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Steuerschaltungsanordnung zur schnellen wechselweisen Ein- und Ausschaltung
zweier Induktivitäten Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltungsanordnung
zur schnellen wechselweisen Einund. Ausschaltung zweier Induktivitäten mittels bistabiler
elektronischer Sehalter, von denen der eine mit der einen und der andere mit der
anderen Induktivität in Reihe geschaltet ist, und mit einem Speicherkondensator,
der mit der einen Reihenschaltung in Reihe und zu der anderen Reihenschaltung parallel
geschaltet ist.
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Derartige Schaltungen sind bekannt, wobei als bistabile elektronische
Schalter z. B. Thyratrone, Thyrstoren oder Transistoren verwendet werden können.
Die Arbeitsweise ist folgende: Der Speicherkondensator ist z. B. auf die Betriebsspannung
UB aufgeladen. Der erste Arbeitstakt beginnt mit der Schließung des Schalters, der
mit zugehöriger Induktivität dem Speicherkondensator parallel liegt. Der Speicherkondensator
wird über diesen Parallelschwingkreis entladen, und zwar so lange, bis die Spannung
am Speicherkondensator den Wert Null erreicht hat, wobei der Strom auf einen entsprechenden
Wert angestiegen ist. Dann wird durch schaltungstechnische Maßnahmen, z. B. Dämpfungswiderstand,
ein wesentliches Weiterschwingen der Spannung über den Wert Null hinaus verhindert,
wobei der Strom entsprechend schnell abklingt.
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An einem beliebigen Zeitpunkt nach dem Beginn des ersten Arbeitstaktes
wird durch Schließen des zweiten Schalters, der mit zugehöriger Induktivität und
Speicherkondensator in Reihe liegt, wobei der bisher geschlossene Schalter gleichzeitig
geöffnet wird, der entladene Speicherkondensator über diesen Reihenschwingkreis
aufgeladen, und zwar bis zu dem Wert der Betriebsspannung, wobei der Strom auf einen
entsprechenden Wert angestiegen ist. Dann wird ebenfalls durch schon erwähnte schaltungstechnische
Maßnahmen ein wesentliches überschwingen der Spannung am Speicherkondensator über
den Wert der Betriebsspannung verhindert, wobei der Strom entsprechend schnell abklingt.
Mit Beendigung dieses zweiten Arbeitstaktes ist der Anfangszustand des Speicherkondensators
wieder erreicht, und ein Arbeitszyklus, der aus zwei Arbeitstakten besteht, ist
beendet.
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Um ein einwandfreies Arbeiten zu gewährleisten, wird im Ruhezustand
grundsätzlich der Speicherkondensator nach dem Einschalten der Betriebsspannung
auf einen eindeutigen Spannungszustand gebracht, der nicht von den sich zufällig
ergebenden Sperrwiderständen der Schalt- und Sperrelemente abhängen darf, sondern
durch einen im Vergleich zu den Sperrwiderständen niederohrigeren Widerstand, der
jedoch so groß sein ruß, daß er den Betriebsfall nicht stört, bestimmt wird. Entweder
wird der Speicherkondensator durch einen mit ihm in Reihe liegenden Widerstand auf
den Wert der Betriebsspannung gebracht, dann beginnt ein Arbeitszyklus mit einem
Entlade- und endet mit einem Aufladevorgang, oder durch einen mit dem Speicherkondensator
parallelliegenden Widerstand auf den Spannungswert Null gehalten, dann beginnt ein
Arbeitszyklus mit einem Auflade- und endet mit einem Entladevorgang. Ein Arbeitszyklus
besteht also aus zwei wechselweise aufeinanderfolgenden Arbeitstakten - jeweils
Ein-und Ausschaltung des Magnetisierungsstromes einer Induktivität - in beschriebener,
zwingender Reihenfolge der Änderung des Betriebszustandes beider verwendeter Formen
eines Schwingkreises.
