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Schaltungsanordnung
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Schaltungsanordnungen, auf die sich die Erfindung bezieht, dienen
dazu, um Lasten, die Induktivitäten aufweisen, mit verstellbarem Wechselstrom zu
speisen.
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Bei der Last kann es sich vorzugsweise um Asynchronmotoren, Spulen
oder Transformatoren handeln. Bei einem Asynchronmotor kann die Schaltungsanordnung
vorzugsweise -der Verstellung seiner Drehzahl dienen.
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Die jeweilige Last wird also von seine Strömungsrichtung wechselndem
Wechselstrom und nicht von seine Strömungsrichtung nicht wechselndem Gleichstrom
durchströmt. Die Erfindung bezieht sich also nicht auf Schaltungsanordnungen, die
dem Speisen von Lasten mit die Lasten durchströmendem Gleichstrom dienen.
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Die Erfindung ist sowohl für an Einphasen-Wechselstromnetze anschließbare
Schaltungsanordnungen als auch für an Mehrphasen-Wechselstromnetze anschließbare
Schal-
tungsanordnungen geeignet. Auch kann es sich bei den durch
erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen speisbaren, Induktivität aufweisenden Lasten
sowohl um Einphasen-Lasten, wie bspw.Einphasen-Asynchronmotoren, vorzugsweise um
Kondensatormotoren oder Spaltpolmotoren, Einphasen-Transformatoren oder dergl.,
als auch um Mehrphasen-Lasten, bspw. Asynchronmotoren, vorzugsweise Drehstrom-Asynchronmotoren,
Mehrphasen-Transformatoren, vorzugsweise Drehstrom-Transformatoren oder dergl .
handeln.
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Es sind Schaltungsanordnungen zum Speisen von Asynchronmotoren bekannt,
bei denen zur Verstellung der Drehzahl die effektive Stromstärke des Speisewechselstromes
durch eine Phasenanschnittsteuerung verstellbar ist.
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Phasenanschnittsteuerungen ergeben jedoch starkes Brummen des Motors,
was bei vielen Anwendungen unerwünscht ist, bspw. bei Drehzahlsteuerungen für Lüftermotoren.
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Andererseits haben Phasenanschnittsteuerungen gegenüber Stelltransformatoren
zum Verstellen der effektiven Stromstärke des Speisestromes von Asynchronmotoren
erhebliche Vorteile, nämlich wesentlich geringere Baugrößen, geringere Verluste
und auch bei der modernen Elektronik geringere Kosten der Schaltungsanordnung. Man
setzt deshalb trotz des erwähnten Nachteiles von Phasenanschnittsteuerungen in der
Praxis in großem Umfang Phasenanschnittsteuerungen zur Steuerung der Drehzahl von
Asynchronmotoren ein.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung der im
Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu schaffen, die geringere Geräusche
der von ihr gespeisten Last oder Lasten als eine Phasenanschnittsteuerung verursacht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung
gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Diese Schaltungsanordnung ermöglicht es, die durch den von ihr zu
der oder den Lasten gelieferten Netz strom verursachbaren Geräusche der Last bzw.
der Lasten kleinzuhalten oder gegebenenfalls sogar ganz zu vermeiden. Hierzu kann
man vorzugsweise vorsehen, daß die Ausgangsfrequenz des Impulsgenerators über der
Hörgrenze des menschlichen Ohres liegt. Vorzugsweise kann die Ausgangsfrequenz des
Impulsgenerators mindestens 15 kHz betragen, besonders zeckißig 18 bis 30 1z betragen.
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Diese hohen Frequenzen würden jedoch starke elektrische Verluste durch
die Induktivität der Last infolge der durch sie beim jedesmaligen Abschalten des
aus dem Netz stammenden Netz stromes verursachten Ausschaltindultionsspannungen
bewirken. Jedoch werden diese Verluste durch die Überbrückungsschaltung stark reduziert
und lassen sich ggfs. sogar fast vollständig vermeiden.
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Die Erfindung ist jedoch auch bei Ausgangs frequenzen - nachfolgend
wird diese Ausgangsfrequenz verschiedentlich auch als Pulsfrequenz oder Taktfrequenz
bezeichnet - des Impulsgenerators anwendbar, die im Hörbereich des menschlichen
Ohres liegen, die jedo9größer als die Netzfrequenz sind, und vorzugsweise mindestens
das 10-fache der Netzfrequenz bzw. mindestens 500 Hz betragen können.
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Es ist jedoch denkbar, in Sonderfällen auch mit noch niedrigeren Pulsfrequenzen
arbeiten zu können.Und zwar sprechen Lasten der vorliegenden Art nicht auf alle
im Hörbereich des menschlichen Ohres liegenden Frequenzen durch Geräuschbildung
an, sondern es gibt Frequenzbereiche des die Last speisenden Stromes, die die Last
nicht oder nur gering zur Geräuschbildung anregen. Man kann deshalb, wenn die vorgesehene
Last oder die vorgesehenen Lasten dies zulassen, auch die Taktfrequenz im Hörbereich
des menschlichen Ohres wählen. Hiervon wird nicht berührt,daß es im allgemeinen
zweckmäßiger ist, schon um die Schaltungsanordnung für beliebige Lasten einsetzen
zu können, die Taktfrequenz so hoch zu wählen, daß sie über der Hörschwelle des
menschlichen Ohres liegt.
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Da jedoch die Taktfrequenz der Netz frequenz überlagert ist, kann
die Netzfrequenz auch bei der anmeldungsgemaßen Schaltungsanordnung zumindest in
vielen Fällen Lastgeräusche verursachen, die jedoch, wenn sie überhaupt auftreten
sollten, wesentlich geringer als durch Phasenanschnittsteuerung des Netz stromes
verursachte Lastgeräusche sind.
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Der Taktschalter kann bevorzugt ein Transistor, insbesondere ein Schalttransistor,
sein. Dieser Transistor kann zweckmäßig in Emitterschaltung betrieben werden- oder
ein Feldeffekttransistor sein. Bei Phasenanschnittssteuerung sind dagegen Triacs
normalerweise erforderlich, die größere Verluste als
Transistoren
mit vergleichbarer Leistung verursachen. Sie sind auch teurer als Transistoren.
Es kommen jedoch auch andere Ausbildungen des Taktschalters infrage, bspw.
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Thyristoren usw. Bevorzugt kann dieser Taktschalter ein elektronischer
Schalter sein. Bei niedrigen Taktfrequenzen kommen jedoch ggfs. auch nichtelektronische
Schalter infrage, falls sie ausreichend hohe Schaltgeschwindigkeiten und Schaltleistungen
haben.
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Die Einweg-Gleichrichter der UberbrückungsschaltLlng können vorzugsweise
Dioden mit extrem kurzen Sättigungszeiten sein. Bevorzugt kann es sich um Sinterdioden
handeln, deren Sättigungszeiten nur einige Nanosekunden betragen. Hierdurch wird
der Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung besonders hoch, d.h. die Verluste lassen
sich besonders kleinhalten. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung iaßt Kosar
Wirkungsgrade von über 99 % realisieren. Gegebenenfalls können jedoch auch andere
Einweg-Gleichrichter mit vorzugsweise extrem kurzen Sättigungszeiten vorgesehen
sein, wie Transistoren oder dergl.
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Infolge der Induktivität der Last ist der die Last durchströmende,
aus dem Netz stammende Strom, der als Netzstrom bezeichnet wird, zur Netzspannung
phasenverschoben. Dies gilt im Falle von Mehrphasenstrom für jede Phase einzeln.
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An sich kann man im strengen Sinn wegen des Taktens des Netz stromes
durch den Taktschalter nicht von einer Phasenverschiebung zwischen Netzspannung
und dem die Last durchströmenden Netzstrom sprechen. Jedoch sei die Tatsache, daß
der jeweilige Wechsel der Polarität der Netzspannung dem entsprechenden Wechsel
der Polarität des Netzstromes vorauseilt, als Phasenverschiebung zwischen der Netzspannung
und dem Netz strom bezeichnet, deren cosg der Phasenverschiebung zwischen diesen
genannten Nulldurchgängen entspricht. Ein Nulldurchgang des Netz stromes kann während
einer Einschaltzeit oder durch eine Aus schaltzeit des Taktschalters stattfinden.
