DE1026850B

DE1026850B - Einrichtung zur Verbindung von Stromkreisen unterschiedlicher Spannungen

Info

Publication number: DE1026850B
Application number: DES46611A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Georg Sichling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1955-12-06
Filing date: 1955-12-06
Publication date: 1958-03-27
Also published as: CH351666A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Verbindung von Stromkreisen unterschiedlicher Spannungen mit Hilfe von steuerbaren Halbleiterwiderständen. Bei der Einrichtung nach der Erfindung kann die Energierichtung sowohl von dem Stromkreis niederer Spannung nach demjenigen höherer Spannung als auch umgekehrt verlaufen. Die Einrichtung nach der Erfindung kann bei der Verbindung zweier elektrischer Leitungsnetze unterschiedlicher Spannungen verwendet werden. Die Aufgabe, zwei Stromkreise unterschiedlicher Spannungen miteinander zu verbinden, tritt weiterhin bei Gleichrichtern sowie bei Wechselrichtern auf, wobei ebenfalls die Energierichtung sowohl von dem Stromkreis hoher Spannung nach demjenigen niedrigerer Spannung als auch umgekehrt verlaufen kann. Beim Gleichrichterbetrieb ist beispielsweise bekannt, daß ein Gleichstromkreis niedriger Spannung aus einem Wechselstromkreis mit höherer Spannung so gespeist werden kann, daß der Mittelwert der Wechselspannung — etwa durch Zündwinkelsteuerung — der Gleichspannung angepaßt wird. In ähnlicher Weise kann dies auch bei Wechselrichterbetrieb durchgeführt werden. Weiterhin ist es bekannt, zwei Stromkreise unterschiedlicher Spannungen über Transformatoren miteinander zu verbinden. Falls jedoch zwei Gleichstromkreise über Transformatoren miteinander verbunden werden sollen, ist hierfür ein recht erheblicher Aufwand erforderlich, da die speisende Gleichspannung zunächst einem Wechselrichter und nach Transformation wiederum einem Gleichrichter zugeführt werden muß. Falls diese Transformation auch umkehrbar sein soll, erhöht sich der Aufwand um ein Vielfaches. Durch die Einrichtung nach der Erfindung wird ein völlig neuer Weg zum Übergang von einer Spannung zu einer anderen eingeschlagen. Dabei werden nicht nur die Verluste, sondern es wird auch der Aufwand erheblich herabgesetzt. Die Einrichtung nach der Erfindung ist aber auch weiterhin anzuwenden bei der Verbindung von Stromkreisteilen unterschiedlicher Spannung, z. B. bei der Verbindung eines Verbrauchers mit einem Netz, dessen Spannung höher ist als die Verbraucher-Nennspannung oder z. B. die Gegen-EMK eines angeschlossenen Motors.

Nach der Erfindung ist zwischen den beiden Stromkreisen mit unterschiedlichen Spannungen ein Energiespeicher angeordnet, und zwischengeschaltete Halbleiterwiderstände stehen in Steuerabhängigkeit von dem Strom in bzw. der Spannung an dem Energiespeicher. Die Verwendung von steuerbaren Halbleiterwiderständen gibt dabei die Möglichkeit, die Stromkreise nicht nur zu schließen, sondern auch zu unterbrechen. Dabei weisen diese Halbleiterwiderstände in beiden Zuständen nur geringfügige Verluste auf.

Es ist zwar bekannt, bei Zündstromkreisen von Verbrennungsmotoren eine Drosselspule anzuordnen, deren Spannung durch plötzliche Unterbrechung des Primär-

zur Verbindung von Stromkreisen
unterschiedlicher Spannungen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr.-Ing. Georg Sichling, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

Stromkreises sehr steil ansteigt. Bei dieser Anordnung ist es jedoch nicht möglich, an die Drosselspule sekundärseitig eine Stromquelle anzuschließen, da diese die Drosselspule in den Unterbrechungspaitsen rückmagnetisieren würde.

Bei der Einrichtung nach der Erfindung kann als Energiespeicher ebenfalls eine Drosselspule verwendet werden, die vorteilhaft einen Luftspalt besitzt. Als steuerbare Halbleiter können Transistoren dienen, und zwar an sich jede beliebige Art von Transistortypen, also beispielsweise sowohl p-n-p- als auch n-p-n-Transistoren.

Desgleichen können sowohl symmetrische als auch halbsymmetrische oder unsymmetrische Transistoren verwendet werden, jedoch kann bei Verwendung von symmetrischen Transistoren die Einrichtung nach der Erfindung wesentlich vereinfacht werden, wie an Hand der beschriebenen Ausführungsbeispiele noch erläutert wird.

Verschiedene solche Ausführungsbeispiele sind in den Figuren der Zeichnung dargestellt. Bei ihrer Erläuterung sind noch zusätzliche Erfindungsmerkmale beschrieben.

Fig. 1 zeigt den Übergang von einer hohen Spannung auf eine niedrigere Spannung. Es sei in diesem Fall angenommen, daß die niedrige Spannung als Spannungsabfall an einem veränderlichen Widerstand, etwa an einem Motor, auftritt. In dem Ausführungsbeispiel ist die speisende Spannungsquelle mit 1 und der Motor mit 2 bezeichnet. Die Steuerung des Motors erfolgt über einen Transistor 3, der den Motorstrom schalten soll. Statt der im Beispiel dargestellten Gleichspannungsquelle als speisende Spannungsquelle 1 kann auch eine Wechseloder Drehstrom-Spannungsquelle treten. Es kann dann

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auch in Reihe mit dem Transistor 3 ein Ein- bzw. Drei- Man erkennt, daß sich die Kurven um so mehr einer

oder Mehrphasengleichrichter geschaltet sein. Geraden nähern, je kleiner der Wert α wird. Für einen

