WO1986004752A1 - Direct voltage supplied circuit for generating voltages and/or currents with different curve form and/or different frequency and/or different polarity - Google Patents

Direct voltage supplied circuit for generating voltages and/or currents with different curve form and/or different frequency and/or different polarity Download PDF

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WO1986004752A1
WO1986004752A1 PCT/EP1986/000042 EP8600042W WO8604752A1 WO 1986004752 A1 WO1986004752 A1 WO 1986004752A1 EP 8600042 W EP8600042 W EP 8600042W WO 8604752 A1 WO8604752 A1 WO 8604752A1
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load
frequency
circuit according
different
voltage
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Application number
PCT/EP1986/000042
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Inventor
Otto Jagschitz
Original Assignee
Zumtobel Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration

Definitions

  • the invention relates to a DC-fed circuit for generating voltages and / or currents of different curve shape and / or different frequency and / or different polarity with at least one load.
  • the invention has now set itself the task, starting from a DC voltage supply, of developing a circuit with which the solution to this problem is possible.
  • the invention is now characterized by a choke coil connected in series with this load and at least two controlled semiconductor switches which are each connected in series with respect to the load and the choke coil, but are in different conduction paths, and these conduction paths have different potentials Supply voltage are connected, with one switch being open during operation, while the other switch is open and closed in an alternating sequence and actuating the previously alternating sequence (clock frequency) after an adjustable or controllable period of time Switch kept open is consequently open and closed and this sequence of switch actuation (pole reversal frequency) is repeated continuously.
  • a particularly simple circuit of this type is characterized according to a feature according to the invention in that the line path comprising the load and choke in series connection is connected to an average value of the supply voltage.
  • a further circuit of this type is characterized according to a further feature of the invention in that the line path comprising the load and the choke in series connection via at least two capacitors, each with respect to the load and the choke coil ⁇ because it is connected in series, but in different conduction paths, to different potentials of the supply voltage, the capacitors being connected to the same potentials of the supply voltage as the controlled semiconductor switches.
  • Another circuit which meets the highest requirements in terms of performance and possible variations, is characterized according to a further feature of the invention. is characterized in that the line path containing the load and choke in a series circuit is connected to different potentials of the supply voltage via at least two further controllable semiconductor switches which are connected in series but with different line paths with respect to the load and the choke coil, these semiconductor switches are opened or closed in the period of the pole reversal frequency of the other semiconductor switches and thus each form a closed circuit in connection with the load and choke coil, in which the direction of the current flow changes in accordance with the pole reversal frequency.
  • the size of the ratio of the pole reversal frequency to the clock frequency determines the control quality of the circuit; the greater this ratio, the smaller the throttle can be made. It is therefore expedient to set this ratio at about 1: 1000, preferably even higher.
  • FIG. 1 to 3 show three different circuits; Figures 4 and 5 voltage and current waveform diagrams.
  • Fig. 6 a . 7 shows a detail from the current flow diagram according to Tig. 5 on a considerably enlarged scale.
  • a battery B with a center tap and with the terminal voltage U is used as the voltage source.
  • the line branch 3 which has the choke D and the load L in series connection, is connected on the one hand to the center tap of the battery B, and on the other hand between the two controlled semiconductor switches T, and T «, each of which is individually connected to a terminal of the battery B, so that each is connected in series with the inductor D and the load L.
  • the control of the semiconductors is explained in detail below. First of all, it should be noted here that during a first period of time the semiconductor switch T, is opened and closed in a clockwise manner (clock frequency) and during this period the other semiconductor switch T_ is open.
  • Load current now depends on the one hand on the inductance of the choke and the clock frequency of the switches T and T_; the time duration of the current flow in one direction from the pole reversal frequency.
  • Both the clock frequency and the polarity reversal frequency can be controlled by different variables, which will be discussed in the following.
  • FIG. 2 A further circuit with which particularly low-frequency voltages or currents can be obtained starting from a DC voltage is shown in FIG. 2.
  • the voltage U is at the terminals XY of the circuit, parallel to the semiconductor switches T. and T ", free-wheeling diodes D. and D" are provided.
  • a capacitor C is arranged in different circuits, so that the load and inductor in series connection includes a line path via two capacitors, each of which is connected in series with respect to the load and the inductor , but are in different line paths, is connected to different potentials of the supply voltage, the capacitors C being connected to the same potentials of the supply voltage U as the controlled semiconductor switches T. and T_.
  • the controlled semiconductor switches T 1 and T 1 are in the sense of the above-mentioned clock frequency or polarity reversal frequency. operated.
  • the frequency of the voltage applied to the load is u. a. depending on the capacitance and the time constant of the capacitors.
  • This DC-powered circuit is designed as a bridge circuit.
  • a transistor T. to T. is arranged in each outer branch of this bridge circuit.
  • Two of these transistors, namely the transistors T, and T " " which lie between the connection points X and Y for the supply voltage U, have freewheeling diodes D. and D ⁇ connected in parallel.
  • the other two transistors T and T. Diodes D and D. are connected in parallel for protection purposes.
  • the bases B. to B ⁇ of the transistors T 1 to T. are connected, for example, to integrated circuits, which are not shown here, however.
