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Anlaß- und Schutzschaltung für einen Gleichstrom-Umrichter mit unsymmetrischem
Ausgang.
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Die Erfindung betrifft eine Anlaß- und Schutzschaltung für einen
Gleichstrom-Umrichter mit unsymmetrischem Ausgang (Sperrphasen-Betrieb) nach dem
Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei derartigen Umrichtern wird eine aus einer Akkumulatorbatterie
stammende oder unmittelbar aus der Netzspannung über eine Gleichrichterschaltung
abgeleitete primäre Gleichspannung (Vb) in eine oder mehrere Gleichspannungen mit
unterschiedlichen Spannungswerten umgeformt, mit denen ein oder mehrere Verbraucher
gespeist werden. Diese Speisespannungen müssen sowohl gegen Lastschwankungen als
auch hinsichtlich der primären Gleichspannung stabilisiert sein. Der Umrichter arbeitet
in folgender Weise: Die primäre Gleichspannung wird mit Unterbrechungen durch einen
elektronischen Schalter in Form eines Transistors (TR1) oder eines steuerbaren Halbleitergleichrichters
usw., der seinerseits durch ein periodisches Schaltsignal (S) gesteuert wird, an
die Primärwicklung eines speziellen Ubertragers angelegt. In der sogenannten Ladephase
ist der elektronische Schalter geschlossen, und wenn es sich um einen Transistor
handelt, wie im folgenden angenommen wird, dann ist dieser gesättigt, in der Primärwicklung
fließt Strom, und im Kern des Ubertragers wird magnetische Energie (1 L I2) ge-2
speichert. Die an den als Ausgangskreise dienenden Sekundärwicklungen
liegende
Spannung hat jedoch hierbei eine solche Polarität, daß für sie die mit den Sekundärwicklungen
verbundenen Dioden gesperrt sind und somit kein Energieaustausch zwischen den Primär-
und Sekundärseiten erfolgt. In der darauffolgenden sogenannten Entladephase wird
der Transistor durch das periodische Schaltsignal gesperrt, die Primärwicklung wird
stromlos, die Sekundärspannungen erfahren einen Polaritätswechsel, und die gespeicherte
Energie kann sich entladen.
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Kondensatoren hoher Kapazität bewirken eine Stromglättung und sorgen
für eine ausreichende Spannungskonstanz während der Ladephase, während nachfolgende
Filter die endgültige Filterung übernehmen. Durch ein Rechtecksignal, welches aus
der Spannung an einem der sekundärseitigen Ausgangskreise abgeleitet wird, wird
der Transistor periodisch abwechselnd in den Sättigungszustand und in den Sperrzustand
gesteuert.
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Ein wesentliches Problem bei derartigen Umrichtern besteht darin,
daß ein Kurzschluß in einem der Verbraucherkreise nicht zu einer Zerstörung des
Umrichters führen darf, welcher bei steigendem ausgangsseitigen Strombedarf zu einer
übermässigen Stromentnahme aus der Quelle der primären Gleichspannung (Vb) neigt.
Ein weiteres Problem ist mit der Erzeugung des rechteckförmigen Steuersignals (S)
für den Transistor (TR1) verbunden, das nicht zur Verfügung steht, solange der Umrichter
noch nicht normal arbeitet, so daß eine besondere Anlaßschaltung erforderlich ist,
die den Umrichter zunächst in den normalen Betriebszustand versetzt.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine Schaltung anzugeben, die den Umrichter
in möglichst einfacher Weise aus dem Ruhezustand in den normalen Betriebszustand
bringt und ihn zugleich gegen übermäßige Belastung schützt.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen
gekennzeichnete Anlaß- und Schutzschaltung.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 die Schaltungsanordnung der Anlaß-
und Schutzschaltung, und Fig. 2 in der Schaltung nach Fig. 1 während der Lade- und
Entladephasen auftretende Signale.