Findet er durch eine Ausschaltzeit statt, dann dadurch, daß der Netzstrom während
der dieser Ausschaltzeit vorangegangenen Einschaltzeit des Taktschalters entgegengesetzt
zu der Richtung strom, die der anschließend an diese Aus schaltzeit durch Wiedereinschalten
des Taktschalters die Last durchstromende Netzstrom aufweist.
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Diese Phasenverschiebung zwischen Netzspannung und Netzstrom kann
dazu führen, daß bei Gegenphasigkeit von Netzspannung und Netz strom die dabei auftretenden
Ausschaltinduktionsspannungen
nicht in Rückströme der Uberbrückungsschaltung bzw. -schaltungen umgesetzt werden
und so Verluste während der Gegenphasigkeit von Netzstrom und Netzspannung verursachen.
Diese Verluste können in vielen Fällen in Kauf genommen werden, besonders dann,
wenn die cosg -Werte nicht groß sind.
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Besser ist es jedoch, auch während der Gegenphasigkeit von Netzspannung
und Netz strom die Verluste durch Ausschaltinduktionsspannungen möglichst kleinzuhalten
oder im wesentlichen zu vermeiden. Dies kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.
Zwei vorteilhafte unterschiedliche Maßnahmen sind in den Ansprüchen 9 und 13 beschrieben.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1,2 und 3 je ein Blockschaltbild von Schaltungsanordnungen gemäß
Ausführungsbeispielen der Erfindung, Fig. 4 und 5 Abwandlungen der überbrückungs
schaltungen der Schaltungsanordnungen nach den Fig. 1 bis 3, Fig. 6 ein Blockschaltbild
einer Schaltungsanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Fig. 7 und 8 Abwandlungen von Einzelheiten der Schaltungsanordnung
nach Fig. 1t Fig. 9 - 11 weitere Ausführungsbeispiele von Überbrückungsschaltungen.
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Die Schaltungsanordnung 9 nach Fig. 1 dient dem Speisen einer Induktivität
aufweisenden Last 10, die strichpunktiert dargestellt ist und bei der es sich um
einen Einphasen-Asynchronmotor, um einen Transformator, d.h. seine primärwicklung'oder
dergl. handeln kann.Der Einphasen-Asynchronmotor kann vorzugsweise einen Käfig-
oder Kurzschlußläufer aufweisen.Besonders vorteilhaft kann der Asynchronmotor ein
Kondensatormotor oder ein Spaltpolmotor sein. Die beiden Anschlußklemmen der Last
10 sind an die beiden Ausgänge 11, 12 dieser Schaltungsanordnung 9 anschließbar.
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Es können an diese beiden Ausgänge 11, 12 auch mehrere zueinander
parallel geschaltete Lasten angeschlossen werden.
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Die beiden Eingänge 13, 14 dieser Schaltungsanordnung 9 sind an eine
zwischen positiven und negativen Werten wechselnde Einphasen-Netzwechselspannung
anschließbar, bei der es sich um eine übliche Netzspannung mit 50 oder 60 Bz handeln
kann. Ggfs. kann diese Netzspannung jedoch auch eine abweichende Netz frequenz aufweisen,
wie es bspw. bei Bordnetzen von Fahrzeugen usw. der Fall ist. Auch andere Netze
sind mög-lich.
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Die an die beiden Eingänge 13, 14 anschließbare Netzwechselspannung
hat normalerweise sinusförmigen Verlauf mit aufeinanderfolgenden Halbwellen positiver
und negativer Spannung.
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Im weiteren wird der die Last 10 - also im Falle eines Asynchronmotors
dessen Wicklung (bei einem Kondensatormotor umfaßt diese den Haupt- und Hilfsstrang)
und im Falle eines Transformators dessen Primärwicklung -durchströmende, aus
dem
an die Eingänge 13, 14 angeschlossenen Netz gelieferte und mittels eines Taktschalters
16 getaktete Strom als Netzstrom bezeichnet.
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Dieser Netz strom ist also nur bei eingeschaltetem Schalter 16 vorhanden
und wird durch Ausschalten des Schalters 16 ausgeschaltet. Die Netzspannung liegt
dagegen an den Eingängen 13, 14, solange das Netz angeschlossen ist, ständig an.
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Es wird ferner im weiteren die Netzspannung als positiv bezeichnet,
wenn der Eingang 13 positiv gegen den Eingang 14 und entsprechend als negativ, wenn
der Eingang 13 negativ gegen den Eingang 14 ist.
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Die beiden Eingänge 13, 14 liegen mit einem Taktschalter 16, bei dem
es sich in diesem Ausführungsbeispiel um einen sehr kurze Schaltzeiten aufweisenden
Schalttransistor handelt, und mit den beiden Ausgängen 11,12 der Schaltungsanordnung
9 in Reihe, wobei jedoch der Taktschalter 16 im Mittelzweig einer Vollweg-Gleichrichterschaltung
26 liegt, so daß er vom Netzstrom vom Kollektor zum Emitter durchströmbar ist und
so den Netzstrom unabhängig von seiner jeweiligen Polarität ein- und ausschalten
kann zwecks Taktens dieses Netzstromes mit wesentlich höherer Frequenz, als der
Netzfrequenz entspricht, vorzugsweise mit einer Taktfrequenz, die über der Hörschwelle
des menschlichen Ohres liegt. Diese Taktfrequenz wird von einem Impulsgenerator
32 geliefert und entspricht der Pulsfrequenz (Pulsfolgefrequenz, Impulsfolgefrequenz)
des Ausgangsignales des Impulsgenerators 32.
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Für den als Schalter in Emitter-Schaltung geschalteten Transistor
16 wurde der Name Taktschalter gewählt, weil er den Netzstrom der Last 10 takten
kann, indem er durch das Ausgangssignal des Impulsgenerators 32 "getaktet" werden
kann, d.h. in seinen gesperrten und in seinen entsperrten Zustand gesteuert werden
kann. Dieser Transistor 16 arbeitet stets als Schalter mit sehr kurzen Schaltzeiten.
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Zu den beiden Ausgängen 11, 12 und damit zur jeweils angeschlossenen
Last 10 ist eine Überbrückungsschaltung 17 wie dargestellt parallel geschaltet,
die zwei an die im Betrieb Netzwechselstrom führenden Ausgänge~11, bzw. an die zu
ihnen führenden Leiter 11', 12' angeschlossene Leiter 74, 75 und zwei diese Leiter
74, 75 verbindenden, zueinander parallel geschaltete Stromzweige 20, 21 aufweist,
in die je ein Ein-Aus-Schalter 22, 23 zwischengeschaltet ist. In Reihe mit jedem
dieser beiden Schalter 22, 23 liegt jeweils eine Diode 24, 25, die , wie dargestellt,
zueinander antiparallel geschaltet sind. Diese Dioden 24, 25 bilden Einweg-Gleichrichter
und können vorzugsweise extrem kurze Sättigungszeiten aufweisende Dioden sein, vorzugsweise
Sinterdioden. Ggfs. können anstelle dieser Dioden auch andere geeignete Einweg-Gleichrichter
mit Vorzugsweise extrem kurzen Sättigungszeiten vorgesehen sein, wie Transistoren
oder dergl.
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Die beiden Schalter 22,23 können vorzugsweise Transistoren in Emitterschaltung
sein, insbesondere Niederfrequenz-Transistoren. Ggfs. kommen auch andere Schalter
infrage, und zwar sowohl Halbleiterschalter, wie bspw.
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Feldeffekt-Transistoren, oder
auch nicht elektronische
Schalter, wie bspw. Reed-Kontakte oder dergleichen. Diese Schalter 22, 23 benötigen
normalerweise keine extrem kurzen Schaltzeiten. Sie müssen nur im Gefolge des jeweiligen
Durchganges der Netzspannung durch Null so rasch umgeschaltet werden, daß die Stromzweige
20, 21 keine durch die Netzspannung phasengleich verursachten Netz ströme hindurchlassen
können oder allenfalls nur vernachlässigbar kleine Netz ströme in der Nähe des Nulldurchgangs
der Speisespannung.
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Es sei noch erwähnt, daß erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen sich
besonders auch zur Speisung von Lüfter- oder Ventilatorenmotoren eignen, von denen
Geräuscharmut im Betrieb gewünscht ist und deren Drehzahl mittels dieser Schaltungsanordnungen
verstellbar ist.
