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Verfahren zum Schalten, Stellen oder Regeln einer induictiven Last
im Gleichstromkreis und Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Trfindung betrifft ein Verfahren --um Schalten, Stellen oder Regeln
einer indui"tiven Last im Gleichstromkreis und Anordnungen zur Durchfuhrung des
Verfahrens.
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Das Schalt3ii, Stellen oder Regelii von induktiven Lasten hat
1 seiti jeher besondere SchwierigKeiten bereitet. Wie die umfangreiche Patentliteratur
ausweist, hat es auch nicht an,Jersuchen Fefehl't, diese Schwie.rig-Keiten zu beheben,
ohne dG.f. es lIedoch bisher gelungea ist, dieses 17,roblem so zu daL ein Arbeitexi
mit Halbleiter"r u--,t-A. gewähr13istet werden icail-l-i.
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,NJ#.-7,d v-er alleichstrom aus einem Sevionnen und werderz zur ","ei-P.richtuzig
und Zicnalzung Halbleiter-, 7.&, - - -
baueleme;,.#'#ie
auf der --Basis von C-Tel",aaniur" Oder Silizium verwendet, so Ireten eine
Reihe beso-#iderer Schwierig-4eiten auf, die mit der Tigenert dieser Halbleiter
im ZusammenhanG stehen. Wird an das Schalten, Stellen oder Regeln der indu-zuiven
Last eine besondere tj"esLellt, insbesondere der schnelle Abbau des i-#,iagne-Ufeldes
gefordert, so stehen denn die zum Schutz der Halbleiterbauelemente ergritfenen x#a1#nalimen
eiltßeg>en, die zu einer Verzögerung des leeldabbaues in der induKtiven Last fuhren.
Bei einem Weil der Halbleiterbauelemente mit ZundcharaKteristik ist
es
erforderlidh, daß zum sicheren Zündell ein bestimmter betriebsstrom fließt, wodurch
sich bei angeschlossener induKtiver Last und kurzem Zundimpuls Zündschwierigkeiten
ergeben. Das Sperren der Halbleiteibeuelemente, auch Löschen genannt, macht teilweise
ebenfalls Schwierigkeiten.
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Fs ist bekannt, parallel zur induktiven Last einen ohmscheu Widerstand
zu legen, dadurcn ergibt sich ein dauernder zusätzlicher Stromverbrauch. Der gefährliche-Spannungsanstieg
bei der Abscnaltung wird nur teilweise verhindert und der Abbau des magnetischen
Feldes verzö-L gert. Fe ist auch bekanntl parallelzur induktiven Last ein Ventilt
entgegen der Betriebsetromrichtung gepolt, zu legen, wodurch jedoch eine groj#e
Abschaltver-,bgerunE eintritt, so, daß auch diese Maßnahme für den geschilderten
Zweck ungeeignet ist. Auch die Kombinationg d.h. Reihenschaltung vor. Widerstand
und Ventil parallel zur InduKtivität, XGnn die geschilderten Schwierigkeiten) nicht
beheben, insbesondere Keinen günstigen auf die ?inschaltung und den Feldabbau ausüben.
Fin Beschalten der InduKtivität mit einem Kondensato.-, eine bekannte Maßnahme,
hat ein Anheben der Betriebsspannung zur Folge. Außerdem-ist eine Dämpfung der beim
Abschalten auftretenden erforderlich, wodu----h wieder die-schnelle Aufladung des-i-,ondensators
ve#rhindert wird. Soll ein entladener Kondeusator zur Aufi.Lzx#Iime des Induxtionsstroa.es
Verwenduxig finden, so ist ein gesonderter Schaltvorgaug notig.
Bezüglich
das erwähnten Standes der Technik wird auf
die,deutschen Patentschriften
613 832, go2 4o2, 1 050 912s 1 2o8 348 und die deutschen Auslegeschriften,
1 079 1799 1 o65 46ot 1 071 133, 1 159 0729 1 161 3499 1 164
4791 1 175 3219 1 175 74ol 1 185 2831 1 189 6o8,
1 197 155, 1 Zol 4969 1 2-03 3141 1 210 076 und
1 213 044 verwiesen. Ferner auf die G -Mitteilungen Heft 2%
19669 Seite 119 und 120, 0
A N G -Lieferprogromm
1967/68 -"Halbleiter, Selen-und Siliziumgleichrichter, Thyristoren, Impulagteuergeräte,
Baugruppen"-Seite 3/15 Lastbeschaltung, Seite 10/14 Gleichstromachalter.
