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Beschreibung und Patentansprüche
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Anordnung ohne prinzipbedingte Verluste zur---Entlastung-elektrischer
oder elektronischer Einwegschalter von ihrer Verlustleistungsbeanspruchung beim
Ausschalten.
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Elektrische oder elektronische Einwegschalter werden auf sehr zahlreichen
Gebieten der Elektrotechnik eingesetzt. Sie besitzen zwei Hauptstromanschlüsse und
eine Vorrichtung, mit deren Hilfe sie vom leitenden in den sperrenden Zustand und
zurück versetzt werden können. Ein Fluß des Hauptstromes ist betriebsmäßig nur in
einer Richtung, nämlich von der Hauptstromelektrode E (Eingang) zur Hauptstromelektrode
A (Ausgang) vorgesehen. Aus dieser betriebsmäßigen Beschränkung auf eine Stromflußrichtung
resultiert die Bezeichnung Einwegschalter. Im leitenden Zustand setzt der Einwegschalter
einem von der Elektrode E zur Elektrode A fließenden Strom I nahezu keinen Widerstand
entgegen. In diesem leitenden Zustand « ist infolgedessen die am Einwegschalter
liegende Spannung nahezu Null. Umgekehrt setzt der Einwegschalter einem von der
Elektrode E zur Elektrode A fließenden Strom im sperrenden Zustand einen sehr hohen
Widerstand entgegen. In diesem sperrenden Zustand ß ist infolgedessen dieser Strom
auch dann nahezu Null, wenn zwischen den Elektroden E und A eine erhebliche Spannung
anliegt.
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Beispiele für derartige elektrische oder elektronische Einwegschalter
sind abschaltbare Thyristoren (Gate-turn-off-Thyristoren), als Schalter betriebene
bipolare Transistoren, als Schalter betriebene Unipolartransistoren(Feldeffekttransistoren)
sowie im Einwegbetrieb eingesetzte Schalter mit mechanischer Kontaktgabe.
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Aus wirtschaftlichen Gründen ist man bestrebt, die thermische Beanspruchung
solcher Einwegschalter möglichst gering zu halten. Zum einen geschieht dies dadurch,
daß man die Zustände a (Einwegschalter ist leitend) und ß (Einwegschalter ist gesperrt)
möglichst ideal realisiert, derart, daß im Zustand a die Spannung am Schalter und
im Zustand ß der Strom durch den Schalter jeweils ihre kleinstmöglichen Werte annehmen,
um auf diese Weise zu erreichen, daß das Produkt UI, welches die im Schalter in
Wärme umgesetzte Verlustleistung repräsentier so gering wie möglich wird. Beim Übergang
vom Zustand cx in den Zustand ß und umgekehrt erfährt der Einwegschalter aber ohne
zusätzliche Vorkehrungen gleichzeitig eine nennenswerte Strom- und Spannungsbelastung,
was während dieses Obergangs erhebliche momentane Verlustleistungen zur Folge hat.
Zum anderen ist man daher bestrebt, diese Übergänge vom Zustand cx in den Zustand
ß und umgekehrt außerordentlich rasch vorzunehmen, damit die Verlustenergie -je
Umschaltvorgang so gering wie möglich wird.
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Aber auch bei hoher Umschaltgeschwindigkeit und damit kurzer Obergangszeit
von einem in den anderen Schaltzustand ist die gleichzeitige Beanspruchung des Einwegschalters
mit erheblichen Werten von Strom und Spannung unerwünscht. Dies sowohl wegen der
dabei verlorengehenden Nutzenergie als auch wegen der dabei auftretenden elektri-
-schen Beanspruchung der Einwegschalter, welche häufig die entscheidende Grenze
für deren Belastbarkeit darstellt. Dies gilt insbesondere für den Abschaltvorgang
des Einwegschalters, d.h. den Übergang vom leitenden Zustand a in den sperrenden
Zustand ß.