  • the load L is connected to terminals A and E in the diagonal branch of the bridge circuit.
  • ohmic, inductive and capacitive resistances can be considered as loads, but also those that have a complex resistance behavior.
  • the choke D is connected between the terminal A and the connection point F between the two transistors T. and T 1 serving as semiconductor switches.
  • a capacitor C is provided here in parallel with the load. Instead of this capacitor, which is parallel to the load L, another capacitor C can be provided, one electrode of which lies between the load L and the inductor D and the other electrode of which is at the connection point Y for the supply voltage U which has the lower potential. This is indicated in Fig. 3 with a dashed line.
  • the transistors T 1 and T 1 serving as semiconductor switches are actuated in the sense of the clock frequency and polarity reversal frequency described above. In contrast, the transistors T and T serving as semiconductor switches are only switched over according to the polarity reversal frequency.
  • 6 illustrates a pulse sequence with which the bases of the transistors T, and T_ can be controlled.
  • PD means the period; ED the duty cycle (pulse length) and TL the key gap.
  • the ratio between duty cycle ED and period duration PD is referred to as the duty cycle. This duty cycle is adjustable and changeable on the integrated circuit, not shown, mentioned as an example.
  • the circuit of FIG. 3 explained above in its basic structure is now to be used to operate a DC-powered gas discharge lamp, which is symbolized by the load L in FIG. 3.
  • the operation of a gas discharge lamp with direct voltage is preferable to that with alternating voltage, since in this case the gas discharge lamp flickers less and shows a higher luminous efficacy.
  • the only disadvantage is that during continuous operation with direct voltage, deposits accumulate in the electrode area of the gas discharge lamp, caused by the ion flow which always flows in the same direction. In order to avoid these deposits, the lamp is therefore reversed in polarity, for which mechanical switches have hitherto been used. Using the circuit described, this is now done electronically as follows:
  • the direct voltage U present at the terminals X, Y can either be taken directly from a direct voltage network, but it can also be provided via a converter (alternating current / direct current).
  • the transistors T. to T. serve as electronic switches and their bases are controlled by the size of the operating current via pulse trains according to FIG. 6.
  • the transistors T, and T. closed, the transistors T "and T, however, open.
  • the transistor T. or its base B is driven by a pulse sequence shown in FIG. 6.
  • the duty cycle ED of a pulse the transistor T is closed and direct current flows from the terminal X via the transistor T., the inductor D and the lamp L via the transistor T., which is always closed during this operating phase, to the terminal Y.
  • the nominal Size of the lamp operating current is reached, that is - in terms of time - at the end of the duty cycle ED des
  • Control pulse the transistor T. opens, the current flow from the network is interrupted and the magnetic energy built up in the inductor D by the current flow is now converted into electrical energy and supplies a counter voltage, which lasts until the switch-on time of the next control pulse, i.e. during the key gap TL, the current flow through the lamp L is maintained in the same direction, the energy stored in the choke being reduced.
  • the next following control pulse is applied to the base B. of the transistor T, which in turn is switched on, that is to say closed, and as a result energy and current from the network are again supplied to the circuit in the manner described, until shortly before the nominal value of the lamp operating current is reached again. whereupon the aforementioned switching process is initiated and carried out again.
  • the lamp L is always let through by the current in the same direction.
  • the described control processes are very short and take place in fractions of a second.
  • the transistor T. is always closed.
  • the lamp L is now reversed after some time. This now happens because the
  • Transistors T. and T. are opened, the transistor T, is closed and the transistor T "is actuated in cycles in its manner via its base B., as has been described in connection with the transistor T. The current flow in the lamp is reversed.
  • the capacitor C can be dispensed with in the operating mode described here.
  • the polarity reversal frequency can be derived and controlled, for example, from the mains frequency if the direct voltage at the connection terminals X, Y of the circuit is via an alternating current, not shown here - DC converter is obtained. Other control frequencies for polarity reversal can also be used successfully.
  • the period of the polarity reversal is always greater than the period of the control pulses (clock frequency).
  • the diodes D. and D_ connected in parallel with the transistors T, and T_ serve as freewheeling diodes which maintain the current flow. when the transistors T and T open and close in a pulse-controlled manner, the diodes D and D have a protective function in parallel with the transistors T and T.
  • the current profile through the gas discharge lamp L after the circuit according to FIG. 3 and the operating mode described above is shown schematically in FIG. 5.
  • it is a trapezoidal course with a changing sign.
  • the period P of this sequence depends on the polarity reversal. If the current curve shown in the diagram with a straight line is shown enlarged, so to speak, the result is a line which is shown in FIG. 7 and which represents the section G encircled in FIG. 5, so to speak, on an enlarged scale.
  • This line is jagged, its rise or fall is determined by the resistance behavior of inductor D and load L, their reversal points are dependent on the clock frequency and their smoothness (hatched areas) is determined by the smoothing capacitors C after the circuit in FIG. 3.
  • a voltage profile as shown in FIG. 4 can also be forced, for example.
  • Circuit-inherent electrical quantities can be used to control the clock frequency or the polarity reversal, that is, quantities that can be measured, for example, at the load L, such as voltage, voltage increase, current, current increase, active or apparent load.
