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Die Erfindung be-trifft eine Reihenschaltungsanordnung von
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Schaltelementen bei einem Chopper oder Zerhacker, der sich zwischen
einer Gleichspannungsquelle und einer Last befindet und der die Gleichspannung steuert,
die der Last von der Gleichspannungsversorgung zugeführt wird.
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Im allgemeinen wird eine Reihenschaltung von Schaltelementen bei einem
Chopper oder Zerhacker in einem Falle vorgenommen, wo eine Gleichspannungs-Versorgungsspannung
höher werden kann als die Durchbruchsspannung eines Schaltelementes, z.B. der Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung,
wenn das Schaltelement ein Transistor ist.
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Bislang hat eine Anordnung dieser Art einen Aufbau, wie er in Fig.
1 dargestellt ist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine
Gleichspannungsversorgung.
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Die Bezugs zeichen 2 und 3 bezeichnen Transistoren als Schaltelemente,
die in Reihe geschaltet sind. Die Bezugszeichen 4 und 5 bezeichnen Dioden, die ebenfalls
in Reihe geschaltet sind. Die Reihenschaltungsanordnungen der Transistoren 2 und
3 sowie der Dioden 4 und 5 sind in umgekehrter Reihenschaltung verbunden, so daß
die Ströme in entgegengesetzter Richtung zueinander hindurchfließen, und beide Enden
der sich ergebenden umgekehrten Reihenschaltungsanordnung sind an die entsprechenden
Enden der Gleichspannungsversorgung 1 angeschlossen. Das Bezugs zeichen 6 bezeichnet
eine Last, deren beide Enden an die entsprechenden Enden der Reihenschaltung von
Dioden 4 und 5 angeschlossen ist. Es -wird angenornlnen, daß die Last 6 äquivalent
aus einer Reaktanz oder Drossel und einem Widerstand besteht.
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Die Bezugszeichen 7 und 8 bezeichnen Überspannungsunterdrücker, die
parallel zu den Transistoren 2 bzw. 3 geschaltet sind. Im praktischen Betrieb werden
die verschiedensten
Überspannungsunterdrücker verwendet, und ein
Beispiel hierfür ist in Fig. 2 dargestellt. Gemäß Fig. 2 bezeichnet das Bezugs zeichen
101 einen Transistor, der den Transistoren 2 oder 3 in Fig. 1 entspricht. Das Bezugszeichen
102 bezeichnet eine Zenerdiode als Uberspannungsunterdrücker, die dem Uberspannungsunterdrücker
7 oder 8 in Fig. 1 entspricht.
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Wenn die Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung des Transistors 101
vorher zumindest gleich der Zenerspannung der Zenerdiode 102 gemacht wird, wird
keine Uberspannung an den Transistor 101 angelegt. Wenn bei der Anordnung gemäß
Fig.1 die Spannung der Gleichspannungsversorgung 1 vorher kleiner gemacht wird als
die zweifache Zenerspannung, fließt keinerlei Strom ständig durch die Zenerdioden,
die die Uberspannungsunterdrücker 7 und 8 sind. Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 wird
die Zenerspannung üblicherweise so gewählt, daß folgende Relation gilt: (halbe Spannung
der Gleichspannungsversorgung 1) 4 (Zenerspannung) ( (Spannung der Gleichspannungsversorgung
1).
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Mit dem Bezugs zeichen 9 ist eine Steuereinheit bezeichnet, die EIN-
und AUS-Signale für die Transistoren 2 und 3 liefert, um die Gleichspannung zu steuern,
die von der Gleichspannungsversorgung 1 der Last 6 zugeführt wird. Das Bezugszeichen
10 bezeichnete eine Verbindungsleitung, die an die Basis des Transistors 2 angeschlossen
ist; das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Verbindungsleitung, die an den Emitter
des Transistors 2 angeschlossen ist; das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Verbindungsleitung,
die an die Basis des Transistors 3 angeschlossen ist, und das Bezugszeichen 13 bezeichnet
eine Verbindungsleitung, die an den Emitter des Transistors 3 angeschlossen ist.
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Das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen Stromdetektor, der den durch
die Last 6 fließenden Strom abtastet. Im praktischen Betrieb kennt man bereits die
verschiedensten Stromdetektoren, und in der Zeichnung ist die Verwendung eines Hall-Elementes
dargestellt. Da der Stromdetektor 14 unter
Verwendung eines Hall-Elementes
üblich ist, erscheint eine nähere Erläuterung entbehrlich. Von den Verbindungsleitungen
15 bis 18 zwischen der Steuereinheit 9 und dem Stromdetektor 14 sind die Verbindungsleitungen
15 bis 17 jeweils an die Null-, Plus- und Minus-Anschlüsse einer in der Steuereinheit
9 vorhandenen Steuerungsversorgung angeschlossen, während die Verbindungsleitung
18 eine Leitung ist, die eine Spannung mit einem Wert liefert, der proportional
zum Wert des durch die Last 6 fließenden Stromes, d.h. des Stromabtastsignals, hinsichtlich
der Verbindungsleitung 15 ist.
