-
-
Einrichtung zur potentialtrennenden Übertragung
-
von Gleich- und Impulsströmen Beschreibung Die Erfindung bezieht sich
auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruchs 1.
-
Zweck der Erfindung ist es, Gleich- und Impulsströme potentialtrennend
zu übertragen. Hierbei kann es sich um die Übertragung von (Dauer-)Zündimpulsen
für Leistungshalbleiter handeln. Es kann sich auch um die Stromübertragung für eine
Überwachung und Messung handeln.
-
Es sind unipolar magnetisierte Pulsübertrager für kurze Pulse bekannt;
ferner bipolar magnetisierte Pulaübertrager und zwei zeitlich versetzt angesteuerte
unipolar magnetisierte Pulsübertrager für lange Pulse (Zeitschrift "Elektrotechnik"
(1977) Nr. 19, Seiten 10 bis 14, Aufsatz von K. Bretthauer; V. Jelinek "Impulsübertrager
zur Ansteuerung schneller Thyristoren").
-
Die Verwendung derartiger Pulsübertrager ist aber mit Nachteilen behaftet:
a) für kurze und lange Pulse sind unterschiedliche Methoden ueblich; dies erfordert
eine aufwendige Lagerhaltung; b) steuerseitig ist Aufwand nötig, um Pulse von maximal
solcher
Länge zu erzeugen, die vom Übertrager ohne Sättigung übertragen werden können; c)
die übliche ;ibertragerauslegung (für z.B. eine Pulsdauer von 100 » s) erfordert
bereits hohe Windungszahlen im Übertrager; damit erreicht die Streuinduktivität
unerwünscht große Werte und bedingt in vielen Fällen (Zündung von Leistungshalbleitern)
den Einsatz einer Zusatzspannungsquelle zum Versteilern der Strom-Impuls-Vorderflanken
auf den benötigten Wert (zum Beispiel 2 d) bei langen Pulsen bedeutet die erforderliche
Gegentakt-Ansteuerung für den bipolar betriebenen Gegentakt-Übertrager oder auch
der zweite Übertrager erheblichen Mehraufwand.
-
Es sind ferner für Meßzwecke Krämer-Wandler (transduktorische Gleichstromwandler
(AEG-Handbuchreihe Band 7 "Transduktoren", 1967, Seiten 26 bis 28) und ein Transformator-Shunt
(kompensierender Gleichstromwandler) der Firma LEM - Liaisons Electroniques Mecaniques
S.A., Geneve/Schweiz, bekannt. Diese bekannten potentialtrennenden Gleichstromwandler
sind aufwendig hinsichtlich der Verdrahtung und der Bereitstellung von Hilfsenergie.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung anzugeben,
mit der potentialgetrennt auch zeitlich schnell veränderlicher, insbesondere einen
steilflanklgen Verlauf aufweisender Gleichstrom beliebiger Dauer übertragen werden
kann.
-
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des
Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
-
Anstelle der Feldeffekt-Transistoren können auch bipolare Transistoren
verwendet werden.
-
Die Einrichtung gemäß der Erfindung besitzt gegenüber den
genannten
Pulsübertragern folgende Vorteile: Sie erlaubt die Übertragung steilflankiger Pulse
und langer Pulse. Es kann ein seht kleiner Transformator bei hoher (interner) Frequenz
verwendet werden. Es besteht eine herabgesetzte Empfindlichkeit gegenüber von außen
eingestreuten Magnetfeldern, wie sie in Anlagen der Leistungselektronik häufig auftreten;
äußere Wechselfelder erzeugen wegen der ausgangsseitigen Gleichrichter (und eventueller
zusätzlicher Bauelemente mit Schwellwertcharakteristik im Ausgangskreis), kleiner
Baugröße (günstige Bauform: Ringkern) und geringer Windungszahl nur bei extrem großer
Änderungsgeschwindigkeit dç bzw. dB dt dt des Störfeldes unerwünschte Ströme (Störungen)
im Ausgangskreis. Äußere Gleichfelder führen im sättigungsgesteuerten Betrieb zwar
zu erhöhter (interner) Schwingfrequenz, jedoch nicht zu verschlechtarter Stromübertragung.
Da die Einrichtung gemäß der Erfindung für kurze und lange Pulse geeignet ist, kommt
man mit einer vereinfachten Lagerhaltung aus. Es erfolgt auch eine vereinfachte
Steuerung von Stromrichtergeräten, da nur steuernder Gleichstrom in der benötigten
Dauer vorgegeben werden muß. Magnetisierungszeiten des Transformators müssen nicht
beachtet werden. Es ergibt sich auch vereinfachte Verdrahtung, dabei Dauerzündung
die sonst benötigte Zusatzleitung für den Gegentaktkanal entfällt.
-
Bei sehr einfachem Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung lassen
sich Gleichströme potentialgetrennt übertragen.
-
Im Gegensatz zu den obengenannten bekannten Gleichstromwandlern muß
die Hilfsleistung nicht getrennt zugeführt werden; sie wird dem Meßkreis entnommen.
-
Die Einrichtung gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert.
-
Es zeigt die Fig. 1 eine Einrichtung gemäß der Erfindung, die Fig.
2 eine solche mit verbesserter Ansteuerung durch zusätzliche Primärwicklungen und
die Fig. 3 eine verbesserte Ansteuerung - durch Hinzufügen eines Bausteins mit Schwellspannungsverhalten
im Ausgangskreis.
