DE1018535B - Einrichtung zum Umwandeln von elektrischen Energieimpulsen in solche von kuerzerer Dauer und hoeherer Leistung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Aufgabe, elektrische Energieimpulse in solche von kürzerer Dauer und höherer Leistung umzuwandeln, insbesondere auf die Aufgabe, Gas- oder Dampfentladungsgefäße mit Hilfe von Transistoren zu steuern. Ein verhältnismäßig großer Zündleistungsbedarf liegt vor allem bei zündstiftgesteuerten Entladungsgefäßen vor, wie sie beispielsweise in der Schweißtechnik verwendet werden. Transistoren können aber ohne weiteres nur mit verhältnismäßig geringer Leistung im Verhältnis zu der zur Zündung eines Ignitron« erforderlichen Leistung belastet werden.

Würde man das Prinzip der Kondensatorladung und -entladung verwenden, d. h. würde man, wie in Fig. 1 dargestellt, einen Kondensator 1 über einen Ladewiderstand 2 aufladen und den Kondensator über einen Transistor 3 entladen, indem man diesen plötzlich aufmacht, so müßte gerade durch den Transistor die ganze Zündleistung gesteuert werden. Auch ein zwischen Transistor 3 und Entladungsgefäß 5 geschalteter Transformator 4 würde daran nichts ändern, sondern höchstens zusätzlich Verluste bedingen, die ebenfalls vom Transistor gedeckt werden müßten.

Nun handelt es sich meist darum, Energieimpulse zwar hoher Leistung, jedoch nur kurzer Dauer zu erzeugen. Ein Beispiel hierfür ist die erwähnte Zündung von Ignitronen. Es steht daher der Weg offen, die vom Transistor steuerbare Leistung, d. h. diejenige Leistung, die er ohne unzulässige Eigenerwärmung steuern kann, über längere Zeit zu integrieren und dann in einem kurzen Impuls abzugeben.

In Anlehnung an eine bekannte Schaltung mit einer Elektronenröhre (deutsche Patentschrift 677 824) wird man zu diesem Zweck eine Reihenschaltung aus einem Transistor und einer Sättigungsdrosselspule verwenden, die eine im Verhältnis zu ihrer Sättigungsinduktion geringe Remanenz hat und sich entsprechend der Aussteuerung des Transistors aufmagnetisiert. Die gewünschten EnergieimpUilise treten als Überspannungsimpuäse an der Drosselspule dann auf, wenn der Transistor plötzlich gesperrt wird. Man wird also den Transistor mit einem vorgegebenen Wert kontinuierlich aussteuern und diese Aussteuerung in dem Augenblick unterbrechen, in dem der Energieimpuls gewünscht wird. Die Drosselspule wird vorteilhaft mit einer Sekundärwicklung zum Anschluß des Verbrauchers versehen. Durch das Windungszahlverhältnis dieser Sekundärwicklung zur eigentlichen Drosselspulenwicklung können Spannung und Strom des Impulses in gewünschter Weise beeinflußt werden. Es ist vorteilhaft, für den Kern der Drosselspule einen Werkstoff zu wählen, bei dem der Unterschied zwischen S ättigungs induktion und Remanenz möglichst Einrichtung zum Umwandeln

von elektrischen Energieimpulsen

in solche von kürzerer Dauer

und höherer Leistung

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Phys. Helmut Schwab, Nürnberg,
ist als Erfinder genannt worden

groß ist, da dieser Unterschied die Größe der von der Drossel im Impuls abgebbaren Energie bestimmt. Es kommen beispielsweise sogenannte Cu-Ni-Fe-Ausscheidüngsisoperme und Fe-Ni-Texturisoperme in Frage. Die Spannung ist außerdem um so größer, je plötzlicher der Transistor zum Sperren gebracht werden kann, d. h. je weniger Trägheit er besitzt. Zur näheren Erläuterung ist im folgenden wieder auf die Zeichnung Bezug genommen.

Fig. 2 zeigt s'chematiseh das Prinzip der Impulsumwandlung. Ein Transistor 3 in n-p-n-Ausführung liegt in Reihe mit der Wicklung 6 einer Sättigungsdroisselspule, deren Eisenkern mit 7 bezeichnet ist, und in Reihe mit einem Widerstand 8 an einer nicht mit dargestellten Gleichspannungsquelle. Wird den Eingangsklemmen 9 des Transistors 3 eine Steuerspannung zugeführt, so¹ wird der Transistor durchlässig, und der durch den Transistor fließende Strom magnetisiert die Drosselspule 6 auf. Der Widerstand 8 begrenzt dabei den Magnetisierungsstrom. Wird die Aussteuerung des Transistors 3 dann plötzlich unterbrochen, so- verlagert sich — vgl. die Magnetisierungskurve nach Fig. 3 ■— der Drosselspulenarbeitspunkt, der sich im Abschaltaugenblick im Punkte I befunden haben möge, infolge des zu Null werdenden Drosselspulenstromes in den Punkt II. Die dabei durchlaufene Induktionsdifferenz AB = B₁- B₁₁ bestimmt die Höhe des auftretenden Spannungsimpulses. Die Größe der speicherbaren Energie hängt von der Dimensionierung der Drosselspule und des Kernes ab. Die Impulsspannung kann entweder unmittelbar an

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der Drosselspule 6 oder, wie dargestellt, an einer Sekundärwicklung 10 zur Speisung eines an sich beliebigen Verbrauchers entnommen werden.