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Fig. 3 zeigt ein Beispiel der Steuereinheit 9. In Fig. 3 bezeichnet
das Bezugszeichen 103 die Steuerungsversorgung, wobei die Symbole 9 , AF und die
jeweiligen Null-, Plus-und Minus-Anschlüsse bezeichnen. Das Bezugszeichen 104 bezeichnet
eine Stromsteuerung, die den durch die Last 6 fließenden Strom steuert. Die Steuerung
des zur Last 6 fließenden Stromes ist äquivalent zur Steuerung der elektrischen
Leistung, die der Last zugeführt wird, bei gegebenKn Eigenschaften der Last (Impedanz,
elektromotorische Gegenkraft, usw.). Mit dem Bezugszeichen 105 ist ein Komparator
bezeichnet, der eine Hysteresis-Kennlinie hat und der ein Stromsteuerungssignal
Sr von der Stromsteuerung 104 sowie ein Stromabtastsignal Sd vom Stromdetektor 14,
d.h. das Signal der Verbindungsleitung 18 bei der Anordnung gemäß Fig. 1 erhält,
um die EIN- oder AUS-Signale der Transistoren aus der Differenz der erhaltenen Signale
zu liefern.
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Fig. 4 zeigt derartige Zusammenhänge, wobei der untere Bereich das
Ausgangssignal des Komparators 105 darstellt. In Fig. 4 ist der Punkt A der Punkt,
an dem der durch Subtraktion des Stromabtastsiynals Sd vom Stromsteuersignal Sr
erhaltene Wert eine positive Hysteresis-Breite erreicht hat und an dem sich die
Signale der Transistoren 2 und 3 von AUS-Signalen zu EIN-Signalen ändern. Wenn die
Transistoren 2 und 3 in den Zustand "EIN" gegangen sind, nimmt der durch die Last
6 fließende Strom zu und erreicht einen Punkt B.
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Der Punkt B ist der Punkt, an dem der durch Subtraktion des Stromabtastsignals
Sd vom Stromsteuersignal Sr erhaltene Wert eine negative Hysteresis-Breite erreicht
hat und an dem die Signale der Transistoren 2 und 3 sich von EIN-Signale in AUS-Signale
ändern. Wenn die Transistoren 2 und 3 in den Zustand "AUS" gegangen sind, so nimmt
der durch die Last 6 fließende Strom ab und erreicht einen Punkt C. Der Punkt C
ist der gleiche wie der Punkt A in der Relation zwischen dem Stromsteuersignal Sr
und dem Stromabtastsignal Sd. Von da an werden die Transistoren 2 und 3 wiederholt
in die Zustände EIN und AUS gebracht, so daß der durch die Last 6 fließende Strom
gesteuert wird.
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Wenn wieder auf Fig. 3 Bezug genommen wird, so bezeichnen die Bezugs
zeichen 106 und 107 Basis-Versorgungen und Verstärker, welche die EIN- oder AUS-Signale
der Transistoren vom Komparator 105 verstärken und dann die verstärkten Signale
den Transistoren 2 und 3 liefern. Da die Basis-Versorgungen und Verstärker 106 und
107 üblicherweise verwendet werden, erscheint eine detaillierte Erläuterung entehrlich.
Die Verbindungsleitungen 10 bis 13 und 15 bis 18 in Fig. 3 sind die gleichen wie
in Fig. 1.
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Nachstehend werden die Operationen beim Einschalten und Ausscha sen
der Transistoren 2 und 3 in Fig. 1 unter Bezugnahme a'if Fig. 4 näher erläutert.
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Zuerst, wenn die Transistoren 2 und 3 von der Steuereinheit 9 in ihre
EIN-Zustände gebracht sind, wird Strom von der Gleichspannungsversorgung 1 an die
Last 6 über diese Transistoren 2 und 3 angelegt. Wenn der durch die Last 6 fließende
Strom z.B. den Punkt B in Fig. 4 erreicht hat, werden zusätzlich zu einem Stromstärkenwert,
der mittels der Stromsteuerung 104 (vgl. Fig.3) eingestellt wird, von der Steuereinheit
9 AUS-Signale für die Transistoren 2 und 3 geliefert. Wenn die Transistoren 2 und
3 in ihre AUS-Zustände gegangen sind, erfolgt eine Dämpfung des durch die
Last
6 fließenden Stromes, während er durch die Dioden 4 und 5 fließt. Wenn somit der
Strom z.B. den Punkt C in Fig. 4 erreicht hat, liefert die Steuereinheit 9 die EIN-Signale
für die Transistoren 2 und 3. Wenn die Transistoren 2 und 3 in die EIN-Zustände
gegangen sind, wird der Strom von der Gleichspannungsversorgung 1 wieder an die
Last 6 angelegt, und der Stromstärkenwert nimmt allmählich zu.
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Auf diese Weise fließt ein Strom, der im wesentlichen gleich dem von
der Stromsteuerung 104 eingestellten Strom ist, durch die Last 6. Dieser durch die
Last 6 fließende Strom hat in der dargestellten Weise einen zickzackförmigen Verlauf
Sd gemäß Fig. 4, und zwar aufgrund der Hysteresis-Kennlinie des Komparators 105
gemäß Fig. 3.
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Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung des Choppers oder Zerhackers
kann dafür sorgen, daß der Strom mit gewünschtem Stromstärkenwert durch die Last
6 fließt, indem der Betrieb in der oben beschriebenen Weise erfolgt. Die Transistoren
2 und 3 werden jedoch selten aus dem Zustand EIN in den Zustand AUS oder umgekehrt
völlig gleichzeitig umgeschaltet. Dies führt zu dem Nachteil, daß ein großer Leistungsverlust
durch Streuung oder Verteilung der Schaltzeiten der Transistoren oder durch Streuung
bzw. Verteilung der Übertragungszeiten der Basis-Versorgungen und Verstärker gemäß
Fig. 3 hervorgerufen wird.
