DE2710938A1

DE2710938A1 - Verbesserte einrichtung ohne prinzipbedingte verluste zur entlastung elektrischer und elektronischer einwegschalter von ihrer verlustleistungsbeanspruchung beim ausschalten

Info

Publication number: DE2710938A1
Application number: DE19772710938
Authority: DE
Inventors: Andreas Prof Dr Ing Boehringer
Original assignee: Individual
Current assignee: ThyssenKrupp Technologies AG
Priority date: 1977-03-12
Filing date: 1977-03-12
Publication date: 1978-09-21
Also published as: DE2710938C2

Description

Beschreibung und Patentansprüche
Verbesserte Einrichtung ohne prinzipbedingte Verluste zur Entlastung elektrischer und elektronischer Einwegschalter von ihrer Verlustleistungsbeanspruchung beim Aus schalten (Zusatz zur Deutschen Patentanmeldung P 2650673.0 bzw.
zur entsprechenden Gebrauchsmuster-Hilfsanmeldung G 7635059.9) Die nachfolgend beschriebene Erfindung stellt einen Zusatz zur Deutschen Hauptpatentanmeldung P 2650673.0 bzw. zur entsprechenden Gebrauchsmuster-Hilfsanmeldung G 7635059.9 dar.
In diesen beiden Anmeldungen wurde eine sehr vorteilhafte Entlastungsgrundschaltung vorgestellt, welche die verlustfreie Entlastung elektrischer oder elektronischer Einwegschalter von ihrer Verlustleistungsbcanspruchung beim Ausschalten bewerkstelligt und in verschiedenen Ausführungsvarianten, welche allein durch Einsparung von Bauelementen aus ihr hervorgehen, die Realisierung weiterer, für zahlreiche Einsatzfälle sehr positiver Eigenschaften erlaubt.
Zur Erläuterung der durch die vorliegende Erfindung erzielten Verbesserung seien vorab die vorgenannte Entlastungsgrundschaitjng und ihre Ausführungsvarianten nochmals beschrieben. Dabei sei für die Beschreibung der Entlastungsgrundschaltung berücksichtigt, daß die Gesamtschaltung, in welcher.ein elektrischer oder elektronischer Einwegschalter eingesetzt ist, häufig ein Teilnetzwerk mit zwei Elektroden enthält, zwischen denen eine weitgehend konstante Spannung besteht und von denen unmittelbar im Anschluß an das Abschalten des Einwegschalters eine Elektrode, die im weiteren Zuflußelektrode genannt sei, mit der Eingangselektrode des Einwegschalters und die andere Elektrode, die im folgenden Abflußelektrode genannt sei, mit der Ausgangselektrode des Einwegschalters elektrisch leitend verbunden ist, während diese beiden Elektroden des Teilnetzwerks im leitenden Zustand des Einwegschalters von dessen Hauptstromelektroden, z.B. über Dioden, elektrisch getrennt sind.
Sofern in der ursprünglichen Gesamtschaltung selbst ein Teilnetzwerk mit diesen Eigenschaften nicht oder nicht vollständig vorhanden ist, kann es durch Umgruppierung vorhandener Bauelemente und/oder unter Zuhilfenahme zusätzlicher passiver sowie gegebenenfalls auch aktiver elektrischer und/oder elektronischer Bauelemente in einfacher Weise vervollständigt oder ergänzend hinzugefügt werden.
Genuß der in der Deutschen Hauptpatentanmeldung P 2650ß73.O beschriebenen Erfindung wird nun zwischen die erläuterten Schaltungspunkte, die Ein- und Ausgangselektrode des Einwegschalters sowie die Zu- und Abflußelektrode des zugehörigen Teilnetzwerks mit den yorstehend beschriebenen Eigenschaften ein Entlastungsnetz-. werk eingefügt, welches aus zwei Drosseln mit etwa gleicher Induktivität - den sogenannten Lad.drosseln- , zwei Dioden - den sogenannten Ent-1 astungs dioden- zwei weiteren Dioden - den sogenannten Ladedioden - , einer fünften Diode -der sogenannten Querstromdiode -, zwei Kondensatoren mit etwa gleich großer Kapazität - den sogenannten Entlastungskondensatoren - sowie zwei weiteren Kondensatoren mit unter sich wiederum etwa gleich großer Kapazität - den sogenannten Statzkondonsatoren - besteht.
Dabei ist in dieser Grundschaltung die Kapazität der beiden Stützkondensatoren wesentlich größer als jene der beiden Entlastungskondensatoren.
Die Drosseln und Dioden sind so angeordnet, daß von der Zuflußelektrode des Teilnetzwerks zu desen Abflußelektrode ein Pfad besteht, in welchem nacheinander die eingangseitige Entla5tungsdiode, die eingangseitige Ladediode, die eingangseitige Ladedrossel, die Querstromdiode, die ausgangseitige Ladedrossel, die ausgangseitige Ladediode und die ausgangseitige Entlastungs diode aufeinander folgen, wobei die Anschlußrichtung aller fünf Dioden einheitlich und so gewählt ist, daß jede Diode für sich - auch bei einem Kurzschliessen aller anderen - einen kontinuierlichen Stromfluß von der Zuflußelektrode des Teilnetzwerks zu dessen Abflußelektrode über diesen Pfad unterbindet. Einer der beiden Entlastungskondensatoren - der eingangseitige Entlastungskondensator -ist zwischen die Eingangselektrode des Einwegschalters und die Anode der eingangseitigen Entlastungsdiode eingefügt, deren Kathode mit der Zuflußelektrode des Teilnetzwerks mit den beschriebenen Eigenschaften verbunden ist. Der zweite Entlastungskondensator - der ausgangseitige Entlastungskondensator - ist analog zwischen die Ausgangselektrode des Einwegschalters und die Kathode der ausgangseitigen Entlastungsdiode geschaltet, deren Anode an die Abffußelektrode des Teilnetzwerks mit den beschriebenen Eigenschaften angeschlossen ist.
Einer der beiden Stützkondensatoren - der eingangseitige Stützkondensator - ist zwischen die Eingangselektrode des Einwegschalters und die Anode der Querstromdiode und der zweite Sttltzkondensator - der ausgangseitige Stützkondensator - ist zwischen die Ausgangselektrode des Einwegschalters und die Kathode der Querstromdiode eingefügt. Damit erfüllt das Netzwerk die von der Deutschen Hauptpatentanmeldung beabsichtigte, im folgenden nochmals beschriebene Entlastungsfunktion. Unmittelbar im Anschluß an das Einschalten des Einwegschalters werden die beiden Entlastungskondensatoren über den Einwegschalter selbst, die'beiden Ladedrosseln und die beiden Ladedioden aus. den beiden Stützkondensatoren so aufgeladen daß die Anode jener Entlastungsdiode, deren Kathode mit der Zuflußelektrode des Teilnetzwerks mit den beschriebenen Eigenschaften verbunden ist, gegenüber- der kathode jener Entlastungsdiode, deren Anode mit der Abflußelekrode dieses Teilnetzwerks verbunden ist, eine Spannung aufweist,welche näherungsweise so groß ist wie jene Sperrspannung, welche die Eingangselektrode des Einwegschalters gegenüber dessen Ausgangselektrode nach Abschluß des Abschaltvorgangs des Einwegschalters annimmt. Während dieses Aufladevorgangs der Entlastungskondensatoren ändert sich die Spannung an den Stützkondensatoren nur unerheblich, da letztere bei dieser Entlastungsgrundschaltung eine wesentlich größere Kapazität aufweisen als die beiden Entlastungskondensatoren. Wird nun das nächste Abschalten des Einwegschalters durch rasche Erhöhung des zwischen seinen Hauptstromelektroden wirksamen Widerstands eingeleitet, so kann die Spannung zwischen diesen Hauptstromelektroden nur so rasch anwachsen, wie die beiden Entlas tungskondensato ren von dem zuvor über den Einwegschalter geflossenen Strom wieder entladen werden. Bei genügend großer Kapazität der Entlastungskondensatoren 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 und ohne die Erfordernis eines sogenannten Punkts mit halbem Sperrspannungspotential erreicht, daß der Einwegschalter von seiner Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten entlastet wird. Diese Ausführungen seien an einem Beispiel verdeutlicht.
