DE2138272B2 - Schaltungsanordnung zur elektronischen Kommutierung - Google Patents

Description

auf einem relativ konstanten, das Anlegen der Abschaltspannung für den Schalter nicht behindernden i-Jiveau gehalten werden kann und die Schaltungsanordnung auf einfache Weise, z. B. durch Bemessung eines Widerstandes oder des Windungsverhältnisses eines Transformators, an die jeweilige Bstriebsfrequenz angepaßt werden kann, die teilweise die Energiespeicherung in der Spule beeinflußt Das Prinzip der hier beschriebenen Schaltungsanordnung ist jedoch unabhängig von der Frequenz. ι ο

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform der Schaltungsanordnung, bei der die in der SpuU gespeicherte Kommutationsenergie durch Vernichtung von Überschußenergie in einem Widerstand annähernd konstant auf dem erforderlichen Mindestwert gehalten wird;

Fig.2 eine abgewandelte Ausführungsform, wobei anstelle des Widerstandes in Fig. 1 eine angezapfte Spule in Verbindung mit einer Diode für die Vernichtung der in der Spule gespeicherten überschüssigen Kommutationsenergie verwendet wird;

Fig.3 eine andere abgewandelte Ausführungsform, wobei anstelle des Widerstandes in F i g. 1 ein bestimmtes (änderbares) Windungsverhältnis eines Transformators für die Vernichtung der gespeicherten überschüssigen Kommutationsenergie gewählt wird;

Fig.4 eine Ausführungsform der Schaltungsanordnung, bei der die während des Komniutationsintervalls gespeicherte überschüssige Energie vernichtet und außerdem die Entnahme von Strom aus der Gleichspannungsquelle während des Kommutationsintervails vermieden wird;

Fig.5 eine abgewandelte Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach Fig.4, wobei ein geschlossener Stromkreis für die Rückgewinnung überschüssiger gespeicherter Kommutationsenergie vorgesehen ist;

Fig.6 eine andere abgewandelte Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach Fig.4, wobei ein geschlossener Stromkreis vorgesehen ist, der die Aufspeicherung von Energie in der Spule während des Kommutationsintervails verhindert;

F i g. 7 eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach Fig.4, wobei ein Transformator vorgesehen ist, der die in seiner Primärwicklung gespeicherte Kommutationsenergie außer während des Kommutationsintervails ständig zu der Gleichspannungsquelle zurückleitet, um die Speicherung überschüssiger Energie in der Primärwicklung zu vermeiden;

Fig.8 eine Darstellung des Stromverlaufs in der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 bei Verwendung eines induktiven Verbrauchers; und

F i g. 9 eine graphische Darstellung der Betriebsspannungen in der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 bei Verwendung eines induktiven Verbrauchers.

F i g. 1 zeigt eine Schaltanordnung 20 zum Ein- und Ausschalten eines Schalters 21 wobei die Stromleitung des Schalters so gesteuert wird, daß eine pulsierende Spannung für einen Verbraucher 22 erzeugt wird. Die Schaltanordnung 20 enthält einen Schalter 21, der ein gesteuerter Siliciumgleichrichter, ein Thyratron, eine Quecksilberdampfröhre oder dergl. sein kann. Im vorliegenden Fall ist der Schalter 211 ein gesteuerter Siliciumgleichrichter mit Anode 21a und Kathode 21c. An die Kathode 21c ist der Verbraucher 22, der mit seinem anderen Ende an Masse liegt, angeschlossen.

Parallel zum Verbraucher 22 liegt eine Anklammerungsdiode23.

An die Anode 21a des gesteuerten Siiiciumgleichrichters bzw. Schalters 21 ist die Reihenschaltung eines Blindwiderstandselementes in Form einer Spule 24 und eines Widerstandes 25 angeschlossen. Das andere Ende der Spule 24 ist an den positiven Pol einer geeigneten Gleichspannungsquelle 26 angeschlossea Der negative Pci der Gleichspannungsquelle 26 liegt an Masse. Mit der Spule 24 und dem Widerstand 25 ist eine Anklammerungsdiode 27 parallel geschaltet

Außerdem ist an die Anode 21a die Reihenschaltung eines gesteuerten Siliciumgleichrichters 28 und eines Kondensators 29 angeschlossen. Parallel zum Kondensator 29 liegt die Reihenschaltung eines gesteuerten Siliciiüngleichrichters 30 und einer Spule 31. Die andere Seite des Kondensators 29 liegt an Masse.

Eine schnelle Anstiegszeit der Verbraucherspannung wird dadurch erreicht, daß dafür gesorgt wird, daß der Schalter 21 unter Verhältnissen leitet, bei denen der Verbraucherstrom den in der Spule 24, im Widerstand 25 und in der Diode 27 »freilaufenden« Strom nicht übersteigt. Wenn der Schalter 21 eingeschaltet ist, fließt ein Strom von Masse über die Gleichspannungsquelle 26, die Spule 24, den Widerstand 25, den Schalter 21 und den Verbraucher 22 zurück nach Masse.

Während der Schalter 21 leitet, ist der gesteuerte Siliciumgleichrichter 28 gesperrt. Der gesteuerte Siliciumgleichrichter 28 isoliert den Kondensator 29 vom Schalter 21 während des Intervalls, wo der Schalter 21 leitet.

Eine schnelle Abfallzeit der Verbraucherspannung wird dadurch erreicht, daß die Anode 21a des Schalters 21 negativ gegenüber Masse gesteuert und ein sofortiger niederohmiger Nebenschlußweg für den Strom von der Gleichspannungsquelle 26 hergestellt wird, so daß die Gleichspannungsquelle 26 vom Schalter 21 und folglich vom Verbraucher 22 isoliert wird. Zu diesem Zweck ist eine den Schalter abschaltende Löschschaltung mit dem gesteuerten Siliciumgleichrichter 28 und dem Kondensator 29 an die Anode 21a des Schalters 21 sowie an die Reihenschaltung der Spule 24 und des Widerstandes 25 angeschlossen. Die Spule 24 und der Widerstand 25 schalten die Gleichspannungsquelle 26 in Reihe mit der Anode 21a des Schalters 21.

