DE1238541B - Anordnung zum An- und Abschalten einer Wechselspannung mit Hilfe eines gesteuerten Gleichrichterstromkreises - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIh

Deutsche Kl.: 21c-35/08

Nummer: 1 238 541

Aktenzeichen: S 95264 VIII d/21 c

Anmeldetag: 26. Januar 1965

Auslegetag: 13. April 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Anschalten und zum Unterbrechen einer Wechselspannung eines Stromkreises, in welchem ein durch Halbleiter gesteuerter Gleichrichter Stromenergie zu einer Last steuert.

Es ist erwünscht, und darin besteht die Aufgabe der Erfindung, die Schaltfunktion eines gesteuerten Gleichrichters selbst dazu auszunutzen, um den Belastungsstrom dynamisch zu schließen und zu unterbrechen, und auf diese Weise die mechanischen Schaltkontakte von dieser Arbeit zu entlasten und dennoch den Vorteil einer zwangläufigen Abschaltung der Spannungsquelle sowohl vom Gleichrichter als auch von der Last zu erreichen.

Die Erfindung geht von einer Anordnung zum Anschalten und Abschalten einer Wechselspannung an einem Stromkreis zum Zuführen von Energie an eine Last durch einen gesteuerten Gleichrichter aus, der eine Anode, eine Kathode und ein Gitter hat, bei welchem der Hauptstromweg die Anode, die Kathode und die Last enthält, die in Serie mit der Wechselspannung angeschlossen ist und bei dem der Zündstromweg eine Impedanz, das Gitter und die Kathode enthält, die in Serie zu der Wechselspannung angeschlossen ist.

Gemäß der Erfindung ist bei einem solchen Stromkreis ein derart ausgebildeter Folgeschalter vorgesehen, daß das Schließen des Stromenergieweges eine bestimmte Zeit vor dem Schließen des Zündstromweges und das Öffnen des Zündstromweges eine vorbestimmte Zeit vor dem Öffnen des Stromenergieweges erfolgt, wobei diese vorbestimmte Zeit wenigstens gleich einer Halbperiode der Wechselspannung ist.

Dadurch können die Schaltkontakte einfache billige Elemente sein, da die zerstörende Lichtbogenbildung vermieden wird und der Vorteil der selektiven Abtrennung der Stromkreiselemente von der Spannungsquelle beibehalten wird. Die Verwendung eines Schalters mit geringen Kosten bei Massenprodukten, z. B. tragbaren elektrischen Werkzeugen, bedeutet weiter einen wirtschaftlichen Vorteil.

Die Erfindung wird nachstehend an bevorzugten Ausführungsformen beispielsweise erläutert. In den Zeichnungen ist

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 2 ist ein Schaltschema, welches eine weitere Ausführungsform der Erfindung wiedergibt;

F i g. 3, 4 und 5 sind Schaltschemen, welche weitere Ausführungsformen der Erfindung wiedergeben; F i g. 6 ist ein Schema der Wellenform der Span-Anordnung zum An- und Abschalten einer
Wechselspannung mit Hilfe eines gesteuerten
Gleichrichterstromkreises

Anmelder:

The Singer Company, Elizabeth, N. J. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. E. Wiegand und Dipl.-Ing. W. Niemann,

Patentanwälte, München 15, Nußbaumstr. 10

Als Erfinder benannt:

Jerry Wigington, Pickens, S. C. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 24. August 1964 (391589)

nungsquelle zum Illustrieren der geringsten Zeitverzögerung, wie sie bei der Folgeschaltfunktion gemäß der Erfindung erforderlich ist.

