DE3321999A1

DE3321999A1 - Schaltungsanordnung zur energieversorgung

Info

Publication number: DE3321999A1
Application number: DE19833321999
Authority: DE
Inventors: Hans Horneff; Jürgen 6100 Darmstadt Palm
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Priority date: 1983-06-18
Filing date: 1983-06-18
Publication date: 1984-12-20
Also published as: FR2548481A1; DE3321999C2

Description

Gesellschaft für Schwerionen- Darmstadt, den 15.6.83 forschung mbH, Darmstadt PLA 8 322 Hä/he ANR 1078259

Schaltungsanordnung zur Energieversorgung

Beschreibung;

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Energieversorgung nach dein Oberbegriff des Anspruches 1.

Zum Betreiben von Ionenquellen, wie sie z.B. in der Schwerionenforschung verwendet werden, sind sehr leistungsfähige, gepulste Hochspannungs- und Hochstromversorgungsgeräte erforderlich.

Die bekannten Pulsgeneratoren (Proceedings of the International Conference on Multiply-Charged Heavy Ion Sources and Accelerating Systems, Gatlinburg, Tennessee, October 25-28, 1971) bestehen aus einem ungeregelten Hochspannungsnetzgerät und einer nachgeschalteten Hochspannungs-Hochleistungs Elektronenröhre zum Schalten. Mit dieser Schaltungsanordnung v/erden Ionenquellen unterschiedlicher Art gepulst. Dabei wird die Ionenquelle zur Abwendung einer Verkürzung der Lebensdauer so betrieben, daß eine Dauerleistung von z.B. etwa 1 kW nicht überschritten wird.

Das bedeutet, daß Ionenquellen niederer Brennspannung mit höheren Strömen und Ionenquellen mit höherer Brennspannung mit kleineren Strömen zu betreiben sind.

Die Versorgung eines breiten Spektrums von Iönenquellen erfordert also Pulsgeneratoren, die sowohl für hohe Spannungen als auch für hohe Ströme ausgelegt sind. Ferner weist die Elektronenröhre einen erheblichen Spannungs- und Leistungsbedarf auf, da beim Durchschalten immer eine vorbestimmte Spannung -im vorliegenden Beispiel maximal 1500 bis 2000 VoItüber der Elektronenröhre steht.

Daraus folgt, daß die für den Pulsgenerator bereitzustellende Leistung etwa 10 kW beträgt, wenn alle Möglichkeiten des Betriebes der Ionenquelle ausgeschöpft werden sollen.

Einrichtungen dieser Art erfordern ein großes Bauvolumen, haben einen erheblichen Platzbedarf und sind nur mit einem entsprechenden Kühlsystem zu betreiben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, die einen wesentlich kleineren Leistungsbedarf aufweist, die frei ist von Kühleinrichtungen und deren Bauvolumen erheblich reduziert ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst.

Die mit der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß

der gesamte Steuerstrom dem Schaltstrom entnommen wird und damit der Spannunqs- und Leistungsbedarf des Schalters entfällt.

Die bei bekannten Schaltungsanordnungen notwendige Spannung von 3 kV wird auf 1000 bis 1500 Volt reduziert. Der Pulsgenerator kann für die Leistung der Ionenquelle ausgelegt werden. Die Leistungsbereitstellung und die Leistungsabgabe läßt sich über einen großen Spannungsbereich praktisch konstant halten, indem bei fallender Transformatorspannung der Nennstrom erhöht wird. Die Leistung des Pulsgenerators wird um den Faktor 10 reduziert.

Ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 8 ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben

Am Eingang 1 der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt eine Wechselspannung von 220 Volt, auf welche die Einqangswicklungen von acht Transformatoren 2 bis 9 schaltbar sind. Die Zuschaltung jeder der Eingangswicklungen erfolgt über einen elektronischen Einschalter 10 mit dem in Reihe ein Dämpfungsschalter 11 geschaltet ist, der aus einem elektronischen Schalter und einem an die Schaltkontakte angeschlossenen Dämpfungswiderstand besteht. Der Dämpfungsschalter

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11 ist in der Regel geschlossen und wird ausschließlich beim Zuschalten des Transformators für 40 ms aufgesteuert. Die Ausganqswicklungen der Transformatoren sind in Reihe geschaltet und so ausgelegt, daß die

Ausgangsspannung am Transformator 2 2=4 Volt, am Transformator 3 2=3 Volt und dem Transformator

9
9 2 = 512 Volt beträgt. Jede der Ausgangswicklungen ist durch einen elektronischen Kurzschlußschalter 12 überbrückbar.

