DE3337088A1 - Einfache einrichtung zur potentialfreien ansteuerung von elektronischen schaltern - Google Patents

Einfache einrichtung zur potentialfreien ansteuerung von elektronischen schaltern

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Description

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Einfache Einrichtung zur potentialfreien Ansteuerung von elektronischen Schaltern
Beschreibung:
Seit der Einführung moderner Halbleiterschalter hat die potentialfreie Ansteuerung von elektronischen Schaltern eine immer größere technische Bedeutung erlangt. Lediglich beispielhaft sei hier auf Drehstromwechselrichter zur Speisung von Drehfeldmaschinen hingewiesen. Bei diesen Drehstroiwechselrichtern befinden sich die einzelnen elektronischen Schalter auf unterschiedlichen, sich bei Schalt vorgängen zum Teil auch noch sehr schnell ändernden Potentialen und müssen daher potentialfrei angesteuert werden [ij .
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bisher im wesentlichen nach zwei Prinzipien verfahren. Beim ersten Prinzip erhalten jene elektronischen Schalter, welche potentialgetrennt angesteuert werden müssen, für ihre Ansteuereinheit jeweils eine eigene, potentialfreie Stromversorgung. Die Steuerbefehle für die Einstellung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" der zugehörigen elektronischen Schalter müssen den genannten Ansteuereinheiten dann ebenfalls potentialgetrennt übermittelt werden. Zur Ausführung dieser Aufgabe kommen üblicherweise sogenannte Optokoppler zum Einsatz [2I . Da hierbei die Signalübertragung mit Lichtimpulsen geringer Intensität erfolgt, ist die Störanfälligkeit höher als beim zweiten bisher eingesetzten Prinzip. Bei diesem erhalten die elektronischen Schalter, welche potentialgetrennt angesteuert werden müssen, ebenfalls getrennte Ansteuereinheiten. Diese werden im Normalfall über mindestens zwei unterschiedliche Transformatoren angesteuert, wobei einer dieser Transformatoren das Einschalten des betreffenden elektronischen Schalters und der zweite dessen Ausschalten bewirkt. Sollen die Schaltzustände "Ein" und "Aus" der elektronischen Schalter auch für beliebig lange Zeiten eingestellt werden können, so müssen zusätzliche Maßnahmen, beispielsweise der Einsatz von mindestens einem der genannten Transformatoren im Gegentaktbetrieb oder die Hinzufügung von mindestens einem weiteren Transformator ergriffen werden [3j . Verzichtet man bewußt darauf, dem
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elektronischen Schalter im Schaltzustand "Aus" wohldefinierte Ansteuersignale zur Verfügung zu stellen, so sind auch Ansteuerungen mit einem, dann üblicherweise im Gegentaktbetrieb arbeitenden Transformator, möglich, die lediglich während des Schaltzustandes "Ein" in Betrieb sind und das Ausschalten des elektronischen Schalters mittels einer im Transformator oder auf dessen Sekundärseite gespeicherten Energie bewirken [4] . Der Verzicht auf wohldefinierte Ansteuersignale im Zustand "Aus" führt aber zum einen zu einer verringerten Zuverlässigkeit der Anordnung und zum anderen meist auch zu einer Einschränkung bei der .Ausnützung der Kenndaten der elektronischen Schalter, z. B. zu einer Herabsetzung von deren Sperrfähigkeit.
Die genannten Nachteile dieser bisher bekannten Lösungen, wie hoher Aufwand und eingeschränkte Zuverlässigkeit beim Einsatz von Optokopplern, hoher Aufwand beim Einsatz von mehreren Obertragern zur Ansteuerung eines elektronischen Schalters oder das Fehlen wohldefinierter Ansteuersignale im Schaltzustand "Aus" beim Einsatz von bisher bekannten Anordnungen mit nur einem Übertrager werden von der hiermit vorgestellten Erfindung vermieden. Der erste Schlüsselgedanke dieser Erfindung besteht darin, daß gemäß der Darstellung in Fig. 1 die Versorgung der Steuerstrecken der einzelnen elektronischen Schalter (1) mit den für die Einstellung und Aufrechterhaltung von deren Schaltzuständen "Ein" und "Aus" erforderlichen Steuerspannungen und Steuerströmen über jeweils eine, zu dem betreffenden elektronischen Schalter (1) gehörende Logik- und Schalteinheit (2) erfolgt. Diese wird ihrerseits von der Sekundärseite (3) des Transformators (4) eines dem betreffenden elektronischen Schalter (1) zugeordneten potentialtrennenden Wechselrichters (5) gespeJLst. Dieser potentialtrennende Wechselrichter (5) wird sowohl während des Schaltzustandes "Ein" als auch während des Schaltzustandes "Aus" des zugehörigen elektronischen Schalters (1), auch dann wenn diese Schaltzustände beliebig lange andauern, aktiv betrieben und stellt dabei die Energieversorgung der genannten Logik- und Schalteinheit (2) sicher. Letztere bewirkt ihrerseits, daß der zugehörige elektronische Schalter U) stets mit jenem Steuerstrom oder jener Steuerspannung beaufschlagt wird, welche für.die Einstellung oder Aufrechterhaltung des je-
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weils erwünschten Schaltzustands erforderlich ist. Der zweite Schlüsselgedanke dieser Erfindung besteht darin, über den Transformator (4) des genannten potentialtrennenden Wechselrichters (5) der an dessen Sekundärseite (3) angeschlossenen Logik- und Schalteinheit (2) neben der elektrischen Leistung für die Versorgung des zugehörigen elektronischen Schalters (1) mit Steuerspannung und Steuerstrom auch die Steuerbefehle für die Einstellung und, sofern erforderlich, auch für die Aufrechterhaltung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" des zugehörigen elektronischen Schalters (1 durch Eingriffe auf jener Seite (6) des zugehörigen potentialtrennen den Wechselrichters auszulösen, von welcher dieser mit Energie versorgt wird. Durch solche Eingriffe können entweder die Ausgangsspannung dieses potentialtrennenden Wechselrichters (5) oder dessen Ausgangsstrom oder dessen Ausgangsfrequenz vergrößert oder verkleinert werden. Es können hierfür aber auch zwei oder drei dieser Effekte kombiniert hervorgerufen werden.