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Diese Ausführungen seien an einem Beispiel verdeutlicht. Fig. 1 zeigt
eine Anordnung, bei welcher ein gemischt ohmisch-induktiver Verbraucher (1) unter
Zwischenschaltung eines elektronischen Einwegschalters (2) - welcher hier beispielhaft
als npn-Transistor ausgeführt ist - aus einer Gleichspannungsquelle (3) gespeist
wird. Damit der Strom durch den Verbraucher auch dann weiterfließen kann, wenn ihm
der Weg durch den Einwegschalter versperrt ist, weil sich dieser im sperrenden Zustand
ß befindet, ist dem Verbraucherzweipol eine Freilaufdiode (4) antiparallel geschaltet.
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Wird der Einwegschalter (2) in Fig. 1 nun vom leitenden Zustand a
in den gesperrten Zustand ß versetzt (beim beispielhaft angenommenen Transistor
dadurch, daß dessen Basisstrom verringert wird), so wächst der zwischen den beiden
Hauptstromelektroden E und A wirksame Widerstand von einem zunächst sehr geringen
auf einen sehr hohen Wert an. Während dieses sehr rasch ablaufenden Vorganges ändert
der Strom durch den Verbraucherzweipol (1) aufgrund der dort enthaltenen Drossel
seine Größe praktisch nicht. Infolgedessen steigt die Spannung zwischen den Hauptstromelektroden
E und A des Einwegschalters von einem zunächst sehr kleinen auf immer höhere Werte
an. Erst wenn die Spannung IJ zwischen den Hauptstromelektroden des Einwegschalters
(2) so groß geworden ist wie die Summe der Quellenspannung UO und der Schleusenspannung
der Freilaufdiode (4), beginnt der Strom-durch den Verbraucherzweipol über diese
Diode zu fließen, und erst wenn dieser Zustand erreicht ist, geht der Strom durch
den Einwegschalter (2) auf einen sehr geringen Wert zurück.
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Dies geschieht nicht schlagartig, sondern aufgrund stets vorhandener
Schaltungsinduktivitäten ebenfalls in einer endlichen Zeitspanne.
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Die beschriebenen zeitlichen Verläufe des Stromes I durch den Einwegschalter
und der SpannungU zwischen seinen beiden Hauptstromelektroden
sind
in Figur 2 dargestellt. Aus diesen zeitlichen Verläufen U(t) und I(t) bestimmt sich
in einfacher Weise das Produkt U(t) I(t) welches in Fig. 2 ebenfalls dargestellt
ist. Man erkennt deutlich die bereits beschriebene hohe Verlustleistungsspitze im
Einwegschalter beim Abschalten desselben.
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Um diese Verlustleistungsspitze zu verringern, ist es erforderlich,
den Strom durch den Einwegschalter bereits auf unschädliche Werte zurückzunehmen,
b e v o r die Spannung zwischen seinen Hauptstromelektroden auf erhebliche Werte
angestiegen ist.
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Dazu liegt es nahe, zwischen den beiden Hauptstromelektroden des Einwegschalters
einen Kondensator-Dioden-Nebenweg vorzusehen, welcher beim Ausschalten des Einwegschalters
den bis dahin durch diesen geflossenen Strom übernimmt und die dabei aufgenommene
Ladung beim nächsten Einschalten des Einwegschalters über diesen und zwischengeschaltete
Ohmwiderstände wieder abgibt.
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Fig. 3 zeigt die Anordnung nach Fig. 1 nach Erweiterung um ein derartiges
bekanntes Entlastungsnetzwerk, bestehend aus dem Kondensator C , der Diode D und
dem Entladewiderstand R.
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War in dieser Anordnung der Einwegschalter (2) zunächst längere Zeit
eingeschaltet und der Kondensator C infolgedessen auf die Spannung uC = 0 entladen
und wird dann der Einwegschalter vom leitenden Zustand a in den sperrenden Zustand
ß versetzt, so beginnt der Strom durch den Verbraucherzweipol vom Einwegschalter
(2) auf den durch die Diode D und den
Kondensator C gebildeten
Nebenweg überzuwechseln, sobald die Spannung U zwischen den Hauptstromelektroden
des Einwegschalters den Wert der Schleusenspannung der Diode D erreicht hat. Bei
genügend großer Kapazität des Kondensators C ist der Strom durch den Einwegschalter
dann bereits auf unerhebliche Werte abgesunken, bevor die Spannung am Kondensator
und damit auch jene zwischen den Hauptstromelektroden des Einwegschalters einen
nennenswerten Betrag angenommen haben.
