DE1638236A1 - Control circuit with thyristors - Google Patents
Control circuit with thyristorsInfo
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Description
Sven iiils Johannes Lirinr-.c-n, Lldin^:ö/oc2Sven iiils Johannes Lirinr-.cn, Lldin ^ : ö / oc2
Vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung zum Leistungsregeln von Gleichstrom, der einen Sutzkreis mit bestimmter Resistanz und Induktanz durchfliesst. Bei derartigen Schaltungen sind ein Hauptthyristor mit dem Mutzkreis, und ein Hilfsthyristor zum Löschen des Hauptthyristörs über einen Kondensator mit einer Hilfsresistanz in Reihe geschaltet. Der Hauptthyristor wird durch Zuführung eines Steuerimpulses zu seiner Steuerelektrode in den leitenden Zustand gebracht, d.h. "zündet", und wird durch Zuführung eines Steuerimpulses zur Steuerelektrode des Hilfsthyristors in seinen sperrenden Zustand gebracht, d.h. "erlöscht".The present invention relates to a control circuit for power control of direct current, the one Sutzkreis flows through with a certain resistance and inductance. In such circuits a main thyristor with the Mutzkreis, and an auxiliary thyristor for clearing the main thyristor a capacitor connected in series with an auxiliary resistor. The main thyristor is activated by applying a control pulse its control electrode is brought into the conductive state, i.e. "ignites", and is activated by the application of a control pulse to the Control electrode of the auxiliary thyristor in its blocking state brought, i.e. "extinguished".
Steuerschaltungen, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind an sich vorbekannt. Durch Zuführung von Steuerimpulsen zu den Steuerelektroden der Haupt- und Hilfsthyristoren mit verschiedenen Zeitabständen, sind die Perioden, während welcher der Hauptthyristor gezündet ist, beliebig variierbar, wobei der Mittelwert des den Hauptthyristor durchfliessenden Stromes gleichfalls variieren wird. Während der Löschperioden des Haupt— thyristors wird statt dessen der Hilfsthyristor gezündet sein. Auch wenn es möglich ist, die Schaltung derart zu bemessen, dass der den Hilfsthyristor durebfliessende Strom einen wesentlich kleineren Wert erhält, als der Strom durch den Hauptthyristor, wird jedoch die Stromquelle, z.B. eine Batterie, immer durch den einen oder den anderen der im Betrieb befindlichen ThyristorenControl circuits that work on this principle are already known per se. By supplying control pulses to the control electrodes of the main and auxiliary thyristors with different Time intervals, the periods during which the main thyristor is ignited can be varied as desired, with the Average value of the current flowing through the main thyristor will also vary. During the deletion periods of the main thyristor, the auxiliary thyristor will be ignited instead. Even if it is possible to dimension the circuit in such a way that the current flowing through the auxiliary thyristor is significant receives a smaller value than the current through the main thyristor, however the current source, e.g. a battery, is always through the one or the other of the thyristors in operation
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belastet. Die im Nutzkreis verwertete Nutzleistung wird aber, wie bereits angedeutet ist, ausschliesslich vom Verhältnis zwischen der Stromdurchlasszeit des Hauptthyristors und der Zeit, während welcher der Strom durch diesen Thyristor Null ist, abhängig.burdened. The useful performance utilized in the useful circle will, however, as already indicated, exclusively from the relationship between the current passage time of the main thyristor and the time during which the current through this thyristor is zero, addicted.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Steuerschaltung, die derart ausgestaltet und bemessen Ist, dass unter gewissen besonderen Bedingungen sowohl der Haupttbyristor als auch der Hilfsthyristor gelöscht sein können. Hierdurct wird fe eine unnötige Belastung der Batterie vermieden, z.B. hei geringer Leistungsausnahme durch den Nutzkreis, d.h. während langer Zeitperioden, wenn der Hauptthyristor gelöscht bleibt. Bei einer vorbekannten, "konventionellen" Steuerschaltung wird sonst die Stromquelle während derjenigen Zeitperioden, während welcher der Strom durch den Nutzkreis Null ist, durch den mit dem Hilfsthyristor in Reihe geschalteten Widerstand heiastet.An object of the present invention is a control circuit which is designed and dimensioned in such a way that, under certain special conditions, both the main thyristor and the auxiliary thyristor can be extinguished. This avoids unnecessary loading of the battery, for example in the case of a low power consumption by the useful circuit, ie during long periods of time when the main thyristor remains extinguished. In a previously known, "conventional" control circuit, the current source is otherwise heated by the resistor connected in series with the auxiliary thyristor during those time periods during which the current through the useful circuit is zero.