In F i g. 1 ist ein Stromkreis dargestellt, in welchem ein siliciumgesteuerter Gleichrichter 10 den einem Elektromotor zugeführten Strom steuert, der eine in Serie geschaltete Ankerwicklung 11 und eine Feldwicklung 12 von einer (nicht dargestellten) Spannungsquelle aufweist, die mit Leitungen 13 und 14 verbunden ist. Ein Spannungsteiler, der eine Wiederstand 15 und ein Potentiometer 16 aufweist, liefert eine Bezugsspannung zum Zünden des Gleichrichters 10, dessen Spannung dem Gitter oder Tor 17 vermittels einer Diode 18 und einer Leitung 19 und zu einer Kathode 20 vermittels der Ankerwicklung 11 zugeführt wird. Die Anode 21 steht mit der Feldwicklung 12 in Verbindung.

Der Stromkreis ist der gleiche wie er in dem USA.-Reissue-Patent 25 203 aufgezeigt ist.

Gewöhnlich ist dieser bekannte Stromkreis mit einer Wechselstromquelle durch einen üblichen einpoligen Einwegschalter in einer der Speiseleitungen verbunden. Ein solcher Schalter muß imstande sein, den gesamten Belastungsstrom zu schalten, was eine Schnappwirkung und besondere Kontaktstoffe erfordert, um eine Zerstörung und eine kurze Lebensdauer zufolge ausgesprochener Lichtbogenbildung zu verhindern. Nachstehend wird unter Bezugnahme auf F i g. 1 ein Schaltstromkreis beschrieben, der die obengenannten Erfordernisse in Wegfall gelangen läßt und einen Schalteraufbau mit langer Lebens-

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dauer ergibt, der billige Kontakte hat und einfach betätigt werden kann.

Ein Schalter, der allgemein bei 22 in F i g 1 dargestellt ist, hat stationäre Kontakte 23 und 24 und einen beweglichen Blattkontakt oder Blattfederkontakt 25. Ein isolierter Auslöser oder Trigger 26, der bei 27 angelenkt ist, betätigt den Blattkontakt 25, um ihn aufeinanderfolgend mit den Kontakten 23 und 24 in Berührung zu bringen, wie durch die strichpunktierten und gestrichelten Linien in Fig. 1 dargestellt ist. Eine Rückführfeder 28 bringt den Auslöser 26 in seine Ausgangsstellung zurück, wenn der Auslöser 26 freigegeben wird, und unterbricht dabei den Kontakt zwischen der Blattfeder 25 und den feststehenden Kontakten 24 und 23 in umgekehrter Zeitfolge gegenüber ihrem Schließen. Ein wesentliches Merkmal des Schalters 22 liegt darin, daß ein zwischen dem Schließen der Kontakte 25 und 23 und dem nachfolgenden Schließen der Kontakte 25 und 24 und auf ähnliche Weise zwischen dem Unterbrechen der Kontakte 25 und 24 und dem nachfolgenden Unterbrechen der Kontakte 25 und 23 eine Zeitverzögerung eingebaut ist. Der unterschiedliche Abstand der Kontakte 23 und 24 relativ zur Bewegung der Blattfeder 25 und die beschleunigenden Möglichkeiten des kombinierten Auslösers 26 und Blattfederkontaktes 25 sind derart, daß eine minimale Zeitverzögerung mit einem Wert gebildet wird, der zu der Frequenz der Wechselspannung gemäß nachstehender Beschreibung in Beziehung steht.

Der Blattfederkontakt 25 ist mit der Leitung 13 und mit einer Seite der Wechselspannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden. Der Kontakt 23 ist durch die Leitung 29 an die Feldwicklung 12 angeschlossen. Der Kontakt 24 ist durch die Leitung 30 an den Spannungsteiler 15,16 angeschlossen.