Ein detailliertes Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 2 dargestellt. Der potentialtrennende Wechselrichter (5) weist dort auf jener Seite (6), von welcher er mit Energie versorgt wird, eine symmetrische Mittelpunktschaltung mit zwei alternierend betriebenen ein- und ausschaltbaren Einwegventilen (8) und (9) auf und wird aus einer Quelle (7) mit einer veränderlichen Gleichspannung U7 gespeist. Die Sekundärseite (3) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) weist dort eine Sekundärwicklungsgruppe (10) auf, die aus den beiden Teilwicklungen (11) und (12) besteht, an welche jeweils eine Gleichrichterbrücke (13) bzw. (14) angeschlossen ist. Die von diesen abgegebenen Gleichspannungen U^ und IL, sind in Serie geschaltet und werden einem Spannungs-Komparator (15), einem Treiberverstärker (16) und über einen Leistungsverstärker (17) dem elektronischen Schalter (1) zugeführt, welcher hier beispielhaft als einfacher Bipolar-Transistor (18) realisiert ist. Die einfache und zuverlässige Funktion dieser Anordnung sei nachfolgend beschrieben; dafür sei angenommen, daß von der steuerbaren Spannungsquelle (7) zunächst eine Gleichspannung U- = IL abgegeben wird. Dies hat zur Folge, daß die beiden Gleichrichterbrücken (13) und (14) zunächst die Gleichspannungen IL- = c-^'Ut und IL, = c..*tL abgeben. Deren Summe ist geringer als die in Fig. 2 nicht dargestellte, interne Referenzspannung des Spannungskomparators (15), der infolgedessen
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ein Signal der Art an den Treiberverstärker (16) abgibt, daß über diesen der pnp-Transistör (20) leitend gemacht wird und so den Bipolar-Transistor (18) in dessen Schaltzustand "Aus" fixiert und dabei dauernd mit einer negativen Basis-Emitter-Spannung beaufschlägt. Wird, ausgehend von diesem Zustand, die einstellbare Gleichspannung Uy der Spannungsquelle (7) auf einen Wert uYr>!L erhöht, so nehmen die Ausgangsspannungen der Gleichrichterbrücken (13) und (14) die Werte U13 = c^'lL. und IL. = c-.-U^ an. Dabei wird IL, so gewählt, daß die Summenspannung (C13 + c.,).UH größer ist als die genannte Referenzspannung des Spannungskomparators (15). Infolgedessen gibt dieser ein Signal der Art an den Treiberverstärker (16) ab, daß über diesen der npn-Transistor (19) leitend gemacht wird und so den Bipolar-Transistor (18) in dessen Schaltzustand "Ein", versetzt und anschließend dauernd mit einem positiven Basisstrom beaufschlägt. Wird zu einem späteren Zeitpunkt die einstellbare Gleichspannung Uy der Spannungsquelle (7) wieder auf den Wert Uy = U^ abgesenkt, so nehmen die Ausgangsspannungen der Gleichrichterbrücken (13) und (14) wieder die Werte U13 = C13-U, und U.» = C-m'Ut an. Die Summenspannung (C13 + c..,)·^ ist kleiner als die genannte Referenzspannung des Spannungskomparators (15). Damit gibt dieser wieder ein Signal der Art an den Treiberverstärker (16) ab, daß über diesen der pnp-Transistor (20) leitend gemacht und so der elektronische Schalter (18) wieder in dessen Schaltzustand "Aus" versetzt und dauernd mit einer negativen Basis-Emitterspannung beaufschlagt wird.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird also durch einen Eingriff auf jener Seite (6) des zugehörigen potentialtrennenden Wechselrichters (5), von welcher dieser mit Energie versorgt wird, die Ausgangsspannung dieses potentialtrennenden Wechselrichters (5) vergrößert bzw. verkleinert. In völlig entsprechender Weise kann dessen Ausgangsstrom oder auch dessen Ausgangsfrequenz vergrößert oder verkleinert werden.
