DE4303822A1 - Elektrische Schaltung zur Umspannung von Gleichstrom auf verschiedene Parameter - Google Patents

Description

Die umfangreichere Nutzung des in vielen technischen Anwendungsfällen günstigeren elektrischen Gleichstroms ist bisher dadurch erschwert, daß zur Erzeugung unterschiedlicher Spannungsebenen ein hoher technischer Aufwand erforderlich ist und verhältnismäßig hohe Leistungsverluste in Kauf genommen werden müssen.

Die Erzeugung niedriger Spannungen erfolgt in Spannungsteilerschaltungen, wobei beachtliche Leistungen über den Vorwiderständen als Stromwärme verloren gehen.

Die Umformung von Gleichstrom mit niedriger Spannung in höhere Spannungsebenen erfordert den Einsatz von Maschinensätzen aus Gleichstrommotoren, Wechselstromgeneratoren, Transformatoren und Gleichrichtern. Die Transformatoren können auch mit pulsierenden Gleichströmen aus Wechselrichtungsschaltern betrieben werden. Es bleiben auf jeden Fall induktiv bedingte Stromwärmeverluste, die den gesamten Wirkungsgrad der Umspannung erheblich verschlechtern.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, den zur Umspannung von elektrischem Gleichstrom erforderlichen Aufwand zu umgehen und die Leistungsverluste zu vermeiden.

Die Aufgabe wird foglendermaßen gelöst: Schaltet man mehrere Akkumulatorelemente oder Dioden in Sperrichtung parallel zu einer Spannungsquelle, so fließt ein elektrischer Gleichstrom, bis die Akkumulatoren bzw. die Sperrschichten der Dioden geladen sind. Wir haben jetzt geladene p^- und n⁺-Grenzschichten vorliegen. Diese unterbinden den weiteren Stromfluß im Primärkreis nach Fig. 1. Die Paare der geladenen Grenzschichten betrachten wird nun als einzelne Spannungsquellen, die untereinander in Reihe geschaltet werden. Wird diese Spannungsquelle mit einem Verbrauchswiderstand (R2) verbunden, erhalten wir einen Sekundärstromkreis nach Fig. 2.

An der Schaltung aus Primär- und Sekundärstromkreis gelten folgende ideale Gesetzmäßigkeiten:

Um die am Sekundärkreis angeschlossenen Geräte vor Belastungen durch Spannungsschwankungen am Primärkreis zu schützen, wird parallel zum Leistungsausgang ein steuernder Tertiärkreis angeschlossen. Übersteigt die abgegebene Sekundärspannung U2 einen fest oder operativ durch ein Steuerungssingal S1 vorgegebenen Wert, so liegt am Steuerungsgate G1 im Primärkreis eine Sperrspannung an, die ein analoges Minderungssignal S2 bis hin zur Abschaltung darstellt. Die Wertvorgabe erfolgt durch ein Steuerungsgate G2, an dessen Sperrschichtfeld die Steuerspannung S1 anliegt. Das Signal S2 für G1 entsteht, wenn die Spannungsgrenze an G2 überschritten wird. Der zu hohe Spannungsanteil bricht dann als Minderungssignal durch.

Ein Schutz vor Kurzschlußströmen ist möglich, indem parallel zum Steuerungsgate G2 ein weiterer Gate G3 geschaltet wird. Die vom Sekundärkreis gelieferte Spannung wirkt hier als Sperrsignal. Unterschreitet infolge äußerer Kurzschlüsse die Sekundärspannung U2 einen bestimmten Wert, so bricht das Sperrfeld an G3 zusammen und läßt die Schutzspannung eines Sicherungskreises als Sperrsignal S3 zum Steuerungsgate G1 gelangen. Damit ist die gesamte Schaltung solange außer Betrieb, bis die Störstelle vom Stromkreis getrennt ist.

Die komplette Schaltung ist in Fig. 3 zusammengefaßt.

Die vollständige Driftschaltung erlaubt es also, Gleichstrom niedriger Spannung zu Gleichstrom mit höherer Spannung umzuformen, wobei gleichzeitig ein Geräteschutz vor Überspannungen und Kurzschlüssen realisiert wird. Der Fall der Höherspannung von Gleichstrom dient als Grunddefinition. Soll eine hohe Spannung zu einer niedrigen Spannung umgeformt werden, so steuern wir die Leistung über den Sekundärkreis ein. Die Polung bleibt dabei erhalten, nur die Bewegungsrichtung der Ladungsträger kehrt sich um.

Die Driftschaltung kann als einzelner Umformkreis auf spezielle Aufgaben bemessen werden. Es ist auch der Aufbau von Kaskaden möglich, die mit einer Leistungseinleitung die Spannungsabnahme auf unterschiedlichen Spannungsebenen gleichzeitig erlauben. Dabei wird die Spannung eines Sekundärkreises als Spannungsquelle für die Primärkreise weiterer Driftschaltungen benutzt. Die teilweise Entnahme von Leistungen erfolgt durch die Parallelschaltung der Verbraucher zur jeweiligen Spannungsebene. Dabei muß nur der Leistungsausgang über einen Tertiär-Sicherheitskreis verfügen, welcher zur Eingangs-Driftschaltung gehört. Eine solche Kaskadenschaltung ist in Fig. 4 dargestellt. Sie verfügt über einen Leistungseingang und drei Leistungsausgänge.

Als Ausführungsbeispiel einer einfachen Driftschaltung soll die Schaltung nach Fig. 3 dienen. Der Primärkreis besteht aus 5 Dioden in Sperrichtung parallel zu einer Spannungsquelle.

In den Primärkreis wird ein Gleichstrom von 2V(U1) und 5A(I1) eingeleitet. Der Sekundärkreis liefert einen Gleichstrom von 10V(U2) und 1A(I2).

Dieser Schaltkreis wird nun auf eine Schaltung nach Fig. 4 erweitert. Auf die Ausgangsleistung der Eingangsdriftschaltung 1 sind parallel ein Primär- und ein Sekundärkreis geschaltet, welche jeweils eine Leistung von 5W aufnehmen. Die Driftschaltung 2 wird über den Sekundärkreis angesteuert und liefert einen Abgabestrom von 5V(U3) und 1A(I3). Die Driftschaltung 3 wird über den Primärkreis angesteuert und liefert einen Gleichstrom von 20V(U4) und 0,25A(I4). Diese Spannung liegt parallel zu einem Verbrauchswiderstand R und einer Driftschaltung 4. Beide Schaltungen haben den gleichen Eingangswiderstand und damit den Aufnahmestrom von 20V und 0,125A. Der Sekundärkreis der Driftschaltung 4 liefert einen Gleichstrom von 60V(U5) und 0,0416A(I5).

Claims (1)

1. Elektrische Schaltung zur Umspannung von Gleichstrom auf verschiedene Parameter, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter des eingeleiteten elektrischen Gleichstromes mittels einer Driftschaltung aus Akkumulatorelementen oder Dioden verändert werden, wobei die Gesetzmäßigkeiten der Parallelschaltung und der Reihenschaltung unmittelbar miteinander verbunden werden.