Wenn beim Arbeiten der Auslöser 26 niedergedrückt wird, schließen sich die Kontakte 25 und 23, um die Wechselspannungsquelle (nicht dargestellt) an die Reihenschaltung des Belastungsstromweges, enthaltend die Feldwicklung 12, die Anode 21, die Kathode 20 und die Ankerwicklung 11, anzuschließen. Jedoch fließt anfangs kein Strom in diesem Stromkreis, weil kein Zündstrom an das Gitter 17 strömt (Kontakte 25, 24 offen), der Gleichrichter 10 ist im gesperrten oder blockierten Zustand. Ein fortgesetztes Niederdrücken des Auslösers 26 bewirkt, daß die Kontakte 25 und 24 sich später schließen und zwischen dem Gitter 17 und der Kathode 20 eine Bezugsspannung anlegen, die, falls sie positiv gegen das Gitter und von genügender Höhe ist, bewirkt, daß der Gleichrichter leitend wird und den Motorwicklungen 11 und 12 Belastungsstrom zuführt. Dies wird durch das Diagramm der F i g. 6 veranschaulicht, welche einen vollständigen Zyklus einer Wechselspeisespannung und einer Bezugsspannung wiedergibt. Eine angenommene Gitterzündspannung stellt einen Zündbereich vom Zeitpunkt A zum Zeitpunkt B her. Das heißt, falls die Wechselspeisespannung und die Bezugsspannung durch gleichzeitiges Schließen der Kontakte 25 und 23 bzw. 25, 24 angelegt werden, zündet irgendwo innerhalb des Zeitbereiches von A zu B der Gleichrichter 10; obgleich in ihm eine ihm eigene Einschaltverzögerungszeit von wenigen Mikrosekunden vorhanden ist, wird der volle Laststrom schnell hergestellt, die Kontakte 25, 23 müßten diesen Strom dynamisch schalten. Jedoch können durch verzögerndes Schließen der Kontakte 25, 24 bis nach dem Schließen der Kontakte 25, 23 die Kontakte 25, 23 geschlossen werden, bevor der Gleichrichter 10 zündet, wodurch die Kontakte 25, 23 von der dynamischen Schaltarbeit positiv entlastet werden, das Schalten also tatsächlich durch den Gleichrichter 10 selbst erfolgt. Zwar kann eine positive Zeitverzögerung für den Einschaltvorgang ausreichend sein, es ist jedoch der Abschaltvorgang des Schalters 22, welcher die minimale Zeitverzögerung bestimmt,

ίο welche notwendig ist, zu gewährleisten, daß die Kontakte 25, 23 den Belastungsstrom nicht unterbrechen, weil der Gleichrichter bereits in seinen gesperrten Zustand zu dem Zeitpunkt zurückgekehrt ist, bevor die Kontakte 25, 23 geöffnet werden. Wenn beispielsweise die Kontakte 25, 24 und 25, 23 irgendwo in dem Zündbereich zwischen A und B gleichzeitig geöffnet werden würden, müßten die Kontakte 25, 23 den Belastungsstrom unterbrechen. Es sei jedoch weiter bemerkt, daß selbst wenn die Kontakte 25, 24 kurz nach dem Punkt A geöffnet werden würden und das Öffnen der Kontakte 25, 23 bis zum Punkt B verzögert werden würde, die Kontakte 25, 23 immer noch den Belastungsstrom unterbrechen müssen, weil, wenn einmal der Gleichrichter eingeschaltet ist, das Gitter seine Steuerwirkung verliert und ein Abschalten erst dann eintreten kann, wenn die Anoden-Kathoden-Spannung im wesentlichen auf Null zurückgeht, z. B. am Punkt C. Falls jedoch die Verzögerung zwischen dem öffnen der Kontakte 25, 24 und dem Öffnen der Kontakte 25, 23 größer als die Zeit zwischen dem Punkt A und C gemacht ist, ist der Gleichrichter, wie in F i g. 6 angedeutet, zu dem Zeitpunkt in seinen Sperrzustand zurückgeführt, zu welchem die Kontakte 25, 23 geöffnet werden, und die Kontakte öffnen sich stromlos, was die gewünschte Arbeitsart ist. Da für sehr empfindliche Gleichrichter die Gitterzündspannung klein ist, wird die praktisch minimale Zeitverzögerung gleich der Zeit von A bis C, nämlich dem Zeitraum einer Halbperiode der Wechselspeisespannung. Dies stellt dann ein Kriterium für die Verzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Betätigungen der Kontakte 25, 23 und 25, 24 des Schalters 22 dar. Bei 60 Hz Wechselspannung beträgt diese minimale Verzögerung etwa 0,0083 Sekunden und kann durch einfachen unterschiedlichen Abstand der Schaltkontakte erhalten werden, ohne Zuflucht zu Verdampfungsvorrichtungen, Wirbelstromwirkungen oder anderen speziellen Zeitverzögerungsvorrichtungen zu nehmen.