Des weiteren wird im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 der elektronische Schalter (1) durch einen Bipolar-Transistor (18) gebildet. Statt dessen kann dieser elektronische Schalter (1) z. B. auch in Darlington-Konfiguration, wie in Fig. 1 dargestellt, als Feldeffekt-
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Transistor, als Static-Induction-Transistor oder als abschaltbarer ThXyristor (GTO-Thyristor) ausgeführt sein. Unter Hinzunahme von Zwangskommutierungseinrichtungen im Hauptkreis der elektronischen Schalter (1) können diese aber auch als gewöhnliche Thyristoren sowie vorzugsweise als Gate-Assisted-Turn-Off-Thyristoren (GATT) ausgeführt werden.
In einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung werden, für eine noch weitergehende Verringerung des gesamten Ansteueraufwands in Gesamtschaltungen, in denen mehrere elektronische Schalter CD stets gemeinsam oder stets im Gegentakt· ein- und ausgeschaltet werden, die zu diesen gehörenden Logik- und Schalteinheiten (2) an getrennte Sekundärwicklungsgruppen (10) des Transformators (4) eines gemeinsamen, potentialtrennenden Wechselrichters (5) angeschlossen.
Ein detailliertes Beispiel hierfür ist in Fig. 3 dargestellt. Die Sekundärseite (3) des dort enthaltenen potentialtrennenden Wechselrichters (5) weist zwei Sekundärwicklungsgruppen (10) auf, die jeweils aus den beiden Teilwicklungen (11) und (12) bestehen. Diese beiden Sekundärwicklungsgruppen (10) speisen nun zwei, den beiden elektronischen Schaltern (1) jeweils zugeordnete Logik- und Schalteinheiten (2). Die elektronischen Schalter (1) werden hier wiederum beispielhaft durch jeweils einen Bipolar-Transistor (18) gebildet. Die Ausführung der Logik- und Schalteinheiten (2) sowie der Seite (6) des potentialtrennenden Wechselrichters (5), von der dieser mit Energie versorgt wird, und der diesen speisenden steuerbaren Spannungsquelle (7) entspricht völlig jener der entsprechenden Anordnungen im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2. Auch die Funktion der Gesamtanordnung nach Fig. 3 entspricht derjenigen der Anordnung nach Fig. 2, mit der Ausnahme, daß die oben beschriebenen Eingriffe über die steuerbare Spannungsquelle (7) in der Anordnung nach Fig. dazu führen, daß die beiden elektronischen Schalter (1) stets gemeinsam ein- oder ausgeschaltet werden. Sollen die beiden elektronischen Schalter (1) statt gemeinsam ein- und ausgeschaltet zu werden, stets im Gegentakt ein- und ausgeschaltet werden, so ist lediglich in einer der beiden Logik- und Schalteinheiten (2) zwischen den dortigen Spannungskomparator (15) und den Treiberverstärker (16)
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eine Signalumkehrstufe einzufügen. Dies hat zur Folge, daß dann, wenn in einer der Logik- und Schalteinheiten (2) der npn-Transistor M9J leitend gemacht und damit der zugeordnete elektronische Schalter (1) in den Schaltzustand "Ein" versetzt wird, in der anderen Logik- und Schalteinheit (2) der pnp-Transistor (20) leitend gemacht und damit der entsprechende elektronische Schalter Cl) in den Schaltzustand "Aus" versetzt wird und umgekehrt.
In einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung werden zur Erhöhung von deren Zuverlässigkeit die Eingriffe auf jener Seite (6) des potentialtrennenden Wechselrichters (5), von der dieser mit Energie versorgt wird, zumindest im Normalbetrieb immer so vorgenommen, daß Ausgleichsvorgänge des bereits in Fig. 1 eingepfeilten Hauptflusses φ des Transformators (4) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) bestmöglich vermieden werden. Dies kann u. a. dadurch erreicht werden, daß diese Eingriffe immer nur dann erfolgen, wenn der Hauptfluß φ des Transformators (4) mit guter Näherung den Wert Null hat und die Änderungsgeschwindigkeit dieses Hauptflusses φ dasselbe Vorzeichen aufweist, wie beim vorhergehenden Eingriff.
Eine derartige Vorgehensweise ist in Fig. 4 für das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig. 2 dargestellt. Die Einstellung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" des elektronischen Schalters (1) wird dort dadurch verursacht, daß die an den Wechselrichter (5) angelegte Gleichspannung U7 über die steuerbare Gleichspannungsquelle (7) auf den Wert U7 = U„ bzw. u% = IL. eingestellt \iird. Diese Eingriffe erfolgen nun im Betrieb der Anordnung nach Fig. 4 stets nur so, daß der Hauptfluß φ des Transformators (4) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) zu diesen Zeitpunkten tp. bzxv. t.. gerade von negativen auf positive Werte überwechselt. Auf diese Weise werden Ausgleichsvorgänge des Hauptflusses φ vollständig vermieden. Zweckmäßigerweise wird hiervon aber z. B. dann abgewichen, wenn eine Betriebsstörung innerhalb der Gesamtanordnung, in aor die erfindungsgemäße Einrichtung eingesetzt wird, eine sofortige Änderung des Schaltzustandes des betreffenden elektronischen Schalters (1) erforderlich macht.