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Die Schaltung gestattet also ein impulsförmiges, schnelles und wechselweises
Auf- und Abmagnetisieren beider Induktivitäten durch den impulsförmigen Stromfluß
in beiden verwendeten Formen des Schwingkreises, wobei die Stromflußzeit durch die
zeitbestimmenden Elemente im Schwingkreis gegeben ist. Durch Parallelschalten einer
Diode in geeigneter Polarität zur Induktivität mit zugehörigem Schalter, die, nachdem
der Strom seinen maximalen Wert erreicht hat, die Stromführung übernimmt und gleichzeitig
ein Weiterschwingen der Spannung am Speicherkondensator über den Wert der Betriebsspannung
bzw. Null hinaus verhindert, kann die Stromflußzeit des Magnetisierungsstromes erheblich
verlängert werden, so daß der Strom von seinem Maximalwert in diesem Stromhaltekreis
mit der Zeitkonstanten, die durch die Größe der Induktivität und der im Kreise vorhandenen
Widerstände bestimmt wird, langsam expontiell abklingt.
Bei Anwendungsfällen,
bei denen der Magnetisierungsstrom nach der schnellen impulsförmigen Aufmagnetisierung
beliebig lange aufrechterhalten werden soll, wird durch Hinzufügen je eines Vorwiderstandes
zu je einem Schwingkreis der Konstantstrom von der Betriebsspannung eingespeist.
Da zur schnellen Aufmagnetisierung eine hohe Betriebsspannung (einige hundert Volt)
erforderlich ist, ist die Aufrechterhaltung des Magnetisierungsstromes, insbesondere
bei größeren Stromwerten, mit sehr hohen Verlusten verbunden (einige hundert Watt).
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Nach der Erfindung werden diese Nachteile dadurch vermieden, daß parallel
zu jeder Reihenschaltung aus Induktivität und zugeordnetem Schalter eine Reihenschaltung
aus einer Spannungsquelle, einem Widerstand und einer Diode liegt und zwischen die
parallelen Reihenschaltungen im Zuge der zum Speicherkondensator parallelliegenden
Reihenschaltung aus Induktivität und zugeordnetem Schalter eine Diode geschaltet
ist.
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Die neue Schaltung zeichnet sich dadurch aus, daß sowohl Impulsstrom
zur schnellen Aufmagnetisierung als auch von einer Niederspannungsquelle (einige
Volt) konstant eingespeister Strom zur Aufrechterhaltung der Magnetisierung von
einem einzigen Thyris.tor geschaltet werden. Es ist also kein getrennter Konstantstromkreis
mit getrenntem Schalter erforderlich. Dadurch ergibt sich eine Verminderung von
Bauelementen gegenüber bekannten Schaltungen. Ein sehr wesentlicher Vorteil liegt
hier in dem sehr niedrigen Energieverbrauch der Schaltung, der besonders bei sehr
hohen Impulsfolgefrequenzen von großer Bedeutung ist.
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Ein Ausführungsbeispiel wird an Hand der Figur der Zeichnung näher
beschrieben.
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Nach Einschalten der Betriebsspannungen wird zunächst der Kondensator
Cl über Widerstand R1 auf die Betriebsspannung U1 der Batterie El aufgeladen. Der
erste Arbeitstakt der Schaltung beginnt dann mit einem Entladevorgang durch Zünden
des Thyristors Thl. Der Entladestromkreis wird durch die Elemente Cl, D7,
Thl und L1 gebildet. Durch die Schwingkreiswirkung von Cl und L1 nimmt dabei die,
Spannung an Cl cosinusförmig ab und der Strom durch die Induktivität L1 sinusförmig
zu. Unterschreitet die Spannung am Kondensator Cl die Spannung der Spannungsquelle
E2, so wird die Schwingung des LC-Kreises abgebrochen, und der Strom fließt anschließend
im neuen Stromkreis, der durch die Elemente L1, Thl, D5, R4 und E2 gebildet wird,
in konstanter Höhe beliebig lange weiter. Der Kondensator bleibt während der ganzen
Stromflußzeit entladen, da die Diode D7 eine Wiederaufladung über R1 verhindert.
