DE2649385A1

DE2649385A1 - Anordnung ohne prinzipbedingte verluste zur entlastung elektrischer oder elektronischer einwegschalter von ihrer verlustleistungsbeanspruchung beim ausschalten

Info

Publication number: DE2649385A1
Application number: DE19762649385
Authority: DE
Inventors: Andreas Prof Dr Ing Boehringer
Original assignee: Individual
Current assignee: ThyssenKrupp Technologies AG
Priority date: 1976-10-29
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1978-05-03
Also published as: DE2649385C2

Description

Beschreibung und Patentansprüche
Anordnung ohne prinzipbedingte Verluste zur Entlastung elektrischer oder elektronischer Einwegschalter von ihrer Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten.
Elektrische oder elektronische Einwegschalter werden auf sehr zahlreichen Gebieten der Elektrotechnik eingesetzt. Sie besitzen zwei tIauptstromanschlüsse und eine Vcrrichtung, 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 HauptstromelektTode E (Eingang) zur tIauptstromelektrode 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 a 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.
.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.
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 äm 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 a in den Zustand ß und umgekehrt erfährt der Einwegschalter aber ohne zusätzliche Vorkehrungen gleichzeitig eine nennenswerte Strom- und Spannungsbelastung, was während dieses Übergangs erhebliche momentane Verlustleistungen zur Folge hat. Zum anderen ist man daher bestrebt, diese Übergänge vom Zustand a in den Zustand ß und umgekehrt außerordentlich rasch vorzunehmen, damit die Verlustenergie je Umschaltvorgang so gering wie möglich wird.
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 elektrischen Beanspruchung der Einwegschalter, welche häufig die entscheidende Grenze für deren Belastbarkeit darstellt. Dies gilt insbesondere für den Abschaltvorgang des Einwegschalters, d.h. den Obergang vom leitenden Zustand a in den sperrenden Zustand 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.
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 (t) 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.
Dies geschieht nicht schlagartig, sondern aufgrund stets vorhandener Schaltungsinduktivitäten ebenfalls in einer endlichen Zeitspanne.
Die beschriebenen zeitlichen Verläufe des Stromes I durch den Einwegschalter und der Spannung U zwischen seinen beiden tiauptstromelektroden 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Aus den zeitlichen Verläufen U(t) sowie I(t) bestimmt sich in einfacher Weise das Produkt U(t) 1(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.
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 de Einwegschalters beanspruchte Ohmwiderstand muß für hohe Belastung ausgelegt werden.
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.
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 anschließend die Sperrspannungsbeanspruchung des Einwegschalters bestimmenden System nicht nennenswert ändert.
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 se-i 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 U an Sp (im Beispiel nach Fig. 1 ist dies - bei Vernachlässigung der sehr geringen Schleusenspannung der Diode (4) -die Spannung Uo ) Oblicherweise ist in der Gesamtschaltung ein Punkt vorhanden, 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 Üblichen 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 Us > welche die Schalterelektrode mit springendem Potential gegenüber der Schalterelektrode mit konstantem Potential im Anschluß an das Abschalten des Einwegschalters annimmt.
Erfindungsgemäß wird 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.
als Mittelanzapfung einer Batterie), kann auch dieser in der nachfolgend beschriebenen Weise verwendet werden.
In beiden Fällen sei dieser Schaltungspunkt als Punkt mit halbem Sperrspannungspotential bezeichnet.
Erfindungsgemäß wird nun zwischen die erläuterten Schaltungspunkte ein Entastungsnetzwerk 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.
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.
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.
Damit ist ohne prinzipbedingte Verluste erreicht, daß der Einwegschalter von seiner Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten entlastet wird.
Diese Ausführungen seien an einem Beispiel verdeutlicht.
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.
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 i.n 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 uC S UO 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.
Aus den zeitlichen Verläufen U(t) sowie I(t) bestimmt sich in einfacher Weise das Produkt U(t) 1(t), welches in Figur 6 ebenfalls aufgetragen ist. Man erkennt, daß der gewünschte Effekt erreicht, d.h. die kritische Verlustleistungsspitze beim Ausschalten entfallen ist.
Zur Demonstration des breiten Anwendungsbereiches der Erfindung seien noch einige Einsatzbeispiele aufgeführt.
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.
Figur 8 zeigt einen sog. Hochsetzsteller (engl. boost converter),.in welchen ein Ausschalt-Entlastungsnetzwerk gemäß der vorliegenden Erfindung eingefügt ist.
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.
Figur 9 entspricht wieder weitgehend der Anordnung gemäß Figur 8 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. 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 Gleichspannungs quelle bzw. der mit dieser galvanisch verbundene Punkt P der Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential und - der vorhandene oder ergänzend gebildete -Mittelabgriff der speisenden Gleichspannungsquelle bzw.
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.
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 Tiefsetzsteller 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 Sperrspanungspotential 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. 13 entspricht wieder weitgehend der Anordnung gemäß Figur 12 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.
An den bisher beschriebenen Beispielen wurde deutlich, daß dann, wenn die Schalterelektrode mit springendem Potential durch die Eingangselektrode des Einwegschalters 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 der 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.
Fig. 14 zeigt als Beispiel für die erstgenannte Möglichkeit einen 7weig 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.
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.
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.
Die dann entstehende Anordnung ist in Figur 15 b wiedergegeben und besticht durch besonders einfachen Aufbau.
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 eingeschaltet 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.
Eine derartige Anordnung ist in Figur 16 dargestellt.
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.
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.
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. Leerseite

