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Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Laststromkreises mit Transistoren
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Steuerung eines Laststromkreises mit Transistoren,
welche für die Speisespannung des Laststromkreises nicht ausgelegt sind.
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Es ist bekannt, daß die Transistoren sehr empfindlich für 1Jberspannungen
sind, selbst wenn diese nur eine kurze Dauer haben. Diese Schwäche der Transistoren
verhinderte bisher ihre Verwendung für die Steuerung von Motoren oder anderen induktiven
Verbrauchern, bei denen beträchtliche Oberspannungen auftreten können und die bereits
im normalen Betrieb mit einer Spannung arbeiten, welche das Mehrfache der zulässigen
Klemmenspannung eines Transistors beträgt.
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Das Ziel der Erfindung ist ein Kunstgriff, der es ermöglicht, Transistoren
trotz dieses Nachteils für die Steuerung eines Laststromkreises mit einer großen
Spannung zu verwenden.
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Die nach der Erfindung ausgeführte Schaltungsanordnung ist dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere Brückenschaltungen vorgesehen sind, die in zwei gegenüberliegenden
Zweigen je einen Transistor und in den beiden anderen Zweigen je einen Gleichrich-ter
enthalten, daß an die eine Diagonale jeder Brücke eine Spannungsquelle so angeschlossen
ist, daß ihr positiver Pol mit dem Emitter eines Transistors und der Katode
eines Gleichrichters verbunden ist, während ihr negativer Pol mit dem Kollektor
des anderen Transistors und der Anode des anderen Gleichrichters verbunden ist,
und daß die anderen Brückendiagona-len in Serie miteinander in dem Laststromkreis
liegen.
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Dabei wird von dem an sich bekannten Prinzip Gebrauch gemacht, mehrere
Stromquellen über Brückenschaltungen an den Verbraucher zu legen. Bei bekannten
Anordnungen dieser Art enthalten jedoch die Brückenschaltungen nur Gleichrichter,
und eine Steuerung des Laststromes ist damit nicht möglich.
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Demgegenüber ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung das Ein- und
Ausschalten der Stromversorgung des Verbrauchers und die Steuerung der Klemmspannung
des Verbrauchers mittels der Transistoren, ohne daß bei irgendeinem dieser Vorgänge
die Gefahr einer überlastung der Transistoren auftritt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Darin zeigt Fig. 1 das Schaltbild einer einfachen Schaltung zur Steuerung eines
Gleichstrommotors in einer Laufrichtung, Fig. 2 das Schaltbild einer Schaltung zur
Steuerung eines umsteuerbaren Gleichstrommotors und Fig. 3 eine Schaltungsanordnung
zur Steuerung der Transistoren in den Anordnungen von Fig. 1 und 2. Bei der Anordnung
von Fig. 1 ist ein induktiver Verbraucher 10, im vorliegenden Beispiel ein Gleichstrommotor,
in Serie mit mehreren Brückenschaltungen geschaltet, von denen nur zwei dargestellt
sind. Jede Brückenschaltung besteht aus vier Zweigen, wovon zwei einander gegenüberliegende
Zweige jeweils einen Transistor 3, 5; 13, 15 ... enthalten, während die beiden
anderen Zweige jeweils einen Gleichrichter 6, 7; 16, 17 ... enthalten. Eine
Spannungsquelle 4, 14 ... mit fester Polarität ist jeweils an eine Diagonale
jeder Brücke angeschlossen. Diese Spannungsquellen können Batterien sein oder auch
die Ausgänge von Gleichrichtern, die galvanisch voneinander getrennt sind. Der positive
Pol jeder Spannungsquelle 4, 14 ...
ist an den Emitter eines Transistors 5,
15 ... und an die Katode eines Gleichrichters 6, 16 ... angeschlossen.
Der negative Pol jeder Spannungsquelle 4, 14 ...
ist mit dem Kollektor
des anderen Transistors 3, 13 ... und mit der Anode des anderen Gleichrichters 7,
17 ... jeder Brückenschaltung verbunden. Der Laststromkreis ist an die andere
Brückendiagonale angeschlossen. Der Laststromkreis ist durch eine gestrichelte Linie
unterbrochen, die andeutet, daß weitere Brückenschaltungen und Stromquellen hinzugefügt
sein können. Wenn beispielsweise die zulässige
Klemmenspannung eines
Transistors 40 V beträgt, die Nennspannung des Motors dagegen 200 V ist, werden
fünf Brückenschaltungen in Serie geschaltet, die jeweils an eine Spannungsquelle
von 40 V angeschlossen sind.
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Die Schaltung von Fig.l arbeitet in folgender Weise: Wenn die Last
passiv ist, sperren die beiden Gleichrichter 6 und 7, 16 und 17 ... jeder
Brückenschaltung infolge der Richtung ihres Anschlusses in bezug auf die Polung
der Spannungsquellen 4, 14 ... den Stromfluß. Wenn dann sämtliche Transistoren
durch eine entsprechende Vorspannung ihrer Basen gesperrt sind, kann kein Strom
von den Spannungsquellen 4, 14 ...
durch die Last fließen.
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Wenn dagegen sämtliche Transistoren gesättigt sind, sind alle Spannungsquellen
4, 14 ... über die Transistoren in Serie geschaltet, und ein Strom fließt
in der Richtung 10, 3, 4, 5, 13, 14, 15 ... 10, so daß die Last die volle
Leistung erhält.
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Falls die Last nicht passiv ist (wenn sie beispielsweise ein Motor
ist), kann es vorkommen, daß der Strom einen großen Wert annimmt, insbesondere während
des Anlaufens. Wenn die Transistoren für diesen großen Strom nicht ausgelegt sind,
begrenzt ein Strombegrenzer 20 automatisch die Stromstärke auf einen zulässigen
Wert.
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Wenn sämtliche Transistoren gesättigt sind und beispielsweise der
Transistor 5 gesperrt. wird, nimmt der Strom plötzlich ab, doch fließt er weiter
über die Last, wobei er den Weg 10, 3, 7, 13, 14, 15 ... 10 nimmt. Die Stromquelle
4 ist dann abgeschaltet; die Speisespannung des Motors kann somit sehr leicht
in Spannungsstufen, die jeweils der Spannung einer der getrennten Spannungsquellen
4, 14 ... entsprechen, geregelt werden.
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Wenn alle einander entsprechenden Transistoren 5, 15 ... gesperrt
werden, werden alle Spannungsquellen 4, 14 ... abgeschaltet, und der Strom
fließt im Augenblick dieser Unterbrechung infolge der an den Klemmen der induktiven
Last 10 auftretenden überspannung in der Richtung 10, 3, 7, 13, 17. . .10.
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Wenn dagegen nicht nur die einander entsprechenden Transistoren 5,
15. . ., sondern auch die Transistoren 3, 13 ... gesperrt werden, sind die
Spannungsquellen 4, 14 ... wieder in den Stromkreis eingefügt, jedoch mit
entgegengesetzter Polung. Während der Zeit. in der die überspannung größer als die
Summe der Spannungen der Spannungsquellen 4, 14 ... ist, fließt der Strom
weiter in der gleichen Richtung, wobei er den Weg 10, 6, 4, 7, 16, 14, 17
... 10 nimmt. Normalerweise ist der Strom gesperrt, ausgenommen im Augenblick
der Unterbrechung, in welchem er infolge der Wirkung einer von der Selbstinduktivität
der Last hervorgerufenen überspannung vorübergehend weiterfließt.
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Jedoch ist die Spannung an den Klemmen eines Transistors wegen des
Vorhandenseins der Gleichrichter 6, 7, 16, 17 ... in keinem dieser Fälle
größer als das Potential der entsprechenden Spannungsquelle. Wenn die Steuerschaltung
die Stromzufuhr sperrt, subtrahiert sich außerdem die Spannung der Spannungsquelle
infolge der Wirkung der Gleichrichter von einer gegebenenfalls an den Klemmen einer
induktiven Last erzeugten Überspannung.
