DE2456190A1

DE2456190A1 - Verfahren zum betrieb eines leistungsschaltverstaerkers an pulsierender gleichspannung

Info

Publication number: DE2456190A1
Application number: DE19742456190
Authority: DE
Inventors: Claus-Juergen Ing Gra Claussen
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1974-11-28
Filing date: 1974-11-28
Publication date: 1976-08-12
Also published as: FR2293128A7; CH596714A5; DE2456190B2; DE2456190C3

Description

"Verfahren zum Betrieb eines LeistungsSchaltverstärkers an

Die Erfindung bezieht sich auf ein "Verfahren sum Betrieb eines Leistungsschaltverstärkers an pulsierender Gleichspannung und liegt auf dem Gebiet der Spannungs- bzw. Stromversorgung von Stellgliedern in elektrischen Anlagen.

j GleichstroEiverbraucher, wie sie in industriellen Steuerungen elektronischer oder elektroraechaniecher· Art als leistungsintensive Verbraucher auftretenj können kontaktbehaftet oder kontakt-

! los geschaltet werden„ Die Wahl der Technik hängt im wesentlichen von Faktoren wie Schalthäufigkeit, Lebensdauer usw. ab.

Besonders Gleichstromverbraucher größerer leistung v/erden mit pulsierender Gleichspannung, gewonnen aus einer einfachen Gleichrichterspannung ohne nachfolgende Glättung, betrieben, was eine preisgünstige Stromversorgung mit geringem Innenwiderstand bedeutet. Im Gegensatz zu kontaktbehafteten Schaltern ist bei kontaktlosen Schaltern bei dieser Betriebsart mit Schwierigkeiten zu rechnen.

Bekannt ist bei Verwendung eines Transistors als Schalter die Last in Reihe mit der Collector-Eüiitter-Strecke zu legen, wobei es je nach Anwendung von npn- oder pnp-Transistoren in Abhängigkeit von Schaltern des positiven oder negativen Potentials vier¹ Schaltervarianten gibt. Die Ansteuerung erfolgt dabei über ein Ansteuerelement, bzw, einen ggfs. erforderlichen Basisvor-

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' widerstand. Das Ansteuerelement besteht in der Praxis vor-

wiegend aus transistorbestückten Eingangsschaltungen.

Die bekannten Anordnungen arbeiten einwandfrei, solange sie mit einer geglätteten oder stabilisierten Gleichspannung gemäß Fig. 1a versorgt werden.

Steht jedoch bei Gleichstromverbrauchern größerer Leistung nur eine pulsierende Gleichspannung gemäß Fig. 1b zur Verfügung, zeigen die bekannten Schaltungen folgende Nachteile:

Der Schalttransistor verliert bei jeder Nullstelle der pulsierenden Gleichspannung seine Ansteuerung, kommt aus ν er Sättigung und wird dadurch mit hohen Schaltverlustleistungen beansprucht,

Die Last erhält wegen des erstgenannten Defektes weniger Versorgungsspannung.

Bei induktiven Lasten setzt im Bereich jeder Nullstelle der pulsierenden Gleichspannung ein Entiaagnetisierungsstrom ein, der wegen der freiwerdenden magnetischen. Energie sowohl den Schalttransistor als auch den erforderlichen Löschkreis beansprucht. Dies kann zur thermischen Überlastung der betreffenden Bauelemente führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei der Verwendung einer pulsierenden Gleichspannung für die Spannungsversorgung von Gleichstromverbrauchern größerer Leistung die Endstufe in der Sättigung zu halten.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß durch Zwischenspeicherung der Ansteuerenergie eines Transistors in einem Kondensator der Transistor auch während der Nullstellen der Versorgungsspannung leitend bleibt. Die Anschaltung des zur

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, 3.

