DE2511795A1 - Kapazitive steuerung einer spannungswandlung - Google Patents

Description

• Kapazitive Steuerung einer Spannungswandlung Durch das Deutsche Patent .... (Deutsche Patentanmeldung P 24 24 745.S) ist ein Verfahren zur kapazitiven Steuerung einer Spannungswandlung geschützt, dessen wesentliches Merkmal darin besteht, dass bei der Aufwärtstransformation parallel geladene Kondensatoren in Serie geschaltet und bei der Abwärtstransformation in Serie geladene Kondensatoren parallel geschaltet werden.
• Weitere Applikationen des Verfahrens sind in den Figuren 1 bis 8 dargestellt.
• Es zeigt: Fig. 1 ein Lösungsbeispiel für die Erzeugung von beliebigen Spannungsformen aus dem Gleichstromkreis bei gleichzeitiger Aufwärtstransformierung mit hohem Wirkungsgrad: Bei der Reihenschaltung der parallel aufgeladenen Kondensatoren, die sowohl gleichzeitig, als auch nacheinander erfolgen kann, wird die sich jeweils ergebende Spannung durch die Dioden D1 bis Dn unmittelbar zum Ausgang geführt, wobei eine weitere Aufgabe der Dioden darin besteht, eine zwangsweise Spannungsaufteilung zu bewirken, welche verhindert, dass die als veränderliche Widerstände fungierenden Transistoren und die Kondensatoren einer Überspannung ausgesetzt werden.
• Der hohe Wirkungsgrad ergibt sich daraus, dass stets nur einer der Transistoren im dynamischen Bereich arbeitet, während die restlichen Transistoren teilweise auf den Widerstand null oder unendlich gesteuert sind.
• Durch die dargestellte Anordnung der Dioden D1 bis Dn und D D kann am Ausgang sowohl eine reelle, als auch eine kapaxy zitive oder eine induktive Last betrieben werden.
• Die Steuerung des kapazitiven Spannungswandlers erfolgt durch die Spannungsquellen Ustxl und Ustyl beim parallelen Laden der Kondensatoren, und bei der Reihenschaltung durch die Spannungsquellen Ustx2 und Usty2. Die Speisung aus dem Gleichstromkreis erfolgt durch E1 und E2.
• Fig. 2 ein Lösungsbeispiel für die Aufwärtstransformierung von Gleichspannung mit hohem Übersetzungsverhältnis bei kleinen Steuerspannungen: Die parallel von der Spannungsquelle UE geladenen Kondensatoren C1 bis Cn werden nacheinander von den als veränderliche Widerstände fungierenden Transistoren T1 bis Tn in Reihe geschaltet.
• Vom Taktgenerator wird bei der Reihenschaltung der Kondensatoren C1 bis Cn der Transistor TA durchgeschaltet. Damit fliesst vom positiven Anschlusspunkt des Kondensators C1 über die Emitterbasisstrecke von T1 und die Kollektoremitterstrecke von TA ein Strom zum negativen Anschluss von C1. Schon während der Durchlasswiderstand von T1 sich verkleinert fliesst ein Strom vom positiven Anschluss des Kondensators C2 über die Emitterbasisstrecke von T2 durch den Widerstand R1 der Emitterkollektorstrecke von T1 zum Minusanschluss von C2.
• Die restlichen Transistoren werden nach dem gleichen Prinzip durchgeschaltet. Das Durchschalten der Transistoren T1 bis Tn erfolgt in Kettenreaktion. Damit ergeben sich steile Ausgangsspannungsflanken mit sehr kurzen Anstiegszeiten. Die Steuerspannung der gesamten Anordnung ist extrem klein und auf das Nullpotential bezogen.
• Fig. 3 ein Lsungsbeispiel für die Aufwärtstransformierung von Gleichspannung mit hohem Übersetzungsverhältnis bei grossen Ausgangsströmen: Während die Kondensatoren C1 bis Cn von der Spannungsquelle UE parallel geladen werden, geschieht das gleiche mit den Kondensatoren Cx1 bis CXn durch die Spannungsquelle UH Daraufhin werden die Kondensatoren C1 bis C von den Transistoren T1 bis n Tn in Reihe geschaltet. Dies geschieht erfindungsgemäss dadurch, dass vom Taktgeber auf optischem Wege der Transistor Txn durchgeschaltet wird, wodurch Tn leitend wird.
• Vom positiven Anschluss des Kondensators C n-l fliesst ein Strom über die Kollektoremitterstrecke von T n durch den Widerstand Rnt die Basisemitterstrecke von Tx 1 und die Basisemitterstrecke von Tn 1 zum Minusanschluss von Cn 1 Der eigentliche Steuerstrom für T 1 wird von dem Kondensator Cxn 1 geliefert.
• Die Transistoren Tun 2 bis T1 werden nach dem gleichen Prinzip geschaltet.
• Bei Wegfall der Widerstände R1 bis Rn und Einführung einer optischen Ansteuerung von den Transistoren Txl bis Tx n können die Kondensatoren C1 bis n gleichzeitig in Reihe geschaltet werden.
