DE2639589A1 - One-way switch with minimal power loss - is fitted with switch=off stage formed by diode, capacitor and resistor - Google Patents
One-way switch with minimal power loss - is fitted with switch=off stage formed by diode, capacitor and resistorInfo
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Abstract
Description
Beschreibung und PatentansprücheDescription and claims
Anordnung ohne prinzipbedingte Verluste zur---Entlastung-elektrischer oder elektronischer Einwegschalter von ihrer Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten.Arrangement without principle-related losses for --- electrical discharge or electronic one-way switch from their power dissipation Switch off.
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.Electric or electronic one-way switches are used on a very large number Areas of electrical engineering. They have two main power connections and a device with the help of which they switch from the conductive to the blocking state and can be moved back. A main stream flow is operational only in one direction, namely from the main current electrode E (input) to the main current electrode A (output) provided. From this operational restriction to one direction of current flow results in the designation one-way switch. The one-way switch sets in the conductive state a current I flowing from electrode E to electrode A has almost no resistance opposite. As a result, the one-way switch is in this conductive state lying voltage almost zero. Conversely, the one-way switch sets one of the Electrode E to electrode A has a very high current flowing in the blocking state Opposition. As a result, this current is in this blocking state almost zero even if there is a considerable voltage between electrodes E and A. is present.
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.Examples of such electrical or electronic one-way switches are switchable thyristors (gate-turn-off thyristors) operated as switches bipolar transistors, unipolar transistors operated as switches (field effect transistors) as well as switches with mechanical contact used in one-way operation.
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.For economic reasons, efforts are made to reduce the thermal stress to keep such one-way switch as low as possible. On the one hand, this is done by that the states a (one-way switch is conductive) and ß (one-way switch is blocked) Realized as ideally as possible, in such a way that in state a the voltage across the switch and in state ß the current through the switch takes on its smallest possible values, in order to achieve that the product UI, which is the one in the switch in Heat dissipated power loss is represented as low as possible. At the transition from the state cx to the state ß and vice versa, however, the one-way switch experiences without additional precautions at the same time a significant current and voltage load, which results in considerable momentary power losses during this transition. On the other hand, efforts are therefore made to make these transitions from the state cx to the state ß and vice versa to be carried out extremely quickly, so that the energy loss - ever Switching process is as small as possible.
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.But also with a high switching speed and thus a short transition time from one to the other switching state is the simultaneous loading of the one-way switch with significant values of current and voltage undesirable. Both because of the thereby lost useful energy as well as because of the electrical -schen stress on the one-way switch, which is often the decisive limit for their resilience. This applies in particular to the shutdown process of the one-way switch, i.e. the transition from the conducting state a to the blocking state Condition ß.
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.These statements are illustrated by an example. Fig. 1 shows an arrangement in which a mixed ohmic-inductive load (1) under Interposition of an electronic one-way switch (2) - which is an example here is designed as an npn transistor - fed from a DC voltage source (3) will. So that the electricity can continue to flow through the consumer even if he is the way through the one-way switch is blocked because it is in the blocking state ß is located, a free-wheeling diode (4) is connected in antiparallel to the two-pole load.
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.If the one-way switch (2) in Fig. 1 is now from the conductive state a in the blocked state ß (for the transistor assumed as an example by reducing its base current), that between the two increases Main current electrodes E and A effective resistance of an initially very low to a very high value. During this very rapid process changes the current through the load bipole (1) due to the choke contained there its size practically not. As a result, the voltage between the main current electrodes increases E and A of the one-way switch from an initially very small to ever higher values at. Only when the voltage IJ between the main current electrodes of the one-way switch (2) has become as large as the sum of the source voltage UO and the lock voltage the freewheeling diode (4), the current begins through the two-pole consumer via this Diode to flow, and only when this state is reached does the current go through the one-way switch (2) back to a very low value.
Dies geschieht nicht schlagartig, sondern aufgrund stets vorhandener Schaltungsinduktivitäten ebenfalls in einer endlichen Zeitspanne.This does not happen suddenly, but because of what is always present Circuit inductances also in a finite period of time.