So einfach und naheliegend zunächst der Ersatz der Röhre in der Anordnung nach der deutschen Patentschrift 677 824 durch einen Transistor erscheint, so stellen sich der praktischen Ausführung einer solchen Schaltung doch ganz erhebliche Schwierigkeiten in den Weg. Dies hat seinen Grund darin, daß bei der

diesem Zweck wird in den Eingangskreis des Transistors ein zur Strombegrenzung dienender konstant ausgesteuerter Hilfstransistor gelegt, so daß der Arbeitsstrom, der mit dem Aufmagnetisierungsstrom identisch ist, immer die gleiche Größe hat. Es ist dann nur noch darauf zu achten, daß die Aufmagnetisierungen gleiche Dauer aufweisen, was ohne weiteres der Fall ist, wenn zur Steuerung des Transistors Halbwellen einer Wechselspannung dienen. Schwan-

Verwendung von Transistoren auf jeden Fall ein io kungen dieser Wechselspannung wirken sich nicht

Durchschlag bzw. eine Zerstörung verhindert werden mehr störend aus.

muß, welche durch Überschreitung der Sperrspannung Um auch andere- Einflußgrößen zu erfassen (hierzu des Transistors eintritt. Bei Elektronenröhren ist diese gehört beispielsweise auch eine Frequenzänderung der Forderung bei weitem nicht so kritisch, da in der genannten Wechselspannung), sind spannungsab-Regel immer noch ein gewisser Spielraum für Anoden- 15 hängige Widerstände bzw. Ventile vorgesehen, welche Überspannungen vorhanden ist. etwa noch auftretende Überspannungen ableiten. Bei Transistoren dagegen muß man, um sie wirt- Durch die Begrenzung des Arbeitsstromes des Transchaftlich auszunutzen, mit der Betriebssperrspannung sistors werden diese spannungsabhängigen Mittel im so knapp wie möglich an die Durchbruchspannung allgemeinen nicht in Tätigkeit treten müssen, was herangehen. Die zulässige Maximalsperrspannung ist 20 vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit einen erheb-

dadurch definiert, daß der von ihr verursachte Sperrstrom bei der größten zulässigen Erwärmung des Transistors noch so klein sein muß, daß die durch Kühlung abgeführte Wärme größer als die durch

liehen Vorteil bedeutet. Ihr Wirksamwerden ist ja mit einem Leistungsverlust verbunden.

Besondere Bedeutung hat die Erfindung, wie bereits eingangs erwähnt, wenn die Impulsstromwand-

Schalten entstehende oder zumindest dieser gleich ist. 25 lung zum Zwecke der Steuerung eines Entladungs-Wie ein Blick auf Fig. 3 zeigt, hängt die Induktions- gefäßes, insbesondere eines Ignitrons, verwendet differenz AB vor allem von der im Zuge der Aufmagnetisierung erreichten Feldstärke H der Drosselwird. Eine hierzu geeignete Schaltung ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Dort ist an die Sekundärwicklung 10 der Drossel 6 ein Ignitron 5 angeschlossolange die Sättigung des Kernmaterials noch nicht 3° sen, in dessen Zündstromkreis ein Begrenzungswidererreicht ist, auch die Induktionsdifferenz und damit stand 13 liegt. Dem Steuereingang des Transistors 3

spule ab. Ändert sich diese Endfeldstärke, so wird,

die Höhe des Spannungsimpulses der Drossel schwanken. Es kann leicht der Fall eintreten, daß auf diese Weise die zulässige Sperrspannung des Transistors überschritten wird, so daß es zu einer dauernden Veränderung von dessen Sperrschicht, d. h. zum Durchbruch kommt. Hierfür genügt unter Umständen bereits eine einmalige Überschreitung der Sperrspannung, da der Durchbruch, wenn er einmal einge-

wird eine periodisch Null werdende Steuerspannung über einen Hilfstransistor 11 zugeführt. Diese besitzt erfindungsgemäß eine konstante Aussteuerung über den Widerstand 14 und begrenzt den Steuerstrom für den Transistor 3, der beispielsweise von einer sinusförmigen Spannung geliefert wird. Dem Transistor 3 werden dadurch annähernd rechteckför-

mige Steuerspannungsimpulse zugeführt. Ein Widerleitet ist, bei jedem folgenden Impuls bis zur völligen 40 stand 15 parallel zu den Eingangsklemmen des Tran-Zerstörung des Transistors fortgesetzt wird.

