DE2514863A1 - Schalteranordnung fuer mit einer induktivitaet belastete schalter - Google Patents

Description

^t:V\TENiTAvMWÄLTE A. GRÜNECK;/i<

DtPI -INA

H. KINKELDEY

LW-ING

W. STOCKMAiF-?

DR-INCi ■ AoE .CALTt Cm

2514863 ^Κ· SCHUMANN

P. H. JAKOB

DlPU-ING

G. BEZOLD

DR RER WT ■ DIfV-CHTM

MÜNCHEN

E. K. WEIL

DRREROEClNt--

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE ;-3

LINDAU

4.4.1975 P 9113

Per Udden AB

Gottsundavägen 13

S-180 20 Akers Hunö, Schweden

Schalteranordnung für mit einer Induktivität belastete Schalter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schalteranordnung sit mindestens einem periodisch schließenden und öffnenden Schalter, der unmittelbar oder über ein.en Transformator mittelbar mit einer konstanten Induktivität belastet ist, deren magnetischer Kreis von mindestens einer Wicklung umschlossen ist, die mit einer oder mehr Dioden in Reihe geschaltet ist, und mit einer mit dem Schalter verbundenen Last.

Eine solche Schalteranordnung soll bekannte Schaltungen, wie geschaltete Regler, Inverter, Frequenzumformer undKommutatoruraformer vervollständigen. Solche bekannten Schaltungen können in Verbindung mit unterschiedlichen Geräten benutzt werden, v/ie z.B. mit Batter ie ladegeräten, elektrischen

5098Λ2/0444

TULEFON «)β£ι)55 5Ο63 TELtX OIS-2U3BO ΤΕιΐαΠΑΜΜΕ ΜΟΝΛΡΛΤ

25H863

Speis,egeräten, elektrischen Schweißgeräten und Steuerungen für Gleichstrommotore.

Eine charakteristische Eigenschaft dieser Schaltungen ist, daß sie mindestens einen periodisch schließenden und öffnenden .Schalter aufweisen, der mit einer Induktivität entweder direkt oder über einen Transformator indirekt belastet ist. Unterbricht der Schalter den Strom, der dann von der Induktivität weitergeleitet wird, so wird dieser über eine oder mehrere sogenannter Freilaufdioden oder Gleichrichterdioden geleitet. Wird der Schalter oder einer der Schalter geschlossen, so wird mindestens eine dieser Dioden in Sperrichtung vorgespannt. In der Praxis sperrt eine solche Diode jedoch nicht sofort, sondern ermöglicht den Durchlaß eines Stromes in Sperrichtung während der sogenannten Erholzeit. Dieses bedingt einen starken Stromimpuls, der durch mindestens eine Diode und über einen der Schalter unmittelbar nach dem Schließen des Schalters fließt und bis zur Erholung der Dioden andauert. Ein solcher Stromimpuls bedingt Energieverluste sowohl in den Dioden als auch Schaltern und erzeugt Hochfrequenzstörsignale. Diese Impulse können mit Hilfe einer Schalteranordnung beseitigt verden, die in der US-PS 3 621 363 beschrieben ist. Eine solche Schalteranordnung setzt jedoch einen Transformatorkern mit einer überlagerten Magnetisierung voraus, wodurch die Erzeugung einer solchen Magnetisierung wiederum viel Leistung und Raumbedarf benötigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue Schalteranordnung der genannten Art zu schaffen, mit der diese nachteiligen Stromimpulse beseitigt werden können, ohne daß dazu eine überlagerte Magnetisierung eines Transformatorkerns erforderlich ist.

Bei einer Schalteranordnung der genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die oder eine der Wicklungen von einer Induktivitätsspule mit einer Belastung beaufschlagt sind, die bei Beginn der Halbwelle, während der der oder die Schalter geöffnet sind, ex^heblich geringer ist als

509842/0444

das Ausgangssignal der Induktivität in diesem Augenblick, jedoch gleich oder größer als das Aue gangssignal am Ende der Halbwelle ist.