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Dieser Nachteil wird nachstehend im einzelnen für den Fall erläutert,
wo die Transistoren 2 und 3 vom Zustand AUS in den Zustand EIN umgeschaltet werden.
Man nimmt beispielsweise an, daß der Transistor 2 vorher in den Zustand EIN gegangen
ist. Da die Zenerspannung des Uberspannungsunterdrückers oder der Zenerdiode 8 parallel
zum Transistor 3 niedriger ist als die Spannung der Gleichspannungsversorgung 1,
fließt dann Strom durch die Gleichspannungsversorgung 1, den Transistor 2, den Uberspannungsunterdrücker
8, die Last 6 und die Gleichspannungsversorgung. Da der Uberspannungsunterdrücker
oder die Zenerdiode 8 es zuläßt, daß
der Strom hindurchfließt,
während die Zenerspannung gehalten wird, ist der Verlust beträchtlich hoch. Dieser
Zustand dauert bis zum Einschalten des Transistors 3 an, wobei die normale Leistung
an die Last 6 angelegt wird. Wenn nur einer der Transistoren 2 und 3 bei jedem Schaltvorgang
dieser Transistoren von AUS nach EIN oder umgekehrt im AUS-Zustand ist, wird auf
diese Weise die parallel zu den jeweiligen Transistoren geschaltete Zenerdiode leitend
und ruft einen Energieverlust der oben angegebenen Art hervor.
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Wie sich aus den vorstehenden Darlegungen ergibt, hat die herkömmliche
Anordnung eines Zerhackers oder Choppers gemäß Fig. 1 den Nachteil, daß der Verlust
des Uberspannungsunterdrückers durch die Diskrepanz der Einschalt- oder Ausschaltzeiten
der Transistoren 2 und 3 beeinflußt wird und daß der Verlust sehr gravierend wird,
wenn die Streuung oder Verteilung nicht verringert wird.
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Gemäß der Erfindung wird dieser Nachteil von herkömmlichen Anordnungen
ausgeräumt und eine neuartige Reihenschaltungsanordnung von elektronischen Schaltern
angegeben, bei der eine Hilfs-Gleichspannungsversorgung an die in Reihe geschalteten
elektronischen Schalter angeschlossen ist, so daß auch dann, wenn diese elektronischen
Schalter ungleiche Schaltgeschwindigkeiten haben, keinerlei überspannung auf sie
ausgeübt wird, so daß keinerlei Leistungs- oder Energieverlus- aufgrund der überspannung
auftritt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung
zeigt in Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung einer herkömmlichen Anordnung einer
Zerhacker- oder Chopper-Schaltung, bei der die Schaltelemente in Reihe geschaltet
sind;
Fig. 2 ein Schaltbild zur Erläuterung eines Oberspannungsunterdrückers
für eine Schaltung gemäß Fig. 1; Fig. 3 ein Schaltbild zur Erläuterung eines Beispiels
einer Steuereinheit gemäß Fig. 1; Fig. 4 ein Signalwellenformen-Diagramm zur Erläuterung
des Betriebes der Schaltung gemäß Fig. 1 bis 3; Fig. 5 ein Schaltbild einer ersten
Ausführungsform der Erfindung mit einem Schaltbild einer Zerhacker- oder Chopper-Schaltung,
bei der die Schaltelemente in Reihe geschaltet sind; Fig. 6 ein Schaltbild zur Erläuterung
einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung; Fig. 7 ein Signalwellenform-Diagramm
zur Erläuterung des Betriebes der Anordnung gemäß Fig. 6; Fig. 8 bis 1G Schaltbilder
zur Erläuterung vonweiteren Ausführungsformen gemäß der Erfindung; Fig. 11 ein Schaltbild
zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform, bei der die Erfindung Anwendung
finden kann; Fig. 12 ein Signalwellenform-Diagramm zur Erläuterung des Betriebes
der Anordnung gemäß Fig. 11; Fig. 13 ein Schaltbild zur Erläuterung einer weiteren
Ausführungsform gemäß der Erfindung; und in Fig. 14 ein weiteres Schaltbild zur
Erläuterung einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung.
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In sämtlichen Figuren der Zeichnung werden durchgehend gleiche Symbole
für gleiche oder entsprechende Teile verwendet. Fig. 5 zeigt eine erste Ausführungsform
gemäß der Erfindung, wobei die Anordnung fast die gleiche ist wie bei der Anordnung
gemäß Fig. 1, mit der Abweichung, daß beide Anschlüsse einer Hilfs-Gleichspannungsversorgung
19 an den Knotenpunkt zwischen den Transistoren 2 und 3 und den Knotenpunkt zwischen
den Dioden 4 und 5 angeschlossen sind.
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Die Spannung der Hilfs-Gleichspannungsversorgung 19 ist so gewählt,
daß sie niedriger ist als die Spannung der Gleichspannungsversorgung 1. Außerdem
werden ein Spannungswert, der durch Subtraktion der Spannung der Hilfs-Gleichspannungsversorgung
19 von der Spannung der Gleichspannungsversorgung 1 erhalten wird, und der Spannungswert
der Hilfs-Gleichspannungsversorgung 19 selbst so gewählt, daß sie niedriger sind
als die Durchbruchsspannung der jeweiligen Transistoren 2 und 3 und der Dioden 4
und 5.
