-
-
Schaltungsanordnung zur Speisung eines Verbraucherzweipols
-
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines
Verbraucherzweipols mit Stromimpulsen frei einstellbarer Amplitude, Pulsbreite und
Pulsfrequenz, bei der eine Spannungsquelle über mindestens einen elektronischen
Schalter und eine Drosselspule mit einem Verbraucherzweipol in Reihe geschaltet
ist und eine Diode parallel zu der Drosselspule und dem Verbraucherzweipol geschaltet
ist. Derartige Schaltungsanordnungen werden zur Speisung von Verbraucherzweipolen,
beispielsweise für Lichtbögen, Plasmabögen, Gasentladungen, Funkenerosionsanlagen
und Laser mit impulsförmigen Strömen gebraucht.
-
Zur Erleichterung der Beschreibung der Funktion dieser bekannten Einrichtung
wird auf die Figuren 1 und 2 verwiesen, die den Stand der Technik darstellen. Der
Verbraucherzweipol (5), beispielsweise ein ohm'scher Widerstand, wird aus der Spannungsquelle
(1) mit der weitgehend eingeprägten Spannung U - das ist eine Spannungsquelle, deren
Klemmenspannung sich bei stationärer und bei dynamischer Belastung nicht wesentlich
ändert - mit einem hinsichtlich des arithmetischen Mittelwerts frei einstellbaren
Strom IV versorgt. Dazu sind in die Verbindungsleitung vom Verbraucher (5) zur speisenden
Spannungsquelle (1) ein elektronischer Schalter (2) und zwar ein bipolarer Transistor
und eine Drosselspule (4) eingefügt. Wird der elektronische Schalter (2) für eine
Zeitdauer TE in den ideal leitenden Zustand, d.h. in den Zustand EIN versetzt, so
fließt ein exponentiell
anwachsender Strom von der Eingangselektrode
E des elektronischen Schalters (2) - das ist die Elektrode, in die der Strom betriebsmäßig
in den elektronischen Schalter (2) eintritt - zur Ausgangselektrode A - das ist
die Flektrode, aus der der Strom betriebsmäßig aus dem elektronischen Schalter (2)
austritt - über die Drosselspule (4) und den Verbraucherzweipol (5). Im quasistationären
Betrieb ergeben sich dabei die in der Figur 2 dargestellten Kurvenverläufe.
-
Während der Einschaltzeit EIN ist der exponentiell anwachsende Strom
iL durch die Drosselspule (2) gleich dem Strom iv V durch den Verbraucherzweipol
(5). Wird der elektronische Schalter (2) anschließend für eine Zeitdauer TA in den
Zustand AUS versetzt, so fließt der Strom iv V = iL über die antiparallel zu der
Reihenschaltung aus Drosselspule (4) und dem Verbraucherzweipol (5) geschaltete
Frei auf diode (3) weiter und sinkt dabei exponentiell ab. Durch Variation des Verhältnisses
der Dauer des Zustandes EIN zu jener des Zustandes AUS läßt sich der arithmetische
Mittelwert IV des Verbraucherstroms frei einstellen. Prinzipbedingt weicht der Momentanwert
iv des Verbraucherstroms vom gewünschten arithmetischen Mittelwert IV ab.
-
Diese Abweichung läßt sich dadurch vermindern, daß zum ersten die
Zeitdauern TE und TA möglichst klein qehalten werden. Grenzen hierfür werden durch
die endlichen Schaltzeiten von elektronischen Schaltern (2) qesetzt. Zum zweiten
kann die vorgenannte Stromschwankung dadurch vermindert werden, daß die Induktivität
der Drosselspule (4) möglichst aroß gewählt wird.
-
Damit vergrößern sich aber auch die Anstiegs- und Abfallzeiten eines
aewünschten Stromimpulses. Bei der bekannten Schaltungsanordnung sind die Anstiegs-
und Abfallzeiten eines Stromimpulses durch die elektrische Zeitkonstante der Reihenschaltung
aus Drosselspule (4) und Verbraucherzweipol (5) festgelegt.