Die Einschalter 10, die Dämpfungsschalter 11 und die Kurzschlußschalter 12 werden durch eine elektronische Regeleinrichtung 13 betätigt. Die Kurzschlußschalter schließen mit einer Schließverzögerunq von 6 ms, wenn der Einschalter 10 öffnet.

Durch vorbestimmtes Ein- und Ausschalton der Transformatoren 2 bis 9 wird an den Ausgangsklemmen 14, 15 der Transformatorschaltunq eine vorbestimmte Wechselspannung einaestellt, die mit einem Brückengleichrichter 16 gleichgerichtet an dessen positiven Ausgang 17 und dessen negativen Ausgang 18 ansteht.

Auf den positiven Ausgang 17 ist eine Trenndiode 19 geschaltet die einen kapazitiven Speicher 20 einseitig abtrennt.

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An die Ausgänge 17, 18 des Brückenqleichrichters und an den negativen Anschluß 21 des Speichers 20 ist ferner ein Potentialwandler 22 angeschlossen, der an einem ersten Ausgang 23 potentialfrei den Istwert der Spannung U_ . und an einem zweiten Ausgang

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24 potentialfrei den Istvert des Stromes I-. . vorhalt. Der Ausgang des Potentialwandlers 22 an den Ausgang 17 des Brückengleichrichters 16 ermöglicht eine teilweise von dem Speicher 20 unabhängige Regelung. Bei der Last Null wird auf diese Weise der Regelvorgang nicht unterbrochen. Die Sollwerte der Spannuna U„ ,, sind an einem ersten Potentiometer 25, die Sollwerte des Stromes I_ ., sind an einem zweiten Potentiometer 26 einstellbar.

Der eine Regelabweichuna der Spannung führende Ausgang eines ersten Soll-Istwert-Vergleichers 27 und der eine Regelabweichung des Stromes führende Ausgang eines zweiten SoIl-Istwert-Vergleichers (23) sind mit einer Spannungs- oder Stromregelung wählenden Schalteinrichtung 29 auf erste Komparatoren 30 schaltbar.

Zwei der ersten Komparatoren 30 sind für eine erste Zählfrequenz, zwei weitere erste Komparatoren 3O für eine zweite Zählfrequenz vorgesehen. Bei größeren Differenzen zwischen Soll- und Istwert des Stromes oder der Spannung wird die Zählfrequenz durch automatische Umschaltung der Komparatoren 30 mindestens um den Faktor 16 erhöht.

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Der Schalteinrichtung 29 sind zweite Komparatoren nachgeschaltet, die bei Spannungsbegrenzung automatisch auf Stromregelung und bei Strombegrenzuna automatisch auf Spannungsregelung umschalten.

Eine den ersten Komparatoren 30 nachgeschaltete Logikschaltung 32 v/eist eine Torschaltung, eine Schwellwertschaltung und einen Nullspannungsdetektor auf.

An einen von der Logikschaltung 32 gesteuerten Vorwärts-Rückwärts-Zähler 33 ist eine Ansteuerschaltung 34 angeschlossen, welche die Einschalter 10, die Dämpfungsschalter 11 und die Kurzschlußschalter 12 während des Nulldurchganges der Netzspannung zeitlich direkt ansteuert.

Die Emitter-Kollektor-Strompfade mindestens zweier erster npn-Transistoren 35 sind an ihrem auf der Seite der Last 36 liegenden Emitteranschluß 37 einander parallel geschaltet. Jede der Kollektorleitungen weist zwei in Reihe geschaltete Widerstände 38, 39 auf und ist mit den Kollektorleitungen anderer erster npn-Transistoren 35 über eine zwischen den in Reihe geschalteten Widerständen 38, 39 angeschlossene Brücke 40 verbunden.

Der Emitter eines als Treiber wirkenden zweiten npn-Transistors 41 ist auf die miteinander verbundenen Basen der ersten npn-Transistoren 35, der Kollektor des Treibers 41 ist auf die Brücke 40 geschaltet.

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Die ersten Transistoren 35 bilden mit ihrer die Schaltung syinmetrierenden und stabilisierenden und eine vorbestinmte Treiberspannung erzeugenden Widerstandsanordnung 38, 39 und dem Treiber 41 eine Schaltkaskade.