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Der Betrieb der Anordnung gemäß Fig. 5 gemäß der Erfindung wird nachstehend
näher erläutert. Nehmen wir an, daß die Spannung der Hilfs-Gleichspannungsversorgung
19 gleich der halben Spannung der Gleichspannungsversorgung 1 ist, so wird z.B.
der Fall gemäß Punkt A in Fig. 4 erläutert, wo die Transistoren 2 und 3 vom Zustand
AUS in den Zustand EIN geschaltet werden. Wie bei der Beschreibung von Fig.1 wird
antenommen, daß die Transistoren 2 und 3 ungleiche Schaltzeiten von EIN nach AUS
haben und daß der Transistor 2 früher in den Zustand EIN gegangen ist als der Transistor
3. In diesem Falle fließt der Strom von der Gleichspannungsversorgung 1 über Transistor
2, Hilfs-Gleichspannungsversorgung 19, Diode 4 und Last 6 zur Gleichspannungsversorgung
1. Die Spannung der Hilfs-Gleichspannungsversorgung 19 wird parallel zum Transistor
3 angelegt, der sich im Zustand AUS befindet, und an diesen wird keinerlei Überspannung
angelegt. Die Differenz der Spannungen der Gleichspannungsversorgung 1 und der Hilfs-Gleichspannungsversorgung
19 wird parallel zur Diode 5 angelegt, die sich
im Zustand AUS
befindet, und keinerlei Überspannung wird an diese angelegt. Es wird angenommen,
daß im Gegensatz zu obigen Darlegungen der Transistor 3 früher in den Zustand EIN
gegangen ist als der Transistor 2. In diesem Falle fließt der Strom über die Hilfs-Gleichspannungsversorgung
19, den Transistor 3, die Last 6, die Diode 5 zurück zur Hilfs-Gleichspannungsversorgung
19. Die Differenzspannung zwischen der Gleichspannungsversorgung 1 und der Hilfs-Gleichspannungsversorgung
19 wird parallel zum Transistor 2 angelegt, der sich im Zustand AUS befindet, und
keinerlei Überspannung wird an diesen angelegt. Die Spannung der Hilfs-Gleichspannungsversorgung
19 wird an die Diode 4 angelegt, die sich im Zustand AUS befindet, und keinerlei
Überspannung wird an diese angelegt.
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Wenn beide Transistoren 2 und 3 in den Zustand EIN gegangen sind,
fließt Strom längs des Strompfades Gleichspannungsversorgung 1, Transistoren 2 und
3, Last 6 und zurück zur Gleichspannungsversorgung 1. Zu dieser Zeit wird die Spannung
der Gleichspannungsversorgung 1 an die Dioden 4 und 5 in den AUS-Zuständen in einer
im wesentlichen gleichmäßig aufgeteilten Weise angelegt.
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Z.B. am Punkt 8 in Fig. 4 werden die Transistoren 2 und 3 vom Zustand
EIN in den Zustand AUS umgeschaltet. Es wird hierbei auch angenommen, daß die Transistoren
2 und 3 ungleiche Schaltzeiten haben und daß der erste früher in den Zustand AUS
gegangen ist als der letztere. In diesem Falle fließt Strom von der Hilfs-Gleichspannungsversorgung
19 über den Transistor 3, die Last 6, die Diode 5 zurück zur Hilfs-Gleichspannungsversorgung
19. Dieser Zustand ist der gleiche wie in dem Falle, wo der Transistor 3 früher
im Zustand EIN war als der Transistor 2 am Punkt A in Fig. 4.
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Es wird angenommen, daß umgekehrt der Transistor 3 früher in den Zustand
AUS gegangen ist als der Transistor 2. In diesem Falle fließt Strom von der Gleichspannungsversorgung
1 über den Transistor 2, die Hilfs-Gleichspannungs-
versorgung
19, die Diode 4, die Last 6 zurück zur Gleichspannungsversorgung 1. Dieser Zustand
ist der gleiche wie in dem Falle, wo der Transistor 2 früher in den Zustand EIN
gegangen ist als der Transistor 3 am Punkt A in Fig. 4. Wenn beide Transistoren
2 und 3 in den Zustand AUS gegangen sind, fließt Strom über die Dioden 5 und 4,
die Last 6 und die Diode 5. Zu dieser Zeit wird die Spannung der Gleichspannungsversorgung
1 an die Transistoren 2 und 3 in einer im wesentlichen gleichmäßig aufgeteilten
Weise angelegt.
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Von da an werden gleiche Operationen am Punkt C und nach diesem gemäß
Fig. 4 wiederholt.
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Bei der obigen Beschreibung wird keine Überspannung an d-ie Transistoren
2 oder 3 oder die Dioden 4 oder 5 angelegt.
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Außerdem fließt, wenn die Schaltgeschwindigkeiten der Transistoren
2 und 3 ungleich sind und nur einer der Transistoren 2 und 3 sich im Zustand EIN
befindet, der Strom durch die Hilfs-Spannungsversorgung 19. Es darf jedoch darauf
hingewiesen werden, daß, weil das Phänomen das Hineinfließen oder Herausfließen
des Stromes in die oder aus der Spannungsquelle ist, der Verlust im Falle der Verwendung
der Überspannungsunterdrücker 7 und 8 in Fig. 1 nicht auftritt.