Diese neue Schalteranordnung ermöglicht eine Verminderung um 40% des gesamten Kern- und Kupfervolumens und näherungs- · weise eine Verminderung um 50% der Leistungsverluste. Diese Vorteile ergeben sich unter anderem durch das Fortlassen der Induktivitätsspule in der neuen Schalteranordnung, die bei der eingangs genannten Schalteranordnung zum Glätten des überlagerten Magnetisierungsstromes benutzt wird. Die neue Schalteranordnung vermeidet außerdem die Eisen- und Kupferverluste, die bei dem Transformator der genannten Schalteranordnung auftreten, wenn dieser in der Sättigung arbeitet. Dieses wird bei der neuen Schalteranordnung im wesentlichen dadurch erreicht, daß die Induktivitätsspule die Induktivität mit einer Leistung beaufschlagt, die zu Beginn der Halbwelle, während der der oder die Schalter geöffnet sind, wesentlich kleiner ist als die von der Induktivität in diesem Augenblick abgegebene Leistung, wonach die Leistung dann gleich oder größer als die von der Induktivität selbst abgegebene Leistung am Ende der Halbwelle wird. Der Strom durch die Dioden hört auf oder ändert seine Richtung am Ende der Halbwelle, wodurch die Diode sich erholen und sperren kann.

Nach dem Sperren der Dioden kann der Schalter eingeschaltet werden, ohne daß irgendwelche der genannten Stromimpulse a\iftreten. Dadurch wird eine Verminderung der gesamten Leistungsverluste der Schalteranordnung etwa um die Hälfte und auch eine bemerkenswerte Verminderung des Preises der Schalteranordnung und der Dioden erreicht. Da auch die Hochfrequenzstörungen der Schalteranordnungen bemerkenswert abnehmen, können Rauschfilter verringert oder vollständig fortgelassen werden.

Die neue Schalteranordnung kann auch zur Steuerung von Schaltungen benutzt werden, wie sie aus der eingangs genannten IT3-

509842/0444

25Η863

PS 5 621 365 bekennt sind. Dieses wird durch Bildung einer geschlossenen Reihenschaltung erreicht» die ein Steuerglied, die iuvor erwähnte Xnduktlvitätespule und eine den magnetischen Kreis der zuvor erwähnten Induktivität umschließende Wicklung umfaßt. Werden über de» Steuerglied erzeugte Potential· Benutzt, wird die Magnetisierung der Induktiv!tätespule gegenüber der der Induktivität verschoben, wodurch eine Änderung der Ausgangsleistung der bekannten Schalteranordnung erreicht wird.

Verschiedene AuBführungsformen der neuen Schalteranordnung,

die hier als Beispiele gewählt sind, werden anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine Schal tuns s anordnung einer einfachen Ausführungsform der neuen Schalteranordnung,

Fig. 2 ein Impulsdiagramm der in Fig. 1 auftretenden Spannungen und Ströme,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform eines Steuergliedes,. das in Verbindung mit der in Fig. 1 gezeigten Schalteranordnung benutzt werden kann,

Fig. 4- eine Anordnung zur Steuerung des in Fig. 3 gezeigten Schalters,

Fig. 5 Impulsdiagramme der in den Fig. 4· und 1 auftretenden Spannungen und Ströme,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines Steuergliedes, das in Verbindung mit der in Fig. 1 gezeigten Schalteranordnung benutzt werden kann ,

Fig. 7 Impuls dl agramme von in der in Fig. 6 gezeigten Schaltungsanordnung auftretenden Spannungen und Ströme,

6098*2/04U

25U863

Pig. 8 eise weitere Ausführungsform einer Schalteranordnung für einen Regler oder Spannungsumformer,

Pig. 9 eine weitere Auaführungsform der Schalteranordnung für einen Regler oder Spannungsumformer, wie er in Pig. 8 gezeigt ist,

Pig. 10 einen Gegentakt-Spannungsumformer, und

j..

Pig. 11 Impulsdiagramme von in der in Pig. 10 gezeigten Schaltungsanordnung auftretenden Spannungen und Strömen.

Pur eine detaillierte Untersuchung der Arbeitsweise der neuen Schalteranordnung wird diese in Verbindung mit der einfachsten Porm eines Schaltreglers erläutert, wie dieses in Pig. 1 gezeigt ist. Der Verlauf der in Pig. 1 angegebenen Ströme und Spannungen ist in Pig. 2 dargestellt.