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.The described time courses of the current I through the one-way switch and the voltage U between its two main current electrodes are shown in FIG. From these time courses U (t) and I (t) are determined the product U (t) I (t), which is also shown in FIG. 2, in a simple manner is. One can clearly see the high power dissipation peak already described in the One-way switch when switching off the same.
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.To reduce this power loss peak, it is necessary to to reduce the current through the one-way switch to harmless values, b e v o r the voltage between its main current electrodes to considerable values has increased.
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.It makes sense to do this, between the two main current electrodes of the one-way switch to provide a capacitor-diode bypass path, which when the one-way switch is switched off takes over the current that has flowed through it up to that point and the one absorbed in the process Charge the next time the one-way switch is switched on via this and intermediary Ohmic resistance gives off again.
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.Fig. 3 shows the arrangement of FIG. 1 after expansion by such a thing known relief network consisting of the capacitor C, the diode D and the discharge resistance R.
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.In this arrangement, the one-way switch (2) was initially used for a long time switched on and the capacitor C is discharged to the voltage uC = 0 as a result and then the one-way switch changes from the conducting state a to the blocking state ß offset, the current begins through the two-pole consumer from the one-way switch (2) to the through the diode D and the Capacitor C formed Switch over by the way as soon as the voltage U between the main current electrodes of the one-way switch has reached the value of the gate voltage of diode D. at A sufficiently large capacity of the capacitor C is the current through the one-way switch then already dropped to insignificant values before the voltage on the capacitor and thus also those between the main current electrodes of the one-way switch have accepted a significant amount.
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.The time courses of the current I through the one-way switch and the voltage U between its two main current electrodes and the current ic through the capacitor C are shown in FIG.
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.From the time courses U (t) and I (t) is determined in a simpler way In the same way, the product U (t) I (t), which is also plotted in FIG. 4. One recognises, that the desired effect is achieved, i.e. the critical power loss peak at Switching off is not necessary. Relief arrangements of this type, however, have a serious disadvantage.
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.The diode-capacitor branch during the switch-off process The electrical energy supplied is switched on again following the next switch-on of the one-way switch in preparation for the discharge when switching off again converted into ohmic losses. As a result, there are high switching numbers per unit of time considerable energy losses and undesirable overheating on and off from the charge reversal of the discharge capacitor after switching on the one-way switch again claimed ohmic resistance must be designed for high loads.
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.The arrangement presented with this invention avoids these disadvantages. It is used to relieve one-way switches from their power dissipation stress Universally applicable when switching off and has no principle-related - when using unavoidable of ohmic resistances - losses.
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.The following description of their function should take into account that electrical or electronic one-way switches are usually used in this way that one of their two main current electrodes when switching off the over them flowing current its electrical potential compared to the previously feeding electrical potential System does not change significantly.
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 ).It will be used in the following, according to the property described, referred to as the switch electrode with constant potential (in the example according to 1 this is the output electrode A). The potential changes in relation to her of the remaining main current electrode when the one-way switch is switched off according to its function to a considerable extent. Let this second main current electrode be referred to according to this property as the switch electrode with jumping potential (In the example according to FIG. 1, this is the input electrode E). After switching off takes this switch electrode with jumping Potential opposite those with constant potential apply a positive or negative voltage Usp (in the example according to FIG. 1 this is - if the very low lock voltage is neglected of the diode (4) - the voltage UO).
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.There is usually a point in the overall circuit, which compared to the switch electrode with constant potential an approximately equal large, but largely constant over time or only changing relatively slowly Has voltage (in the example according to FIG. 1 this is the upper connection electrode the DC voltage source (3) or the point P) which is galvanically connected to it. Provided In deviation from the above, there is no point in the original circuit itself with this property can be found either by regrouping the existing components or with the help of passive ones as well as, if necessary additional active electrical and electronic components in a simple manner can also be created in addition. Regardless of this, let this node be considered the point denotes reverse voltage potential. He points towards the switch electrode with constant potential in accordance with the previous explanations, one in time largely constant voltage, which is approximately as large as the reverse voltage Usp, which the switch electrode with jumping potential with respect to the switch electrode assumes a constant potential following the switching off of the one-way switch.
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.According to the invention we; now with the help of more active and or passive electrical and / or electronic components form a circuit point, which has a voltage with a constant potential opposite the switch electrode, which is about half the voltage, which is the point with reverse voltage potential has with respect to the switch electrode with a constant potential. Should be a resilient one Circuit point with this property already exists in the original circuit be (e.g.
als Mittelanzapfung einer Batterie), kann auch dieser in der nachfolgend beschriebenen Weise verwendet werden.as a center tap of a battery), this can also be used in the following can be used in the manner described.
In beiden Fällen sei dieser Schaltungspunkt als Punkt mit halbem Sperrspannungspotential bezeichnet.In both cases this circuit point is assumed to be a point with half the reverse voltage potential designated.
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.According to the invention, between the circuit points explained a discharge network is inserted, which consists of a capacitor, two diodes and there is a throttle. One of the two connection electrodes of this choke is with connected to the point with half reverse voltage potential. The remaining terminal electrode the choke is connected to the circuit point via two diodes connected in series Reverse voltage potential connected, the connection direction of both diodes being the same and is chosen so that there is no continuous flow of current through it between the point with half the reverse voltage potential and the circuit point with the reverse voltage potential is possible. The connection point between the two diodes - where the anode the one and the cathode of the other diode are brought together - is under Interconnection of the capacitor with the switch electrode with jumping Potential connected.
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.This network thus fulfills the requirements described below Relief function. Immediately after switching on the one-way switch the capacitor is via the one-way switch itself, the choke and the one with this directly connected diode charged so that that capacitor electrode to which the two diodes are connected, opposite the other, to the switch electrode connected capacitor terminal has a voltage which approximately so is as large as that reverse voltage, which the switch electrode with jumping potential compared to the switch electrode with constant potential after completion of the shutdown process of the one-way switch assumes.
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.The next time the one-way switch is switched off by a rapid increase of the effective resistance between its main current electrodes, so the voltage between these main current electrodes can only increase as rapidly as the capacitor is discharged again from the current that previously flowed through the one-way switch will. If the capacitance of the capacitor is large enough, the current is through the one-way switch then already dropped to insignificant values before the voltage between the Main current electrodes of the one-way switch has assumed a significant amount.
Damit ist ohne prinzipbedingte Verluste erreicht, daß der Einwegschalter von seiner Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten entlastet wird.This achieves that the one-way switch without any losses inherent in the principle of its power dissipation relieved when switching off will.
Diese Ausführungen seien an einem Beispiel verdeutlicht.These statements are illustrated by an example.
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.Fig. 5 shows the arrangement according to Fig. 1 after expansion by such a, Relief network that works without losses due to the principle, consisting of the Discharge capacitor (5), the discharge diode (6), the charging choke (7) and the Charge diode (8). In the example according to FIG. 1, as can be seen immediately, the input electrode is E of the one-way switch is the switch electrode with jumping potential; thus is the upper connection electrode of the feeding DC voltage source (3) or the one with this galvanically connected point P is the circuit point with reverse voltage potential and the center tap of the feeding DC voltage source or the galvanic with it connected point Q is the point with half reverse voltage potential.
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.If in the overall arrangement according to FIG. 5, the one-way switch (2) according to switched off for some time, the current through the mixed ohmic-inductive loads are ultimately solely via the freewheeling diode (4) close. Then the discharge capacitor (5) is almost completely discharged, its voltage uC is practically zero. If the one-way switch (2) in Fig. 5 is now moved from the locked state to the conductive state, then changes to the one the. Consumer current that has previously flowed through the free-wheeling diode is returned to the one-way switch over and on the other, the discharge capacitor (5) charges nearly on the voltage UO and retains the value achieved because of the blocking effect of the Charging diode (8) then at. This is the time interval for this charging process in a known way by the product of the inductance L of the charging choke (7) and the capacitance c of the discharge capacitor (5) set during the doing occurring maximum value of the capacitor current by the quotient of these two Sizes is determined. If the one-way switch (2) in Fig. 5 is now back from the conductive When the state is switched to the blocking state, the current begins through the two-pole load (1) from the one-way switch (2) to the one through the discharge diode (6) and the discharge capacitor (5) to switch over formed bypass as soon as the sum of the initially still constant Capacitor voltage uC and the rising voltage U between the main current electrodes of the one-way switch has become as large as the sum of the voltage UO of the direct voltage source (3) and the - small - lock voltage of the discharge diode (6). Since before is possibly around, this over-change of the current already takes place at a very small one Voltage U between the main current electrodes of the one-way switch instead. With enough large capacitance C of the discharge capacitor (5) is the current through the one-way switch then already dropped to insignificant values before the voltage on the discharge capacitor (5) has decreased significantly and with it the voltage between the main current electrodes of One-way switch has assumed a significant amount. The time courses of the current I through the one-way switch and the voltage U between its two Main current electrodes and the current i through the discharge capacitor and the voltage uC applied to this is shown in FIG.