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In einer weiteren Ausbildung der vorliegenden Erfindung werden in Gesamtanordnungen mit einem oder mehreren elektronischen Schaltern (T, sowohl die zur Einstellung der Schaltzustände der elektronischen Scha] ter (1) dienenden Eingriffe als auch die auf der Seite (6) des potentialtrennenden Wechselrichters (5), von welcher dieser mit Energie versorgt wird, für dessen Funktion erforderlichen Schaltvorgänge ausschließlich zu Zeitpunkten ausgeführt, welche in einem Zeitraster enthalten sind, das durch eine Reihe von in äquidistanten Abständen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t = tQ + νAt, ν = 1, 2, . . .°° gegeben ist.
Für die in Fig. 2 und 3 vorgestellten Ausführungsbeispiele kann das in der in Fig. 5 dargestellten Weise erfolgen. Die zur Einstellung der an den potentialtrennenden Wechselrichter (5) angelegten Gleichspannung U7 über die steuerbare Spannungsquelle (7) auf die Werte U7 = Utt bzw. U7 = Uy dienenden Eingriffe, und die auf der Seite (6) des potentialtrennenden Wechselrichters (5), von welcher dieser mit Energie versorgt wird, für dessen Funktion erforderlichen Schaltvorgänge, nämlich das alternierende Schalten der ein- und ausschaltbaren Einwegventile (8) und (9), erfolgen nur zu diskreten Zeitpunkten eines in Fig. 5 durch das Taktsignal vorgegebenen äquidistanten Zeitrasters. Die Dauer der Schaltzustände der ein- und ausschaltbaren Einwegventile (8) und (9) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) oder des elektronischen Schalters (1) ist dabei in keiner Weise begrenzt, beträgt jedoch im Normalbetrieb der Anordnung stets ein ganzzahliges Vielfaches der Taktperiode At, welche entsprechend den zu erfüllenden Anordnungen zu wählen ist. Von der beschriebenen Vorgehensweise kann z. B. wiederum dann abgegangen werden, wenn eine Betriebsstörung innerhalb der Gesamtanordnung, in der die erfindungsgemäße Einrichtung eingesetzt wird, eine sofortige Änderung des Schaltzustandes des betreffenden elektronischen Schalters (1) erforderlich macht. In Gesamtanordnungen, in denen zur Ansteuerung mehrerer elektronischer Schalter (1) mehrere erfindungsgemäße Einrichtungen nach Fig. 1 eingesetzt werden, erfolgen vorteilhafterweis·, alle zur Funktion der dort vorhandenen potentialtrennenden Wechselrichter (5) auf der Seite (6) , von welcher diese mit Energie versorgt werden, erforderlichen Umschaltungen sowie die zur Einstellung der verschiedenen Schaltzustände der elektronischen Schalter (1) erforderlichen Eingriffe innerhalb eines solchen Zeitrasters, das durc
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eine Reihe von in äquidistanten Abständen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten gegeben ist.
Eine weitere Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung hat eine nochmalige Verringerung des gesamten Ansteueraufwands in Gesamtschaltungen zum Ziel, in welchen mehrere elektronische Schalter (1) betrieben werden, aber nicht notwendigerweise stets gemeinsam oder im Gegentakt ein- und ausgeschaltet werden. Zu ihrer Erläuterung sei davon ausgegangen, daß jeder der dort enthaltenen elektronischen Schalter CD durch eine erfindungsgemäße Anordnung gemäß Fig. 1 angesteuert wird und daß die Einstellung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" der elektronischen Schalter CD durch solche Eingriffe auf die zugehörigen potentialtrennenden Wechselrichter C5) verursacht wird, welche eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms des entsprechenden potentialtrennenden Wechselrichters C5) bewirken. Unter diesen Umständen können diejenigen Schaltelemente sämtlicher potentialtrennender Wechselrichter C5), welche zum ersten auf jener Seite C6) der Wechselrichter' C5) angeordnet sind, von welcher diese mit Energie versorgt werden, welche zum zweiten nicht den zur Einstellung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" der elektronischen Schalter CO notwendigen Eingriffen dienen und welche zum dritten bei den verschiedenen potentialtrennenden Wechselrichtern C5) dieselbe Funktion erfüllen, jeweils zu einem Schaltelement zusammengefaßt werden.