Der Schalter SW 1 der Schalteranordnung ist mit der Induktivität L1 und der Last B belastet. Durch die teilweise induktive Belastung muß der Schalter gegenüber Spannungen durdi die freilaufende Diode D1 geschützt sein. Die Induktivität L1 und die Kapazität C1 sind zum Glätten des impulsweise an die Last B gegebenen Stroms vorgesehen. Um die Untersuchung der Arbeitsweise zu erleichtern, wurde die Last B in diesen Pall so gewählt, daß sie die Eigenschaft hat, daß die Spannung über der Last B nicht ansteigt, wenn der Strom durch die Last B ansteigt. Die Last B kann z.B. aus einem Akkumulator bestehen.

Der induktive Teil der Belastung des Schalters, die Induktivität LI, ist der neuen Schalteranordnung parallelgeschaltet. Diese besteht aus Spannungsquellen E2 und E3 und dem Schalter SV2 , mit Hilfe derer verschiedene Potentiale Uj erzeugt werden können, sowie aus einer Induktivitätsspule L2.

509842/0444

I ,

Der Schalter SW 2 befindet sich zuerst in seiner Stellung a. Der Betriebs Zyklus der Schalteranordnung wird durch Schließen des Schalters SW 1 während der Zeitdauer 1A in ?ig. 2 begonnen, die durch einen monostabilen Ansteuerschalter M1 bestimmt ist. In diesem Fall ist der Schalter ein . (transistor. Während der Schalter geschlossen ist, wird Energie an die Last B von der Speisequelle E1 hauptsächlich über die Induktivität L1 abgegeben. Ein kleiner Strom fließt auch durch die Spannungsquelle E2 und die Induktivitätsspule L2, der jedoch infolge der hohen Induktivität der Induktivitätsspule L2 klein ist.

Die Zeitdauer 1B beginnt, wenn der Schalter SW1 geöffnet wird· Die in der Induktivität L1 gespeicherte Energie macht die Spannung über dem Schalter SW 1 positiv, so daß die Diode D1 in Durchlaßrichtung vorgespannt und damit leitend wird. Der Strom durch die Diode verringert sich auf 0 und geht dann in umgekehrter Richtung durch die Diode hindurch, bis diese sich erholt hat und damit sperrt. Die Summe der Ströme I^ und Ij^ ist negativ, wenn die Diode sperrt und die Spannung über dem Schalter wird auf 0 gezwungen. Diese Spannungsverminderung steuert den mono stabilen Steuerschalter M1 an und eine neue Periode, nämlich die Periode 2, beginnt. Die Arbeitsweise der Schalteranordnung ist offensichtlich die gleiche wie die eines herkömmlichen Schaltreglers.

Die über der Induktivitätsspule L2 auftretende Wechselspannung wird jedoch von einer Gleichspannung Up überlagert, wie dieses aus Fig. 1 und 2 zu ersehen ist. Diese Gleichspannung verschiebt langsam die Stromkurve I₁^ der Induktivitätsspule L2 nach unten, Wie dieses in Pig. 2 gezeigt ist. Während der Periode 2B wird diese Verschiebung so groß, daß der Kern der Induktivitätsspule Ii2 gesättigt wird, wodurch sich die Induktivität der Induktivität*spule L2 erheblich vermindert. Der an die

SQ9842/0444

((II
It

2SU863

Diode D1 gegebene Strom wird daher durch die Induktivitttespule L2 so belastet, daß er schnell seine Richtung ändert, wonach die Diode sperrt und eine neue Periode, nämlich die Periode 5 beginnt. Die Halbperiode oder Halbwelle 2B ist daher kürzer als die Halbperiode 2A, was aus Fig. 2eu erkennen let« Die gleiche Wirkungsweise findet auch während der Perioden 5 bis 6 statt. Da die positiven HalbweIlen, deren Längen durch den monostabilen Ansteuerschalter M1 bestimmt sind, langer als die der negativen Halbwellen sind, wächst der Hauptstrom I₁* durch die Induktivität Li an. Außerdem ergibt sich ein Anwachsen des Stromes durch die Last B.

Während der Periode 6 befindet sich der Schalter ßW2 in seiner Stellung b. Die Spannung Uj, wird daher gleich Null und die Verschiebung des Stromes I^ nach unten hört auf. Die folgenden Perioden 7 und 8 werden daher jetzt einander gleich. Die Schalteranordnung gibt weiterhin eine konstante Leistung an die Last, solange der Schalter SW2 in seiner Stellung b bleibt.