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.From the time courses U (t) and I (t) is determined in a simpler way In the same way, the product U (t) e I (t), which is also plotted in FIG. 6. Man recognizes that the desired effect has been achieved, i.e. the critical power loss peak is omitted when switching off.
Zur Demonstration des breiten Anwendungsbereiches der Erfindung seien noch einige Einsatzbeispiele aufgeführt.To demonstrate the broad scope of the invention, let some examples of use are listed.
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.FIG. 7 largely corresponds to the arrangement according to FIG. 5 with the exception the fact that the order of the one-way switch and two-pole consumer switch is reversed and consequently the output electrode A of the one-way switch is the switch electrode with jumping potential.
Figur 8 zeigt einen sog. Hochsetzsteller (engl. boost converter)> in welchen ein Ausschalt-Entlastungsnetzwerk gemäß der vorliegenden Erfindung eingefügt ist.FIG. 8 shows a so-called boost converter into which a switch-off relief network according to the present invention is inserted is.
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.This step-up converter transfers electrical energy from the left connected DC voltage source (3) with the voltage UO into the one to be connected on the right DC voltage system with the - larger - voltage Ua Here is - as can be seen again immediately - the input electrode E of the one-way switch the switch electrode with jumping Potential; thus the upper connection electrode is the supplied DC voltage source or the point P, which is galvanically connected to this, is the circuit point with reverse voltage potential and the - existing or supplementary formed - center tap of the fed DC voltage system or the point Q, which is galvanically connected to this, is the point with half the reverse voltage potential.
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.FIG. 9 again largely corresponds to the arrangement according to FIG Except for the fact that the sequence of one-way switch (2) and storage choke (9) is reversed and consequently the output electrode A of the one-way switch represents the switch electrode with jumping potential.
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.10 shows a so-called buck converter, in which also is a power off relief network according to the present invention is inserted. This buck converter transfers electrical energy from the left connected DC voltage source (3) with the voltage UO into the one to be connected on the right DC voltage system with the - smaller - voltage Ua Here is - like again immediately can be seen - the input electrode E of the one-way switch is the switch electrode with jumping potential; thus the upper connection electrode is the feeding one DC voltage source or the one galvanically connected to this Point P the switching point with reverse voltage potential and - the existing or additionally formed center tap of the feeding DC voltage source or
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.the point Q, which is galvanically connected to this, is the point with half Reverse voltage potential, The following Figure 11 again largely corresponds to Arrangement according to Figure 10 with the exception of the circumstances that the order of one-way switch (2) and storage choke (9) are interchanged and, as a result, the output electrode A of the one-way switch represents the switch electrode with jumping potential and that here, for example, a pnp transistor functions as a one-way switch.
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.FIG. 12 finally shows what is known as a step-up and step-down converter. buck-boost converter), in which again a switch-off relief network according to of the present invention. This step-up and step-down divider can electrical energy from the DC voltage source (3) connected to the left transfer the voltage UO into the DC voltage system to be connected on the right, regardless of whether its voltage Ua is greater or less than UO. Here is - as can also be seen immediately - the input electrode E of the one-way switch the switch electrode with jumping potential; thus is the lower terminal electrode of the fed DC voltage system or the one galvanically connected to it Point P is the switching point with Reverse voltage potential and the - existing or complementary formed - center point Q between the two lower Electrodes of the feeding 'and the fed DC voltage system the point with half reverse voltage potential.
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.FIG. 13 again largely corresponds to the arrangement according to FIG. 12 with the exception of the fact that the order of the one-way switch (2) .and. accumulator throttle (9) is reversed and consequently the output electrode A of the one-way switch represents the switch electrode with jumping potential.