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Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 16 ist, wie dargestellt,
in den Mittelzweig des Vollweg-Gleichrichters 26 zwischengeschaltet. Die Basis des
Transistors 16 ist dagegen an den Ausgang des Impulsgenerators 32 angeschlossen.
Während der Zeitdauer des einzelnen vom Frequenzgenerator 32 gelieferten Impulses
ist der Transistor 16 jeweils entsperrt, d.h. dieser Taktschalter 16 eingeschaltet,
und während der Impulspausen ist dieser Transistor 16 gesperrt, d. h. dieser Taktschalter
16 ausgeschaltetund läßt dann Netzstrom durch die Last 10 fließen. Im ausgeschalteten
Zustand des Taktschalters 16 wird dagegen die Last 10 nicht von Netzstrom
durchströmt,
kann jedoch von über die Oberbrückungsschaltung 17 strömenden,durch die Ausschaltinduktionsspannung
der Last 10 verursachten Rückströmen durchströmt werden.
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In zu der Reihenschaltung aus den beiden Ausgängen 11, 12 und dem
Taktschalter 16 mit zugeordnetem Vollweg-Gleichrichter 26 parallelen Stromzweigen
27, 28 sind je ein Kondensator 29 und ein Spaanungs-Nulldetektor 30 angeordnet.
Der Kondensator 29 dient dazu, der Schaltungsanordnung 9, wenn die Last 10 angeschlossen
ist, niedrigere Impedanz zu geben, was zweckmäßig ist, um die an dem Ausgang 12
durch das jeweilige Sperren des Taktschalters 16 verursachte Ausschaltinduktionsspannung
zu verringern.
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Der Nulldetektor 30 spricht auf den jeweiligen Nulldurchgang der an
den Eingängen 13, 14 anliegenden Netzwechselspannung an. Wenn die an den Eingängen
13, 14 liegende Netzspannung positiv wird, steuert der Nulldetektor 30 ein die Schalter
22, 23 jeweils gemeinsam gegensinnig zueinander umschaltendes Steuerstellglied 31
so an, daß diese Schalter 22, 23 in die voll ausgezogen dargestellten Stellungen
geschaltet werden, d.h. daß der Schalter 22 ausgeschaltet und der Schalter 23 eingeschaltet
wird, und in diesen Schaltstellungen so lange verbleiben, bis die Netzspannung negativ
wird, da dann der Nulldetektor 30 mittels des Stellgliedes 31' sofortiges Umschalten
der Schalter 22, 23 in ihre gestrichelt dargestellten Stellungen auslöst. Solange
die Netzspannung
dann negativ bleibt, bleiben die gestrichelt dargestellten
Schaltstellungen der Schalter 22, 23 erhalten, gemäß denen nunmehr der Schalter
23 ausgeschaltet und der Schalter 22 eingeschaltet ist. Die Dioden 24, 25 sind nun
so angeordnet, daß die Diode 25 bei eingeschaltetem Schalter 23 Durchgang von Netzstrom
durch den Stromzweig 21 sperrt, der bei Nichtvorhandensein der Diode 25 strömen
könnte, da, solange der Schalter 23 eingeschaltet ist, die Netzspannung positiv
ist. Diese Eingangsspannung kann jedoch durch den Stromzweig 20 auch keinen Netzstrom
bewirken, obwohl die Diode 24 bei positiver Netzspannung Netz strom leiten könnte,
weil der Schalter 22 ausgeschaltet ist. Sobald die Polarität der Spannung am Eingang
13, 14 wechselt, also die Netzspannung negativ wird, werden praktisch gleichzeitig
auch die Schalter 22, 23 in ihre gestrichelt dargestellten Stellungen umgeschaltet
und die Netzspannung kann nunmehr ebenfalls keine Netzströme durch die Stromzweige
20, 21 infolge der Diode 24 und des ausgeschalteten Schalters 23 bewirken. Die Überbrückungsschaltung
17 führt also keine Netzströme, d. h. keine aus dem an die Eingänge 13, 14 angeschlossenenNetz
stammenden Ströme.
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Der blulldetektor 30 kann beispielsweise ein Schmitt-Trigger sein
oder aufweisen, der, solange die Netzspannung positiv ist, den Ausgang 3 und wenn
die Netzspannung negativ ist, den Ausgang "O" hat. Die beiden Schalter 22, 23 können
dann durch je einen Transistor in Emitterschaltung gebildet sein, wobei die Basis
des einen Transistors direkt an den Ausgang des Schmitt-Triggers angeschlossen und
die Basis des anderen Transistors über einen Inverter an den Ausgang dieses Schmitt-Triggers
angeschlossen sein kann.
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Der Impulsgenerator 32 ist ein impulsbreiten- und/ oder pulsfrequenzmodulierter
Impulsgenerator 32, wobei der Verstellung der Impulsbreite (=lmpulsdauer)bzw. der
Pulsfrequenz ein bspw. manuell bedienbares Stellglied 33 dient. Die Impulsbreiten-
und/oder Pulsfrequenzmodulation dieses Impulsgenerators 32 ist derart vorgesehen,
daß die elektrische Leistung, die der Last 10 durch diese Schaltungsanordnung 9
aus dem an die Eingänge 13, 14 angeschlossenen Netz zuleitbar ist, mittels des Stellgliedes
33 verstellbar ist. Hierdurch läßt sich, wenn die Last einen Asynchronmotor aufweist,
dessen Drehzahl verstellen und, wenn die Last ein Tranformator ist, dessen Leistung
verstellen. Die durch diese Schaltungsanordnung bewirkbare Leistungssteuerung des
Asynchronmotors kann auch dazu dienen, anstelle dessen Drehzahl zu verstellen, seine
Drehzahl bspw. auf konstanten Wert bei variierender Ausgangsleistung des
Asynchronmotors
zu regeln. Bei variierender Drehzahl kann die Drehzahl gesteuert werden oder es
kann auch vorgesehen sein, diese Drehzahl gemäß einem vorbestimmten, verstellbaren
Sollwert zu regeln, wobei das Stellglied 33 dann durch den entsprechenden Regler
in der erforderlichen Weise verstellt wird.
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Wie erwähnt, kann die Pulsfrequenz des Impulsgenerators 32 zweckmäßig
so hoch vorgesehen sein, daß sie keine störenden Geräusche der Last 10 verursacht
und zu diesem Zweck vorzugsweise über der Hörgrenze des Menschen liegt. Sie kann
bevorzugt mindestens 15 kHz, besonders zweckmäßig ca. 20 - 30 kHz betragen und ist
in jedem Falle erheblich größer als die Netzfrequenz.
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Wenn der Transistor 16 durch den Beginn einerImpulspause des Ausgangssignales
des Frequenzgenerators 32 den die Last durchströmenden Netz strom abrupt unterbricht,
hat dies infolge der Induktivität des Last 10 eine Selbstinduktion der Last 10 zur
Folge, die am Ausgang 12 eine Ausschaltinduktionsspannung hervorruft, die je nach
Richtung des die Last während der vorangegangenen Einschaltzeit des Taktschalters
16 durchströmenden Stromes am Ausgang 12 positiv oder negativ gegenüber dem Ausgang
11 ist. Diese Ausschaltinduktionsspannung kann viel höher als die Netzspannung werden.
Sofern jedoch der bei entsperrtem Taktschalter 16 die Last 10 durchfließende Netzstrom
gleichphasig zu der an den Eingängen 13, 14 liegenden Netzspannung
ist,
läßt dann jeweils eine der beiden Dioden 24 bzw. 25 einen durch die Ausschaltinduktionsspannung
bewirkbaren Rückstrom zur Last 10 zurück und ggfs. einen kleinen Anteil auch zum
Kondensator 29 fliessender also zumindest zum Teil auch die Last 10 durchströmen
kann. Der Xondensator 29 bewirkt Verringerung der- usschaltinduktionsspannung. Wenn
bspw.