Ein weiterer Gegenstand der erfindungsgemässen Steuerschaltung besteht darin, dass sie unter gewissen anderen Bedingungen als eine "konventionelle" Schaltung arbeiten können soll, d.h. der Hilfsthyristor und der Hauptthyristor werden untereinander abwechselnd gezündet und gelöscht. Diese Arbelts— weise wird bei hohen Leistungsausnahmen durch den Nutzkreis aktualisiert. Another object of the control circuit according to the invention is that they can operate as a "conventional" circuit under certain different conditions should, i.e. become the auxiliary thyristor and the main thyristor alternately ignited and extinguished. This Arbelts— wise is updated by the user group in the event of high performance exceptions.
Die erflndungsgemässe Schaltung kann z.B. heim Betrieb von Fahrzeugen Anwendung finden, wobei der Nutzkreis einen Elektromotor mit einer bestimmten Resistanz und Induktanz enthält. Bei schwererer Belastung des Motors wird die Steuerschaltung dabei in "konventioneller" Weise mit abwechselnd stromführenden Haupt-The circuit according to the invention can, for example, be used at home of vehicles are used, the useful circuit containing an electric motor with a certain resistance and inductance. at heavier load on the motor, the control circuit is operated in a "conventional" manner with alternating current-carrying main
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und Hilfskreisen arbeiten. Um bei niedrigerer Leistungsausnähme die Spannungsquelle nicht unnötigerweise zu belasten, wird dabei sowohl der Hauptthyristor als auch der Hilfsthyristor während eines Teils der Periode gleichzeitig gelöscht sein.and working groups. To with a lower power exception not unnecessarily loading the voltage source, both the main thyristor and the auxiliary thyristor during part of the period must be deleted at the same time.
Dies wird erfindungsgemäss dadar ch erreicht, dass der Kondensator und die Induktanz zusammen mit den Resistanzen des Hauptkreises und des Hilfskreises einen Reihen-Schwingungskreis mit derartiger Charakteristik darstellen, dass, wenn der zeitliche Abstand zwischen einem der Steuerelektrode des Hilfsthyristors und einem der Steuerelektrode des Hauptthyristors zugeführten Steuerimpuls einen gewissen, durch die Eigen-Winkelfrequenz des Reihen-Schwingungskreises bestimmten Wert übersteigt, beim Löschen des Hauptthyristors eine gedämpfte LC-Schwingung im Schwingungskreis erzeugt wird, die über die Hilfsresistanz einen derart abgepassten Spannungsabfall entwickelt, dass der Hilfsthyristor in seiner Sperrrichtung vorgespannt und dadurch gelöscht wird.According to the invention, this is achieved by the fact that the The capacitor and the inductance together with the resistances of the main circuit and the auxiliary circuit form a series oscillating circuit with such a characteristic that when the time interval between one of the control electrodes of the auxiliary thyristor and a control pulse supplied to one of the control electrodes of the main thyristor, a certain amount due to the natural angular frequency of the series oscillation circuit exceeds a certain value, a damped LC oscillation when the main thyristor is extinguished is generated in the oscillation circuit via the auxiliary resistance develops a voltage drop matched in such a way that the auxiliary thyristor is biased in its reverse direction and is thereby deleted.