Der gesteuerte Siliciumgleichrichter 28 leitet, und der Kondensator 29 lädt sich zuvor auf eine vorbestimmte negative Spannung auf, so daß der Schalter 21 abgeschaltet wird. Das Kommutationsintervall (Umpolungsintervall) fällt in die Zeit, während der Schalter 21 abgeschaltet ist. Wenn der gesteuerte Siliciumgleichrichter 28 leitet, gelangt die negative Spannung des Kondensators 29 zur Anode 21a des Schalters 21, wodurch an der Spule 24 eine Spannung von entgegengesetzter Polarität wie die Spannung der Gleichspannungsquelle 26 induziert -wird. Dadurch wird die effektive positive Spannung, die zur Anode 21a des Schalters 21 gelangt, verringert, so daß der Schalter 21 abgeschaltet wird. Ein solches magnetisches Bauelement sollte jedoch nicht verhindern, daß die positive Spannung der Gleichspannungsquelle 26 zur Anode 21a des Schalters 21 gelangt, wenn dieser eingeschaltet werden soll, weil in diesem Fall die schnelle Anstiegszeit der Verbraucherspannung nicht zustande käme. Die Anstiegszeit ist als die Zeit vom Zeitpunkt des Einsetzens der Stromleitung im Schalter 21 bis zum Zeitpunkt, wo die Verbraucherspannung 90% ihres endgültigen oder Nennwertes erreicht, definiert.

Gleichzeitig mit der Zuleitung der negativen Spannung des Kondensators 29 zur Anode 21a des Schalters 21 bilden der steuerbare Siliciumgleichrichter 28 und der Kondensator 29 einen niederohmigen Nebenschlußweg für die Gleichspannungsquelle 26, durch den diese vom Schalter 21 und damit vom Verbraucher 22 isoliert wird. Und zwar verläuft dieser Weg von Masse über die Gleichspannungsquelle 26, die Spule 24, den Widerstand 25, den steuerbaren Siliciumgleichrichter 28 und den Kondensator 29 zurück nach Masse.

Wenn zur Anode 21a des Schalters 21 eine negative Spannung vom Kondensator 29 gelangt, wird die Spannung an der Kathode 21c des Schalters 21 negativ, da der Verbraucher 22 den Schalterstrom konstant zu halten versucht. Dies geschieht bei Verwendung eines induktiven Verbrauchers, was für den Betrieb nicht erforderlich ist. Jedoch hält die Anklammerungsdiode 23 die negative Spannung an der Kathode 21c des Schalters 21 konstant. Der Verbraucherstrom fließt dann durch den Verbraucher 22 in einem geschlossenen Stromkreis über die Diode 23.

Während der steuerbare Siliciumgleichrichter 28 leitet, lädt sich der Kondensator 29 positiv auf, bis seine Spannung ungefähr gleich der Spannung der Gleichspannungsquelle 26 ist. Der durch die Spule 24 fließende ftrom ist bestrebt, den Kondensator 29 auf eine positive Spannung aufzuladen; jedoch hält die Anklammerungsdiode 27 die positive Spannung des Kondensators 29 auf ungefähr der Spannung der Gleichspannungsquelle 26. Der durch die Spule 24 und den Widerstand 25 fließende Strom fließt jetzt durch die Diode 27. Wenn der Strom in der Diode 27 gleich dem Strom in der Spule 24 und dem Widerstand 25 ist, verringert sich der Strom im steuerbaren Siliciumgleichrichter 28 auf null, und der steuerbare Siliciumgleichrichter 28 wird abgeschaltet.

Der steuerbare Siliciumgleichrichter 30 und die Spule 31 bilden einen Umschaltkreis zum Steuern der Umschaltzeit für die Spannung am Kondensator 29. Durch Umschalten der Spannung am Kondensator 29 von negativ auf positiv wird der steuerbare Siliciumgleichrichter 28 abgeschaltet, wie oben beschrieben. Wenn der steuerbare Siliciumgleichrichter 28 abgeschaltet ist, beginnt die Schaltungsanordnung 20 mit einer neuen Periode oder einem neuen Zyklus, so daß der Schalter 21 wieder in der beschriebenen Weise leiten kann und der Kondensator 29 abermals negativ aufgeladen wird, indem seine Spannung umgeschaltet wird. Und zwar leitet der steuerbare Siliciumgleichrichter 30 nach dem KommutationsintervaH, und nachdem der steuerbare Siliciumgleichrichter 28 begonnen hat, wieder in Durchlaßrichtung zu sperren, so daß die Ladung des Kondensators 29 umgekehrt und die Schaltungsanordnung 20 für einen weiteren Kommutationszyklus vorbereitet wird. Die Spule 31 reguliert die Umschaltzeit durch Einstellen der Eigenfrequenz des Zeitgliedes mit der Spule 31 und dem Kondensator 29.

Während der Zeit, wo der Schalter 21 abgeschaltet wird (oder während des Kommutationsintervalls), wird im Blindwiderstandselement, d.h. in der Spule 24 Energie von der Gleichspannungsquelle 26 beim Laden des Kondensators 29 gespeichert Gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird die in der Spule 24 gespeicherte Kommutationsenergie durch den Widerstand 25, die Diode 27 und die Widerstandskomponente der Spule 24 vernichtet oder verringert Der in Reihe mit der Spule 24 liegende Widerstand 25 vernichtet so viel während des Kommutationsintervalls gespeicherter Energie, daß bei sich ändernder Belaaiur·» durch den Verbraucher oder bei sich ändernden Verbraucherspannungsanforderungen der Strom in der Spule 24 auf jeden Fall größer ist als der Verbraucherstrom. Es ergibt sich daher eine minimale Menge an gespeicherter Kommutationsenergie in der Spule 24 pro Zyklus oder Periode.