Figur la zeigt dazu einen sogenannten Hochsetzsteller (engl. boost converter), welcher elektrische Energie von der links angeschlossenen Gleichspannungsquelle (1) mit der Spannung Uo in das rechts anzuschliessende Gleichspannungssystem mit der - größeren -Spannung Ua überträgt. Die Hauptstromdiode (2) verhindert, daß elektrische Energie in umgekehrter Richtung, vom rechts anzuschliessenden Gleichspannungssystem weg und zur links angeschlossenen Gleichspannungsquelle (I) bzw, zum Einwegschalter (3) hin fließt. In Figur ib ist auch in die zweite Verbindungsleitung zum rechts anzuschliessenden Gleichspannungssystem eine Hauptstromdiode (4) eingefügt. Damit enthält die Gesamtschaltung ein Teilnetzwerk, welches in Form der Kathode der oberen Hauptstromdiode (2) und der Anode der unteren Hauptstromdiode (4) zwei Elektroden aufweist, zwischen denen eine weitgehend konstante Spannung Ua besteht und von denen unmittelbar im Anschluß an das Abschalten des Einwegschalters die. eine Elektrode, nämlich die Kathode der oberen Hauptstromdiode (2) als Zuflußelektrode. des Teilnetzwerks mit der Eingangselektrode E des Einwegschalters,und die andere Elektrode, also die Anode der'unteren Hauptstromdiode (4) als Abflaßelektrode des Teilnetzwerks mit der Ausgangselektrode A des Einwegschalters, elektrisch leitend verbunden ist, während diese beiden Elektroden des Teilnetzwerks im leitenden Zustand des Einwegschalters von dessen Hauptstromelektroden ßber die beiden dann sperrenden Hauptstromdioden (2) und (4) getrennt sind..
Pigur 1c zeigt nun die Anordnung gemäß Figur 1 b nach Erweiterung um die beschriebene, ohne prinzipbedingte Verluste arbeitende Entlastungsgrundschaltung, bestehend aus der eingangseitigen Entlastungsdiode (5), der eingangseitigen Ladediode (6), der eingangseitigen Ladedrossel (7), der Querstromdiode (8), der ausgangseitigen Ladedrossel ( 9), der ausgangseitigen Ladediode (10), der ausgangseitigen Entlastungsdiode (11), dem eingangseitigen Entlastungskondensator (12), dem ausgangseitigen Entlastungskondensator (13), dem eingangseitigen Stützkondensator (14) und dem ausgangseitigen Stützkondensator (15).
Wird in der Gesamtschaltung nach Fig. ic der Einwegschalter (3) nach längerer Einschaltdauer für einige Zeit abgeschaltet, so wird der Strom durch die Gleichspannungsquelle (1) und die Speicherdrossel (16) sich schließlich allein über die Hauptstromdioden (2) und (4) sowie das rechts anzuschliessende Gleichspannungssystem mit der Spannung Ua schliessen. Dann sind die Entlastungskondensatoren (12) und (13) nahezu vollständig entladen, die Spannungen zwischen ihren .Anschlußelektroden alsopraktisch Null. Wird der Einwegschalter in Fig. 1c anschliessend vom gesperrten Zustand in den leitenden Zustand versetzt, dann wechselt zum einen der bisher über die Hauptstromdioden (2) und (4) geflossene Strom der Speicherdrossel (16) wieder auf den Einwegschalter über und zum anderen laden sich die Entlastungskondensatoren (12) und (13) so auf, daß die Anode der eingangseitigen Entlastungsdiode (5) gegenüber der Kathode der ausgangseitigen Entlastungsdiode (11.) eine Spannung aufweist, die geringfügig größer ist als die Ausgangsspannung Ua Dabei erfolgt die Aufladung des eingangseitigen Entlastungskondensators (1?) über den Einwegschalter (3), die eingangseitige Ladediode (6) und die eingangseitige Ladedrossel (7) aus dem ausgangseitigen Stützkondensator (15) und entsprechend die .Aufladung des ausgangseitigen Entlastungskondensators (13) über den Einwegschalter (3), die ausgangseitige Ladediode (1O).und die ausgangseitige Ladedrossel (9 ) aus dem eingangseitigen StUtzkondensator (14). Dabei wird das Zeitintervall für diese Aufladevorgänge in bekannter Weise durch das Produkt aus der Induktivität der Ladedrosseln (7) bzw. (9 > und der Kapazität der Entlastungskondensatoren (12) bzw. (13) festgelegt, während der dabei auftretende Maximalwert der Ströme durch die Entlastungskondensatoren durch den Quotienten dieser beiden Größen bestimmt wird.
Wird der Einwegschalter(3) in Figur lcanschließend wieder vom leitenden Zustand in den sperrenden Zustand versetzt, so ber ginnt der Strom durch die Speicherdrossel t16) und die Gleichspannungsquelle (1) vom Einwegschalter (3) auf den durch den eingangseitigen Entlastungskondensator (12), die eingangseitige Entlastungsdiode (5), das rechts anzuschliessende Gleichspannungssystem mit der Spannung Ua , die ausgangseitige Entlastungsdiode (11) sowie den ausgangseitigen Entlastungskondensator (13) gebildeten Nebenweg überzuwechseln, sobald die Sunine aus den zunächst noch konstanten Spannungen UCE des eingangseitigen Entlastungskondensators und UCA des ausgangseitigen Entlastungskondensators sowie der ansteigenden Spannung U zwischen der Eingangs- und der Ausgangselektrode des Einwegschalters so groß geworden ist wie die Summe aus den - kleinen - Schleusenspannungen der Entlastungsdioden (5) und (11) sowie der Spannung Ua des rechts anzuschliessenden Gleichspannungssystems.
UCE zuvor uCE + UCA Ua ist, findet dieses Oberwechseln des Stromes bereits bei einer sehr geringen Spannung U zwischen den Hauptstromelektroden des Einwegschalters statt. Bei genügend großer Kapazität der Entlstungskondensatoren (12) und (13) ist der Strom durch den Einwegschalter dann bereits auf unerhebliche Werte abgesunken, bevor die Spannungen an den Entlastungskondensatoren nennenswert zurückgegangen sind und damit die Spannung zwischen den Hauptstromelektroden des Einwegschalters einen nennenswerten Betrag angenommen hat. Damit ist der gewünschte Effekt erreicht, d.h. die kritische Verlustleistungsspitze beim Ausschalten des Einwegschalters entfällt.
Bei der vorstehenden Beschreibung wurde vorausgesetzt, daß der Einwegschalter (3) jeweils vor dem Nullwerden des Stromes durch die Speicherdrossel (16) oder unmittelbar im Anschluß an das Erreichen dieses Zustands wieder eingeschaltet wird oder daß durch eine bzw. mehrere zusätzliche Hauptstromdioden verhindert wird, daß clektrische Ladung aus den Stützkondensatoren (14) und (15) in die Gleichspannungsquelle (1) zurückfließen kann oder daß die Spannung UO der Gleichspannungsquelle (1) mindestens halb so groß ist wie die Spannung a des rechts anzuschliessenden Gleichspannungssystems Ist nicht mindestens eine dieser Voraussetzungen gegeben,so kont es nach dem Nullwerden des Stromes durch die Speicherdrossel (16) zu einer vorzeitigen Aufladung der beiden Entlastungskondensatoren (12) und (13).
Dabei erfolgt die vorzeitige Aufladung des eingangseitigen Entlastungskondensators (12) aus dem ausgangseitigen Stützkondensator (15) über die eingangseitige Ladedrossel (7), die eingangseitige Ladediode (6), die Speicherdrossel (16) und die Gleichspannungsquelle (1) und die vorzeitige Aufladung.des ausgangseitigen Entlastungskondensators (13) aus dem eingangseitigen Stützkondcnsator (14) über die ausgangseitige Ladedrossel (9), die ausgangseitige Ladediode (101, die Speicherdrossel (16) und die Gleichspannungsquelle (1).
Eine derartige vorzeitige Aufladung der Entlastungskondensatoren über die Gleichspannulgsquelle (1) ist jedoch unerwünscht, weil dabei - insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen - erhebliche elektrische Leistung wieder in die an sich speisende Gleichspannungsquelle zurückgeschafft wird.
Wie bereits angedeutet, läßt sich dieser Effekt durch die Einfügung einer oder mehrerer zusätzlicher Hauptstromdioden vermeiden. Dies kann in verschiedener Weise ausgeführt werden. Lediglich als ein Realisierungsbeispiel sei die Anordnung nach Fig. 2 aufgeführt, bei welcher in die Anordnung nach Fig. 1 c eine zusätzliche Hauptstromdiode (17) unmittelbar mit der Speicherdrossel (16) und der Gleichspannungsquelle (1) in Reihe eingefügt ist, derart, daß kein Strom in die Gleichspannungsquelle (1) zurückfließen kann.
Solche zusätzlichen Dioden im Hauptstromkreis sind wegen der durch sie hervorgerufenen Verluste aber meist unerwünscht. Dies gilt insbesondere für Schaltungen mit niedrigem Spannungspegel.
Gemäß der hiermit vorgelegten Zusatzerfindung wird die vorzeitige Aufladung der Entlastungskondensatoren über die Gleichspannungsquelle (1) ohne zusätzliche Hauptstromdioden dadurch verhindert, daß die beiden Ladedioden (6) und (10) durch je einen elektrischen oder elektronischen, in Rückwärtsrichtung sperrenden, einschaltbaren Einwegschalter ersetzt werden, wobei letztere mit dem Einschalten des Einwegschalters (3) vom sperrenden in den leitenden Zustand versetzt werden und dann so lange leitend bleiben, bis das Aufladen der Entlastungskondensatoren (12) und (13) abgeschlossen ist. Beispiele für derartige elektrische oder elektronische, in Rückwärtsrichtung sperrende, einschaltbare Einwegschålter sind Thyristoren, abschaltbare Thyristoren (Gate-turn-off-Thyristoren), als Schalter betriebene Transistoren mit nachgeschalteter Diode sowie im Einwegbetrieb eingesetzte Schalter mit mechanischer Kontaktgabe.