Nimmt man an, die Spannungsquelle 1 weise 100 V auf festen ohmschen Widerstand R stellen die Kurvenscharen

und im zu schaltenden Stromkreis seien nur ohmsche zugleich die Stromstärke/ in Abhängigkeit von dem

Widerstände von insgesamt 1 Ohm vorhanden, so würde 5 . . ΔI ,

■ _c, _{ιηη Λ} α- ο ,..η, JT- · j. ο Tastverhältnis/. dar. In Fig. 3 b ist die Welligkeit.-=—des

ein Strom von 100 A fließen. Laßt nun der Transistor 3 ^{b b} Im

im voll leitenden Zustand beispielsweise nur 10 A durch, Verbraucherstromes in Abhängigkeit vom Tastverhält-

so erscheint der Transistor als ein Widerstand von 9 Ohm, nis λ dargestellt, wobei wiederum α als Parameter auf-

d. h., der Spannungsabfall an ihm beträgt 90 y? Dieser getragen ist.

90 V ergeben eine Belastung des Transistors von 900 W, i° Aus den Kurvenscharen kann man erkennen, daß bei

die binnen kurzem zur Zerstörung des Transistors führen höheren Werten von α wegen des flachen Kurvenverlaufes

würde. Ähnlich ist es in dem dargestellten Fall der eine Aussteuerung praktisch nicht mehr möglich ist und

Steuerung eines Motors. Bekanntlich steigt die Strom- daß die Aussteuerung um so günstiger wird, je kleiner der

aufnahme eines Motors während des Anlaß Vorganges Wert α ist. Die Kurven geben die Möglichkeit, für jede

erheblich über den Anlaßwert. Man wird daher den 15 zulässige Welligkeit die Größe von α und damit die Kenn-

Transistor nur für den Nennstrom oder ein geringes Viel- größe des Schaltstromkreises zu bestimmen. Es besteht

faches desselben, beispielsweise das Doppelte, auslegen. also die Aufgabe, das Tastverhältnis so zu steuern, daß

Will der Motor aus dem Netz 100 A aufnehmen, während das in Fig. 3 a aufgetragene Tastverhältnis für den Grenz-

der Nennbetrieb mit höchstens 10 A festgelegt und somit strom Ι_ζηχ bei einem bestimmten ohmschen Widerstand R

auch der Transistor nur für 10 bis 20 A Durchlaßstrom 20 nicht überschritten wird. Das Tastverhältnis kann jedoch

ausgelegt ist, so wird der Transistor dann den Strom auf kleiner gewählt werden als das Grenztastverhältnis, wenn

10 bis 20 A begrenzen. Wie im obigen Beispiel liegt die der Strom kleiner werden soll als der Strom I_zui-

überschüssige Spannung am Transistor, und dieser wird In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel für die Steuerung

zerstört. des Transistors 3 dargestellt. Dabei kann zur Steuerung

Um dies zu vermeiden, ist gemäß der Erfindung in Reihe 25 des Transistors 3 eine bereits vorgeschlagene Schaltung zum Transistor 3, und zwar zwischen den beiden Strom- mit den Transistoren 6 und 7, den Transformatoren 8 kreisen mit unterschiedlicher Spannung, ein Energie- und 9 und dem weiteren Transistor 10 verwendet werden, speicher eingeschaltet. Dieser Energiespeicher kann eine In die Primärwicklung 9a des Transformators 9 wird eine Drosselspule 4, etwa eine Luftspaltdrosselspule sein. vorzugsweise dreieckförmige Spannung mit der Perioden-Dadurch wird die ohne Einwirkung einer Induktivität 30 dauer Ti = a + b eingeführt. Die Steuerung des Transisehr steil ansteigende Stromkurve abgeflacht. Es ist dann stors 3 über den Transformator 8 erfolgt in Abhängigkeit möglich, eine Einrichtung vorzusehen, die den Transistor3 von der am Transistor 10 erzeugten Gegenspannung, d. h. in den Sperrzustand steuert, sobald der Strom den höchst- von dem Grade der Leitfähigkeit des Transistors 10. Je zulässigen Durchlaßstrom des Transistors erreicht hat. mehr der Transistor 10 sperrt, desto größer ist die von der Der Strom in der Drosselspule 4 fließt jedoch weiter, und 35 Spannungsquelle 11 herrührende Emitter-Kcllektorzwar über einen Gleichrichter 5. Dieser Gleichrichter 5 Spannung und desto kleiner sind die Einschaltzeiten der wirkt also wie eine .»Nullanode & und ist notwendig bei Transistoren 6 und 7 und damit auch des Transistors 3. allen gesteuerten Gleichrichtern, die nicht nur einen Die Steuerung des Transistors 10 kann in Abhängigkeit Stromkreis öffnen, sondern auch sperren sollen. Dabei vom Unterschied einer an einem Widerstand 12 abnehmwird der Strom lediglich von der gespeisten Gegenspan- 40 baren Steuerspannung U_st und einer an dem Widernung bzw. den Verbraucherwiderständen abgeschwächt. stand 13 abnehmbaren, dem Verbraucherstrom proist er auf ein vorgegebenes Maß abgesunken, so kann der portionalen Istspannung Ui_st erfolgen. Mit Hilfe der Transistor 3 wieder in den leitenden Zustand gesteuert Steuerspannung U_st kann das Tastverhältnis λ des werden, usf. Transistors 3 gesteuert werden, da die Durchlaßzeiten der