Der Strom in der Spule 24 und im Widerstand 25 ist niemals kleiner als der maximale Verbraucherstrom. Wenn daher der Schalter 21 eingeschaltet ist, verteilt

ίο sich der durch die Spule 24 und den Widerstand 25 fließende Strom auf den Verbraucher einerseits und die Diode 27 andererseits. Es ergibt sich folglich eine schnelle Anstiegszeit der Verbraucherspannung, da die Spule 24 und der Widerstand 25 stets von der Reihenschaltung der Gleichspannungsquelle 26 und des Schalters 21 elektrisch »entkoppelt« sind.

Der Widerstand 25 ist so bemessen, daß der Strom in der Spule 24 stets größer als der Strom im Verbraucher 22 ist. Ferner bemißt man den Widerstand 25 so, daß die durch den Stromfluß im Widerstand 25, in der Spule 24 und in der Diode 27 vernichtete Energie ungefähr gleich der pro Kommutationszyklus in der Spule 24 gespeicherten Kommutationsenergie ist.

F i g. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung 20' zum Steuern der Stromleitung eines Schalters 21'. Die Schaltungsanordnung 20' entspricht in ihrer Wirkungsweise der Schaltung 20, so daß gleiche Schaltungselemente jeweils mit den gleichen Bezugsnummern, jedoch mit Strichindizes wie in Fig. 1 bezeichnet sind. Bei der Schaltungsanordnung 20' entfällt der Widerstand 25 und ist statt dessen an der Spule 24' eine Anzapfung an einer solchen Stelle vorgesehen, daß der »freilaufende« Strom in der Diode 27' ausreicht, um diejenige Energiemenge in der Spule 24' und der Diode 27' zu vernichten, die bei der Schaltungsanordnung 20 nach Fig. 1 durch die Spule 24, die Diode 27 und den Widerstand 25 vernichtet wird.

Die in F i g. 3 gezeigte Schaltungsanordnung 20" zum Steuern der Stromleitung eines Schalters 21" entspricht in ihrer Wirkungsweise der Schaltungsanordnung 20 nach F i g. 1, so daß gleiche Schaltungselemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen, jedoch mit Doppelstrichindizes bezeichnet sind. Bei der Schaltungsanordnung 20" ist an Stelle des Widerstandes 25 ein magnetisches Bauelement in Form eines Transformators 24" mit vorbestimmtem Windungsverhältnis vorgesehen. Das Windungsverhältnis des Transformators 24" ist so gewählt, daß der »freilaufende« Strom in der Diode 27" ausreicht, um im Transformator 24" und in der Diode 27" diejenige Energiemenge zu vernichten, die bei der Schaltungsanordnung 20 nach F i g. 1 von der Spule 24, der Diode 27 und dem Widerstand 25 vernichtet wird.

F i g. 8 zeigt die Stromverläufe für die verschiedenen Schaltungselemente der Schaltungsanordnung 20 bei induktivem Verbraucher 22. Längs der V-Achse ist der Strom / in Milliampere aufgetragen, während längs der X-Achse die Zeit aufgetragen ist Zum Zeitpunkt 71 wird der Schalter 21 eingeschaltet zum Zeitpunkt Tj wird der Schalter 21 abgeschaltet und zum Zeitpunkt T3 wird der steuerbare Siliciumgleichrichter 30 eingeschaltet so daß die Polarität der Spannung am Kondensator 29 sich umkehrt Fig.9 zeigt die Spannungsverläufe für die verschiedenen Schaltungselemente der Schaltungsan-Ordnung 20 bei induktivem Verbraucher 22. Längs der Y-Achse ist die Spannung in Volt aufgetragen, und längs der X-Achse ist die Zeit aufgetragen. Zum Zeitpunkt 7Ί w-d der Schalter 21 eingeschaltet zum Zeitpunkt T₂

wird der Schalter 21 abgeschaltet, und zum Zeitpunkt 7j wird der steuerbare Siliciumgleichrichter 30 eingeschaltet, so daß sich die Polarität der Spannung am Kondensator 29 umkehrt.

Fig.4 zeigt eine Schaltungsanordnung 40 zum Steuern der Stromleitung eines Schalters 41. Während des Kommutationsintervalls oder des Intervalls, wo der Schalter 41 abgeschaltet wird, wird kein Strom aus der Gleichspannungsquelle 44 entnommen.

Die Schaltungsanordnung 40 enthält den Schalter 41, der ein steuerbarer Siliciumgleichrichter, ein Thyratron, eine Quecksilberdampfröhre oder dergl. sein kann. Im vorliegenden Fall ist der Schalter 41 ein steuerbarer Siliciumgleichrichter mit Anode 41a und Kathode 41c. An die Kathode 41c ist ein Verbraucher 42 angeschlossen, der mit seiner anderen Seite an Masse liegt. Parallel zum Verbraucher42 liegt eine Anklammerungsdiode 43.

Die Gleichspannungsquelle 44 ist mit ihrem positiven Pol über die Reihenschaltung eines magnetischen Blindwiderstands in Form der Spule 45 und eines ohmschen Widerstandes 46 an die Anode 41a des Schalters 41 und mit ihrem negativen Pol an Masse angeschlossen. Parallel zur Reihenschaltung der Spule 45 und des Widerstandes 46 liegt eine Anklammerungsdiode 47.