Um eine Verminderung des an die Last gegebenen Stromes zu bewirken, wird der Schalter SW2 während der Periode 9A in seine Stellung c umgeschaltet. Dieses bewirkt eine Spannung Ug, entgegengesetzter Polarität zu der, die erhalten wurde, als der an die Last gegebene Strom vergrößert wurde. Auch die Reihenfolge der auftretenden Änderungen ist umgekehrt. So wird die Stromkurve I^ allmählich nach oben verschoben. Der Strom It₂ fällt daher während der Periode 9B weniger steil ab und es dauert länger, bis die Induktivitätsspule L2 gesättigt und die Richtung des Stroms durch die Diode D1 umgekehrt ist. Die negative Halbwelle 9B ist daher langer als die konstanten und positiven Halbperioden. Als Folge ergibt sich ein Abfall des Hauptstromes X™ .Der an die Last B gegebene Strom nimmt daher ab. Während der Periode 1OA wird der Schalter SW2 in seine Stellung b zurückgeschaltet, wodurch die nachfolgenden Perioden einander identisch werden.

509842/0444

ii? Lst leicht siamiselieii, da£ die ibides?nüg des &a die Xsasi; gegebenen Stromes yon der Daiier imd ümplituds der Spannung Up abhängt und daß solche änderungen der Spannung U-g, jederzeit vorgenommen werden können.

Es wurde damit gezeigt, daß der Ausgangsstrom der Schalteranordnung und damit ihre Ausgangsleistung mit Hilfe einer Spannung Uj, gesteuert werden kann.

Nachfolgend werden einige Maßnahmen zur Erzeugung und Änderung dieser Spannung erläutert.

Wird der Schaltungsblock F1 in Pig. 1 durch den in Fig. 3 gezeigten Schaltungsblock F2 ersetzt, so kann die Steuerspannung Uj, mit Hilfe eines Schalters SW3 geändert werden. Ist dieser Schalter geöffnet, so gelangt der Strom I_x^ durch die Diode D2. Der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung einer Diode bewirkt eine negative Spannung U™, die das Ausgangssignal entsprechend der zuvor erläuterten grundsätzlichen V/irkungsweise vermindert. In der Praxis vermindert auch der über den unvermeidbaren Widerständen in der die Induktivität JA, die Induktivitätsspule L2 und die Schaltung F aufweisenden geschlossenen Reihenschaltung auftretende Spannungsabfall die Ausgangsleistung. Wird der Schalter SW3 geschlossen,so wird die Diode D2 in Sperrichtung vorgespannt, so daß diese sperrt, wodurch die Spannung der Spannungsquelle E4- eine positive Spannung U₁, erzeugt, die die Ausgangsleistung der Schalteranordnung vergrößert.

Durch wechselweises Schließen und Öffnen des Schalters SW3 kann die Ausgangsleistung der Schalteranordnung auf einem im wesentlichen konstanten Pegel gehalten werden.

Bei der neuen Schalteranordnung wird der Schalter SW3 nur während der Teile der Arbeitszyklen der Schalteranordnung geschlossen, während der der Strom durch die Induktivitätsspule L2 schwach ist. Da der Schalter SW3 nur diese schwachen Ströiae

509842/0444

25U863

führen muß, kann er relativ billig hergestellt sein. Diese Arbeitsweise kann z.B.von einer in den Fig. 4 und 5 dargestellten Schaltungsanordnung bewirkt werden. Die Spannung Ut. über der Induktivität L1 wird von dem monostabilen Ansteuerschalter M2 erfaßt. Die negativen Planken der Spannung U-jy. steuern den Ansteuersdi alter, dessen Ausgangssignale während einer Zeitdauer von 0,25 T positiv werden, wobei T die Periodenlänge der Schalteranordnung ist. Die negative Planke des Ausgangssignals des Ansteuerschalters M2 steuert den monostabilen Ansteuerschalter M3, dessen Impulsdauer innerhalb des Bereichs von 0 bis 0,5 T mit Hilfe des Potentiometers P1 geändert werden kann. Während der Impulsdauer des Ansteuerschalters M3 wird der Schalter SW3 geschlossen, wie dieses in Pig. 3 gezeigt ist. Wie aus dein in Pig. 5 gezeigten Zeitdiagramm zu entnehmen ist, wird der Schalter SW3 nur dann geschlossen, wenn der Strom Ij- schwach ist, was die tatsächliche Aufgabe dieser Schaltung ist. Außerdem kann das Ausgangssignal der Schalteranordnung durch das Potentiometer Fl gesteuert werden, da der Mittelwert der Spannung U^, entsprechend der Einstellung des Potentiometers sich ändert.