-
Bei vorgegebener maximaler Schaltfrequenz des elektronischen Schalters
(2) liegt damit die Stromschwankungsbreite fest und ist nicht mehr frei wählbar.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik wird die Aufgabe der Erfindung
darin gesehen, einen Verbraucherzweipol mit einem impulsförmigen Strom mit vernachlässigbar
geringen Anstiegs- und Abfallzeiten und
geringer Stromschwankung
zu versorgen.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der
eingangs genannten Gattung dadurch qelöst, daß mindestens ein weiterer, elektronischer
Kurzschlußschalter parallel zu dem Verbraucherzweipol wirksam ist. Schlüsselgedanke
der Erfindung ist, daß der Verbraucherzweipol über den elektronischen Kurzschlußschalter
kurzgeschlossen werden kann. Bei eingeschaltetem Kurzschlußschalter und eingeschaltetem
elektronischem Schalter bildet sich ein ansteigender Strom durch den elektronischen
Schalter, die Drosselspule und den Kurzschlußschalter aus. Durch Ein- und Ausschalten
bei endlicher Schaltfrequenz des elektronischen Schalters kann die Abweichung des
Stromes iL durch die Drosselspule vom qewünschten Sollwert bei vorgegebener Spannung
U der speisenden-Quelle und geeignet gewählter Induktivität der Drosselspule beliebig
kleingehalten werden. 7ur speisung des Verbraucherzweipols für eine bestimmte Zeitdauer
mit einem Stromimpuls braucht lediglich der Kurzschlußschalter für diese Zeitspanne
in den Zustand AUS versetzt zu werden, wobei der zuvor in der Drosselspule eingeprägte
Strom schlagartig über den Verbraucherzweipol weiterfließt und durch periodisches
Schalten des elektronischen Schalters auf dem zuvor eingestellten Wert gehalten
werden kann. Bei anschließendem Schließen des Kurzschlußschalters in den Schaltzustand
EIN wechselt der Strom iL durch die Drosselspule nahezu schlagartig auf den Kurzschlußschalter
über und der Strom iV durch den Verbraucherzweipol wird momentan zu Null.
-
Im einzelnen kann die Erfindung wie folgt vorteilhaft ausgestaltet
sein.
-
Falls der Verbraucherzweipol eine nicht zu vernachlässigende Induktivität
und/oder Impedanz besitzt, können am Kurzschlußschalter sehr hohe Spannungen auftreten,
die dessen Sperrvermögen überschreitenkönnen. Um diese zu vermeiden, empiehlt die
Erfindung, daß parallel zu dem Kurzschlußschalter eine Reihenschaltung aus einer
Diode und einer zusätzlichen Spannungsquelle qeschaltet ist, wobei der Kurzschlußschalter
so ausgebildet ist, daß er den Stromfluß nur in einer Richtung,
nämlich
von dessen Eingangselektrode E zu dessen Ausgangselektrode A zuläßt und daß die
Anschlußrichtung der Diode so gewählt ist, daß sich ein Stromfluß von der Eingangselektrode
E des Kurzschlußschalters über die Diode und die zusätzliche Spannunqsquelle zur
Ausgangselektrode A ausbilden kann. Dadurch wird die Sperrspannungsbeanspruchung
des Kurzschlußschalters auf den Wert der zusätzlichen Spannungsquelle begrenzt.
-
Der Wert der Spannung der zusätzlichen Spannungsquelle sollte mindestens
so groß sein wie der Wert der speisenden Spannungsquelle.
-
Falls der Spannungswert der zusätzlichen Spannungsquelle nicht höher,
sondern nur so aroß sein soll wie die Spannung der speisenden Spannungsquelle, kann
auf die zusätzliche Spannungsquelle verzichtet werden. Dann wird der nicht mit dem
Kurzschlußschalter verbundene Pol der Diode mit dem Pol der speisenden Ouelle verbunden,
der nicht mit dem Kurzschlußschalter verbunden ist.
-
Zur Speisung eines Verbraucherzweipols mit impulsförmigen Strömen
positiver oder negativer Polarität empfiehlt die Erfindung, daß der Kurzschlußschalter
als Polwendeschalter ausgebildet ist, der durch elektronische Schalter mit antiparallelen
Dioden in Brückenschaltung gebildet ist und der Verbraucherzweipol in den Querzweig
der Brückenschaltung aeschaltet ist. Die elektronischen Schalter können vorteilhaft
als bipolare Transistoren und/oder Unipolartran sistoren, als Feldeffekttransistoren
und/oder Abschaltthyristoren und/oder Thyristoren mit Löscheinrichtung ausgebildet
sein.
-
Bei einer Schaltungsanordnung, bei der der Verbraucherzweipol durch
einen Lichtbogen und/oder einen Plasmabogen und/oder eine Funkenstrecke und/oder
eine Gasentladung gebildet wird, also solche Verbraucher, bei denen eine Zündspannung
auftritt, die dann bekanntlich höher als die Brennspannung liegt, empfiehlt die
Erfindung, daß der Wert der Spannung der speisenden Quelle und/oder der der zusätzlichen
Spannungsquelle so gewählt wird, daß die am Verbraucherzwei pol im Leerlauf auftretenden
Spannungen mindestens gleich der Zündspannung sind.
-
Im folgenden wird anhand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung erläutert.