Zum Beaufschlagen der Anode 41a des Schalters 41 mit einer negativen Spannung ist die Reihenschaltung eines Kondensators 48 und eines steuerbaren Siliciumgleichrichters 49 zwischen den Verbindungspunkt des Widerstandes 46 und der Anode 41a des Schalters 41 einerseits und den Verbindungspunkt der Spule 45 und des positiven Pols der Gleichspannungsquelle 44 andererseits geschaltet. Die Spule 45, der Widerstand 46, der steuerbare Siliciumgleichrichter 49 und der Kondensator 48 bilden einen geschlossenen Stromkreis.

An den Verbindungspunkt des Kondensators 48 und des steuerbaren Siiiciumgleichrichters 49 ist die Reihenschaltung einer Spule 51 und eines steuerbaren Siiiciumgleichrichters 50, der mit seiner Kathode an Masse liegt, angeschlossen.

Die Schaltungsanordnung 40 nach F i g. 4 arbeitet in der gleichen Weise wie die Schaltungsanordnung 20 nach Fig. 1, mit dem Unterschied, daß bei der Schaltungsanordnung 40 während des Kommutationsintervalls oder des Intervalls, wo der Schalter 41 abgeschaltet ist, kein Strom aus der Gleichspannungsquelle 44 entnommen wird. Während des Kommutationsintervalls leitet der steuerbare Siliciumgleichrichter 49, und der Kondensator 48 entlädt sich auf ungefähr OVoIt. Der größte Teil der im Kondensator 48 so vorhandenen Energie wird in die Spule 45 übertragen. Die in der Spule 45 induzierte Spannung hat die entgegengesetzte Polarität wie die Spannung der Gleichspannungsquelle 44 und ist so groß, daß der steuerbare Siliciumgleichrichter 41 gesperrt und dadurch der Verbraucher in der bereits erläuterten Weise elektrisch von jeglicher Gleichstromquelle »entkoppelt« wird. Wenn der Kondensator 48 sich auf 0 Volt entlädt, ist die Spule 45 bestrebt die Spannung am Kondensator 48umzukehren; jedoch wird die Spannung durch die Diode 47 angeklammert. Wenn der Strom in der Diode 47 gleich dem Strom in der Spule 45 ist verschwindet der Strom im steuerbaren Siliciumgleichrichter 49, so daß dieser abgeschaltet wird. Nach dem Abschalten des steuerbaren Siliciumgleichrichters 49 wird der steuerbare Siliciumgleichrichter 50 eingeschaltet, so daß der Kondensator 48 wieder aufgeladen wird Der Kondensator 48 wird auf eine positive Spannung aufgeladen, die ungefähr gleich der doppelten Spannung der Gleichspannungsquelle 44 ist. Die bei der positiven Aufladung des Kondensators 48 aus der Gleichspannungsquelle 44 entnommene Energie ist ungefähr gleich der im Blindwiderstand 24 nach Fig. 1 während des Kommutationsintervalls gespeicherten Energie. Die in der Spule 45 gespeicherte Überschußenergie wird vom Widerstand 46, von der Widerstandskomponente der Spule 45 und von der Diode 47 in der gleichen Weise wie bei der Schaltungsanordnung 20 nach F i g. 1 vernichtet.

F i g. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung 55 zum Steuern der Stromleitung eines Schalters 56, wobei ein geschlossener Stromkreis verwendet wird, um diejenige Energie zurückzugewinnen, die in einem die Gleichspannungsquelle mit dem Schalter verbindenden induktiven Blindwiderstand während des Kommutationsintervalls gespeichert wird. Dadurch verringert sich die verbrauchte Energie auf ein Minimum und kann die Energie für die Kommutation oder Umpolung des Schalters wieder verwendet werden. Und zwar muß lediglich diejenige Energie wiedergewonnen werden, die durch den Leistungsverlust im induktiven Blindwiderstandselement aufgrund der ohmschen Komponente desselben sowie durch den Leistungsverlust in der mit dem induktiven Blindwiderstandselement parallel geschalteten Anklammerungsdiode verlorengeht.

Die Schaltungsanordnung 55 enthält den Schalter 56, der ein steuerbarer Siliciumgleichrichter, ein Thyratron, eine Quecksilberdampfröhre oder dergl. sein kann. Im vorliegenden Fall ist der Schalter 56 ein steuerbarer Siliciumgleichrichter mit Anode 56a und Kathode 56c. Die Kathode 56c ist an einen Verbraucher 57 angeschlossen, der mit seiner anderen Seite an Masse liegt. Parallel zum Verbraucher 57 liegt eine Anklammerungsdiode 58.

An die Anode 56a des Schalters 56 ist über das induktive Blindwiderstandselement in Form der Spule 60 eine Gleichspannungsquelle 59 angeschlossen, die mit ihrem negativen Pol an Masse liegt. Parallel zur Spule 60 liegt ein steuerbarer Siliciumgleichrichter 61.

Zum Abschalten des Schalters 56 ist an den Verbindungspunkt der Anode 56a des Schalters 56 und der Spule 60 die Reihenschaltung eines Kondensators 62 und eines steuerbaren Siliciumgleichrichters 63 angeschlossen. Mit ihrem anderen Ende ist diese Reihenschaltung an den Verbindungspunkt der Spule 60 und des positiven Pols der Gleichspannungsquelle 59 angeschlossen. Es besteht somit ein geschlossener Stromkreis mit der Spule 60, dem steuerbaren Siliciumgleichrichter 63 und dem Kondensator 62. Ein Umschaltkreis mit einer Spule 64 und einem steuerbaren Siliciumgleichrichter 65 liegt parallel zum Kondensator 62 und ist somit an den Verbindungspunkt des steuerbaren Siliciumgleichrichters 63 und des Kondensators 62 angeschlossen. Ein steuerbarer Siliciumgleichrichter 66 verbindet den Verbindungspunkt der Spule 64 und des steuerbaren Siliciumgleichrichters 65 mit Masse.