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Die Rich'ung des Stromes, der durch die Hilfs-Gleichspannungsversorgung
19 fließt, ist dadurch bestimmt, welcher der Transistoren 2 oder 3 im Zustand EIN
ist. Wenn der Transistor 2 im Zustand EIN und der Transistor 3 im Zustand AUS ist,
so fließt der Strom hinein, während dann, wenn der Transistor 3 im Zustand EIN und
der Transistor 2 im Zustand AUS ist, fließt der Strom hinaus. Dementsprechend kann
der Strom, der durchschnittlich durch die Hilfs-Gleichspannungsversorgung 19 fließt,
zu Null gemacht oder in beiden Richtungen begrenzt werden, indem man individuell
die EIN-Perioden oder AUS-Perioden der Transistoren 2 und 3 steuert.
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Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform zur Durchführung einer derartigen
Steuerung. In dieser Fig. 6 entsprechen die Bezugszeichen 1 bis 6, 10 bis 18 und
103 bis 107 den jeweiligen Bezugszeichen in Fig. 3 und 5 und werden daher nicht
wiederholt erläutert. Die Bauelemente 20 bis 23 werden anstelle der Hilfs-Gleichspannungsversorgung
19 in Fig. 5 verwendet. Das Bezugs zeichen 20 bezeichnet eine Wechselspannungsquelle,
das Bezugszeichen 21 einen Transformator, das Bezugs zeichen 22 einen Gleichrichter
und das Bezugszeichen 23 einen Kondensator. Die Ausgangsspannung des Transformators
21 mit der transformierten Spannung der Wechselspannungsquelle 20 wird vom Gleichrichter
22 gleichgerichtet, und der Kondensator 23 wird mit der gleichgerichteten Spannung
geladen. Die Ladespannung des Kondensators 23 wird in gleicher Weise wie die Spannung
der Hilfs-Gleichspannungsversorgung 19 gemäß Fig. 5 gewählt. Bei einer Schaltung
mit den Bauelementen 20 bis 23 kann dafür gesorgt werden, daß der Strom nur in die
Richtung fließt, in der der Ausgangsstrom des Gleichrichters 22 den Kondensator
23 lädt. Es ist daher günstig, wenn der Strom, den man aufgrund der Differenz der
Schaltgeschwindigkeiten der Transistoren 2 und 3 durch den Kondensator 23 fließen
läßt, im Durchschnitt Null wird oder den Kondensator 23 entlädt.
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Da die Differenz der Schaltzeiten der Transistoren 2 und 3 vorgegeben
ist, kann zu diesem Zweck das EIN-Signal länger auf den Transistor 3 aufgeprägt
werden, und zwar um die Differenz d der maximalen Schaltzeiten, wie es in Fig.7
dargestellt ist, so daß der Transistor 3 stets länger im Zustand EIN bleibt als
der Transistor 2. Eine Steuereinheit 24 gemäß Fig. 6 ist so ausgebildet, daß ein
monostabiler Multivibrator 108 und ein logisches Summationselement 109 zu der Steuereinheit
9 gemäß Fig. 5 hinzugefügt sind. Der Ausgang des Komparators 105 ist direkt an die
Basis-Versorgung mit Verstärker 106 für den Transistor 2 angeschlossen, ist jedoch
mit der Basis-Versorgung mit
Verstärker 107 für den Transistor
3 über den monostabilen Multivibrator 108 sowie das logische Summationselement 109
verbunden. Der monostabile Multivibrator 108 wird wirksam, wenn der Komparator 105
ein Signal geliefert hat, um die Basissignale der Transistoren 2 und 3 von EIN in
AUS zu ändern, und er liefert ein Signal für die vorgegebene Differenz der maximalen
Schaltzeiten der Transistoren 2 und 3. Dieses Signal und das Signal vom Komparator
105 werden einer ODER-Verknüpfung vom logischen Summationselement 109 unterworfen,
und das resultierende Signal wird an die Basis-Versorgung mit Verstärker 107 des
Transistors 3 angelegt, so daß das Basissignal erhalten werden kann, wie es in Fig.
7 dargestellt ist, und der Strom, der aufgrund der Differenz der Schaltzeiten der
Transistoren 2 und 3 durch den Kondensator 23 fließt, ist nur in der Richtung, daß
er herausfließt. Dementsprechend wird die Spannung des Kondensators 23 eine Spannung,
die durch die Ausgangsspannung des Transformators 21 bestimmt ist. Die Kapazität
oder das Leistungsvermögen des Transformators 21 kann ausreichend sein, um die elektrische
Leistung zu kompensieren, die aufgrund der Differenz der Schaltzeiten der Transistoren
2 und 3 aus dem Kondensator 23 herausfließt.
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Während bei der obigen Ausführungsform die Transistoren 2 und 3 a.s
NPN-Transistoren dargestellt sind, kann es sich auch um PNP-Transistoren handeln,
wie es in Fig. 8 gezeigt ist.
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Während die Transistoren bei der oben angegebenen Ausführungsform
an die positive Seite der Gleichspannungsversorgung 1 angeschlossen sind, können
sie auch ohne weiteres an die negative Seite der Spannungsversorgung 1 angeschlossen
sein, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. In den Fig. 8 und 9 bezeichnen gleiche Bezugs
zeichen gleiche Teile wie in Fig. 5.
