CH422880A - Elektronischer Gleichspannungsschalter mit einem Halbleiterstromtor - Google Patents

Description

  Elektronischer Gleichspannungsschalter mit einem Halbleiterstromtor    In letzter Zeit sind sogenannte Halbleiterstrom  tore bekanntgeworden, deren Betriebsverhalten dem  von gasgefüllten Entladungsgefässen äquivalent ist.  Es handelt sich in der Regel um Vierschichthalb  leiter aus Silizium, die durch einen Impuls an der  Steuerelektrode gezündet werden und solange Strom  führen, bis die     angelegte    Spannung unter den für die  Aufrechterhaltung des Stromes erforderlichen Wert  gesunken ist bzw. in der Polarität umgekehrt wird.  Zu diesem Zweck gibt es verschiedene     Löschschal-          tungen,    die meist auf Kondensatorentladung beruhen.  



  Man kann beispielsweise den Kondensator ein  polig mit dem Halbleiterstromtor verbinden und ein  weiteres Halbleiterstromtor dazu heranziehen, den  Kondensator zur Löschung dem ersten Halbleiter  stromtor parallel zu schalten.  



  Die vorliegende Erfindung gibt einen elektro  nischen Gleichspannungsschalter mit einer modifi  zierten Löschschaltung an, die grundsätzlich auf dem  Prinzip der Kondensatorlöschung aufbaut und so aus  gebildet ist, dass im Stromkreis des Hauptstromtores  keinerlei     zusätzliche        Schaltungselemente    erforderlich  sind. Die     Erfindung    ist dadurch gekennzeichnet, dass  parallel zum Halbleiterstromtor die Reihenschaltung  eines fremdgespeisten Hilfsstromtores, eines     Lösch-          kondensators    und eines Dämpfungswiderstandes liegt,  und dass in die Speiseleitung des Hilfsstromtores die  Parallelschaltung eines Reihenschwingkreises und  eines Ladewiderstandes geschaltet ist.

   Die Erfindung  sowie die zweckmässige Dimensionierung seien im fol  genden an einem Ausführungsbeispiel     erläutert,    das in  der Zeichnung schematisch dargestellt ist.    An eine     Gleichspannung    U ist über das Haupt  stromtor S1 ein Verbraucher angeschlossen, der ge  mischt ohmisch-induktiven Charakter haben mag, so  dass er durch die Reihenschaltung eines     Widerstandes     R und einer Induktivität L nachgebildet werden kann.  Parallel zum Halbleiterstromtor S1 liegt die Reihen  schaltung eines fremdgespeisten Hilfsstromtores S2,  eines Löschkondensators CL und eines Dämpfungs  widerstandes RD. In die Speiseleitung des Hilfsstrom  tores S2 ist die Parallelschaltung eines Reihenre  sonanzkreises aus Induktivität Ls und Kapazität Cs  sowie eines Ladewiderstandes Ro geschaltet.

   Die  Speisespannung ist mit Uo bezeichnet.  



  Parallel zu den Stromtoren kann     man        Dioden        G,,          G,    legen, die in Sperrichtung belastet sind. Ferner  kann man parallel zum Hilfsstromtor SZ einen Kon  densator     C2    schalten.     Zweckmässig    liegt über der  Speisespannung Uo ein Kondensator Cl.  



  Die Zündung der Stromtore erfolgt beispielsweise  aus Kippstufen K1, KZ über Impulstransformatoren       T,    T2. Parallel zur Last kann man ein Ventil G legen,  das die bekannte Funktion der Nullanode hat. Um bei  Belastungen grosser Induktivität sofort beim Zünden  des Stromtores S1 das Durchlässigbleiben sicherzu  stellen, kann     man    parallel zur Belastung einen Kon  densator     C,        in    Reihe mit einem Widerstand     R,,    schal  ten.

       C,,    und     R,,    können entfallen, wenn man die  Zündvorrichtung so     auslegt,    dass der     Zündimpuls    so  lange am Hauptstromtor S1 anliegt, bis der Halte  strom überschritten ist.  