Fig. 3 zeigt beispielhaft den Hochsetzsteller aus Figur tb nach Erweiterung um die in der Deutschen Hauptpatentanmeldung P 2650673.0 vorgestellte Entlastungsgrundschaltung und nach Ersetzung der dort ursprünglich enthaltenen Ladedioden durch mit gleicher Durchlaßrichtung eingesetzte Thyristoren (18) und (19), welche jeweils beim Einschalten des Einwegschaltcrs (3) gezündet werden. Bis im Anschluß an das nachfolgende Abschalten des Einwegschalters (3) der Strom durch die Speicherdrossel (16) gegebenenfalls zu Null geworden ist, befinden sich sowohl der cingangseitige Ladethyristor (18) als auch der ausgangseitige Ladethyristor (19) wieder im sperrenden Zustand, so daß die weiter vorn beschriebene vorzeitige Aufladung der Entlastungskondensatoren (12) und (13) über die Gleichspannungsquelle (1) vermieden wird.
Als erste Variante der Entlastiingsgrundschaltung beschreibt die Deutsche flauptpatentanmeldung P 2650673.0 eine Anordnung, bei welcher zwischen die eingangs erläuterten Schaltungspunkte,die Ein- und Ausgangselektrode des Einwegschalters sowie die Zu-und Abflußelektrode des zugehörigen Teilnetzwerks mit den eingangs beschriebenen Eigenschaften ein Entlastungsnetzwerk eingefügt wird, welches aus zwei Drosseln mit etwa gleicher Induktivität - den sogenannten Ladedrosseln -, zwei Dioden - den sogenannten Längsentlastungsdioden -, zwei weiteren Dioden - den sogenannten Ladedioden -, einer fünften Diode - der sogenannten Querentlastungsdiode -, zwei Kondensatoren mit etwa gleich großer Kapazität - den sogenannten Längsentlastungskondensatoren - sowie zwei weiteren Kondensatoren mit etwa gleich großer Kapazität - den sogenannten Querentlastungskondensatoren - besteht.
Dabei ist in dieser ersten Variante der Entlastungsgrundschaltung die Kapazität der beiden Längsentlastungskondensatoren etwa gleich groß wie jene der beiden Querentlastungskondensatoren. Die Drosseln und Dioden sind so angeordnet, daß von der Zuflußelektrode des Teilnetzwerks zu dessen Abflußelektrode ein Pfad besteht, in welchem nacheinander die eingangseitige Lflngsentlastungsdiode, die eingangseitige Ladediode, die eingangseitige Ladedrossel, die Querentlastungsdiode , - die ausgangseitige Latedrossel, die ausgangseitige Ladediode und die ausgangseitige Längsentlastungsdiode aufeinander folgen, wobei die Anschlußrichtung aller fünf Dioden einheitlich und so gewählt ist, daß jede Diode für sich - auch bei einem Kurzschliessen aller anderen - einen kontinuierlichen Stromfluß von der Zuflußelektrode des Teilnetzwerks zu dessen Abflußelektrode über diesen Pfad unterbindet.
Einer der beiden Längsentlastungskondensatoren - der eingangseitige Längsentlastungskondensator -ist zwischen die Eingångselektrode des Einwegschalters und die Anode der eingangseitigen Längsentlastungsdiode eingefUgt, deren Kathode mit der Zuflußelektrode des Teilnetzwerks mit den beschriebenen Eigenschaften verbunden ist. Der zweite Längsentlastungskondensator - der ausgangseitige Längsentlastungskondensator - ist analog zwischen die Ausgangselektrode des Einwegschalters und die Kathode der ausgangseitigen LKngsentlastungsdiode geschaltet, deren Anode an die Abflußelektrode des Teilnetzwerks mit den beschriebenen Eigenschaften angeschlossen ist. Einer der beiden Querentlastungskondensatoren - der eingangseitige Querentlastungskondensator - ist zwischen die Eingangselektrode des Eilnwegschalters und die Anode der Querentlastungsdiode und der zweite Querentlastungskondensator - der ausgangseitige Querentlastungskondensator - ist zwischen die Ausgangselektrode des Einwegschalters und die Kathode der Querentlastungsdiode eingefügt.
Damit erfüllt das Netzwerk die erwünschte, im folgenden beschriebene Entlastungsfunktion. Unmittelbar im Anschluß an das Einschalten des Einwegschalters werden die beiden Längsentlastungskondensatoren über den Einwegschalter selbst, die beiden Ladedrosseln und die beiden Ladedioden aus den beiden Querentlastungskondensatoren so aufgeladen, daß die Anode jener Längsentlastungsdiode, deren Kathode mit der Zuflußelektrode des Teilnetzwerks mit den beschriebenen Eigenschaften verbunden ist, gegenüber der Kathode jener Längsentlastungsdiode, deren Anode mit der Abflußelektrode dieses Teilnetzwerks verbunden ist, eine Spannung aufweist, welche näherungsweise so groß ist wie jene Sperrspannung, welche die Eingangselektrode des Einwegschalters gegenüber dessen Ausgangselektrode nach Abschluß des Abschaltvorgangs des Einwegschalters annimmt. Während dieses Aufladevorgangs der beiden Längsentlastungskondensatoren geht die Spannung an den beiden speisenden Querentlastungskondensatoren, welche zu Beginn dieses Vorgangs' näherungsweise halb so groß war wie jene Sperrspannung, welche die Eingangselektrode des Einwegschalters gegenüber dessen Ausgangselektrode nach Abschluß des vorangegangenen Abschaltvorgangs des Einwegschalters annahm, näherungsweise auf den Wert Null zurück. Wird nun das nächste Abschalten des Einwegschalters durch rasche Erhöhung des zwischen seinen Hauptstromelektroden wirksamen Widerstands eingeleitet, so kann die Spannung zwischen diesen Hauptstromelektroden nur so rasch anwachsen, wie die beiden Längsentlastungskondensatoren von einer Hälfte des zuvor über den Einwegschalter geflossenen Stroms wieder entladen und die beiden Querentlastungskondensatoren von der anderen Hälfte dieses zuvor über den Einwegschalter geflossenen Stroms wieder geladen werden. Bei genügend großer Kapazität der vier Entlastungskondensatoren ist der Strom durch den Einwegschalter dann bereits auf unerhebliche Werte abgesunken, bevor die Spannung zwischen den beiden Hauptstromelektroden des Einwegschalters einen nennenswerten Betrag angenommen hat. Damit ist erreicht, daß der Einwegschalter von seiner Verlustleistungsbeanspruchung beim Abschalten entlastet wird und es ist gegenüber der Entlastungsgrundschaltung eine Verbesserung des Entlastungseffekts beim Ausschalten des Einwcgschalters im Verhältnis. zu dessen Belastung beim Umladen der Bntlastungskondensatoren um den Faktor 2 erzielt, weil nun auch jene Kondensatoren, aus welchen die Längsentlastungskondensatoren unmittelbar im Alschluß an das Einschalten des Einwegschalters aufgeladen werden, zum Entlastungseffekt in gleichem Maße beitragen wie die Längsentlastungskondensatoren selbst.
Figur 4 zeigt beispielhaft den Hochsetzsteller aus Figur Xb nach Erweiterung um die vorstehend beschriebene erste Variante der Entlastungsgrundschaltung, bestehend aus der eingangseitigen Längsentlastungsdiode (20), der eingangseitigen Ladediode (6), der eingangseitigen Ladedrossel (7), der Querentlastungsdiode (21), der ausgangseitigen Ladedrossel (9), der.ausgangseitigen Ladediode (10), der ausgangseitigen Längsentlastungsdiode (22), dem eingangseitigen Längsentlastungskondensator (23), dem ausgangseitigen Längsentlastungskondensator (24), dem eingangseitigen Querentlastungskondensator (25) und dem ausgangseitigen Querentlastungskondensator (26).
Bei der vorstehenden Beschreibung der Entlastungsfunktion dieser ersten Variante der Entlastungsgrundschaltung wurde wieder vorausgesetzt, daß der Einwegschalter (3) jeweils vor dem Nullwerden des Stromes durch die Speicherdrossel (16) oder unmittelbar im Anschluß an das Erreichen dieses Zustands wieder eingeschaltet wird oder daß durch eine bzw. mehrere zusätzliche llauptstrwidioden verhindert wird, daß elektrische Ladung aus den beiden Querentlastungskondensatoren (25) und (26) in die Gleichspannungsquelle (1) zurückfließen kann oder daß die Spannung U0 der Gleichspannungsquelle (1) mindestens halb so groß ist wie die Spannung Ua des rechts anzuschliessenden Gleichspannungssystems.