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Während bei der oben beschriebenen Ausführungsform eine Anzahl von
zwei in Reihe geschalteten Transistoren oder Dioden vorgesehen war, können außerdem
auch drei oder mehr derartige Bauelemente vorgesehen sein. Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel
für den Fall, wo die Anzahl der in Reihe geschalteten Bauelemente den Wert Drei
hat. In Fig. 10 bezeichnen die Bezugszeichen 2 bis 6, 14 und 19 gleiche Teile wie
in Fig. 5. Das Bezugszeichen 25 bezeichnet eine Gleichspannungsversorgung, das Bezugszeichen
26 eine Hilfs-Gleichspannungsversorgung, das Bezugszeichen 27 einen Transistor,
das Bezugs zeichen 28 eine Diode und das Bezugszeichen 29 eine Steuereinheit. Die
Spannungen der Hilfs-Gleichspannungsversorgungen 19 und 26 werden ähnlich der Spannung
der Gleichspannungsversorgung 1 in Fig. 5 gemacht. Die Spannung der Gleichspannungsversorgung
25 kann innerhalb eines Bereiches von Spannungen gewählt werden, die nicht höher
sind als die Summe zwischen der Durchbruchsspannung des Transistors 27 oder der
Diode 28 und der Spannung der Hilfs-Gleichspannungsversorgung 26 und die höher sind
als -die Spannung der Hilfs-Gleichspannungsversorgung 26. Beispielsweise ist es
bevorzugt, die Spannungen der Hilfs-Gleichspannungsversorgungen 26 und 1.9 auf Werte
von zwei Drittel bzw. ein Drittel der Spannung der Gleichspannungsversorgung 25
einzustellen. Die Wirkungsweise kann in ähnlicher Weise wie bei der Anordnung gemäß
Fig. 5 betrachtet werden und ist der Einfachheit halber nicht nochmals dargelegt.
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Während bei den oben beschriebenen Anordnungen die Transistoren als
Schaltelemente angegeben worden sind, können ähnliche Effekte auch mit anderen Schaltelementen
erreicht werden, z.B. Gate-Abschaltthyristoren.
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Wie oben dargelegt, ist gemäß der Erfindung eine Hilfs-Gleichspannungsversorgung
vorgesehen, die eine Spannung hat, die durch Subtraktion einer Spannung von höchstens
der Durchbruchsspannung eines Schaltelementes von der Span-
nung
einer Gleichspannungsversorgung erhalten wird, wobei die Hilfs-Gleichspannungsversorgung
an den Reihenschaltungs-Verbindungspunkt der Schaltelemente angeschlossen ist. Somit
hat die erfindungsgemäße Anordnung die Wirkung, daß eine Reihenschaltungsverbindung
der Schaltelemente, die keine Verluste hervorruft, realisiert werden kann.
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Durch individuelles Steuern der in Reihe geschalteten Schaltelemente
kann die Hilfs-Gleichspannungsversorgung eine kleine Kapazität besitzen, und man
kann dafür sorgen, daß der Strom nur in eine Richtung fließt. Somit hat die erfindungsgemäße
Anordnung auch den Vorteil, daß die Vorrichtung mit geringen Kosten aufgebaut und
hergestellt werden kann.
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Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung. In
Fig. 11 bezeichnet das Bezugszeichen 201 eine Gleichspannungsversorgung. Die Bezugszeichen
202 bis 209 bezeichnen elektronische Schalter, bei denen jeweils NPN-Transistoren
102a bis 109a bzw. Dioden 102b bis 109b in paralleler entgegengesetzter Anordnung
miteinander verbunden sind. Die elektronischen Schalter 202 und 203, 204 und 205,
206 und 207 bzw. 208 und 209 sind jeweils in Reihe geschaltet. Außerdem sind die
Reihenschaltungsanordnunwen brückenmäßig verbunden und an die Gleichspannungsverso-gung
201 angeschlossen. Die Bezugszeichen 110 bis 117 bezeichnen überspannungsunterdrücker,
die jeweils parallel zu den elektronischen Schaltern 202 bis 209 geschaltet sind.
Das Bezugszeichen 118 bezeichnet eine Steuereinheit, die die NPN-Transistoren 102a
bis 109a steuert, um erforderliche elektrische Energie für eine Last 119 von der
Gleichspannungsversorgung 201 und über die elektronischen Schalter 202 bis 209 zuzuführen.
Die Last 119 ist parallel zum Knotenpunkt 120 zwischen der Reihenschaltungsanordnung
der elektronischen Schalter 202 und 203 und der Reihenschaltungsanordnung der elektronischen
Schalter 204 und 205 sowie den Knotenpunkt 121
zwischen der Reihenschaltungsanordnung
der elektronischen Schalter 206 und 207 und der Reihenschaltungsanordnung der elektronischen
Schalter 208 und 209 geschaltet. Mit den Bezugszeichen 122 und 123 sind Hilfs-Gleichspannungsversorgungen
bezeichnet. Der Spannungswert der jeweiligen Hilfs-Gleichspannungsversorgungen 122
und 123 macht den halben Spannungswert der Gleichspannungsversorgung 201 aus. Die
Hilfs-Gleichspannungsversorgung 122 ist an den Knotenpunkt 124 zwischen den in Reihe
geschalteten elektronischen Schaltern 202 und 203 sowie den Knotenpunkt 125 zwischen
den in Reihe geschalteten elektronischen Schaltern 204 und 205 angeschlossen. Andererseits
ist die Hilfs-Gleichspannungsversorgung 123 an den Knotenpunkt 126 zwischen den
in Reihe geschalteten elektronischen Schaltern 206 und 207 sowie den Knotenpunkt
127 zwischen den anderen in Reihe geschalteten elektronischen Schaltern 208 und
209 angeschlossen.
