DE1810646B2 - Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine niedrigere Gleichspannung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine niedrigere Gleichspannung mittels eines periodisch ein- und ausschaltbaren Schalters, der zusammen mit einer mit ihm in Reihe geschalteten Drossel in Reihenschaltung mit dem Gleichspannungseingang und der Last liegt, und einer parallel zur Reihenschaltung aus der Drossel und der Last liegenden Freilaufdiode.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist bei einem Gleichstrommotorantrieb zur Anpassung der drehzahlveränderlichen Ankerspannung an die Betriebsspannung bekannt (DT-Zeitschrift »Elektronik«, 1959, Nr. 6, S. 179 bis 181). Dabei zeigt sich, daß kieine Mittelwerte des Laststroms nur mit Stromimpulsen großer Stromzeitflächen und niederer Frequenz, d. h. mit einer prozentual großen Stromwelligkeit realisiert werden können, was beim Betrieb mancher Verbrauchergeräte, wie z. B. Lampen, störend ist.

Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, bei Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art für eine geringe Stromoberwelligkeit im Bereich kleiner Lastströme zu sorgen. Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß die Drossel eine knick.förmige Magnetisierungskurve derart aufweist, daß bei vollem Laststrom der Arbeitsbereich im geknickten Teil der Magnetisierungskurve liegt. Eine Laständerung kann während des Betriebes zweckmäßigerweise dadurch berücksichtigt werder, daß der Schalter zur Steuerung der Impulsfolge oder der Spannungszeitfläche der vom Schalter erzeugten Impulse in Abhängigkeit vom Laststrom gesteuert ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 die Grundschaltung,

F i g. 2 eine Ausführung der Drossel (Aufriß), F i g. 2a den Grundriß der Drossel,

Fig.3 die Magnetisierungskurve der Drossel für zwei Belastungsfälle,

F i g. 4,5 und 6 verschiedene Ausführungen des in der Schaltungsanordnung vorgesehenen Schalters,

Fig.7, 8 und 9 Schaltungen mit Schutz gegen Spannungsüberhöhungen.

Die mittels eines periodisch ein- und ausgeschalteten Schalters aus einer Gleichspannungsquelle erzeugten Impulse bewirken eine Aufmagnetisierung der Drossel Lin Fig. 1,deren Fluß 0 dabei ansteigt. Ein schwacher Mindestimpuls, z. B. mit 03 Vsec Spannungszeitfläche, schiebt den Arbeitspunkt auf der durch eine Isthmuseinlage im Luftspalt der Drossel (Fig.2) kn.ckförmig gestalteten Magnetisierungskurve (F1 g. 3) von Null bis an den Knick ohne dabei einen nennenswerten Strom zu erzeugen (Kurve a in F i g. 3). Die Drossel ( F₁ g. 2) besteht aus zwei Spulen (5p 1 und 5p 2) und aus gewickelten Bändern verschiedener Breite {B1 und B 2), die um einen Luftspalt zu erzeugen, aufgeschnitten sind und eine Isthmuseinlage /faufweisen. In der Impulspause wird die Drossel L abmagnetisiert, wobei sich der Stromkreis über den Verbraucher B und die nun ieitfähige Freilaufdiode D schließt. Es ergibt sich z. B. bei einer Gegenspannung von 30 Voll, wenn zur Abmagnetisierung der Drossel L eine Zeit von 0,01 Sekunden gebracht wird: 30 V - 0,01 see = 03 Vsec, d. h.die oben ausgeführte Spannungszeitfläche des Mindestimpulses. Bei Vollaussteuerung schiebt sich der Arbeitsbereich zur Gänze über den Isthmusknick der magnetischen Kennlinie in Richtung Sättigung (Kurve b in Fig.3). Bei der in Fig.2 dargestellten Drossel ergibt sich bei Vollast eine Stromwelligkeit von etwa 25%. Durch die Gestaltung der Isthmuseinlage (IE) ist es möglich, einen stetigen Übergang in der Neigung der magnetischen Kennlinie zu erzielen. Durch den sich ändernden Anstieg der magnetischen Kennlinie ist es möglich, zu verhindern, daß ein kleiner Strommittelwert mit Stromimpulsen großer Stromzeitfläche und niederer Frequenz erreicht werden muß. (Es würde z. B. ein Flimmern von Lampen auftreten). Die Erfindung ergibt bei kleinen Strommittelwerten eine höhere Frequenz, als sie ohne die erfindungsgemäß ausgebildete Drossel erforderlich wäre, und damit eine geringere Stromoberwelligkeit im Bereich kleiner Lastströme. Im Bereich des Laststromes ist der Anstieg der Magnetisierungskurve geringer, die auftretenden Stromschwankungen wirken sich aber wegen des größeren Gesamtstromes prozentual geringer aus.

Der Schalter kann z. B. aus einer Anordnung von Transistoren 7"(z. B. Fig.4) oder löschbaren Thyristoren bestehen. Wird, was bei größeren Leistungen empfehlenswert ist, als Schalter ein nicht direkt, d. h. durch Beeinflussung einer Steuerelektrode, löschbarer Thyristor verwendet, so wird in bekannter Weise eine Ergänzung zur Zwangslöschung vorgesehen, wie das z. B. beim Gleichstromsteller gemäß F i g. 5 der Fall ist, der als Gieichstromumrichter mit Frequenz- und/oder Pulsdauerbeeinflussung anzusprechen ist. Bei diesem Gleichstromsteller wird zunächst der Löschthyristor 77? 2 gezündet, so daß sich der Kondensator C über den Verbraucher B auf die Batteriespannung auflädt. Wenn der Ladevorgang beendet ist, geht der Thyristor Th 2 infolge Unterschreitens des Haltestromes wieder in den gesperrten Zustand. Wird der Hauptthyristor Th 1 gezündet, so treibt die Batteriespannung einen Strom über den Verbraucher B. Gleichzeitig mit dem Hauptthyristor Th 1 zündet der Hilfsthyristor Th 3, und der Kondensator C lädt sich über die Thyristoren Th 1 und Th 3 und die Induktivität L 1 um. Soll nach einiger Zeit der Strom im Hauptthyristor Th 1 unterbrochen werden, so wird der Löschthyristor Th 2 gezündet. Dadurch legt sich die Kondensatorspannung als negative Anoden-Kathodenspannung an den Hauptthyristor Th 1. Ist die Zeit, während der die Spannung am Hauptthyristor Th 1 negativ ist, ausreichend lang, so gewinnt er seine positive Sperrfähigkeit wieder. Während der Sperrzeit des Hauptthyristors Th 1 kann der Laststrom /über die Freilaufdiode Dweiterfließen. Wenn man die Zündzeitpunkte des Thyristors Th 1 gegenüber denen des Thyristors Th 2 zeitlich verschiebt,

so ändert sich die Spannungszeitfläche der Impulse. Die Drossel L 2 und die Diode D1 gewährleisten ein Sicheres Arbeiten der Schaltung in bezug auf die Löschung des Hauptthyristors Th 1.

Statt die Impulse direkt darch einen Schalter (Löschthyristor) zu beenden, kann hierzu ein Schwingvorgang verwendet werden, der beim Einschalten der Impulse jeweils ausgelöst wird. In der Schaltung F i g. 6 wächst nach Zündung des Thyristors Th 4 der Strom ober die Drossel L 4 zunächst linear auf den Laststrom / "o an. Anschließend führen die Drossel L 4 und der Speicherkondensator C eine Viertelschwingung aus, während welcher die Spannung am Speicherkondensator C cosinusartig auf Null sinkt. Der Strom über die Drossel L 4 steigt dabei auf einen den Laststrom / wesentlich übersteigenden Maximalwert an. Entsprechend steigt die Spannung an der Freilaufdiode D nach anfänglichem Verharren auf Null bis auf die Spannung der Gleichspannungsquelle an. Weiterhin gibt die Drossel L 4 ihre Energie bei sinkendem Strom gleicher Richtung an den sich jetzt umpolenden Speicherkondensator Cab, jedoch nur teilweise, da die Diode D2 leitend wird und die Drossel L 3 Strom zu führen beginnt. Der Strom über die Drossel L 3 ist wegen L3 > LA wesentlich geringer als der Strom über die Drossel L 4. Bei diesem Vorgang schwingt die Spannung an der Freilaufdiode D über die Spannung U an der Gleichstromquelle hinaus bis ungefähr gegen die doppelte Spannung der Gleichstromquelle. Wenn der Strom über die Drossel L 4 Null geworden ist, liegt die Spannung des Speicherkondensators Cim Sperrsinn am Thyristor Th 4. Der Speicherkondensator C wird nun durch den Strom über die Drossel L 3 und den Laststrom / umgeladen, und zwar nach einem Ausschnitt einer Sinuskurve. Die Spannung am Speicherkondensator Csinkt weiter ab, die Freilaufdiode D wird wieder leitend. Eine kurze Zeitspanne leitet auch noch die Diode D 2, wobei jetzt die Spannung an der Drossel L 3 ansteht und der Strom über die Drossel zeitlinear auf Null sinkt. Solche Anordnungen haben günstige Ventilbeanspruchungen insbesondere bei Störungen der Steuerung oder Stromversorgung, so daß sie sehr betriebssicher arbeiten.

Weiter kann ein Schutz der Belastung gegen Spannungserhöhungen nach Lastreduktion oder Lastunterbrechung zufolge der Tendenz der Siebdrossel, den Strom bei Widerstandsänderungen zunächst aufrechterhalten, vorgesehen werden. Ein entsprechend bemessener, zur Last D paralleler spannungsabhängiger Widerstand in Form eines S/C-Überspannungsableiters L/(Fig.7) oder von Zenerdioden oder gewöhnlichen Halbleiterdioden mit Gegenspannung oder im Sperrdurchbruch arbeitend kann die Lastspannung auf ein vorbestimmtes Höchstmaß beschränken. Statt dessen kann die Überspannung auch verhindert werden durch einen Quertransistor Tr{ F i g. 8), dessen Basisspannung durch eine Zenerdiode Z stabilisiert ist und durch welchen bei plötzlicher Entlastung ein Hilfswiderstand R die Last B ersetzt. Weiter kann die Überspannung auch verhindert werden durch einen Querlhyristor Th (Fig.9) mit oder ohne Begrenzungswiderstand mi¹ einer Steuerung S durch Lastüberspannung und einem RC-G\ied R, Cund Kurzschlußbehebung durch Gittersperrung. Bei dieser Schaltung wird die Lastseite bei geeigneter Beeinflussung der Steuer- bzw. Zündelektrode mehr oder weniger kurzgeschlossen, bis durch Eingreifen eines Reglers die Sollspannung wiederhergestellt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch: ^^

   Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine niedrigere Gleichspannung mittels eines periodisch ein- und ausschaltbaren Schalters, der zusammen mit einer mit ihm in Reihe geschalteten Drossel in Reihenschaltung mit dem Gleichspannungseingang und der Last liegt, und einer parallel zur Reihenschaltung aus der Drossel und der Last liegenden Freilaufdiode, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel eine knickförmige Magnetisierungskurve derart aufweist, daß bei vollem Laststrom der Arbeitsbereich im geknickten Teil der Magnetisierungskurve liegt.