Claims

Patentansprüche: 1. Anordnung ohne prinzipbedingte Verluste zur Entlastung elektrischer oder elektronischer Einwegschalter von ihrer Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen drei Punkte der Gesamtschaltung, in welcher der Einwegschalter betrieben wird, ein elektrisches Entlastungsnetzwerk eingefügt ist, welches aus einem Kondensator - im weiteren Entlastungskondensator genannt -, einer Drossel - im weiteren Lade drossel genannt - sowie zwei Dioden besteht und daß eine Anschlußelektrode des Entlastungskondensators mit jener Hauptstromelektrode des Einwegschalters - im weiteren Schalterelektrode mit springendem Potential genannt - verbunden ist, die beim Abschalten des über den Einwegschalter fliessenden Stromes ihr elektrisches Potential gegenüber dem anschließend die Sperrspannungsbeanspruchung des Einwegschalters bestimmenden System erheblich verändert und daß die verbleibende, zweite Anschlußelektrode des Entlastungskondensators zum einen über eine der beiden Dioden - im weiteren Entlastungsdiode genannt - mit einem Punkt der Gesamtschaltung - im weiteren Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential genannt - verbunden ist, welcher gegenüber jener Hauptstromelektrode des Einwegschalters - im weiteren Schalterelektrode mit knnstantem Potential genannt -,die beim Abschalten des über den Einwegschalter fliessenden Stromes ihr elektrisches Potential gegenüber dem anschließend die Sperrspannungsbeanspruchung des Einwegschalters bestimmenden System weitgehend beibehält, eine Spannung aufweist, welche näherungsweise so groß ist wie die Sperrspannung, welche die Schalterelektrode mit springendem Potential gegenüber der Schalterelektrode mit konstantem Potential nach Abschluß eines Abschaltvorgangs des Einwegschalters aufweist und daß die verbleibende, zweite Anschlußelektrode des Entlastungskondensators zum anderen über die zweite der beiden Dioden - im weiteren Ladediode genannt - und die dieser nachgeschaltete Ladedrossel mit einem Punkt der Gesamtschaltung - im weiteren Punkt mit halbem Sperrspannungspotential genannt - verbunden ist, welcher gegenüber der Schalterelektrode mit konstantem Potential eine Spannung aufweist, welche näherungsweise halb so groß ist wie die Sperrspannung, welche die Schalterelektrode mit springendem Potential gegenüber der Schalterelektrode mit konstantem Potential nach Abschluß eines Abschaltvorgangs des Einwegschalters aufweist und daß die Anschlußrichtung der Entlastungsdiode so gewählt ist, daß sie einen kontinuierlichen Stromfluß zwischen dem Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential und dem Schaltungspunkt mit halbem Sperrspannungspotential über das Entlastungsnetzwerk auch dann verhinderte, wenn man die Lade diode kurzschliessen würde und daß die Anschlußrichtung der Ladediode ebenfalls so gewählt ist, daß sie einen kontinuierlichen Stromfluß zwischen dem Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential und dem Schaltungspunkt mit halbem Sperrspannungspotential über das Entlastungsnetzwerk auch dann verhinderte, wenn man die Entlastungsdiode kurzschliessen würde und daß dann, wenn ein belastbarer Schaltungspunkt mit der beschriebenen Eigenschaft des Schaltungspunkts mit halbem Sperrspannungspotential in der ursprünglichen Gesamtschaltung nicht vorhanden ist, ein Schaltungspunkt mit diesen Eigenschaften unter Zuhilfenahme aktiver und/oder passiver elektrischer und/oder elektronischer Bauelemente ergänzend gebildet wird und daß dann, wenn ein belastbarer Schaltungspunkt mit der beschriebenen Eigenschaft des Schaltungspunkts mit Spcrrspannungspotential in der ursprünglichen Gesamtschaltung nicht vorhanden ist, ein Schaltungspunkt mit diesen Eigenschaften entweder durch Umgruppierung der vorhandenen Bauelemente oder unter Zuhilfenahme aktiver und/oder passiver elektrischer und/oder elektronischer Bauelemente ergänzend gebildet wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Gesamtschaltungen, in denen elektrische oder elektronische Einwegschalter paarweise eingesetzt sind derart, daß bei der einen Hälfte jene Hauptstromelektroden der Einwegschalter, durch welche der Strom in diese eintritt, als Schalterelektroden mit springendem Potential betrieben werden und daß bei der anderen Hälfte jene Hauptstromelektroden der Einwegschalter, durch welche der Strom aus diesen aus tritt, als Schalterelektroden mit springendem Potential betrieben werden, der Punkt mit halbem Sperrspannungspotential in höchst einfacher und verlustfreier Weise durch einen kapazitiven Spannungstciler zwischen den beiden Schaltungspunkten gebildet wird, die für je eine'Hälfte der Einwegschalter den Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential darstellen.
3. Anordnung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß in Gesamtschaltungen, in denen die paarweise eingesetzten elektrischen oder elektronischen Einwegschalter derart betrieben werden, daß jeweils ein Einwegschalter aus der einen Hälfte gleichzeitig mit einem Einwegschalter aus der anderen Hälfte eingeschaltet ist, die beiden Entlastungsnetzwerke dieser beiden Einwegschalter mit jenen Anschlüssen der Ladedrosseln, welche nicht mit den Ladedioden zu verbinden sind, nicht mit dem Schaltungspunkt mit halbem Sperrspannungspotential sondern, unter Verzicht auf diesen, untereinander verbunden sind.
4. Anordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß in den untereinander verbundenen Entlastungsnetzwerken eine der beiden Lade dioden entfällt und die beiden Ladedrosseln zusammengefasst werden.
5. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungspunkt mit halbem Sperrspannungspotential mit einem verlustfrei arbeitenden, wischen der Schalterelektrode mit konstantem Potential und dem Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential eingefügten Mittelpunktbilder erzeugt wird.