Ist nicht mindestens eine dieser Voraussetzungen gegeben, so kost es nach dem Nullwerden des Stromes durch die Speicherdrossel (16) zu einer vorzeitigen Aufladung der beiden Längsentlastungskondensatoren (23) und (24) und zu einer vorzeitigen Entladung der beiden Querentlastungskondensatoren (25) und (26). Dabei erfolgt die vorzeitige Aufladung des eingangseitigen Längsentlastungskondensators (23) aus dem ausgangseitigen Querentlastungskondensator (26) (welcher dabei entladen wird) über die eingangseitige Ladedrossel (7), die eingangseitige Ladediode (6), die Speicherdrossel (16) und die Gleichspannungsquelle (1) und die vorzeitige Aufladung des ausgangseitigen Längsentlastungskondensators (24) aus dem eingangseitigen Querentlastungskondensator (25) (welcher dabei entladen wird) über die ausgangseitige Ladedrossel (9), die ausgangseitige Ladediode (10), die Speicherdrossel (16) und die Gleichspannungsquelle (1). Eine derartige vorzeitige Aufladung der Längsentlastungskondensatoren und Entladung der Querentlastungskondensatoren über die Gleichspannungsquelle (1) ist unerwünscht, weil dabei - insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen - erhebliche elektrische Leistung wieder in die an sich speisende Gleichspannungsquelle zurückgeschafft wird. Des weiteren ist sie unerwünscht, weil dabei die Querentlastungskondensatoren nicht vollständig entladen und die Längsentlastungskondensatoren nicht voll auf die erwünschte Endspannung (hier: k a) aufgeladen werden und der erwünschte Ladezustand dieser Kondensatoren sich dann auch im Anschluß an das nächste Wiedereinschalten des Einwegschalters (3) nicht mehr einstellt und infolgedessen der anschliessende Entlastungsvorgang beim Abschalten nicht mehr korrekt abläuft.
Wie bereits angedeutet, läßt sich dieser Effekt durch die Einfügung einer oder mehrerer zusätzlicher Hauptstromdioden vermeiden. Dies kann wieder in verschiedener Weise ausgeführt werden. Lediglich als ein Realisierungsbeispiel sei die Anordnung nach Fig. 5 aufgeführt, bei welcher in die Anordnung nach Fig. 4 zwei zusätzliche Hauptstromdioden (27) und (28) in den zum Einwegschalter (3) hin und von diesem weg führenden Querpfad eingefügt sind, derart, daß keine elektrische Ladung aus den Querentlastungskondensatoren (25) und (26) in die Gleichspannungsquelle (1) zurückfließen kann.
Solche zusätzlichen Dioden im Hauptstromkreis sind wegen der durch sie hervorgerufenen Verluste aber meist unerwünscht. Dies gilt insbesondere für Schaltungen mit niedrigem Spannungspegel.
Gemäß der hiermit vorgelegten Zusatzerfindung wird die vorzeitige Aufladung der Längsentlastungskondensatoren und gleichzeitige Entladung der Querentlastungskondensatoren über die Gleichspannungsquelle (1) ohne zusätzliche Hauptstromdioden dadurch verhindert, daß die beiden Ladedioden (6) und (10) durch je einen elektrischen oder elektronischen, in Rückwärtsrichtung sperrenden, einschaltbaren Einwegschalter ersetzt werden, wobei letztere mit dem Einschalten des Einwegschalters (3) vom sperrenden in den leitenden Zustand versetzt werden und dann so lange leitend bleiben, bis das Aufladen der Längsentlastungskondensatoren (23) und (24) und das Entladen der Querentlastungskondensatoren (25) und (26) abgeschlossen ist. Bereits genannte Beispiele für derartige elektrische oder elektronische, in Rückwärtsrichtung sperrende, einschaltbare Einwegschaltet sind Thyristoren, abschaltbare Thyristoren (Gate-turnpff-Thyristoren), als Schalter betriebene Transistoren mit nachgeschalteter Diode sowie im Einwegbetrieb eingesetzte. Schalter mit mechanischer Kontaktgabe.
Fig. 6 zeigt beispielhaft den Hochsetzsteller aus Figur ib nach Erweiterung m die in der Deutschen Hauptpatentanmeldung P 2650673.0 vorgestellte erste Variante der Entlastungsgrundschaltung und nach Ersetzung der dort ursprünglich enthaltenen Ladedioden durch mit gleicher Durchlaßrichtung eingesetzte Thyristoren (29) und (30), welche jeweils beim Einschalten des Einwegschalters (3) gezündet werden. Bis im Anschluß an das nachfolgende Abschalten des Einwegschalters (3) der Strom durch die Speicherdrossel (16) gegebenenfalls zu Null geworden ist, befinden sich sowohl der eingangseitige Ladethyristor (29) als auch der ausgangseitige Ladethyristor (30) wieder im sperrenden Zustand, so daß die weiter vorn beschriebene vorzeitige Aufladung der Längsentlastungskondensatoren (23) und (24) sowie die gleichzeitige Entladung der Querentlastungskondensatoren (25) und (26) über die Gleichspannungsquelle (1) vermieden wird.
Als zweite Variante der Entlastungsgrundschaltung beschreibt die Deutsche Hauptpatentanmeldung P 2650673.0 eine Anordnung, welche nur noch drei Außenanschlüsse aufweist. Das Teilnetzwerk .mit den eingangs beschriebenen Eigenschaften ist dann zumindest nicht mehr vollständig erforderlich. Bei dieser zweiten Variante der Entlastungsgrondsc.haltung genügt es vielmehr davon aus zugeben, daß ip einer Gesamtschaltung, in welcher .in elektrischer oder elektronischer Einwegschalter eingesetzt ist, üblicherweise ein Schaltungspunkt vorhanden ist, weicher gegenüber jener Hauptstromelektrode des Einwegschalters - im weiteren Schalterelektrode mit konstantem Potential genannt -, die beim Abschalten des fieber einen. Einwegschalter fliessenden Stromes ihr elektrisches Potential g,egenbber dem anschließend die SpeFspannungsbeanspruchung des Einwegschaiters bestimmenden System weitgehend beibehalt, eine weitgehend konstante oder nur relativ langsam veränderliche Spannung aufweist, welche näherungsweise so groß ist wie die Sperrspannung, welche die andere Hauptstromelektrode des Einwegschalters -.im weiteren Schalterelektrode mit springendem Potential genannt -, die beim Abschalten des über den Einwogschalter fliessenden Stromes ihr elektrisches Potential gegenüber dem anschließend die Sperrspannungsbeanspruchung des Einwegschalters bestimmenden System .erheblich verändert, gegenüber der Schalterelektrode mit konstantem Potential nach Abschluß eines Abschaltvorgangs des Einwegschalters aufweist (im Beispiel nach Fig. la ist dies der obere Anschlußpunkt des rechts anzuschliessenden Gleichspannungssystems bzw. die mit diesem Anschlußpunkt galvanisch verbundene Kathode der Hauptstromdiode (2) ).
Sofern sich in Abweichung vom Oblichen in der ursprünglichen Schaltung selbst kein Punkt mit dieser Eigenschaft finden läßt, kann ein solcher entweder durch Umgruppicrung der vorhandenen Bauelemente oder unter Zuhilfetlahme 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.
Gemäß der mit der Deutschen Hauptpatentanmeldung P 2650673.0 vorgestellten Erfindung wird bei der zweiten Variante der Entlastungsgrundschaltung nun zwischen die erläuterten Schaltungspunkte, nämlich den Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential, die Schalterelektrode mit konstantem Potential und die Schalterelektrode mit springendem Potential ein Ent-' lastungsnetzwerk eingefügt, welches aus einer Drossel - der sogenannten Lådedrossel -, einer Diode - der sogenannten Ladediode -, einer weiteren Diode - der sogenannten Längsentlastungsdiode -, einer dritten Diode - der sogenannten Querentlastungsdiode -, einem Kondensator - dem sogenannten Längsentlastungskondensator - und einem weiteren Kondensator mit etwa derselben Kapazitat - dem sogenannten Querentlastungskondensator -besteht. Die Drossel und die Dioden sind so angeordnet, daß vom Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential zur Schalterelektrode mit springendem Potential ein Pfad besteht, in welchem nacheinander die Llngsentlastungsdiode, die Ladediode, die Ladrossel und die Querentlastungsdiode aufeinander folgen, wobei die Anschlußrichtung aller drei Dioden. einhcitlich und so gewählt ist, daß jede Diode für sich - auch bei einem Kurzschl'iessen der beiden anderen - einen kontinuierlichen Strom fluß zwischen dem Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential und der Schalterelektrode mit springendem Potential auch bei eingeschaltetem Einwegschalter unterbindet. Der. Längsentlastungskondensator ist zwischen die Schalterelektrode mit springendem Potential und jenen Anschluß der Längsentlastungsdiode eingefügt, der nicht mit dem Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential verbunden ist. Der Querentlastungskondensator ist zwischen die Schaltcrelektrode mit konstantem Potential und jenen Anschluß der Querentlastungsdiode eingefügt, der nicht an die Schalterelektrode mit springendem Potential angeschlossen ist.