Siemene : Schutz von Biliziumgleichrichter gegen Uberspannungen-Verfasser:
Konrad Tome, Tochnisehe Information TS 643 - Seite 31 u.
32.
Siemenn : Schaltkreineystem Simatie N-
Proialiste BI 11,
Bei 19669 Seite 112/24 u. 259
Preialiste Bi 124, Mai 19671 Seite 124/2
u. 3.
Siemenz :.Tbvristoren in-der technischen Anwenduns, Band 1, Stromrichter
mit erzwungener Kommutierung, von Banfred Mayer Erlangen, 19617, mehrere Absätze
und Abbildungen. Nrich Gelder: Der Transistor als Schalter-Telekosmos-Verlag
Stuttgart 1966e Seite 6B969-7o. Heinz Richter: Schaltungsbuch der Tranaistortechnik-Telekoamos-Verlag
Stuttgart 1966, Seite 233.
Klöckner-Moeller Hauptpreialiste
1967, Seite 10 Binder-Magnete + Information 1/66
Vorgänge beim Schalten
von Induktivitäten. Alle bekannten Anordnungen sind auf die Beseitigung
des
einen oder anderen Mangels gerichtet, aber nicht geeignet, alle Probleme
in optimaler Weise zu löseng nämlich den Schutz der Halbleiterbauelemente, den schnellen
Ab-
bau des blegnetfeldes, die schnelle Einschaltungl das
sichere Zünden
und das schnelle Sperren der Halbleiterbauelemente.
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Die Erfindung bezweckt die Beseitigung dieser Mängel und ihr liegt
die Aufgabe zu,Grundag durch#Seeignete Verfahrensachritte den Schutz der Halbleiterbauelente
im Betriebostromkreiag den Abbau der Induktivität in der Last und das schnelle
Einschalten und Sperren der Halbleiterbauelemente mittels einer einzigen Bescheltungegruppe
zu verwirklichen. Ferner geeignete Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens zu
finden und außerdem diese Anordnungen mit Halbleitern mit Zündcherakteristik zu
geeigneten Schalt-und/oder Reßelorgenen zu vereinigen.
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Für den Fall, daß der Gleichstrom zum Betrieb der induk-0
,
tiven Last aus einem Wechselstromnetz gewonnen-wird, so daß sich eine pulsierende
Gleichspannung ergibt# ist bereits votgeschlagen worden, zur Schaltung'ain Verfahren
anzuwenden, welches darin besteht, daß während des Anstieges jeder Halbwolle
eine xapazität pa-
rallel zur Last aut einen (keilwert der Beiriebsspannung
Ubär
einen Widerstand und ein erstes Halbleiterventil aufgeladen wird, das anschließend
während des Abialles jeder Halbwelle, die Kapazität uber ein zw'eites Halbleiterventil
und uber die Last entladen wird, und daß bei Abschaltung des-;Stromkreises der InduKtionss-trom
über das zweite Halbleiterventil zur Kapazität geleitet wird, die sich anschließend
über den Widerstand und das erste Halbleitervexitil und die Last entlädt. Dieses
Verfahren ist jedoch nur dort anwendbar, wo der Betrieb der induktiven Last mit-pulsierendem
Gleichstrom durchgeführt wird, und die Spannung sicii immer wieder der Nullinie
nähert. ?s gibt jedoch außer diesen Anlagen eine Reihe Anwendu-ugsfälle, bei denen
entweder Patteriegleichstrom, liaschin en-Gleicilstrom oder auch Gleichstrom aus
einer hiehrpnasenbrückenschaltung zur Anwendung kommt. In diesen Fällen läßt sich
das vorstenend geuannte Verfahren nicht anwenden. '#m auch nier eine einwandfreie
fMoglichkeit das zu haben, wird erfinduagsßeiuäß ein Verfahren vo--gescalat-"en,
weiches dadurch gekennzeichnet ist, daß durch eine sich selbsttätig steuernde koi,..taktlose
Anordnung, während der Betriebseinsclialtung der induKtiver. Last in den parallel
zu dieser Last ein. auf eine geringe Teilspanx...ung der Last auf--eiaden wird,
wobei insbesondere Halbleiter verwendet werden, die digse 1-"3ils.L,an.4uno
begrün.-en, und dal# b ei Abüchaltun- der Tast der indui#tionsstrom mittels
einer niederohpligen L-3-it!xr", auf die Kapazität übertraGen und die Ka pa ität
mittels gi.Yxer hochoxiii.it;en Leitura, entladen wird.