Die erfindungsgemässe Steuerschaltung funktioniert in "konventioneller" Weise, wenn der zeitliche Abstand zwischen den besagten Steuerimpulsen zu den bzw. Steuerelektroden den durch die Eigen-Winkelfrequenz des Reihen-Schwingungskreises bestimmten Wert untersteigt. Wenn dies der Fall ist, erfolgt die Löschung des Hilfsthyristors, als der Steuerimpuls der Steuerelektrode des Hauptthyristors zugeführt wird.The control circuit according to the invention functions in "Conventional" way, if the time interval between said control pulses to the or control electrodes by determined the natural angular frequency of the series oscillation circuit Value falls below. If this is the case, the auxiliary thyristor is extinguished as the control pulse of the control electrode of the main thyristor is supplied.
Eine vorbekannte Schaltung sowie eine erfindungsgemässe Steuerschaltung werden im folgenden an Hand der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben, und zwar zeigen?A previously known circuit and a circuit according to the invention Control circuit are described in more detail below with reference to the accompanying drawing, namely show?
Fig. 1 das Schaltschema der vorbekannten Schaltung,1 shows the circuit diagram of the previously known circuit,
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Fig. 2 das Scbaltschema der erfindungsgemässen Steuerschaltung und2 shows the circuit diagram of the control circuit according to the invention and
fig. 3 teils das Spannung/Zeit-Diagramm der beiden Thyristoren für den Fall, in dem die Haupt- und Hilfsthyristoren während eines Teils der Periode gleichzeitig gelöscht sind, teils die Strom-Zeit-Diagramme der den bzw. Steuerelektroden zugeftihrten Steuerimpulse sowie des Belastungsstromes.fig. 3 partly shows the voltage / time diagram of the two thyristors in the case where the main and auxiliary thyristors are deleted at the same time during part of the period, partly the current-time diagrams of the supplied or control electrodes Control pulses as well as the load current.
Gemäss der Figur 1 besteht der Nutzkreis aus einer reinen Resistanz, d.h. einem ohmschen Widerstand R^. Der Hauptthyristor T^ wird durch einen Steuerimpuls gezündet und bleibt in seinem gezündeten Zustand, bis der Hilfsthyristor T2 durch einen seiner Steuerelektrode ,zugeführten Impuls gezündet wird. Wenn dies geschieht, wird anfangs momentan ein gleich grosser Spannungsabfall auf den beiden Belagen des Kondensators C auftreten. Der Verbindungspunkt zwischen dem Be la stungs-Wider stand R^ und dem Hauptthyristor T» erhält dabei ein negatives Potential, was zur Folge hat, dass der Hauptthyristor erlöscht. Während der ganzen Löschzeit von T,, wird infolgedessen ein Strom durch den Hilfskreis fliessen und ein gewisser Leistungsverbrauch im Hilfswiderstand R2 stattfinden. Beim darauf folgenden Auslösen des Hauptthyristors T1 erhält in gleicher Weise der Verbindungspunkt zwischen dem HilfsWiderstand und dem Hilfs thyristor eine negative Vorspannung, die das Löschen von T2 bewirkt. Aus dieser Erörterung ergibt sich, dass Strom während der ganzen Zeit durch den einen oder anderen der Thyristoren fliesst und dass ein Leistungsverbrauch durch entweder den Hauptwiderstand R^ oder den HilfsWiderstand R2 stattfindet. Weil nur die Leistung über den Hauptwiderstand Nutzleistung ist, wird der Wirkungsgrad derAccording to FIG. 1, the useful circuit consists of a pure resistance, ie an ohmic resistance R ^. The main thyristor T ^ is ignited by a control pulse and remains in its ignited state until the auxiliary thyristor T 2 is ignited by a pulse supplied to its control electrode. When this happens, an equally large voltage drop will initially occur on the two layers of the capacitor C at the beginning. The connection point between the loading resistor R ^ and the main thyristor T »receives a negative potential, which means that the main thyristor goes out. As a result, a current will flow through the auxiliary circuit during the entire extinguishing time of T 1, and a certain amount of power will be consumed in the auxiliary resistor R 2 . When the main thyristor T 1 is subsequently triggered, the connection point between the auxiliary resistor and the auxiliary thyristor receives a negative bias voltage in the same way, which causes the deletion of T 2. From this discussion it can be seen that current flows all the time through one or the other of the thyristors and that power consumption occurs through either the main resistor R 1 or the auxiliary resistor R 2 . Because only the power across the main resistor is useful power, the efficiency becomes the
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Schaltung niedrig, was ein wesentlicher Nachteil bedeutet, insbesondere bei Batterie-Betrieb, wo die Speicherfähigkeit der Stromquelle begrenzt ist.Circuit low, which is a major disadvantage, in particular in battery operation, where the storage capacity of the power source is limited.