Als Ausführungsbeispiel hierzu zeigt Fig. 6 eine Anordnung, in welcher zwei elektronische Schalter CD über jeweils eine zugehörige Logik- und Schalteinheit C2) von den Sekundärwicklungsgruppen ClO) zweier Transformatoren C4) gespeist werden. Diese Transformatoren C4) weisen auf ihrer Primärseite jeweils eine Mittelpunktschaltung auf; deren Mittelpunkte werden aus zwei verschiedenen steuerbaren Spannungsquellen C2D und C22) mit den einstellbaren Spannungen U2-] und U22 versorgt, über deren Höhe die Schaltzustände des jeweils zugehörigen elektronischen Schalters CD eingestellt werden. Die Außenanschlüsse der Mittelpunktschaltungen auf der Primärseite der Transformatoren C4) sind aber nun nicht mehr zu zwei getrennten Paaren von einschaltbaren Einwegventilen geführt, sondern gleichsinnig zusammengefaßt und an ein einziges Paar von einschaltbaren
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Einwegventilen (8) und (9) angeschlossen.
Für die nächsten 3 Ausbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sei vorausgesetzt, daß die von den dort enthaltenen Logik- und Schalteinheitenu(2) ausgeführte Einstellung und Aufrechterhaltung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" der zugehörigen elektronischen Schalter (1) dadurch verursacht werden, daß durch Eingriffe auf jener Seite (6) "der zugehörigen potentialtrennenden Wechselrichter (5), von welcher diese mit Energie versorgt werden, deren Ausgangsspannung vergrößert oder verkleinert wird.
Die erste dieser 3 Ausbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung hat eine weitere Einschränkung der Folgen von Störeinflüssen zum Ziel. Dies wird dadurch erreicht, daß die Logik- und Schalteinheiten C2) derart ausgeführt sind, daß eine Verringerung der Ausgangsspannung der potentialtrennenden Wechselrichter (5) zu einer Einstellung des Schaltzustandes "Aus" der zugehörigen elektronischen Schalter CO führt, wie dies bereits bei der Beschreibung der Anordnung gemäß Fig. 2 erläutert wurde.
Die zweite der genannten drei Ausbildungen ist einer möglichst einfachen Veränderung der Ausgangsspannung der potentialtrennenden Wechselrichter (5) gewidmet. Dazu weisen diese potentialtrennenden Wechselrichter (5) auf jener Seite (6), von welcher sie mit Energie versorgt werden, jeweils eine Mittelpunktschaltung auf, deren Mittelpunkt zum einen über eine Diode (24) aus einer ersten Gleichspannungsquelle (23) gespeist wird. Zum anderen ist dieser Mittelpunkt über einen Transistor (26) oder einen abschaltbaren Thyristor mit einer zweiten Gleichspannungsquelle (25) höherer Spannung verbunden. Dabei ist die genannte Diode (24) so gepolt, daß grundsätzlich kein Stromfluß zwischen den beiden Gleichspannungsquellen (23) und (25) möglich ist. Die Erhöhung der Ausgangsspannung des potentialtrennenden Wechselrichters (5) wird schließlich dadurch bewirkt, daß der genannte Transistor (26) bzw. der genannte abschaltbare Thyristor in den leitenden Zustand versetzt wird. Ein Ausführungsbeispiel für diese Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in Fig. 7 dargestellt. Diese Fig. 7 zeigt die Anordnung gemäß Fig. Z aus welcher lediglich die einstellbare Gleichspannungsquellc (7)
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herausgenommen und darch die nachstehend beschriebene Anordnung ersetzt wurde. Bei dieser wird der Mittelpunkt der primärseitigen Wicklung des Transformators (4) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) zum einen aus einer Spannungsquelle (23) mit der starren Gleichspannung U23 über eine Diode (24) gespeist. Zum anderen ist dieser Mittelpunkt mit einer zweiten Spannungsquelle (25), welche die starre Gleichspannung U25 > U23 aufweist, über einen Transistor (26) verbunden. Bleibt in dieser Anordnung nun der Transistor (26) gesperrt, so wird der potentialtrennende Wechselrichter (5) aus der Gleichspannungsquelle (23) mit Energie versorgt. Wird dagegen der Transistor (26) leitend gemacht, so erfolgt die Energieversorgung des potentialtrennenden Wechselrichters (5) aus der Gleichspannungsquelle (25) mit der höheren Gleichspannung U2r. Letzteres hat zur Folge, daß die Ausgangsspannungen des potentialtrennenden Wechselrichters (5) entsprechend ansteigen und so den elektronischen Schalter (1) über dessen zugehörige Logik- und Schalteinheit (2) in dessen Schaltzustand "Ein" versetzen. Wird zu einem späteren Zeitpunkt der Transistor (26) wieder gesperrt, so erfolgt die Energieversorgung des potentialtrennenden Wechselrichters (5) wieder aus der Spannungsquelle (23) mit der geringeren Gleichspannung U0,. Dies hat zur Folge, daß die Ausgangsspannungen des potentialtrennenden Wechselrichters (5) entsprechend absinken und so den elektronischen Schalter (1) über dessen zugehörige Logik- und Schalteinheit (2) wieder in dessen Schaltzustand "Aus" versetzen.