-
Es zeigen im einzelnen Figur 1 einen Einquadrantensteller zur Speisung
eines Verbraucherzweipols mit frei einstellbarem Strom nach dem Stand der Technik,
Figur 2 den Verbraucherstrom, der sich bei der Schaltung nach Figur 1 einstellt,
Figur 3 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung zur Speisung eines Verbraucherzweipols
mit impulsförmigen, unipolaren Stromimpulsen, Figur 4 eine Schaltungsanordnung zur
Versorgung eines Verbraucherzweipols mit impulsförmigen Stromimpulsen mit positiver
und negativer Stromrichtung und Figur 5 eine Schaltungsanordnung zur Regelung der
Stromamplitude und der Impulsdauer.
-
Bei der Schaltungsanordnung zur Speisung eines Verbraucherzweipols
5 mit Stromimpulsen frei einstellbarer Amplitude, Pulsbreite und Pulsfrequenz, bei
der nach Figur 3 eine speisende Spannungsquelle 1 über einen elektronischen Schalter
2 und eine Drosselspule mit dem Verbraucherzweipol in Reihe geschaltet und eine
Diode 3 parallel zu der Drosselspule 4 und dem Verbraucherzweipol 5 geschaltet ist,
ist ein weiterer, elektronischer Kurzschlußschalter 8 parallel zu dem Verbraucherzweipol
5 geschaltet.
-
Zur Erläuterung der Funktionsweise dieser Schaltungsanordnung sei
zunächst angenommen, daß sich der Kurzschlußschalter im Schaltzustand EIN befindet.
-
Wird nun der elektronische Schalter 2 ebenfalls in den Schaltzustand
EIN versetzt, so bildet sich ein linear ansteigender Strom über die speisende Quelle
1, den elektronischen Schalter 2, die Drosselspule 4 und den Kurzschlußschalter
8 aus. Erreicht dieser Strom
den qewünschten Sollwert, so wird der
elektronische Schalter 2 in den Zustand AUS versetzt und der Strom iL durch die
Drosselspule 4 fließt über den Kurzschlußschalter 8 und die Freilaufdiode 3 weiter.
-
Infolge der unvermeidbaren Verluste wird der Strom iL durch die Drosselspule
4 als Funktion der Zeit stetig absinken. Durch Versetzen des elektronischen Schalters
2 in den Zustand EIN wird der vorgenannte Strom wiederum anwachsen. Durch Wahl der
Induktivität der Drosselspule 4 kann die-Abweichung des Stromes iL durch die Drosselspule
4 vom gewünschten Sollwert bei vorgegebener Spannung U der speisenden Quelle 1 und
endlicher Schaltfrequenz des elektronischen Schalters 2 beliebig kleingehalten werden.
-
Soll nun der Verbraucherzweipol 5 für eine bestimmte Zeitdauer mit
einem Stromimpuls versorgt werden, so ist lediglich der Kurzschlußschalter 8 für
diese Zeitspanne in den Zustand AUS zu versetzen.
-
Der zuvor in der Drosselspule 4 eingeprägte Strom iL fließt dabei
schlagartig über den Verbraucherzweipol 5 weiter und wird durch periodisches Schalten
des elektronischen Schalters 2 auf dem zuvor eingestellten Wert gehalten. Wird der
Kurzschlußschalter 8 anschließend wieder in den Schaltzustand EIN versetzt, so wechselt
der Strom iL durch die Drosselspule 4 nahezu schlagartig auf dem Kurzschlußschalter
8 über und der Strom iv V durch den Verbraucherzweipol 5 wird momentan zu Null.
-
Auf diese Weise wird der Verbraucherzweipol 5 mit einem impulsförmigem
Strom mit vernachlässigbar qeringen Anstiegs- und Abfallzeiten und geringer Stromschwankung
versorgt.
-
Die bis jetzt beschriebene Schaltungsanordnung genügt für den Betrieb
von Verbraucherzweipolen mit überwiegend ohm'scher Last. Besitzt der Verbraucherzweipol
5 jedoch eine nicht zu vernachlässigende Induktivität und/oder kann die Impedanz
des Verbraucherzweipols 5 sehr hohe Werte annehmen, so wird gemäß Figur 3 parallel
zu dem Kurzschlußschalter 8 eine Diode 9 und eine zusätzliche Spannungsquelle 10
aeschaltet. Diese Schaltunq verhindert das Auftreten sehr
hoher
Spannungen zwischen den Hauptstromklemmen E und A des Kurzschlußschalters 8, die
dessen Sperrvermögen überschreiten können.
-
Der Wert U 1 der zusätzlichen Spannungsquelle 10 ist größer oder gleich
der der speisenden Quelle 1 mit der Spannung U.