• Legt man in den ersten Ansteuerungsstromkreis, der aus der Kollektoremitterstrecke von Txl, der Basisemitterstrecke von T1 und dem Kondensator Cx1 besteht, eine Lumineszenzdiode, so steuert diese den Transistor Tx2 bei Ansteuerung von Txl durch den Taktgeber. Damit schalten sich alle restlichen Transistor' bis Tx ein, womit auch die Transistoren T1 bis Tn durchgen schaltet sind. Voraussetzung hierfür ist, dass die Widerstände R1 bis R n entfallen und die Transistoren Txl bis Tx n Fototransistoren sind.
• Der Vorteil dieser Schaltungsanordnung besteht darin, dass jeder Optokoppler nur mit dem nuten Teil der Ausgangsspannung belastet wird.
• Fig. 4 ein Lösungsbeispiel für die Aufwärtstransformierung von Gleich spannung mit hohem Übersetzungsverhältnis und kleinen Steuerspannungen beim parallelen Laden der Kondensatoren: Die Kondensatoren C1 bis Cn werden von der Spannungsquelle UE parallel über die Dioden D1 bis Dn und die Dioden DE1 bis DEn, sowie die Thyristoren Thxl bis Thx n parallel geladen. Nach der Zeit t werden die Thyristoren Thxl bis Thx n durch die paralle geschalteten CL-Glieder selbsttätig gelöscht. Nun werden die Thyristoren Thl bis Th n durch einen Taktimpuls gezündet, wodurch sich eine Reihenschaltung der Kondensatoren C1 bis Cn ergibt. Die Dioden D1 bis Dn verhindern Überspannungen an den Thyristoren Thl bis Thn, welche durch deren unterschiedliche Schaltzeiten auftreten könnten. Die sich nun ergebende Ausgangsspannung UA = UE . n lädt über die Diode DA den Ausgangskondensator CA Um ein Rückschlagen der Ausgangsspannung auf den Eingang zu verhindern, sind die Dioden D1 bis Dn in Reihe geschaltet. Gleichermassen verhindern die Dioden )Yl bis Dy ein Durchschlagen der Thyristoren Thx1 bis Thx . Nach demitn raum t werden die Thyristoren Thl bis Th n von den ihnen parallel y geschalteten CL-Gliedern gelöscht.
• Nun wiederholt sich der Einladevorgang der Kondensatoren C1 bis n durch einen Taktimpuls, der auf die Gates der Thyristoren Thx bis Thxn gegeben wird. Der Zündimpuls des Taktgebers wirkt im ersten Moment nur auf das Gate von Thxl weil dieses das niedrigste Potential hat, nämlich UG1 .
• G1 Während des Zündens von Thxl wird das Kathodenpotential von Thx2 auf die Durchlassspannung von Thxl abgesenkt. Damit reduziert sich auch das Gate-Potential von Thx2 auf einen sehr kleinen Wert und wird dadurch ansteuerbar für den Zündimpuls.
• Während des Zündens von Thx2 folgen in gleicher Weise Thx3 bis Thxn. Anstelle der Thyristoren können bei diesem Verfahren auch beliebige andere veranderliche Widerstände Anwendung finden.
• Als Anwendungsbereich bietet sich vorzugsweise die Ultra-Hochspannungs-Gleichspannungstransformation an.
• Fig. 5 ein Lösungsbeispiel für die Abwärtstransformierung von Gleichspannung aus dem Ultrahochspannungsbereich mit hohem Untersetzungsverhältnis und kleiner Steuerspannung: Die Kondensatoren C1 bis Cn werden von der Spannungsquelle UE n E während des positiven Spannungsimpulses seriell geladen, wobei der Ladestrom von der positiven Eingangsklemme über r Cn, Dxn bis Dxl, C1 zur negativen Eingangsklemme zurückfliesst.
• Ist die Eingangsspannung UE zu null geworden, so steht am Ausgang des Inverters eine positive Spannung an. Diese zündet zunächst den Thyristor Thl mit der Gate-Spannung UA + UG Während des Zündvorganges von Thl senkt sich das Kathodenpotential von Th2, wobei das Gate-Potential von Th2 gegenüber der positiven Ausgangsklemme einen kleinen Wert annimmt. Hierdurch wird das Gate von Th2 ansteuerbar. Der nun zündende Th2 senkt das Kathodenpotential von Th3. Die Zündung der Thyristoren Th3 bis Thn erfolgt auf die gleiche Weise.
• Durch die Dioden D1 bis Dn, Dyl bis Dy und die Thyristoren bis D , n Thl bis Thn werden die Kondensatoren C1 bis Cn parallel gen n schaltet. Die Dioden Dx1 bis Dx n bewirken gleichzeitig die Unterbrechung der Serienschaltung der Kondensatoren C1 bis Der Der Entladestrom von C1 bis C lädt den Ausgangskondenn sator CA.
• Nach der Zeit t werden die Thyristoren Thl bis Th n durch die x mit ihnen parallel geschalteten CL-Glieder gelöscht. Vor dem Löschvorgang wird durch einen Synchronimpuls die Ausgangsspannung des Inverters auf null gestellt.
• Anstelle der Thyristoren können bei diesem Verfahren auch beliebige andere veränderliche Widerstände Anwendung finden.