Die dritte der genannten drei Ausbildungen ist einer möglichst einfachen Ausführung des Spannungskomparators (15) in den Logik- und Schalteinheiten (2) gewidmet. Dazu werden letztere so ausgeführt, daß eine Erhöhung der Ausgangsspannung des zugehörigen potentialtrennenden Wechselrichters (5) einen Stromfluß durch eine zuvor stromlose Zenerdiode verursacht und dieser Stromfluß die Einstellung und Aufrechterhaltung des diesem Zustand zugeordneten Schaltzustands des zugehörigen elektronischen Schalters (1) bewirkt. Umgekehrt hat das mit einer Verringerung der Ausgangsspannung des genannten potentialtrennenden Wechselrichters (5) einhergehende Erlöschen dieses Stromfiusses die Einstellung und Aufrechterhaltung des jeweils anderen Schaltzustands des zugehörigen elektronischen Schalters (1) zur Folge. Ein Ausführungsbeispiel für diese Ausbil-
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dung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in Fig. 8 dargestellt. Diese Fig. 8 zeigt die Anordnung gemäß Fig. 7, in welcher lediglich die Sekundärseite (3) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) verändert, die Logik- und Schalteinheit (2) detailliert dargestellt und der zugehörige elektronische Schalter (1) modifiziert wurde. Die Sekundärseite (3) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) weist nunmehr eine Mittelpunktschaltung auf, deren Mittelpunkt die Null-Schiene der Logik- und Schalteinheit (2) bildet. Die beiden Außenanschlüsse dieser Mittelpunktschaltung sind mit den Wechselstromanschlüssen einer Gleichrichterbrücke (27) verbunden, deren .Kathodensammelpunkt die Plus-Schiene und deren Anodensammelpunkt die Minus-Schiene der Logik- und Schalteinheit (2) bildet. Sowohl die Plus-Schiene als auch die Minus-Schiene der Logik- und Schalteinheit (2) sind gegenüber deren Null-Schiene über einen kleinen Kondensator (28) bzw. (29) gepuffert. Der Spannungskomparator (15) enthält eine Transistor-Inverterstufe, deren Eingang aus der Null-Schiene der Logik- und Schalteinheit (2) über eine Zenerdiode (30) gespeist wird. Der Ausgang der genannten Transistor-Inverterstuf e bildet den Ausgang des Spannungskomparators (15) und steuert den Treiberverstärker (16) an, der aus einer weiteren Transistor-Inverterstufe besteht. Der Ausgang des Treiberverstärkers (16) führt zum Eingang des Leistungsverstärkers (17). Der elektronische Schalter (1) enthält zwei npn-Transistoren in Darlington-Konfiguration. Antiparallel zur Basis-Emitter-Strecke seines Treiber-Transistors ist eine Ausräumdiode geschaltet. Parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Endstufentransistors ist ein Ohmwiderstand eingefügt. Der Leistungsverstärker (17) enthält in bereits bekannter Weise einen npn-Transistor (19) und einen pnp-Transistor (20). Letzterer wird vom Eingang des Leistungsverstärkers (17) angesteuert. Er verbindet über seine Emitter-Kollektorstrecke die Basiselektrode des im elektronischen Schalter (1) enthaltenen Treibertransistors mit der Minus-Schiene der Logik- und Schalteinheit (2) und v/eist in seinem Kollektorkreis einen Strombegrenzungswiderstand auf. Der npn-Transistor (19) wird ebenfalls vom Eingang des Leistungsverstärkers (17) angesteuert. In seinem Kollektorkreis enthält er zwei Ohmwiderstände, von welchen einer zur Beschleunigung des Einschaltvorganges des elektronischen Schalters (1) mittels eines Kondensators überbrückt ist. Die Emitterelektrode dieses npn-Transistors (19) ist zum einen über die Anoden-Kathoden-Streckc
einer ersten Diode (31), der sogenannten Vorspanndiode, mit der Basiselektrode des im elektronischen Schalter CO enthaltenen Treibertransistors verbunden. Zum anderen ist die Emitterelektrode des npn-Transistors (19) über die Anoden-Kathoden-Strecke einer weiteren Diode (32) mit den Kollektorelektroden der im elektronischen Schalter (1) enthaltenen Transistoren verbunden. Auf diese Weise arbeitet die Diode (32) in grundsätzlich bekannter Weise als sogenannter Kollektor-Fänger, der den elektronischen Schalter (1) vor einer stationären Übersteuerung bewahrt. Auf die der erstgenannten Diode (31), der sogenannten Vorspanndiode, üblicherweise parallelgeschaltete Inversdiode kann hier verzichtet werden, da der pnp-Transistor (20) in vorteilhafter Weise direkt an die Basiselektrode des im elektronischen Schalter (1) enthaltenen Treibertransistors angeschlossen ist.
