungen werden gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß der Verbindungspunkt der beiden ein/ausschaltbaren Richtleiter mit der einen Elektrode eines Kondensators verbunden ist, dessen Gegenelektrode über je eine Induktivität und einen Schalter mit der Gegenelektrode eines der beiden Richtleiter verbunden ist.
Durch diese Maßnahne ergibt sich eine Aufteilung der Induktivität, so daß Induktionsspannungen hoher Flankensteilheit vermieden werden.
ORIGINAL INSPECTED
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Abbildungen näher erläutert,
Fig.1 zeigt die Schaltung eines Wechselrichters mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Sperrsignalen zur Steuerung der Richtleiter;
Fig.2 zeigt das Diagramm der Takts'ignale , durch welche die Einrichtung zur Erzeugung der Sperrsignale gesteuert wird;
Fig.3 zeigt eine Einrichtung zur Begrenzung der Sperrsignale ·
Die Fig.1 zeigt die Klemmen 11,12 und 15, die mit verschiedenen Potentialstufen einer Gleichspannungsquelle verbunden sind. Die höchste Potentialstufe +V ist über den Richtleiter 15 mit der einen Klemme des VerbraucherwiderStandes 10 verbunden. Eine zweite Potentialstufe -V ist über den Richtleiter 16 mit der genannten Klemme des Verbraucherwiderstandes 10 verbunden. Eine dritte Potentialstufe, deren Potentialwert in der Mitte der beiden erst genannten Potentialstufen liegt, ist mit der zweiten Klemme des VerbraucherwiderStandes 10 verbunden. Die beiden Richtleiter sollen so umgeschaltet werden, daß während einer ersten Halbperiode durch ein Signal an der Steuerelektrode 20 des Richtleiters 15 das Potential +V von der Klemme 11 über
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den Punkt 18 mit dem Verbraucherwiderstand 10 verbunden wird· Während einer zweiten Halbperiode soll durch ein Signal an der Steuerelektrode 21 des Richtleiters 16 das Potential -V von der Klemme 13 über den Punkt 18 dem Verbraucherwiderstand
10 zugeführt werden.
Der Verbraucherwiderstand 10 könnte durch die Steuerung der erwähnten Richtleiter 15 und 16 in aufeinanderfolgenden Perioden ohne Schwierigkeit abwechselnd mit den beiden Klemmen
11 und 13 verbunden werden, wenn die Schaltzeiten der beiden Richtleiter 15 und 16 der Zeitdauer der Signale an den Elektroden 20 und 21 genau entsprechen würden. Die Schaltung verhält sich jedoch in der Praxis so, daß z.B. nach Wegfall des Schaltsignales an der Elektrode 20 des Richtleiters 15 dieser durch die Wirksamkeit der Spannung +V an der Klemme 11 immer noch leitend ist. Wenn also das Signal an der Elektrode 20 des Richtleiters 15 aus-und das Signal an der Elektrode 21 des Richtleiters 16 eingeschaltet ist, besteht zumindest vorübergehend eine leitende Verbindung von der Klemme 11 zur Klemme 13* die den Verbraucherwiderstand 10 kurzschließt. Diese'Schaltfolge ergibt sich, wenn z.B. angenommen wird, daß die beiden Richtleiter 15 und 16 als Silizium-Dioden ausgebildet sind, und daß ferner die Signale an den Elektroden 20 und 21 mit hoher Frequenz auftreten, und daß zwischen den Spannungen an einer Elek-'trode 20 und der Klemme 11 bzw. an der Elektrode 21 und der Klemme 13 nur geringe Spannungsdifferenzen herstellbar sind.