Gemäss der Figur 2 besteht die Belastung des Nutzkreises aus einer Resistanz R-, und einer Induktanz L. Um die erfindungsgemässe Steuerschaltung verstündlicher zu machen, wird nun auf verschiedene in Pig. 3 eingetragene und mit den Bezugsziffern 1 bis h bezeichnete Zeitmomente verwiesen. Als der Hauptthyristor T^im Zeitpunkt 1 durch einen seiner Steuerelektrode G, zugeführten Steuerimpuls gezündet wird, fällt die Spannung über diesen Thyristor bis annähernd Null ab, und ein Strom durch den Nutzkreis beginnt zu fliessen. Der momentane Spannungsabfall durch den Hauptthyristor T, wird durch den Kondensator C zum Verbindungspunkt zwischen dem HilfsWiderstand R2 und dem Hilfsthyristor T2 überführt. Der Spannungsabfall durch T2 wird also im ersten Augenblick gleich gross wie der Spannungsabfall durch T-,. Aufgrund der Zeitkonstante des Kondensators, dauert es danach eine gewisse Zeit, bis die Spannung über T2 auf ihren vollen Wert angewachsen hat. Durch die Einwirkung der Induktanz L im Nutzkreis ist der Strom durch diesen Kreis im ersten Augenblick Null, wächst aber allmählich bis auf einen von der Batterie-Spannung abhängigen Wert an. Im Zeitpunkt 2 wird der Hilfsthyristor T2 durch einen seiner Steuerelektrode G2 zugeführten Impuls gezündet. Demzufolge fällt die Spannung über T2 vom Wert der Batteriespannung bis annähernd Null ab, und aus vorerwähnten Gründen wird ein entsprechnder Spannungsabfall im Verbindungapunkt zwischen dem Nutzkreis und dem Hauptthyristor T^ auftreten. Dieser Punkt, der vor dem Zünden von T2 annähernd Nullpotential hatte, erhält somit eine negative Vorspannung, welche die LöschungAccording to FIG. 2, the load on the useful circuit consists of a resistance R- and an inductance L. In order to make the control circuit according to the invention more understandable, various points will now be made in Pig. 3 registered and with the reference numerals 1 to h referenced time moments. When the main thyristor T ^ is ignited at time 1 by a control pulse supplied to its control electrode G, the voltage across this thyristor drops to approximately zero, and a current through the useful circuit begins to flow. The instantaneous voltage drop through the main thyristor T is transferred through the capacitor C to the connection point between the auxiliary resistor R 2 and the auxiliary thyristor T 2 . The voltage drop through T 2 is therefore initially the same as the voltage drop through T-,. Because of the time constant of the capacitor, it then takes a certain time until the voltage across T 2 has increased to its full value. Due to the effect of the inductance L in the useful circuit, the current through this circuit is initially zero, but gradually increases to a value that depends on the battery voltage. At time 2, the auxiliary thyristor T 2 is ignited by a pulse fed to its control electrode G 2. As a result, the voltage across T 2 drops from the value of the battery voltage to approximately zero, and for the reasons mentioned above, a corresponding voltage drop will occur at the connection point between the useful circuit and the main thyristor T ^. This point, which had approximately zero potential before the ignition of T 2 , thus receives a negative bias voltage, which causes the extinction