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Die zeitlichen Verläufe des Stromes I durch den Einwegschalter und
der Spannung U zwischen seinen beiden Hauptstromelektroden sowie des Stromes ic
durch den Kondensator C sind in Figur 4 dargestellt.
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Aus den zeitlichen Verläufen U(t) sowie I(t) bestimmt sich in einfacher
Weise das Produkt U(t) I(t), welches in Figur 4 ebenfalls aufgetragen ist. Man erkennt,
daß der gewünschte Effekt erreicht, d.h. die kritische Verlustleistungsspitze beim
Ausschalten entfallen ist. Entlastungsanordnungen dieser Art weisen jedoch einen
gravierenden Nachteil auf.
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Die dem Dioden-Kondensator-Nebenzweig während des Ausschaltvorgangs
zugeführte elektrische Energie wird im Anschluß an das nächste Wiedereinschalten
des Einwegschalters zur Vorbereitung der Entlastung beim folgenden Wiederausschalten
in ohmsche Verluste umgesetzt. Bei hohen Umschaltzahlen je Zeiteinheit treten infolgedessen
beträchtliche Energieverluste und unerwünschte Erhitzungserscheinungen auf und der
von
der Umladung des Entlastungskondensators nach dem Wiedereinschalten des Einwegschalters
beanspruchte Ohmwiderstand muß für hohe Belastung ausgelegt werden.
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Die mit dieser Erfindung vorgestellte Anordnung vermeidet diese Nachteile.
Sie ist für die Entlastung von Einwegschaltern von ihrer Verlustleistungsbeanspruchung
beim Ausschalten universell einsetzbar und weist keine prinzipbedingten - beim.Einsatz
von Ohmwiderständen unvermeidbaren - Verluste auf.
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Bei der folgenden Beschreibung ihrer Funktion sei berücksichtigt,
daß elektrische oder elektronische Einwegschalter üblicherweise derart eingesetzt
werden, daß eine ihrer beiden Hauptstromelektroden beim Abschalten des über sie
fliessenden Stromes ihr elektrisches Potential gegenüber dem zuvor speisenden elektrischen
System nicht nennenswert ändert.
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Sie wird im weiteren, der beschriebenen Eigenschaft entsprechend,
als die Schalterelektrode mit konstantem Potential bezeichnet (im Beispiel nach
Fig. 1 ist dies die Ausgangselektrode A). Gegenüber ihr ändert sich das Potential
der jeweils verbleibenden Hauptstromelektrode beim Abschalten des Einwegschalters
gemäß dessen Funktion in erheblichem Umfang. Diese zweite Hauptstromelektrode sei
gemäß dieser Eigenschaft als die Schalterelektrode mit springendem Potential bezeichnet
(im Beispiel nach Fig. 1 ist dies die Eingangselektrode E ). Nach erfolgtem Abschalten
nimmt diese Schalterelektrode mit springendem
Potential gegenüber
jener mit konstantem Potential eine positive oder negative Spannung Usp an (im Beispiel
nach Fig. 1 ist dies - bei Vernachlässigung der sehr geringen Schleusenspannung
der Diode (4) -die Spannung UO ).