Als letztes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung sei abschließend noch eine Anordnung beschrieben, in welcher eine Veränderung des Schaltzustandes des elektronischen Schalters (1) durch eine Veränderung der Ausgangsfrequenz des potentialtrennenden Wechselrichters (5) bewirkt wird. Dazu zeigt Fig. 9 eine Anordnung, welche aus jener nach Fig. 2 dadurch hervorgeht, daß zum einen die in Fig. 2 enthaltene einstellbare Spannungsquelle (7) entfernt und durch eine Konstantspannungsquelle (33) ersetzt wird und daß zum anderen der in Fig. 2 enthaltene Spannungskomparator (15) entfernt und durch einen Frequenzdiskriminator (34) ersetzt wird. Letzterer ist direkt an die Ausgangsklemmen der Teilwicklung (11) der Sekundärwicklungsgruppe (10) des Transformators (4) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) angeschlossen und versorgt den Treiberverstärker (16) mit einem Signal "Logisch 1", wenn die Ausgangsfrequenz des potentialtrennenden Wechselrichters (5) einen bestimmten Grenzwert unterschreitet. Umgekehrt versorgt dieser Frequenzdiskriminator (34) den Treiberverstärker (16) mit dem Signal "Logisch 0", wenn die Ausgangsfrequenz des potentialtrennenden Wechselrichters (5) den genannten Grenzwert überschreitet. Diese Signale bewirken, daß über den Treiberverstärker (16) und den Leistungsverstärker (17) die entsprechenden Schaltzustände des elektronischen Schalters (1) eingestellt werden, wie dies bereits bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 beschrieben wurde.
COPY
In Fig. 10 ist anhand der zeitlichen Aufeinanderfolge der Schaltzustände der beiden ein- und ausschaltbaren Einwegventile (8) und (9) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) deutlich gemacht, daß auch hierbei Ausgleichsvorgänge des Hauptflusses ·φ des Transformators (4) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) in einfacher Weise vermieden werden können und so eine hohe Zuverlässigkeit der Gesamtanordnung gewährleistet werden kann.
Literaturnachweis
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49 - Leerseite -

Claims (6)

  1. '-PM-AFB-WZ-8 31O11
    Einfache Einrichtung zur potentialfreien Ansteuerung von elektronischen Schaltern
    Patentansprüche:
    (λ) Einfache Einrichtung zur potentialfreien Ansteuerung von elektronischen Schaltern,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Versorgung der Steuerstrecken der einzelnen elektronischen Schalter (1) mit den für die Einstellung und Aufrechterhaltung von deren Schaltzuständen "Ein" und "Aus" erforderlichen Steuerspannungen und Steuerströmen über jeweils eine, zu dem betreffenden elektronischen Schalter (1) gehörende Logik- und Schalteinheit (2) erfolgt, welche ihrerseits von der Sekundärseite (3) des Transformators (4) eines, dem betreffenden elektronischen Schalter CI) zugeordneten potentialtrennenden Wechselrichters (5) gespeist wird und
    daß sich der genannte, potentialtrennende Wechselrichter (5) sowohl während des Schaltzustandes "Ein" als auch während des Schaltzustandes "Aus" des zugehörigen elektronischen Schalters (1.; auch dann, wenn diese Schaltzustände beliebig lange andauern, jeweils in einem aktiven Betrieb befindet und dabei die Energieversorgung der genannten Logik- und Schalteinheit (2) sicherstellt, welche ihrerseits bewirkt, daß der zugehörige elektronische Schalter (1) stets mit jenem Steuerstrom und/oder jener Steuerspannung beaufschlagt wird, welche für die Einstellung oder Aufrechterhaltung des jeweils erwünschten Schaltzustandes erforderlich sind und
    daß über den Transformator (4) des genannten, potentialtrennenden Wechselrichters (5) der an dessen Sekundärseite (3) angeschlossenen Logik- und Schalteinheit (2) neben der elektrischen Leistung für die Versorgung des zugehörigen elektronischen Schalters CD mit Steuerspannung und Steuerstrom auch die Steuerbefehle für die Einstellung und, sofern erforderlich, auch für die Aufrechterhaltung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" dieses elektronischen Schalters (1) übertragen werden und
    daß die, von der genannten Logik- und Schalteinheit (2) ausgeführte Einstellung und Aufrechterhaltung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" des zugehörigen elektronischen Schalters (1) dadurch verursacht wird, daß durch Eingriffe auf jener Seite (6)
    COPY". ORIGINAL INSPfOTEO . .
    " BAD ORIGINAL - 2 -
    des zugehörigen, potentialtrennenden Wechselrichters (5), von welcher dieser mit Energie versorgt wird, entweder die Ausgangsspannung dieses potentialtrennenden Wechselrichters C5) oder dessen Ausgangsstrom oder dessen Ausgangsfrequenz vergrößert oder verkleinert werden oder daß hierfür zwei oder drei dieser Effekte kombiniert hervorgerufen werden.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß in Gesamtschaltungen, in denen mehrere elektronische Schalter (1) stets gemeinsam ein- und ausgeschaltet werden oder stets im Gegentakt ein- und ausgeschaltet werden, die zu diesen gehörenden Logik- und Schalteinheiten (2) an getrennte Sekundärwicklungsgruppen ClO) eines gemeinsamen, potentialtrennenden Wechselrichters (5) angeschlossen sind.