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des Hauptthyristors T, bewirkt. Durch den Nutzkreis fliesst also nunmehr ein Strom, der bestrebt ist, den rechten Belag des Kondensators positiv aufzuladen, und aufgrund der Einwirkung der Induktanz, wird die Spannung über den Hauptthyristor wesentlich höher als die Batteriespannung. Im Zeitpunkt 3· hat der Kondensator die maximale Energiemenge von der Induktanz aufgenommen,, und der Strom durch die Induktanz und den Resistanz R, kehrt sich deswegen um. Dieser Strom.wird aber nicht zur Batterie zurückgespeist, sondern wird statt dessen vom rechten Belag des Kondensators in denjenigen Reiben-Schwingungskreis fliessen, der aus der Induktanz L, den Resistanzen R-. und R2 und dem linken Belag des Kondensators C gebildet wird. Hierdurch entsteht aber ein Spannungsabfall durch die Hilfäresistanz R3. In der Zeitpunkt h hat der Strom durch R2 einen so grossen Wert erreicht, dass der Spannungsabfall durch diesen Widerstand grosser ist, als die Batteriespannung U. Dabei erhält der Hilfsthyristor T2 eine negative Vorspannung und erlöscht. Nach einem gedämpften Einschwingvorgang kehrt der Kreis rasch in seinen Anfangszustand zurück, in welchem sowohl der Haupt thyristor T1 als auch der Hilfsthyristor Tp gelöscht ist, worauf der so beschriebene Zyklus sich wiederholt. Aus dem Spannung/Zeit-Diagramm des Hilfsthyristors geht hervor, dass letzterer nur während eines kleinen Teils der Löschzeit des Hauptthyristors T^ gezündet ist. Die Zeit, während der Strom durch die Hilfsresistanz R2 fliesst, wird demzufolge von der Eigen-Winkelfrequenz des Reihen-Schwingungskreises abhängig sein, d.h. von der Zeit, die der Kondensator C braucht, um die maximale Iiadungsenergie von der Induktanz L aufzunehmen und anscbliessend die Entladung anzufangen,of the main thyristor T causes. A current now flows through the useful circuit, which tries to positively charge the right-hand side of the capacitor, and due to the effect of the inductance, the voltage across the main thyristor is significantly higher than the battery voltage. At time 3, the capacitor has absorbed the maximum amount of energy from the inductance, and the current through the inductance and the resistance R is therefore reversed. This current will not be fed back to the battery, but instead will flow from the right-hand side of the capacitor into the friction-oscillation circuit that is made up of the inductance L and the resistances R-. and R2 and the left plate of the capacitor C is formed. However, this results in a voltage drop through the auxiliary resistance R 3 . At time h , the current through R 2 has reached such a large value that the voltage drop through this resistor is greater than the battery voltage U. The auxiliary thyristor T 2 is given a negative bias and is extinguished. After a dampened transient process, the circuit quickly returns to its initial state, in which both the main thyristor T 1 and the auxiliary thyristor Tp are deleted, whereupon the cycle thus described is repeated. The voltage / time diagram of the auxiliary thyristor shows that the latter is only triggered during a small part of the extinction time of the main thyristor T ^. The time during which the current flows through the auxiliary resistor R 2 will therefore depend on the natural angular frequency of the series oscillation circuit, ie on the time it takes for the capacitor C to absorb the maximum charge energy from the inductance L and then the To start discharging,
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und während der der zum Löschen des Hilfsthyristors T« erforderliche Spannungsabfall über die Hilfsresistanz R2 aufgebaut wird.and while the voltage drop required to extinguish the auxiliary thyristor T «is built up across the auxiliary resistor R 2.