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Oblicherweise ist in der Gesamtschaltung ein Punkt vorhandeln, welcher
gegenüber der Schalterelektrode mit konstantem Potential eine näherungsweise gleich
große,zeitlich aber weitgehend konstante oder nur relativ langsam veränderliche
Spannung aufweist (im Beispiel nach Fig. 1 ist dies die obere Anschlußelektrode
der Gleichspannungsquelle (3) bzw. der damit galvanisch verbundene Punkt P ). Sofern
sich in Abweichung vom Oblichen in der ursprünglichen Schaltung selbst kein Punkt
mit dieser Eigenschaft finden läßt, kann ein solcher entweder durch Umgruppierung
der vorhandenen Bauelemente oder unter Zuhilfenahme passiver sowie gegebenenfalls
zusätzlicher aktiver elektrischer und elektronischer Bauelemente in einfacher Weise
auch ergänzend geschaffen werden. Unabhängig davon sei dieser Schaltungspunkt als
der Punkt mit Sperrspannungspotential bezeichnet. Er weist gegenüber der Schalterelektrode
mit konstantem Potential entsprechend den vorangegangenen Ausführungen eine zeitlich
weitgehend konstante Spannung auf, welche näherungsweise so groß ist wie jene Sperrspannung
Usp , welche die Schalterelektrode mit springendem Potential gegenüber der Schalterelektrode
mit konstantem Potential im Anschluß an das Abschalten des Einwegschalters annimmt.
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Erfindungsgemäß wir; nun unter Zuhilfenahme aktiver
und/oder
passiver elektrischer und/oder elektronischer Bauelemente ein Schaltungspunkt gebildet,
welcher gegenüber der Schalterelektrode mit konstantem Potential eine Spannung aufweist,
welche etwa halb so groß ist wie die Spannung, welche der Punkt mit Sperrspannungspotential
gegenüber der Schalterelektrode mit konstantem Potential aufweist. Sollte ein belastbarer
Schaltungspunkt mit dieser Eigenschaft in der ursprünglichen Schaltung bereits vorhanden
sein (z.B.
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als Mittelanzapfung einer Batterie), kann auch dieser in der nachfolgend
beschriebenen Weise verwendet werden.
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In beiden Fällen sei dieser Schaltungspunkt als Punkt mit halbem Sperrspannungspotential
bezeichnet.
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Erfindungsgemäß wird nun zwischen die erläuterten Schaltungspunkte
ein Entlastungsnetzwerk eingefügt, welches aus einem Kondensator, zwei Dioden und
einer Drossel besteht. Eine der beiden Anschlußelektroden dieser Drossel wird mit
dem Punkt mit halbem Sperrspannungspotential verbunden. Die verbleibende Anschlußelektrode
der Drossel wird über zwei in Reihe geschaltete Dioden mit dem Schaltungspunkt mit
Sperrspannungspotential verbunden, wobei die Anschlußrichtung beider Dioden gleich
und so gewählt ist, daß über sie kein kontinuierlicher Stromfluß zwischen dem Punkt
mit halbem Sperrspannungspotential und dem Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential
möglich ist. Der Verbindungspunkt der beiden Dioden untereinander - in dem die Anode
der einen und die Kathode der anderen Diode zusammengeführt sind - wird
unter
Zwischenschaltung des Kondensators noch mit der Schalterelektrode mit springendem
Potential verbunden.
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Damit erfüllt dieses Netzwerk die erwünschte, im-folgenden beschriebene
Entlastungsfunktion. Unmittelbar im Anschluß an das Einschalten des Einwegschalters
wird der Kondensator über den Einwegschalter selbst, die Drossel und die mit dieser
direkt verbundene Diode so aufgeladen, daß jene Kondensatorelektrode, an welche
die beiden Dioden angeschlossen sind, gegenüber dem anderen, mit der Schalterelektrode
verbundenen Kondensatoranschluß eine Spannung aufweist, welche näherungsweise so
groß ist wie jene Sperrspannung, welche die Schalterelektrode mit springendem Potential
gegenüber der Schalterelektrode mit konstantem Potential nach Abschluß des Abschaltvorgangs
des Einwegschalters annimmt.