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Die Schaltung wird durch folgende wesentliche Bestandteile gebildet:
Einen Übertrager T1, dessen Primärwicklung über einen elektronischen Schalter in
Form eines Transistors TR1 an die Quelle einer Betriebs-Gleichspannung +Vb angeschlossen
ist, und welcher eine Anzahl Sekundärwicklungen für die Speisung ebensovieler Verbraucherkreise
aufweist; ferner einen Regelkreis REG, der das Schließen (Ladephase) und Öffnen
(Entladephase) des elektronischen Schalters steuert; einen Rückkopplungskreis, welcher
mittels einer Schaltung CR das aus einer der Gleichstrom-Ausgangskreise des Umrichters
abgeleitete Steuersignal S für den Regelkreis REG liefert; eine Bilfssteuerschaltung
AU, die dazu dient, den Regelkreis REG während des Anlaßzustandes mit einer Betriebsspannung
zu versorgen; eine Fühl- oder Meßschaltung SN, die ein bestimmtes Signal abgibt,
wenn der vom Ubertrager aufgenommene Strom einen vorgegebenen Stromwert überschreitet;
eine Schwellwertschaltung SO, die bei einer derartigen Überschreitung ein Signal
zum offenen (Sperren) des elektronischen Schalters erzeugt; eine Speiseschaltung
AL für die obengenannten Schaltungen; eine Anzahl n von Ausgangskreisen, die jeweils
eine Sekundärwicklung des Ubertragers T1, eine Gleichrichterdiode del...dcn, einen
Filterkondensator und ein'besonderes Filter Fl...Fn enthalten; sowie eine Diode
dl, welche die Aufgabe hat, den elektronischen Schalter aufgrund des von der Schwellwertschaltung-erzeugten
Signals und für die gesamte Dauer der Entladephase geöffnet zu halten. Der Ubertrager
T1, der Schalttransistor TR1, der Regelkreis REG mit den Transistoren TR2 und TR3,
den n Ausgangskreisen, welche entsprechend viele Verbraucher Ul...Un speisen, der
in Reihe mit der Primärwicklung des Ubertragers T1 liegende Meßübertrager T2, die
Hilfssteuerschaltung AU, welche in der Startphase eine Hilf sspannunq für den Regelkreis
REG liefert, die Rückkopplungsschaltung
R, die Schwellwertschaltung
SO, sowie die dazugehörige Speiseschaltung, die durch die Wicklungen L2 und L3,
die Dioden d2, d3 und die Kondensatoren c2 und c3 gebildet ist, sind miteinander
und mit den übrigen Schaltungsbestandteilen in der Fig. 1 zu entnehmenden Weise
zusammengeschaltet. Die den Wicklungssinn der Wicklungen angebenden Polaritäten
sind in Fig. 1 durch Punkte bezeichnet.
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Wenn im Betrieb der Wert des Steuersignals S ungefähr zu Null wird,
ist der Transistor TR3 gesperrt, und es erscheinen eine positive Spannung am Schaltungspunkt
A in Fig. 1 und eine negative Spannung am Schaltungspunkt B. Der Transistor T2 ist
daher gesättigt und hält auch den Schalttransistor TR1 im Leitzustand. Der durch
die Primärwicklung fließende Strom Ip steigt etwa linear an, wobei im übertrager
T1 Energie gespeichert wird.
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Die Dioden dc1,.. .dcn und dr sind unter diesen Umständen gesperrt,
so daß die Sekundärwicklungen stromlos sind.
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Sobald das Steuersignal S einen hohen Wert erreicht, wird der Transistor
TR3 leitend, und der Schaltungspunkt E nimmt ein negatives Potential an, wodurch
die in den Basen der Transistoren TR2 und TR1 gespeicherten Ladungen schnell abfließen.
Der Schalttransistor TR1 und der Transistor TR2 werden somit gesperrt, der Strom
Ip wird unterbrochen, die Polaritäten der sekundärseitigen Spannungen kehren sich
um, und es beginnt die Entladephase. Die Entladung ist normalerweise beendet, bevor
das Steuersignal S erneut abfällt (Hinterflanke), und das entsprechende Intervall
wird dazu ausgenutzt, die Ausgangsspannung im Falle von Schwankungen der primären
Gleichspannung Vb zu stabilisieren (vgl. die gestrichelten Linien in Fig. 2a und
2bj.
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Sobald das Steuersignal S wieder zu Null wird, beginnt die neue Ladephase,
und der Zyklus wiederholt sich.
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Der in der dargestellten Weise in der Schwellwertschaltung SO eingeschaltete
Widerstand R7 dient dazu, die während eines jeden Zyklus im Ubertrager T2 gespeicherte
kleine Energiemenge zu entladen.
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Im Kurzschlußfall ist der Rückkopplungskreis R nicht mehr im Stande,
das Steuersignal S zu erzeugen, welches gemäß Fig. 2c zu Null wird. Der Schalttransistor
TR1 bleibt demgemäß leitend, und der Strom Ip würde bis zur Zerstörung des Übertragers
ansteigen. Sobald der Strom Ip den maximal zulässigen Wert überschreitet, wird jedoch
in der Schwellwertschaltung SO die am Widerstand R5 abfallende Spannung größer als
ein Schwellwert, der durch die Diode d6, die Z-Diode d7 und durch den Emitter-Basis-Übergang
des Transistors TR3 definiert ist. Der Transistor TR3 wird dadurch in den Leitzustand
gesteuert, so daß der Schalttransistor TR1 gesperrt wird und der Strom Ip verschwindet.