Wie aus dem Spannung/Zeit-Diagramm des Hilfsthyristors hervorgeht, kann aber die erfindungsgemässe Steuerschaltung auch zum Funktionieren in der Art einer "konventionellen" Schaltung gemäss der Figur 1 gebracht werden, und zwar falls der zeitliche Abstand zwischen dem der Steuerelektrode G2 des Hilfsthyristors und dem der Steuerelektrode G, des Hauptthyristors zugeführten Steuerpulsen denjenigen Wert untersteigt, der dem Abstand zwischen den Punkten 2 und Λ entspricht.As is apparent from the voltage / time diagram of the auxiliary thyristor, but the inventive control circuit can also be made to function in the manner of a "conventional" circuit according to the figure 1, and that if the time interval between the control electrode G 2 of the auxiliary thyristor and the control pulses supplied to the control electrode G 1 of the main thyristor falls below that value which corresponds to the distance between the points 2 and Λ.
Um zu verhindern, dass in der Zeitpunkt 3 die Spannung einen unnötigerweise hohen Wert erreicht, kann eine in Reihe mit einer Resistanz R-* liegende Diode D mit dem Nutzkreis parallelgeschaltet werden, wie in der Figur 2 gestrichelt angedeutet. Wenn die Spannung über den Hauptthyristor T, grosser wird, als die Batteriespannung, wird ein Strom durch die Diode und die Resistanz R^ fliessen, wobei ein Teil der in der Induktanz L gespeicherten Energie im Resistanz R^ verbraucht wird.In order to prevent in the time 3 the tension reaches an unnecessarily high value, a diode D lying in series with a resistance R- * can be connected in parallel with the useful circuit are, as indicated by dashed lines in FIG. When the voltage across the main thyristor T becomes greater than the battery voltage, a current will flow through the diode and the resistance R ^, some of which is stored in the inductance L. Energy in the resistance R ^ is consumed.
Damit der Hilfsthyristor T2 in der Zeitpunkt h gelöscht wird, ist es notwendig, die Kreiselemente des Schwingungskreises derart zu bemessen, dass beim Entladen des Kondensators C der Spannungsabfall durch R2 die erwünschte Sperrspannung über den Hilfsthyristor T2 bewirkt. Die Induktanz und Resistanz des Nutzkreises sind in der Regel vorgegebene Grossen, und die Nennwerte des Kondensators C und der Hilfsresistanz muss deshalb unter Berücksichtigung dieser Grossen gewählt werden. Die Belastungs-Impedanz kann selbstverständlich auch aus einem dhmschen WiderstandThus, the auxiliary thyristor T is cleared in the timing h 2, it is necessary to dimension the circuit elements of the tank circuit such that effects the desired reverse voltage across the auxiliary thyristor T 2 during discharging of the capacitor C, the voltage drop by R.sub.2. The inductance and resistance of the useful circuit are usually predetermined values, and the nominal values of the capacitor C and the auxiliary resistance must therefore be selected taking these values into account. The load impedance can of course also be derived from a Dhm resistance
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bestehen^ in diesem Falle muss aber eine Induktanz in den belastenden Nutzkreis eingeschaltet werden, damit die gewünschte LC-Schwingung entstehen kann. Die Kapazitanz des Kondensators wird unter Berücksichtigung einerseits der maximalen Stromstärke durch den Nutzkreis, andererseits der Ausschaltzeit und der Arbeitsspannung des Hauptthyristors bemessen. Dabei wird auch der Mindestwert der Hilfsresistanz fU festgelegt, welche sich ihrerseits für die maximale Arbeitsfrequenz des Kreises bestimmend auswirkt.exist ^ in this case, however, there must be an inductance in the stressful The useful circuit can be switched on so that the desired LC oscillation can arise. The capacitance of the capacitor is taking into account, on the one hand, the maximum current through the useful circuit and, on the other hand, the switch-off time and the working voltage of the main thyristor. The Minimum value of the auxiliary resistance fU established, which in turn has a determining effect on the maximum working frequency of the circuit.
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BAOORlQtMAt,
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