Bei der neuen Schalteranordnung kann eine sich ändernde Spannung Uj, über einer in Serie mit der Induktivitätsspule L2 geschaltete Diode D2 noch auf verschiedene andere Weise eingestellt werden, was nachfolgend erläutert wird. Zu diesem Zweck ist die Schaltungseinheit P1 in Pig. 1 durch die in Pig. 6 gezeigte Schaltungseinheit P3 ersetzt.

Pig. 7 zeigt das Verhalten der Ströme und Spannungen in Abhängigkeit der Zeit, die in Pig. 1 angegeben sind. Im wesentlichen arbeitet die Anordnung in der bereits zuvor beschriebenen Weise. Die Unterschiede werden aus der nachfolgenden Beschreibung klar.

509842/0444

25H863

iLg« 7 zeigt den Zeitablauf₅ wean die Schalteranordnung während einer Anzahl "von Perioden sich in Betrieb befindet. Wahrend der Periode .30 wird nur eine schwache negative Spannung Uj, infolge des Spannungsabfalls der Diode D2 in Durchlaßrichtung erzeugt. Damit zeigt auch die Ausgangsleistung der Anordnung während dieser Periode einen kleinen Abfall. Während der Periode 31A- ist gedoch die Induktivitätsspule L2 zeitweise parallel zu einer Last, wie einem Widerstand, geschaltet. Dieses bewirkt eine starke Belastung der Induktiyitätsspule, wodurch die Spannung über ihr abfällt und die Diode D2 sperrt. Eine positive Spannung U-™ entsteht dann über der Diode D2, wodurch die Ausgangsleistung der Schalteranordnung ansteigt. Es ist daher möglich, die Ausgangsleistung der Schalteranordnung durch Belasten der Induktivitätsspule L2 zu steuern. Das gleiche Ergebnis wird erreicht, wenn die Induktivitätsspule L2 mit einer getrennten Wicklung belastet wird.

Ist die Impulsdauer des in Fig. 1 gezeigten monostabilen Ansteuerschalters M1 veränderlich, während die Schaltungseinheit F durch die in Fig. 6 gezeigte Schaltungseinheit ersetzt ist, so kann die Ausgangsleistung der Schalteranordnung auch noch durch eine weitere Maßnahme geändert werden.

Durch Änderung der Impulsdauer des monostabilen Ansteuerschalters MI kann die in Fig. 7 gezeigte Halbwelle 35a verlängert werden. Der Halbwelle wird dabei eine solche Dauer gegeben, daß der Strom Lp durch die Induktivitätsspule L2 seine Richtung ändert. Dadurch wird die Diode D2 in Sperrichtung vorgespannt, so daß diese sperrt. Es ergibt sich damit ein positiver Impuls der Spannung TJj, über der Diode D2, wodurch die Ausgangsleistung der Schalteranordnung vergrößert wird. Die Dauer des Spannungsimpulses hängt von der Impulsdauer des monostabilen Ansteuerschalters M1 ab. Die Ausgangsleistung der Schalteranordnung kann auf diese Weise durcli riio Impulsdauer des monostabilen Ansteuerschalters M1, d.h. durch

509842/0444

~^ΊΊ" 25U863

Änderung der zeitlichen Länge, während der der Schalter SW1 geschlossen ist, gesteuert werden.

Wird eine Spannung über der Diode D2 erzeugt, indem entweder die Zeitdauer lang gemacht wird, während der die Schalteranordnung leitend ist, oder indem die Induktivitätsspule L2 und eine Last parallelgeschaltet werden, kann diese Spannung während einer langen oder kurzen Zeitdauer durch einender Diode parallelgeschalteten Schalter kurzgeschlossen werden. Auf diese Weise kann die Steuerspannung Uj, auch mit Hilfe eines der Diode P2 parallelgeschalteten Schalters geändert werden.