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die Netzspannung positiv ist und die Last 10 bei eingeschaltetem Taktschalter
16 von zu dieser Netzspannung gleichphasigein Netzstrom durchströmt wird, dann wird
beim anschließenden Ausschalten des Taktschalters 16 durch die dann auftretende
Ausschaltinduktionsspannung am Ausgang 12, die positiv gegenüber dem Ausgang 11
ist, ein Rückstrom über den Stromzweig 21 bewirkt, der infolge der Diode 25 zur
Last 10 zurückströmt und so die Verlustleistung der Last 10 und damit die der Schaltungsanordnung
9 äußerst stark reduziert, da er nicht nutzlos verbraucht wird, sondern auch der
Last als elektrische Leistung zufließt. Sofern ein Teil dieses Riickstromes im Kondensator
29 gespeichert wird, geht er ebenfalls nicht verloren, sondern wird später ebenfalls
in Leistung der Last 10 umgesetzt. Wenn die Netzspannung negativ ist und die Last
10 von zu dieser Eingangsspannung gleichphasigem Speisestrom bei eingeschaltetem
Taktschalter 16 durchströmt wird, tritt beim Ausschalten des Taktschalters 16 eine
Ausschaltinduktionsspannung auf, die am Ausgang 12 negativ gegenüber dem Ausgang
11 ist und folglich infolge des
eingeschalteten Schalters 22 einen
Rückstrom durch den Stromzweig 20 und die in ihm angeordnete Diode 24 zur Last bewirkt
und so ebenfalls in der Last 10 zuströmende Leistung umgesetzt wird, wobei ein Teil
dieses Rückstromes ebenfalls zeitweise im Kondensator 29 gespeichert werden kann,
der erst später in Leistung der Last 10 umgesetzt wird.
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Die Überbrückungsschaltung 17 verringert also die Verlustleistung
dieser Schaltungsanordnung stark, so daß die Schaltungsanordnung 9 die Last 10 mit
gutan WirkurEsgrad speisen kann. Infolge der Induktivität der Last 10 ist der sie
durchströmende Netzstrom jedoch zur Netzspannung phasenverschoben.
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Dies bewirkt bei dieser Schaltungsanordnung 9, daß, solange die Netzspannung
zu-dem Netz strom gegenphasig ist, die durch das Ausschalten des Taktschalters 16
jeweils bewirkbare Ausschaltinduktionsspannung keinen Rückstrom über die Überbrückungsschaltung
17 hervorrufen kann, da diese Ausschaltinduktionsspannung jeweils entgegengesetzte
Polarität zu der bei Gleichphasigkeit von Netz strom und Netzspannung aufweist und
demzufolge die Dioden 24, 25 das Auftreten von Rückströmen bei Gegenphasigkeitv6n
Netzstrom und Netzspannung verhindern. Die bei Gegenphasigkeit von Netzstrom und
Netzspannung auftretenden Ausschaltinduktionsspannungen verursachen also Verlustleistung
und verringern entsprechend den Wirkungsgrad dieser Schaltungs-
anordnung.
Die Verluste sind jedoch immer noch wesentlich kleiner und der Wirkungsgrad entsprechend
wesentlich größer, als wenn die Überbrückungsschaltung 17 nicht vorhanden wäre,
so daß die Schaltungsanordnung 9 selbst bei Vorliegen von relativ großen Phasenverschiebungen
zwischen Netzspannung und Netz strom mit relativ gutem Wirkungsgrad arbeitet und
ferner den wichtigen Vorteil bieten, daß die Lastgeräusche wesentlich kleiner als
bei Phasenanschnittsteuerung des Speisewechselstromes sind.
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Um die Verluste, die durch Gegenphasigkeit von Netzspannung und Netz
strom verursacht werden können, zu vermeiden oder zumindest beträchtlich zu reduzieren,
können unterschiedliche Maßnahmen vorgesehen sein.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform wird während der Gegenphasigkeit
von Netz strom und Netzspannung der Taktschalter 16 ständig oder fast ständig eingeschaltet
gehalten, so daß keine oder nur in größeren Zeitabständen Ausschaltinduktionsspannungen
entstehen. Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer
Schaltungsanordnung 9', die auf diese Weise arbeitet.
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Die Schaltungsanordnung 9' nach Fig. 2 weist eine über brückungsschaltung
17 wie die nach Fig. 1 auf, deren Schalter 22, 23 wie die Schalter 22, 23 nach Fig.
1 durch einen Spannungs-Nulldetektor 30 und ein Stellglied 31' bei jeweiligem Nulldurchgang
der Netz-
spannung umgeschaltet werden. Der Unterschied der Schaltungsanordnung
9' nach Fig. 2 zu der nach Fig. 1 liegt in folgendem: Zusätzlich ist ein Schwellwertdedektor
35 vorhanden, der nur auf am Ausgang 12 auftretende positive und negative Ausschaltinduktionsspannungen
ansprechen kann, die so groß sind, daß sie nur auftreten können, wenn diese Ausgangsinduktionsspannung
keinen Rückstrom durch die Überbrückungsschaltung 17 hindurch bewirkt. Dies liegt,
da die Schalter 22, 23 jeweils bei Nulldurchgang der Netzspannung umgeschaltet werden,
nur bei Gegenphasigkeit von Netzspannung und Netz strom vor.
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Die am Ausgang 12 auftretende positive Ausschaltinduktionsspannung
wird über einen Stromzweig des Vollweg-Gleichrichterts 26 an den Eingang des bspw.
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eine Zenerdiode aufweisenden Schwellwert-Detektors 35 geliefert, wobei
dem anderen Eingang dieses Schwellwert-Detektors 35 die am Emitter des als Taktschalter
dienenden Transistors 16 liegende Spannung als Bezugspotential zugeleitet wird.
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Wenn die Ausschaltinduktionsspannung am Ausgang 12 dagegen negativ
gegenüber dem Ausgang 11 ist, erniedrigt sie die am Emitter des zu diesem Zeitpunkt
gesperrten Transistors 16 liegende Spannung entsprechend und der Schwellwertdetektor
35 erhält wieder einezu der Ausschaltinduktionsspannung am Ausgang 12 proportionale
Spannungsdifferenz als Eingangsspannung aufgedrückt. Wenn folglich beim jeweiligen
Sperren des Transistors 16 am Ausgang 12 eine positive oder negative Ausschaltinduktionsspannung
sich aufbaut, die nicht durch
den Stromzweig 20 oder den Stromzweig
21 hindurch Rückströme erzeugen kann, dann nimmt sie, wenn der vorangehende Netzstrom
durch die Last 10 noch groß genug war, solch hohe Werte an, daß sie den Schwellwert
des Schwellwertdetektors 35 übersteigt und in jedesmaligem Gefolge hiervon steuert
dieser Detektor 35 sofort einen ihm nachgeschalteten monostabilen Multivibrator
36 an, der hierdurch für eine vorbestimmte, vorzugsweise einstellbare, konstante
Verzögerungszeit aus seinem normalen Zustand, bei dem sein Ausgang den Wert "Null"
hat, in seinen anderen Zustand gekippt wird, in der sein Ausgang den Wert 3 hat.
Diese Verzögerungszeit kann bspw. durch ein RC-Glied dieses Multivibrators 36 erzeugt
werden. Der Ausgang des monostabilen Multivibrators 36 ist zusammen mit dem Ausgang
des Frequenzgenerators 32 dem Eingang eines Schmitt-Triggers 37 aufgedrückt, dessen
Ausgang die Basis des Transistors 16 ansteuert. So lange also der Ausgang des Multivibrators
36 3 ist, ist die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 16 leitend, also dieser
Taktschalter eingeschaltet.
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Desgleichen ist er immer eingeschaltet, wenn der Ausgang des Frequenzgenerators
32 den Wert "1" hat. Der Transistor 16 ist also nur dann ausgeschaltet, so lange
sowohl der Ausgang des Multivibrators 36 als auch der Ausgang des Frequenzgenerators
32 gleichzeitig den Wert "O" haben. Solange der tulsgenerator 32 das Ein- und Ausschalten
des Taktschalters 16 bestimmt, ist dessen Einschalt-Ausschalt-Verhältnis durch das
blsdauer (=2npulsbreite) -Impulspausen-Verhältnis ( auch Tastverhältnis genannt)
bestiitntt, so daß die der Last 10 zuführbare elektrische Wechselstronleistung durch
dieses Einschalt-Ausschalt-Verhältnis beeinflußt werden kann.
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Die Verzögerungszeit des Mltivibrators 36 ist größer, vorzugsweise
viel größer als der zeitliche Abstand zwischen den Vorderflanken von zwei aufeinanderfolgenden
Ausgangsimpulsen des Impulsgenerators 32.