An den bisher beschriebenen Beispielen wurde deutlich, daß dann, wenn die Schalterelektrode mit springendem Potential durch die Eingangselektrode des Enwegschal-.From the examples described so far it became clear that if the switch electrode with jumping potential through the input electrode of the Enwegschal-.
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.ters is formed from the node with half the reverse voltage potential electrical charge flows through the discharge network and that the other way round then, when the switch electrode with jumping potential through the output electrode of the one-way switch is formed to the switching point with half the reverse voltage potential electric charge flows over the relief network. After that, if one-way switches are used in pairs in an overall circuit such that at one half of the one-way switch has the input electrodes and the switch electrodes with jumping potential and that in the other half the one-way switch each of the output electrodes the switch electrodes with jumping Represent potential, the point with half the reverse voltage potential in a very simple way and yet without loss of power thanks to a capacitive voltage divider is formed between those two nodes, each for one half of the One-way switches represent the switching point with reverse voltage potential or it this circuit point with half the reverse voltage potential can also be omitted entirely, if it is ensured that this existing or only imagined point is above Electric charge is supplied to both the discharge networks of the one-way switch as well as being taken.
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.Fig. 14 shows one as an example of the first-mentioned possibility Branch of an inverter circuit with two one-way switches (2) and an output electrode (10). P1 is the switching point with reverse voltage potential for the upper one-way switch, P2 is the corresponding switching point for the lower one-way switch. The tapping of funds of the capacitive voltage divider sketched on the right, the circuit point Q is for both one-way switches the point with half reverse voltage potential. Him gets over the discharge network of the lower one-way switch removed electrical charge and electrical charge is supplied via the discharge network of the upper one-way switch.
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.The sketched center tap of the capacitive voltage divider is a point with half the reverse voltage potential also for other branches of the overall inverter circuit and can therefore also be used as a connection point for their relief branches.
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.Fig. 15 a shows a further example of the paired described Use of one-way switches a single-ended flow converter. Even. here P1 is the Circuit point with reverse voltage potential for the upper one-way switch, P2 the corresponding switching point for the lower one-way switch. The tapping of funds of the capacitive voltage part initially sketched on the right, the circuit point Here, too, Q is the point with half the reverse voltage potential for both one-way switches. It receives electrical charge via the relief network of the lower one-way switch removed and electrical through the discharge network of the upper one-way switch Charge supplied. In contrast to the arrangement according to FIG. 14, charges are supplied and charge discharge here, however, during the same time intervals. It means that the capacitive voltage divider can also be omitted, the two charging chokes (7) may be combined and one of the two charging diodes (8) can be dispensed with can.
Die dann entstehende Anordnung ist in Figur 15 b wiedergegeben und besticht durch besonders einfachen Aufbau.The resulting arrangement is shown in Figure 15b and impresses with its particularly simple structure.
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.This particularly advantageous embodiment of the invention is however, only applicable if one-way switch in an overall circuit in the described type are used in pairs and in addition such a pair is connected in series at the same time. This is e.g. also then given when the single-stroke flow controller according to Figure 15b by adding two Another one-way switch is added to the push-pull flow controller or the latter omitting the output rectifier and possibly also the output transformer is operated as a bridge inverter.
Eine derartige Anordnung ist in Figur 16 dargestellt.Such an arrangement is shown in FIG.
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.Finally, two of the examples listed will be used to explain: as if in an overall circuit, one-way switches as individual elements, i.e. are not used in pairs, the required point with half the reverse voltage potential can be formed in addition in a simple, power loss-free manner.
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.In FIG. 17, the step-up converter according to FIG. 8 is sketched again and a practically lossless working center point generator for the output voltage Including added, which is shown in the dashed box (11) and is an example from two small auxiliary transistors, an astable multivibrator, two auxiliary diodes, a choke with center tap and a small storage choke as well as two smoothing capacitors consists. This midpoint builder sets the potential of the point Q in the desired Way to half the reverse voltage potential and leads to the Point Q to the required electrical charge.
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.On the other hand, there must be a corresponding midpoint builder for the one shown in Figure 13 shown step-up and step-down converters to the point Q electrical entered there Remove charge. FIG. 18 shows an example of how this can be done with a center point generator can happen, which contains the same components as the one shown in Figure 17, only in a slightly changed configuration.
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