Zwei einander parallel geschaltete Schaltkaskaden bilden einen Kaskadenschalter, der über einen als Vortreiber betriebenen dritten npn-Transistor 42 steuerbar ist, dessen Emitter auf die Basen der Treiber 41 geschaltet sind.

Parallel zu dem Kaskadenschalter ist ein Symmetrierwiderstand 43, eine Rücklaufdiode 44 zum Schutz gegen Rückspannungen und eine Uberspannungsschutzeinrichtung 45 zum Schutz des Kaskadenschalters gegen Spannungsspitzen geschaltet.

Der Kaskadenschalter ist an die positive Klemme des Speichers 20 angeschlossen. Die für die Treiber 41 notwendige Mindestbetriebsspannung wird durch die Widerstände 38, 39 erzeugt, die Mindestbetriebsspannung für den Vortreiber 42 durch die Widerstände 39. Die Treiber 41 und der Vortreiber 42 zweigen den Treiberstrom aus dem Schaltstrom ab.

Die Widerstandskombinationen 38, 39 sind so dimensioniert, daß bei großen Schaltstrnmen eine vorbestimmte Mindestspannung für die Treiber 41 zur Verfügung steht, bei der eine zusätzliche Erwärmung derselben vermieden wird.

Die Widerstände 38, 39 bewirken außerdem eine Symmetrierrung und Stabilisierung der Schaltkaskaden.

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Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Kaskadenschalter hintereinander geschaltet.

Zwischen den Emitter des ersten Transistors 35 und die Last 36 ist ein Widerstand 47 geschaltet, der im Kurzschlußfall den Strom auf einen vorbestimmten Wert begrenzt.

Der negative Anschluß 21 des Speichers 20 ist über einen Pulstransformator 48 mit der Last 36 verbunden.

Die Vortreiber 42 werden über potentialfreie Verstärker 49, 50 mit optoelektronischem Eingang angesteuert, die aus einem Transformator 51 gespeist werden. Die Steuersignale werden in einem Lichtsender 52 erzeugt und über Lichtleiter 53, 54 den Verstärkern 49, 50 zugeführt. Sämtliche Leuchtdioden des Lichtsenders '52 sind in Reihe geschaltet, so daß diese synchron schaltbar sind. Das Steuersignal für den Lichtsender 52 wird von einer Steuereinrichtung erzeugt, die aus einem optoelektronischen Empfänger 56 für das Steuersignal, einem Zeitschalter 57, einer Schaltstufe 58, einem Treiber 59 für die Leuchtdioden und einer Oberstromschaltung 60 besteht. Die überstromschaltung 60 v/eist eine Klemmstufe auf zur Wiedereinführung des Gleichspannungsbezugswertes, der über den

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Pulstransformator 43 verlorengeht.

Die Schaltungsanordnung liefert eine Ausgangsspannung von 0 bis 1000 Volt und erzeugt einen maximalen Pulsstrom von 16 Ampere. Es ist auch möglich, höhere Spannungen bereitszustellen, wenn die Spannungen der Transformatoren und die Anzahl der Kaskadenschalter erhöht v/ird.

Bezugszeichenliste

1	Eingang	OOIX	Sollwert des
2 bis 9	Transformatoren	27	Stromes an 26
10	Einschalter für		1.Soll-Istwert-
	2 bis 9		Vergleicher
		28	für U
11	Dämpfungsschalter		. 2.Soll-Istwert-
12	Kurzschlußschal		Vergleicher
	ter	29	für I
13	RegeIe inri chtung		Schalteinrich
14	Ausgangsklemme	30	tung
	an 2 bis 9	31	1.Komparatoren
15	Ausgangsklemme	32	2.Komparatoren
	an 2 bis 9	33	Logikschaltung
16	Brückengleich richter		Vorwärts-Rück-
		34	wärts-Zähler
17	positiver Ausgang von 16		Ansteuerschal
		35	tung
18 -	negativer Ausgang von 16	36	l.npn-Transistor
19	Trenndiode	37	Last
20	kapazitiver Spei cher	38	Emitteran-. Schluß an 35
21	negativer An		Widerstand an
	schluß von 20	39	35
22	Potentialwandler	40	Widerstand an OC
23	1.Ausgang von 22		Brücke
U_x .	Istwert der Spannung	41
Ist	an 23		2.npn-Transistor
		42	Treiber
24	2.Ausgang von 22	43	3.npn-Transistor
¹ISt	Istwert des Stromes an 24		Vortreiber Symmetrierwi-
25	1.Potentiometer	44	derstand
^USoll	Sollwert der Spannung	45	Rücklaufdiode
	an 25		Über spannung s-
26	2. Potentiometer		schutzeinrich
		tung