Fig. 2 veranschaulicht den soeben beschriebenen 45 Transistoren 6 und 7 um so kürzer werden, je höher die Schaltvorgang an Hand eines Diagramms. Während der von der Spannungsquelle 11 am Transistor 10 hervor-Zeit α sei der Transistor 3 leitend. Der Strom I steigt gerufene Gegenspannung im Verhältnis zu der an der dann von einem Mindestwert I._Min bis auf die Höhe des Sekundärwicklung 9 δ des Transformators 9 induzierten zulässigen Stromes I_zui- In diesem Augenblick sperrt der Impulsspannung ist. Sobald jedoch der Strom durch den Transistor, so daß auf Grund der Speicherwirkung der 50 Motor 2 und somit auch durch den Transistor 3 den zuDrosselspule 4 ein Strom durch den Motor 2 über den lässigen Höchstwert I_zui erreicht, wird von dem Span-Gleichrichter 5 fließt, der entsprechend der eingezeichneten nungsabfall Ui_St am Widerstand 13 eine Begrenzung des Kurve wieder auf den Wert I_min absinkt. Sodann leitet Verbraucherstromes ausgelöst. Dies geschieht im Ausder Transistor 3 wieder. führungsbeispiel der Fig. 4 dadurch, daß der Spannungs-

-D -I₄. JTj.' i. -u. · ^a -j. ' -ι* 55 abfall Ui_st der Steuerspannung U_st des Transistors 10

Bezeichnet man das Tastverhältnis ——- mit λ, so gut , «« . r & «

a + b ° entgegengeschaltet ist, und zwar gegebenenfalls über

,.. j. ,..·,, ι.. · _OJ. j.·· ι τ Ε·λ , . einen Schwellwertgleichrichter 14.

fur die hochstzulässige Stromstarke I_zui = —=r—, wobei ^. „,. , ^ö. , _c, „ ·, _A

^& R Die Wirkungsweise der Steuerung sei an Hand der

mit E die Spannung der Spannungsquelle 1 und mit R der Fig. 5 a bis 5f erläutert. Dabei ist in Fig. 5 a nochmals die

gesamte ohmsche Widerstand des gespeisten Strom- 6o Steuerschaltung mit den Transistoren 6, 7 und 10 sowie

kreises, etwa der Verbraucherwiderstand, bezeichnet ist. der Transformator-Sekundärwicklung 9δ dargestellt. In

Es seien Ti = a + b die Periodendauer der Impulse, dieser Schaltung sind die in den Fig. 5 b bis 5f darge-

„ L ,.„.,, .,-,c-u^j. ι ■ JT stellten Spannungen und Ströme eingetragen. Fig. 5b

Il= -=t die Zeitkonstante des Schaltstromkreises undL .. , K_T , P, _c. ■ ^r j + α ti/ττ λ\

R möge den V erlauf des Stromes im Widerstand 13 (Fig. 4)

die Gesamtinduktivität des Schaltstromkreises. Stellt 65 darstellen. In Fig. 5 c ist die an der einen Wicklungshälfte

man das Verhältnis a = Ti: Tl auf, so erhält man für der Sekundärwicklung95 des Transformators9 auf-

die Abhängigkeit des ohmschen Widerstandes R von dem tretende Spannung U_5ia aufgetragen; die an der anderen

Tastverhältnis λ bei dem höchstzulässigen Strom I_zui W^Ticklungshälfte auftretende Spannung U_slb ist in Fig. 5 e

und fester Spannung E die in Fig. 3a dargestellte Kurven- dargestellt. Diesen Spannungen U_Bia bzw. U₅₁I, ist der von

schar mit verschiedenen Werten von α als Parameter. 70 der Spannungsquelle 11 am Transistor 10 hervorgerufene

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Spannungsabfall JJ₅₂ entgegengeschaltet. Die Spannung ein Netz höherer Spannung einspeisen kann, ohne daß U₅₂ ist so ausgelegt, daß bei völlig sperrendem Transistor, besondere Übertragungsglieder in Gestalt von Transalso höchster Spannung CZ₆₂, die Spannungen U_5ia bzw. formatoren od. dgl. verwendet werden. Es sei der Gene-JJ₅₁O auf die gestrichelt eingezeichneten Spannungen fJ_51c rator mit 61, das zu speisende Netz mit 62, die Drosselbzw. U₅₁O, absinken. Diese Spannungen sind also nie mehr 5 spule mit 64 und zwei Transistoren mit 63. bzw. 65 bepositiv, so daß die Transistoren 6 und 7 ständig sperren. zeichnet. Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende: JT₆₁₆ und JJ₅₁/ sind die Emitter-Basis-Spannungen der Es sperre zunächst der Transistor 63, und der Transi-

Transistoren 6 und 7. Solange der Transistor 10 voll leitet, stör 65 sei leitend. Der Generator 61 wird dann einen ist die Spannung JJ₅₃ gleich Null. In diesem Fall entspricht Strom durch die Drosselspule 64 und den Transistor 65 der Verlauf der Emitter-Basis-Spannungen JJ₅₁ _e und i° schicken, der allmählich ansteigt. Sobald dieser Strom JZ₅₁/ annähernd dem Verlauf der Spannungen JJ_5ia und einen vorgegebenen Höchstwert I_zui erreicht hat, sperrt JJ₆₁S- Sobald die Spannung JJ_51B und somit auch die der Transistor 65, und gleichzeitig wird der Transistor 63 Spannung U_{51 e} positiv werden, leitet der Transistor 6 leitend. Damit fließt die magnetische Energie der Drossel- und somit auch der Transistor 3. Der in Fig. 5 b darge- spule 64 in Form von elektrischer Energie über den stellte Strom durch den Widerstand 13 steigt zunächst 15 Transistor 63 in das Netz 62 ab. Bei Unterschreitung eines an, bis er im Punkt A die höchstzulässige Stromstärke gewissen Mindeststromes wird der Transistor 63 wieder Izui erreicht hat. In diesem Augenblick wird die am Wider- sperrend und der Transistor 65 zur erneuten Aufladung stand 13 auftretende Spannung Uu₁ höher als der der Drosselspule 64 leitend. Damit während der Auflade-Schwellwert des Gleichrichters 14 und ebenfalls höher als zeit der Drosselspule 64 der Transistor 63 nicht von der die Steuerspannung U_st des Transistors 10. Infolgedessen 20 höheren Spannung des Netzes 62 über den Transistor 65 sperrt der Transistor 10, so daß an ihm die volle Spannung leitend gemacht werden kann, ist noch ein Gleichriehter66 JJ₆₂ der Spannung JJ₆₁₀ entgegengeschaltet ist und die vorgesehen.

Spannung JJ₅₁« also den gestrichelt eingezeichneten Ver- Fig. 7 zeigt das Arbeitsdiagramm der Einrichtung,

lauf entsprechend der Spannung JJ_{51 c} annimmt. Damit Dabei ist der Strom durch die Drosselspule 64 mit Id und fällt aber auch die Spannung JJ_51C, jedoch nicht bis auf 25 die Spannung an der Drosselspule 64 mit Ud bezeichnet, den Wert JJ₅₁ _c, sondern nur annähernd bis auf Null, da Man erkennt, daß entsprechend der niedrigen Spannung tür den negativen Teil der dem Steuerkreis des Transistors6 an der Drosselspule, die der Spannung des Generators 61 parallel geschaltete Gleichrichter annähernd einen Kurz- beim Aufladen entspricht, der Strom /# während der Zeit a schluß darstellt. Sobald der Transistor 6 und damit auch ansteigt, bis der Höchststrom I_zui erreicht ist. Es sperrt der Transistor 3 sperrt, sinkt der Strom im Widerstand 12 30 dann der Transistor 65, und der Transistor 63 wird leitend, entsprechend der an Hand der Fig. 2 beschriebenen Kurve Damit liegt an der Drosselspule die volle Gegenspannung ab, bis im Punkt B der Fig. 5b der Strom I_min erreicht des Netzes 62, gegen die der Strom Id anfließen muß. Er ist. Hier würde der Transistor 10 wieder leitend, die wird somit innerhalb der verhältnismäßig kurzen Zeit b Spannung J ^T ₅₂ würde zu Null werden und damit der Transi- bis auf den Mindestwert I_min absinken. Sodann wird der stör 3 wieder so lange leitend bleiben, bis der Strom I_zuj. 35 Transistor 65 wieder leitend und der Transistor 63 sperrt, erreicht ist bzw. bis die Spannung U_sia negativ wird. Da so daß sich der Vorgang wiederholt. Dabei ist die Schaltjedoch in demselben Augenblick die Spannung JJ₆₁/, zeit α gegeben durch die Größe der Spannung des Genepositiv wird, würde der Transistor 3 von dem Transistor 7 rators 61, die Größe der Zeitkonstanten Tl = LjR des so lange leitend gehalten, bis wiederum der Strom I_mi Schaltstromkreises und die des Höchststromes I_2Ui. Die erreicht ist. 40 Schaltzeit b dagegen ist gegeben durch den Unterschied

Wie in den Fig. 5b bis 5f dargestellt, ist es jedoch auch der Spannungen des Netzes 62 und des Generators 61 möglich, den Transistor 10 und somit den Transistor 3 sowie durch die Zeitkonstante des Gesamtstromkreises, langer sperrend zu halten als etwa bis zu dem Wert I_min, -Der Strommittelwert ist abhängig vom Tastverhältnis beispielsweise so lange, bis die nächste Halbwelle der und kann entsprechend diesem Tastverhältnis eingestellt Impulsspannung einsetzt und der Transistor 7 von der 45 werden.

Spannung JJ₅₁/ in den leitenden Zustand gesteuert wird. Fig. 8 zeigt auch ein Ausführungsbeispiel für die Steue-

Dies kann durch ein ÄC-Glied 15-16 in der Schaltung nach rung der Transistoren 63 und 65 mit Hilfe einer Ein-Fig. 4 erreicht werden. Nach Überschreitung des Schwell- richtung, die ähnlich der an Hand der Fig. 4beschriebenen wertes des Gleichrichters 14 lädt sich der Kondensator 16 arbeitet. Es wird demzufolge in die Primärwicklung 609« auf und entlädt sich nach Unterschreitung der Schwell- 50 eine Spannung eingeführt, die eine der Periodendauer der wertspannung über den Widerstand 15, so daß der Impulse entsprechende Periodendauer aufweist. Die Transistor 10 weiterhin sperrt. Sobald die Entladung des Steuerung der Transistoren 63 und 65 über den Transi?C-Gliedes so weit fortgeschritten ist, daß die Konden- formator 608 erfolgt in Abhängigkeit von der am satorspannung kleiner als die am Widerstand 13 abge- Transistor 610 erzeugten Gegenspannung. Die Steuerung griffene Spannung ist, werden der Transistor 10 und damit 55 des Transistors 610 erfolgt wiederum in Abhängigkeit von auch der Transistor 3 wieder leitend. In den Fig. 5 b bis 5f dem Unterschied einer an einem Widerstand 612 abnehmist angenommen, daß die Entladung des ÄC-Gliedes baren Steuerspannung und einer an dem Widerstand 613 gerade bis zum Beginn der nächsten Halbwelle der auftretenden, dem Generatorstrom verhältnisgleichen Ist-Spannung JJ₅₁a bzw. JJ₅₁₆ dauert, der Strom in Fig. 5 b spannung. Mit Hilfe der am Widerstand 612 abnehmbaren also bis zum Punkt C absinkt. An Stelle dieses darge- 60 Steuerspannung kann nun das Tastverhältnis λ = a : a+b stellten Steuerungsbeispiels kann für die Steuerung des gesteuert werden. Dabei entspricht in diesem Falle die Transistors 3 auch auf eine zusätzliche Impulsspannung Zeit α der Durchlaßzeit des Transistors 65 und die Zeit b verzichtet und die Steuerung vollkommen selbsttätig, der Durchlaßzeit des Transistors 63. Die wechselweise beispielsweise, nach dem Tirrillprinzip, durchgeführt Steuerung der beiden Transistoren kann beispielsweise werden. 65 mit Hilfe eines zusätzlichen Transistors 67 auf die in der

Während in den obigen Ausführungsbeispielen der Figur dargestellten Weise durchgeführt werden. Sobald Übergang von einer hohen Spannung auf eine niedrigere der Generatorstrom den vorgegebenen Höchstwert I_zui beschrieben worden ist, zeigt das schematische Ausfüh- erreicht hat, wird von dem Spannungsabfall am Widerrungsbeispiel der Fig. 6, wie mit Hilfe einer Einrichtung stand 613 die Begrenzung des Verbraucherstromes ausnach der Erfindung ein Generator niedriger Spannung in 70 gelöst. Dies kann wiederum in der bereits an Hand der

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Fig. 4 beschriebenen Weise geschehen, indem der Span- Transistoren 93 und 94 werden abwechselnd in den

nungsabfatt am Widerstand 613 der am Widerstand 612 leitenden Zustand gesteuert. Fig. 9d zeigt das Spiegelbild

abgegriffenen Steuerspannung des Transistors 610 über zu Fig. 9 a. In der Schaltung nach Fig. 9d sperrt der

Schwellwertgleichrichter 614 sowie ein ÄC-Glied 615-616 Transistor 92 ständig, der Transistor 93 darf nur in der entgegengeschaltet wird. 5 Richtung des eingezeichneten Pfeiles stromdurchlässig

Es ist bisher ausgeführt worden, wie mit Hilfe einer sein, und der Transistor 94 wird durch den Belastungs-Einrichtung nach der Erfindung ein Stromkreis niedriger strom gesteuert.

Spannung über einen steuerbaren Halbleiterwiderstand Um diese an Hand der Fig. 9 a bis 9d beschriebenen

an einen Stromkreis höherer Spannung angeschlossen vier verschiedenen Fälle mit den gleichen steuerbaren werden kann, sei es, daß die Energie von dem Stromkreis io Halbleitern auszuführen, ist es vorteilhaft, als Transistoren

höherer Spannung zu demjenigen niedrigerer Spannung sogenannte symmetrische Transistoren zu verwenden,

oder umgekehrt fließen soll. d. h. Transistoren, bei denen die Emitter- und Kollektor-

Im folgenden sei der Aufbau eines Schaltelementes Wirkungen vertauschbar, die Spannungen in beiden beschrieben, das lediglich mit zwei Eingangs- und zwei Richtungen ungefähr gleich groß sind und auch der Ausgangsklemmen ausgestattet ist und gemäß der 15 Stromverstärkungsfaktor für die Basisemitter- bzw. die weiteren Erfindung so geschaltet werden kann, daß Basis-Kollektor-Schicht annähernd gleich ist. In manchen wahlweise an das eine oder an das andere Klemmenpaar Fällen, insbesondere wenn nicht alle vier in den Fig. 9a entweder die höhere Spannung oder die niedrigere bis 9d dargestellten Möglichkeiten erfaßt zu werden Spannung angeschlossen werden kann und daß ebenso brauchen, kann es jedoch genügen, andere Transistorwahlweise die Energie entweder von der Netzseite mit 20 typen, beispielsweise halbsymmetrische (also Transistoren höherer Spannung zu derjenigen mit niedrigerer Spannung mit gleicher Sperrspannung für Emitter- und Kollektoroder umgekehrt fließen kann. sperrschicht, aber mit einfachem Stromverstärkungs-

Der innere Aufbau dieses Bauelementes sei an Hand faktor) oder unsymmetrische Transistoren zu verwenden, der Fig. 9 a bis 9d erläutert. In diesen Figuren sind die Grundsätzlich wäre es auch möglich, in allen anderen beiden an den zwei offenen, mit ± gekennzeichneten 25 Fällen an Stelle von symmetrischen unsymmetrische oder Klemmenpaaren wirksamen Spannungen mit JJ₁ und ZJ₂, normale Transistoren ohne Symmetrieanordnung zu die steuerbaren Halbleiter mit 91 bis 94 und die Drossel- verwenden, jedoch wären dann für einen symmetrischen spule mit 95 bezeichnet. Für die Fig. 9a und 9b ist Transistor zwei andere Transistoren erforderlich,
angenommen, daß die Spannung ZJ₁ höher als die An Hand der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 10 a Spannung ZJ₂ ist. Bei Fig. 9 a soll die Energie von dem 30 bis 10 h sei die Potentialverteilung für die Steuerung der Stromkreis mit der Spannung ZJ₁ zum Stromkreis mit der Transistoren erläutert. Dabei sind die Primärwicklungen Spannung Z7₂ fließen, d. h., es bedeutet U₁ die Spannung 101 bis 104 eines Speisetransformators an die Emitter eines festen Netzes und U₂ die Spannung einer elektrischen bzw. Kollektoren der Transistoren 91 bis 94 angeschlossen. Maschine, wodurch motorischer Betrieb gekennzeichnet Die Sekundärwicklungen 101« bis 104« rind 101& bis 104fr ist. Für Fig. 9b dagegen ist generatorischer Betrieb 35 sind in Reihe mit Sekundärwicklungen 111« bis 114« und angenommen, d. h., die Energie soll von der Maschine 111δ bis 114& eines Steuertransformators geschaltet, mit niedrigerer Spannung U₂ zum Netz mit höherer dessen Primärwicklungen mit 111c bis 114c und llld bis Spannung U₁ fließen, wie es beispielsweise bei der Nutz- 114eü bezeichnet sind. Es können diese Primärwicklungen bremsung von Motoren erforderlich sein kann. Für die beispielsweise die Eingangswicklungen des in Fig. 4 dar-Fig. 9 c und 9d ist angenommen, daß die Spannung ZJ₁ 40 gestellten Transformators 8 oder des Transformators 608 kleiner ist als die Spannung ZJ₂. Dabei soll wiederum in der Schaltung nach Fig. 8 sein. Weiterhin sind zur (entsprechend Fig. 9 a) in Fig. 9 c der motorische Betrieb Steuerung der Transistoren 91 bis 94 nicht näher bedargestellt sein, d. h.„ die Energie soll von der Netzseite zeichnete Widerstände und Gleichrichter vorgesehen,
(mit in diesem Fall jedoch niedrigerer) Netzspannung ZJ₁ Die Fig. 10a und 10b behandeln den gleichen Fall wie zur Maschine mit höherer Spannung ZJ₂ fließen, während 45 Fig. 9 a, d. h., für sie ist angenommen, daß die Spannach Fig. 9d beim generatorischen Betrieb die Energie nung ZJ₁ höher ist als die Spannung U₂ und daß die von der Maschine mit höherer Spannung ZJ₂ (Generator) Energierichtung vom Stromkreis mit der Spannung ZJ₁ zum Netz mit niedrigerer Spannung ZJ₁ fließen soll. Die zum Stromkreis mit der Spannung ZJ₂ verläuft. In Wirkungsweisen der Schaltungen nach den Fig. 9 a und 9 b Fig. 10 a ist die Potentialverteilung während des Anentsprechen im wesentlichen denjenigen der Schaltungen 50 stieges des Stromes dargestellt, d. h. während des Aufnach den Fig. 1 und 6. Es kann also in der Schaltung magnetisierens der Drosselspule 95. Während dieser Zeit nach Fig. 9 a der Transistor 93 ständig sperren und der müssen die Transistoren 91 und 94 in der Richtung der Transistor 94 ständig leitend sein. Dies ist durch die eingezeichneten Pfeile leitend sein und die Transistoren 92 punktierte Linie am Transistor 93 und den Pfeil am und 93 sperren. Sowohl für die Primärwicklung 101 als Transistor 94 angedeutet. Der Transistor 92 darf lediglich 55 auch für die Sekundärwicklungen 101a und 101& ergibt in der Richtung des gezeichneten Pfeiles stromdurchlässig sich dann die eingezeichnete Polaritätsverteilung, die den sein, da er die Aufgabe des Gleichrichters 5 in der Schal- Transistor 91 sperrt. Der Emitter des Transistors 91 tung nach der Fig. 1 übernehmen soll, während der liegt dabei unten entsprechend dem eingezeichneten Transistor 91 wie der Transistor 3 in der Schaltung nach Emitterpfeil 91«. Wird in den Sekundärwicklungen 111« Fig. 1 durch den Belastungsstrom gesteuert wird. Nach 60 und 111& eine Spannung der ebenfalls eingezeichneten Fig. 9 b werden die Transistoren 91 und 92 wechselweise Polarität erzeugt, so ist diese Spannung der in den von dem Strom aus der Spannungsquelle ZJ₂ (Generator) Sekundärwicklungen 101« und 101ö erzeugten Spannung gesteuert. Der Transistor 93 sperrt wiederum ständig, entgegengerichtet. Die zusätzliche Spannung ist dabei so und der Transistor 94 ist ständig leitend, jedoch nunmehr bemessen, daß das Basispotential des Transistors 91 ins inf c Ige der entgegengesetzten Energierichtung entspre- 65 Negative abgesenkt wird, so daß der Transistor 91 leitend chend den Pfeilen in umgekehrter Richtung gegenüber wird. Gleiches gilt für den Transistor 94, jedoch liegt der der Schaltung nach Fig. 9 a. Emitter dieses Transistors entsprechend dem Pfeil 94«

Fig. 9c zeigt den Fall der Fig. 9b spiegelbildlich. In oben, da das obere Ende des Transistors 94 entsprechend

Fig. 9 c ist der Transistor 91 in der Pfeilrichtung ständig der Durchlaßrichtung an einem höheren Potential liegt

leitend, während der Transistor 92 ständig sperrt. Die 70 als das untere Ende. Auch hier sind wieder die Polarität

ίο

■der in den Sekundärwicklungen 114«; und 1145 erzeugten Spannungen derjenigen in den Sekundärwicklungen 104« und 1045 entgegengerichtet und die Spannungen so gewählt, daß die Basis negatives Potential erhält und der Transistor leitend wird.

Bei den Transistoren 92 und 93 tritt die Emitterwirkung infolge der an ihnen liegenden Spannungen ebenfalls entsprechend den eingezeichneten Pfeilen 92a und 93a auf. Da diese beiden Transistoren jedoch während des in Fig. 10a dargestellten Vorganges sperren sollen, würde es genügen, wenn in den Sekundärwicklungen 112« und 1125 bzw. 113«; und 1135 keine Spannungen erzeugt würden. Andererseits üben jedoch erzeugte Spannungen der eingezeichneten Polarität keine Wirkungfaus, da sich

Die Fig. 10 g und 10 h zeigen schließlich die Potentialverteüungen während eines Energieflusses aus dem Stromkreis höherer Spannung U₂ zu demjenigen niedrigerer Spannung U₁. Wie bereits an Hand der Fig. 9d erläutert, sind hierbei zunächst die Transistoren 91 und 94 leitend, während die Transistoren 92 und 93 sperren (Fig. 10g). Bei der höchstzulässigen Stromstärke sperrt der Transistor 94, und der Transistor 93 wird leitend, so daß nunmehr der Stromkreis von der Drosselspule 95 über den Transistor 91, die Spannungsquelle mit der Spannung U₁ und den Transistor 93 geschlossen ist.

In den bisher erläuterten Ausführungsbeispielen ist die Einrichtung nach der Erfindung unter Berücksichtigung von Gleichspannungen beschrieben. Sie ist ebensogut bei

in diesem Fall die in der Sekundärwicklung 112« erzeugte 15 Wechselspannungen unterschiedlichen Potentials an-Spannung zu der in der Sekundärwicklung 102« erzeugten wendbar, wie im folgenden an Hand der Fig. 11a bis lld

lediglich

Spannung addiert, also lediglich eine Erhöhung des Stromes über den dem Steuerkreis parallel geschalteten Gleichrichter, nicht aber eine Absenkung des Basis-

und 12 erläutert werden soll. Dabei ist angenommen, daß die Spannung U₁ höher sei als die Spannung U₂ und daß die Energie von der Spannungsquelle mit der Spannung U₁

potentials dieses Transistors hervorrufen kann. Die in der 20 nach der Spannungsquelle mit der Spannung U₂ fließen Sekundärwicklung 1125 erzeugte Spannung bewirkt ein soll. Die einzelnen Fig. 11a bis lld stellen Schaltweiteres Anheben des positiven Basispotentials, so daß Stellungen innerhalb einer Wechselstromperiode dar. Der der Transistor hierdurch auch weiterhin in Richtung Einfachheit halber sei angenommen, daß die Spannungen Verbraucher sperrt. Es ist also während dieses Schalt- U₁ und U₂ phasengleich sind, obgleich grundsätzlich auch zustandes ohne Bedeutung, ob in den Sekundärwicklungen 25 die Verbindung von Netzen nicht phasengleicher Span-112« und 1125 und 113« und 1136 Spannungen der
eingezeichneten Polarität oder keine Spannungen erzeugt
werden.

Fig. 10 b veranschaulicht den Schaltzustand und die

Potentialverteilung der Transistoren 91 bis 94 während 30 angepaßt werden, der Abschaltzeit des Transistors 91, d.h. in der Zeit, in Die Fig. 11 a und 11b sind ähnlich den Fig. 10 a und 10 b.

der sich die Energie der Drosselspule in Richtung des Sie zeigen die beiden Schaltstellungen während der an Verbrauchers mit der Spannung U₂ entlädt. Für den den Klemmen eingezeichneten Polarität der Wechsel-Transistor 93 ebenso wie für den Transistor 94 ändert spannung (positive Halbwelle). Zunächst sind die sich gegenüber der Schaltung nach Fig. 10a nichts. Der 35 Transistoren 91 und 94 leitend, die Transistoren 92 und 93 Transistor 91 muß sperren, d. h., die Potentialverteilung sperren. Der die Spannung U₂ überwiegende Anteil der

Spannung U₁ läßt über den Transistor 91, die Drosselspule 95 und den Transistor 94 einen Strom in Richtung

nungen, unter Umständen sogar unterschiedlicher Frequenz, möglich ist, da es sich ja um die Auf- und Entladung eines Energiespeichers handelt. Es müßten dann Auf- und Entladungszeiten den Betriebsverhältnissen

an den Sekundärwicklungen lila und 1115 muß entgegengesetzt zu derjenigen in der Schaltung nach Fig. 10 a sein, und der Transistor 92 muß leitend sein, jedoch hat sich an ihm die Potentialverteilung umgekehrt, so daß die Emitterwirkung entsprechend dem Pfeil 92« ausgeübt wird. Es haben sich daher auch die Potentiale der Sekundärwicklungen 102 sowie 102« und 1025 umgekehrt, während die Potentiale der Sekundärwicklungen 112a und 1125 gegenüber denjenigen in der Schaltung nach Fig. 10 a unverändert bleiben können, da sie nunmehr den Transistor 92 leitend machen.

Die Fig. 10 c und 1Od zeigen die Polaritätsverteilungen bei einem Betrieb entsprechend Fig. 9b. In der Schaltung

des Stromkreises mit der Spannung U₂ fließen. Dieser Strom lädt zugleich die Drosselspule 95 auf und wird nach Erreichen des für den Transistor 91 zulässigen Höchststromes abgeschaltet, so daß sich der Zustand der Fig. 11b ergibt, in dem die Transistoren91 und 93 sperren, während die Transistoren 92 und 94 leitend sind. Nachdem der Strom auf ein gewisses Mindestmaß abgesunken ist, stellt sich, wie an Hand der Fig. 1 bis 4 erläutert, wieder der Schaltzustand der Fig. 11a ein.

In Fig. 12 sind die beiden Spannungen U₁ und U₂ sowie der von der Spannungsquelle mit der Spannung U₁ nach

nach Fig. 10c wird zunächst die Drosselspule 95 über die 50 der Spannungsquelle mit der Spannung U₂ fließende Transistoren 92 und 94 von der Spannung U₂ aufgeladen, Strom I in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. Man so daß die Transistoren 91 und 93 sperren müssen, erkennt, daß zu Beginn der positiven Halbwelle während während in der Schaltung nach Fig. 1Od die magnetische der Zeit I₁ der die Spannung U₂ übersteigende Betrag der Energie der Drosselspule in Form von elektrischer Energie Spannung U₁ ein allmähliches Ansteigen des Stromes / zur über den nunmehr leitenden Transistor 91 in Richtung 55 Folge hat, bis der zulässige Höchststrom I_zui erreicht ist. der Spannungsquelle mit der Spannung U₁ abfließt und In demselben Augenblick wird von dem Schaltzustand der der Transistor 92 sperrt. Eine besondere Erläuterung der Fig. 11a auf denjenigen der Fig. 11b umgeschaltet, so eingezeichneten Polaritätsverteilungen dürfte sich hier daß nunmehr der Strom während der Zeit t₂ bis auf einen ebenso wie bei den Schaltungen nach den Fig. 1Oe bis 10 h vorzugebenden Mindestwert absinkt. Danach schaltet erübrigen, da die Richtigkeit der Polaritätsverteilung 60 sich wieder der in Fig. 11a gezeichnete Zustand ein, usf. nach obigen Ausführungen unschwer nachzuprüfen ist. Sobald die Spannungen U₁ und U₂ ihre Polarität wechseln,

Die Fig. 1Oe und 1Of zeigen die entsprechenden Zustände bei einem Energiefluß nach der Darstellung in Fig. 9 c. Zunächst wird wiederum die Drosselspule 95 von der Spannung U₁ über die Transistoren 91 und 93 aufgeladen, während die Transistoren 92 und 94 sperren (Fig. 10 e). Sodann entlädt sich die magnetische Energie der Drosselspule 95 in Richtung der Spannungsquelle mit Spannung U₂ über den Transistor 94, so daß nunmehr die Transistoren 92 und 93 sperren müssen (Fig. 10 f).

erhält man eine Polaritätsverteilung entsprechend den Fig. lic und Hd. Darin stellt Fig. 11 c den Schaltzustand dar, in dem der Transistor 91 und der Transistor 94 leitend sind und die Transistoren 92 und 93 sperren, d. h. also den Schaltzustand der Einspeisung von Energie von der Spannungsquelle mit der Spannung U₁ in die Spannungsquelle mit der Spannung U₂. Jedoch ist in diesem Fall infolge der umgekehrten Netzpolarität die Stromrichtung durch die Drosselspule 95 entsprechend dem eingetragenen

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Pfeil in umgekehrter Richtung wie in den Schaltungen nach den Fig. 11a und 11b. Dementsprechend sind auch die Emitterwirkungen der Transistoren 91 bis 94 vertauscht. Sobald der Strom wieder seinen höchstzulässigen Wert erreicht hat, sperrt wie in der Schaltung nach Fig. 11 b der Transistor 91, und der Transistor 92 wird leitend, so daß die magnetische Energie der Drosselspule 95 in Form von elektrischer Energie nach dem Stromkreis mit der Spannung U₂ fließen kann. Aus Fig. 12 ist zu erkennen, daß während dieser negativen Halbwelle grundsätzlich der gleiche Steuervorgang vcr sich geht wie während der positiven Halbwelle. Während jedoch in Fig. 12 während der positiven Halbwelle die Ladezeiten der Drosselspule mit α und die Entladezeiten mit b bezeichnet wurden, sind während der negativen Halbwelle die Ladezeiten mit c und die Entladezeiten mit d bezeichnet.

Wie aus den Ausführungen zu den Fig. 11a bis lld hervergeht, ist die Einrichtung nach der Erfindung bei Wechselstrom ebenso wie bei Gleichstrom für beliebige Energierichtungen und Unterschiede zwischen den Spannungen U₁ und U₂ zu verwenden, so daß auch die in den Fig. 9 b bis 9d angeführten Fälle bei Wechselstrom mit Hilfe der Einrichtungen nach der Erfindung ausführbar sind. Die Steuerung kann hierbei in der bereits oben beschriebenen Art durchgeführt werden.

Wie aus den zahlreichen Ausführungsbeispielen für Einrichtungen nach der Erfindung hervorgeht, sind diese auf die verschiedenste Weise abwandelbar. Es sind daher nicht alle möglichen Ausführungstormen beschrieben, sondern die Figuren geben lediglich einen Hinweis darauf, wie mit Hilfe von Einrichtungen nach der Erfindung grundsätzlich die Verbindung zweier Stromkreise unterschiedlicher Spannungen möglich ist. Es sei hierzu noch darauf hingewiesen, daß beispielsweise in den Schaltungen nach den Fig. 9 a und 11a bei Anschluß der Einrichtung nach der Erfindung an eine Spannung U₁, die einem Netz mit Blindbelastung entnommen ist, Mittel zum Auffangen der Abschaltspannungsspitze beim Sperren des Transistors 91 vorzusehen sind, die beispielsweise aus einem parallel geschalteten Kondensator, einem Überspannungsableiter, einem Schalttransistor od. dgl. bestehen können.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Verbindung von Stromkreisen unterschiedlicher Spannungen mit Hilfe von steuerbaren Halbleiterwiderständen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Stromkreisen mit unterschiedlichen Spannungen ein Energiespeicher angeordnet ist und die Halbleiterwiderstände in Steuerabhängigkeit von dem Strom .in oder der Spannung an dem Energiespeicher stehen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Energiespeicher eine Drosselspule verwendet wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule einen Luftspalt besitzt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbare Halbleiter Transistoren verwendet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß symmetrische Transistoren verwendet werden.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine solche Steuerung der Halbleiterwiderstände, daß der Energiespeicher zunächst von der Spannung der ersten Spannungsquelle aufgeladen wird und sodann seine Ladung an die zweite Spannungsquelle abgibt.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Halbleiterwiderstände in Abhängigkeit vom Strom in der Stromkreisverbindung nach dem Tirrillprinzip erfolgt.

8. Einrichtung nach Ansprach 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Halbleiterwiderstände mit Hilfe einer Impulse erzeugenden Gegentaktschaltung erfolgt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegentaktschaltung mit Hilfe zweier vom Unterschied einer Gleich- und einer Wechselspannung steuerbarer Halbleiter (6, 7) arbeitet.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichspannung der Spannungsabfall an einem von einer Gleichspannungsquelle (11) gespeisten veränderbaren Widerstand (10) dient.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als veränderbarer Widerstand (10) ein steuerbarer Halbleiterwiderstand dient.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Halbleiterwiderstandes (10) in Abhängigkeit von dem einer einstellbaren Spannung (U_st) am veränderlichen Widerstand (12) entgegengeschalteten Spannungsabfall an einem im Stromkreis des Energiespeichers angeordneten Widerstand (13) erfolgt.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsabiall (Uut) am Widerstand (13) der einstellbaren Spannung (U _st) am veränderlichen Widerstand (12) über einen Schwellwertgleichrichter (14) entgegengeschaltet ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen