DE19515278C1 - In der Stromamplitude steuerbare und pulsbare Konstantstrom-Quelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine in der Stromamplitude steuerbare und pulsbare Konstantstrom-Quelle.

Die Konstantstrom-Quelle dient in Verbindung mit einem Netzge­ rät der Erzeugung von Stromimpulsen, die in ihrer Dauer und Amplitude eingestellt werden können.

In Beschleunigeranlagen werden solche steuer- und pulsbaren Konstantstrom-Quellen in Verbindung mit einem Hochspannungs­ netzgerät zum Betreiben von Penning-Quellen benützt. Zum Be­ trieb solcher Quellen sind Konstantstrom-Impulse bei unter­ schiedlichem Betriebszustand der Penning-Quelle notwendig.

Ein elektronischer Hochspannungsschalter mit kurzer Schaltzeit für das Ein- und Ausschalten wird in der DE 42 40 647 C1 be­ schrieben. Der Schalter besteht aus einer geradzahligen An­ zahl, mindestens jedoch einem Paar kaskadierter Schalt­ strecken, die über einen Ringkerntransformator pro Schalt­ streckenpaar angesteuert werden.

Die Primärwicklung ist eine durch die Ringkerne gefädelte Stromschleife. Jeder Ringkern hat vier Sekundärwicklungen, wo­ von zwei für das Steuern der beiden Schaltstrecken in den lei­ tenden und die andern zwei für das Steuern in den sperrenden Zustand vorgesehen sind. Die Zustandsänderung der Schalt­ strecke erfolgt mit dem ersten Stromimpuls durch die Strom­ schleife, der eine andere Polarität als der vorangehende hat. Der Zustand wird gehalten durch Folgeimpulse gleicher Polari­ tät. Stets wird die auf Null zurückgehende Flanke der Strom­ pulse ausgenützt, die von Null weggehende Flanke wird in der Schaltstreckenansteuerung mit schaltungstechnischen Mitteln unwirksam gemacht. Schalt- und Steuerstrecken sind durch Schutzelemente vor Überspannung geschützt.

Dieser elektronische Hochspannungsschalter ist ein reiner Schalter, der nur zwei definierte Zustände einnehmen kann. Es kann mit ihm daher keine Stromamplitude gesteuert werden. Die kürzeste Dauer, in der der Schalter in einem der beiden Zu­ stände verharren kann, ist von der Impulsfolgefrequenz des Strompulses in der Stromschleife bestimmt und diese muß an die Schalteigenschaften des Transistors angepaßt sein, weil in der Ansteuerung kein Stützkondensator vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gepulste Hoch­ spannungs-Konstantstrom-Quelle bekannter Leistungsfähigkeit bereitzustellen, mit der Konstantstrom-Impulse definierter An­ stiegs- und Abfallzeit bereitgestellt werden können, und die in ihrer Stromamplitude steuerbar ist. Ein solches Gerät soll darüber hinaus wenig Raum einnehmen und kostengünstig herge­ stellt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Die Konstantstrom-Impulse können in ihrer Dauer von der gerä­ tetypisch kürzest möglichen Dauer bis hin zum reinen Gleichstrombetrieb eingestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll im folgenden näher anhand der einzigen Figur in der Zeichnung beschrieben werden.

Die Konstantstrom-Quelle 4 besteht aus zwei hinsichtlich ihrer Durchlaßrichtung gleichsinnig kaskadierten elementaren Quellen 5. Die elementaren Quelle 5 sind aus Bipolar-Transistoren auf­ gebaut. Jede besteht im Ausführungsbeispiel aus dem Feld­ effekt-Transistor 1, dem zu diesem in Reihe geschalteten Gegenkopplungswiderstand 6 und den diese Reihenschaltung überbrückenden, spannungsabhängigen Widerstand 7, dem Zink­ oxid-Varistor, der je nach Potentialdifferenz an ihm ein Teil des Stromes durch den Hauptstromkreis 2 übernimmt. Er wirkt als Strombypass, und zwar um so mehr, je höher die an ihm ab­ fallende Spannung ist. Die Quelle 5 kann aber auch, wie in An­ spruch 2 gekennzeichnet, aus einem andern Transistortyp aufge­ baut werden.