46 positive Klemme von

47 Widerstand zwischen und 36

48 Pulstransformator

49 potentialfreier Verstärker

50 potentialfreier Verstärker

51 Trenntransformator

52 Lichtsender

53 Lichtleiter

54 Lichtleiter

55 Steuereinrichtung für 52

56 optoelektronischer Empfänger in 55

57 Zeitschalter in 55

58 Schaltstufe in 55

59 Treiber in 55

60 Uberstromschaltung

Claims

Gesellschaft für Schwerionen- Darmstadt, den 15.6.83 forschung mbH, Darmstadt PLA 8322 Hä/he ANR 1078259 Patentansprüche;

1./schaltungsanordnung zur Energieversorgung einer aus ^-^ einem Gasentladungsgerät, insbesondere einer Ionenquelle bestehenden Last mitgleichbleibender elektrischer Leistungsaufnahme in Form einer gepulsten
Hochspannung und einem der Spannung entsprechenden hohen Strom, bestehend aus einem Hochspannungsnetzgerät mit Mitteln zum Einstellen der Hochspannung und deren Anpassung an Gasentladungsgeräte unterschiedlicher·Betriebsspannung und unterschiedlichem Betriebsstrom bei etwa gleichbleibender Leistungsaufnahme und einer dem Hochspannungsnetzgerät nachgeschalteten Einrichtung zum Schalten von Teilspannungen der Ausgangsspannung des Hochspannungsnetzgerätes und zum Anpassen der Ausgangsspannung
und/oder des Stromes an die Leistungsaufnahme der
Last, bei Einhaltung einer vorbestimmten Verlustleistung,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

a) das Hochspannungsnetzgerät weist mehrere Transformatoren (2 bis 9) auf, deren Eingangswicklungen unabhängig voneinander einzeln oder einander parallel an eine vorbestimmte Wechselspannung schaltbar sind,

b) die Ausgangswicklungen der Transformatoren (2
bis 9) sind in Reihe geschaltet und so ausgelegt, daß die Klemmenspannung jedes Transformators die des vorgeschalteten um einen vorbestimmten Betrag übersteigt,

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c) jede der Eingangwicklungen ist über einen elektronischen Einschalter (lo) an das Netz schaltbar, jede der Ausgangswicklungen ist durch einen elektronischen Kurzschlußschalter (12) überbrückbar,

d) jeder der Einschalter (lo) und jeder der Kurzschlußschalter (12) ist durch eine elektronische Regeleinrichtung (13) steuerbar,

e) der positive Ausgang (17) eines auf den gemeinsamen Ausgang (14, 15) der Transformatoren (2 bis 9) geschalteten Brückengleichrichters (16) ist über mindestens einen elektronischen Kaskadenschalter mit je zwei einander parallel geschalteten Schaltkaskaden, der negative Ausgang direkt auf die Last (36) geschaltet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

a) an die Gleichspannungsklemmen (17, 18) des Brückgleichrichters (16) und den negativen Pol eines dem Brückgleichrichter (16) nachgeschalteten kapazitiven Speichers (20) ist ein Potentialwandler (22) angeschlossen,

b) der positive Ausgang (17) des Brückengleichrichters (16) ist über eine Trenndiode (19) auf den kapazitiven Speicher (2O) geschaltet,

c) ein den Istwert (U_Ist) der Spannung führender potentialfreier Ausgang (23) des Potentialwandlers (22) ist auf einen ersten Soll-Istwert-Vergleicher (27) für Spannungswerte geschaltet, ein den Istwert (I_n. . ) des Stromes führender.