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Durch die in Pig.1 dargestellte Einrichtung ist es möglich, Sperrsignale zu erzeugen, durch die verhindert wird, daß die beiden Richtleiter 15 und 16 gleichzeitig leitend sind. Die Betriebsart dieser Einrichtung wird anhand der in Fig.2 dargestellten Taktsignale näher erläutert. Während der Zeit T1 wird der Elektrode 28 der Diode 26 ein Taktsignal zugeführt, welches die Diode durchschaltet. Wenn zur Zeit T2 der Steuerelektrode 20 des Rj^htleiters 15 ebenfalls ein Schaltsignal zugeführt wird, so ergibt sich ein Stromkreis von der Klemme 11 über den Richtleiter 15, den Kondensator 25, die Induktivität 27 und die Diode 26 zu der Klemme 13· In diesem Stromkreis wird der Kondensator 25 aufgeladen zu einer Ladespannung, welche den Wert der Differenz der beiden Spannungen +V und -V annimmt. Ferner ergibt sich ein Stromkreis von der Klemme 11 über den Richtleiter 15 und den Verbraucherwiderstand 10 zu der Klemme 12. Der konstante Verlauf dieses Stromes ist durch das Diagramm der Fig.2 dargestellt. Wenn angenommen wird, daß die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Klemmen 11 und 13 den Wert E hat, so besteht am Kondensator 25 nach dessen Aufladung die Ladespannung E. Diese Spannung E besteht auch an den klemmen der Induktivität 27. Zur Zeit T^ werden die Signale an den Elektroden 20 und 28 des RiehtIeiters I5 und der Diode 26 abgeschaltet. Bei der Aufladung des Kondensators 25 zerfällt die Spannung an der Induktivität 27. Wenn das Potential an der Induktivität 27 seinen Nullwert erreicht, besteht für den Strom in der Induktivität 27 ein Maximalwert, der anschließend wieder abnimmt, und dadurch an den Klemmen der Induktivität 27
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eine Spannung entgegengesetzter Polarität induziert. Da die steuerbare Diode 26 in umgekehrter Richtung nicht leiten kann, wird der Kondensator 25 auf den Wert 2E aufgeladen, um die durch die Induktivität 27 erzeugte Gagenspannung auszugleichen. Diese Ladespannung des Kondensators 2^ bleibt bestehen, wenn die an der Induktivität 27 entwickelte Gegenspannung wieder zerfällt. Durch den Riehtleiter I5 wird von der Klemme 11 auch nach der Zeit T^, wenn an der Elektrode 20 das Durchschaltesignal abgeschaltet wurde, zu dem Verbraucherwiderstand 10 ein Strom übertragen.
Zur Zeit T^ wird der Klemme 24 des steuerbaren chalters 22 ein Steuersignal zugeführt, wodurch der ein/ausschaltbare Riehtleiter 15 direkt mit der Ladespannung des Kondensators 25 verbunden wird. Die Höhe dieser Spannung ist so bemessen und ihre Polarität so ausgerichtet, daß der Strom durch den steuerbaren Riehtleiter I5 unterbrochen wird. Von diesem Zeitpunkt an kann der Kondensator 25 über den Belastungswiderstand 10, die Klemmen 11 und 12, die'Induktivität 25 und den Schalter 22 entladen werden. Die Entladung des Kondensators 25 wird ferner unterstützt durch die Diode 29, die zum Belastungswiderstand 10 parallel angeordnet ist, so daß der Kondensator 25 schneller entladen werden kann.
Zur Zeit Tc wird der Elektrode 21 des ein/ausschaltbaren Richtig
leiters 16 ein Signal zugeführt, wodurch für den Kondensator 25 über die Induktivität 2J und dan steuerbaren Schalter 22 ein
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Ladestromkreis gebildet wird. Der Kondensator 25 wird dadurch auf die Spannung 2E aufgeladen, deren Polarität entgegengesetzt der Polarität ist, die bei der Aufladung des Kondensators über den ein/aussehaltbaren Richtleiter I5 erzielt wurde. Die Durchschaltung des ein/ausschaltbaren Richtleiters 16 verbindet den Punkt 18 der Schaltung mit der Klemme 1jJ, so .daß durch den Belastungswiderstand 10 ein Strom umgekehrter Richtung fließt. Wenn man annimmt, daß der Balastungswiderstand 10 eine kleine induktive Komponente aufweist, bewirkt die Unterbrechung des Stromes durch den ein/ausschaltbaren Richtleiter 15> daß durch den Belastungswiderstand 10 eine Spannung induziert wird, welche das Vorzeichen des Spannungsabfalls am Belastungswiderstand umkehrt, wie dies durch das in Fig.2 dargestellte Diagramm zwischen den Zeitpunkten T4 und T5 dargestellt ist. Zur Zeit Tj- wird diese Potentialumkehr durch die Einschaltung des Richtleiters 16 verstärkt und bei einem bestimmten Wert konstant gehalten, wie dies zwischen den Zeitpunkten T,- und T„ dargestellt ist.