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Wird nun das nächste Abschalten des Einwegschalters durch rasche Erhöhung
des zwischen seinen Hauptstromelektroden wirksamen Widerstandes eingeleitet, so
kann die Spannung zwischen diesen Hauptstromelektroden nur so rasch anwachsen, wie
der Kondensator von dem zuvor über den Einwegschalter geflossenen Strom wieder entladen
wird. Bei genügend großer Kapazität des Kondensators ist der Strom durch den Einwegschalter
dann bereits auf unerhebliche Werte abgesunken, bevor die Spannung zwischen den
Hauptstromelektroden des Einwegschalters einen nennenswerten Betrag angenommen hat.
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Damit ist ohne prinzipbedingte Verluste erreicht, daß der Einwegschalter
von seiner Verlustleistungsbeanspruchung
beim Ausschalten entlastet
wird.
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Diese Ausführungen seien an einem Beispiel verdeutlicht.
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Fig. 5 zeigt die Anordnung gemäß Fig. 1 nach Erweiterung um ein derartiges,
ohne prinzipbedingte Verluste arbeitendes Entlastungsnetzwerk, bestehend aus dem
Entlastungskondensator (5), der Entlastungsdiode (6), der Ladedrossel (7) und der
Lade diode (8). Im Beispiel nach Fig. 1 ist - wie sofort zu erkennen ist - die Eingangselektrode
E des Einwegschalters die Schalterelektrode mit springendem Potential; somit ist
die obere Anschlußelektrode der speisenden Gleichspannungsquelle (3) bzw. der mit
dieser galvanisch verbundene Punkt P der Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential
und der Mittelabgriff der speisenden Gleichspannungsquelle bzw. der hiermit galvanisch
verbundene Punkt Q ist der Punkt mit halbem Sperrspannungspotential.
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Wird in der Gesamtanordnung nach Fig. 5 der Einwegschalter (2) nach
längerer Einschaltdauer für einige Zeit abgeschaltet, so wird der Strom durch den
gemischt ohmisch-induktiven Verbraucher sich schließlich allein über die Freilaufdiode
(4) schliessen. Dann ist der Entlastungskondensator (5) nahezu vollständig entladen,
seine Spannung uC also praktisch.Null. Wird der Einwegschalter (2) in Fig. 5 nun
vom gesperrten Zustand in den leitenden Zustand versetzt, dann wechselt zum einen
der. bisher über die Freilaufdiode geflossene Verbraucherstrom wieder auf den Einwegschalter
über und zum anderen lädt sich der Entlastungskondensator (5)
nahezu
auf die Spannung UO auf und behält den erreichten Wert wegen der Sperrwirkung der
Ladediode (8) anschliessend bei. Dabei wird das Zeitintervall für diesen Aufladevorgang
in bekannter Weise durch das Produkt aus der Induktivität L der Ladedrossel (7)
und der Kapazität c des Entlastungskondensators (5) festgelegt, während der dabei
auftretende Maximalwert des Kondensatorstromes durch den Quotienten dieser beiden
Größen bestimmt wird. Wird der Einwegschalter (2) in Fig. 5 nun wieder vom leitenden
Zustand in den sperrenden Zustand versetzt, so beginnt der Strom durch den Verbraucherzweipol
(1) vom Einwegschalter (2) auf den durch die Entlastungsdiode (6) und den Entlastungskondensator
(5) gebildeten Nebenweg überzuwechseln, sobald die Summe aus der zunächst noch konstanten
Kondensatorspannung uC und der ansteigenden Spannung U zwischen den Hauptstromelektroden
des Einwegschalters so groß geworden ist wie die Summe aus der Spannung UO der Gleichspannung
quelle (3) und der - kleinen - Schleusenspannung der Entlastungsdiode (6). Da zuvor
uU0 um ist, findet dieses Oberwechseln des Stromes bereits bei einer sehr geringen
Spannung U zwischen den Hauptstromelektroden des Einwegschalters statt. Bei genügend
großer Kapazität C des Entlastungskondensators (5) ist der Strom durch den Einwegschalter
dann bereits auf unerhebliche Werte abgesunken, bevor die Spannung am Entlastungskondensator
(5) nennenswert abgesunken ist und damit die Spannung zwischen den Hauptstromelektroden
des
Einwegschalters einen nennenswerten Betrag angenommen hat. Die zeitlichen Verläufe
des Stromes I durch den Einwegschalter und der Spannung U zwischen seinen beiden
Hauptstromelektroden sowie des Stromes i durch den Entlastungskondensator und die
an diesem liegende Spannung uC sind in Figur 6 dargestellt.
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Aus den zeitlichen Verläufen U(t) sowie I(t) bestimmt sich in einfacher
Weise das Produkt U(t) e I(t), welches in Figur 6 ebenfalls aufgetragen ist. Man
erkennt, daß der gewünschte Effekt erreicht, d.h. die kritische Verlustleistungsspitze
beim Ausschalten entfallen ist.
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Zur Demonstration des breiten Anwendungsbereiches der Erfindung seien
noch einige Einsatzbeispiele aufgeführt.
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Figur 7 entspricht weitgehend der Anordnung gemäß Figur 5 mit Ausnahme
des Umstandes, daß die Reihenfolge von Einwegschalter und Verbraucherzweipol vertauscht
ist und infolgedessen die Ausgangselektrode A des Einwegschalters die Schalterelektrode
mit springendem Potential darstellt.
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Figur 8 zeigt einen sog. Hochsetzsteller (engl. boost converter)>
in welchen ein Ausschalt-Entlastungsnetzwerk gemäß der vorliegenden Erfindung eingefügt
ist.
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Dieser Hochsetzsteller überträgt elektrische Energie von der links
angeschlossenen Gleichspannungsquelle (3) mit der Spannung UO in das rechts anzuschliessende
Gleichspannungssystem
mit der - größeren - Spannung Ua Hier ist - wie wieder sofort zu erkennen ist -
die Eingangselektrode E des Einwegschalters die Schalterelektrode mit springendem
Potential; somit ist die obere Anschlußelektrode der gespeisten Gleichspannungsquelle
bzw. der mit dieser galvanisch verbundene Punkt P der Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential
und der - vorhandene oder ergänzend gebildete - Mittelabgriff des gespeisten Gleichspannungssystems
bzw. der hiermit galvanisch verbundene Punkt Q ist der Punkt mit halbem Sperrspannungspotential.
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Figur 9 entspricht wieder weitgehend der Anordnung gemäß Figur 8 mit
Ausnahme des Umstandes, daß die Reihenfolge von Einwegschalter (2) und Speicherdrossel
(9) vertauscht ist und infolgedessen die Ausgangselektrode A des Einwegschalters
die Schalterelektrode mit springendem Potential darstellt.
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Fig. 10 zeigt einen sog. Tiefsetzsteller (engl. buck converter), in
welchen ebenfalls ein Ausschalt-Entlastungsnetzwerk gemäß der vorliegenden Erfindung
eingefügt ist. Dieser Tiefsetzsteller überträgt elektrische Energie von der links
angeschlossenen Gleichspannungsquelle (3) mit der Spannung UO in das rechts anzuschliessende
Gleichspannungssystem mit der - kleineren - Spannung Ua Hier ist - wie wieder sofort
einzusehen ist - die Eingangselektrode E des Einwegschalters die Schalterelektrode
mit springendem Potential; somit ist die obere Anschlußelektrode der speisenden
Gleichspannungsquelle
bzw. der mit dieser galvanisch verbundene
Punkt P der Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential und - der vorhandene oder
ergänzend gebildete -Mittelabgriff der speisenden Gleichspannungsquelle bzw.
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der hiermit galvanisch verbundene Punkt Q ist der Punkt mit halbem
Sperrspannungspotential, Die folgende Figur 11 entspricht wieder weitgehend der
Anordnung gemäß Figur 10 mit Ausnahme der Umstände, daß die Reihenfolge von Einwegschalter
(2) und Speicherdrossel (9) vertauscht ist und infolgedessen die Ausgangselektrode
A des Einwegschalters die Schalterelektrode mit springendem Potential darstellt
und daß hier beispielhaft ein pnp-Transistor als Einwegschalter fungiert.