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Diese Verzögerungszeit ist jedoch gleich oder kleiner der Zeitdauez,die
der Phasenverschiebung zwischen Netzspannung und Netzstrom entspricht. Wenn die
Phasenverschiebung wenig schwankt, kann man vorsehen, daß die Verzögerungszeit des
Multivibrators 36 der Zeitdauer der Phasenverschiebung zwischen Netzspannung und
Netzstrom ungefähr entspricht. Die Zeitdauer der Phasenverschiebung entspricht dabei
dem zeitlichen Abstand des Nulldurchganges der Netzspannung zum nachfolgenden Nulldurchgang
des Netz stromes. Unter Gegenphasigkeit bzw. Gleichphasigkeit von Netzspannung und
Netzstran sind ferner nicht nur die Zeitspannen, bei denen der Schalter 16 durch
das Ausgangssignal des Frequenzgenerators 32 eingeschaltet ist und hierbei Gegenphasigkeit
bzw. Gleichphasigkeit von Netzspannung und Netzstrrm vorliegt, sondern auch die
dazwischen liegenden Sperrzeiten des Schalters 16 mit verstanden, nach deren jeweiliger
Beendigung der nächste Netzstrom immer noch gegenphasig bzw. gleichphasig zur Netzspannung
ist.
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Ein Nulldurchgang des Netz stromes liegt also nicht dann vor, wenn
der Netzstrom zwischen zwei aufeinander folgenden Einschaltzeiten des Netzstromes
mit gleicher Polarität des Netzstromes zu Null wird, sondern wenn die Polarität
des Netzstromes wechselt, also der Netz strom seine Stromrichtung durch die Last
10 wechselt.
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Wenn also die Phasenverschiebung zwischen Netzspannung und Netz strom
nicht schwankt oder nur innerhalb relativ enger Grenzen, kann man ohne weiteres
zwedrEßig vorsehen, die Zeitverzögerung des Multivibrators 36 ungefähr auf die Zeitdauer
der Phasenverschiebung zwischen Netzspannung und -stran abzustimnen. Wenn diese
Verzögerungszeit dabei etwas länger oder kürzer als die Phasenverschiebung ist,
verursacht dies noch keine oder allenfalls nur geringe Verluste. Wenn jedoch die
Phasenverschiebung zwischen Netzspannung und Netzstrom relativ stark schwanken kann,
ist es im allgmeinen zweckmäßiger, vorzusehen, daß die Verzögerungszeit des Multivibrators
36 erheblich kleiner als die Zeitdauer der Phasenverschiebung ist, jedoch immer
noch erheblich größer als der zeitliche Abstand der Vorderflanken zweier aufeinanderfolgend
von dem Impulsgenerator 32 gelieferter Impulse. Bspw.
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kann die Verzögerungszeit des Multivibrators 36 so groß sein, daß
in sie drei bis fünfzig Impulse des Ausgangssignales des Impulsgenerators 32 fallen.
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Auch größere und kleinere Verzögerungszeiten sind möglich und zulässig.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 arbeitet wie folgt, wobei angenommen
sei, daß die Verzögerungszeit des Multivibrators 36 kleiner als die Phasenverschiebung
zwischen Netzspannung und Netz strom ist.
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Bei Gleichphasigkeit von Netzspannung und Netzstrom arbeitet die Schaltungsanordnung
9' nach Fig.2 genau wie die Schaltungsanordnung 9 nach Fig. 1. Sobald jedoch Gegenphasigkeit
von Netzspannung und Netzstrom eintritt, erzeugt die hierdurch.nicht mehr über die
wie in Fig.1 arbeitende Überbrückungsschaltung 17 ableitbare Ausschaltinduktionsspannung
am Ausgang 12 solch hohe positive oder negative Ausschaltspannung, daß der Schwellwertdetektor
35 anspricht und den Multivibrator 36 ansteuert, dessen Ausgang daraufhin für seine
Verzögerungszeit den Wert 1 annimmt und entsprechend wird dann der Transistor 16
entsprechend lang eingeschaltet gehalten, so daß die Last 10 während dieser Verzögerungszeit
ständig von Netz strom durchströmt wird. Mit Beendigung der Verzögerungszeit kippt
der Ausgang des Multivibrators 36 wieder auf den Wert "O" zurück und nunmehr steuert
also wieder der Impulsgenerator 32 den Transistor 16. Wenn also der Ausgang des
Multivibrators 36 zu "O" wird, wird der Transistor 16 sofort gesperrt, falls zu
diesem Zeitpunkt der Ausgang des Impulsgenerators 32 den Wert "0" hat. Falls dagegen
zu diesem Zeitpunkt der Ausgang des Impulsgenerators den Wert 3 hat, tritt das Sperren
des Transistors mit Beginn der nächsten Impulspause des Impulsgenerators 32 ein.
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Sobald jedoch der Transistor 16 wieder gesperrt wird
und
noch Gegenphasigkeit der Netzspannung zum Netzstrom vorliegt, baut sich sofort durch
das Sperren des Transistors 16 am Ausgang 12 wieder eine positive bzw. negative
Ausschaltinduktionsspannung auf, die immer noch nicht über einen der Stromzweige
20 oder 21 abfließen kann, mit der Folge, daß, wenn diese Ausschaltinduktionsspannung
noch groß genug wird, es erneut zum Ansprechen des Schwellwertdetektors 35 und damit
erneut zum Ansteuern des Multivibrators 36 und dann durch diesen wieder zum Entsperren
des Transistors 16 für die Dauer der Verzögerungszeit des Multivibrators 36 kommt.
Der Transistor 16 wird also in diesem Fall während der Gegenphasigkeit von Netzspannung
und Netzstrom in der Weise geschaltet, daß er fast ständig eingeschaltet ist und
dieser eingeschaltete Zustand wird nur in Abständen der ungefähren Zeitverzögerung
des Multivibrators 36 für nur jeweils extrem kurze Zeit, die bspw. im Bereich von
lo 6 bis 15 8 sec. liegen kann, unterbrochen. Diese kurzen Unterbrechungen des Netz
stromes verursachen keine störenden Geräusche der Last, da sie zu kurz sind. Auch
der die Last 10 während der Gegenphasigkeit von Netzspannung und Netzstrom durchströmende
Netzstrom verursacht keine Geräusche oder allenfalls nur geringe Geräusche, da die
der Last 10 während der Gegenphasigkeit von Netzspannung und Netz strom zugeführte
elektrische Leistung nur relativ gering ist.
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Diese Schaltungsanordnung nach Fig. 2 läßt also trotz der Phasenverschiebungen
zwischen Netzspannung und Netz strom extrem niedrige Verluste von bspw.
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weniger als 1 % erreichen und weist damit sehr hohen Wirkungsgrad
auf und verursacht auch nur geringe Erwärmung der Last 10. Auch die Schaltungsanordnung
9' entwickelt nur wenig Wärme wegen ihrer geringen Verlustleistung. Auch verursacht
sie keine Geräusche der Last oder zumindst wesentliche geringere Geräusche der Last
als eine Phasenanschnittsteuerung.
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Wenn die Last ein Asynchronmotor ist, läßt sie dessen Drehzahl ohne
weiteres in sehr weiten Grenzen verstellen, und, falls die Last 10 ein Transformator
ist, läßt sich dessen Leistung ebenfalls in sehr weiten Grenzen mittels dieser Schaltungsanordnung
9' verstellen. Die Schaltungsanordnung 9" nach Fig. 3 weist ebenfalls nur sehr geringe
Verluste auf und verursacht ebenfalls keine oder nur viel geringere Geräusche der
Last als eine Phasenanschnittsteuerung.
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Diese Schaltungsanordnung 9" unterscheidet sich von der nach Fig.
2 prinzipiell dadurch, daß der Impulsgenerator 32 den von der einphasigen Netzspannung,
die an den Eingängen 13 und 14 anliegt, bewirkbaren Netzstrom, der die induktiv
aufweisende Last 10 durchströmt, mittels des von ihm angesteuerten, in Emitterschaltung
geschalteten Transistors 16, der den Taktschalter dieser Schaltungsanordnung 9''
bildet, ständig takten kann, also sowohl bei Gleichphasigkeit als auch bei Gegenphasigkeit
von Netzstrom und Netzspannung.