Die Diode D2 kann eine Zehnerdiode oder aber einer Zehnerdiode parallelgeschaltet sein, um die Spannung U^, auf einen bestimmten Wert zu begrenzen.

Wie zu erkennen ist, gibt es viele Möglichkeiten, zur Steuerung der Ausgangsleistung der neuen Schalteranordnung, wobei die vorstehend beschriebenen Maßnahmen nur wenige Beispiele darstellen. Die verschiedenen Maßnahmen können auch miteinander kombiniert werden.

Die neue Schalteranordnung erfordert keinerlei galvanische Verbindung mit der herkömmlichen Schalteranordnung, mit der sie zusammen arbeitet, kann jedoch ohne funktioneile Beeinflussung mit dieser über eine getrennte Wicklung um den gleichen magnetischen Kreis verbunden werden, wie dieser durch die Induktivität L1 eingeschlossen ist.

Die Induktivitätsspule L2 in der neuen Schalteranordnung muß nicht so bemessen sein, daß sie am Ende der Halbwelle, wenn der Schalter geöffnet wird, gesättigt ist. Bei einer ausreichend niedrigen Spuleninduktivität hat der Strom I_TO durch

509842/0444

jiaibweile, "^:iahrer,d dsr üsr SeChalter geoffest ist₅ ~jan großer zn werden als der "/on d^r Is&oktiTitäi; ϊΐ erzeugte Strom Ι-^., so daß die Diode 31 sperrt. Ssr Haupfcst^om ckircla die Induktivitätsspule L2 bleibt ,jedoch in äies-sia 3?alle größer, wodurch sich Hackteile z.B. in Form größerer Verluste in der Spule L2 ergeben.

Der Schalter SW1 oder die Induktivität L1 in der herkömmlichen Schalteranordnung kann sehr gut parallel mit einem Kondensator geschaltet werden, während sie ihre Funktion einer Ergänzung der neuen Schaltungsanordnung beibehält* Die Benutzung eines Kondensators bringt eine weitere Verminderung der Hochfrequensstörungen und vermindert die Verluste beim Öffnen des Schalters,

Es wurden bisher im einzelnen die verschiedenen Grundsätze der Betriebsweise und der anwendbaren Steuerung erläutert, wenn eine neue Schalteranordnung als Ergänzung für einen einfachen herkömmlichen Schalterregler benutzt wird. Diese Prinzipien können auch bei irgendeinem der verschiedenen bekannten Schalte ran Ordnungen angewendet werden , bei denen ein Schalter induktiv belastet ist. Es werden v/enige Beispiele angegeben, um die Anwendung in solchen Fällen zu erleichtern.

Fig. 8 zeigt einen Typ eines Schalterreglers oder Spannungsumformers, bei dem der an die Last zugeführte Strom aus einer Gleichrichterdiode oder Freilaufdiode D1 erhalten wird. Auch in diesem Beispiel ist das zeitliche Auftreten der in Fig.8 angegebenen Ströme und Spannungen anhand der Fig. 1 und 7 zu beschreiben. Wie aus den Fig. 1 und 7 zu erkennen ist, wird der Strom I^, der bei diesen Beispielen der an die Last gegebene Strom ist, in seinem Mittelwert vergrößert und verkleinert, wenn der Strom 1^, der bei dem vorhergehenden Beispiel der an die Last gegebene Strom war, jeweils vergrößert oder verkleinert wird. Die Grundsätze der Steuerung

509842/0444

25H863

der Eingangsleistung für die Last bleiben selbst in diesem Beispiel gültig.

. 9 zeigt einen Spannungsumformer des sogenannten Rückwärtstyps, der eng verwandt mit dem in S¹Ig. 8 gezeigten Spannungsumformer ist, wobei der einzige Unterschied darin besteht, daß die Induktivität L1 in Fig. 8 mit einer zusätzlichen Wicklung S2 in Fig. 9 versehen ist, um die Stromquelle und die Last galvanisch voneinander zu trennen. Die Impulsdiagramme in den Fig. 1 und 7 sind immer noch anzuwenden, jetzt _mit dem Zusatz, daß der Strom Ij^ in den Fig. 1 und 7 die Summe des Stromes Ig^ und Igp ist, wie dieses in Fig. 9 gezeigt ist.