• Fig. 6 ein Lösungsbeispiel für die Abwärtstransformierung von Gleichspannung mit einstellbarem Untersetzungsverhältnis: Die Kondensatoren C1 bis Cn werden beim Durchschalten von TE n E von der Eingangsspannungsquelle UE seriell geladen, wobei der Eingangsstrom von der positiven Eingangsklemme über den Transistor TE, den Kondensator Cn, die Dioden Dn ... Dxl und den Kondensator C1 zur negativen Eingangsklemme fliesst. Nac der Zeit tx unterbricht der Transistor TE den Eingangs strom und die Dioden Dxl bis Dxn unterbrechen die Reihenschaltung der Kondensatoren C1 bis Cn Das Untersetzungsverhältnis wird mit den Transistoren T1 bis Tn und Txl bis Txn eingestellt. Im dargestellten Schema lasse sich die Untersetzungsverhältnisse 1 : 1, 2 : 1, 3 : 1 und 6 : 1 einstellen, wobei die Kondensatoren zuerst seriell gruppiert und anschliessend parallel geschaltet werden. Nach dem Zeitraum t wird der Transistor TA leitend und gibt die y heruntertransformierte Eingangsspannung in den Ausgang frei.
• Die Dioden D1 bis Dn verhindern beim seriellen Laden der Kondensatoren C1 bis n die Zerstörung der Transistoren T1 bis Tn durch Überspannung.
• Anstelle der Transistoren können bei diesem Verfahren auch beliebige andere veränderliche Widerstände Anwendung finden.
• Fig. 7 ein Lösungsbeispiel der Abwärtstransformierung von variablen Eingangsspannungen: Die Kondensatoren C1 bis Cn werden beim Durchschalten von TE auf den Augenblickswert der Eingangsspannungsquelle UE seriell geladen. Nach der Zeit t unterbricht der Eingangstransistor TE die Ladung und die Dioden Dx1 bis Dx n unterbrechen die Reihenschaltung der Kondensatoren C1 bis C . Beim Durchschalten des n Ausgangstransistors TA wird der heruntertransformierte Augenblickswert i.jr Eingangs spannung UE in den Ausgang freigegeben.
• Verkleinert die Eingangsspannung UE ihren Wert, so ermöglichen die Transistoren T1 bis Tn die Entladung der Kondensatoren C bis n über die Diode DE in den Eingang.
• Mit diesem Verfahren können sowohl zunehmende als auch abnehmende Eingangsspannungen heruntertransformiert werden. Die Kombination L11 CA und L2 dient als Ausgangstiefpassfilter zum Herausfiltern der Takt frequenzen.
• Anstelle der Transistoren und Dioden können auch beliebige andere veränderliche Widerstände Anwendung finden.
• Fig. 8 ein Lösungsbeispiel für die Übertragung von Gleichspannung im Ultra-Hochspannungsbereich über grosse Entfernungen: Der Gleichspannungsgenerator G (Kraftwerk) speist den kapazitiven Spannungswandler A für die Aufwärtstransformation, wobei am Ausgang positive Rechteckspannungsimpulse in die Koaxial-Fernleitung K gegeben werden, an deren Endpunkt ein weitererkapazitiver Spannungswandler B für die Gleichspannungsabwärtstransformation angeschlossen ist.
• Während der kapazitive Spannungswandler A von dem Gleichspannungsgenerator G eingeladen wird, lädt der kapazitive Spannungswandler B aus. Beim Ausladen der hochtransformierten Generatorspannung in die Koaxial-Fernleitung K lädt der kapazitive Spannungswandler B ein.
• Während der kapazitive Spannungswandler A als Energiesender fungiert, dient der kapazitive Spannungswandler B als Empfänger, wobei der Energiesender A den Empfänger B synchronisiert.
• Die am Ausgang des kapazitiven Spannungswandlers B anstehende Gleichspannung UA wird von dem nachfolgenden kapazitiven Spannungswandler C in eine 3-Phasen-Spannung (nach dem in Fig. 1 dargestellten Prinzip) umgewandelt, die dann in das Ortsnetz 0 eingespeist wird.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung beliebiger Spannungsformen bei gleichzeitiger Aufwärtstransformation dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , dass die Reihenschaltung der parallel geladenen Kondensatoren sowohl gleichzeitig, als auch nacheinander erfolgen kann, wobei stets nur einer der Transistoren T1 bis Tn im dynamischen Bereich arbeitet, während die restlichen Transistoren teilweise auf den Widerstand null oder unendlich gesteuert sind und die Dioden D1 bis D n die sich jeweils ergebende Spannung direkt an den Ausgang führen, wobei eine weitere Aufgabe der Dioden darin besteht, eine zwangsweise Spannungsaufteilung zu bewirken, welche verhindert, dass die als veränderliche Widerstände fungierenden Transistoren und die Kondensatoren einer Überspannung ausgesetzt werden.