Zur Vermeidung dieser Durchbräche kann die übliche Absicherung von Stromkreisen, beispielsweise mit thermischen Sicherungen, nicht genügen, da der

Der Magnetkern 7 der Drosselspule 6 magnetisiert sich, solange der Transistor 3 geöffnet ist, beständig auf und gibt seine Energie an die Sekundärwicklung 10 ab, wenn der Steuerstrom Null wird. Um ein peri-

sistors 3 dient zum Vorbeileiten des Steuerstromes des Transistors 11. Er führt bei Steuerspannung Null oder negativer Steuerspannung keinen Hauptstrom, so daß die Emitter-Basis-Strecke des Transi-

Durchbruchstrom meist wesentlich kleiner ist als der 45 stors 3 hochohmig ist. zulässige Durchlaßstrom — im vorliegenden Fall der
Aufmagnetisierungsstrom — und damit noch innerhalb des von der Sicherung zugelassenen Stromes
liegt. Abgesehen davon sind Sicherungen im allgemeinen zu träge, um eine Zerstörung des Transistors 50 odisches Zünden bei einem bestimmten Phasenwinkel zu verhindern. der an dem Entladungsgefäß 5 liegenden Betriebs-

Die Induktionsdifferenz A B und der entsprechende spannung zu erzeugen, muß die den Transistor 3 Spannungsimpuls hängen, wenn auch in geringerem steuernde Spannung in bekannter Weise die gleiche Maße, auch noch von anderen Einflußgrößen, beispiels- Frequenz wie die Betriebsspannung des Entladungsweise den Verhältnissen im Impulsstromkreis, von der 55 gefäßes haben und zu dieser in einer festen Phasen-Umgebungstemperatur usw. ab. beziehung stehen. Durch Änderung der Phasenlage Um nun die Anwendung von Transistoren zur der Steuerspannung kann der Zündzeitpunkt des Ent-Impulswandlung zu ermöglichen, wird gemäß der ladungsgefäßes 5 verschoben werden. Im dargestellten Erfindung vorgeschlagen, Mittel vorzusehen, die ein** Beispiel ist die Verschiebung des Zündwinkels durch unzulässige Sperrspannungsbelastung des Transistors 60 eine einstellbare Spannungsquelle 12 angedeutet, verhindern. Man erreicht auf diese Weise, daß ohne Gemäß der Erfindung ist ferner zur Vermeidung

Gefährdung für den Transistor dieser voll ausgenutzt und die maximal mögliche Impulshöhe erzielt werden kann.

Gemäß den obigen Ausführungen sind zur Begrenzung der Sperrspannungsbelastung des Transistors zwei verschiedene Maßnahmen zu treffen. Vor allem ist es vorteilhaft, die Endfeldstärke der Drosselspule konstant zu halten, so daß die Induktions-

von Überspannungen im Sperrzustand des Transistors 3 ein spannungabhängiger Widerstand 16 parallel zur Drosselspule 6 vorgesehen. Durch diesen Widerstand wird erreicht, daß die Amplitude des entstehenden Impulses nicht größer werden kann, als es die zulässige Sperrspannung des Transistors 3 gestattet. Der Widerstand 16 kann beispielsweise aus einer Reihe von hintereinandergeschalteten Trocken

differenz A B im wesentlichen immer gleichbleibt. Zu 70 gleichriohterzellen bestehen.

Es ist jedoch auch möglich, wie in Fig. 4 gestrichelt dargestellt, zur Verhinderung einer Überbeanspruchung des Transistors 3 in Sperrichtung statt des spannungsabhängigen Widerstandes 16 einen Gleichrichter zu verwenden, der in Sperrichtung au einer höheren Spannung liegt als die mit + bezeichnete· Klemme des Drosiselspulenstromkreises. Beim Überschreiten der zulässigen Impulsspannung wird das Ventil durchlässig und leitet die Spannung ab.

Statt des dargestellten n-p-n-Transistors können selbstverständlich, auch Transistoren anderen Typs oder andere steuerbare Halbleiter bei entsprechender Schaltungsabwandlung Verwendung finden. Durch die Erfindung erzielt man in jedem Fall einen Schutz des Halbleiters vor Zerstörung.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Umwandeln von elektrischen Energieimpulsen in solche von kürzerer Dauer und höherer Leistung unter Verwendung einer Reihenschaltung aus einem Schaltelement und einer Drosselspule, die eine im Verhältnis zur Sättigungsinduktion geringe Remanenz hat und sich entsprechend der Aussteuerung des Schaltelements aufmagnetisiert, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Transistors oder eines anderen steuerbaren Halbleiters als Schaltelement Mittel vorgesehen sind, die eine unzulässige Sperrspannungsbeanspruchung des Halbleiters verhindern.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Eingangskreis des Transistors ein zur Strombegrenzung dienender konstant ausgesteuerter Hilfstransistor liegt, wobei die Arbeitsspannung des Hilf stransistors aus einer periodisch Null werdenden Spannung besteht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß spannungsabhängige Widerstände, insbesondere Ventile, zur Begrenzung der Sperrspannung des Transistors dienen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 677 824.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

7:9 7E3.-1T1 10.57