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Fig. 12 zeigt schließlich einen sog. Hoch-und Tiefsetzsteller (engl.
buck-boost converter), in welchen wieder ein Ausschaltentlastungsnetzwerk gemäß
der vorliegenden Erfindung eingefügt ist. Dieser Hoch- und Tiefsetzsteiler kann
elektrische Energie von der links angeschlossenen Gleichspannungsquelle (3) mit
der Spannung UO in das rechts anzuschliessende Gleichspannungssystem übertragen,
unabhängig davon, ob dessen Spannung Ua größer oder kleiner ist als UO . Hier ist
- wie ebenfalls sofort einzusehen ist - die Eingangselektrode E des Einwegschalters
die Schalterelektrode mit springendem Potential; somit ist die untere Anschlußelektrode
des gespeisten Gleichspannungssystems bzw. der mit dieser galvanisch verbundene
Punkt P der Schaltungspunkt mit
Sperrspannungspotential und der
- vorhandene oder ergänzend gebildete - Mittelpunkt Q zwischen den beiden unteren
Elektroden des speisenden'und des gespeisten Gleichspannungssystems der Punkt mit
halbem Sperrspannungspotential.
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Fig. 13 entspricht wieder weitgehend der Anordnung gemäß Figur 12
mit Ausnahme des Umstands, daß die Reihenfolge von Einwegschalter (2).und.Speicherdrossel
(9) vertauscht ist und infolgedessen die Ausgangselektrode A des Einwegschalters
die Schalterelektrode mit springendem Potential darstellt.
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An den bisher beschriebenen Beispielen wurde deutlich, daß dann, wenn
die Schalterelektrode mit springendem Potential durch die Eingangselektrode des
Enwegschal-.
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ters gebildet wird, vom Schaltungspunkt mit halbem Sperrspannungspotential
elektrische Ladung über das Entlastungsnetzwerk abfließt und daß umgekehrt dann,
wenn die Schalterelektrode mit springendem Potential durch die Ausgangselektrode
des Einwegschalters gebildet wird, zum Schaltungspunkt mit halbem Sperrspannungspotential
elektrische Ladung über das Entlastungsnetzwerk hinfließt. Danach kann dann, wenn
in einer Gesamtschaltung Einwegschalter paarweise eingesetzt sind derart,daß bei
der einen Hälfte der Einwegschalter jeweils die Eingangselektroden die Schalterelektroden
mit springendem Potential sind und daß bei d.er anderen Hälfte der Einwegschalter
jeweils die Ausgangselektroden
die Schalterelektroden mit springendem
Potential darstellen, der Punkt mit halbem Sperrspannungspotential in höchst einfacher
und dennoch verlustleistungsfreier Weise durch einen kapazitiven Spannungsteiler
zwischen jenen beiden Schaltungspunkten gebildet wird, die für je eine Hälfte der
Einwegschalter den Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential darstellen oder es
kann dieser Schaltungspunkt mit halbem Sperrspannungspotential auch ganz entfallen,
wenn dafür gesorgt wird, daß diesem vorhandenen oder nur noch gedachten Punkt über
die Entlastungsnetzwerke der Einwegschalter elektrische Ladung sowohl zugeführt
als auch entnommen wird.
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Fig. 14 zeigt als Beispiel für die erstgenannte Möglichkeit einen
Zweig einer Wechselrichterschaltung mit zwei Einwegschaltern (2) und einer Ausgangselektrode
(10). P1 ist der Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential für den oberen Einwegschalter,
P2 der entsprechende Schaltungspunkt für den unteren Einwegschalter. Der Mittelabgriff
des rechts skizzierten kapazitiven Spannungsteilers, der Schaltungspunkt Q ist für
beide Einwegschalter der Punkt mit halbem Sperrspannungspotential. Ihm wird über
das Entlastungsnetzwerk des unteren Einwegschalters elektrische Ladung entnommen
und über das Entlastungsnetzwerk des oberen Einwegschalters elektrische Ladung zugeführt.