Zwischenspeicherung vorgesehenen Kondensators erfolgt über Schaltelemente oder über eine feste Drahtbrücke. Die zum Betrieb des Leisturigsschaltverstärkers erforderlichen Schaltelemente werden mit elektronischen Bauelementen realisiert. Weitere Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Vorteilhaft nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist besonders die preisgünstige und wirtschaftliche Erzeugung der für den Betrieb der Leistungsstufe erforderlichen Yersorgungsspannung, Diese Spannung besitzt zwar nicht die Glätte bzw. Brummfreiheit der allgemein für eine Schaltstufe zu benutzenden Gleichspannung, eine einwandfreie Funktion der Leistungsendstufe ist aber dur>h die Verwendung einer geglätteten Spannung nur für die Ansteuerung gegeben.

Es entstehen somit keine Schaltverluste während der Spannungsnullstellen am. Schalttransistor und die Last erhält während des eingeschalteten Zustandes die volle Versorgungsspannung. Weitere Vorteile v/erden in der Funktionsweise des Ausführungs-. beispiels erläutert.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgeinäßen Verfahrens ist ; nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

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Gemäß Fig. 2 wird in dem Netztransformator 9 in Verbindung mit den in Brückenschaltung betriebenen Dioden 10 eine Gleichspannung erzeugt, die nach Fig. 1b eine pulsierende Form hat.

Ein Schalttransistor 1 wird über Schalter 3 bzw. 3' angesteuert. Diese Ansteuerung des Schalttra.nsistors 1 mittels Kontakt ist der Verständlichkeit halber gewählt worden. In der Praxis finden hier vorwiegend Halbleiterverstärker Anwendung. Die Schaltelemente 3 bzw. 3' sind mit—einander gekoppelt, um eine Ausschaltverzögerung des Schalttransistors zu vermeiden. Die Last bzw. der Verbraucher ist mit 2 bezeichnet und kann beispielsweise eine Schützspule oder ein Magnetventil sein.

Die Diode 7 und die Zener-Diode 8 dienen als Löschkreis für induktive Verbraucher. In diesen Bauteilen soll die magnetische Energie des Verbrauchers 2 beim Abschalten vernichtet werden.

Die Ansteuerung des Schalttransistors 1 erfolgt über die Widerstände 4» 4^; , 5 und dem Kondensator 11. Durch eine nicht dargestellte Transistoranordnung, symbolisch sind hierfür die Schalter 3 und 3' gezeigt, wird die Schaltstufe eingeschaltet, d,h., der Verbraucher 2 soll mit Spannung versorgt werden. Der Schalttransistor 1 erhält jetzt einen Steuerstrom über seine Basis. Dieser Strom, fließt über die Widerstände 4, 4* > die Diode 6 und den geschlossenen Schalter 3. Dieser Steuerstrom, der den Transistor 1 leitend schaltet, fließt nur bei einem gewissen Spannungspotential am Emitter des Transistors. Bei einer pulsierenden Gleichspannung entsprechend Fig. 1b tritt bei jedem Spannungsminimum eine Sperrung des Transistors ein. Dieses Umschalten von dem sperrenden in den leitenden Zustand im Takt der Netzfrequenz führt zu einer starken Belastung durch magnetische Energie an dem Verbraucher 2.

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Durch das Schließen der Kontakte 3 bzw. 3 und dem Durchschalten des Transistors 1 -wird der Kondensator 11 mit einer Ladung entsprechend der Versorgungsspannung geladen. Dieser Kondensator ist vorwiegend als Elektrolytkondensator ausgebildet und hat je nach Schaltungsausführung bzw. Schaltungserfordernis eine Kapazität von 0,5 bis 50 JLiF. Bei Bedarf können selbstverständlich auch Papier-, Folien- oder Tantalkondensatoren Anwendung finden.