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Dabei treten jedoch während der Gegenphasigkeit nicht die Verluste
wie bei der Schaltungsanordnung 9 nach Fig. 1 auf. Bei Gleichphasigkeit von Netzspannung
und Netzstrom wirkt die Schaltungsanordnung 9" im Prinzip wie die nach Fig. 1, obwohl
ihre Überbrückungsschaltung 17 anders als in Fig. 1 arbeitet. Die Schalter 50,51
der Oberbrückungsschaltung werden auch durch den Impulsgene -rotor 32 getaktet,
derart, daß sie bei eingeschaltetem Schalter 16 ständig ausgeschaltet und bei ausgeschaltetem
Schalter 16 ständig eingeschaltet sind, was mittels eines vom Ausgang des Impulsgenerators
32 angesteuerten Stellgliedes 52 bewirkt wird.
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Diese Schaltungsanordnung 9" unterscheidet sich von der nach Fig.
1 im wesentlichen nur dadurch, daß in die beiden Stromzweige 20, 21 der Überbrückungsschaltung
außer den Schaltern 22, 23 und clen zueinander antiparallel geschalteten Dioden
24, 25 noch die beiden Schalter 50, 51 zwischengeschaltet sind; und ferner noch
dadurch, daß anstelle eines auf den Nulldurchgang der Netzspannung ansprechenden
Spannungs-Nulldetektors ein auf den Nulldurchgang des die Last 10 durchströmenden
Netzstromes ansprechender Strom-Nulldetektor 301 vorgesehen ist, der das gleichzeitige
gegensinnige Umschalten der beiden Schalter 22, 23 mittels des Stellgliedes 31'
bewirkt. Die Schalter 50, 51 dienen dazu, sicher zu verhindern, daß die Stranzweige
20,21 von aus dem Netz stammenden Netzstränen durchflossen werden können.
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Bei jeden Nulldurchgang wechselt der Stran seine Richtung. Dabei sei
der Stran in der einen Richtung als positiver Stran Jp und in der anderen Richtung
als negativer Stran Jn bezeichnet. J entspricht dem p durch eine positive Spannung
bewirkten gleichphasigen Stran und Jn dem durch eine negative Spannung erzeugten
gleichphasigen Stran.
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Dieser Strom-Nulldetektor 30' weist einen in Reihe mit der Last 10
liegenden Ohm'schen Widerstand 40 auf, der sehr geringen, keine nennenswerte Verluste
verursachenden Widerstandswert hat und ein wie dargestellt geschaltetes RC-Glied
41, dessen Widerstand 43 und Kondensator 42 in einem parallelzum Widerstand 40 geschalteten
Stromzweig in Reihe liegen. Die am Kondensator 42 jeweils liegende Spannung wird
einem Stellglied 31' aufgedrückt, das, wenn die Spannung seines Eingangs 43 positiv
gegen die Spannung seines Eingangs 44 ist, die Schalter 22, 23 in die gestrichelt
dargestellten Schaltstellungen schaltet, bei denen der Schalter 22 ausgeschaltet
und der Schalter 23 eingeschaltet ist.
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Kehrt sich die Polarität der Spannung an den Eingängen 431 und 44
um, wenn also der Eingang 44 positiv gegenüber dem Eingang 431ist, dann schaltet
das Stellglied 31' die Schalter 22, 23 in die voll ausgezogen dargestellten Schaltstellungen
ein, bei denen der Schalter 22 eingeschaltet und der Schalter 23 ausgeschaltet ist.
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Die Zeitkonstante des RC-Gliedes 41 ist so getroffen, daß im Gefolge
des jeweiligen Durchganges des Netz stromes durch Null, also wenn die Strömungsrichtung
gemäß Pfeil J in J und umgekehrt wechselt,das p Stellglied 31' sofort oder mit nur
kurzer Zeitverzögerung die Schalter 22, 23 jeweils umschaltet.
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Dieser Strom-Nulldetektor 30l kann so empfindlich eingestellt werden,
daß er im Gefolge jedes solchen Nulldurchganges des Netz stromes diese Umschaltung
praktisch ohne oder nur mit sehr geringer Zeitverzögerung vornimmt, indem die Zeitkonstante
des RC-
Gliedes 41 entsprechend kurz vorgesehen wird. Oder es kann
auch vorgesehen sein, den Widerstand 43 durch einen mit den Schaltern 50, 51 gegensinnig
gelcoppelten Schalter 45 zu ersetzen (Fig.4), der timer eingeschaltet ist, solange
der Taktschalter 16 eingeschaltet ist und ausgeschaltet ist, solange der Taktschalter
16 ausgeschaltet ist. Dann speichert der Kondensator 42 während jeder Einschaltzeit
des Taktschalters 16 eine Ladung, deren Polarität durch die jeweilige Strömungsrichtung
des Netz stromes durch den Widerstand 40 hindurch und damit durch die Last 10 hindurch
bestimnt ist und jeder Durchgang des Netzstromes durch Null wird sofort durch den
Kondensator 42 erfaßt und dem Stellglied 31' gemeldet, wobei der Kondensator 42
jeweils seine am Ende einer Einschaltzeit des Taktschalters 16 vorhandene Polarität
während der nachfolgenden Ausschaltzeit dieses Taktschalters 16 beibehält, also
seine Ladungspolarität erst wieder wechselt, wenn dies durch einen Nulldurchgang
des Netzstromes bewirkt wird.
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Diese Schaltungsanordnung nach Fig. 9" arbeitet also wie folgt: Die
Schalter 50, 51 bewirken bei eingeschaltetere Taktschalter 16, daß auch bei Gegenphasigkeit
vonNetzspannung und Netz strom kein Netzstrom durch die beiden Stromzweige 20, 21
der Überbrückungsschaltung 17 hindurch strömen kann.
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Bei Gleichphasigkeit von Netzspannung und Netz strom könnten an sich
die Schalter 50, 51 ständig eingeschaltet sein, da dann die Dioden 24,25 das Fließen
von Netzstrl)rnen durch die Stranzweige 20 ebenfalls sperren können und es hierzu
also an sich nicht der Schalter 50,51 bedarf. Doch würde dies nur den schaltungs-
technischen
Aufwand erhöhen, so daß es am einfachsten ist, diese beiden Schalter 50, 51 ständig
im Takt des Ausgangssignales des Impulsgenerators 32 umzuschalten. Da für die Polarität
der Ausschaltinduktionsspannung die Richtung des Netzstromes maßgebend ist, in der
dieser die Last 10 und damit den Widerstand 40 durchströmt, wird durch die Umschaltung
der beiden Schalter 22, 23 im Gefolge jedes Nulldurchganges des Netzstromes und
nicht der Netzspannung erreicht, daß die Dioden 24, 25 nur jeweils Rückströme durchlassen,
die von den Ausschaltinduktionsspannungen bewirkbar sind, die durch das jeweilige
Ausschalten des Taktschalters 16 durch die Induktivität der Last 10 verursacht werden.
Die Dioden 24, 25 sind dabei so geschaltet und die Schalter 22, 23 werden jeweils
so geschaltet, daß, wenn die Ausschaltinduktionsspannung den Ausgang 12 negativ
gegenüber dem Ausgang 11 macht, sich die Schalter 22 und 23 in den voll ausgezogen
dargestellten Stellungen befindet, so daß die Diode 24 den durch diese Ausschaltinduktionsspanung
verursachbaren Rückstrom durchläßt. Verursacht dagegen die Ausschaltinduktionsspannung
am Ausgang 12 gegenüber dem Ausgang 11 positives Potential, dann ist der Schalter
23 geschlossen und der Schalter 22 geöffnet und die Diode 25 kann so den Rückstrom,
der durch diese Ausschaltinduktionsspannung verursacht wird, leiten. Je nach der
Zeitkonstante des RC-Gliedes 41 kann es allerdings auch vorkommen, daß sich jeweils
noch für sehr kurze Zeit nach dem jeweiligen Strom-Nulldurchgang die Schalter 22,
23 in der vor dem betreffenden Strom-Nulldurch-
gang vorhandenen
Schaltstellung befinden und dann für entsprechend kurze Zeit die Ausschaltinduktionsspannungen
keine über die Stromzweige 20, 21 fließenden Rückströme erzeugen können. Für diesen
Zeitpunkt ist jedoch die Netzspannung noch sehr klein und diese Zeiten sind auch
sehr kurz, so daß die hierdurch bewirkbaren Verluste gering und praktisch vernachlässigbar
sind. Bei dieser Schaltungsanordnung 9" wird also das Takten des Netz stromes durch
den Impulsgenerator 32 nicht wie bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 zeita7eise
unterbrochen und dennoch treten bei Gegenphasigkeit von Netzspannung und Netz strom
keine oder allenfalls nur sehr geringe Verluste durch die Ausschaltinduktionsspannungen
auf, so daß diese Schaltungsanordnung ebenfalls mit sehr geringer Verlustleistung
arbeiten kann.