Das allerdings hat Einfluß auf den Feldeffekt-Transistor 1 und den zu ihm in Reihe liegenden Gegenkopplungswiderstand 6. Bei größer werdender Spannung entlang der Reihenschaltung aus Transistor 1 und Gegenkopplungswiderstand 6 wird der Transi­ stor 1 durch die Wirkung des Gegenkopplungswiderstands 6 in seinem Leitverhalten besser, so daß der Bypass-Strom nicht un­ beschränkt ansteigen kann und sich die vorgesehen optimale Stromverteilung automatisch einstellt. Versuche haben ergeben, daß der Bypass-Strom mit bis zu 25% des Stromes im Haupt­ stromkreis optimal ist. Dementsprechend wurde der geeignete Zinkoxid-Varistor 7 eingesetzt. Bei entsprechend niedrigem Spannungsabfall wird die Stromaufteilung des Hauptstromes durch die elementare Quelle 5 entgegengesetzte Tendenz haben, so daß damit ein Regelmechanismus zur Stromselbstaufteilung des Hochspannungsimpulses besteht.

Der Kondensator 8 dient im Fall von mindestens zwei kaskadier­ ten Quellen 5 zur kapazitiven Symmetrierung und zum Eliminie­ ren von Schaltspitzen an den Impuls-Flanken des Hochspannungs­ impulses.

Das Überführen des Feldeffekt-Transistors 1 in den leitenden bzw. sperrenden Zustand wird mit der Ansteuerung 9, die an je­ dem dieser Feldeffekt-Transistoren 1 der Konstantstrom-Quelle 4 vorhanden ist, bewirkt.

Beim Überführen des Feldeffekt-Transistors 1 in den leitenden Zustand wird der Optokoppler 10 kontinuierlich oder mit einer Impulsfolge über den Amplituden-Modulator 14, 15, 20, 10 an­ gesteuert. Der Optokoppler 10 bildet mit dem Widerstand 11 einen gesteuerten Spannungsteiler. Der Strom durch diesen Spannungsteiler wird von der Spannungsquelle 12 erzeugt. Der Spannungsabfall am Widerstand 11 des Spannungsteilers bestimmt den Grad der Leitfähigkeit des Feldeffekt-Transistors 1.

Im Ausführungsbeispiel werden die Eingänge der beiden Opto­ koppler 10 parallel über den Verstärker 15 und den Transistor 20 angesteuert. Eine serielle Ansteuerung ist bei entsprechen­ der Dimensionierung der Spannungsquelle unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls an den dann seriell liegenden Photodioden am Eingang des Optokopplers 10 ebenfalls möglich.

Die Spannungsquelle 12 besteht aus dem Ringkern-Übertrager 3, an dessen Sekundärwicklung eine Diode 21 und ein Kondensator 22 angeschlossen sind. Die Spannung über dem Kondensator 22 wird über eine spannungsbegrenzende Zener-Diode 23 festgelegt. Die Aufladung des Kondensators 22 erfolgt gepulst über eine Impuls-Folge durch die Stromschleife 13, die einmal durch den Ringkern gefädelt ist und so die Primärwicklung des nieder­ impedanten Ringkern-Übertragers bildet, der als Differenzier­ transformator arbeitet. Die Stromimpulse in einem Anwendungs­ fall haben eine Amplitude von 1-2A und eine Folgefrequenz von etwa 150 kHz. Die kleinste einstellbare Impulsdauer beträgt ei­ nige Mikrosekunden. Das Aufladen des Kondensators 22 geschieht beim Abschalten des Stromes mit der im Ringkern-Transformator differenzierten Rückflanke der Impulse, also mit der magneti­ schen Energie im Ringkern. Ein solches Verfahren liefert eine weitgehend von der Anzahl der Ringkerne unabhängige konstante Ausgangsspannung und Ausgangsleistung.

Die Einstellung des Grades der Leitfähigkeit des Transistors 1 wird von dem Potentiometer 14 aus gesteuert, das kontinuierlich zwischen 0 und 10 V einstellbar ist und mit dem Verstärker 15, dem Transistor 20, dem Optokoppler 10 und dem Widerstand 11 einen Amplituden-Modulator bildet. Über den als Impedanzwand­ ler arbeitenden Verstärker 15 und dem Transistor 20 in Emit­ terfolgerschaltung wird der angeschlossene Optokoppler 10 ent­ sprechend aufgesteuert. Der Ausgang des Optokopplers 10 bildet mit dem Widerstand 11 einen steuerbaren Spannungsteiler, der wiederum die Leitfähigkeit des zugeordneten Transistors 1 be­ stimmt.

Je nach Ansteuerung des Pulseingangs 18 kann Puls- oder Dauer­ strich-Betrieb eingestellt werden. Bei Pulsbetrieb wird der gesteuerte Spannungsteiler 10, 11 über den Transistor 19 ge­ pulst und über den Amplitudenmodulator 14, 15, 20, 10 in der Amplitude gesteuert. Es ist darüber hinaus auch möglich, an­ stelle des Potentiometers 14 eine Gleichspannung mit überla­ gerter Wechselspannung anzulegen.