Im Falle eines Minimums der Versorgungsspannung hält der Kondensator 11 mit seiner ladung den Basissteuerstrom für den Transistor 1 aufrecht und sorgt so für einen gleichbleibenden Schaltzustand, , ■

Die in bekannten Schaltungen zum Glätten der unreinen Gleichspannung verwendeten Elektrolytkondensatoren können zwar auch einen dauerhaften Schaltzustand am Leistungstransistor erzeugen, allerdings ist dieser Zustand mit großem Aufwand verbundens denn Kondensatoren von einigen 1000 uF Kapazität finden hier allgemein Anwendung. Da bei dem erfindungsgemäßen

des Verfahren nur die Ansteuerungsspannung /Schalttransistors durch den Kondensator 11 gestützt wird, ist mit erheblichen Einsparungen zu rechnen. Auch in Zeiten des Versorgungsspanriungsminimums, wenn der Transistor normalerweise gesperrt wäre, fließt so durch die"zwangsweise" erfolgte Durchschaltung des Transistors ein Laststrom. Beim Schalttr<:/.j.sistor ist also die Ansteuerenergie auch dann vorhanden, wenn die pulsierende Versorgungsgleichspannung sehr klein oder Null ist.

Der bei pulsierendem Gleichstrom auftretende Entmagnetisierungsstrom, der bei der Verwendung induktiver Verbraucher beim Umschalten von dem einen in den anderen Schaltzustand auftritt und zu einer hohen Beanspruchung der Bauelemente führt, fließt nun über den gesättigten Transistor 1 bzw. das Netzteil und bringt nur eine geringe Mehrbelastung.

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. 6.

Der Löschkreis für den induktiven Verbraucher, bestehend aus
Diode 7 und Zenerdiode 8 v/irkt nun nur noch beim wirklichen I Abschalten des Verbrauchers 2, aber nicht mehr in den Spannungsnullstellen der pulsierenden Gleichspannung. Der Entmagneti- ; sierungsstrora des induktiven Verbrauchers 2, der auch bei
! Speisespannungsra.inimum fließt, ist in dem Ausführungsbeispiel
, gestrichelt eingezeichnet. . I

,

• Die Diode 6 sorgt dafür? daß über den Widerstand 4 nur der '.

Ladestrom für den Kondensator 11 fließen kann, sie dient '■

: also zur Entkoppelung«. Der Widerstand 5 ist zum sicheren ;

Sperren des Schalttransistors 1 bei geöffnetem Schalter 3 ·

bssw. y vorgesehen, ;

: Die Funktion des Kondensators 11 in Verbindung mit dem ; ■ Schalter 3* bringt eine je nach Anwendungsfall unerwünschte
' Ausschaltversögerung des Leistungstransistors 1. Um dies zu

unterbinden» wird der Kondensator 11, wie in Fig. 2 gezeigt,
: über den Kontakt 3'' angeschaltet. Eine feste Einschaltung

über eine Drahtbrücke_f d.h. eine überbrückung des Schalters 3^/ ,

ist ebenfalls denkbar.

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Claims

24561 Patentansprüche

1.'Verfahren zum Betrieb eines Leistungsschaltverstärkers "~ an pulsierender Gleichspannung, dadurch gekennzeichnet, daß durch Zwischenspeicherung der Ansteuerenergie eines Transistors (1) in einem Kondensator (11) der Transistor('i) auch während der Nullstell en der Vers or gungs spannung leitend bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschaltung des zur Zwischenspeicherung vorgesehenen Kondensators (11) über ein Schaltelement (3^; ) oder über eine feste Drahtbrücke erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Betrieb des Leistungsschaltverstärkers erforderlichen Schaltelemente (3, 3 ' ) mit elektronischen Bauelementen realisiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (1) bei höheren Sehalt-

• strömen durch eine^Darlington-Transistor-Anordnung ersetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4/dadurch gekennzeichnet, daß der Löschkreis (7,8) für induktive Lasten (2) durch Diodenlöschung, Widerstands-Kondensator-Löschung, Dioden-Widerstandslöschung oder Zener-Dioden-Transistor-Löschung ersetzt wird.

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