  Damit ein     Halbleiterstromtor    gelöscht wird,     d.h.     aus dem leitenden in den nichtleitenden Zustand.über-      geht, muss die Anoden-Kathoden-Spannung für eine  Zeitdauer     -c,    die mindestens gleich der Löschzeit TL       ist,    kleiner als die Haltespannung sein, die geeignet  ist, den Stromfluss aufrechtzuerhalten. Diese Halte  spannung liegt in der Grössenordnung von 1 V, so dass  man einfach fordern kann, dass die Spannung am  Stromtor gleich oder kleiner als Null werden muss.  



  Berücksichtigt man diese Bedingungen beim Er  findungsgegenstand, so erhält man für den     Lösch-          kondensator    CL die Dimensionierungsvorschrift  
EMI0002.0004     
    Darin bedeuten e die Basis des natürlichen Loga  rithmus, TL die Löschzeit, die etwa 10 u sec beträgt,  J den gewählten Laststrom und Uo die Speisespan  nung des Hilfsstromtores.  



  Man macht RD . CL = TL und erhält für RD die  Bemessungsvorschrift  
EMI0002.0005     
    Vorteilhaft wird die Speisespannung Uo gleich der  Netzspannung U     gewählt.        In    diesem Fall ist RD gleich  dem
EMI0002.0008  
   fachen des ohmschen Verbraucherwiderstan  des.  



  Mit den bisher behandelten Schaltungselementen  kann man also die Löschung des Hauptstromtores S,  folgendermassen erzielen:  Das Hilfsstromtor S.- wird gezündet, so dass die  am Löschkondensator CL liegende Spannung parallel  zum Hauptstromtor S1 geschaltet wird. Dadurch wird  die Spannung am Hauptstromtor S1 unter den Halte  wert gesenkt und das Stromtor gelöscht. Die Löschung  kann mit     Hilfe    der Diode     G,    erleichtert werden, die  den Entladestrom des Löschkondensators CL auf  nimmt, so dass am Hauptstromtor S1 in Sperrichtung  nur die Schwellspannung der Diode liegt.

   Durch die  angegebene Bemessung von     Löschkondensator    und  Dämpfungswiderstand ist gewährleistet, dass die  Spannung am Hauptstromtor während ausreichender  Zeit     unter    den     Haltewert    gebracht wird.  



  Nunmehr führt das Hilfsstromtor S2 Strom und  muss, um den Ruhezustand des Schalters herbeizu  führen, ebenfalls noch gelöscht werden. Dies erfolgt  mit Hilfe des Reihenschwingkreises Ls, Cs, der beim  Zünden des Hilfsstromtores S_ zu einer Schwingung  angeregt wurde.  



  Zur Bemessung des Schwingkreises und des Lade  widerstandes Ro können folgende Überlegungen her  angezogen werden.  



  Die Zeit To, nach der der mit der Löschung des  Hauptstromtores in Zusammenhang stehende Umlade  vorgang des Löschkondensators CL abgelaufen ist,  setzt sich aus drei Summanden     zusammen,        nämlich     
EMI0002.0016     
    Darin bedeuten R den ohmschen Verbraucher  widerstand und L; die innere Induktivität des Gleich  spannungsnetzes. Die beim Zünden des Hilfsstrom  tores S2 entstehende Schwingung im Reihenschwing  kreis überlagert sich strommässig dem konstanten  Grundstrom Jo =
EMI0002.0017  
   und dem Umladungsstrom des  Löschkondensators CL.

   Wird die Amplitude der  zweiten Schwingungshalbwelle, die der     Durchlassrich-          tung    des Hilfsstromtores S2 entgegengerichtet ist, so  gross, dass sie die beiden in Durchlassrichtung     flies-          senden    Ströme überwiegt, so fliesst ein Strom über  die Diode     G2,    die Haltespannung des Stromtores     S.     wird unterschritten und das Stromtor gelöscht. Da der  Umladestrom des Löschkondensators CL gross ist,  wählt man die Schwingungsdauer des Reihenschwing  kreises so gross, dass die Amplitude in der     gegen-          phasigen    Halbwelle erst nach Ablauf von mindestens  zwei Zeitkonstanten To durchlaufen wird.