Ist

potentialfreier Ausgang (24) ist auf einen zweiten Soll-Istwert^Vergleicher (28) für Stromwerte

geschaltet,
d ) die eine Regelabweichung führenden Ausgänge der Soll^Istwert^Vergleicher (27, 28) sind mit einer Spannung seeder Stromregelung wählenden Schalteinrichtung (29) auf erste Komparatoren (30) schaltbar,

e) der Schalteinrichtung (29) sind die Spannungsbegrenzung automatisch auf Stromregelung und bei Strombegrenzung automatisch auf Spannungsregelung umschaltende zweite Komparatoren (31) nachgeschaltet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale, a) es sind zwei erste Komparatoren. (30) für eine erste Zählfrequenz und zwei weitere automatisch zuschaltbare erste Komparatoren (30) für eine zweite Zählfrequenz vorgesehen, die bei größeren Differenzen zwischen Soll- und Istwert des Stromes oder der Spannung die Zählfrequenz mindestens um einen Faktor 16 erhöht,

b) eine den ersten Komparatoren (30) nachgeschaltete Logikschaltung (32) weist eine Torschaltung, eine Schwellwertschaltung und einen Nullspannungsdetektor auf,

c) an einen von der Logikschaltung (32) gesteuerten Vorwärts-Rückwärts^Zähler (33) ist eine die Einschalter (10) der Transformatoren (2 bis 9) während des Nulldurchganges der Netzspannung zeitlich direkt ansteuernde und die Kurzschlußschalter (12) beim Öffnen der Einschalter (lo) mit einer vorbestimmten zeitlichen Verzögerung schließende Ansteuerschaltung (34) angeschlossen.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Netzleitung jedes der Transformatoren (2 bis 9) vor dem Einschalter (10) ein ausschließlich beim Einschalten des Transformators durch die Ansteuerschaltung (34) für 40 ms aufgesteuerter Dämpfungsschalter (11) geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung mit einem elektronischen Kaskadenschalter nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale, a) die Emitter-Kollektor-Strompfade mindestens zweier erster npn-Transistoren (35) sind an ihrem auf der Seite der Last (36) liegenden Emitteranschluß (37) einander parallel geschaltet,

b) jede' der Kollektorleitungen weist zwei in Reihe geschaltete Widerstände (38, 39) auf und ist mit den Kollektorleitungen anderer erster npn-Transistoren (35) über eine zwischen den in Reihe geschalteten Widerständen (38, 39) angeschlossene Brücke (40) verbunden,

c) der Emitter eines als Treiber wirkenden zweiten npn-Transistors (41) ist auf die miteinander verbundenen Basen der ersten npn-Transistoren

(35) geschaltet,,

d) der Kollektor des Treibers (41) ist auf die Brükke (40) geschaltet, ·

e) die ersten Transistoren (35) bilden mit ihrer

- die Schaltung symmetrierenden und stabilisierenden und eine vorbestimmte Treiberspannung erzeugenden Widerstandsanordnung (38, 39) und dem Treiber. (41) eine Schaltkaskade,

f) zwei einander parallel geschaltete Schaltkaskaden bilden einen Kaskadenschalter, der über einen als Vortreiber betriebenen dritten npn-Transistor (42) steuerbar ist,

g) der Emitter des Vortreibers (42), dessen Treiberspannung durch die Widerstände (39) erzeugt wird, ist auf die Basen der Treiber (41) geschaltet.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Kaskadenschalter ein Symmetrierwiderstand (43), eine Rücklaufdiode (44) und eine Überspannungsschutzeinrichtung (45) geschaltet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Vortreiber (42) steuernder potentialfreier Verstärker (49, 50) vorgesehen ist, der einen optoelektronischen Eingang aufweist, der über einen Lichtleiter (53, 54) mit einem Lichtsender (52) verbunden ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

a) der Lichtsender (52) ist an eine Steuereinrichtung (55) angeschlossen, die im wesentlichen aus einem optoelektronischen Empfänger (56) für das Steuersignal, einem Zeitschalter (57), einer Schaltstufe (58), einem Treiber (59) für die Leuchtdioden des Lichtsenders (52) und einer Überstromschaltung (60) besteht,

b) die Überstromschaltung (60) der Steuereinrichv tung (55) ist an einen Pulsstromtransformator (48) angeschlossen, der in die negative Speiseleitung der Last geschaltet ist.

c) die Überstromschaltung (60) weist eine Klemmstufe auf zur Wiedereinführung des über den Pulstransformator (48) verlorengehenden Gleichspannungsbezugswertes ,

d) an die Klemmstufe ist ein Filter und ein Schwellwertschalter angeschlossen, der auf den Zeit-v schalter (57) wirkt, der bei Überstrom, Netzumschaltung oder Netzunterbrechung zum Schutz der Kaskadenschalter für ca. 20 Sekunden den Steuerimpuls sperrt.