Verglichen mit dem in der US-PS 3 621 363 gezeigten Spannungsumformer hat der in Fig. 9 gezeigte Spannungsumformer große Vorteile in Form einer Verminderung des Gesamtkern- und Kupfervolumens um mindestens 40% und einer Verringerung der Leistungsverluste in der Größenordnung von etwa 50%. Diese Vorteile sind z.T.durch die bei dem bekannten Spannungsumformer benutzte Induktivitätsspule L20 gegeben, die dort zum Glätten des Vorspannungsstroms benutzt wird und bei der neuen Schalteranordnung vollständig fortgelassen ist. Aber auch die Eisen- und Kupferverluste in einem Transformator T1 der bekannten Schalteranordnung, die bei dessen Sättigung auftreten, werden hier vollständig vermieden.

Das Hinzufügen der Induktivitätsspule L2 bei der neuen Schalteranordnung ist im Hinblick auf die Gesamtleistungsverluste und auf das Gewicht unbedeutend, da der Mittelwert des Stroms durch die Spule L2 gegenüber dem Strom durch die Spule L20 bei der bekannten Schalteranordnung sehr klein ist, wodurch die Induktivitätsspule L2 ebenfalls sehr klein gemacht werden kann.

509842/0444

ϋχ* "K' csigt eine:*; SegeB^afe'ä^SpajiHüSgsmBi'oaas:?, bei dsm Ewei Schalter SWI^ old 5*1fo iriesiigslweise geschlossen sind® Ids wechselweise erzeugte Spannung wird von dem Eransforma-■{*sr 51 transformiert und τοπ den Dioden Dia 'and DIb gleichgerichtet. Bas pulsierende G-leichspanKungspotential wird duraa die Induktivität LI und den Kondensator GI geglättet, bevor es die Last B erreichen kanBo Während der Zeitdauern, während der weder der Schalter SWIe. nock der Schalter SIiIb leitend ist, arbeiten die Dioden D1a und D1b als Freilaufdicden für die Induktivität L1„ Bei einer Schalteranordnung der beschriebenen Art sind die Schalter SV/1 a und SW1b indirekt über den Transformator T1 belastet und induktiv durch die Induktivität L1 belastet. Die neue Schalteranordnung kann auf diese Weise bei diesem Ausführungsbexspiel parallel zur Induktivität L1 geschaltet werden.

Die neue Schalteranordnung arbeitet nach den gleichen Funktionsprinzipien wie zuvor beschrieben, die aus dem Impulsdiagramm der Pig. 11 zu entnehmen sind, wo die gezeigten Ströme und Spannungen den in Fig. 10 gezeigten entsprechen.

Während der in Fig .11 ge zeigten Periode 4OA ist der Schalter SW1a während einer Zeitdauer geschlossen, die durch den monostabilen Ansteuerschalter M1a bestimmt ist. Dieses bewirkt die Induktion einer positiven Spannung U™ über der Transformatorwicklung T1. Diese Spannung wird mit Hilfe der Diode D1a und der Induktivität L1 an die Last übertragen. Während der Periode 4OB sind beide Schalter geöffnet und der durch die Induktivität L1 fließende Strom Ι-™ wird zwischen den Dioden D1a und D1b aufgeteilt. Am Ende der Periode wird die Induktivitätsspule L2 gesättigt und übernimmt den Strom durch die Induktivität L1. Die Ströme Ij^ _a und ¹Df^ duxch· die Dioden nehmen dann ab und ändern ihre Eichtungen, wonach die Dioder: sperren. Die Spannung über der Induktivität LI wird dann stark positiv, ist jedoch in diesem Fall durch, die Zenerdiode Z begrenzt. Mit einem starken Magnetisierungsstrom

509842/0444

des Transformators T1 würde die Diode D1a allein sperren, so daß die schützende Zenerdiode Z nicht erforderlich wäre.

Sperren beide Dioden D1a und D1b oder die Diode D1a allein, so zwingt der Magnetisierungsstrom für den Transformator T1 die Spannung U™ über dem Transformator auf einen negativen Wert. Dieses bewirkt, daß die Spannung über dem Schalter SW1b schwach ist, die von dem monostabilen Ansteuerschalter H1b erfaßt wird. Der Ansteuerschalter schließt dann den Schalter während einer bestimmten Zeitdauer und eine weitere Halbwelle beginnt. Während dieser Halbwelle ist der Schalter SW1b geschlossen und die Diode D1b leitend, jedoch bleibt die prinzipielle Arbeitsweise die gleiche wie bei der vorhergehenden Periode.