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Zur Abschaltung der Induktivität L1 und Einschaltung von L2 wird Thyristor
Th. gezündet. Durch die Zündung wird das Potential an der Anode des Thyristors Th.
innerhalb weniger Mikrosekunden von Betriebsspannung U1 auf Null erniedrigt und
der Spannungssprung über den Löschkondensator C2 auf die Anode des Thyristors T.hl
übertragen. Dadurch wird der Löschvorgang des Thyristors Thl eingeleitet, der folgendermaßen
abläuft: Zunächst wird der momentan durch die Induktivität L1 fließende Magnetisierungsstrom
und der sogenannte Rückwärtsstrom des Thyristors Thl, der durch die in den äußeren
Sperrschichten gespeicherten Ladung zustande kommt, von der Kapazität C2 als Umladestrom
aufgenommen. Nach etwa einigen Mikrosekunden ist der Rückwärtsstrom abgeklungen,
und es liegt eine negative Spannung von der Größe U1 am Thyristor an. Diese Spannung
wird jedoch durch den Magnetisierungsstrom von L1 ständig verringert. Die Größe
des Kondensators C2 muß nun so ausgelegt sein, daß während der sogenannten Freiwerdezeit
des Thyristors von etwa 10 bis 30 #ts eine negative Sperrspannung am Thyristor gewährleistet
ist. Die durch die Wirkung des Reihenschwingkreises L1, C2 -entstehende positive
Spannung an Thl kann so groß sein, daß die maximale Sperrspannung des Thyristors
überschritten wird. Zur Verringerung der Spitzenspannung und zur Bedämpfung der
Schwingungen sind deshalb Diode D3 und Widerstand R2 parallel zur Induktivität geschaltet.
Es wird durch diese Elemente praktisch ein zweiter Stromkreis für den Magnetisierungsstrom
gebildet, der erst nach Unterbrechung des ersten Kreises durch Löschung des Thyristors
in Erscheinung tritt und wesentlich kleinere Zeitkonstanten hat, so daß der Strom
rasch abklingt. Zur Begrenzung der Spannung am Thyristor ist der Widerstand entsprechend
zu dimensionieren.
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Während des Löschvorgangs an Thyristor Thl geht gleichzeitig die Einschaltung
der Induktivität L2 vor sich. Durch Einschalten von Th2 wird ein Serienschwingkreis
aus Cl und L2 gebildet, wobei die Spannung an Cl cosinusförmig und der Magnetisierungsstrom
durch L2 sinusförmig zunimmt. Analog zum ersten Arbeitstakt wird ebenfalls nach
Erreichen des maximalen Stroms die Schwingung abgebrochen, indem der Strom durch
Öffnen der Diode DB im Konstantstromkreis, der durch die Elemente L2, Th2, E3, R5
und DB gebildet wird, weiterfließt.
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Die Abschaltung von L2 erfolgt analog zum Abschalten von L1 durch
Zünden von Thl und durch die Wirkung des aus Thl, D7, L2 und C2 gebildeten Löschschwingkreises.
Zur Begrenzung der Spitzenspannung und zur Bedämpfung ist ebenfalls eine Serienschaltung
aus Diode und Widerstand (D4 und R3) der Induktivität parallel geschaltet. Die Spannung
am Kondensator wird während der Stromflußzeit durch den leitenden Thyristor auf
dem 0-Volt-Potential festgehalten.
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Zur Entkopplung der beiden Konstantstromkreise, bestehend aus L1,
Thl, D5, R4 und E2 sowie L2, Th2, E3, R5 und D6, ist die Diode D7 eingefügt.
Zur Erzielung möglichst kleiner Verlustleistungen sind die Spannungen der Zusatzquellen
E2 und E3 wesentlich kleiner als die Spannung der Quelle El (z. B. 6 Volt gegen
300 Volt). Die Größe der aus den Zusatzquellen gespeisten Ströme wird durch die
Widerstände R4 und R5 bestimmt.
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Die Schaltung kann in .der Weise modifiziert werden, daß der konstante
Magnetisierungsstrom nicht durch die gleiche Wicklung fließt wie der durch die Kondensatorentladung
erzeugte Impulsstrom, sondern durch eine zweite Wicklung geschickt wird, die zweckmäßigerweise
eine höhere Windungszahl hat und dadurch niedrigere Stromamplituden für gleiche
Durchfiutungswerte erfordert.