2. Verfahren zur Aufwärtstransformierung von Gleichspannung mit hohem Übersetzungsverhältnis bei kleinen Steuerspannungen dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Taktgenerator den als veränderlichen Widerstand fungierenden Transistor T1 leitend steuert und sich damit ein Steuerstrom für den Transistor T2 aus dem Kondensator C2 einstellt, wodurch der Transistor T2 ebenfalls leitend wird und die restlichen Transistoren nach dem gleichen Prinzip in Kettenreaktion geschaltet werden.

3. Verfahren zur Aufwärtstransformierung von Gleichspannung mit hohem Übersetzungsverhältnis bei grossen Ausgangsströmen dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass beim parallelen Laden der Kondensatoren C1 bis C n durch die Spannungsquelle UE gleichzeitig die Kondensatoren Cx1 bis CXn von der Spannungsquelle UH parallel geladen werden und der als veränderlicher Widerstand arbeitende Transistor T n durch den optisch angesteuerten Transistor Tx n durchgeschaltet wird und sich damit der Steuerstrom von dem Kondensator Cn 1 für den Transistor Txn er gibt und somit der Transistor Tun 1 durch den Kondensator Cxn 1 durchgeschaltet wird und die restlichen Transistoren nach dem gleichen Prinzip geschaltet werden.