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Der skizzierte Mittelabgriff des kapazitiven Spannungsteilers ist
auch für weitere Zweige der Wechselrichtergesamtschaltung ein Punkt mit halbem Sperrspannungspotential
und
kann daher auch als Anschlußpunkt für deren Entlastungszweige verwendet werden.
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Fig. 15 a zeigt als weiteres Beispiel für den beschriebenen paarweisen
Einsatz von Einwegschaltern einen Eintakt-Durchflußwandler. Auch. hier ist P1 der
Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential für den oberen Einwegschalter, P2 der
entsprechende Schaltungspunkt für den unteren Einwegschalter. Der Mittelabgriff
des rechts zunächst skizzierten kapazitiven Spannungsteiles, der Schaltungspunkt
Q , ist auch hier für beide Einwegschalter der Punkt mit halbem Sperrspannungspotential.
Ihm wird über das Entlastungsnetzwerk des unteren Einwegschalters elektrische Ladung
entnommen und über das Entlastungsnetzwerk des oberen Einwegschalters elektrische
Ladung zugeführt. Im Gegensatz zur Anordnung nach Figur 14 erfolgen Ladungszufuhr
und Ladungsabfuhr hier aber während derselben Zeitintervalle. Das bedeutet, daß
der kapazitive Spannungsteiler auch entfallen kann, die beiden Ladedrosseln (7)
zusammengefaßt werden dürfen und auf eine der beiden Ladedioden (8) verzichtet werden
kann.
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Die dann entstehende Anordnung ist in Figur 15 b wiedergegeben und
besticht durch besonders einfachen Aufbau.
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Diese besonders vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung ist
allerdings immer nur dann anwendbar wenn in einer Gesamtschaltung Einwegschalter
in der
beschriebenen Art paarweise eingesetzt werden und dazuhin
jeweils ein solches Paar gleichzeitig eihgeschaltet ist. Dies ist z.B. auch dann
gegeben, wenn der Eintaktdurchflußsteller nach Figur 15 b durch Hinzufügen zweier
weiterer Einwegschalter zum Gegentaktdurchflußsteller ergänzt wird oder letzterer
unter Fortfall des Ausgangsgleichrichters und gegebenenfalls auch des Ausgangstransformators
als Brückenwechselrichter betrieben wird.
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Eine derartige Anordnung ist in Figur 16 dargestellt.
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Abschliessend sei noch an zweien der aufgeführten Beispiele erläutert,
wie dann, wenn in einer Gesamtschaltung Einwegschalter als Einzelelemente, d.h.
nicht paarweise eingesetzt werden, der erforderliche Punkt mit halbem Sperrspannungspotential
auf einfache, verlustleistungsfreie Weise ergänzend gebildet werden kann.
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In Fig. 17 ist der Hochsetzsteller nach Fig. 8 nochmals skizziert
und um einen praktisch verlustfrei arbeitenden Mittelpunktbildner für die Ausgangsspannung
Ua ergänzt, welcher in den strichlierten Kasten (11) eingezeichnet ist und beispielhaft
aus zwei kleinen Hilfstransistoren, einem astabilen Multivibrator, zwei Hilfsdioden,
einer Drossel mit Mittelanzapfung und einer kleinen Speicherdrossel sowie zwei Glättungskondensatoren
besteht. Dieser Mittelpunktbildner legt das Potential des Punktes Q in der gewünschten
Weise auf das halbe Sperrspannungspotential fest und führt
dem
Punkt Q die erforderliche elektrische Ladung zu.
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Dagegen muß ein entsprechender Mittelpunktbildner für den in Figur
13 dargestellten Hoch- und Tiefsetzsteller dem dort eingetragenen Punkt Q elektrische
Ladung entnehmen. Figur 18 zeigt beispielhaft, wie dies mit einem Mittelpunktbildner
geschehen kann, der die gleichen Bauelemente enthält wie der in Figur 17 dargestellte,
lediglich in etwas geänderter Konfiguration.
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L e e r s e i t e