Die neue Schalteranordnung kann als Zusatz zu zwei oder mehr herkömmlichen Schalteranordnungen mit der gleichen Spannungsquelle oder der gleichen Last oder mit beiden verbunden werden. Arbeiten die Schalteranordnungen mit einer Phasenverschiebung oder mit unterschiedlichen Frequenzen, wird die Belastung an den Glättungsfiltern am Eingang oder Ausgang oder beiden geringer, wodurch die Größe und der Preis der IiIter verringert werden kann. Die Phasenverschiebung und die unterschiedlichen Frequenzen kann vollständig beliebig sein oder sie kann positiv entsprechend zum Stand der Technik gehörender Maßnahmen gesteuert werden.

509842/0444

Claims (11)

1. -¹⁶- 25H863

   Patentansprüche

   Schalteranordnung mit mindestens einem periodisch schließenden und öffnenden Schalter, der unmittelbar oder über einen Transformator mittelbar mit einer konstanten Induktivität belastet ist, deren magnetischer Kreis von mindestens einer Wicklung umschlossen ist, die mit einer oder mehr Dioden in Reihe geschaltet ist, und mit einer mit dem Schalter verbundenen Last, dadurch gekennzeichnet , daß die oder eine der Wicklungen von einer Induktivitätsspule (L2) mit einer Belastung beaufschlagt sind, die bei Beginn der Halbwelle, während der der oder die Schalter (SW1,SW1a, SW1b) geöffnet sind, erheblich geringer ist als die Ausgangsleistung der Induktivität (L1) in diesem Augenblick, jedoch gleich oder größer als die Ausgangsleistung am Ende der Halbwelle ist.
2. 2. Schalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die -Induktivitätsspule (L2) am Ende der Halbwelle gesättigt wird, während der der oder die Schalter (SW1, SW1a, SW1b) geöffnet sind.
3. 3. Schalteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Induktivitätsspule (L2), ein Steuerglied (B¹) und eine den magnetischen Kreis der Induktivität (L1) umschließende Wicklung gemeinsam eine geschlossene Reihenschaltung bilden, in der eine Spannung über dem Steuerglied zur Steuerung der an die Last (B) abgegebenen Leistung erzeugt werden kann.
4. 4-, Schalteranordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß das Steuerglied (IT) eine Diode (D2) aufweist, über der die Steuerspannung einstellbar ist.

   509842/0444

   25U863
5. 5. Schalteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Diode (D2) eine Zenerdiode oder einer Zenerdiode parallelgeschaltet ist.
6. 6. Schalteranordnung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet , daß die an die Last (B) abgegebene Leistung durch Änderung der Zeitdauer steuerbar ist, während der der oder die Schalter (SW1, SW1a, SW1b) geschlossen sind.
7. 7. Schalteranordnung nach Anspruch 4· oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß eine Spannungsquelle mit Hilfe eines Schalters (SWJ) der Diode (D2) parallelgeschaltet ist, um die an die Last (B) abgebbare Leistung zu steuern.
8. 8. Schalteranordnung nach Anspruch 7i dadurch gekennzeichnet , daß der Schalter (SW3) nur dann geschlossen ist,wenn der Strom durch die Induktivitätsspule (L2) schwach ist.
9. 9. Schalteranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß eine Wicklung auf der Induktivitätsspule (L2) zur Steuerung der an die Last (B) abgebbaren Leistung belastbar ist.
10. 10. Schalteranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9i dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (D2) einem Schalter parallelgeschaltet ist, um die an die Last (B) abgebbare Leistung zu steuern.
11. 11. Schalteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Induktivität (^Ι/ι) und der oder die Schalter (SW1, SW1a, SViIb) einem Kondensator (C1) parallelgeschaltet sind.

    509842/0444

    25H863

    12« Schalteranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr in den vorhergehenden Ansprächen gekennzeichnete: Schalteranordnungen mit der gleichen Spannungsquelle (E1) oder der gleichen Last (B) oder mit beiden verbunden sindj wobei die Schalteranordnungen mit einer Phasenverschiebung oder mit unterschiedlichen Frequenzen zueinander arbeiten.

    509842/0444