4. Verfahrengemäss Anspruch 3 dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass die Transistoren Txl bis Txn optisch ansteuerbare, verändern liche Widerstände sind und die Widerstände R1 bis R n entfallen, wodurch sich bei gleichzeitiger Ansteuerung von Txl bis Tx n eine unmittelbare Reihenschaltung der Kondensatoren C1 bis Cn ergibt.

5. verfahren gemäss Anspruch 3 dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass die Widerstände R1 bis R n entfallen und die Transistoren Tx bis Txn optisch steuerbare Widerstände sind in deren Stromkreis sich jeweils eine Lumineszenzdiode befindet und dass beim optischen Ansteuern von Txl die LED1 den Transistor Tx2 leitend steuert und sich dieser Vorgang bis Tx n wiederholt, womit sich durch das nacheinander erfolgende Schalten der Transistoren T1 bis Tn die Kondensatoren C1 bis C n in Reihe schalten.

6. Verfahren zur Aufwärtstransformierung von Gleichspannung mit hohem Übersetzungsverhältnis und kleinen Steuerspannungen beim parallelen Laden der Kondensatoren dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass beim Anstehen eines positiven Zündimpulses an den Gates von Thxl bis Thxn der Thyristor Thxl zündet und während des Zündvorganges sich die Kathode von Thx2 auf die Durchlassspannung von Thxl absenkt, wodurch das Gate des Thyristors Thx2 ansteuerbar wird und somit die Zündung von Thx2 bis Thxn nacheinander erfolgt.

7. Verfahren zur Abwärtstransformierung von Gleichspannung aus dem Ultrahochspannungsbereich mit hohem Untersetzungsverhältnis und kleiner Steuerspannung dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass nach dem seriellen Einladen der Kondensatoren C1 bis C, n die Eingangsspannung UE zu null wird und damit am Ausgang des Inverters eine positive Spannung ansteht, die den Thyristor Thl zündet, wobei sich während des Zündvorganges die Kathode von Th2 auf die Durchlassspannung von Thl + UA absenkt und das Gate von Th2 somit ansteuerbar wird und die zündung von Th2 bis Th n auf die gleiche WeisE erfolgt.

8. Verfahren zur Abwärtstransformierung von Gleichspannung mit einstellbarem Untersetzungsverhältnis dadurch g e k e n n -z e i c -h n e t , dass die seriell geladenen Kondensatoren C1 bis n durch die als veränderliche Widerstände fungierenden Transistoren T1 bis Tn und Txl bis Txn zuerst seriell gruppiert und anschliessend parallel geschaltet werden.

9. Verfahren zur Abwärtstransformierung von variablen Eingangsspannungen dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass sich die Kondensatoren C1 bis C n auf den Augenblickswert von UE, sowohl für ansteigende als auch für abfallende Eingangs spannungen aufladen können und dass nach erfolgter Ladung die Kondensatoren C1 bis C n parallel geschaltet werden und sich am Ausgang der heruntertransformierte Augenblickswert UE ergibt.

10. Verfahren zur Übertragung von Gleichspannung im Ultra-Hochspannungsbereich über grosse Entfernungen dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , dass die von dem Gleichspannungsgenerator G erzeugte Spannungvon dem kapazitiven Spannungswandler A auf ultrahohe Gleichspannungsimpulse transformiert und in die Koaxial-Fernleitung gegeben wird, an deren Endpunkt ein weiterer kapazitiver Spannungswandler B für die Gleichspannungsabwärtstransformation angeschlossen ist und dass, während der kapazitive Spannungswandler A eingeladen wird, der kapazitive Spannungswandler B auslädt, und umgekehrt.

Besagtes Verfahren weiterhin dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass der kapazitive Spannungswandler A als Energiesender fungiert, während der kapazitive Spannungswandler B als Empfänger arbeitet und von dem Wandler A synchronisiert wird und dass die am Ausgang des Wandlers B anstehende Gleichspannung UA von einem nachfolgenden kapazitiven Spannungswandler C in eine -Phasen-Spannung (nach dem in Figur 1, Anspruch 1 dargestellten Prinzip) umgewandelt wird und in das Ortsnetz 0 eingespeist wird.