Im Betrieb der Schaltungsanordnung 55 wird der Schalter 56 durch Beaufschlagen seiner Anode 56a mit positiver Spannung von der Gleichspannungsquelle 59 über die Spule 60 eingeschaltet so daß sich eine schnelle Anstiegszeit der Verbraucherspannung ergibt Wenn der Schalter 56 eingeschaltet ist fließt der Strom von Masse über die Gleichspannungsquelle 59, die Spule 60, den Schalter 56 und den Verbraucher 57 zurück nach Masse. Nach dem Abschalten des Schalters 56 lädt sich der Kondensator 62 auf eine Spannung mit der in F i g. 5 dargestellten Polarität auf. Der steuerbare Silicium-

gleichrichter 63 ist, während der Schalter 56 eingeschaltet ist, nicht leitend, so daß der Kondensator 62 von der Anode 56a des Schalters 56 isoliert ist.

Nachdem der Kondensator 62 sich auf eine vorbestimmte Spannung aufgeladen hat, leitet der steuerbare Siliciumgleichrichter 63, so daß die negativ geladene Seite des Kondensators 62 mit der Anode 56c des Schalters 56 und die positiv geladene Seite des Kondensators 52 mit dem anderen Ende der Spule 60 verbunden wird. Als Folge davon wird in der in Reihe mit der Gleichspannungsquelle 59 und der Anode 56c des Schalters 56 liegenden Spule eine Spannung induziert, deren Polarität entgegengesetzt zur Polarität der Spannung der Gleichspannungsquelle 59 ist.

Der Kondensator 62 liegt parallel zur Spule 60. Der Spannungsabfall am Schalter 56 ist daher wie bei der Schaltungsanordnung nach Fig.4 gleich der Differenz zwischen der Spannung der Gleichspannungsquelle 59 und der Spannung an der Spule 60. Die Anode 56a ist negativ gegenüber der Kathode 56c. Die Spannung an der Kathode 56c wird durch die Anklammerungsdiode 58, die einen geschlossenen Kreis mit dem Verbraucher 57 bildet, angeklammert, d. h. konstant gehalten. Aufgrund des oben beschriebenen Vorgangs wird der Schalter 56 abgeschaltet.

Während der Schalter 56 abgeschaltet ist, fließt ein Strom von der Spule 60 über den steuerbaren Siiiciumgleichrichter 63 und den Kondensator 62 zurück zur Spule 60. Während dieses Stromflusses entlädt sich der Kondensator 62 in Richtung auf 0 Volt. Wenn die Spannung am Kondensator 62 den Wert von 0 Volt erreicht, ist die im Kondensator 62 gespeicherte Energie in die Spule 60 übertragen.

Nachdem der Kondensator 62 sich vollständig entladen hat, kehrt die Spannung der Spule 60 ihre Polarität um, und der Kondensator 62 beginnt sich in der entgegengesetzten Polaritätsrichtung aufzuladen. Diese Aufladung dauert solange an, bis der Kondensator 62 sämtliche in der Spule 60 gespeicherte Energie abzüglich der durch den freilaufenden Strom im steuerbaren Siliciumgleichrichter 61 verbrauchten Energie und der in der ohmschen Komponente der Spule 60 verbrauchten Energie aufgenommen hat.

Wenn die entsprechende Energiemenge in den Kondensator 62 zurückübertragen ist, leitet der steuerbare Siliciumgleichrichter 61, wodurch die Spannung der im Kondensator 62 gespeicherten Ladung angeklammert oder konstant gehalten wird, so daß der Strom in der Spule 60 größer ist als vor dem Beginn des Kommutationsintervalls. Der Energiezuwachs wird durch die ohmsche Komponente der Spule 60 und den steuerbaren Siliciumgleichrichter 61 vernichtet.

Nachdem die Spannung am Kondensator 62 angeklammert und konstant ist, reicht sie aus, um den steuerbaren Siliciumgleichrichter 63 abzuschalten. Dar aufhin leitet der steuerbare Siliciumgleichrichter 65, so daß die Polarität der Spannung am Kondensator 62 sich umkehrt

Durch das Einschalten des steuerbaren Siliciumgleichrichters 65 wird die Spannung am Kondensator 62 auf einen Wert zurückgeschaltet, der kleiner ist als die Spannung am Kondensator 62 am Beginn des Kommutationsintervalls. Die in der Spule am Ende des Kommutationsintervalls zurückbleibende Energie reicht aus, um bis zum Beginn des nächsten Kommutationsintervalls den Strom in der Spule 62 größer als den Verbraucherstrom zu halten. Da die im Kondensator 62 gespeicherte Energie um die in der Spule gespeicherte Energiemenge verringert ist, muß die Spannung am Kondensator 62 auf denjenigen Wert angehoben werden, den sie vor dem Beginn des Kommutationsintervalls hatte. Dies geschieht durch Einschalten des steuerbaren Siliciumgleichrichters 66. Es wird also in dem die Gleichspannungsquelle mit der Anode des Schalters verbindenden Blindwiderstand keine überschüssige Kommutationsenergie gespeichert.
Das heißt, bei der Schaltungsanordnung 55 wird keine eingefangene Kommutationsenergie an die Gleichspannungsquelle zurückgeleitet, sondern aus der Gleichspannungsquelle eine Energiemenge entnommen, die ausreicht, um die in der Schaltungsanordnung 55 verbrauchte Energie zu ersetzen. Es erfolgt also eine elektronische !Commutation, ohne daß irgendwelche überschüssige Kommutationsenergie im Blindwiderstandselement eingefangen oder gespeichert wird. Die gleiche Wirkung wird erreicht, wenn man an Stelle des steuerbaren Siliciumgleichrichters 61 die Reihenschaltung einer Diode und einer Spule verwendet.