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Bei den Schaltungsanordnungen nach den Fig. 1 bis 3 kann anstelle
der beiden Schalter 22, 23 jeweils ein einziger Umschalter 55 vorgesehen sein, wie
es die Fig.4 an einem Ausführungsbeispiel zeigt.
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Diese Fig.4 zeigt eine Überbrückungsschaltung 17, die einer Variante
der Überbrückungsschaltung nach Fig. 3 entspricht. Man erkennt ohne weiteres, daß
der zweipolige Umschalter 55 dieselbe Funktion wie die beiden Schalter 22, 23 der
Schaltungsanordnung 9" nach Fig. 3 ausübt. Dieser Umschalter 55 wird durch das Stellglied
31 gesteuert. Bei dem Umschalter 55 kann es sich bspw. um ein Reed-
kontakt
oder einen anderen geeigneten elektronischen oder elektrischen Umschalter handeln.
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Es ist ferner auch möglich, die vier Schalter 22, 23, 50, 51 der Überbrückungsschaltung
17 nach Fig. 3 durch einen einzigen 3-poligen Umschalter 56 zu ersetzen, wiees an
einanAusführungsbeispiel in Fig. 5 dargestellt ist,und zwar kann kann dieser 3-polige
Umschalter 56 in drei unterschiedliche Schaltstellungen eingestellt werden. Die
beiden äußeren, gestrichelt dargestellten Schaltstellungen sind durch das Stellglied
31', das bspw. dem Stellglied 31' der Fig. 3 sinngemäß entsprechen kann, schaltbar
und die dritte mittlere Schaltstellung wird durch einen von dem Stellglied 52, das
dem Stellglied 52 der Schaltungsanordnung 9" nach Fig. 3 entsprechen kann, bewirkt,
welches immer dann den Umschalter 55 in seine voll ausgezogen dargestellte Mittelstellung
schaltet, solange der Taktschalter 16 (Fig. 3) eingeschaltet ist. Wenn dagegen der
Taktschalter 16 ausgeschaltet ist, bestimmt das Stellglied 31' des Strom-Nulldetektors
30' der Fig. 3 die jeweilige Schaltstellung dieses Unschalters 55.
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Diese Mittelstellung des Umschalters 56 hat also wie die ausgeschalteten
Stellungen der beiden Schalter 50, 51 in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 und
4 die Aufgabe, auch bei Gegenphasigkeit von Netzspannung und Netz strom das Fließen
von Netz strom über die Stromzweige 20, 21 der Überbrückungsschaltung zu verhindern.
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Wie man ohne weiteres erkennt, können erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen
auch für mehrphasige, wie zwei-, drei- oder auch noch höherphasige Netzspannung
vorgesehen sein. Dies sei an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Und zwar ist ein
solches Ausführungsbeispiel in Fig. 6 dargestellt. Die Schaltungsanordnung 9"' nach
Fig. 6 ist zum Anschluß an ein Drehstromnetz 57 bestimmt.
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Sie weist die einem bspw. manuell betätigbaren Hauptschalter 58 vorgeschalteten
Leiter 59, 59', 59" auf, die an die drei Leiter des Drehstromnetzes 57 anschließbar
sind. Der Hauptschalter 58 dient dem Ein- und Ausschalten der Schaltungsanordnung
und auch bei den Schaltungsanordnungen nach den Fig. 1- 3 können solche dort dann
einphasigen Hauptschalter vorgesehen sein.
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Diese Schaltungsanordnung 9" ' weist ferner vier Ausgänge 60, 60',
60" und 61 auf. Der Ausgang 61 ist ein Anschluß für den Sternpunkt 62 oder Mittelleiter
der in diesem Ausführungsbeispiel drei Wicklungsstränge 63, 63', 63" aufweisenden
Last 10, die durch die strichpunktierte Umrandung 64 angedeutet ist.
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Bei der Last 10 - es können auch mehrere parallele Lasten angeschlossen
werden - kann es sich um einen Drehstrom-Asynchronmotor, um die Primärwicklung eines
Drehstrom-Transformators oder eine sonstige Last handeln.
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Obwohl in diesem Ausführungsbeispiel eine Sternschaltung der Last
10 dargestellt ist, ist die Erfindung bei Drehstrom nicht auf Sternschaltung beschränkt,
sondern kann auch auf beliebige andere Schalcungen der Wicklungen von mit Mehrphasenstrom
gespeisten Asynchronmotoren, Transformatoren oder sonstige induktive Lasten ausgelegt
werden, bspw. für in Dreieck geschaltete Wicklungen, und die jeweiligen Anpassungen
der Schaltungsanordnung an unterschiedliche Schaltungen von Mehrphasenwicklungen
sind jeweils so vorzusehen, daß wiederum der Netz strom für jede Phase der Netzspannung
durch einen Impulsgenerator mit vorzugsweise über der Höhrschwelle des Ohres liegenden
Frequenzen von vorzugsweise 15 - 30 kHz getaktet wird, wobei dieses Takten für alle
Phasen durch denselben Impulsgenerator erfolgen kann. Falls erwiinscht, kann jedoch
auch pro Netzphase je ein eigener Impulsgenerator vorgesehen sein. Der oder die
Impulsgeneratoren sind wiederum zur Leistungssteuerung des Asynchronmotors und Tranformators
impulsbreiten- und/oder pulsfrequenzmodulierbar.
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Bei der Schaltungsanordnung 9' " nach Fig.6 ist ein einziger Impulsgenerator
32 mit zugeordnetem Stellglied 33 vorgesehen, der den entsprechend gleichnumerierten
Impulsgeneratoren 32 nach den Fig. 1-3 entsprechen kann.
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Schaltungsanordnungen für Mehrphasennetze benötigen pro Netz phase
einen Taktschalter - im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind dies die Taktschalter
16 - und je eine Überbrückungsschaltung -in Fig. 6 sind dies die Überbrückungsschaltungen
17 Falls Mittel vorgesehen sind, um bei Gegenphasigkeit von Netzspannung und Netz
strom in der betreffenden Phase die durch die Ausschalten induktionsspannungen bewirkbaren
Verluste zu reduzieren oder ganz oder im wesentlichen zu vermeiden, sind solche
Mittel auch jeder Netzphase gesondert zuzuordnen. Im Ausführungsbeispiel nach Fig.
6 sind diese Mittel im Prinzip dieselben wie in Fig. 2, nämlich pro Netzphase ein
auf die auf der Kollektor-Ermitter-Strecke des jeweiligen Transistors 16 abfallende
Differenzspannung ansprechender Schwellwert-Detektor 35, ein ihm nachgeschalteter
monostabiler Multivibrator 36 mit Verzögerungszeiten, die denen des Multivibrators
36 nach Fig. 2 entsprechen kann, und den dem Multivibrator 35 nachgeschalteten Schmitt-Trigger
37, dessen Eingang auch der Ausgang des Impulsgenerators 32 aufdrückbar ist.
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Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 ist jeder Überbrückungsschaltung
17 ein Spannungs-Nulldetektor 31 zugeordnet, der hier einen Schmitt-Trigger aufweist,
der ein Stellglied 31' ansteuert zum abwechselnden Umschalten des Umschalters 55.
Der Umschalter 55 schaltet abwechselnd die beiden Stromzweige 20,21,
in
denen zueinander antiparallel geschaltete Dioden 24, 25 angeordnet sind, ein, und
zwar erfolgt jede Umschaltung eines Schalters 55 immer dann, wenn der zugeordnete
Spannungs-Nulldetektor 31 den Nulldurchgang der Netzspannung der betreffenden Phase
des Drehstromnetzes 57 fühlt. Die in jeder Phase vorliegende Wechsel spannung des
Drehstromnetzes wechselt wiederum zwischen positiven und negativen Werten und hat
im allgemeinen ungefähr sinusförmigen Verlauf.