Damit erfüllt diese zweite Variante der Entlastungsgrundschaltung die erwünschte, im folgenden beschriebene Entlastungsfunktion. Unmittelbar im Anschluß an das Einschalten des Einwegschalters wird der Längsentlastungskondensator über den Einwegschalter selbst, die Ladedrossel und die Ladediode aus dem Querentlastungskondensator so aufgeladen, daß jene Elektrode des Längsentlastungskondensators, an welche die beiden Dioden angeschlossen sind, gegenüber dem anderen, mit der Schalterelektrode mit springendem Potential verbundenen Anschluß des Längsentlastungskondensators eine Spannung aufweist, welche nälierungsweise 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. Während dieses Aufladevorgangs des Längsentlastungskondensators geht die Spannung am speisenden Quer entlastungskondensator, welche zu Beginn dieses Vorgangs näherungsweise so groß war wie jene Sperrspannung, welche die Schalterelektrode mit springendem Potential gegenüber der Schalterclektrode mit konstantem Potential nach Abschluß des vorangcgangenen Abschaltvorgangs des Einwegschalters snnahm, näherungsweise auf den Wert Null zurAck.
Wird nun das nächste Abschalten des Einwegschalters durch rasche Erhöhung des zwischen seinen lauptstromelektroden wirksamen Widerstands eingeleitet, so kann die Spannung zwischen diesen Hauptstromelektroden nur so'rasch anwachsen, wie der Längsentlastungskondensator von der einen Hälfte des zuvor über den Einwegschalter geflossenen Stroms wieder entladen und der Querentlastungskondensator von der anderen Hälfte dieses zuvor huber den Einwegschalter geflossenen Stroms wieder geladen wird. Bei genügend großer Kapazität der beiden Entlastungskondensatoren ist der Strom durch den Einwegschalter dann bereits auf unerhebliche Werte abgesunken, bevor. die, Spannung zwischen den beiden Hauptstromolektroden des Einwegschalters einen nennenswerten Betrag angenommen hat. Damit ist erreicht, daß der Einwegschalter von seiner Verlustloistungsbeanspruchung beim Abschalten entlastet wird und es ist'gegenllber der Entlastungsgrundschaltung eine Verbesserung des Entlastungseffekts beim Ausschalten im'Verhältnis zu dessen Belastung beim Umladen der Entlastungskondensatoren um den Faktor 4 erzielt, weil beide Kondensatoren in gleichem Maße zum Entlastungseffekt beitragen, diese Kondensatoren während des Entiastungsvorgangs parallel betricbcn werden, rcnd des Umladevorgangs aber in Reihe geschaltet sind.
Fig. 7 zeigt beispielhaft den Hochsetzsteller aus Figur 1a nach Erweiterung um die vorstehend beschriebene zweite Variante der Entlastungsgrundschaltung, bestehend aus der Längsentlastungsdiode (31), der Ladediode (32); der Ladedrossel (33), der Querentlastungsdiode (34), dem Längsentlastungskondensator (35) und dem Querentlastungskondensator (36).
Bei der vorstehenden Beschreibung der Entlastungsfunktion dieser zweiten Variante der Entlastungsgrundschaltung wurde vorausgesetzt, daß der Einwegschalter (3) jeweils vor dem Nullwerden des Stromes durch die Speicherdrossel (16) oder unmittelbar im Anschluß an das Erreichen dieses Zustands wieder eingeschaltet wird oder daß durch eine zusätzliche Hauptstromdiode verhindert wird, daß elektrische Ladung aus dem Querentlastungskondensator (36) über den Längsentlastungskondensator (35) in die Gleichspannungsquelle (1) zurückfließen kann.
Ist nicht mindestens eine dieser beiden Voraussetzungen gegeben, so kommt es nach dem Nullwerden des Stromes durch die Speicherdrossel (16) zu einer vorzeitigen Aufladung des Längsentlastungskondensators (35) und zu einer vorzeitigen Entladung des Querentlastungskondensators (36).
Dabei erfolgt die vorzeitige Aufladung des Längsentlastungskondensators (35) aus dem Querentlastungskondensator (36) (welcher dabei entladen wird) über die Ladedrossel (33), die Ladediode (32), die Speicherdrossel (16) und die Gleichspannungsquelle (1).
Eine derartige vorzeitige Aufladung des Längsentlastungskondensators und Entladung des Querentlastungskondensators über die Gleichspannungsquelle (1) ist unerwünscht, weil dann - insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen - erhebliche elektrische Leistung wieder in die an sich speisende Gleichspannungsquelle zurückgeschafft wird.
Des weiteren ist sie unerwünscht, weil dabei der Querentlastungskondensator nicht vollständig entladen und der Längsentlastungskondensator nicht voll auf die erwünschte Endspannung (hier: Ua) aufgeladen wird und der erwünschte Ladezustand dieser Kondensatoren sich dann auch im Anschluß an das nächste Wiedereinschalten des Einwegschalters (3) nicht mehr einstellt und infolgedessen der anschliessende Entlastungsvorgang beim Abschalten nicht mehr korrekt abläuft.
Wie bereits angedeutet, läßt sich dieser Effekt durch die Einfügung einer zusätzlichen Hauptstromdiode vermeiden. Dies kann wieder in verschiedener Weise ausgeführt werden, wofür nachstehend drei Realisierungsbeispiele aufgeführt seien.
Als erstes Realisierungsbeispiel diene die Anordnung nach Fig. 8, bei welcher in die Anordnung nach Fig. 7 eine zusätzliche llauptstromdiode (37) in den zum Einwegschalter (3) führenden Querpfad eingefügt ist, derart, daß keine elektrische Ladung aus dem Querentlastungskondensator (36) über den Längsentlastungskondensator (35) in die Gleichspannungsquelle (1) zurückfließen kann.
Als zweites Realisierungsbeispiel dieser Art diene die Anordnung nach Fig. 9. Sie zeigt einen potentialtrennenden Gleichstromdurchflußwandler mit zwei Einwegschaltern (38), zwei sogenannten Petersendioden (39), einem Einphasentransformator (40), einer Stromanstiegs-Begrenzungsdrossel (41) in Reihe zu dessen Primärwicklung (42), zwei Gleichrichterdioden (43), einer ausgangseitigen Glättungsdrossel (44) und einem ausgangseitigen Glättungskondensator (45).
Die untere Gleichspannungsschiene bzw. der hiermit galvanisch verbundene Punkt P1 ist der Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential für den oberen Einwegschalter, die obere Gleichspannungsschiene bzw. der mit ihr galvanisch verbundene Punkt P2 ist der Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential für den unteren Einwegschalter; entsprechend sind die drei Außenanschlüsse der beiden Entlastungsschaltungen - bestehend aus den Bauelementen 31 bis 36 - in die Gesamtanordnung eingefügt. Das Zurückfließen elektrischer Ladung aus den beiden Querentlastungskondensatoren (36) über die Längsentlastungskondensatoren (35) in die Gleichspannungsquelle (1) wird durch die zusätzlich eingebrachte Hauptstromdiode (46) verhindert.
Als drittes Realisierungsbeispiel dieser Art diene die Anordnung nach Fig. 10. Sie zeigt. die Ersatzdarstellung (47) des Ankerkreises einer fremderregten Gleichstrommaschine, welcher über einen elektronischen Einwegschalter (48) aus einer Gleichspannungsquelle (1) mit quasistetig einstellbarer Leistung versorgt wird. Die links oben skizzierte Drossel (49) berücksichtigt die unvermeidbare Induktivität der Zuleitungen.
Antiparallel zum Ankerkreis (47) der Gleichstrommaschine ist eine Freilaufdiode (50) geschaltet. q ist der Punkt mit Sperrspannungspotential für den Einwegschalter (48). Dieser Punkt ist hier mit Hilfe der Vorladediode (51), der Hauptladediode (52), einem Kondensator (53) sowie dem aus einem Ohmwiderstand (54) und einer Glättungsdrossel (55) gebildeten Rückladczweig ergänzend gebildet. Mit der Eingangselektrode E des Einwegschalters (48), dessen Ausgangselektrode A und dessen Punkt mit Sperrspannungspotential q sind die drei Außenanschlüsse der Entlastungsschaltung - bestehend aus den Bauelementen 31 bis 36 - verbunden.
Das Zurückfließen elektrischer Ladung aus dem Querentlastungskondensator (36) über den Längsentlastungskondensator (35) in die Gleichspannungsquelle (1) wird durch die zusätzlich eingebrachte Hauptstromdiode (56) verhindert.
Wie bereits an früherer Stelle erwähnt, sind solchc zusätzlichen. Dioden im Hauptstromkreis wegen der durch sie hervorgerufenen Verluste aber meist unerwünscht. Dies gilt insbesondere für Schaltungen mit niedrigem Spannungspegel.