F i g. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung 70 zum Steuern der Stromleitung eines Schalters 71. Die Schaltungsanordnung 70 weist eine geschlossene Schleifenschaltung auf, um die Aufspeicherung von während der Kommutation eingefangener Energie in der Spule 75 in Reihe mit dem Schalter 71 zu verhindern, während das Kommutationsintervall minimal kurz gehalten wird, so daß hochfrequente Impulse für die Verbraucherspannung erzeugt werden können. Die Schaltungsanordnung 70 hat also den Vorteil, daß sie im Hinblick auf die Erfordernisse des Verbrauchers weniger beschränkt ist und hochfrequente Impulse mit einem weiten Bereich von unterschiedlichen Impulsbreiten erzeugen kann, ohne daß eine Speicherung von Kommutationsenergie erfolgt.

Der Schalter 71 kann ein steuerbarer Siliciumgleichrichter, ein Thyratron, eine Quecksilberdampfröhre oder dergl. sein. Im vorliegenden Fall ist der Schalter 71 ein steuerbarer Siliciumgleichrichter mit Anode 71a und Kathode 71c. An die Kathode 71cist ein Verbraucher 72 angeschlossen, der mit seiner anderen Seite an Masse liegt. Parallel zum Verbraucher 72 liegt eine Anklammerungsdiode 73.
An die Anode 71a des Schalters 71 ist über das magnetische Bauelement in Form der Spule 75 eine Gleichspannungsquelle 74 angeschlossen. Parallel zur Spule 75 liegt ein steuerbarer Siliciumgleichrichter 76. Der negative Pol der Gleichspannungsquelle 74 liegt an Masse.

Zum Abschalten des Schalters 71 ist zwischen den Verbindungspunkt der Anode 71a des Schalters 71 und der Spule 75 einerseits und den Verbindungspunkt der Spule 75 und die Gleichspannungsquelle 74 andererseits die Reihenschaltung eines Kondensators 77 und eines steuerbaren Siliciumgleichrichters 78 geschaltet Parallel zum Kondensator 77 liegt die Reihenschaltung einer Gleichspannungsquelle 79, eines steuerbaren Siliciumgleichrichters 80 und einer Spule 81 als Wiederaufladekreis zum Steuern der Aufladung des Kondensators 77 für die Umschaltung der Schaltungsanordnung 70. Die Spule 75, der steuerbare Siliciumgleichrichter 78 und der Kondensator 77 bilden einen geschlossenen Stromkreis, der die Aufspeicherung von Kommutationsenergie im Blindwiderstandselement 75 während des Kommuta tionsintervalls verhindert

Im Betrieb der Schaltungsanordnung 70 gelangt eine positive Spannung über die Spule 75 zur Anode 71a des Schalters 71. Wenn der Schalter 71 leitet fließt ein

Strom von Masse über die Gleichspannungsquelle 74, die Spule 75, den Schalter 71 und den Verbraucher 72 zurück nach Masse. Nachdem der Schalter 78 gesperrt ist, wird der Kondensator 77 auf eine Spannung mit der in Fig. 6 dargestellten Polarität aufgeladen. Der steuerbare Siliciumgleichrichter 78 isoliert den Kondensator 77 von der Anode 71a des Schalters 71, wenn dieser leitet, da dann der steuerbare Siliciumgleichrichter 78 gesperrt ist.

Wenn der Schalter 71 umgepolt werden soll, wird der steuerbare Siliciumgleichrichter 78 leitend gemacht. Als Folge davon wird die negative Seite des Kondensators

77 über den leitenden steuerbaren Siliciumgleichrichter

78 mit der Anode 71a des Schalters 71 verbunden, so daß zu dessen Anode 71a eine negative Spannung gelangt. Der Kondensator 77 liegt effektiv parallel zur Spule 75.

Der Spannungsabfall an der Spule 75 und am Kondensator 77 ist größer als und von entgegengesetzter Polarität wie die Spannung der Gleichspannungsquelle 74. Die Spannung an der Kathode 71c des Schalters 71 wird negativ, da der Verbraucher 72 bestrebt ist, den Stromfluß aufrechtzuerhalten. Dabei ist vorausgesetzt, daß der Verbraucher 72 ein induktiver Verbraucher ist. Die zum Verbraucher 72 parallel liegende Anklammerungsdiode 73 hält die negative Spannung an der Kathode 71c konstant. Dadurch wird der Schalter 71 abgeschaltet. Während der Schalter 71 abgeschaltet ist, fließt Strom von der Spule 75 über den steuerbaren Siliciumgleichrichter 78 und den Kondensator 77 zurück zur Spule 75.

Während des Stromflusses in dem durch die Spule 75, den steuerbaren Siliciumgleichrichter 78 und den Kondensator 77 gebildeten Kreis wird die im Kondensator 77 gespeicherte Ladung in die Spule 75 übertragen, so daß die Spannung am Kondensator gegen null absinkt. Wenn die Spannung am Kondensator 77 null erreicht, ist die im Kondensator 77 gespeicherte Energie an die Spule 75 übertragen.

Nachdem der Kondensator 77 voll entladen ist, kehrt *o die Spannung an der Spule 75 ihre Polarität um, und der Kondensator 77 beginnt sich in der entgegengesetzten Polaritätsrichtung aufzuladen. Der Kondensator 77 lädt sich solange auf, bis er die gesamte in der Spule 75 gespeicherte Energie abzüglich der im steuerbaren Siliciumgleichrichter 76 verbrauchten Energie und der in der ohmschen Komponente der Spule 75 verbrauchten Energie aufgenommen hat. Dieser Energieverbrauch erfolgt bis zum nächsten Kommutationszyklus der Schaltungsanordnung 70.

Vor dem Beginn des nächsten Kommutationszyklus leitet der steuerbare Siliciumgleichrichter 76 im »Freilauf«, so daß die Spannung der im Kondensator 77 gespeicherten Ladung angeklammert oder konstant gehalten wird, wodurch der Strom in der Spule 75 größer bleibt, als er am Anfang des Kommutationsintervalls war.