In F i g. 1 ist ein einpoliger Schalter 22 dargestellt, jedoch können andere Schalterausführungen verwendet werden, um die notwendige Folge-Schaltfunktion gemäß der Erfindung zu erhalten. Beispielsweise zeigt F i g. 2 einen zweipoligen Blattfederschalter 31, wie er bei einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendet wird. In diesem Fall weist der Schalter vier Blattfedern 32, 33, 34, 35 auf, die durch isolierte Abstandsstücke 36, 37, 38 befestigt und nacheinander durch einen einzigen Druckknopf 39 betätigt werden. Es ist einleuchtend, daß die Blattfeder 32 mit der Blattfeder 33 in Berührung treten muß, bevor letztere genügend verbogen werden kann, um ihre Bewegung über einen Isolierknopf 40 zur Bewegung der Blattfeder 34 in Berührung mit der Blattfeder 35 zu übertragen. Die Blattfeder 32 ist durch die Leitung 13 mit einer Seite einer (nicht dargestellten) Wechselstromquelle verbunden. Die Blattfeder 33 ist durch eine Leitung 41 mit der Feldwick-

lung 12 und mit einem Ende des Widerstandes 15 verbunden. Die Blattfeder 34 ist durch eine Leitung 42 mit dem Schieber 43 des Potentiometers 16 verbunden. Die Blattfeder 35 ist durch eine Leitung 44 mit der Diode 18 verbunden. Es ist ersichtlich, daß gemäß F i g. 2 die Blattfederkontakte 32 und 33 das Anlegen der Spannungsquelle an den Energie- oder Belastungsstromweg steuern, er in Serie die Feldwicklung 12, die Anode 21, die Kathode 20 und die Ankerwicklung 11, und weiterhin an den Spannungsteilerweg angeschlossen ist, welcher den Widerstand 15 und das Potentiometer 16 enthält. Die Blattfederkontakte 34 und 35 steuern den Signalstromweg zum selektiven Anlegen einer Zündspannung an das Gitter 17. In diesem Fall wird der gesperrte Zustand des Gleichrichters 10 dadurch aufrechterhalten, daß der Zündstromweg offengehalten wird, bis die Wechselspannung an den Energiestromweg angelegt worden ist.

Es ist weiterhin möglich, den gesperrten Zustand des Gleichrichters 10 dadurch aufrechtzuerhalten, daß an das Gitter 17 und die Kathode 20 ein selektiver Kurzschluß angelegt wird. Dieses Verfahren wird in dem Stromkreis der F i g. 3 verwendet, der nachstehend beschrieben wird.

In F i g. 3 wird ein Schalter 45 verwendet, der ein doppelpoliger Blattfederschalter mit einem Paar Kontaktfedern ist, die gewähnlich offen sind und das andere Paar Kontakte gewöhnlich geschlossen ist. Dieser Schalter 45 ist der gleiche wie der Schalter 31 der F i g. 2 mit Ausnahme der Blattkontakte 46 und 47, welche, wie dargestellt, so ausgebildet sind, daß sie gewöhnlich geschlossen sind. Der Blattfederkontakt 46 ist durch eine Leitung 48 mit dem Gitter 17 und der Blattfederkontakt 47 ist durch eine Leitung 49 mit der Kathode 20 verbunden. Durch diese Ausführung wird der Gleichrichter 10 in seinem Sperroder Blockierzustand gehalten, bis die Blattfederkontakte 32 und 33 geschlossen sind und im umgekehrten Arbeitsvorgang die Blattfederkontakte 46 und 47 zeitlich geschlossen werden, bevor die Blattfederkontakte 32 und 33 geöffnet werden, so daß der Gleichrichter 10 in seinen gesperrten Zustand zurückgeführt wird, und die Kontakte 32 und 33 den Belastungsstrom nicht dynamisch zu unterbrechen brauchen.