   Damit er  geben sich die Bemessungsvorschriften    und  
EMI0002.0026     
    Der Ladewiderstand ist also gleich dem Wellenwi  derstand des Reihenschwingkreises zu wählen.  



  Durch diese     Bemessung    der Schaltungselemente  wird sichergestellt, dass nach Löschen des Haupt  stromtores auch das Hilfsstromtor gelöscht wird.  



  Verwendet man den Schalter nach der     Erfindung     als Zweipunktregler mit Impulsbreitenmodulation, so  ist ein möglichst grosser Aussteuerbereich erwünscht.  Der Aussteuerbereich hängt davon ab, in welchen  Grenzen sich das     Verhältnis    von Impulsbreite und  Periodendauer der Löschimpulse ändern lässt.     Im          Idealfall    soll das Verhältnis stetig alle     Werte    zwischen  1 und 0 annehmen.  



  Der Wert 1 für das Verhältnis lässt sich unter der  Voraussetzung     zweckmässiger    Steuermittel für die  Zündimpulse gut annähern.     Im    praktischen Betrieb  wurde eine Annäherung bis auf 1% erreicht. Schwie  riger ist die Annäherung des Wertes Null, da der Aus  steuerbereich durch den zeitlichen Ablauf der Um  ladung des Löschkondensators CL begrenzt ist. Erst  nach     Abschluss    der Entladung des Löschkondensators       kann    das     Hauptstromtor        S1    durch Zündung des     Hilfs-          stromtores        SZ    gelöscht werden.

   Die kleinste erreich  bare     Impulsbreite    liegt somit in der Grössenordnung  2.<B>C,.</B>     (R,        -h    RD)  Die Zeitkonstante des aus Löschkondensator,       Dämpfungswiderstand    und Ladewiderstand gebildeten       RC-Gliedes    ist also gleich der halben kleinsten Impuls  breite.  



  Die in der Zeichnung schematisch dargestellte  Grundschaltung des Erfindungsgegenstandes lässt ver  schiedene Abweichungen zu, ohne dass die geschilderte      Wirkungsweise wesentlich geändert wird. Insbeson  dere sind die beiden Ventile G1 und G2 nicht unbe  dingt erforderlich. Wesentlich ist jedoch, dass der Er  findungsgegenstand eine beliebig wiederholbare     Ein-          und    Ausschaltung von Gleichspannungsverbrauchern  gestattet, ohne dass im Verbraucherstromkreis zu  sätzliche energieverbrauchende Schaltungsteile ange  ordnet werden müssen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I Elektronischer Gleichspannungsschalter mit einem Halbleiterstromtor, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Halbleiterstromtor (S1) die Reihenschal tung eines fremdgespeisten Hilfsstromtores (S2), eines Löschkondensators (CL) und eines Dämpfungswider standes (RD) liegt, und dass in die Speiseleitung des Hilfsstromtors (S2) die Parallelschaltung eines Rei henschwingkreises (Ls, Cs) und eines Ladewider standes (Ro) geschaltet ist. UNTERANSPRÜCHE 1. Schalter nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass die Speisespannung (Uo) des Hilfs stromtores (S.2) der Netzgleichspannung (U) ent spricht. 2.

   Schalter nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass die Zeitkonstante des aus Lösch- kondensator (CL) und Dämpfungswiderstand (RD) ge bildeten Rc-Gliedes gleich der zur Löschung des Hauptstromtores (S1) erforderlichen Zeit ist. 3. Schalter nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass der Dämpfungswiderstand (RD) gleich dem EMI0003.0005 fachen des ohmschen Verbraucher widerstandes (R) ist. 4. Schalter nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass der Ladewiderstand (Ro) gleich dem Wellenwiderstand des Reihenschwingkreises ist.

   PATENTANSPRUCH II Verwendung des Schalters nach Patentanspruch I als Zweipunktregler mit Impulsbreitenmodulation, da durch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante des aus Löschkondensator (CL), Dämpfungswiderstand (RD) und Ladewiderstand (R.) gebildeten Re,-Gliedes gleich der halben kleinsten Impulsbreite ist.