Aus der Anordnung der in Fig.1 dargestellten Schaltung ergibt sich der Vorteil, daß die Induktivität 27 den Diodenschalter 26 daran hindert, durchgeschaltet zu werden, wenn durch die Einschaltung des steuerbaren Schalters 22 eine sehr rasche Potentialänderung erfolgt. Ebenso hindert die Induktivität 25 den steuerbaren Schalter 22 daran durchgeschaltet zu werden, wenn durch die Einschaltung des Schalters 26 eine sehr rasche Potentialänderung erfolgt. Wenn zwischen dem Kondensator 2^ und den
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-Q-
beiden Schaltdioden 22 und 26 nur eine einzige Induktivität angeordnet wäre, dann würde die Induktivität die Spannung einer ersten Polarität erzeugen aus der anschließend eine Spannung umgekehrter Polarität hervorgehen würde, die bei steiler Impulsflanke ausreichen würde, daß an beiden ein/ausschaltbaren Richieitern die Bedingungen für die Durchschaltung gleichzeitig vorhanden sind. Die zur Speisung des VerbraucherwiderStandes vorgesehene Gleichspannungsquelle könnte auf diese Art kurzgeschlossen werden. Dadurch daß der Kondensator 25 "über je eine Induktivität 23 bzw. 27 mit einem Diodenschalter 22 bzw. 26 verbunden ist, besteht die Möglichkeit, eine überhöhte Geschwindigkeit der Potentialänderung an den Diodenschaltern zu vermeiden, so daß diese nicht unbeabsichtigt durchgeschaltet werden können. Die Diode 30 hat die gleiche Aufgabe wie die Diode 29. Sie ist dazu vorgesehen, die Entladezeit des Kondensators 25 während der zweiten Entladeperiode zu beschleunigen.
Die Fig.3 zeigt eine verbesserte Ausführung der in Flg.1 dargestellten Schaltungsanordnung. Diese Anordnung hat die Aufgabe, die an den beiden SGhaltdioden auftretenden Spitzenspannungen herabzusetzen, so daß die Sperrspannungen der Schaltdioden eine geringere Bemessung haben können. Die Schaltungsanordnung der Fig.3 wird ebenfalls gesteuert durch die in Fig.2 dargestellten Signale. Wenn man annimmt, daß der ein/ausschaltbare Richtleiter J 45 und der Diodenschalter 56 durchgeschaltet und der ein/ausschaltbare Richtleiter 46 und der Diodenschalter 52 gesperrt
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- ίο -
sind, wird der Kondensator 55 aufgeladen zu einer Spannung, die durch das Potential der Klemme 41 bestimmt ist. Diese Spannung ist wirksam am Punkt 48 der Schaltung, während die an der Induktivität 57 auftretende Spannung auf Null abfällt, wie dies bereits beschrieben wurde. Zu diesem Zeitpunkt besteht am Kondensator 55 eine Ladespannung E, gerade dann, wenn an der Induktivität 57 eine Spannungsumkehr einsetzt. Während jedoch die Spannung am Punkt 49 einen positiveren Wert anzunehmen beginnt aufgrund der an der Induktivität 57 wirksamen Spannungsumkehr, beginnt die Diode 61 leitend zu werden. Die Ladespannung am Kondensator 55 wird daher geringfügig über dem Wert E festgehalten. Während der nächsten halben Arbeitsperiode der Schaltung sind die beiden Dioden 45 und 56 gesperrt, während die beiden Dioden 52 und 46 durchgeschaltet sind. Während dieser Zeit wird der Kondensator 45 wieder aufgeladen zu einem Potentialwert, der etwas größer ist als der Wert E, weil dies der maximale Spannungswert ist, der während der ersten halben Arbeitsperiode durch die Induktivität 53 erzeugt wird.
Es ist zu erwähnen, daß die kritische Zeit für die Begrenzung der Ladespannung am Kondensator 55 sich nur erstreckt über die Zeitdauer der Planke des Schaltsignals. Diese Wirkung ergibt sich durch die darauffolgende Aufladung des Kondensators 55 infolge der Spannung, die an einer Induktivität 53 bzw. y( erzeugt wird, wodurch die maximale Ladespannung des Kondensators 55 nicht höher werden kann als die dem Kondensator
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zugeführte Ladespannung. Nachdem der Kondensator 55 über die Dioden 45 und 56 aufgeladen ist, bewirkt die Ladespannung des Kondensators während der nächsten Halbperiode eine in gleicher Richtung wirkende Spannung, wie die Spannung, die an der Induktivität 53 erzeugt wird. Es ergibt sich daher kein doppelter Ladeeffekt, wie diese bereits beschrieben wurde. Wenn daher geeignete Schaltsignale vorgesehen sind, durch welche die Diode 52 zu Anfang der Halbperiode eingeschaltet ist, dann ist nur die Anordnung der Diode 61 notwendig, während die Diode 62 vollkommen weggelassen werden kann. Wenn umgekehrt anfänglich immer die Diode 56 eingeschaltet ist, kann auf die Diode 61 verzichtet werden, während nur die Diode 62 vorhanden sein muß. Die Schaltung könnte in anderer Form so abgewandelt sein, daß den beiden Induktivitäten eine einzige Diode parallel geschaltet ist in einer Durchlaßrichtung, die der Durchlaßrichtung der Schaltdiode entgegengesetzt ist. Dies würde bedeuten, daß die Diode 61 entfällt, und daß die obere Verbindung der Diode 62 an den Verbindungspunkt zwischen der Diode 52 und der Induktivität 53 angeschlossen ist.