In F i g. 4 ist eine Ausführung gemäß der Erfindung dargestellt, in welcher eine Tafel 50 mit gedrucktem Stromkreis verwendet wird, um die Stromkreisteile 10,15, 16 und 18 anzuordnen und zu verbinden. Ein Schalter 51 mit drei Federkontakten, der an der Stromkreistafel 50 ebenfalls angeordnet sein kann, wird bei dieser Ausführungsform verwendet und ergibt einen billigen zusammengedrängten Aufbau, der insbesondere zweckvoll ist, wenn die Raumfrage wichtig ist Der Nachfolgeschalter 51 ist im wesentlichen das Äquivalent des Schalters 22 der F i g. 1 und weist einen oberen Blattfederkontakt 52 auf, der durch eine gedruckte Leitung 53 mit der Anode 21 verbunden ist. Ein Zwischenblattfederkontakt 54 ist durch die Leitung 13 mit einer Seite der Wechselspannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden und ein unterer Blattfederkontakt 55 durch eine gedruckte Leitung 56 mit dem Widerstand 15. Die Leitungen 57 und 58 verbinden die Drähte der

ίο Stromkreisschalttafel mit den Motorenwicklungen 11 und 12, und die Leitung 14 verbindet die Feldwicklung 12 mit der anderen Seite der (nicht dargestellten) Wechselstromquelle.

F ί g. 5 zeigt eine Ausführung, die der der F i g. 4

sehr ähnlich ist, mit der Ausnahme, daß in diesem Fall die Motorengeschwindigkeit durch einen mechanischen Steuerteil 60 gesteuert oder geregelt wird, der bei zu hoher Geschwindigkeit arbeitet, um Kontakte 61 und 62 zu öffnen, wodurch der Zündstrom zum Gitter 17 des Gleichrichters 10 abgeschaltet und daher die Motorengeschwindigkeit geregelt wird. Eine gedruckte Stromkreistafel 63 trägt den Schalter 51 und die Stromkreisaufbauteile. Verbindungen mit den Steuerkontakten 61 und 62 und zu der Motorwicklung erfolgen durch Leitungen 64, 65 und 66. In diesem Fall kann ein einziger Strombegrenzungswiderstand 67 an Stelle der Spannungsteilerelemente 15 und 16 der F i g. 4 verwendet werden. Der Nachfolge-Blattfederkontaktschalter 51 ist direkt an der Tafel 63 angeordnet. Die Arbeitsweise ist die gleich wie in der Anordnung nach F i g. 4 mit der Ausnahme, daß die Geschwindigkeit durch den Steuerteil 60 durch die Gegen-EMK des Ankers wie bei der F i g. 4 geregelt wird.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Anordnung zum An- und Abschalten einer Wechselspannung in einem Stromkreis zum Zweck der Zuführung von Energie zu einer Last durch einen gesteuerten Gleichrichter, der eine Anode, eine Kathode und ein Gitter hat, bei welchem der Hauptstromweg die Anode, die Kathode und die Last enthält, die in Serie mit der Wechselspannung angeschlossen sind, und der Zündstromweg eine Impedanz, das Gitter und die Kathode enthält, die in Serie zu der Wechselspannung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein derart ausgebildeter Folgeschalter vorgesehen ist, daß das Schließen des Stromenergieweges eine vorbestimmte Zeit vor dem Schließen des Zündstromweges und das Öffnen des Zündstromweges eine vorbestimmte Zeit vor dem öffnen des Stromenergieweges erfolgt, wobei diese vorbestimmte Zeit wenigstens gleich der Halbperiode der Wechselspannung ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   709 549/303 4. 67 Bundesdruckerei Berlin