Gemäß der hiermit vorgelegten Zusatzerfindung wird die vorzeitige Aufladung des Längsentlastungskondensators und gleichzeitige Entladung des Querentlastungskondensatdrs über die Gleichspannungsquelle (1) ohne eine zusätzliche Hauptstromdiode dadurch verhindert, daß die Ladediode durch einen elektrischen oder elektronischen, in Rückwärtsrichtung sperrenden, einschaltbaren 'Einwegschalter ersetzt werden, wobei letzterer mit dem Einschalten des Einwegschalters (3) vom sperrenden in den leitenden Zustand versetzt wird und dann solange leitend bleibt, bis das Aufladen des Längsentlastungskondensators (35) und das Entladen des Querentlastungskondensators (36) abgeschlossen ist. Bereits genannte Beispiele für derartige elektrische oder elektronische, in Rückwärtsrichtung sperrende, einschaltbare Einwegschalter sind Thyristoren, abschaltbare Thyristoren (Gate-turn-off-Thyristoren), als Schalter betriebene Transistoren mit nachgeschalteter Diode sowie im Einwegbetrieb eingesetzte Schalter mit mechanischer Kontaktgabe.
Fig. 11 zeigt beispielhaft den Hochsetzsteller aus Figur lb nach Erweiterung um die in der Deutschen Hauptpatentanmeldung P 2650673.0 vorgestellte zweite Variante der Entlastungsgrundschaltung und nach Ersetzung der dort utsprünglich enthaltenen Ladediode durch einen mit gleicher Durchlaßrichtung eingesetzten Thyristor (57), welcher jeweils beim Einschalten des Einwegschalters (3) gezündet wird. Bis im Anschluß an das nachfolgende Abschalten des Einwegschalters (3) der Strom durch die Speicherdrossel (16) gegebenenfalls zu Null geworden ist, befindet sich der Ladethyristor (57) wieder im sperrenden Zustand, so daß die weiter vorn beschriebene vorzeitige Aufladung des Längsentlastungskondensators (35) sowie die gleichzeitige Entladung des Querentlastungskondensators (36) über die Gleichspannungsquelle (1) vermieden wird.
Fig. 12 zeigt ebenfalls beispielhaft den potentialtrennenden Gleichstromdurchflußwandler aus Fig. 9 nach Herausnahme der dort früher eingeführten zusätzlichen Hauptstromdiode (46) und nach Ersetzung der dort ursprünglich enthaltenen Ladedioden (32) durch je einen mit gleicher Durchlaßrichtung eingesetzten Thyristor (58), wobei diese Thyristoren jeweils beim Einschaltender beiden Einwegschalter (3) gezündet werden. (In dieser speziellen Gesamtanordnung würde das angestrebte Ziel aber auch bereits dann erreicht, wenn nur eine der beiden Ladedioden (32) durch einen Ladethyristor (58) ersetzt würde.) Fig. 13 zeigt als weiteres Beispiel die Gleichstromstellerspeisung einer fremderregten Gleichstrommaschine aus Fig. 10 nach Herausnahme der dort früher eingeführten zusätzlichen Hauptstromdiode (56) und nach Ersetzung der dort ursprünglich enthaltenen Ladediode (32) durch einen mit gleicher Durchlaßrichtung eingesetzten Thyristor (59), wobei dieser Thyristor jeweils beim Einschalten des Einwegschalters (3) gezündet wird.
Als dritte Variante der Entlastungsgrundschaltung beschreibt die Deutsche Hauptpatentanmeldung P 2650673.0 schließlich eine Anordnung, welche entsteht, wenn in der ersten Variante der Entlastungsgrundschaltung der eingangseitige und der ausgangseitige Längsentlastungskondensator jeweils entfernt werden, und jene Anschlüsse, zwischen denen der eingangseitige Längsentlastungskondensator eingefügt war, miteinander verbunden werden, sowie jene Anschlüsse, zwischen denen der ausgangseitige Längsentlastungskondensator eingefügt war, ebenfalls miteinander verbunden werden, sowie die eingangseitige Längsentlastungsdiode und die ausgangseitige Längsentlastungsdiode ersatzlos herausgenommen werden. Die so entstehende dritte Variante der Entlastungsgrundschaltung besitzt nur noch zwei Außenanschlüsse, das Teilnctzwerk mit den eingangs beschriebenen Eigenschaften ist dann nicht mehr erforderlich.
Gemäß der mit der Deutschen Hauptpatentanmeldung P 2650673.0 vorgestellten Erfindung wird bei der dritten Variante der Entlastungsgrundschaltung also zwischen die Eingangselektrode E des Einwegschalters und dessen Ausgangselektrode A, ein Entlastungsnetzwerk eingefügt, welches aus zwei Drosseln mit etwa gleicher Induktivität -den sogenannten Entladedrosseln -, zwei Dioden -den sogenannten Entladedioden -, einer dritten Diode - der sogenannten Entlastungsdiode - sowie zwei Kondensatoren mit etwa gleich großer Kapazität - den sogenannten Entlastungskondensatoren - besteht.
Die Drosseln und Dioden sind so angeordnet, daß von der Eingangselektrode des Einwegschalters zu dessen Ausgangselektrode ein Pfad besteht, in welchem nacheinander die eingangseitige Entladediode, die eingangseitige Entladedrossel, die Entlastungsdiode, die ausgangseitige Entladedrossel und die ausgangseitige Entladediode aufeinander folgen, wobei die Anschlußrichtung aller drei Dioden einheitlich und so gewählt ist, daß jede Diode für sich - auch bei einem Kurzschliessen der beiden anderen - einen kontinuierlichen Stromfluß von der Eingangselektrode des Einwegschalters zu dessen Ausgangselektrode über diesen Pfad unterbindet. Einer der beiden Entlastungskondensatoren - der eingangseitige Entlastungskondensator - ist zwischen die Eingangselektrode des Einwegschalters und die. Anode der Entlastungsdiodc, der zweite Entlastungskondensator - der ausgangseitige Entlastungskondensator -ist zwischen die Ausgangselektrode des Einwegsciialtcrs und die kathode der Entlastungsdiode eingefügt.
Damiterfüllt das Netzwerk die erwünschte, im folgenden beschriebene Entlastungsfunktion. Unmittelbar im Anschluß an das Einschalten des Einwegschalters werden die beiden Entlastungskondensatoren Ober den Einwegschalter selbst, die beiden Entladedrosseln und die beiden Entladedioden so weit entladen, bis die an ihnen liegenden Spannungen etwa den Wert Null angenommen haben. Anschliessend fließt im Entlastungsnetzwerk ein Kreisstrom über die Entlastungsdiode, die eingangseitige Entladedrossel, die eingangseitige Entladediode, den Einwegschalter, die ausgangseitige Entladediode und die ausgangseitige Entladedrossel zur Entlastungsdiode zurück.
Wird nun das nächste Abschalten des Einwegschalters durch rasche Erhöhung des zwischen seinen Hauptstromelektroden liegenden Widerstands eingeleitet, so kann die Spannung zwischen diesen Hauptstromelektroden nur so rasch anwachsen, wie die beiden Entlastungskondensatoren von dem zuvor über den Einwegschalter geflossenen Strom wieder aufgeladen werden. Bei genügend großer Kapazität der Entlastungskondensatoren 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 erreicht, daß der Einwegschalter von seiner Verlustleistungsbeanspruchung beim Abschalten entlastet wird und die Funktionsfähigkeit der Entlastungsanordnung auch bei kleiner werdenden Lastströmen durch den Einwegschalter voll erhalten bleibt.
Figur 14 zeigt beispielhaft den Hochsetzsteller aus Figur la nach Erweiterung um die vorstehend beschriebene dritte Variante der Entlastungsgrundschaltung, bestehend aus der eingangseitigen,Entladediode (60), der eingangseitigen Entladedrossel (61), der Entlastungsdiode (62), der ausgangseitigen Entladedrossel (63), der ausgangseitigen Entladediode (64), dem eingangseitigen Entlastungskondensator (65) und dem ausgangseitigen Entlastungskondensator (66).
Bei der vorstehenden Beschreibung der Entlastungsfunktion dieser dritten Variante der Entlastungsgrundschaltung wurde wieder vorausgesetzt, daß der Einwegschalter (3! jeweils vor dem Nullwerden des Stromes durch die Speicherdrossel (16) oder unmittelbar im Anschluß an das Erreichen dieses Zustands wieder eingeschaltet wird oder daß durch eine bzw. mehrere zusätzliche Hauptstromdioden verhindert wird, daß elektrische Ladung aus den beiden Entlastungskondensatoren in die Gleichspannungsquelle (1) zurückfliessen kann oder daß die Spannung UO der Gleichspannungsquelle (1) mindestens halb so groß ist wie die Spannung U.a des rechts anzuschliessenden Gleichspannungssystems.