'Tine Scilaltungsanordnung
zur Durchfuhrung des Verfahrens sieht vor, daß zwischen den Zuleitungen zur induKtiven
Last und hinter dem diese Laßt mit der #.;broiaquelle verbindenden ichalt-oder Regelorgan
eine Anordnung bestehend aus einem Kondensator dem BpannungsbeGrenzende bauelemente
parallel Geschaltet sind und dem vor oder nachgeschaltet eine Aritiparallelschaltung
von Ventilen liegt und ein weiteres Bauelement vorgesehen ist, welches den Strom
in Betriebsstromrichtuile, begrenzt. t
Als Bauelement zur i#pannuilgsbegrenzung
wird vorteilhaft aeine Zeuerdiode verwendet. Als Bauelement zur Strombegrenzung
Kann ein Widerstand Verwendung finden.
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Die Schaltungsanorduuug zur Durchführung des Verfahrens wird vorteilhaft
mit dem bchalt-oder Regelorgan für die Verbindung der Last mit der Stromquelle vereinigt,
wobei als Schalt-oder Regelorgane insbesondere Halbleiter mit ZündcharakteristiK
vorgesehen sind. Fur kleinere btromstärken können alle Halbleiter, welche zur Durchiuhrung
des Verfahrens erforderlich sind, in einem Halbleiterbauelement vereinigt werden.
besonders vorteilhaft Icann auch das- Halbleiterbauelement mit Zündcharakteristix
welches zur bciialtung oder RegelunL:, eines Laststronikreises mit einer Anordnung
zur Durchfährung des Verlailrens zusammenarbeitet, zit den Halbleitern dieser bc£ialtungsanordnunß
in einem Bauelement ve reinigt werden. bei miassenbederfsfällen ist ein elektronisches
I#auelea,ent vorteilhaitg in dem alle Hz#ilbleiter eine Kapazität Luid die ,#chalzwiTtel
zur Begreuzung des Auf-und Umladestromes der Kapazität vereinigt sind.
Als Kapazität Kann dabei vorteilhaft ein TantalKondensator vorgesehen.
werden.
Der gesamte Aufbau kann als integrierte Schaltun& ausgeführt sein.
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finzelheiten zur Durchführung
den Verfahrens, insbesondere
die Schaltungeanordnungen werden an Hand von Zeichnungen näher.erläutert.
| Darin zeigt Fig. 1 eine gesamte Scaältungeanordnungl |
| Fig. 2 die Zunammenfeaaung-der Halbleiter, welche zur |
| Durchführung den Verfahren* erforderlich sind. |
| In Zig. 3 sind die Halbleiter zur Durchführung
des Ver- |
| fahrens mit einen Halileiter mit Zündcherakteristik ver- |
| einigte |
| la'Pig. 4 ini eine andere VerJ:ente diesen Aufbauen
wieder- |
| gegeben-, |
| In Pige 5 tat ein kompletten elektronischen Beuelement |
| wiedergegeben. |
| Der ?unktIoneablauf Ist folgendert |
| Die &«Lachte iM.uktivo und chmache Laut *C wird
durch |
| den Schalter *C alt der Otromquelle
+/- verbunden. Paral- |
| lel zur Last uL« liegt eine Reihenschaltung, Kondensator
4, |
| ltilbleiterwentil'l und Widerstand 3. Der Kondensator
4 |
| tat mit einer Zenerdiode 5 überbrückt# zu
den Ventil 1 in |
| ßtronrichtung und dem Widerstand 3 ist ein zweiten
Ventil 2 |
| autigeralltl geachaltet. Dadurch Icann *ich die'Kopezität 4 |
| während der betriebeeinsch:altung der Last in den Gleich- |
| etromkreie, nur auf eine geringe Teilopannung Über den |
| Widerstand 3 aufluden. Diese Teilopannung wird
begrenzt |
| durch Scheitmittel, Insbesondere Halbleiter, dargestellt |
| durch die Zeuerdiode 5. |
| "@tolle der Zenerdiode können auch ein oder mehrere |
| Gleichrichtervontile in Reihe verwendet werde£L* |
Bei Abschaltung der Last "L" durch öffnen des Schalters "Sll fließt
der Induktionastrom über
den Ventil 2 ungehindert auf
den Kondensator
4, so daß der Schalter den Induktionsetrom,nicht zu unterbrechen braucht. Außerdem
wird ein Ansteigen der Induxtionnapannung verhindert,
da, richtige Dimenßionieruag
vorausgesetzt, der Strom der Induktionaspanaung sofort voll vom Kondensator aufgenommen
wird. Der energieinhalt der Induktivität ist alsc> in kürzester Zeit auf die Kopezitit
übergegangen, wobei die Zeit und die Höhe der Induictionnspannung durch des Kopasitätisvolumen
bestimmt wird. Der Endladestrom Aer Kapazität geht über des Ventil
1 und
wird durch
den Widerstand 31begrenzte Der'radladestron der entgegen der Betriebsstromriohtung
über die Induktivität geht; wird zum Abbau
die Rostfelden der Induktivi-.