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Die Schaltung von Fig. 1 ermöglicht daher das Einschalten der Stromversorgung
für einen ohmschen oder induktiven Verbraucher oder auch für einen durch einen Gleichstrommotor
gebildeten Verbraucher, die Regelung der Spannung an den Klemmen des Verbrauchers
und das Abschalten der Stromversorgung, ohne daß irgendeiner dieser Vorgänge für
die Transistoren gefährlich werden kann.
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Wenn bei dem zuvor angegebenen Beispiel nicht nur das Anlaufen und
die Drehzahl des Motors gesteuert werden soll, sondern auch das Bremsen und die
Umkehr der Laufrichtung, werden parallel zu den beiden Transistoren jeder Brückenschaltung
zwei weitere Gleichrichter und parallel zu den beiden Gleichrichtern jeder Brückenschaltung
zwei weitere Transistoren derart geschaltet, daß an den beiden Polen
jeder
Spannungsquelle zwei an allen Eckpunkten einander parallel geschaltete Brücken angeschlossen
sind, von denen die eine ausschließlich aus Transistoren besteht, die durch eine
Spannungsquelle so vorgespannt sind, d'aß der Kollektor jedes Transistors auf einem
negativen Potential in bezug auf den Emitter liegt, während die andere Brücke ausschließlich
aus Gleichrichtern besteht, die durch die gleiche Span-
nungsquelle so vorgespannt
sind, daß die Anode jedes Gleichrichters auf einem negativen Potential in bezug
auf die Katode liegt.
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Diese Ausführungsform ist in Fig. 2 dargestellt. Sie weist gegenüber
derjenigen von Fig.1 beträchtliche Vorteile auf, weil sie nicht nur die Steuerung
des Anlaufens und der Drehzahl in den beiden Laufrichtungen ermöglicht, sondern
auch die Steuerung des elektrischen Bremsens. Außerdem ist die Schaltung nach Fig.2
sogar bei Verbrauchern anwendbar, welche Schwingungen und überspannungen beider
Polaritäten hervorrufen können, ohne daß dadurch die Transistoren in Gefahr gebracht
werden. Die Bezugszeichen, die in Fig. 2 mit denjenigen von Fig. 1 identisch sind,
bezeichnen identische Elemente. Im Vergleich zu der Schaltung von Fig. 1 sind also
zu der )Brücke 3, 5, 6, 7 zwei Transistoren 1, 2 und zwei Gleichrichter
8, 9 und zu der Brücke 13, 15, 16, 17
zwei Transistoren
11, 12 und zwei Gleichrichter 18,
19 hinzugefügt, die in der dargestellten
Weise gepolt sind.
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Wenn die Transistoren 1, 2; 11, 12 ... gesperrt sind, verhält
sich die Schaltung von Fig. 2 wie diejenige von Fig. 1, wenn die Last ohmisch ist,
weil dann die Gleichrichter wirkungslos bleiben. Wenn die Transistoren 3, 5; 13,
15 ... gesperrt sind, verhält sich die Schaltung von Fig. 2 im Fall einer
ohmschen Last wie diejenige von Fig.1, wobei aber dann die Speisespannung der Last
gegenüber dem Fall von Fig. 1 umgekehrt ist.
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Wenn dagegen die Last induktiv ist, beispielsweise ein Motor, ist
es möglich, das Bremsen zu steuern, wobei der Bremsstrom, der nach einer bestimmten
Zeitkonstante ansteigt, mittels des Strombegrenzers 20 auf Werte begrenzt wird,
die unter einem zulässigen Wert liegen.