  3. 3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß zur Erhöhung der Zuverlässigkeit dieser Einrichtung.die zur Einstellung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" des betreffenden elektronischen Schalters CD dienenden Eingriffe auf jener Seite C6) des zugehörigen Wechselrichters C5), von welcher dieser mit Energie versorgt wird, zumindest im Normalbetrieb immer so erfolgen, daß Ausgleichsvorgänge des Hauptflusses Φ des zugehörigen Transformators (4) bestmöglich vermieden werden und zwar vorzugsweise derart, daß diese Eingriffe immer nur dann erfolgen, wenn der Hauptfluß Φ des zugehörigen Transforma-■ tors C4) mit guter Näherung den Wert Null aufweist und die Änderungsgeschwindigkeit dieses Hauptflusses Φ dasselbe Vorzeichen aufweist, wie beim vorhergegangenen Eingriff.
  4. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
    daß in Anordnungen, welche einen oder mehrere elektronische Schalter CO enthalten, zumindest im Normalbetrieb, sowohl die zur Einstellung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" der einzelnen elektronischen Schalter O) dienenden Eingriffe auf jener Seite C6) der zugehörigen potentialtrennenden Wechselrichter C5),
    - 3 COPY
    von welcher diese mit Energie versorgt werden als auch die
    auf derselben Seite (6) der potentialtrennenden Wechselrichter (5) für deren Funktion erforderlichen Schaltvorgänge ausschließlich zu Zeitpunkten erfolgen, welche in einer Reihe
    von Zeitpunkten
    t = tQ + ν·Δΐ, ν = 1, 2, 3... °°,
    die in äquidistanten Abständen At aufeinander folgen, enthalten sind.
  5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß in Anordnungen, welche mehrere elektronische Schalter (1) enthalten, bei welchen die von deren Logik- und Schalteinheiten (2) ausgeführte Einstellung und Aufrechterhaltung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" der elektronischen Schalter CD dadurch verursacht wird, daß durch Eingriffe auf jener Seite (6) der
    zugehörigen potentialtrennenden Wechselrichter C5), von welcher diese mit Energie versorgt werden, entweder deren Ausgangsspannung oder deren Ausgangsstrom vergrößert oder verkleinert werden, diejenigen Schaltelemente sämtlicher potentialtrennender Wechselrichter (5), welche zum ersten auf jener Seite (6) der potentialtrennenden Wechselrichter (5) angeordnet sind, von welcher diese mit Energie versorgt werden, welche zum zweiten nicht den zur Einstellung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" der elektronischen Schalter (D notwendigen Eingriffen dienen und welche
    zum dritten bei den verschiedenen potentialtrennenden Wechselrichtern (5) dieselbe Funktion erfüllen, jeweils zu einem Schaltelement zusammengefaßt werden.
  6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die von den dort enthaltenden Logik- und Schalteinheiten (2) ausgeführte Einstellung und Aufrechterhaltung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" der zugehörigen elektronischen Schalter CD dadurch verursacht wird, daß durch Eingriffe auf jener Seite (6) der zugehörigen potentialtrennenden-Wechselrichter CS), von welcher diese mit Energie versorgt werden, deren Ausgangsspannunj·
    vergrößert oder verkleinert wird.
    COPY
    ORIGINAL INSPECTED
    Iiinrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zur Einschränkung der Folgen von Störeinflüssen eine Verringerung der Ausgangsspannung der potentialtrennenden Wechselrichter (5) zu einer Einstellung des Schaltzustandes "Aus" der zugehörigen elektronischen Schalter (1) führt.
    Einrichtung nach, einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
    daß die dort genannten potentialtrennenden Wechselrichter (5) jeweils derart ausgeführt sind, daß deren Transformator (4) auf seiner Primärseite in Mittelpunktschaltung ausgeführt ist und daß dieser Mittelpunkt über eine Diode (24) aus einer ersten Gleichspannungsquelle (23)" gespeist wird und daß dieser Mittelpunkt über einen Transistor (26) oder einen abschaltbaren Thyristor mit einer zweiten Gleichspannungsquelle (25) höherer Spannung verbunden ist und daß die genannte Diode (24) so gepolt ist, daß ein Stromfluß zwischen den beiden Gleichspannungsquellen (23) und (25) stets unterbleibt und daß für die Erhöhung der Ausgangsspannung des potentialtrennenden Wechselrichters (5) der genannte Transistor (26) bzw. der genannte abschaltbare Thyristor in den leitenden Zustand versetzt wird.
    Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
    daß die dort genannten Logik- und Schalteinheiten (2) jeweils derart ausgeführt sind, daß eine Erhöhung der Ausgangsspannung des zugehörigen potentialtrennenden Wechselrichters (5) einen Stromfluß durch eine zuvor stromlose Zenerdiode (30) verursacht und dieser Stromfluß die Einstellung und Aufrechterhaltung des diesem Zustand zugeordneten Schaltzustandes des zugehörigen elektronischen Schalters (1) bewirkt und daß das mit einer Verringerung der Ausgangsspannung des genannten potentialtrennenden Wechselrichters (5) einhergehende Erlöschen dieses Stromflusses die Einstellung und Aufrechterhaltung des jeweils anderen Schaltzustandes des zugehörigen elektronischen Schalters (1) bewirkt.
    copy ! ;■
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