-
In der Fig. 1 wird zwischen die Klemmen 1 und 2 ein Eingangsstrom
i eingeprägt. Die Klemme 1 ist mit einer Mittelanzapfung der Primärwicklung w1 eines
Übertragers 5 verbunden. Die beiden Enden dieser Primärwicklung sind mit El und
E2 bezeichnet. Das Wicklungsende El ist mit der Drain-Elektrode eines FETs T1 und
außerdem mit der Gate-Elektrode eines FETs T2 verbunden. Das andere Wicklungsende
E2 ist mit der Drain-Elektrode des FETs T2 und außerdem mit der Gate-Elektrode des
FETs T1 verbunden. Die Source-Elektroden der beiden FETs sind mit der Klemme 2 verbunden.
-
Die Sekundärwicklung w2 des Übertragers 5 besitzt eine Mittelanzapfung,
die mit einer Ausgangsklemme 4 verbunden ist. Die beiden Wicklungsenden sind über
je eine Diode D1, D2 mit einer zweiten Ausgangsklemme verbunden.
-
Zwischen den Klemmen 3 und 4 fließt der Ausgangsstrom iA über die
notwendige Wandlerbürde R. Der Strom im Eingangskreis ist mit i, der im Ausgangskreis
mit iA bezeichnet.
-
In der Fig. 1 sind n-Kanal-FETs verwendet; daher fließt der Strom
von der Klemme 1 zur Klemme 2. Verwendet man dagegen p-Kanal-FETs, so ist die Stromrichtung
umzukehren.
-
Entsprechendes gilt, wenn man bipolare Transistoren ver-
wendet:
ersetzt man die FETs in Fig. 1 durch npn-Transistoren, so entspricht die Stromrichtung
der in der Fig. 1 dargestellten. Ersetzt man die npn-Transistoren durch pnp-Transistoren,
so ist die Stromrichtung umzukehren.
-
Die beschriebene Einrichtung besteht aus einem selbstschwingenden
Wandler (Wechselrichter) mit den beiden FETs, einem Übertrager (Transformator) und
Gleichrichter (D1, D2, Das-Wesentliche an der Erfindung besteht in der Betriebsart
des selbstschwingenden Wandlers mit eingeprägtem Gleichstrom i, der den hierzu proportionalen
Ausgangsstrom iA = u ergibt, wobei ü = w2 , wl, w2, wobei u = Wicklungszahl der
Wicklungen wl, w2 ist, Der Wechselrichter verhält sich bei einsetzendem Strom zunächst
hochohmig und entnimmt dem Primärkreis eine Spannung uE in der Höhe der Schwellspannung
der FETs. Der empfindlichere Transistor übernimmt den Strom i, bis der Transformator
gesättigt ist und der andere Transistor den Strom übernimmt.
-
Bei idealen Bauteilen würden sich die elektrischen Größen ergeben
nach den für ideale Transformatoren geltenden Beziehungen R 1A = i/ü uE = i.72 u
mit R: Ohmscher Widerstand im Ausgangskreis.
-
Die Ansteuerung der Wechselrichtertransistoren kann durch zusätzliche
Primärwicklungen verbessert werden. Die entsprechende Einrichtung zeigt die Figur
2: hier sind gleiche Bezugszeichen für gleiche Bauelemente wie in Fig. 1 verwendet
worden.
-
Es siS zwei zusätzliche Primärwicklungen w3 und w3' vorhanden, wobei
w3 an das Ende El der Wicklung wl angeschlossen ist und in der Zuleitung zur Gate-Elektrode
des FETs T2 liegt.
-
Die Wicklung w3'istan das andere Ende E2 der Wicklung wl angeschlossen
und liegt in der Zuleitung zur Gate-Elektrode des FETs T1.
-
Zur Begrenzung der Steuerspannungen sind Widerstände R1, R2 und Zener-Dioden
Z1, Z2 vorgesehen; dabei ist R1 in Reihe mit w3, R2 in Reihe mit w3', Zi zwischen
der Gate-Elektrode von T2 und den Source-Elektroden und Z2 zwischen der Gate-Elektrode
von T1 und den Source-Elektroden geschaltet.
-
Eine andere Verbesserung der Ansteuerung der Wechselrichtertransistoren
zeigt die Fig. 3. Auch hier sind gleiche Bezugszeichen für gleiche Bauelemente wie
in Fig. 1 verwendet worden.
-
Hier ist im Ausgangskreis, entweder vor der Klemme 3 oder in Reihe
zur Ohmschen Last R ein Baustein mit Schwellwertspannungsverhalten geschaltet. Dies
kann, wie Fig. 3 darstellt, eine Zener-Diode Z3 oder Z4 sein; es kann dafür auch
eine Diode benutzt werden. Die zusätzliche Schwellspannung im Ausgangskreis sorgt
für einen stromunabhängigen Mindestwert der Trafospannung.
-
Es ist günstig, die an Hand der Fig. 2 und Fig. 3 beschriebenen Maßnahmen
zu kombinieren.
-
Der Übertrager 5 ist bei der Verwendung der Einrichtung gemäß der
Erfindung als Zündübertrager für eine hohe Arbeitsfrequenz (z.B. 100 kHz) auszulegen,
da die hierfür ausreichenden geringen Windungszahlen kleinste Streuiduktivitäten
ergeben, also große Stromsteilheiten ermöglichen.
-
Bei der Verwendung der Einrichtung als Stromwandler zur Überwachung
und Messung ist eine große Trafo-Hauptinduktivität anzustreben, da der Magnetisierungsstrom
den
Wandlerfehler mitbestimmt. Es ergeben sich niedrige Schwingfrequenzen
(z.B. 1 kHz).
-
Leerseite