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Es wird angenommen, daß Basissignale gemäß Fig. 12 an die elektronischen
Schalter 202 bis 209 in Fig. 11 von der Steuereinheit 118 angelegt werden. Die Buchstaben
A, B, C, D und E in Fig. 12 bezeichnen die Betriebsperioden EIN und AUS, und die
Pfeile bei 8 und D bezeichnen die Schaltzeiten der elektronischen Schalter, die
einige Mikrosekunden bis einige zehn Mikrosekunden oder dergleichen betragen.
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Es wird ein Fall näher erläutert, bei dem die Schaltgeschwindigkeiten
der elektronischen Schalter 202 und 203 ungleich sind, wenn die Periode A zur Periode
B verschoben wird. Zunächst einmal wird angenommen, daß der elektronische Schalter
202 früher im Zustand AUS ist. In diesem Falle ist der elektronische Schalter 203
immer noch im Zustand EIN.
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Nehmen wir an, daß die Last 119 induktiv ist, so wird ein Schaltkreis
über die Diode 105b, die Hilfs-Gleichspannungsversorgung 122, den elektronischen
Schalter 203, die Last 119, die elektronischen Schalter 208 und 209 sowie die Diode
105b ausgebildet, so daß eine Spannung gleich der Differenz zwischen den Spannungen
der Gleichspannungsver-
sorgung 201 und der Hilfs-Gleichspannungsversorgung
122 am elektronischen Schalter 202 auftritt, wobei keine Überspannung an diesem
erscheint. Wenn danach der elektronische Schalter 203 in den Zustand AUS gegangen
ist, beginnt die Periode B.
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Als nächstes soll ein Fall betrachtet werden, wo der elektronische
Schalter 203 früher in den Zustand AUS geht. Da in diesem Falle der elektronische
Schalter 202 immer noch im Zustand EIN ist, wird ein Schaltkreis über die Gleichspannungsversorgung
201, den elektronischen Schalter 202, die Hilfs-Gleichspannungsversorgung 122, die
Diode 104b, die Last 119, die elektronischen Schalter 208 und 209 sowie die Gleichspannungsversorgung
201 ausgebildet, und die Spannung der Hilfs-Gleichspannungsversorgung 122 wird parallel
zum elektronischen Schalter 203 geschaltet, wobei keine über spannung an diesem
auftritt. Wenn danach der elektronische Schalter 202 in den Zustand EIN gegangen
ist, beginnt die Periode B.
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Als nächstes wird ein Fall erläutert, wo die Schaltgeschwindigkeiten
der elektronischen Schalter 202 und 203 ungleich sind, wenn die Periode D zur Periode
E zu verschieben ist.
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Dabei wird zunächst der Fall betrachtet, daß der elektronische Schalter
202 früher im Zustand EIN ist. In diesem Falle ist die Situation die gleiche wie
in dem Falle, wo der elektronische Schalter 203 bei der vorhergehenden Verschiebung
oder dem übergang von der Periode A zur Periode B in den Zustand AUS gegangen ist.
Andererseits ist in dem Falle, wo der elektronische Schalter 203 früher im Zustand
EIN ist, die Situation die gleiche wie in dem Falle, wo der elektronische Schalter
202 bei der Verschiebung oder dem Übergang von der Periode A zur Periode B früher
in den Zustand AUS gegangen ist.
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Auf diese Weise wird bei der Sbhaitung gemäß Fig. 11 nur die Spannung
gleich der Differenz zwischen den Spannungen der Gleichspannungsversorgung 201 und
der Hilfs-Gleichspannungsversorgung 122 oder nur die Spannung der Hilfs-Gleichspannungsversorgung
122 an die in Reihe geschalteten elektronischen Schalter 202 und 203 angelegt. Dies
gilt auch für die elektronischen Schalter 204 und 205.
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Falls das normale Steuerungssignal eines Inverters und nicht die vereinfachten
Signale gemäß Fig. 12 an die jeweiligen elektronischen Schalter von der Steuereinheit
118 angelegt werden, gilt das gleiche auch für die elektronischen Schalter 206 bis
209, und nur die Spannung gleich der Differenz zwischen den Spannungen der Gleichspannungsversorgung
201 und der Hilfs-Gleichspannungsversorgung 123 oder nur die Spannung der Hilfs-Gleichspannungsversorgung
123 wird daran angelegt. Wenn dementsprechend die Spannung der jeweiligen Hilfs-Gleichspannungsversorgungen
122 und 123 mit einem Spannungspegel ausgewählt wird, der niedriger ist als die
Spannung der Gleichspannungsversorgung 201, im allgemeinen eine Spannung, die halb
so groß ist wie letztere, so wird keine Überspannung an die elektronischen Schalter
202 bis 209 angelegt.
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Die Schaltung gemäß Fig. 11 hat noch einen weiteren Vorteil.