Die Schaltung könnte ferner so ausgebildet sein, daß die Diode, die in Verbindung mit einer der beiden erwähnten Abwandlungen der Schaltung verwendet wird, unwirksam ist, wenn die Plankenzeit des Signals für die Einschaltung einer Schaltperiode vorüber ist. Das Ladepotential des Kondensators 55 sollte dadurch nicht verändert werden, so daß die Wirksamkeit und
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die nrbeitsfrequenz der Schaltung erhöht wird. Diese Punktion der Schaltung könnte erreicht werden, wenn ein monostabiler Multivibrator oder ein Verriegelungsschalter vorgesehen ist, der durch das erste am Belastungswiderstand 40 erscheinende Signal betätigt wird, um einen Kontakt zu öffnen, der mit der Diode in Serie geschaltet ist. Der monostabile Multivibrator oder der Verriegelungsschalter könnte zurückgestellt werden, wenn dem Inverter eine Betriebsspannung zugeführt wird.
In der Fig.3 sind ferner zwei Widerstand-Kondensator-Kombinationen vorgesehen, die durch strichpunktierte Linien dargestellt sind. Diese haben den Zweck, Spannungsspitzen zu unterdrücken, wenn die Dioden 45 und 46 durchgeschaltet werden. Es sei ferner erwähnt, daß die Wirkungsweise der erwähnten Schaltungsanordnungen durch Änderungen des Belastungswiderstandes 40 nicht beeinträchtigt wird.
,, B&5.7

Claims (1)

  1. Böblingen, 23.September I969 ka-sk
    Patentans prüche
    1. Wechselrichter zur periodischen Änderung der Stromrichtung in einem Verbraucherwiderstand durch die Ein/Ausschaltung ^ von Richtleitern, die zwischen zwei Potentialstufen einer Gleichspannung und der einen Klemme eines Verbraucherwiderstandes in entgegengesetzter Durchlaßrichtung angeordnet sind, mit abwechselnder Durchschaltung der Richtleiter, durch die während der Einschaltzeit eines Richtleiters über eine Induktivität ein Kondensator aufgeladen wird, dessen Ladestromkreis während der Ausschaltzeit dieses Richtieiters unterbrochen und dessen Ladespannung in Sperrrichtung mit den Elektroden des Richtleiters verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt der beiden ein/ausschaltbaren Richtleiter (15*16) mit der einen Elektrode eines Kondensators (25) verbunden ist, dessen Gegenelektrode über je eine Induktivität (25,27) und eineai Schalter (22,26) mit der Gegenelektrode von jeweils einem der beiden Richtleiter verbunden ist.
    2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Taktfolge von Signalen in aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten zu einem ersten Zeitpunkt (T1,T4) einer
    ORIGINAL INSPECTED
    Jt- Ur.ioriayan ·-'·■ <· ? s 1 Abs. 2 .... Ι Λ.ίζ "! .:«.. ^,ier-n^ges. v. 4, ;.. ψ ^ ^ 885 .7
    der beiden Schalter (22,26) des Kondensator-Ladestromkreises und zu einem zweiten Zeitpunkt (T<d,T-j>) einer der ueiden ein/ausschalLDaren Riunuleiter ('Ip,16) eingesunaltet werden, und daß zu einem dritten Zeitpunkt (TJ,T7) einer der Schalter und einer der Richtleiter gleichzeitig ausgeschaltet werden.
    J5. Wechselrichter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurcn gekennzeichnet, daß die ein/ausschaItbareη Richtleiter (15*16) und die Schalter (22,26) als Dioden ausgebildet sind, die bezüglich der Lade- und Entladestromkreise des Kondensators (25) in Durchlaßrichtung angeordnet und durch Vorspannungen durchschaltbar sind.
    4. Wechselrichter nach den Ansprüchen 1 bis J>, dadurch gekennzeichnet, daß die am Kondensator (5p) auftretende Ladespannung durch eine Diodenschaltung (61,62) begrenzt wird.
    1 Γ fr ' r
    gilt
    9098 51/084?
DE19651513883 1964-07-06 1965-06-26 Wechselrichter zur periodischen AEnderung der Stromrichtung in einem Verbraucherwiderstand Pending DE1513883A1 (de)

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