Nachdem die Spannung am Kondensator 77 angeklammert ist, reicht sie aus, um den steuerbaren Siliciumgleichrichter 78 abzuschalten. Nach dem Ab- «> schalten des steuerbaren Siliciumgleichrichters 78 leitet der steuerbare Siliciumgleichrichter 80, und die Polarität der Spannung am Kondensator 77 kehrt sich um, womit der nächste Zyklus eingeleitet wird.

Wenn der steuerbare Siliciumgleichrichter 78 abgeschaltet ist und der steuerbare Siliciumgleichrichter 80 leitet, fließt ein Strom von der Gleichspannungsquelle 79 über den steuerbaren Siliciumgleichrichter 80, die Spule 81 und den Kondensator 77 zurück zur Gleichspannungsquellc 79. Dadurch wird die Polarität der Spannung am Kondensator 77 umgekehrt und in die geschlossene Schleifenschaltung zusätzliche Energie als Ersatz für die in der ohmschen Komponente der Spule 77 und im steuerbaren Siliciumgleichrichter 76 verbrauchte Energie eingebracht. Die in Reihe mit dem Kondensator 77 liegende Gleichspannungsquelle 79 ergänzt also die in der Spule 75 gebliebene Energie, indem dem Kondensator 77 Energie zugesetzt wird, um bis zum nächsten Kommutationszyklus diejenige Energie zu ersetzen, die in der Spule bleibt und die in der ohmschen Komponente der Spule 75 und im steuerbaren Siliciumgleichrichter 76 vernichtet wird.

F i g. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung 20'" zum Steuern der Stromleitung eines Schalters 2Γ". Die Schaltungsanordnung 20'" entspricht in ihrer Wirkungsweise der Schaltungsanordnung 20, so daß gleiche Schaltungselemente mit den gleichen Bezugszeichen, jedoch mit Dreifachstrichindizes bezeichnet sind. Bei der Schaltungsanordnung 20'" sind die Spule 24 und der Widerstand 25 durch einen Transformator 90 ersetzt. Die Primärwicklung 90p des Transformators 90 liegt in Reihe mit der Gleichspannungsquelle 26'" und der Anode 21a'"des Schalters 21"'. Die Sekundärwicklung 90s des Transformators 90 liegt in Reihe mit einer Diode 91, und die Sekundärwicklung 90s sowie die Diode 91 liegen parallel zur Gleichspannungsquelle 26'". Anders als bei der Schaltungsanordnung 20 und im Einklang mit der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach F i g. 4—6 leitet jedoch der Transformator 90 die in der Primärwicklung 90p gespeicherte Kommutationsenergie bis zum nächsten Kommutationsintervall ständig an die Gleichspannungsquelle 26'" zurück. Auf diese Weise ist keine überschüssige eingefangene Kommutationsenergie vorhanden.

Nachdem das Kommutationsintervall durch Abschalten des Schalters 2Γ" begonnen hat, lädt sich der Kondensator 29'" positiv auf, bis seine Spannung ungefähr den Wert der Spannung der Gleichspannungsquelle 26'" plus dem Wert der Spannung der Gleichspannungsquelle 26'", dividiert durch das Windungsverhältnis des Transformators 90, erreicht hat. Sodann wird aufgrund der Anklammerungswirkung der Diode 91 der Strom in der Primärwicklung 90p nach der Sekundärwicklung 90s abgeleitet. Da jetzt kein Strom mehr durch den steuerbaren Siliciumgleichrichter 28'" fließt, wird dieser abgeschaltet.

Wenn der Strom auf die Sekundärwicklung 90s übertragen ist, fließt er in einer solchen Richtung, daß die gesamte überschüssige eingefangene Kommutationsenergie der Primärwicklung 9Op über die Sekundärwicklung 90s zur Gleichspannungsquelle 26'" zurückgeleitet wird.

Wenn das Windungsverhältnis des Transformators 90 so bemessen ist, daß diejenige Energie, die während der Zeit, wo der steuerbare Siliciumgleichrichter 28'" nichtleitend ist, zur Gleichspannungsquelle 26'" zurückgeleitet wird, gleich der eingefangenen Kommutationsenergie abzüglich der Energieveriuste in der Diode 91 und im Transformator 90 ist, so verhindert die Primärwicklung 90p des Transformators 90 nicht, daß eine positive Spannung von der Gleichspannungsquelle 26'" zum Schalter 21"' gelangt, um diesen einzuschalten. Dies ist aufgrund der Anwesenheit eines »freilaufenden«, d. h. auch bei gesperrtem Schalter 21'" erzeugten Flusses möglich, der ausreichend groß ist, um den Strom in der Primärwicklung 90p jederzeit gleich dem Strom

im Verbraucher 22'" zu halte-. Das Windungsverhältnis des Transformators 90 ist so bemessen, daß der »freilaufende« Fluß, der vom Strom in der Sekundärwicklung 90s induziert wird, größer ist, als es für den Verbraucherstrom erforderlich wäre. Da* heißt, der Transformator 90 ist effektiv von der Reihenschaltung der Gleichspannungsquelle 26'" und des Schalters 21'"