Das Unterbrechen des Stromes Ip hat eine Polaritätsumkehrung der Spannungen an den
Sekundärwicklungen einschließlich der Sekundärwicklung L'2 des Übertragers T2 zur
Folge.
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Durch Verschwinden der Spannung am Widerstand R5 wird der Transistor
TR3 gesperrt. Die Diode dl verhindert jedoch, daß der Schalttransistor TR1 wieder
leitend wird, bevor sich die im Übertragerkern gespeicherte Energie entladen hat;
die Diode dl ist nämlich nun leitend; da der Schaltungspunkt C für die gesamte Dauer
der Entladung auf negativem Potential liegt.
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Da somit auch der Schaltungspunkt E auf negativem Potential liegt,
bleiben die Transistoren TR2 und TR1 auch dann gesperrt, wenn das Steuersignal S
fehlt, d.h. wenn der Transistor TR3 gesperrt ist. Erst nach Entladung der gespeicherten
Energie beginnt der Zyklus von neuem. Aber auch bei fortdauerndem Kurschluß kann
der Strom Ip niemals denjenigen Stromwert überschreiten, auf welchen das Ansprechverhalten
der Schutzschaltung eingestellt wurde, so daß der Umrichter auch dann nicht beschädigt
wird, wenn dieser Betriebszustand andauern sollte.
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Der Regelkreis REG hat vorzugsweise die dargestellte Schaltungsanordnung
mit den Widerständen R1, R2, R3, R4 und den Dioden d dg. Es ist zu beachten, daß
die Schaltfrequenz nicht 8' mehr konstant bleibt, wenn der Strom Ip den für das
Eingreifen der Schwellwertschaltung SO festgelegten Schwellwert übersteigt, sondern
bei Ansteigen des Belastungsstromes abnimmt (vgl. Fig.2c).
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Eine gleichartige Betriebsweise ergibt sich beim Anlassen, d.h. nach
dem Einschalten des Umrichters. Beim Schließen des Schalters K stehen zunächst weder
das Steuersignal S, dessen Wert gleich Null ist, noch die Betriebsspannungen an
den Schaltungspunkten A und B zur Verfügung. Dafür ist aber eine von der Hilfssteuerschaltung
AU gelieferte Spannung vorhanden, von der ein Strom über die Diode d5 in den Kondensator
c2 sowie über die Widerstände R2, R1 durch die Diode dl zu fließen beginnt. Der
Strom fließt solange, bis die durch den Emitter-Basis-Übergang der Transistoren
TR2 und TR1 gebildete Schwelle überschritten wird. Wenn dies der Fall ist, beginnt
der Strom Ip zu fließen. Der Schaltungspunkt C nimmt dann ein positives Potential
an, und die Diode dl wird gesperrt, so daß der gesamte durch den Widerstand R2 fließende
Strom die beiden Transistoren in den Sättigungszustand steuert. Da das Steuersignal
S noch nicht erscheint, würde der Strom Ip den Schwellwert überschreiten, doch tritt
auch hier die Schutzschaltung in Erscheinung.
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Sie steuert durch die am Widerstand R5 abfallende Spannung den Transistor
TR3 in den Leitzustand und sperrt den Schalttransistor TR1, welcher daraufhin für
die gesamte Dauer der Entladung durch die Diode dl gesperrt gehalten wird. Diese
Vorgänge wiederholen sich für einige Zyklen, bis das Steuersignal S in der Lage
ist, den Schalttransistor TR1 zu steuern, worauf die Ausgangs spannung der Hilfssteuerschaltung
AU durch die Diode d5 abgeschaltet wird, da die Spannung am Schaltungspunkt A im
Normalfall die Ausgangsspannung der Hilfssteuerschaltung AU geringfügig übersteigt.
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Der Verlauf des Steuersignals S, des in der Primärwicklung des Übertragers
T1 fließenden Stromes Ip und des in einer generellen Sekundärwicklung fließenden
Stromes Is ist aus Fig. 2 ersichtlich. Der Umrichter arbeitet im Falle der Fig.
2a mit Nennlast, im Falle der Fig. 2b mit Teillast und im Falle der Fig. 2c mit
überlast; mit gestrichelten Linien sind die Regelintervalle für das Steuersignal
S und den Strom Ip angedeutet.
Es sei darauf hingewiesen, daß im
Überlastf all das Intervall zwischen Entladung und Aufladung verschwunden ist und
der Schalttransistor TR1 ausschließlich durch die Schutzschaltung gesteuert wird,
da das Steuersignal S stets den Wert Null hat.