  • the load current was used to control the clock frequency for the semiconductor switches T. and T. That is, the semiconductor switches T. and T. were opened in cycles before the load current reached the nominal lamp current and switched on again as soon as it had dropped somewhat.
  • the current values at which the device has been switched on or off are designated I. or I. in the diagram according to FIG. 7.
  • the polarity reversal frequency (P - Fig. 5) was derived from the frequency of a conventional AC power supply network with 50 Hertz. Control from or via a formwork-independent variable, such as the network frequency of an AC power supply network, is referred to as external excitation.
  • the polarity reversal frequency can be controlled by the voltage rise at the capacitors C (natural frequency). Further control possibilities for the clock frequency result from the choice of the ratio of the on-time ED to the off-time TL or by changing the pulse duration PD (pulse width modulation).
  • programmable processors are expediently used, with which control curves and control curves of any shape can be achieved. If the operation of a gas discharge lamp L has been explained in more detail above with reference to FIG. 3, it should be mentioned here that other devices or apparatuses can also be used as the load. For example, an AC motor, to which an AC voltage that can be changed with regard to its frequency and size can be supplied in order to regulate the speed and torque within wide limits.

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Description

Gleichspannungsgespeiste Schaltung zur Erzeugung von
Spannungen und/oder Strömen unterschiedlicher Kurven¬ form und/oder unterschiedlicher Frequenz und/oder unterschiedlicher Polarität
Die Erfindung bezieht sich auf eine gleichspannungsge- speiste Schaltung zur Erzeugung von Spannungen und/oder Strömen unterschiedlicher Kurvenform und/oder unterschied¬ licher Frequenz und/oder unterschiedlicher Polarität mit 5. mindestens einer Last.
Auf vielen Gebieten der Technik und der Forschung ist es wichtig und wesentlich, Spannungen und Ströme zur Ver¬ fügung zu haben, die hinsichtlich ihrer Größe und ihres zeitlichen Verlaufes in weiten Grenzen regelbar sind. 0 Ohne Anspruch auf Vollatändigkeit seien einige Anwendungs- ' gebiete hier aufgezählte Gleichstrommotαrenregelung mit Drehrichtungumkehr; Regelung von Wechselstrommotoren hin¬ sichtlich Drehzahl und Laufrichtung; Niederfrequente Ströme oder Spannungen für Forschungs- und Untersuchungsarbeiten, 5 beispielsweise auf biologischem Gebiet; Gleichstromspei¬ sung von Gasentladungslampen und deren Helligkeitsregelung; Prüfung von elektrischen Geräten mit komplexem Widerstands¬ verhalten über weite Frequenzbereiche und dgl. mehr.
Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, aus- 0 gehend von einer Gleichspannungsversorgung eine Schaltung zu entwickeln, mit welcher die Lösung dieser Aufgabe mög¬ lich ist. Die Erfindung ist nun gekennzeichnet durch eine mit dieser Last in Serie geschalteten Drosselspule und mindestens zwei gesteuerten Halbleiterschaltern, welche be- 5 züglich der Last und der Drosselspule jeweils für sich in Serienschaltung, jedoch in verschiedenen Leitungspfaden liegen und diese Leitungspfade an unterschiedlichen Potentia¬ len der Speisespannung angeschlossen sind, wobei im be¬ triebsmäßigen Einsatz der eine Schalter offen ist, wäh- 0 rend der andere Schalter in wechselnder Folge geöffnet und geschlossen ist und nach Ablauf einer einstellbaren oder ansteuerbaren Zeitspanne der bislang in wechseln¬ der Folge (Ta tfrequenz ) betätigte Schalter offengehal¬ der Folge geöffnet und geschlossen ist und diese Wechsel¬ folge der Schalterbetätigung (Umpolfrequenz) sich ständig wiederholt. Mit einer solchen erfindungsgemäßen Schaltung können Spannungen und Ströme beliebigen Verlaufes an einer Last erzeugt werden. Das jeweilige fortlaufende Ein- und Ausschalten eines der paarweise vorgesehenen Halbleiter¬ schalters wird hier und im folgenden als Taktfrequenz be¬ zeichnet, wogegen die Wechselfolge der Inbetriebnahme der beiden paarweise vorgesehenen Halbleiterschalter als Um- polfrequenz bezeichnet wird.
Eine besonders einfache Schaltung dieser Art ist nach einem er indungsgemäßen Merkmal dadurch gekennzeichnet, daß der Last und Drossel in Serienschaltung beinhaltende Leitungs¬ pfad an einem Mittelwert der Speisespannung angeschlossen ist. Mit einer solchen Schaltung können Ströme und Spannun¬ gen sehr niedriger Frequenz (kleiner als 20 Hertz) gewonnen werden, ohne daß es eines besonderen Schaltungsaufwandes bedarf, allerdings ist die von dieser Schaltung beherrsch¬ bare Leistung begrenzt.
Eine weitere Schaltung dieser Art, ebenfalls für niedrige Leistungen und besonders niedrige Frequenzen geeignet, ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Last und Drossel in Serienschaltung beinhaltende Leitungspfad über mindestens zwei Kondensato- ren, welche bezüglich der Last und der Drosselspule je¬ weils für sich in Serienschaltung, jedoch in verschiedenen Leitungspfaden liegen, an unterschiedlichen Potentialen der Speisespannung angeschlossen ist, wobei die Konden¬ satoren an denselben Potentialen der Speisespannung an- geschlossen sind wie die gesteuerten Halbleiterschalter.
Eine andereSchaltung, die hinsichtlich Leistung und Variationsmöglichkei höchsten Anforderungen genügt, ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch gekenn- zeichnet, daß der Last und Drossel in Se ienschaltung be¬ inhaltende Leitungspfad über mindestens zwei weitere steuerbare Halbleiterschalter, welche bezüglich der Last und der Drosselspule jeweils für sich in Serienschaltung, jedoch in verschiedenen Leitungspfaden liegen, an unter¬ schiedlichen Potentialen der Speisespannung angeschlossen sind, wobei diese Halbleiterschalter in der Periode der Umpolfrequenz der anderen Halbleiterschalter geöffnet bzw. geschlossen sind und so in Verbindung mit Last und Drossel- spule jeweils einen geschlossenen Stromkreis bilden, in welchem die Richtung des Stromflusses der Umpolfrequenz entsprechend sich ändert.
Wird parallel zur Last ein Kondensator angeschlossen, so ist dadurch Strom und/oder Spannung zu glätten, ein ähn- licher Effekt wird erreicht, wenn zwischen der Drossel und der Last ein Kondensator angeschlossen ist, dessen andere Elektrode mit jenem Anschlußpunkt für die Versor¬ gungsspannung verbunden ist, der von den beiden Anschlu߬ punkten für diese Versorgungsspannung das niedrigere Potential aufweist.
Es gibt Halbleiterschalter, in weit, e Freilaufdioden inte¬ griert sind; werden jedoch für die erfindungsgemäße Schal¬ tung Halbleiterschalter verwendet, die keine solche inte¬ grierten Freilaufdioden besitzen, so ist nach einem wei- teren Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß zumindest den in wechselnder Folge (Takt requenz) periodisch betätigten Halbleiterschaltern Freilaufdioden parallel geschaltet sind. Durch diese Maßnahme ist verhindert, daß der Last¬ strom beim Umpolen der taktmäßig betätigten paarweise an- geordneten Halbleiterschalter unterbrochen wird.
Die Größe des Verhältnisses von Umpolfrequenz zur Takt¬ frequenz bestimmt die Regelgüte der Schaltung; je größer dieses Verhältnis ist, um so kleiner kann die Drossel ge- macht werden. Es ist daher zweckmäßig, dieses Verhältnis mit etwa 1 : 1000 vorzugsweise sogar höher anzusetzen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher beschrieben. Es zeigen: Die Fig. 1 bis 3 drei verschiedene Schaltungen; die Fig. 4 und 5 Spannungs- bzw. Stromverlaufdiagramme; Fig. 6 ein .Impulsdiagramm zur taktmäßigen Steuerung der Halbleiterschalter und Fig. 7 ein Detail aus dem Strom¬ verlaufdiagramm nach Tig. 5 in einem erheblich vergrößer¬ ten Maßstab.
Fig. 1 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßeπ Schaltung. Als Spannungsquelle dient hier eine Batterie B mit einer Mittelanzapfung und mit der Klemmenspannung U. Der die Drossel D und die Last L in Reihenschaltung aufweisende Leitungszweig 3 ist einerseits an der Mittelanzapfung der Batterie B ange¬ schlossen, andererseits zwischen den beiden gesteuerten Halbleiterschaltern T, und T«, von denen jeder für sich mit einer Klemme der Batterie B verbunden ist, so daß jeder für sich mit der Drossel D und der Last L in Serien- Schaltung liegt. Die Steuerung der Halbleiter wird im nachfolgenden noch im einzelnen erläutert. Hier ist vor¬ erst nur einmal festzuhal en, daß während einer ersten Zeitspanne der Halbleiterschal er T, taktmäßig laufend geöffnet und geschlossen wird (Taktfrequenz) und während dieser Zeitspanne der andere Halbleiterschalter T_ offen ist. Dieses fortlaufende öffnen und Schließen des einen Schalters, während der andere Schalter offen ist, wird hier und im folgenden als Taktfrequenz bezeichnet. Nach Ablauf dieser ersten Zeitspanne wird nun der Schalter T, offengehalten, wogegen nun fortlaufend der andere Schalter T„ geöffnet und geschlossen wird, also takt¬ mäßig betätigt wird. Dieser Wechsel in der Betätigung der Schalter T. und T~ wird hier und im folgenden Umpol¬ frequenz genannt. Dieser Vorgang kann nun beliebig oft wiederholt werden. Während der eine Halbleiterschalter T. taktmäßig betätigt wird, fließt der Strom in der einen Richtung (Pfeil 4) durch die Last L. Während der Halblei¬ terschalter T„ taktmäßig betätigt wird, fließt der Strom in umgekehrter Richtung durch die Last. Die Höhe des
Laststromes hängt nun einerseits ab von der Induktivität der Drossel, und der Taktfrequenz der Schalter T, und T_; die Zeitdauer des Stromflusses in jeweils einer Richtung von der Umpolfrequenz. Sowohl die Taktfrequenz wie auch die Umpolfrequenz sind durch verschiedene Größen steuer¬ bar, darauf wird noch im folgenden eingegangen werden.
Eine weitere Schaltung, mit der besonders niederfrequente Spannungen bzw. Ströme, ausgehend von einer Gleichspannung, gewonnen werden können, ist in Fig. 2 gezeigt. An den Klemmen XY der Schaltung liegt die Spannung U, parallel zu den Halbleiterschaltern T. und T„, sind Freilaufdioden D. und D„ vorgesehen. In Serie mit der Last L und der Drossel D ist je ein Kondensator C in unterschiedlichen Stromkreisen angeordnet, so daß der Last und Drossel in Serienschaltung beinhaltende Leitungspfad über zwei Kon¬ densatoren, welche bezüglich der Last und der Drossel je¬ weils für sich in Serienschaltung, jedoch in verschiedenen Leitungspfaden liegen, an unterschiedlichen Potentialen der Speisespannung angeschlossen ist, wobei die Kondensatoren C an denselben Potentialen der Speisespannung U angeschlossen sind wie die gesteuerten Halbleiterschalter T. und T_. Auch bei dieser Schaltung werden die gesteuerten Halbleiter¬ schalter T, und T„ im Sinne der oben erwähnten Taktfre¬ quenz bzw. Umpolfrequenz. betätigt. Die Frequenz der an der Last '-anstehenden Spannung ist dabei u. a. abhängig von der Kapazität und der Zeitkonstanten der Kondensa¬ toren.
Eine Schaltung, die allen Forderungen zu genügen vermag, und welche eine unmittelbare Weiterbildung der vorstehend erläuterten Schaltungen darstellt, ist nun in Fig. 3 ge¬ zeigt.
Diese gleichspannungsgespeis e Schaltung ist als Brücken¬ schaltung ausgebildet. In jedem äußeren Zweig dieser Brückenschaltung ist ein Transistor T. bis T. angeordnet. Zwei dieser Transistoren, nämlich die Transistoren T, und T«» die zwischen den Anschlußpunkten X und Y für die Versorgungsspannung U liegen, weisen parallel geschaltete Freilaufdioden D. und D~ auf. Auch den anderen beiden Transistoren T, und T. sind jweils Dioden D, und D. zu Schutzzwecken parallel geschaltet. Die Basen B. bis BΔ der Transistoren T1 bis T. sind beispielsweise mit integrierten Schaltkreisen verbunden, die hier jedoch nicht dargestellt sind. Im Diagonalzweig der Brücken- schaltung ist die Last L an den Klemmen A und E ange¬ schlossen. Auch hier kommen als Last ohmische, induktive und kapazitive Widerstände in Frage, aber auch solche, die ein komplexes Widerstandsverhalten aufweisen. Zwi¬ schen der Klemme A und dem Anschlußpunkt F zwischen den beiden als Halbleiterschalter dienenden Transistoren T. und T« ist die Drossel D angeschlossen. Ferner ist hier noch ein Kondensator C parallel zur Last vorgesehen. Anstelle dieses zur Last L parallelen Kondensators kann ein anderer Kondensator C vorgesehen werden, dessen eine Elektrode zwischen der Last L und der Drossel D liegt und dessen andere Elektrode am Anschlußpuπkt Y für die Ver¬ sorgungsspannung U liegt, die das niedrigere Potential aufweist. Dies ist in Fig. 3 mit einer strichlierten Linie angedeutet. Im betriebsmäßigen Einsatz der Schal- tung werden die als Halbleiterschalter dienenden Transis¬ toren T, und T„ im Sinne der oben geschilderten Takt¬ frequenz und Umpolfrequenz betätigt. Hingegen werden die als Halbleiterschalter dienenden Transistoren T, und T. nur der Umpolfrequenz entsprechend umgeschaltet. Fig. 6 veranschaulicht eine Impulsfolge, mit welcher die Basen der Transistoren T, und T_ angesteuert werden kön¬ nen. Dabei bedeutet PD die Periodendauer; ED die Ein¬ schaltdauer (Impulslänge) und TL die Tastlücke. Das Verhältnis zwischen Einschaltdauer ED und Perioden¬ dauer PD wird als Tastverhältnis bezeichnet. Dieses Tastverhältnis ist am nicht dargestellten, beispiels¬ weise erwähnten integrierten Schaltkreis einstellbar und veränderbar.
Die vorstehend in ihrem prinzipiellen Aufbau erläuterte Schaltung nach Fig. 3 soll nun zum Betrieb einer gleich- spannungsgespeisten Gasentladungslampe verwendet werden, die in Fig. 3 durch die Last L versinnbildlicht ist. Der Betrieb einer Gasentladungslampe mit Gleichspannung ist dem mit Wechselspannung vorzuziehen, da die Gasentladungs¬ lampe in diesem Fall weniger flackert und eine höhere Licht¬ ausbeute zeigt. Der einzige Nachteil ist der, daß beim dauernden Betrieb mit Gleichspannung im .Elektrodenbereich der Gasentladungslampe sich Ablagerungen ansammeln, ver- ursacht durch den stets in gleicher Richtung strömenden Ionenfluß. Um diese Ablagerungen zu vermeiden, wird da¬ her die Lampe wiederholt umgepolt, wozu bislang me¬ chanische Schalter verwendet worden sind. Mittels der geschilderten Schaltung geschieht dies im einzelnen auf nunmehr elektronische Weise wie folgt:
Die an den Klemmen X, Y anliegende Gleichspannung U kann entweder direkt aus einem Gleichspannungsnetz ent¬ nommen werden, sie kann aber auch über einen Umformer (Wechselstrom/Gleichstrom) bereitgestellt werden. Die Transistoren T. bis T. dienen als elektronische Schalter und ihre Basen werden von der Größe des Betriebsstromes über Impulsfolgen nach Fig. 6 gesteuert. In der ersten Phase des Betriebs sind die Transistoren T, und T. ge- schlössen, die Transistoren T„ und T, hingegen offen. Der Transistor T. bzw. dessen Basis B, ist dabei von einer in Fig. 6 gezeigten Impulsfolge angesteuert. Während der Einschaltdauer ED eines Impulses ist der Transistor T, geschlossen und Gleichstrom fließt von der Klemme X über den Transistor T. , die Drossel D und die Lampe L über den während dieser ßetriebsphase stets geschlossenen Transistor T. zur Klemme Y. Bevor die Nenn¬ größe des Lampenbetriebsstromes erreicht ist, das ist - zeitlich gesehen - am Ende der Einschaltdauer ED des
Steuerimpulses, öffnet der Transistor T., der Stromfluß aus dem Netz wird unterbrochen und die in der Drossel D durch den Stromfluß aufgebaute magnetische Energie wird nun in elektrische Energie umgesetzt und liefert eine Gegenspannung, die bis zum Einschaltzeitpunkt des nächsten Steuerimpulses, also während der Tastlücke TL, den Strom¬ fluß durch die Lampe L in gleicher Richtung aufrechter¬ hält, wobei die in der Drossel gespeicherte Energie abge¬ baut wird. Nun wird über den nächstfolgenden Steuerimpuls an die Basis B. des Transistors T, dieser wiederum ein¬ geschaltet, also geschlossen und dadurch neuerlich Energie und Strom aus dem Netz in der beschriebenen Weise der Schaltung zugeführt, bis kurz vor neuerlichem Erreichen der Nenngröße des Lampenbetriebsstromes, worauf der er- wähnte Umschaltvorgang neuerlich eingeleitet und durch¬ geführt wird. Während dieser Zeit ist die Lampe L stets in gleicher Richtung vom Strom durch lössen. Die be¬ schriebenen Steuervorgänge sind sehr kurz und spielen sich in Bruchteilen von Sekunden ab. Während dieser ersten Phase, während der der Transistor T, taktweise laufend ge¬ öffnet und geschlossen wird, ist der Transistor T. stets geschlossen. Um die oben erwähnten schädlichen Ablagerun¬ gen infolge des Gleichspanπungsbetriebes der Gasentla¬ dungslampe zu vermeiden, wird nun nach einiger Zeit die Lampe L umgepolt. Dies geschieht nun dadurch, daß die
Transistoren T. und T. geöffnet werden, der Transistor T, wird geschlossen und der Transistor T„ wird in der Weise über seine Basis B. taktweise angesteuert, wie dies im Zusammenhang mit dem Transistor T. beschrieben worden ist. Der Stromfluß in der Lampe wird dadurch umgekehrt. Beim Einsatz einer Gasentladungslampe als Last L kann bei der hier geschilderten Betriebsweise auf den Kondensator C verzichtet werden.
Ist die Periodendauer PD der Steuerimpulse (Taktfrequenz) abhängig von der Zeitkonstanten der Drossel D, so kann die Umpolfrequenz beispielsweise von der Netzfrequenz her ab¬ geleitet und gesteuert werden, wenn die Gleichspannung an den Anschlußklemmen X, Y der Schaltung über einen hier nicht dargestellten Wechselstrom - Gleichstromumformer gewonnen wird. Auch andere Steuerfrequenzen für die Um- polung können mit Erfolg eingesetzt werden. Die Perioden¬ dauer der Umpol requenz ist dabei stets größer als die Periodendauer der Steuerimpulse (Taktfrequenz) . Dienen die parallel zu den Transistoren T, und T_ geschalteten Dioden D. und D_ als Freilaufdioden, die den Stromfluß aufrechterhalten , . wenn die Transistoren T, und T~ impuls¬ gesteuert öffnen und schließen, so haben die Dioden D, und D. parallel zu den Transistoren T, und T^ Schutzfunktion.
Der Stromverlauf durch die Gasentladungslampe L nach der Schaltung nach Fig. 3 und der oben geschilderten Be- triebsweise ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Im großen gesehen handelt es sich um einen trapezförmigen Verlauf mit wechselndem Vorzeichen. Die Periode P dieser Folge hängt ab von der Umpolfrequenz. Wird der im Schau¬ bild mit gerader Linie gezeigte Stromverlauf sozusagen vergrößert dargestellt, so ergibt sich eine Linie, die in Fig. 7 gezeigt ist und die den in Fig. 5 eingekreisten Abschnitt G sozusagen in einem vergrößerten Maßstab dar¬ stellt. Diese Linie verläuft gezackt, ihr Anstieg bzw. ihr Abfall wird bestimmt durch das Widerstandsverhalten von Drossel D und Last L, ihre Umkehrpunkte sind abhängig von der Taktfrequenz und ihre Glätte (schraffierte Flächen) wird bestimmt durch die Glättungskondensatoren C nach der Schaltung in Fig. 3.
Anstelle eines Stromverlaufes, wie ihn Fig. 5 zeigt, kann auch beispielsweise ein Spannungsverlauf erzwungen werden, wie er in Fig. 4 dargestellt ist.
Zur Steuerung der Taktfrequenz bzw. der Umpol requenz können schaltungsinhärente elektrische Größen herangezogen werden, das sind also Größen, die beispielsweise an der Last L gemessen werden können, wie Spannung, Spannungs¬ anstieg, Strom, Stromanstieg, Wirk- oder Scheinlast. Beim vorstehnd im Zusammenhang mit Fig. 3 erläuterten Aus¬ führungsbeispiel wurde der Laststrom zur Steuerung der Taktfrequenz für die Halbleiterschalter T. und T. heran¬ gezogen, d. h., die Halbleiterschalter T. und T. wurden taktmäßig jeweils geöffnet, bevor der Laststrαm den Lam- pennennstrom erreicht hat 'und wieder eingeschaltet, so¬ bald dieser etwas abgesunken war. Die Stromwerte, bei welchen ein- bzw. abgeschaltet worden ist, sind im Schau¬ bild nach Fig. 7 mit I.- bzw. I.bezeichnet. Die Umpol¬ frequenz (P - Fig.. 5) wurde von der Frequenz eines üb¬ lichen Wechselspannungsversorgungsnetzes mit 50 Hertz ab¬ geleitet. Eine Steuerung von oder über eine schaliungsun- abhängige Größe, wie hier die Netzfrequenz eines Wechsel¬ spannungsversorgungsnetzes, wird als Fremderregung be¬ zeichnet.
Bei der Schaltung nach Fig. 2 hingegen kann die Umpol¬ frequenz gesteuert werden vom Spannungsanstieg an den Kondensatoren C (Eigenfrequenz). Weitere Steuerungsmög¬ lichkeiten für die Taktfrequenz ergeben sich aus der Wahl des Verhältnisses der Einschaltdauer ED zur Aus¬ schaltdauer TL oder aber durch die Änderung der Puls- dauer PD (Pulsweitenmodulation). Zur Steuerung der Takt¬ frequenz werden dabei zweckmäßigerweise programmierbare Prozessoren herangezogen, mit welchen Regelkurven und Steuerkurven jeder beliebigen Form erzielt werden können. Wurde vorstehend anhand der Fig. 3 der Betrieb einer Gasentladungslampe L näher erläutert, so ist hier zu erwähnen, daß als Last auch andere Geräte oder Apparate eingesetzt werden können. Beispielsweise ein Wechselstrom¬ motor, welchem eine hinsichtlich ihrer Frequenz und Größe veränderbare Wechselspannung zugeführt werden kann, um so Drehzahl und Drehmoment in weiten Grenzen zu regeln.
Zurückkommend auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und dem Betrieb einer Gasentladungslampe L mit der hier gezeigten Schaltung ist noch ergänzend zu erwähnen: Durch das Umpolen der Schalter T, und T« bzw. T, und T. wird erreicht, daß die Lampe in wechselnder Folge, abhän¬ gig von der Umpol requenz der Schalter, vom Strom in wechselnder Richtung durchflössen wird, so daß- die unerwünschten Ablagerungen an den Elektroden vermieden werden können. Mit der erwähnten Schaltung kann aber auch die Helligkeit dieser Lampen auf einfache Weise dadurch geregelt werden, daß beispielsweise die Ein¬ schaltdauer ED des Steuerimpulses für die taktmäßige Steuerung der Halbleiterschalter verkürzt wird.
Es ist möglich, Taktfrequenz und/oder Umschaltfrequenz von gänzlich schaltungsunabhängigen Größen zu steuern und zu regeln. Dazu dienen Prozessoren, die beliebig programmierbar sind, so daß Steuerkurven vielfältigster Formen erzieltwerden können. Das kann so weit gehen, daß die Taktfrequenz ein nicht periodisches Verhalten zeigt, dies gilt auch für die Umpolfrequenz, sofern beide von schal ungsunabhängigen Größen, also von außen her gesteuert und beeinflußt werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Gleichspannungsgespeiste Schaltung zur Erzeugung von Spannungen und/oder Strömen unterschiedlicher Kurven¬ form und/oder unterschiedlicher Frequenz und/oder un¬ terschiedlicher Polarität mit mindestens einer Last, gekennzeichnet durch eine mit dieser Last in Serie ge¬ schalteten Drosselspule und mindestens zwei gesteuer¬ ten Halbleiterschaltern, welche bezüglich der Last und der Drosselspule jeweils für sich in Serienschaltung, jedoch in verschiedenen Leitungspfaden liegen und diese Leitungspfade an unterschiedlichen Potentialen der
Speisespannung angeschlossen sind, wobei im betriebs¬ mäßigen Einsatz der eine Schalter offen ist, während der andere Schalter in wechselnder Folge geöffnet und geschlossen ist und nach Ablauf einer einstellbaren oder ansteuerbaren Zeitspanne der bislang in wechseln¬ der Folge (Taktfrequenz) betätigte Schalter offengehal¬ ten ist, wogegen der bislang offene Schalter in wechseln¬ der Folge geöffnet und geschlossen ist und diese Wechsel¬ folge der Schalterbetätigung (Umpolfrequenz) sich ständig wiederholt.
2. Gleichspannungsgespeiste Schaltung nach Anspruch 1, da¬ durch gekennzeichnet, daß der Last und Drossel in Serienschaltung beinhaltende Leitungspfad an einem Mittelwert der Speisespannung angeschlossen ist.
3. Gleichspannungsgespeiste Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Last und Drossel in Serienschaltung beinhaltende Leitungspfad über minde¬ stens zwei Kondensatoren, welche bezüglich der Last und der Drosselspule jeweils für sich in Serien- Schaltung, jedoch in verschiedenen Leitunqspfaden liegen, an unterschiedlichen Potentialen der Speise-. Spannung angeschlossen ist, wobei die Kondensatoren an denselben Potentialen der Speisespannung angeschlossen sind wie die gesteuerten Halbleiterschalter.
4. Gleichspannungsgespeiste Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Last und Drossel in
Serienschaltung beinhaltende Leitungspfad über min¬ destens zwei weitere steuerbare Halbleiterschalter, welche bezüglich der Last und der Drosselspule je¬ weils für sich in Serienschaltung, jedoch in ver- schiedenen Leitungspfaden liegen, an unterschiedli¬ chen Potentialen der Speisespannung angeschlossen sind, wobei diese Halbleiterschalter in der Periode der Um¬ polfrequenz der anderen Halbleiterschalter geöffnet bzw. geschlossen sind und so in Verbindung mit Last und Drosselspule jeweils einen geschlossenen Stromkreis bilden, in welchem die Richtung des Stromflusses der Umpol frequenz entsprechend sich ändert.
5. Gleichspannungsgespeiste Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Last ein Kondensator angeschlossen ist.
6. Gleichspannungsgespeiste Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwi¬ schen der Drossel und der Last ein Kondensator an¬ geschlossen ist, dessen andere Elektrode mit jenem Anschlußpunkt für die Versorgungspannung verbunden ist, der von den beiden Anschlußpunkten für diese Ver¬ sorgungsspannung das niedrigere Potential aufweist.
7. Gleichspannungsgespeiste Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu- mindest den in wechselnder Folge (Taktfrequenz) periodisch betätigten Halbleiterschaltern Freilaufdioden parallel geschaltet sind.
8. Gleichspannungsgespeiste Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Umpol¬ frequenz zur Schaltfrequenz der Schalter (Taktfrequenz) etwa 1 : 1000, vorzugsweise mehr beträgt.
Gleichspannungsgespeiste Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Takt- und/oder Umschaltfrequenz, wel¬ che die an der Last anliegende Spannung und/oder den die Last durch ließenden Strom jeweils nach Größe und Verlauf bestimmen, schaltungsinhärente elektrische Größen (Spannungshöhe, Spannungsanstieg, Stromhöhe, Stromanstieg, Wirkleistung, Scheinleistung oder ähnl.) dienen (Eigenerregung).
10. Gleichspannungsgespeiste Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Steuerung der Takt- und/oder Umpolfrequenz, welche die an der Last anliegende Spannung und/oder den die Last durchfließenden Strom jeweils nach Größe und Verlauf bestimmen, schaltungsunabhängige Größen dienen (Fremderregung).
11. Gleichspannungsgespeiste Schaltung nach Anspruch 9, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Umpolfrequenz bestimmt ist durch die Größe und/oder den Anstieg der Lade¬ spannung eines mit der Last in Reihe liegenden Konden- sators (Eigenerregung).
12. Gleichspannungsgespeiste Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die von schaltungsunabhängi¬ gen Größen bestimmte Umpol requenz von der Frequenz eines Wechselspannungsversorgungsnetzes abgeleitet ist (Fremderregung)
13. Gleichspannungsgespeiste Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der an der Last anliegenden Spannung und/ oder des die Last durchfließenden Stromes das Ver- hältnis der Einschaltdauer zur Ausschaltdauer pro
Periode der jeweils in Taktfrequenz geschalteten Halb¬ leiter und/oder Pulsweitenmodulation dient.
14. Gleichspannungsgespeiste Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gates und/oder Basen mindestens der nicht auf ruhendem Potential liegenden Halbleiterschalter über Transformatoren oder Pulstransformatoren angesteuert sind.
15. Gleichspannungsgespeiste Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die
Last eine Gasentladungslampe ist.
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