elektrisch entkoppelt Folglich ist die nach der Kompensation der Verluste in der Diode 91 und im Transformator 90 zwischen den Kommutationsintervallen von der Sekundärwicklung 90s in die Gleichspannungsquelle 26'" zurückgespeiste Energie gleich der während des Kommutationsintervalls in der Primärwicklung 90p gespeicherten Kommutationsenergie.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur elektronischen Kommutierung mit einem zwischen eine Gleichspannungsquelle und einen Verbraucher geschalteten gesteuerten Schalter, mit einer in Reihe zwischen dem Schalter und der Gleichspannungsquelle liegenden Spule und mit einer Löschschaltung, die zum Abschalten des Schalters an der Spule eine Spannung mit zu der Gleichspannungsquelle entgegengesetzter Polarität erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltkreis vorgesehen ist, der in der Spule (24, 45, 60, 75, 90) einen magnetischen Fluß aufrechterhält, welcher stets größer ist als für den durch den Verbraucher (22) fließenden Strom notwendig ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Spule (24) ein Widerstand (25) liegt, daß parallel zu dem Widerstand (25) und der Spule (24) eine in Stromflußrichtung der Gleichspannungsquelle (26) sperrende Diode (27) geschaltet ist, und daß der Widerstand (25) derart bemessen ist, daß die in der Spule (24) während der Kommutierung jeweils gespeicherte überschüssige Energie vernichtet wird (F i g. 1).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß eine in Stromflußrichtung der Gleichspannungsquelle (26') sperrende Diode (27') zwischen den einen Pol der Spule (24') und eine Anzapfung der Spule (24') an einer solchen Stelle geschaltet ist, daß die in der Spule (24') während der Kommutierung jeweils gespeicherte überschüssige Energie vernichtet wird (F i g. 2).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule die eine Wicklung eines Transformators (24') bildet, dessen andere Wicklung parallel zu einer Diode (27") geschaltet ist, und daß das Windungsverhältnis des Transformators (24") so gewählt ist, daß die in Jen Transformator (24") während der Kommutierung jeweils gespeicherte überschüssige Energie vernichtet wird (F ig. 3).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Spule (45; 60; 75) und gegebenenfalls dem Widerstand (46) die Reihenschaltung aus einem Kondensator (48; 62; 77) und einem gesteuerten Gleichrichter (49; 63; 78) liegt (F ig. 4-6).

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Spule (60; 75) ein gesteuerter Gleichrichter (61; 76) geschaltet ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Spule (75) eine gesonderte Gleichspannungsquelle (79) geschaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule die Primärwicklung (9OpJ eines Transformators (90) bildet, dessen Sekundärwicklung {90s) in Reihe mit einer Diode (91) parallel zu der Gleichspannungsquelle (26'") geschaltet ist, und daß das Windungsverhältnis des Transformators (90) derart bemessen ist, daß die während der Kommutierung jeweils gespeicherte Überschußenergie zur Gleichspannungsquelle (26'") zurückgeleitet wird (F i g. 7).

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Schaltungsanordnungen zeichnen sich durch einen steilen Spannungsabfall am Verbraucher beim Sperren des gesteuerten Schalters (bei dem es sich in der Regel um Siliziumgleichrichter handelt) aus, da die Spule das Anlegen einer Sperrspannung mit einer zur Gleichspannungsquelle entgegengesetzten Polarität in Reihe mit dem Schalter ermöglicht Bei bekannten Schaltungsanordnungen besteht jedoch das Problem, daß die Spule die Spannungsanstiegszeit d. h. die Zeit vom Leitungsbeginn des Schalters bis zum Ansteigen der Verbraucherspannung auf etwa 90% ihres Endwertes, in unerwünschter Weise verlängert womit auch eine Beschränkung der Schaltfrequenz verbunden ist, obwohl teure HF-Spulen verwendet werden. Der Grund hierfür ist die Notwendigkeit beim Einschalten zunächst das Magnetfeld der Spule aufzubauen. Bei bekannten Schaltungsanordnungen der vorliegenden Art wird das Magnetfeld nach der Kommutierung relativ schnell beseitigt, damit es die bei der Kommutierung in der Spule gespeicherte Energie den Abschaltvorgang nicht behindert wozu beispielsweise die Reihenschaltung einer Diode und eines Widerstandes parallel zur Spule oder die Reihenschaltung einer Diode und einer mit der Spule einen Übertrager bildenden weiteren Spule parallel zur Gleichspannungsquelle vorgesehen sind (US-PS 33 2i 697). Ein steiler Spannungsanstieg beim Einschalten des Schalters wäre an sich nur bei

'ο »Auskopplung« der Spule aus dem Stromkreis zwischen Gleichspannungsquelle und Schalter möglich. Bekannte Schaltungen, die keine solche Spule in Reihe mit dem Schalter bzw. Verbraucher enthalten (US-PS 33 54 322), erlauben aber nicht den ebenfalls erwünschten steilen Spannungsabfall.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die außer einem steilen Spannungsabfall auch einen steilen Spannungsanstieg ermöglicht.

•»ο Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Schaltungsanordnung gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Spule den Spannungsanstieg nach dem Einschalten des Schalters dann nicht behindert, wenn in der Spule (oder bei Verwendung eines Transformators in diesem) stets und auch bei gesperrtem Schalter ein den Verbraucherstrom übersteigender Strom fließt, also wegen des dem Strom entsprechenden magnetischen Flusses beim Einschalten des Schalters kein Magnetfeld aufgebaut wird. Dieser Effekt wird im folgenden als »Entkoppeln« bezeichnet.

Die Erfindung hat den wesentlichen Vorteil, daß sich die Schaltungsanordnung hinsichtlich der steilen Spannungsflanken und der Dynamik wie ein Schalttransistor verhält, jedoch mit den einem gesteuerten Siliziumgleichrichter oder dgl. eigenen höheren Leistungen arbeiten kann. Dies gilt für weitgehend beliebige Impulsbreiten. Die Schaltungsanordnung hat eine kürzere, weitgehend lastunabhängige Kommutierungszeit und kann mit höheren Frequenzen arbeiten als bisher. Außerdem kommt sie mit weniger aufwendigen Bauelementen aus als bisher.

Ausgestaltungen der Erfindung, welche einige der verschiedenen schaltungstechnischen Möglichkeiten

h5 zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Stromes bzw. magnetischen Flusses in der Spule betreffen, sind in den Unteransprüchen beschrieben. Sie haben den besonderen Vorteil, daß die in der Spule gespeicherte Energie