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Man erkennt, daß die Schaltungsanordnung 9"' für jede Phase des Drehstromnetzes
praktisch der Schaltung nach Fig. 2 entspricht und auch entsprechend arbeitet.
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Solange in der betreffenden Phase Netz strom und Netzspannung gleichphasig
sind, taktet der Ausgang des mittels des Stellgliedes 33 impulsbreiten- und/oder
pulsfrequenzmodulierbaren Impulsgenerators 32 den Netzstran durch Ein- und Ausschalten
der Taktschalter 16 im Takt der Ausgangsimpulse des Impulsgenerators 32. Wenn dagegen
in der betreffenden Phase Gegenphasigkeit von Netzspannung und Netzstrom vorliegt,
dann verlängert wieder der in diesem Fall über den Schwellwert-Detektor 35 angesteuerte
Multivibrator 36 die Einschaltzeit des zugeordneten Taktschalters 16 auf die Zeitverzögerung
dieses Multivibrators 36 und, solange die Gegenphasigkeit vorliegt, wird der Netzstran
dieser Phase durch den Taktschalter 16 jeweils nur für extrem kurze, sich nicht
in Motorgeräuschen auswirkende Zeit von bspw. einigen Nanosekunden unterbrochen.
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Zu der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 sei noch auf folgendes hingewiesen,
was entsprechend auch für die Schaltungsanordnung nach Fig. 6 gelten kann.
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Wenn die Verzögerungszeit des Multivibrators 36 sehr klein gegen die
Phasenverschiebungszeit zwischen Netzspannung und Netz strom ist, dann kann man
vorsehen, die Zahl der Ausgangsimpulse des Multivibrators 36 in einem strichpunktiert
angedeuteten Zähler 69 zu zählen, die jeweils während eines vorbestimmten Abschnittes,
bspw. während einer Halbwelle der Netzspannung auftreten und nach jeder solchen
Zählung wird der Zähler 69 wieder auf Null zurückgestellt. Bei gegebener Netzfrequenz
ist dann diese im Zähler 69 jeweils gezählte Impulsanzahl proportional zum momentanen
cos f der Phasenverschiebung zwischen Netzspannung und Netz strom und man kann auf
diese Weise den jeweiligen cos 8' zur Anzeige oder zur Registrierung bringen. Oder
man kann dies auch dazu vorsehen, um bspw. konstante Phasenverschiebung zu regeln
oder um die Drehzahl eines die Last 10 bildenden Asynchronmotors zu regeln. Letzteres
deshalb, weil die Größe des cos abhängig von der Drehzahl des Asynchronmotors ist
und man so den cos qp als Maß für dessen Drehzahl und so als Istwert der Drehzahl
einem Drehzahlregler eingeben kann.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 - 3 und 6 enthalten
die Schaltungsanordnungen zwar Vollweg-Gleichrichter 26. Diese dienen jedoch nicht
der Gleichrichtung des die Last 10 durch-
strömenden Netzstromes,
bei dem es sich um Wechselstrom handelt, sondern lediglich dazu, daß als Taktschalter
16 jeweils ein einziger Transistor verwendet werden kann, indem dessen Kollektor-Emitter-Strecke
in den Mittel zweig des Vollweg-Gleichrichters 26 zwischengeschaltet ist. Wenn ein
anderer Taktschalter verwendet wird, der den Wechselstrom direkt ohne Gleichrichtung
takten kann, bspw. ein Peei:ficntakt oder ein GaterurnOff-Schalter (GTO), wie es
Fig. 7 als Abwandlung eines Ausschnittes der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zeigt,
dann kann der Vollweg-Gleichrichter 26 ersatzlos entfallen. Oder es kann auch vorgesehen
sein, daß der Vollweg-Gleichrichter 26 durch zwei zueinander parallele geschaltete
Stromzweige ersetzt ist, in denen zueinander antiparallel geschaltete Dioden 70,71
angeordnet sind und in denen je ein Taktschalter 16 angeordnet ist, wie es Fig.
8 an einem Ausführungsbeispiel zeigt. Die Taktschalter können dann in dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 8 ebenfalls solche sein, die nur den jeweiligen durch die beiden Dioden
gleichgerichteten Gleichstrom takten können. Beide Schalter können durch einen gemeinsamen
Impulsgenerator 32 - wie dargestellt - direkt oder über mindestens ein Stellglied
getaktet sein.
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Die Last 10 liegt zu. ihrer Speisung also an zwischen positiven und
negativen Werten wechselnder ein-oder mehrphasiger, getakteter Wechselspannung.
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Zu Fig. 3 sei noch erläutert, daß der Strom-Nulldetektor 30' auch
an anderer Stelle angeordnet werden kann, bspw. sein Widerstand 40 in den Leiter
zwischen den Punkten 76, 77 zwischengeschaltet sein kann, da er auch hier von Netzwechselstrom
durchströmt wird, der phasengleich zum die Last 10 durchströmenden Netzwechselstrom
ist.
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Bei der Schaltung nach Fig. 6 sind ohne weiteres auch Vereinfachungen
möglich. Bspw. können die Taktschalter 16 anstatt der dargestellten Ausbildung als
nur in jeweils einer Richtung stromleitende Transistorschalter auch als andere Schalter,
bspw. als Reed-Kontakte oder Gate-Turn-Off-Schalter, die Strom in beiden Richtungen
leiten können, ausgebildet sein.
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Sie können dann ggfs. zu einer einzigen dreipoligen Schaltvorrichtung
zusammengefaßt sein, die dem Schalter 58 unter Wegfall der Gleichrichterbrücken
26 nachgeschaltet sein kann.
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Auch die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 läßt unterschiedliche Vereinfachungen
zu.
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So können in manchen Fällen die beiden Schalter 50, 51 in den Stromzweigen
20, 21 weggelassen werden und an ihrer Stelle ein einziger Schalter 50' in eine
der beiden Leitungen 74, 75 eingesetzt werden, der von dem Stellglied 52 entsprechend
betätigt wird, wie es Fig. 9 zeigt. Dies ist dann möglich, wenn der Schalter 50'
Strom in beiden Richtungen leiten kann, also
bspw. ein Reed-Kontakt
oder ein Gate-Turn-Off-Schalter ist.
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Wenn dagegen die Schalter 50, 51 Strom in jeweils nur einer Stromrichtung
leiten können, also bspw. Transistorschalter in Emitterschaltung oder Feldeffekttransistoren
sind, dann sind gemäß Fig. 3, 4 oder 11 in die Stromzweige 20, 21 die Dioden 24,
25 schon deshalb zweckmäßig zwischengeschaltet, um diese Schalter 50,51 gegen Zerstörung
durch Netzspannung, falls es durch irgendeinen Fehler zum Anlegen der Netzspannung
an die Stromzweige 20, 21 kommt, wenn der Schalter 50 bzw. 51 eingeschaltet ist,
an dem die Netzspannung dabei in seiner leitenden Richtung anliegt, zu schützen.
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Es ist sogar möglich, bei Vorhandensein der Schalter 50, 51 bzw. des
Schalters 50' die beiden Schalter 22, 23 wegfallen zu lassen, wie es die Fig. 10
und 11 zeigen, wobei bei Fig. 11 gegebenenfalls auch die Dioden 24 und 25 entfallen
können, wenn sie nicht zum Schutz der Schalter 50, 51 benötigt werden. In diesem
Falle kann dann sogar einer der beiden Stromzweige 20, 21 ganz entfallen, so daß
die Überbrückungsschaltung im einfachsten Falle nur aus einer einzigen Überbrückungsleitung
74' besteht, die keine Dioden und nur einen einzigen vom Stellglied 52 betätigten
Schalter 50' aufweist, wie es Fig. 10 zeigt.
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Die Überbrückungsschaltung 17 nach Fig. 3 bietet höhere Betriebssicherheit
als die Überbrückungsschaltungen 17
nach den Fig. 9 bis 11, was
jedoch nicht ausschließt, daß auch die dberbrückungsschaltungen 17 nach den Fig.
9 bis 11 in vielen Fällen zweckmäßig vorgesehen werden können, da sie kostengünstiger
sein können, wobei bei den Überbrückungsschaltungen nach den Fig. 10 oder 11 die
Nulldurchgangsdetektoren 30' der Fig.
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3, 4 und 9 in Fortfall gekommen sind.
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