-
Wenn die Spannung der zusätzlichen Spannungsquelle 10 nicht qrößer,
sondern nur so groß sein soll, wie die Spannung U der speisenden Spannungsquelle
1, entfällt in Figur 3 die zusätzliche Spannungsauelle 10 und der nicht mit dem
Kurzschlußschalter 8 verbundene Pol 25 der Diode 9 ist mit dem Pol 26 der speisenden
Quelle 1 verbunden, der nicht mit dem Kurzschlußschalter 8 verbunden ist. Diese
Verbindung ist strichliert eingezeichnet.
-
Figur 4 zeigt eine Erweiterung der Schaltungsanordnung nach Figur
3 zur Speisung des Verbraucherzweipols 5 mit impulsförmigen Strömen positiver oder
negativer Polarität. Statt den Verbraucherzweipol 5 direkt'zwischen die Ausgangsklemmen
6 und 7 der Schaltungsanordnung nach Figur 3 einzufügen, wird der Verbraucherzweipol
5 qemäß Figur 4 in den Querzweig einer durch die elektronischen Schalter 11,12,13,14
mit antiparallel geschalteten Dioden 15,16,17,18 gebildeten Brückenschaltung eingefügt.
Diese Brückenschaltung übernimmt hier die Funktion eines Polwendeschalters.
-
Werden die elektronischen Schalter 11 und 12 in den Zustand EIN versetzt
(die Schalter 13 und 14 seien qesperrt), so ist die Stromrichtuna des durch den
Verbraucherzweipol 5 fließenden Stroms V gleich der des in die Eingangsklemme 6
eintretenden Stroms Werden dagegen die elektronischen Schalter 13 und 14 in den
Zustand EIN versetzt (die Schalter 11 und 12 seien gesperrt), so kehrt die Richtung
des Verbraucherstroms iv V um.
-
Bei dieser Erweiterung nach Fig. 4 kann dazuhin die Funktion des Kurzschlußschalters
8 nach Fig. 3 durch den Polwendeschalter übernommen werden. Statt den Kurzschlußschalter
8 in den Zustand EIN zu versetzen, sind lediglich die elektronischen Schalter 11
und 14 und/oder 12 und 13 in den Schaltzustand EIN zu versetzen. Statt den Kurzschlußschalter
8 in den Zustand AUS zu versetzen, sind
stattdessen die elektronischen
Schalter 11, 12, 13, 14 zu sperren.
-
Der Kurzschlußschalter 8 kann damit entfallen.
-
Fig. 5 zeigt schließlich beispielhaft eine Einrichtung zur Regelunq
des Stromes iL durch die Drosselspule 4 und zur Steuerunq des Kurzschlußschalters
8. Die aus einem Komparator 20 und einem Summationsglied 19 aufgebaute Regelelektronik
erhält als Eingangsgrößen den gewünschten Sollwert iL > soll sowie den Istwert
iL L> ist des Stroms durch die Drossel spule 4.
-
Wird die Regeldifferenz L, soll ~ iL, ist > 0> so übermittelt
der Komparator 20 über dessen Ausgangssignal H den Befehl der elektronische Schalter
2 soll leiten an eine nachgeschaltete bistabile KiPpstufe 21. Erst beim Eintreffen
der nächstfolgenden Taktflanke eines von einem Rechteckoszillator 22 gelieferten
Takts wird der vorgenannte Befehl ausqeführt.
-
Der Strom iL durch die Drosselspule 4 wird demzufolge anwachsen.
-
Wird anschließend die Reqeldifferenz iL L> soll - iL ist ( °, übermittelt
der Komparator 21 über sein Ausgangssignal L den Befehl der elektronische Schalter
2 soll sperren".
-
Auch dieser Befehl wird erst beim Eintreffen der nächstfolgenden Taktflanke
des Taktoszillators 22 ausgeführt.
-
Der Strom durch die Drosselspule 4 sinkt damit wieder ab.
-
Die derart realisierte Stromregeluna zeigt nahezu zeitoptimales Verhalten,
da stets die volle Stellreserve ausgenutzt wird. Durch die zeitdiskrete Abfrage
des Komparator-Ausgangssignals bleibt dazuhin die maximale Schaltfreauenz des elektronischen
Schalters 2 auf die halbe Taktfrequenz des Oszillators 22 beqrenzt.
-
über eine weitere bistabile Kippstufe 24 kann der Kurzschlußschalter
8 synchron zum elektronischen Schalter 2 in den Zustand EIN oder AUS versetzt werden.
-
Wird an den Steuereingang 23 der bistabilen Kippstufe 24 ein Signal
H (bzw. L) anaelegt, so übermittelt diese bei der nächstfolgenden Taktflanke des
Oszillators 22 den Befehl "der Kurzschlußschalter 8 soll leiten (bzw. sperren)".
-
- Leerseite -