Ist nicht mindestens eine dieser Voraussetzungen gegeben, so kommt es nach dem Nullwerden des Stromes durch die Speicherdrossel (16) zu einer vorzeitigen Entladung der beiden Entlastungskondensatoren (65) und (66). Dabei erfolgt die vorzeitige Entladung des eingangseitigen Entlastungskondensators (65) über die ausgangseitige Entladediode (64), die ausgangseitige Entladedrossel (63), die Speicherdrossel (16) und die Gleichspannungsquelle (1) und die vorzeitige Entladung des ausgangseitigen Entlastungskondensators (66) über die eingangscitige Entladedrossel (61), die eingangseitige Entladediode (60), die Speicherdrossel (16) und die Gleichspannungsquelle (1).
Eine derartige vorzeitige Entladung der Entlastungskondensatoren über die Glcic1spannungsquelle (1) ist uncrünsct, weil dabei - insl>esondcr bei hohen Schalt-frequenzen - erhebliche elektrische Leistung wieder in die an sich speisende Gleichspannungsquelle zurückgeschafft wird.
Wie bereits erwähnt, läßt sich dieser Effekt durch die Einfügung einer oder mehrerer zusätzlicher Hauptstromdioden vermeiden. Dies kann wieder in verschiedener Weise ausgeführt werden. Lediglich als ein Realisierungsbeispiel sei die Anordnung nach Fig. 15 aufgeführt, bei welcher in die Anordnung nach Fig. 14 eine zusätzliche Hauptstromdiode (67) unmittelbar mit der Speicherdrossel (16) und der Gleichspannungsquelle (1) in Reihe eingefügt ist, derart, daß kein Strom in die Gleichspannungsquelle (1) zurückfließen kann. Solche zusätzlichen Dioden im Hauptstromkreis sind -wie bereits wiederholt erwähnt - wegen der durch sie hervorgerufenen Verluste aber meist unerwünscht.
Dies gilt insbesondere für Schaltungen mit niedrigem Spannungspegel.
Gemäß der hiermit vorgelegten Zusatzerfindung wird die vorzeitige Entladung der Entlastungskondensatoren über die Gleichspannungsquelle (1) ohne eine zusätzliche Ilauptstromdiode dadurch verhindert, daß die beiden Entladedioden (60) und (64) durch je einen elektrischen oder elektronischen, in Rückwärtsrichtung sperrenden, cinschaltbarcn Einwegschalter ersetzt werden, wobei letzterc mit dem Einschalten des Einwegschalters (3) vom sperrenden in den leitenden Zustand. versetzt werden und dann so lange leitend bleiben, bis das Entladen der beiden Entlastungskondensatoren (65) und (66) abgeschlossen ist. Bcreits wiederholt genannte Beispiele für derartige elektrische oder elektronische, in Rückwärtsrichtung sperrende, einschaltbare Einwegschalter sind Thyristoren, abschaltbare Thyristoren (Gate-turn-off-Thyristoren), als Schalter betriebene Transistoren mit nachgeschalteter Diode sowie im Einwegbetrieb eingesetzte Schalter mit mechanischer Kontaktgabe.
Fig. 16 zeigt beispielhaft den Hochsetzsteller aus Figur la nach Erweiterung um die in der Deutschen Hauptpatentanmeldung P 2650673.0 vorgestellte dritte Variante der Entlastungsgrundschaltung und nach Ersetzung der dort ursprünglich enthaltenen Ladedioden durch mit gleicher Durchlaßrichtung eingesetzte Thyristoren (68) und (69), welche jeweils beim Einschalten des Einwegschalters (3) gezündet werden. Bis im Anschluß an das nachfolgende Abschalten des Einwegschalters (3) der Strom durch die Speicherdrossel (16) gegebenenfalls zu Null geworden ist, befinden sich sowohl der eingangseitige Entladethyristor .(68) als auch der ausgangseitige Entladethyristor (69) wieder im sperrenden Zustand, so daß die weiter vorn beschriebene vorzeitige Entladung der Entlastungskondensatoren über die Gleichspannungsquelle (1) vermieden wird.
Abschliessend ist in der Deutschen llauptpatentanmeldung P 2650673.0 erläutert, daß es sehr vorteilhaft sein kann, die Entlastungsgrundschaltung oder ihre dritte Variante mit der ersten oder zweiten Variante der Entlastungsgrundschaltung an ein- und demselben Einwegschalter zu kombinieren.
Dies gilt völlig entsprechend für die mit der vorliegenden Zusatzanmeldung vorgestellten Anordnungen, bei welchen eine eventuelle vorzeitige Aufladung und/oder Entladung der Entlastungskondensatoren über die Gleichspannungsquelle ohne zusätzliche Hauptstromdioden dadurch verhindert wird, daß die in den Anordnungen gemäß der Deutschen Hauptpatentanmeldung P 2650673.0 enthaltenen Ladedioden bzw. Entladedioden durch elektrische oder elektronische, in Rückwärtsrichtung sperrende, einschaltbare Einwegschalter ersetzt werden.
Lediglich beispielhaft für solche Kombinationen zeigt Figur 17 den llochsetzsteller aus Fig. la nach Erweiterung um die zweite Variante der Entlastungsgrundschaltung (vcrgleiche hierzu Fig. 7) und zusätzlicher Ergänzung um die dritte Variante der Entlastungsgrundschaltung (vergleiche hierzu Fig. 14) sowie nach Ersetzung der dort ursprünglich enthaltenen Ladediode sowie Entladedioden durch mit gleicher Durchlaßrichtung eingesetzte Thyristoren, den Ladethyristor (70) sowie die beiden Entladethyristoren (71) und (72), welche sämtlich jeweils beim Einschalten des Einwegschalters (3) gezündet werden.

Claims

PatentansprUche: Dinrichtung ohne prinzipbedingte Verluste zur Entlastung elektrischer oder elektronischer Einwegschalter von ihrer Verlustleistungsbeanspruchung beii Ausschalten, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen vier Punkte der Gesamtschaltung, in welcher der Einwegschalter betrieben wird, ein elektrisches Entlastungsnetzwerk eingefügt ist, welches aus zwei Drosseln mit etwa gleich großer Induktivität - im weiteren eingangseitige Ladedrossel und ausgangseitige Ladedrossel genannt -, zwei Dioden - im weiteren eingangseitige Hnlastungsdiode und ausgangseitige Entlastungsdiode genannt -, zwei Thyristoren - im weiteren eingangseitiger und ausgangseitiger Ladethyristor genannt - , einer dritten Diode - im weiteren Querstromdiode genannt -, zwei Kondensatoren mit etwa gleich großer Kapazität - im weiteren eingangseitiger Entlastungskondensator und ausgangseitiger Entlastungskondensator genannt - sowie zwei weiteren Kondensatoren mit unter sich wiederum etwa gleich großer Kapazität - im weiteren eingangseitiger Stützkondensator und ausgangseitiger Stützkondensator genannt -besteht und daß die Kapazitäten der beiden Stützkondensatoren wesentlich größer sind als jene der beiden Entlastungskondensatoren und daß die Kathode der eingangseitigen Entlastungsdiode an einen Punkt der Gesamtschaltung - im weiteren Zuflußelektrode genannt - angeschlossen ist, welcher unmittelbar im Anschluß an das Abschalten des Einwegschalters mit jener Hauptstromelektrode des Einwegschalters - im weiteren Eingangselektrode genannt -, über welche der Strom in den Einwegschalter eintritt, elektrisch leitend verbunden ist und daß die Anode der ausgangseitigen Entlastungsdiode an einen Punkt der Gesamtschaltung - im weiteren Abflußelektrode genannt - angeschlossen ist, welcher unmittelbar im Anschluß an das Abschalten des Einwegschalters mit jener Hauptstromelektrode des Einwegschalters " im weiteren Ausgangselektrode genannt -, über welche der Strom aus dem Einwegschalter aus tritt, elektrisch leitend verbunden ist und daß die genannte Zuflußelektrode sowie die genannte Abflußelektrode im leitenden Zustand des Einwegschalters von dessen Hauptstromelektroden, z.B. über Dioden, elektrisch getrennt sind und daß die genannte Zuflußelektrode gegenüber der genannten Abflußelektrode eine weitgehend konstante Spannung aufweist und daß von der Anode der eingangseitigen Entlastungsdiode zur Kathode der ausgangseitigen Entlastungsdiode ein Pfad besteht, in welchem nacheinander der eingangseitige Ladeth?ristor,die eingangseitige Ladedrossel, die Querstromdiode, die ausgangseitige Ladedrossel und der ausgangseitige Ladethyristor aufeinander folgen, wobei die Anschlußrichtungen aller Dioden und Thyristoren dieses Pfads einheitlich und so gewählt sind, daß jeder Thyristor, auch im gezündeten Zustand, und jede Diode jeweils für sich - auch bei einem Kurzschließen der anderen, in diesem Pfad enthaltenen Bauelemente - einen kontinuierlichen Stromfluß über diesen Pfad von der genannten Zuflußelektrode zur genannten Abflußelektrode unterbindet und daß der eingangseitige Entlastungskondensator zwischen die Eingangselektrode des Einwegschaiters und die Anode der eingangseitigen Entlastungsdiode eingefugt ist und daß der ausgangseitige Entlastungskondensator zwischen die Ausgangselektrode des Einwegschalters und die Kathode der ausgangseitigen Entlastungsdiode eingefügt ist und daß der eingangseitige Stützkondensator wischen die Eingangselektrode des Einwegschalters und die Anode der Querstromdiode eingefügt ist und daß der ausgangseitige Stützkondensator zwischen die Ausgangselektrode des Einwegschalters und die Kathode der Querstromdiode eingefügt ist und daß dann, wenn in der ursprünglichen Gesamtschaltung kein Teilnetzwerk mit zwei Schaltungspunkten enthalten ist, von denen einer die Eigenschaften der Zuflußelektrode und der andere die Eigenschaften der Abflußelektrode aufweist, ein solches Teilnetzwerk durch Umgruppierung vorhandener Bauelemente und/oder unter Zuhilfenahme zusätzlicher passiver sowie gegebenenfalls -auch aktiver elektrischer und/oder elektronischer Bauelemente vervollständigt oder ergänzend hinzugefügt wird und daß die. beiden Ladethyristoren jeweils beim Einschalten des Einwegschalters durch je einen kurzen Zündimpuls vom sperrenden in den leitenden Zustand versetzt werden.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des .Entlastungseffekts beim Ausschalten des Einwegschalters im Verhältnis zu dessen Belastung beim Aufladen der Entlastungskondensatoren die Kapazitäten der beiden Stutzkondensatoren in Abweichung von Anspruch 1 nicht wesentlich größer als die Ka-Kapazitäten der beiden Entlastungskondensatoren sind, sondern die Kapazitäten aller vier Kondemsatren etwa gleich groß sind und daß bei dieser Dimensionierung die in Anspruch 1 als Entlastungskondensatoren bezeichneten Bauelemente nunmehr als Längsentlastungskondensatoren arbeiten, die in Anspruch 1 als Stützkondensatoren bezeichneten Bauelemente nunmehr als Querentlastungskondensatoren den Entlastungseffekt verbessern und das in Anspruch 1 als Querstromdiode bezeichnete Bauelement nunmehr als Querentlastungsdiode fungiert.