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Betrachtet man den Strom, der durch die Hilfs-Gleichspannungsversorgung
122 fließt, so wird seine Richtung bei der Verschiebung oder dem Übergang von der
Periode A zur Periode B in Fig. 12 näher untersucht. Wenn das AUS des elektronischen
Schalters 202 schneller erfolgt als das AUS des elektronischen Schalters 203, so
hat der Strom die Richtung, daß er aus der positiven Elektrode der Hilfs-Gleichspannungsversorgung
122 herausfließt, während in dem Falle, wo das AUS des elektronischen Schalters
203 schneller ist als das AUS des elektronischen Schalters 202, der Strom die Richtung
hat, daß er in die positive Elektrode hineinfließt. Dementsprechend ist eine Zeitdifferenz
den
Basissignalen der elektronischen Schalter 202 und 203 zugeordnet, und die Ströme
werden abgetastet, um ihren integrierten Wert zu Null zu machen. Falls beispielsweise
der Wert des Stromes, der aus der positiven Elektrode der Hilfs-Gleichspannungsversorgung
122 herausfließt, größer ist, werden die Basissignale der elektronischen Schalter
202 und 203 so gesteuert, daß das AUS des elektronischen Schalters 203 schneller
werden kann als das AUS des.elektronischen Schalters 202. Somit läßt man nur den
Wechselstrom durch die Hilfs-Gleichspannungsversorgung 122 fließen, und die Kapazität
der Versorgungsquelle kann klein gemacht werden.
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Fig. 13 zeigt eine derartige Ausführungsform, bei der Kondensatoren
128 und 129 als Hilfs-Gleichspannungsquellen verwendet werden. Das Bezugszeichen
130 bezeichnet eine Steuereinheit, die sich von der Steuereinheit 118 in Fig.11
dadurch unterscheidet, daß sie die Spannungen der Kondensatoren 128 und 129 abtastet
und die elektronischen Schalter 202 bis 209 entsprechend steuert. Das Bezugszeichen
131 bezeichnet eine Wechselspannungsquelle, das Bezugszeichen 132 einen Transformator
und die Bezugszeichen 133 und 134 Dioden. Diese Bauelemente bilden eine Anfangsladeschaltung
für die Kondensatoren 128 und 129, die als Hilfs-Gleichspannungsversorgungen dienen.
Um den integrierten Wert der Ströme, die durch die Hilfs-Gleichspannungsversorgungen
der oben erläuterten Art fließen, zu Null zu machen, werden hier die Spannungen
abgetastet, nicht die Ströme. Der Grund ist folgender. Die Kondensatoren 128 und
129 als Hilfs-Gleichspannungsversorgung werden von der Wechselspannungsquelle 131,
dem Transformator 132 und den Dioden 133 und 134 geladen, die den Anfangsladekreis
bilden. Hierbei wird der Pegel der Anfangsladespannung jederzeit auf einem festen
Wert gehalten, mit dem Ergebnis, daß der integrierte Wert der Ströme, die durch
die Kondensatoren 128 und 129 fließen, zu Null gemacht werden kann. Die Steuereinheit
130 tastet die Spannungen der Kondensatoren 128 und 129 ab und vergleicht sie mit
dem Pegel der Anfangsladespannung als Referenzwert, woraufhin sie die elektro-
nischen
Schalter 202 bis 209 in der oben erläuterten Weise steuert, um die abgetasteten
Spannungen und Referenzspannungen jederzeit auszugleichen. Der Transformator 132
kann dabei eine kleine Kapazität haben, da er für die Anfangsladung verwendet wird.
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Während bei der Anordnung gemäß Fig. 11 die Anzahl der in Reihe geschalteten
elektronischen Schalter den Wert Zwei hatte, zeigt Fig. 14 eine Ausführungsform,
wo diese Zahl den Wert Drei hat. Wie aus Fig. 14 ersichtlich, bezeichnet das Bezugszeichen
135 eine Gleichspannungsversorgung, und die Bezugszeichen 136 und 137 bezeichnen
erste Hilfs-Gleichspannungsversorgungen, die jeweils einen Spannungspegel von zwei
Drittel der Spannung der Gleichspannungsversorgung 135 haben. Die Bezugszeichen
138 und 139 bezeichnen zweite Hilfs-Gleichspannungsversorgungen, die jeweils einen
Spannungspegel von ein Drittel der Spannung der Gleichspannungsversorgung 135 haben.
Die Bezugszeichen 140 bis 142, 143 bis 145, 146 bis 148 oder 149 bis 151 bezeichnen
drei in Reihe geschaltete Schalter, und die Gruppen der in Reihe geschalteten Schalter
sind brückenartig verbunden. Mit dem Bezugszeichen 152 ist eine Last bezeichnet.
Durch Verbindung der ersten Hilfs-Gleichspannungsversorgungen 136 und 137 und der
zweiten Hilfs-Gleichspannungsversorgungen 138 und 139 gemäß Fig. 14 wird nur eine
Spannung gleich einem Drittel der Spannung der Gleichspannungsversorgung 135an die
jeweiligen Schalter 140 bis 151 angelegt.
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Im allgemeinen können in einem Falle, wo eine Reihenschaltungsanordnung
aus n Schaltern aufgebaut ist, die ersten llilfs-Gleichspannungsversorgungen einen
Spannung pegel haben, der gleich (n - 1)/n der Spannung der Gleichspannungsversorgung
ist, während die zweiten Hilfs-Gleichspannungsversorgungen einen Spannungspegel
haben, der gleich (n - 2)/n ist, und die (n - 1)-ten Hilfs-Gleichspannungsversorgungen
werden einen Spannungspegel haben, der gleich 1/n ist.