DE1084761B

DE1084761B - Elektronischer Schalter fuer aus einem Wechselstromnetz gespeiste Verbraucherkreise

Info

Publication number: DE1084761B
Application number: DES57550A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Rudolf Weppler
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1958-03-27
Filing date: 1958-03-27
Publication date: 1960-07-07
Also published as: BE576734A

Description

In der Hauptpatentanmeldung ist ein elektronischer Schalter für aus einem Wechselstromnetz gespeiste Verbraucherkreise angegeben, der wie ein Stromtor mit Anschnittsteuerung arbeitet. Er besteht aus Transistoren, die mittels eines sättigungsfreien Stromwandlers überkritisch rückgekoppelt sind. Das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers darf dabei höchstens gleich dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors sein. Da die Steuerleistung fast gänzlich dem Verbraucherkreis entnommen wird, kommt man mit kleinen Steuersätzen aus. Als Transistoren werden vorteilhaft Siliziumtransistoren verwendet, mit dem man Verbraucherleistungen in der Größenordnung von kW steuern kann.

Im Hauptpatent sind auch schon verschiedene An- ¹S wendungsmöglichkeiten' für den neuen elektronischen Schalter angegeben worden. Dabei ist meist in Reihe mit jedem Transistor ein Ventil geschaltet, das dem Kollektorstromkreis die Stromrichtung· aufprägt. Aus diesem Grundelement können Zweiweggleichrichter-, Antiparallelschaltungen usw, aufgebaut werden.

Nähere Untersuchungen haben ergeben, daß die maximal erzielbare Ausgangsleistung bei den heute zur Verfügung stehenden Siliziumtransistoren nicht durch die Erwärmung, sondern allein durch die Höhe des maximal zulässigen Kollektorstromes begrenzt wird. Dies führt zu der auf den ersten Blick überraschenden Tatsache, daß zwei Transistoren in Zweiweg- bzw. Antiparallelschaltung keine höhere Leistung beherrschen können als ein einziger Transistor, wenn dieser beide Halbwellen der Netzwechselspannung steuert.

Für einen derartigen elektronischen Schalter für aus einem Wechselstromnetz gespeiste Verbraucherkreise mit einem Transistor, der über einen sättigungsfreien Stromwandler derart überkritisch rückgekoppelt ist, daß das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers höchstens gleich dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors ist, wird unter Zugrundelegung obiger Erkenntnis gemäß der Erfindung der Transistor in bereits anderweitig vorgeschlagener Weise im Gleichstromzweig einer Graetz-Brücke angeordnet und der vom Wandler gelieferte Rückkopplungsstrotn durch eine weitere Graetz-Brücke gleichgerichtet.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Fig. 1 bezieht sich auf die Steuerung eines Verbraucherwechselstromes. Der Transistor 1 liegt im Gleichstromzweig einer Graetz-Brücke 6, so daß er stets nur in einer Richtung vom Strom durchflossen wird, aber beide Halbwellen steuern kann. In Reihe mit der Graetz-Brücke und dem Wechselstromverbraucher 11 ist die Primärwicklung 3 des Stromwandlers 2 angeordnet. Die Sekundärwicklung 4 speist über eine Graetz-Brücke Elektronischer Schalter

für aus einem Wechselstromnetz

gespeiste Verbraucherkreise

Zusatz zur Patentanmeldung S 57104 Villa/ 21 a *
(Auslegesdirift 1 061 823).

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Rudolf Weppler, Nürnberg,
ist als Erfinder genannt worden

13 den Rückkopplungskreis. Zur Steuerung des Transistors ist ein Steuersatz 21 vorgesehen, der wie beim Schalter nach dem Hauptpatent ausgebildet sein kann. Die von ihm gelieferte Steuergröße leitet in jeder Halbwelle die Öffnung des Transistors ein, die dann von der Rückkopplung vollendet wird. Ein Widerstand 7 dient zur Entkopplung vom Rückkopplungskreis.

In der Anordnung nach Fig. 1 sind noch weitere Schaltungselemente dargestellt, die sich für den praktischen Betrieb als vorteilhaft erwiesen haben. Beispielsweise hat sich gezeigt, daß bei rein ohmscher Last die Verbraucherspannung der Netzspannung nach erfolgter »Zündung« nicht ganz bis zu deren Nulldurchgang folgt, sondern der Transistor bereits knapp vor dem Nulldurchgang sperrt, so daß der Arbeitsstrom plötzlich abreißt. Dies führt aber dazu, daß in der Sekundärwicklung 4 des Wandlers 2 eine Spannung induziert wird, die — nach Gleichrichtung in der Brücke 13 — den Transistor 1 sofort wieder zu öffnen sucht, so daß eine Steuerung im gewünschten Sinne nicht möglich wäre.

Um dies zu verhindern, ist die Sekundärwicklung des Wandlers durch einen Widerstand 12 abgeschlossen und in den Rückkopplungsstromkreis eine Gegenspannung eingeführt, die im Ausführungsbeispiel an einem Stellwiderstand 16 abgegriffen wird. Zur Erzeugung der Gegenspannung dient ein an Wechselstromklemmen 19, 20 angeschlossener Gleichrichtersatz 18 mit Glättungsdrossel 17. Die Gegenspannung ist so groß bemessen, daß der Spannungs-

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abfall des Magnetisierungsstromes am ohmschen Widerstand 12 stets kleiner als die Gegenspannung ist und daher den Transistor 1 nicht unbeabsichtigt öffnen kann.