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Wenn der Motor 10 durch einen Strom angetrieben wird, der auf dem
Weg 10, 3, 4, 5, 13, 14, 15 ... 10
fließt, wenn also die Transistoren
3, 13 ... ; 5, 15 ...
gesättigt und die Transistoren 1, 11
... ; 2, 12... gesperrt sind, kann man bremsen, wenn man die Transistoren
3, 13 ... ; 5, 15 ... sperrt und entweder die Transistoren
1, 11 ... oder die Transistoren 2, 12. . . sättigt. In diesem Fall
kann der Bremsstrom, der durch den als Generator arbeitenden Motor 10
erzeugt
wird, entweder den Weg 10 ... 19, 11, 9, 1,
10 oder den Weg
10 ... 12, 18, 2, 8, 10 nehmen.
Infolge des Strombegrenzers
20 ist es auch möglich, die Laufrichtung des Motors umzukehren, ohne zuvor über
den Bremsbetrieb zu gehen. Ein für die dargestellte Steuerschaltung geeigneter Strombegrenzer
besteht aus einer elektronischen Kippschaltung, die durch Abgabe eines Signals e
sämtliche Transistoren sperrt, sobald der in dem Laststromkreis gemessene Strom
einen zulässigen Grenzwert überschreitet, und welche die zuvor eingeschalteten Transistoren
in die Sättigung bringt, sobald der in dem Laststromkreis gemessene Strom kleiner
als ein vorbestimmter Schwellwert wird, der unter dem zulässigen Grenzwert liegt.
Damit ein solcher Strombegrenzer wirksam ist, ist es notwendig, daß die Last eine
ausreichende induktive Komponente L hat oder genauer eine Zeitkonstante L/R (wobei
R der Widerstand des Kreises ist), welche größer als die zum Einschalten oder Unterbrechen
des Stroms erforderliche Zeit ist. Gegebenenfalls wird daher eine geeignete Selbstinduktivität
in Serie mit der Last geschaltet, wie in der Zeichnung dargestellt ist.
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Die Steuerung der Transistoren kann mit Hilfe einer Steueranordnung
21 erfolgen, welche Steuersignale a, b, c, d, f, g, h, j (Fig. 2)
abgibt und die nach der Darstellung von Fig. 3 einen Rechteckwellengenerator 27
enthält, der von einer an die Klemmen 23 und 26 angelegten Hauptsteuerspannung gespeist
wird. Sie enthält ferner mehrere übertrager 28, von denen jeder so viel Sekundärwicklungen
aufweist, wie Brückenschaltungen vorhanden sind. Damit können die Basen der an entsprechenden
Stellen in den verschiedenen Brückenschaltungen liegenden Transistoren, z. B. 5,
15 ... gesättigt oder gesperrt werden. Die Sättigung der Basen einer Gruppe
von Transistoren kann beispielsweise durch einen Kontakt 24 gesteuert werden, der
von einer nicht dargestellten Schalttafel aus betätigt wird, sowie durch ein statisches
oder elektromagnetisches Relais 25, das von dem Strombegrenzer 20 mittels
des Signals e betätigt wird. Ferner können auch Kontakte 21 und 22 in den einzelnen
Basisstromkreisen der Transistoren vorgesehen sein.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Transistoren
auch durch gesteuerte Gleichrichter des Typs pnpn oder durch Gasentladungstrioden
(Thyratrone) ersetzt werden. Da in diesem Fall diese Anordnungen den Strom in dem
zugehörigen Stromkreis nicht sperren können, solange das Potential ihrer Anode nicht
Null oder negativ in bezug auf das Katodenpotential wird, ersetzt man dann vorzugsweise
die Gleichspannungsquellen durch pulsierende Spannungen, die beispielsweise durch
Einweg- oder Vollweggleichrichtung einer Wechselspannung erhalten werden. Im letzten
Fall wird durch an sich bekannte Sperrschaltungen verhindert, daß die gesteuerten
Gleichrichter von zwei einander gegenüberliegenden Zweigen gleichzeitig stromführend
werden.