Der Aufbau der Konstantstrom-Quelle gewährt eine zuverlässige galvanische Entkopplung unter Hochspannung stehender Schal­ tungsteile von der Bediener-Peripherie. Das gilt in gleichem Maße für die Stromschleife 13 durch den oder die Ringkern- Übertrager 3, je nach dem wieviel elementare Quellen 5 auf­ grund der zu beherrschenden Spannung kaskadiert werden müssen. Ein Übersprechen zwischen den Quellen wird selbst bei hohem Kaskadierungsgrad nicht beobachtet. Es besteht somit ein Ent­ kopplung hoher Güte zwischen den elementaren Quellen 5.

Bezugszeichenliste

1 Transistor, Feldeffekt-Transistor (FET), Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), Bipolar-Transistor
2 Hauptstromkreis
3 Strom-Spannungs-Wandler, Ringkern-Übertrager
4 Konstantstrom-Quelle
5 elementare Quelle
6 Widerstand, Gegenkopplungswiderstand
7 spannungsabhängiger Widerstand
8 Kondensator
9 Ansteuerung
10 Optokoppler
11 Widerstand
12 Spannungsquelle
13 Stromschleife
14 Potentiometer
15 Verstärker
16 Pulsgenerator
17 Überspannungsschutzelement
18 Eingang "Ein/Aus", Pulseingang
19 Transistorschaltung
20 Transistor
21 Diode
22 Kondensator
23 Zener-Diode

Claims (9)

1. In der Stromamplitude steuerbare und pulsbare Konstant­ stromquelle, wobei

• a) die Konstantstrom-Quelle (4) aus mindestens einer ele­ mentaren Quelle (5), ansonsten in Reihe geschalteten elementaren Quellen (5) aufgebaut ist, wobei eine solche elementare Quelle (5) einen Transistor (1) als steuer­ baren Widerstand und einen zu ihm in Reihe geschalteten Gegenkopplungswiderstand (6) und einen zu diesen Bautei­ len (1, 6) parallel liegenden spannungsabhängigen Wider­ stand (7) aufweist,
• b) ein Optokoppler (10) Bestandteil der Ansteuerung (9) für den Transistor (1) ist, über dessen Ausgangsseite eine Spannungsquelle (12) der Reihenschaltung von Steuer­ strecke G-S des Transistors (1) und Gegenkopplungswider­ stand (6) parallel geschaltet ist, wobei dieser Reihen­ schaltung außerdem ein weiterer Widerstand (11) parallel geschaltet ist, der seinerseits gemeinsam mit der Aus­ gangsseite des Optokopplers (10) einen steuerbaren Span­ nungsteiler bildet,
• c) die Spannungsquelle (12) einen Ringkern-Übertrager (3) aufweist, an dessen Sekundärwicklung über eine Diode (21) ein Kondensator (22) angeschlossen ist, dem seiner­ seits ein spannungsbegrenzendes Bauelement (23) parallel geschaltet ist, und eine an einen Pulsgenerator (16) an­ geschlossene Stromschleife (13) als Primärwicklung durch den Ringkern des Ringkern-Übertragers (3) gefädelt ist,
• d) über die Eingangsseite des Optokopplers (10) die Kon­ stantstrom-Quelle (4) sowohl kontinuierlich oder gepulst (mittels 19) als auch mittels eines Amplitudenmodulators (14, 15, 20, 10) stromamplitudengesteuert betreibbar ist.

2. Konstantstrom-Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (1) der elementaren Quelle (5) ein Bipolar- Transistor oder ein Feldeffekt-Transistor oder ein Insula­ ted-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) ist.

3. Konstantstrom-Quelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu jedem spannungsabhängigen Widerstand (7) ein weiterer Kondensator (8) geschaltet ist.

4. Konstantstrom-Quelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Widerstand (7) ein Zinkoxid-Varistor ist.

5. Konstantstrom-Quelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Steuerstrecke G-S des Transistors (1) ein Überspannungsschutzelement (17) geschaltet ist.

6. Konstantstrom-Quelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das spannungsbegrenzende Bauelement (23) in der Spannungs­ quelle (12) eine Zener-Diode ist.

7. Konstantstrom-Quelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschleife (13) gegen den Ringkern (3) oder die Ringkerne (3) hochspannungsisoliert ist.

8. Konstantstrom-Quelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern-Übertrager (3) als Differenziertransformator arbeitet.

9. Konstantstrom-Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens zwei kaskadierten elementaren Quellen (5) die zugehörigen Optokoppler (10) parallel oder seriell an­ gesteuert werden.