. tät aungenutzt, Diesen Rentfeld enteprechend
Ire= der Fndladentron
vorbestimmt worden. -Anstelle
die Schaltern
"80 kann auch ein Halbleiter
mit Zündcheratteristik vorgesehen worden, etwa ein Transistor
(6) oder ein
bzw. mehrere Thyrietoren-(
61962). Diese
Halbleiterbauelemente könten die
Aufgaben der Schaltung, Regelung und/oder Gleichrichtung übernehmen. Die Anordnung
noch Fig.
1 hat dabei ferner
den Vorteil#
4
daß der Kondensator
beim Schließen
den Schalter*
5 den geringen Strom, welcher zunächst
Über die Induktivität fließtg verstärkt, so daß der Haltentrom'der Hälbleiter mit
Zündcherakteristik auch bei kurzen Zündiapuleen erreicht wird* Beim Löschen der
Halbleiter wirkt sich der geringe Rückwärtastrom gunstig auf da't 8#erren aus.
Die
Schaltfolge einer solchen Anordnung kann besonders hoch gewählt werden und ist praktisch
nicht begrenzt, da mit-steigender Schalthäuiigkeit der Energieinhalt der Induktivität
immer kleiner wird, sich also bei Abschaltung eine kürzere Auf-und Umladungszeit
für den Kondensator ergibt.
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Durch entsprechende Dimensionierung kann erreicht werdeng daß die
Zeit für den Feldabbau weaentlich unter der Zeit fÜr den Feldaufbau liegt. Fin wesentlicher
Vorteil gegenüber der bisher verwandten Beschaltungstechnik. Da die Schaltung keine
erhohte Induxtionespannung zuläßt, entstehen auch keine Störspannurigen. Somit werden
lunxstörungen und StÖrungen in Halbleiterschaltungen vermieden. Letzteres ist besonders
bei-umfangreichen logischen Schaltxreieen und in der ueistungselektronik von besonderer
Bedeutung.
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Der rasche Foldabbau in der-Induktivität ermÖglicht es, Magnetgeräte
in Verbindung mit kontaKtlosen Steuerungen wesentlich schneller als bisher
zu betreiben. Bei der bisher erforderlichen Beschaltungstechnik.konnte kein Zeitgewinn
gegenüber kontaktbehafteter Ilechnik erreicht werden. in den Fis. 2 bis
5 Sind Scaaltung-en fär die vorteilhafte Vereinigung von Bauelementen wiedergegeben*
Welche Zusammenfassung gewählt wird, hängt von der Stromstärke und von der zu erzielenden
Losgröße bei gleicher Aufgabenstellung ab. Der mit 6 bezeichnete Transistor
kann auch durch einen Thyristor ersetzt werden, dessen Zündkrein entsprechend
den ßchaltungserforderniesen gewählt wird.
In Fig. 4 sind
mit 61 und 62 Whyristoren bezeichnet, welche eine MittelpunKt-Gleichrichterschaltung
bilden. Statt zwei, können auch drei oder mehr lilhyristoren für eine Wehrphasen-Gleicurichterschaltung
vorgesehen werden.