3. Einrichtung ohne priniipbedingte Verluste zur Entlastung. elektrischer oder elektronischer Einwegschalter von ihrer Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten, aus der Einrichtung nach Anspruch 2 durch Oberbrückung und Herausnahme von Bauelementen hervorgehend, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen drei Punkte der Gcsamtschaltung, in welcher der Einwegschalter betricben wird, ein elektrisches Entlastungsnetzwerk eingefügt ist, welches aus einer Drossel - im weiteren Ladedrossel genannt -, einem Thyristor - im weiteren Ladethyristor genannt - einer Diode - im weiteren Längsentlastungsdiode genannt -, einer zweiten Diode - im weiteren Querentlastungsdiode genannt -, einem Kondensator - im weiteren Längsentlastungskondensator genannt - und einem.weiteren Kondensator mit etwa derselben Kapazität - im weiteren Querentlastungskondensator genannt - besteht und daß eine Anschlußelektrode der Querentlastungsdiode 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 eine Anschlußelektrode der Längsentlastungsdiode mit einem Punkt der Gesamtschaltung - im weiteren Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential genannt - verbunden ist, welcher gegenüber jener Hauptstromelektrode des Einwegschalter - im weiteren Schalterelektrode mit konstantem Potential genannt -, die beim Abschalten des über den Einwegschalter fliessenden Stroes ihr elektrisches Potential gegenüber dem anschließend die Sperrspannungsbeanspruchung des Binwegschalters 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 Anschlußelektrode der Querentlastungsdiode über die Reihenschaltung aus Ladedrossel und Ladethyristor mit der verbleibenden.Anschlußclektrode der LEngsentlastungsdiode verbunden ist, und daß in dem damit zwischen der Schalterelektrode mit springendem Potential und dem Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential entstandenen Pfad, in welchem nacheinander die Querentlastungsdiode, die Ladedrossel, der Ladethyristor und die Längsentlastungsdiode aufeinander folgen, die Anschlußrichtungen der beiden Dioden und des Thyristors einheitlich und so gewählt sind, daß der Thyristor, auch im gezündeten Zustand, und beide Dioden jeweils für sich - auch bei einem Kurzschliessen der anderen, in diesem Pfad enthaltenen Bauelemente - einen kontinuierlichen Stromfluß über diesen Pfad zwischen der Schalterelektrode mit springendem Potential und dem Schaltungspunkt mit Sperrspannungspotential unterbindet und daß der Längsentlastungskondensator zwischen die Schalterelektrode mit springendem Potential und jene Anschlußelektrode der Längsentlastungsdiode eingefügt ist, die nicht mit dem Punkt mit Sperrspannungspotential verbunden ist und daß der Querentlastungskondensator zwischen die Schalterelektrode mit konstantem Potential und jene Anschlußelektrode der Querentlastungsdiode eingefügt ist, die nicht mit der Schalterelektrode mit springendem Potential verbunden ist, und daß dann, wenn ein belastbarer Schaltungspunkt mit der beschriebenen Eigenschaft des Schaltungspunkts mit Sperrspannungspotential in der ursprünglichen Gcsamtschaltung nicht vorhanden ist, ein Schaltungspunkt mit diesen Eigenschaften entweder durch Umgruppierung der vorhandenen Bauelemcnte oder unter Zuhilfenahme aktiver und/oder passiver elektrischer und/oder elektronischer Bauelemente ergänzend gebildet wird und daß der Ladethyristor jeweils beim Einschalten des Einwegschalters durch einen kurzen Zündimpuls vom sperrenden in den leitenden Zustand versetzt wird.
4. Einrichtung ohne prinzipbedingte Verluste zur Entlastung elektrischer oder elektronischer Einwegschalter von ihrer Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten, aus der Einrichtung nach Anspruch 2 durch Oberbrückung und Herausnahme-von Baueledienten hervorgehend, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jene Hauptstromelektrode des Einwegschalters - im weiteren Eingangselektrode genannt - über welche der Strom in den Einwegschalter eintritt und die verbleibende Hauptstromelektrode des Einwegschalters - im weiteren Ausgangselektrode genannt - über welche der Strom aus dem Einwegschalter aus tritt, ein elektrisches Entlastungsnetzwerk eingefügt ist, welches aus zwei Drosseln mit etwa gleicher Induktivität - im weiteren Entladedrosseln genannt -, zwei. Thyristoren - im weiteren Entladethyristoren genannt -, einer Diode - im weiteren Entlastungs di ode genannt - sowie zwei Kondensatoren mit etwa gleich großer Kapazität - im weiteren Entlastungskondensatoren genannt - besteht, und daß die Drosseln, Thyristoren und die Diode so angeordnet sind, daß von der Eingangselektrode des Einwegschalters zu dessen Ausgangselektrode ein Pfad besteht, in welchem nacheinander der eingangseitige Entladethyristor, die eingangseitige Entladcdrossel, die Entlastungsdiode, die ausgangseitige Entladedrosse und der ausgangseitige Entladethyristor aufeinander folgen, wobei die Anschlußrichtungen der Diode und der beiden Thyristoren einheitlich und so gewählt sind, daß beide Thyristoren, auch im gezündeten Zustand, und die Diode jeweils für sich - auch bei einem Kurzscliliessen der anderen, in diesem Pfad enthaltenen Bauclententc - einen Stromfluß von der Eingangselektrode des Einwegschalters zu dessen Ausgangselektrode über diesen Pfad unterbindet, und daß der eingangseitige Entlastungskondensator zwischen die Eingangselektrode des Einwegschalters und die Anode der Entlastungsdiode eingefügt ist, und daß der ausgangseitige Entlastungslondensator zwischen die Ausgangselektrode des Einwegschalters und die Kathode der Entlasttingsdiode eingefügt ist und daß die beiden Entladethyristorcn jeweils beim Einschalten des Einwegschalters durch je einen kurzen Zündimpuls vom sperrenden in den leitenden Zustand versetzt werden.
5. Einrichtung ohne prinzipbedingte Verluste zur Entlastung elektrischer oder elektronischer Einwegschalter von ihrer Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten mit günstigem Verhältnis von Entlastungseffekt beim Ausschalten des Einwegschalters zu dessen Belastung beim Umladen der Entlastungskondensatoren und guter Eignung für variable, zu schaltende Ströme dadurch gekennzeichnct, daß eine Einrichtung. nach Anspruch 1 oder 4 mit einer Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3 an ein- und demselben Einwegschalter kombiniert wird.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dort enthaltenen Thyristoren durch mit gleicher Durchlaßrichtung eingesetzte, elektrische oder elektronische, in Rückwärtsrichtung sperrende, einschaltbarc Linwegschalter ersetzt werden, welche jeweils beim Einschalten des Elauptstrom-linwegscllalters vom sperrenden in den leitenden Zustand versetzt werden und anschliessend jeweils so lange leitend gehalten werden, bis die dann ablaufenden Umladevorgänge der Entlastungskondensatoren abgeschlossen sind.