DE1061823B - Elektronischer Schalter mit einem Transistor, der ueber einen saettigungsfreien Stromwandler rueckgekoppelt ist - Google Patents

Description

In der Steuer- und Regeltechnik werden als Regler, Stellglieder, gesteuerte Schütze usw. für Wechselstromspeisung meist elektronische Schalter mit Anschnittsteuerung verwendet, beispielsweise Stromtore und Magnetverstärker in Selbstsättigungsschaltung. Die Schalter haben dabei in der Regel auch die Aufgabe, als Verstärker zu wirken, d. h., die Steuerleistung ist wesentlich kleiner als die gesteuerte Leistung. Die bekannten Schalter dieser Art haben jedoch eine Reihe von Nachteilen im praktischen Betrieb.

Bei Magnetverstärkern ist in den meisten Fällen eine Kaskadenschaltung erforderlich, um bei kleiner Ansprechzeit eine hohe Leistungsverstärkung zu erreichen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß durch die Kaskadenschaltung eine störende Totzeit in die Regelstrecke eingeführt wird und auf Grund der Oberwelligkeit die Leistungsverstärkung der zweiten Stufe nicht ihren normalen Wert erreicht. Während die Ansprechzeit der Kaskade etwa gleich der Summe der Ansprechzeiten der Kaskadenglieder ist, liegt die Gesamtverstärkungsziffer meist erheblich niedriger als das Produkt der Einzelverstärkungen. Diese Schwierigkeiten hat man dadurch zu umgehen versucht, daß man die Magnetverstärker statt mit Netzfrequenz mit einer höheren Frequenz, beispielsweise 1000 Hz, gespeist hat, was jedoch unter Umständen eine beträchtliche Aufwandserhöhung mit sich bringt.

Auch die Stromtore lassen bei der praktischen Anwendung noch verschiedene Wünsche offen. Sie sind für viele Zwecke zu wenig robust, haben eine störende Anheizzeit und eine begrenzte Lebensdauer und arbeiten oft auf Grund der Heizleistung und des Spannungsabfalls (etwa 12 V) mit schlechtem Wirkungsgrad. Der letztere Nachteil tritt insbesondere dann in Erscheinung, wenn häufig ein Betrieb mit großem Zündwinkel, d. h. kleinem Ausgangsstrom auftritt, wie beispielsweise in der Technik der Bühnenbeleuchtung. Schließlich ist auch der Raumbedarf für eine Stromtorsteuerung nennenswerter Leistung verhältnismäßig groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Schalter zu schaffen, der von den genannten Nachteilen frei ist und bei hoher Leistungsverstärkung die Vorteile des Stromtores (kleine An- Sprechzeit) mit den Vorteilen des Magnetverstärkers (robuster Aufbau und hoher Wirkungsgrad) verbindet.

Ein geeignetes Element hierzu ist der an sich bekannte Schalttransistor, d. h. ein Transistor, der nur in den Betriebszuständen »aus« und »ein« arbeitet und dadurch eine Leistung beherrschen kann, die erheblich über der Verlustleistung liegt. Derartige Schalttransitoren sind in der Starkstromtechnik bereits für Elektronischer Schalter

mit einem Transistor,

der über einen sättigungsfreien

Stromwandler rückgekoppelt ist

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Rudolf Weppler, Nürnberg,
ist als Erfinder genannt worden

Regel- und Steuerzwecke verwendet worden. Dabei mußte aber das Steuersignal ebenso lang sein wie die gewünschte Öffnungszeit des Transistors und so groß, daß der Transistor voll geöffnet werden konnte. Dies erfordert bei größeren Verbraucherleistungen auch erhebliche Steuerleistungen, die mit Hilfe mehrstufiger Vorverstärker erzeugt werden müssen und einen beträchtlichen Aufwand für den Steuersatz verursachen. Beispielsweise kann bei Hochleistungstransistoren ein Steuerstrom in der Größenordnung von 1 bis 5 Ampere nötig sein, weil der Stromverstärkungsfaktor bei Transistoren mit hohen Kollektorströmen relativ klein ist. . . .

Ein elektronischer Schalter mit einem Transistor, der über einen sättigungsfreien Wandler rückgekoppelt ist, ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch die Anwendung einer überkritischen Rückkopplung, derart, daß das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers höchstens gleich dem Stromverstärkungsfaktor ist. Ein derart bemessener Stromwandler bietet die Gewähr, daß der Transistor, wenn er durch eine fremde Steuergröße im Laufe einer Halbwelle der Speisespannung im Öffnungssinn gesteuert wird, sich selbst öffnet und so lange offenhält, bis die Speisespannung gegen Null geht. Der rückgekoppelte Schalttransistor nach der Erfindung ist also imstande,

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wie ein Stromtor mit Anschnittsteuerung zu arbeiten, und kann mit bekannten Steuersätzen ausgesteuert werden, die für solche Stromtore bereits entwickelt worden sind. Die Steuersätze brauchen nur für geringe Leistungen ausgelegt zu sein, da entsprechend der, wesentlichen Eigenschaft des Erfindungsgegenstandesdie zum vollen öffnen und Offenhalten des Transistors nötige Leistung vom Verbraucherkreis geliefert wird, wo sie nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtleistung ausmacht.

Es ist möglich, mit dem Transistor ein Ventil in Reihe, zu schalten, so daß dem Arbeittsstromkreis (Kollektorstromkreis) die Stromrichtung aufgeprägt ist.' Eine derartige Schaltung verhält sich wie ein steuerbares Ventil. Die Schaltleistung ist durch das Produkt aus Sperrspannung und Durchlaßstrom des Transistors bestimmt und erreicht schon bei den heute vorliegenden Transistoren aus Silizium Werte in der Größenordnung von kW. Der Spannungsabfall an Transistor, Ventil und Wandler ist nur etwa halb so groß wie der von Stromtoren.

Aufbau und Wirkungsweise des Schalters nach der Erfindung seien im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind.

In Fig. 1 ist zur Erklärung der grundsätzlichen Funktion ein Element des neuen Schalters dargestellt. An den nicht näher bezeichneten Netzspannungsklemmen liegen in Reihe der Schalttransistor 1, die Primärwicklung 3 des Stromwandlers 2 für die Rückkopplung, der Verbraucher 11 und das Ventil 6. Die Sekundärwicklung 4 ist über einen Widerstand 5 an den Steuerkreis des Transistors 1, d. h. an Basis und Emitter, angeschlossen. Die Steuergröße wird den Klemmen 9 und 10 zugeführt und durch einen Übertrager 8 in den Steuerkreis des Transistors übersetzt. Ein Widerstand 7 dient zur Entkopplung gegen den Rückkopplungskreis.

Fig. 2 zeigt die Netzspannung U_n und die am Verbraucher 11 auftretende Spannung LJ₁₁. In den Momenten t_z wird durch eine von außen zugeführte Steuergröße der Transistor 1 etwas geöffnet, so daß Kollektorstrom zu fließen beginnt. Der Stromwandler liefert einen Rückkopplungsstrom, der den Transistor rasch voll öffnet und für den Rest der Halbwelle geöffnet hält. Die entgegengesetzte Halbwelle wird durch das Ventil 6 gesperrt, so daß dem Verbraucher anschnittsgesteuerte Halbwellen zugeführt werden,
. Fig. 3 zeigt das Kennlinienfeld des Transistors, d. h. den Kollektorstrom Iκ. gegen die Kollektor-Emitter-Spannung U^ mit den BasisströmenI_Bv l_Bv I_Bs und Ißi als Parameter. Die Widerstandsgerade ist mit R bezeichnet und die Arbeitspunkte des Schalttransistors mit A₁ (Öffnungszustand) und A₂ (Sperrzustand). Der durch die Rückkopplung gelieferte Basisstrom muß so groß sein, daß die Widerstandsgerade R die jeweils gültige Kennlinie im steilen Teil und nicht im flachen Teil schneidet, da sonst der Transistor Spannung aufnimmt und nicht voll geöffnet ist. Diese Bedingung für den Basisstrom wird erfmdungsgemäß dadurch erfüllt, daß das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers, d. h. das Verhältnis Kollektorstrom zu Rückkopplungsstrom, kleiner oder höchstens gleich dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors ist. ■ . . ·

Es ist leicht ersichtlich, daß die von außen zugeführte Steuergröße nur kurzzeitig vorhanden sein muß, um die gewünschte Anschnittsteuerung zu erreichen. Es sind also die für Stromtore üblichen Impulssteuersätze anwendbar. Es ist jedoch auch möglich, die Steuergröße selbst als anschnittgesteuerte Spannung vorzusehen, beispielsweise als Ausgangsspannung einer Magnetverstärkervorstufe in Selbstsättigungsschaltung, die als Steuersatz arbeitet. Die überkritische Rückkopplung sorgt wieder dafür, daß der Transistor voll geöffnet wird, so daß der Steuersatz nur einen geringen Steuerstrom abgeben muß.

Das Element nach Fig. 1 ist für sich nicht ohne weiteres verwendbar, und zwar wegen der einseitigen

ίο Magnetisierung des Wandlers, die nach einigen Halbwellen zur Sättigung führt. Bei praktischen Anwendungen, wo immer beide Halbwellen jeder Wechselspannungsperiode gesteuert werden, fällt diese Schwierigkeit von selbst fort, da der Stromwandler abwechselnd in beiden Richtungen magnetisiert wird.

Zur Speisung von Gleichstromverbrauchern kann eine Schaltung nach Fig. 4 verwendet werden, bei der im wesentlichen zwei Elemente nach Fig. 1 zu einer Mittelpunktschaltung zusammengesetzt sind. Gleich-

ao artige Schaltungselemente sind mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen bzw. durch die Vorsatzzahl 10 gekennzeichnet.

Zur Speisung des Tranistors dient ein Netztransformator 100 mit mittelangezapfter Sekundärwicklung; außerdem ist ein Stromwandler 2 mit zwei Sekundärwicklungen 4 und 104 vorgesehen. Als Gleichstromverbraucher ist der Anker eines Motors in Reihe mit einer Glättungsdrossel 109 angedeutet. Die Steuerung erfolgt über einen Transformator 8 mit zwei Sekundärwicklungen 108 und 108' auf dem gleichen Kern. Zur Steuerung beider Halbwellen eines Wechselstromes kann eine Schaltung nach Fig. 5 verwendet werden, die hinsichtlich der einzelnen Steuerkreise analog der Schaltung nach Fig. 1 aufgebaut ist. Als Transistor 1 dient ein symmetrischer Transistor, der in beiden Richtungen steuerbar ist. Der Stromwandler 2 weist eine zweite Sekundärwicklung 204 auf, die zur Steuerung des Transistors in der entgegengesetzten Halbwelle dient. Um unerwünschte Stromflüsse zu unterbinden, sind die Rückkopplungskreise mit Ventilen 200 bzw. 201 versehen. Die Steuerung erfolgt wieder über einen Transformator 8 mit zwei Sekundärwicklungen 108 und 208 am gleichen Kern.

Eine weitere Möglichkeit zur Steuerung beider Halbwellen eines Wechselstromes ist in Fig. 6 dargestellt. Es ist dort von dem bekannten Prinzip der Antiparallelschaltung von Ventilen Gebrauch gemacht. Die einzelnen Stromkreise entsprechen wieder weitgehend denen der Schaltung nach Fig. 1, jedoch sind zwei jeweils mit Ventilen in Reihe geschaltete Transistoren 1 und 301 vorgesehen. Auch hier dient zur Steuerung ein Transformator 8 mit zwei Sekundärwicklungen 108 und 308 am gleichen Kern. Zur Lieferung der Steuerimpulse dient im Ausführungsbeispiel ein Magnetverstärker 320 in Selbstsättigungsscnaltung mit Wechselstromausgang, bestehend aus den beiden Drosseln 321 und 322 und den Ventilen 324 und 325. Die Steuerung des Magnetverstärkers erfolgt mit Gleichstrom über die Steuerwicklungen 323.

Magnetverstärker als Steuersätze müssen zur Steuerung des Schalttransistors nur sehr kleine Steuerleistungen aufbringen, etwa in der Größenordnung von 100 mW, und können daher mit sehr kleinen Eisenvolumen ausgeführt werden. Man wird auf den kleinsten verfügbaren Magnetverstärkertyp zurückgreifen. Durch geeignete Bemessung der Steuerleistung des Magnetverstärkers erreicht man für diesen sehr geringe Zeitkonstanten etwa in der Größen-Ordnung von 10 msec.

Magnetische Steuersätze, wie sie für Stromtorregler bereits entwickelt worden sind, gestatten galvanisch getrennten Vergleich von Sollwert und Istwert sowie Aufschaltung von Rückführgrößen, Störwerten u. dgl. Dies ist bei vielen Schaltungsanord- nungen in Regelkreisen von großer Bedeutung. Um in besonderen Fällen die Regel verstärkung zu erhöhen, kann vor den Steuersatz ein weiterer Magnetverstärker oder ein Transistorverstärker geschaltet werden. Ein solcher zusätzlicher Magnetverstärker bringt dabei keine Beeinträchtigung der Ansprechzeit des Schalters, da die Aufgaben einer hohen Regelverstärkung einerseits und einer hohen Leistungsverstärkung andererseits nicht von demselben Verstärker erfüllt werden müssen.

Mit dem elektronischen Schalter nach der Erfindung lassen sich sämtliche Schaltungen verwirklichen, die mit Stromtoren, Magnetverstärkern und ähnlichen anschnittgesteuerten Schaltern ausführbar sind. Die Erfindung hat besondere Bedeutung bei Steuer- und Regelkreisen wegen ihres einfachen und nicht störanfälligen Aufbaus, ihrer kleinen Zeitkonstante, ihres hohen Wirkungsgrades und ihrer großen Leistungsverstärkung. Beispielsweise ist sie für Stromrichtermotoren, die Steuerung von Leuchtstofflampen und als Regler für die Drehzahl- und Spannungsregelung anwendbar. Während sich die Ausführungsbeispiele auf einphasigen Netzanschluß beziehen, können ohne weiteres auch Mehrphasenschaltungen ausgeführt werden.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Elektronischer Schalter mit einem Transistor, der über einen sättigungsfreien Stromwandler rückgekoppelt ist, gekennzeichnet durch die Anwendung einer überkritischen Rückkopplung, derart, daß das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers höchstens gleich dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeitsstromkreis durch ein Ventil (6) die Stromrichtung aufgeprägt ist.

3. Schalter nach den Ansprüchen 1 und .2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Transistoren mit je einem Ventil und ein gemeinsamer Stromwandler mit zwei Sekundärwicklungen in einer Mittelpunktschaltung zur Speisung von Gleichstromverbrauchern angeordnet sind (Fig. 4).

4. Schalter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Transistoren mit in Reihe geschalteten Ventilen eine Antiparallelschaltung bilden und der Stromwandler mit zwei Sekundärwicklungen ausgerüstet ist (Fig. 6).

5. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein symmetrischer Transistor und ein Stromwandler mit zwei Sekundärwicklungen verwendet ist, die je einen Rückkopplungskreis für j ede Halbwelle der Netzspannung speisen (Fig. 5).

6. Schalter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung ein magnetischer Steuersatz dient.

7. Schalter nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung eine Magnetverstärkervorstufe (320) in Selbstsättigungsschaltung dient.

8. Schalter nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch seine Ausbildung für Mehrphasenanschluß.

9. Verwendung eines Schalters nach den Ansprüchen 1 bis 8 in Steuer- oder Regelanlagen.

10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Rückführgrößen und Störwerte galvanisch getrennt in den Steuersatz eingespeist sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift S 43648 VIII a/21 a¹ (bekanntgemacht am 27. 9. 1956).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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