Außerdem kann die Graetz-Brücke noch mit einer Reihenschaltung von ohmschem Widerstand 14 und Drossel 15 überbrückt sein. Der ohmsche Widerstand 14 hat den Zweck, für die Gegenspannung am Stellwiderstand 16 einen Umgehungsweg neben der Graetz-Brücke 13 zu schaffen. Bekanntlich weist jeder Transistor einen gewissen Leckstrom auf, d. h., es fließt im Sperrzustand Strom vom Kollektor über die Basis und den Steuerkreis zum Emitter. Dieser Leckstrom kann an einem Widerstand im Steuerkreis einen so großen Spannungsabfall erzeugen, daß der Transistor unbeabsichtigt geöffnet wird. Um dies zu vermeiden, muß der Spannungsabfall durch eine Gegenspannung kompensiert werden. Hierzu kann die bereits vorhandene Gegenspannung am Stellwiderstand 16 dienen, wobei nur dafür gesorgt werden muß, daß sie nicht durch die Graetz-Brücke 13, die ja entgegensetzte Durchlaßrichtung hat, gesperrt wird.

Die Drossel 15 unterstützt die Gegenspannung insofern, als sie ihren Stromfluß aufrechtzuerhalten trachtet und daher bei abnehmendem Rückkopplungsstrom gegen Ende der Halbwelle eine Spannung in den Rückkopplungskreis einführt, die den Transistor zu sperren sucht.

Zur Steuerung eines Verbrauchergleichstromes wird der Verbraucher in Reihe mit dem Transistor in den Gleichstromzweig der Graetz-Brücke gelegt. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Es bezieht sich auf die Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, wobei der Schalter als Regler wirkt. Die einzelnen Schaltungselemente sind, soweit sie mit denen der Fig. 1 übereinstimmen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Eine Gegenspannung 16, die hier nur angedeutet ist, sorgt wie bei der Einrichtung nach Fig. 1 dafür, daß der Spannungsabfall des Magnetisierungsstromes am Widerstand 12 den Transistor nicht unbeabsichtigt öffnen kann.

Mit dem Motor 11 ist ein Tachometergenerator 22 mechanisch gekuppelt, der in bekannter Weise eine der Drehzahl proportionale Spannung als Istgröße erzeugt. Sie wird mit der Sollspannung verglichen, und die Regelabweichung beeinflußt den Steuersatz 21. Nach Bedarf können Rückführungen (z. B. zur Strombegrenzung), Störwerte usw. auf den Steuersatz geschaltet werden. Parallel zu der ohmisch-induktiven Last ist eine Nullanode 23 angeordnet.

Wie bereits früher erwähnt, darf der Transistor 1 höchstens den maximal zulässigen Kollektorstrom führen. Der Kollektorstrom ergibt sich unmittelbar aus dem Quotienten von Netzspannungsscheitelwert und Impedanz im gesamten Stromkreis. Würde der so ermittelte Maximalstrom den zulässigen Kollektorstrom überschreiten, so muß durch geeignete Mittel eine Strombegrenzung vorgenommen werden. Dies kann auf verschiedene Arten geschehen. Beispielsweise kann man die Netzspannung mit Hilfe eines Transformators, insbesondere eines Autotransformators, herabsetzen. Ferner kann man, wie in Fig. 2 dargestellt, eine Drossel 24 im Wechselstromkreis anordnen. Den gleichen Zweck erfüllt auch ein ohmscher Vorwiderstand im Gleichstromkreis, d. h. in Reihe mit dem Transistor, wobei allerdings Wirkverluste im Vorwiderstand auftreten. Außerdem kann man in Reihe zu dem Gleichstromverbraucher eine Drossel L schalten, so daß der Kollektorstrom nur proportional der Zeit ansteigen kann. Durch eine Strombegrenzungsschaltung muß der Transistor dann rechtzeitig geschlossen werden, damit der maximale Kollektorstrom nicht überschritten wird. Welche dieser Maßnahmen angewandt wird, hängt maßgeblich von den Daten des Transistors und der Belastung ab.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronischer Schalter für aus einem Wechselstromnetz gespeiste Verbraucherkreise mit einem Transistor, der über einen sättigungsfreien Stromwandler derart überkritisch rückgekoppelt ist, daß das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers höchstens gleich dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors ist, nach Patentanmeldung S 57104 VIII a/21a¹, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor im Gleichstromzweig einer Graetz-Brücke (6) liegt und daß der vom Wandler gelieferte Rückkopplungsstrom durch eine Graetz-Brücke (13) gleichgerichtet ist.

2. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärseite des Wandlers durch einen ohmschen Widerstand (12) abgeschlossen ist.

3. Elektronischer Schalter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Rückkopplungskreis eine Gegenspannung eingeführt ist, die größer als der Spannungsabfall des Magnetisierungsstromes des Wandlers an dem Abschlußwiderstand (12) ist.

4. Elektronischer Schalter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Graetz-Brücke für den Rückkopplungsstrom mit einem Widerstand (14) überbrückt ist, so daß die Gegenspannung ein Öffnen des Transistors infolge des Leckstromes verhindert.

5. Elektronischer Schalter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Überbrückungswiderstand eine Drossel (15) in Reihe liegt, die die Gegenspannung unterstützt.

6. Elektronischer Schalter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzspannung so hoch gewählt ist, daß der maximal zulässige Kollektorstrom des Transistors nicht überschritten wird.

7. Elektronischer Schalter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreis eine Impedanz zur Begrenzung des Kollektorstromes angeordnet ist.

8. Elektronischer Schalter nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Drossel im Wechselstromkreis.

9. Elektronischer Schalter nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Widerstand im Gleichstromkreis.

10. Elektronischer Schalter nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Drossel im Gleichstromkreis und die Anwendung einer Strombegrenzerschaltung.

11. Verwendung des elektronischen Schalters nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Regler, insbesondere für die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 063 208.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen