DE3337088C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Einrichtung zur potential­ freien Ansteuerung von elektronischen Schaltern.

Seit der Einführung moderner Halbleiterschalter hat die potential­ freie Ansteuerung von elektronischen Schaltern eine immer größere technische Bedeutung erlangt. Lediglich beispielhaft sei hier auf Drehstromwechselrichter zur Speisung von Drehfeldmaschinen hinge­ wiesen. Bei diesen Drehstromwechselrichtern befinden sich die ein­ zelnen elektronischen Schalter auf unterschiedlichen, sich bei Schalt­ vorgängen zum Teil auch noch sehr schnell ändernden Potentialen und müssen daher potentialfrei angesteuert werden (1) .

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bisher im wesentlichen nach zwei Prinzipien verfahren. Beim ersten Prinzip erhalten jene elektro­ nischen Schalter, welche potentialgetrennt angesteuert werden müs­ sen, für ihre Ansteuereinheit jeweils eine eigene, potentialfreie Stromversorgung. Die Steuerbefehle für die Einstellung der Schalt­ zustände "Ein" und "Aus" der zugehörigen elektronischen Schalter müssen den genannten Ansteuereinheiten dann ebenfalls potential­ getrennt übermittelt werden. Zur Ausführung dieser Aufgabe kommen häufig sogenannte Optokoppler zum Einsatz (2,5). Da hierbei die Signalübertragung mit Lichtimpulsen geringer Intensität erfolgt, ist die Störanfälligkeit höher als beim zweiten bisher eingesetzten Prinzip. Bei diesem erhalten die elektronischen Schalter, welche potentialgetrennt angesteuert werden müssen, ebenfalls getrennte Ansteuereinheiten. Diese werden im Normalfall über mindestens zwei unterschiedliche Transformatoren angesteuert, wobei einer dieser Transformatoren das Einschalten des betreffenden elektronischen Schalters und der zweite dessen Ausschalten bewirkt. Sollen die Schaltzustände "Ein" und "Aus" der elektronischen Schalter auch für beliebig lange Zeiten eingestellt werden können, so müssen zusätz­ liche Maßnahmen, beispielsweise der Einsatz von mindestens einem der genannten Transformatoren im Gegentaktbetrieb oder die Hinzufü­ gung von mindestens einem weiteren Transformator ergrif­ fen werden (3). Verzichtet man bewußt darauf, dem elektronischen Schalter im Schaltzustand "Aus" wohldefinierte Ansteuersignale zur Verfügung zu stellen, so sind auch Ansteue­ rungen mit einem, dann üblicherweise im Gegentaktbetrieb arbei­ tenden Transformator, möglich, die lediglich während des Schalt- Zustandes "Ein" in Betrieb sind und das Ausschalten des elektro­ nischen Schalters mittels einer im Transformator oder auf dessen Sekundärseite gespeicherten Energie bewirken (4). Der Verzicht auf wohldefinierte Ansteuersignale im Zustand "Aus" führt aber zum einen zu einer verringerten Zuverlässigkeit der Anordnung und zum anderen meist auch zu einer Einschränkung bei der Aus­ nützung der Kenndaten der elektronischen Schalter, z. B. zu einer Herabsetzung von deren Sperrfähigkeit.

Eine verbesserte Ansteuerschaltung für elektronische Schalter soll die Nachteile dieser bisher bekannten Lösungen, wie hoher Aufwand und eingeschränkte Zuverlässigkeit beim Einsatz von Optokopplern, hoher Aufwand beim Einsatz von mehreren Über­ tragern zur Ansteuerung eines elektronischen Schalters oder das Fehlen wohldefinierter Ansteuersignale im Schaltzustand "Aus" beim Einsatz von bisher bekannten Anordnungen mit nur einem Über­ trager vermeiden. Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsan­ ordnung nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der erste Schlüsselgedanke dieser Erfindung besteht darin, daß gemäß der Darstellung in Fig. 1 die Versorgung der Steuerstrecken der einzelnen elektronischen Schalter (1) mit den für die Ein­ stellung und Aufrechterhaltung von deren Schaltzuständen "Ein" und "Aus" erforderlichen Steuerspannungen und Steuerströmen über jeweils eine, zu dem betreffenden elektronischen Schalter (1) ge­ hörende Logik- und Schalteinheit (2) erfolgt. Diese wird ihrer­ seits von der Sekundärseite (3) des Transformators (4) eines dem betreffenden elektronischen Schalter (1) zugeordneten potential­ trennenden Wechselrichters (5) gespeist. Dieser potentialtrennen­ de Wechselrichter (5) wird sowohl während des Schaltzustandes "Ein" als auch während des Schaltzustandes "Aus" des zugehörigen elektro­ nischen Schalters (1), auch dann wenn diese Schaltzustände beliebig lange andauern, aktiv betrieben und stellt dabei die Energiever­ sorgung der genannten Logik- und Schalteinheit (2) sicher. Letztere bewirkt ihrerseits, daß der zugehörige elektronische Schalter (1) stets mit jenem Steuerstrom oder jener Steuerspannung beaufschlagt wird, welche für die Einstellung oder Aufrechterhaltung des je­ weils erwünschten Schaltzustands erforderlich ist.

Der zweite Schlüsselgedanke dieser Erfindung besteht darin, über den Transformator (4) des genannten potentialtrennenden Wechsel­ richters (5) der an dessen Sekundärseite (3) angeschlossenen Logik­ und Schalteinheit (2) neben der elektrischen Leistung für die Ver­ sorgung des zugehörigen elektronischen Schalters (1) mit Steuer­ spannung und Steuerstrom auch die Steuerbefehle für die Einstellung und, sofern erforderlich, auch für die Aufrechterhaltung der Schalt­ zustände "Ein" und "Aus" des zugehörigen elektronischen Schalters (1) durch Eingriffe auf jener Seite (6) des zugehörigen potentialtrennen­ den Wechselrichters auszulösen, von welcher dieser mit Energie ver­ sorgt wird. Durch solche Eingriffe können entweder die Ausgangsspan­ nung dieses potentialtrennenden Wechselrichters (5) oder dessen Ausgangsstrom oder dessen Ausgangsfrequenz vergrößert oder verklei­ nert werden. Es können hierfür aber auch zwei oder drei dieser Ef­ fekte kombiniert hervorgerufen werden.

Ein detailliertes Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 2 darge­ stellt. Der potentialtrennende Wechselrichter (5) weist dort auf jener Seite (6), von welcher er mit Energie versorgt wird, eine symmetrische Mittelpunktschaltung mit zwei alternierend betriebe­ nen ein- und ausschaltbaren Einwegventilen (8) und (9) auf und wird aus einer Quelle (7) mit einer veränderlichen Gleichspannung U₇ ge­ speist. Die Sekundärseite (3) des potentialtrennenden Wechselrich­ ters (5) weist dort eine Sekundärwicklungsgruppe (10) auf, die aus den beiden Teilwicklungen (11) und (12) besteht, an welche jeweils eine Gleichrichterbrücke (13) bzw. (14) angeschlossen ist. Die von diesen abgegebenen Gleichspannungen U₁₃ und U₁₄ sind in Serie ge­ schaltet und werden einem Spannungs-Komparator (15), einem Treiber­ verstärker (16) und über einen Leistungsverstärker (17) dem elek­ tronischen Schalter (1) zugeführt, welcher hier beispielhaft als einfacher Bipolar-Transistor (18) realisiert ist. Die einfache und zuverlässige Funktion dieser Anordnung sei nachfolgend beschrieben; dafür sei angenommen, daß von der steuerbaren Spannungsquelle (7) zunächst eine Gleichspannung U₇ = U_L abgegeben wird. Dies hat zur Folge, daß die beiden Gleichrichterbrücken (13) und (14) zunächst die Gleichspannungen U₁₃ = c₁₃·U_L und U₁₄ = c₁₄·U_L abgeben. Deren Summe ist geringer als die in Fig. 2 nicht dargestellte, interne Referenzspannung des Spannungskomparators (15), der infolgedessen ein Signal der Art an den Treiberverstärker (16) abgibt, daß über diesen der pnp-Transistor (20) leitend gemacht wird und so den Bi­ polar-Transistor (18) in dessen Schaltzustand "Aus" fixiert und dabei dauernd mit einer negativen Basis-Emitter-Spannung beauf­ schlagt. Wird, ausgehend von diesem Zustand, die einstellbare Gleich­ spannung U₇ der Spannungsquelle (7) auf einen Wert U_H<U_L erhöht, so nehmen die Ausgangsspannungen der Gleichrichterbrücken (13) und (14) die Werte U₁₃ = c₁₃·U_H und U₁₄ = c₁₄·U_H an. Dabei wird U_H so gewählt, daß die Summenspannung (c₁₃·c₁₄)·U_H größer ist als die genannte Referenzspannung des Spannungskomparators (15). Infolge­ dessen gibt dieser ein Signal der Art an den Treiberverstärker (16) ab, daß über diesen der npn-Transistor (19) leitend gemacht wird und so den Bipolar-Transistor (18) in dessen Schaltzustand "Ein" versetzt und anschließend dauernd mit einem positiven Basisstrom beaufschlagt. Wird zu einem späteren Zeitpunkt die einstellbare Gleichspannung U₇ der Spannungsquelle (7) wieder auf den Wert U₇ = U_L abgesenkt, so nehmen die Ausgangsspannungen der Gleich­ richterbrücken (13) und (14) wieder die Werte U₁₃ = c₁₃·U_L und U₁₄ = c₁₄·U_L an. Die Summenspannung (c₁₃·c₁₄)·U_L ist kleiner als die genannte Referenzspannung des Spannungskomparators (15). Damit gibt dieser wieder ein Signal der Art an den Treiberverstär­ ker (16) ab, daß über diesen der pnp-Transistor (20) leitend ge­ macht und so der elektronische Schalter (18) wieder in dessen Schalt­ zustand "Aus" versetzt und dauernd mit einer negativen Basis-Emit­ terspannung beaufschlagt wird.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird also durch einen Eingriff auf jener Seite (6) des zugehörigen potentialtrennenden Wechselrich­ ters (5), von welcher dieser mit Energie versorgt wird, die Aus­ gangsspannung dieses potentialtrennenden Wechselrichters (5) ver­ größert bzw. verkleinert. In völlig entsprechender Weise kann des­ sen Ausgangsstrom oder auch dessen Ausgangsfrequenz vergrößert oder verkleinert werden.

Des weiteren wird im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 der elektro­ nische Schalter (1) durch einen Bipolar-Transistor (18) gebildet. Statt dessen kann dieser elektronische Schalter (1) z. B. auch in Darlington-Konfiguration, wie in Fig. 1 dargestellt, als Feldeffekt­ Transistor, als Static-Induction-Transistor oder als abschaltbarer Thyristor (GTO-Thyristor) ausgeführt sein. Unter Hinzunahme von Zwangskommutierungseinrichtungen im Hauptkreis der elektronischen Schalter (1) können diese aber auch als gewöhnliche Thyristoren sowie vorzugsweise als Gate-Assisted-Turn-Off-Thyristoren (GATT) ausgeführt werden.

In einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung werden, für eine noch weitergehende Verringerung des gesamten Ansteueraufwands in Gesamtschaltungen, in denen mehrere elek­ tronische Schalter (1) stets gemeinsam oder stets im Gegentakt ein- und ausgeschaltet werden, die zu diesen gehörenden Logik- und Schalteinheiten (2) an getrennte Sekundärwicklungsgruppen (10) des Transformators (4) eines gemeinsamen, potentialtrennenden Wechsel­ richters (5) angeschlossen.

Ein detailliertes Beispiel hierfür ist in Fig. 3 dargestellt. Die Sekundärseite (3) des dort enthaltenen potentialtrennenden Wech­ selrichters (5) weist zwei Sekundärwicklungsgruppen (10) auf, die jeweils aus den beiden Teilwicklungen (11) und (12) bestehen. Diese beiden Sekundärwicklungsgruppen (10) speisen nun zwei, den beiden elektronischen Schaltern (1) jeweils zugeordnete Logik- und Schalt­ einheiten (2). Die elektronischen Schalter (1) werden hier wiederum beispielhaft durch jeweils einen Bipolar-Transistor (15) gebildet. Die Ausführung der Logik- und Schalteinheiten (2) sowie der Seite (6) des potentialtrennenden Wechselrichters (5), von der dieser mit Energie versorgt wird, und der diesen speisenden steuerbaren Span­ nungsquelle (7) entspricht völlig jener der entsprechenden Anord­ nungen im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2. Auch die Funktion der Gesamtanordnung nach Fig. 3 entspricht derjenigen der Anordnung nach Fig. 2, mit der Ausnahme, daß die oben beschriebenen Eingriffe über die steuerbare Spannungsquelle (7) in der Anordnung nach Fig. 3 dazu führen, daß die beiden elektronischen Schalter (1) stets ge­ meinsam ein- oder ausgeschaltet werden. Sollen die beiden elektro­ nischen Schalter (1) statt gemeinsam ein- und ausgeschaltet zu wer­ den, stets im Gegentakt ein- und ausgeschaltet werden, so ist le­ diglich in einer der beiden Logik- und Schalteinheiten (2) zwischen den dortigen Spannungskomparator (15) und den Treiberverstärker (16) eine Signalumkehrstufe einzufügen. Dies hat zur Folge, daß dann, wenn in einer der Logik- und Schalteinheiten (2) der npn-Transistor (19) leitend gemacht und damit der zugeordnete elektronische Schal­ ter (1) in den Schaltzustand "Ein" versetzt wird, in der anderen Logik- und Schalteinheit (2) der pnp-Transistor (20) leitend ge­ macht und damit der entsprechende elektronische Schalter (1) in den Schaltzustand "Aus" versetzt wird und umgekehrt.

In einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung wer­ den zur Erhöhung von deren Zuverlässigkeit die Eingriffe auf jener Seite (6) des potentialtrennenden Wechselrichters (5), von der die­ ser mit Energie versorgt wird, zumindest im Normalbetrieb immer so vorgenommen, daß Ausgleichsvorgänge des bereits in Fig. 1 eingepfeil­ ten Hauptflusses Φ des Transformators (4) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) bestmöglich vermieden werden. Dies kann u. a. dadurch erreicht werden, daß diese Eingriffe immer nur dann erfol­ gen, wenn der Hauptfluß Φ des Transformators (4) mit guter Näherung den Wert Null hat und die Änderungsgeschwindigkeit dieses Hauptflus­ ses Φ dasselbe Vorzeichen aufweist, wie beim vorhergehenden Eingriff.

Eine derartige Vorgehensweise ist in Fig. 4 für das Ausführungsbei­ spiel der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig. 2 dargestellt. Die Einstellung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" des elektroni­ schen Schalters (1) wird dort dadurch verursacht, daß die an den Wechselrichter (5) angelegte Gleichspannung U₇ über die steuerbare Gleichspannungsquelle (7) auf den Wert U₇ = U_H bzw. U₇ = U_L einge­ stellt wird. Diese Eingriffe erfolgen nun im Betrieb der Anordnung nach Fig. 4 stets nur so, daß der Hauptfluß Φ des Transformators (4) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) zu diesen Zeitpunkten t₀ bzw. t₁ gerade von negativen auf positive Werte überwechselt. Auf diese Weise werden Ausgleichsvorgänge des Hauptflusses Φ voll­ ständig vermieden. Zweckmäßigerweise wird hiervon aber z. B. dann abgewichen, wenn eine Betriebsstörung innerhalb der Gesamtanordnung, in der die erfindungsgemäße Einrichtung eingesetzt wird, eine sofor­ tige Änderung des Schaltzustandes des betreffenden elektronischen Schalters (1) erforderlich macht.

In einer weiteren Ausbildung der vorliegenden Erfindung werden in Gesamtanordnungen mit einem oder mehreren elektronischen Schaltern (1) sowohl die zur Einstellung der Schaltzustände der elektronischen Schal­ ter (1) dienenden Eingriffe als auch die auf der Seite (6) des poten­ tialtrennenden Wechselrichters (5), von welcher dieser mit Energie versorgt wird, für dessen Funktion erforderlichen Schaltvorgänge aus­ schließlich zu Zeitpunkten ausgeführt, welche in einem Zeitraster enthalten sind, das durch eine Reihe von in äquidistanten Abständen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t = t₀+ν·Δt, ν = 1, 2, ..∞ gege­ ben ist.

Für die in Fig. 2 und 3 vorgestellten Ausführungsbeispiele kann das in der in Fig. 5 dargestellten Weise erfolgen. Die zur Einstellung der an den potentialtrennenden Wechselrichter (5) angelegten Gleich­ spannung U₇ über die steuerbare Spannungsquelle (7) auf die Werte U₇ = U_H bzw. U₇ = U_L dienenden Eingriffe, und die auf der Seite (6) des potentialtrennenden Wechselrichters (5), von welcher dieser mit Energie versorgt wird, für dessen Funktion erforderlichen Schalt­ vorgänge, nämlich das alternierende Schalten der ein- und ausschalt­ baren Einwegventile (8) und (9), erfolgen nur zu diskreten Zeitpunk­ ten eines in Fig. 5 durch das Taktsignal vorgegebenen äquidistanten Zeitrasters. Die Dauer der Schaltzustände der ein- und ausschalt­ baren Einwegventile (8) und (9) des potentialtrennenden Wechselrich­ ters (5) oder des elektronischen Schalters (1) ist dabei in keiner Weise begrenzt, beträgt jedoch im Normalbetrieb der Anordnung stets ein ganzzahliges Vielfaches der Taktperiode Δt, welche entsprechend den zu erfüllenden Anordnungen zu wählen ist. Von der beschriebened Vorgehensweise kann z. B. wiederum dann abgegangen werden, wenn eine Betriebsstörung innerhalb der Gesamtanordnung, in der die erfindungs­ gemäße Einrichtung eingesetzt wird, eine sofortige Änderung des Schaltzuständes des betreffenden elektronischen Schalters (1) er­ forderlich macht. In Gesamtanordnungen, in denen zur Ansteuerung mehrerer elektronischer Schalter (1) mehrere erfindungsgemäße Ein­ richtungen nach Fig. 1 eingesetzt werden, erfolgen vorteilhafterweise alle zur Funktion der dort vorhandenen potentialtrennenden Wechsel­ richter (5) auf der Seite (6), von welcher diese mit Energie ver­ sorgt werden, erforderlichen Umschaltungen sowie die zur Einstellung der verschiedenen Schaltzustände der elektronischen Schalter (1) er­ forderlichen Eingriffe innerhalb eines solchen Zeitrasters, das durch eine Reihe von in äquidistanten Abständen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten gegeben ist.

Eine weitere Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung hat eine nochmalige Verringerung des gesamten Ansteueraufwands in Gesamt­ schaltungen zum Ziel, in welchen mehrere elektronische Schalter (1) betrieben werden, aber nicht notwendigerweise stets gemeinsam oder im Gegentakt ein- und ausgeschaltet werden. Zu ihrer Erläuterung sei davon ausgegangen, daß jeder der dort enthaltenen elektronischen Schalter (1) durch eine erfindungsgemäße Anordnung gemäß Fig. 1 an­ gesteuert wird und daß die Einstellung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" der elektronischen Schalter (1) durch solche Eingriffe auf die zugehörigen potentialtrennenden Wechselrichter (5) verursacht wird, welche eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Ausgangsspan­ nung oder des Ausgangsstroms des entsprechenden potentialtrennenden Wechselrichters (5) bewirken. Unter diesen Umständen können dieje­ nigen Schaltelemente sämtlicher potentialtrennender Wechselrichter (5), welche zum ersten auf jener Seite (6) der Wechselrichter (5) angeordnet sind, von welcher diese mit Energie versorgt werden, welche zum zweiten nicht den zur Einstellung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" der elektronischen Schalter (1) notwendigen Eingrif­ fen dienen und welche zum dritten bei den verschiedenen potential­ trennenden Wechselrichtern (5) dieselbe Funktion erfüllen, jeweils zu einem Schaltelement zusammengefaßt werden.

Als Ausführungsbeispiel hierzu zeigt Fig. 6 eine Anordnung, in wel­ cher zwei elektronische Schalter (1) über jeweils eine zugehörige Logik- und Schalteinheit (2) von den Sekundärwicklungsgruppen (10) zweier Transformatoren (4) gespeist werden. Diese Transformatoren (4) weisen auf ihrer Primärseite jeweils eine Mittelpunktschaltung auf; deren Mittelpunkte werden aus zwei verschiedenen steuerbaren Spannungsquellen (21) und (22) mit den einstellbaren Spannungen U₂₁ und U₂₂ versorgt, über deren Höhe die Schaltzustände des je­ weils zugehörigen elektronischen Schalters (1) eingestellt werden. Die Außenanschlüsse der Mittelpunktschaltungen auf der Primärseite der Transformatoren (4) sind aber nun nicht mehr zu zwei getrennten Paaren von einschaltbaren Einwegventilen geführt, sondern gleich­ sinnig zusammengefaßt und an ein einziges Paar von einschaltbaren Einwegventilen (8) und (9) angeschlossen.

Für die nächsten 3 Ausbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sei vorausgesetzt, daß die von den dort enthaltenen Logik- und Schalteinheiten (2) ausgeführte Einstellung und Aufrechterhaltung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" der zugehörigen elektronischen Schalter (1) dadurch verursacht werden, daß durch Eingriffe auf jener Seite (6) der zugehörigen potentialtrennenden Wechselrich­ ter (5), von welcher diese mit Energie versorgt werden, deren Aus­ gangsspannung vergrößert oder verkleinert wird.

Die erste dieser 3 Ausbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung hat eine weitere Einschränkung der Folgen von Störeinflüssen zum Ziel. Dies wird dadurch erreicht, daß die Logik- und Schalteinhei­ ten (2) derart ausgeführt sind, daß eine Verringerung der Ausgangs­ spannung der potentialtrennenden Wechselrichter (5) zu einer Ein­ stellung des Schaltzustandes "Aus" der zugehörigen elektronischen Schalter (1) führt, wie dies bereits bei der Beschreibung der An­ ordnung gemäß Fig. 2 erläutert wurde.

Die zweite der genannten drei Ausbildungen ist einer möglichst einfachen Veränderung der Ausgangsspannung der potentialtrennenden Wechselrichter (5) gewidmet. Dazu weisen diese potentialtrennenden Wechselrichter (5) auf jener Seite (6), von welcher sie mit Energie versorgt werden, jeweils eine Mittelpunktschaltung auf, deren Mit­ telpunkt zum einen über eine Diode (24) aus einer ersten Gleich­ spannungsquelle (23) gespeist wird. Zum anderen ist dieser Mittel­ punkt über einen Transistor (26) oder einen abschaltbaren Thyristor mit einer zweiten Gleichspannungsquelle (25) höherer Spannung ver­ bunden. Dabei ist die genannte Diode (24) so gepolt, daß grundsätz­ lich kein Stromfluß zwischen den beiden Gleichspannungsquellen (23) und (25) möglich ist. Die Erhöhung der Ausgangsspannung des poten­ tialtrennenden Wechselrichters (5) wird schließlich dadurch bewirkt, daß der genannte Transistor (26) bzw. der genannte abschaltbare Thy­ ristor in den leitenden Zustand versetzt wird. Ein Ausführungsbei­ spiel für diese Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in Fig. 7 dargestellt. Diese Fig. 7 zeigt die Anordnung gemäß Fig. 2 aus welcher lediglich die einstellbare Gleichspannungsquelle (7) herausgenommen und durch die nachstehend beschriebene Anordnung er­ setzt wurde. Bei dieser wird der Mittelpunkt der primärseitigen Wicklung des Transformators (4) des potentialtrennenden Wechselrich­ ters (5) zum einen aus einer Spannungsquelle (23) mit der starren Gleichspannung U₂₃ über eine Diode (24) gespeist. Zum anderen ist dieser Mittelpunkt mit einer zweiten Spannungsquelle (25), welche die starre Gleichspannung U₂₅<U₂₃ aufweist, über einen Transistor (26) verbunden. Bleibt in dieser Anordnung nun der Transistor (26) gesperrt, so wird der potentialtrennende Wechselrichter (5) aus der Gleichspannungsquelle (23) mit Energie versorgt. Wird dagegen der Transistor (26) leitend gemacht, so erfolgt die Energieversor­ gung des potentialtrennenden Wechselrichters (5) aus der Gleichspan­ nungsquelle (25) mit der höheren Gleichspannung U₂₅. Letzteres hat zur Folge, daß die Ausgangsspannungen des potentialtrennenden Wech­ selrichters (5) entsprechend ansteigen und so den elektronischen Schalter (1) über dessen zugehörige Logik- und Schalteinheit (2) in dessen Schaltzustand "Ein" versetzen. Wird zu einem späteren Zeit­ punkt der Transistor (26) wieder gesperrt, so erfolgt die Energie­ versorgung des potentialtrennenden Wechselrichters (5) wieder aus der Spannungsquelle (23) mit der geringeren Gleichspannung U₂₃. Dies hat zur Folge, daß die Ausgangsspannungen des potentialtrennen­ den Wechselrichters (5) entsprechend absinken und so den elektroni­ schen Schalter (1) über dessen zugehörige Logik- und Schalteinheit (2) wieder in dessen Schaltzustand "Aus" versetzen.

Die dritte der genannten drei Ausbildungen ist einer möglichst einfachen Ausführung des Spannungskomparators (15) in den Logik- und Schalteinheiten (2) gewidmet. Dazu werden letztere so ausge­ führt, daß eine Erhöhung der Ausgangsspannung des zugehörigen po­ tentialtrennenden Wechselrichters (5) einen Stromfluß durch eine zuvor stromlose Zenerdiode verursacht und dieser Stromfluß die Einstellung und Aufrechterhaltung des diesem Zustand zugeordneten Schaltzustands des zugehörigen elektronischen Schalters (1) bewirkt. Umgekehrt hat das mit einer Verringerung der Ausgangsspannung des genannten potentialtrennenden Wechselrichters (5) einhergehende Erlöschen dieses Stromflusses die Einstellung und Aufrechterhaltung des jeweils anderen Schaltzustands des zugehörigen elektronischen Schalters (1) zur Folge. Ein Ausführungsbeispiel für diese Ausbil­ dung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in Fig. 8 dargestellt. Diese Fig. 8 zeigt die Anordnung gemäß Fig. 7, in welcher ledig­ lich die Sekundärseite (3) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) verändert, die Logik- und Schalteinheit (2) detailliert darge­ stellt und der zugehörige elektronische Schalter (1) modifiziert wurde. Die Sekundärseite (3) des potentialtrennenden Wechselrich­ ters (5) weist nunmehr eine Mittelpunktschaltung auf, deren Mittel­ punkt die Null-Schiene der Logik- und Schalteinheit (2) bildet. Die beiden Außenanschlüsse dieser Mittelpunktschaltung sind mit den Wechselstromanschlüssen einer Gleichrichterbrücke (27) verbunden, deren Kathodensammelpunkt die Plus-Schiene und deren Anodensammel­ punkt die Minus-Schiene der Logik- und Schalteinheit (2) bildet. Sowohl die Plus-Schiene als auch die Minus-Schiene der Logik- und Schalteinheit (2) sind gegenüber deren Null-Schiene über einen kleinen Kondensator (28) bzw. (29) gepuffert. Der Spannungskompara­ tor (15) enthält eine Transistor-Inverterstufe, deren Eingang aus der Null-Schiene der Logik- und Schalteinheit (2) über eine Zener­ diode (30) gespeist wird. Der Ausgang der genannten Transistor- Inverterstufe bildet den Ausgang des Spannungskomparators (15) und steuert den Treiberverstärker (16) an, der aus einer weiteren Transistor-Inverterstufe besteht. Der Ausgang des Treiberverstärkers (16) führt zum Eingang des Leistungsverstärkers (17). Der elektro­ nische Schalter (1) enthält zwei npn-Transistoren in Darlington- Konfiguration. Antiparallel zur Basis-Emitter-Strecke seines Trei­ ber-Transistors ist eine Ausräumdiode geschaltet. Parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Endstufentransistors ist ein Ohmwider­ stand eingefügt. Der Leistungsverstärker (17) enthält in bereits bekannter Weise einen npn-Transistor (19) und einen pnp-Transistor (20). Letzterer wird vom Eingang des Leistungsverstärkers (17) an­ gesteuert. Er verbindet über seine Emitter-Kollektorstrecke die Basiselektrode des im elektronischen Schalter (1) enthaltenen Trei­ bertransistors mit der Minus-Schiene der Logik- und Schalteinheit (2) und weist in seinem Kollektorkreis einen Strombegrenzungswider­ stand auf. Der npn-Transistor (19) wird ebenfalls vom Eingang des Leistungsverstärkers (17) angesteuert. In seinem Kollektorkreis enthält er zwei Ohmwiderstände, von welchen einer zur Beschleuni­ gung des Einschaltvorganges des elektronischen Schalters (1) mittels eines Kondensators überbrückt ist. Die Emitterelektrode dieses npn-Transistors (19) ist zum einen über die Anoden-Kathoden-Strecke einer ersten Diode (31), der sogenannten Vorspanndiode, mit der Basiselektrode des im elektronischen Schalter (1) enthaltenen Treibertransistors verbunden. Zum anderen ist die Emitterelek­ trode des npn-Transistors (19) über die Anoden-Kathoden-Strecke einer weiteren Diode (32) mit den Kollektorelektroden der im elek­ tronischen Schalter (1) enthaltenen Transistoren verbunden. Auf diese Weise arbeitet die Diode (32) in grundsätzlich bekannter Weise als sogenannter Kollektor-Fänger, der den elektronischen Schalter (1) vor einer stationären Übersteuerung bewahrt. Auf die der erstgenannten Diode (31), der sogenannten Vorspanndiode, üb­ licherweise parallelgeschaltete Inversdiode kann hier verzichtet werden, da der pnp-Transistor (20) in vorteilhafter Weise direkt an die Basiselektrode des im elektronischen Schalter (1) enthal­ tenen Treibertransistors angeschlossen ist.

Als letztes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung sei abschließend noch eine Anordnung beschrieben, in welcher eine Veränderung des Schaltzustandes des elektronischen Schalters (1) durch eine Veränderung der Ausgangsfrequenz des potentialtrennen­ den Wechselrichters (5) bewirkt wird. Dazu zeigt Fig. 9 eine An­ ordnung, welche aus jener nach Fig. 2 dadurch hervorgeht, daß zum einen die in Fig. 2 enthaltene einstellbare Spannungsquelle (7) entfernt und durch eine Konstantspannungsquelle (33) ersetzt wird und daß zum anderen der in Fig. 2 enthaltene Spannungskomparator (15) entfernt und durch einen Frequenzdiskriminator (34) ersetzt wird. Letzterer ist direkt an die Ausgangsklemmen der Teilwick­ lung (11) der Sekundärwicklungsgruppe (10) des Transformators (4) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) angeschlossen und ver­ sorgt den Treiberverstärker (16) mit einem Signal "Logisch 1", wenn die Ausgangsfrequenz des potentialtrennenden Wechselrichters (5) einen bestimmten Grenzwert unterschreitet. Umgekehrt versorgt dieser Frequenzdiskriminator (34) den Treiberverstärker (16) mit dem Signal "Logisch 0", wenn die Ausgangsfrequenz des potential­ trennenden Wechselrichters (5) den genannten Grenzwert überschrei­ tet. Diese Signale bewirken, daß über den Treiberverstärker (16) und den Leistungsverstärker (17) die entsprechenden Schaltzustände des elektronischen Schalters (1) eingestellt werden, wie dies be­ reits bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 beschrieben wurde.

In Fig. 10 ist anhand der zeitlichen Aufeinanderfolge der Schalt­ zustände der beiden ein- und ausschaltbaren Einwegventile (8) und (9) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) deutlich ge­ macht, daß auch hierbei Ausgleichsvorgänge des Hauptflusses Φ des Transformators (4) des potentialtrennenden Wechselrichters (5) in einfacher Weise vermieden werden können und so eine hohe Zuverläs­ sigkeit der Gesamtanordnung gewährleistet werden kann.

Literaturnachweis

[1] A. Boehringer, G. Stute u. a.:
Entwicklung eines drehzahlgesteuerten Asynchronmaschinenan­ triebs für Werkzeugmaschinen, wt-Zeitschrift für industrielle Fertigung, Heft 8, 1979, S. 463-473
[2] K. Rischmüller:
Pulsgesteuerte Treiberstufen für Brückenschaltungen, Elektronik, Heft 25, 1980, S. 45-49
[3] A. Boehringer, F. Brugger:
Transformatorlose Transistor-Pulsumrichter mit Ausgangsleistun­ gen bis 50 kVA, Elektrotechnik und Maschinenbau, Heft 12, 1979, S. 538-545
[4] K. Heumann, R. Marquardt:
GTO-Thyristoren in selbstgeführten Stromrichtern, ETZ, Heft 7/8, 1983, S. 328-332
[5] N.N.:
Die Schaltungstechnik von Leistungs-MOSFETs, Elektronik, Heft 18, 1983, S. 105-106

Claims (9)

1. Einfache Einrichtung zur potentialfreien Ansteuerung von elek­ tronischen Schaltern, dadurch gekennzeichnet,
daß die Versorgung der Steuerstrecken der einzelnen elektro­ nischen Schalter (1) mit den für die Einstellung und Aufrechter­ haltung von deren Schaltzuständen "Ein" und "Aus" erforderlichen Steuerspannungen und Steuerströmen über jeweils eine, zu dem be­ treffenden elektronischen Schalter (1) gehörende Logik- und Schalteinheit (2) erfolgt, welche ihrerseits von der Sekundär­ seite (3) des Transformators (4) eines, dem betreffenden elek­ tronischen Schalter (1) zugeordneten potentialtrennenden Wechsel­ richters (5) gespeist wird und
daß sich der genannte, potentialtrennende Wechselrichter (5) sowohl während des Schaltzustandes "Ein" als auch während des Schaltzustandes "Aus" des zugehörigen elektronischen Schalters (1) , auch dann, wenn diese Schaltzustände beliebig lange andauern, je­ weils in einem aktiven Betrieb befindet und dabei die Energie­ versorgung der genannten Logik- und Schalteinheit (2) sicher­ stellt, welche ihrerseits bewirkt, daß der zugehörige elektroni­ sche Schalter (1) stets mit jenem Steuerstrom und/oder jener Steuerspannung beaufschlagt wird, welche für die Einstellung oder Aufrechterhaltung des jeweils erwünschten Schaltzustandes erfor­ derlich sind und
daß über den Transformator (4) des genannten, potentialtren­ nenden Wechselrichters (5) der an dessen Sekundärseite (3) an­ geschlossenen Logik- und Schalteinheit (2) neben der elektrischen Leistung für die Versorgung des zugehörigen elektronischen Schal­ ters (1) mit Steuerspannung und Steuerstrom auch die Steuerbefeh­ le für die Einstellung und, sofern erforderlich, auch für die Aufrechterhaltung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" dieses elek­ tronischen Schalters (1) übertragen werden und
daß die, von der genannten Logik- und Schalteinheit (2) aus­ geführte Einstellung und Aufrechterhaltung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" des zugehörigen elektronischen Schalters (1) da­ durch verursacht wird, daß durch Eingriffe auf jener Seite (6) des zugehörigen, potentialtrennenden Wechselrichters (5), von welcher dieser mit Energie versorgt wird, entweder die Ausgangsspannung dieses potentialtrennenden Wechselrichters (5) oder dessen Ausgangsstrom oder dessen Ausgangsfrequenz ver­ größert oder verkleinert werden oder daß hierfür zwei oder drei dieser Effekte kombiniert werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Gesamtschaltungen, in denen mehrere elektronische Schalter (1) stets gemeinsam ein- und ausgeschaltet werden oder stets im Gegentakt ein- und ausgeschaltet werden, die zu diesen gehörenden Logik- und Schalteinheiten (2) an getrenn­ te Sekundärwicklungsgruppen (10) eines gemeinsamen, potential­ trennenden Wechselrichters (5) angeschlossen sind.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Zuverlässigkeit dieser Einrichtung die zur Einstellung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" des betref­ fenden elektronischen Schalters (1) dienenden Eingriffe auf je­ ner Seite (6) des zugehörigen Wechselrichters (5), von welcher dieser mit Energie versorgt wird, zumindest im Normalbetrieb immer so erfolgen, daß Ausgleichsvorgänge des Hauptflusses Φ des zugehörigen Transformators (4) bestmöglich vermieden wer­ den und zwar vorzugsweise derart, daß diese Eingriffe immer nur dann erfolgen, wenn der Hauptfluß Φ des zugehörigen Transforma­ tors (4) mit guter Näherung den Wert Null aufweist und die Ände­ rungsgeschwindigkeit dieses Hauptflusses Φ dasselbe Vorzeichen aufweist, wie beim vorhergegangenen Eingriff.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Anordnungen, welche einen oder mehrere elektronische Schalter (1) enthalten, zumindest im Normalbetrieb, sowohl die zur Einstellung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" der einzel­ nen elektronischen Schalter (1) dienenden Eingriffe aui jener Seite (6) der zugehörigen potentialtrennenden Wechselrichter (5) von welcher diese mit Energie versorgt werden als auch die auf derselben Seite (6) der potentialtrennenden Wechselrich­ ter (5) für deren Funktion erforderlichen Schaltvorgänge aus­ schließlich zu Zeitpunkten erfolgen, welche in einer Reihe von Zeitpunkten t = t₀ + ν · Δt, ν = 1, 2, 3 . . . ∞,die in äquidistanten Abständen Δt aufeinander folgen, enthalten sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Anordnungen, welche mehrere elektronische Schalter (1) enthalten, bei welchen die von deren Logik- und Schalteinheiten (2) ausgeführte Einstellung und Aufrechterhaltung der Schaltzu­ stände "Ein" und "Aus" der elektronischen Schalter (1) dadurch verursacht wird, daß durch Eingriffe auf jener Seite (6) der zugehörigen potentialtrennenden Wechselrichter (5), von welcher diese mit Energie versorgt werden, entweder deren Ausgangsspan­ nung oder deren Ausgangsstrom vergrößert oder verkleinert werden, diejenigen Schaltelemente sämtlicher potentialtrennender Wech­ selrichter (5), welche zum ersten auf jener Seite (6) der poten­ tialtrennenden Wechselrichter (5) angeordnet sind, von welcher diese mit Energie versorgt werden, welche zum zweiten nicht den zur Einstellung der Schaltzustände "Ein" und "Aus" der elektro­ nischen Schalter (1) notwendigen Eingriffen dienen und welche zum dritten bei den verschiedenen potentialtrennenden Wechsel­ richtern (5) dieselbe Funktion erfüllen, jeweils zu einem Schalt­ element zusammengefaßt werden.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von den dort enthaltenden Logik- und Schalteinheiten (2) ausgeführte Einstellung und Aufrechterhaltung der Schaltzu­ stände "Ein" und "Aus" der zugehörigen elektronischen Schalter (1) dadurch verursacht wird, daß durch Eingriffe auf jener Seite (6) der zugehörigen potentialtrennenden Wechselrichter (5), von welcher diese mit Energie versorgt werden, deren Ausgangsspannung vergrößert oder verkleinert wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einschränkung der Folgen von Störeinflüssen eine Verringerung der Ausgangsspannung der potentialtrennenden Wechselrichter (5) zu einer Einstellung des Schaltzustandes "Aus" der zugehörigen elektronischen Schalter (1) führt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dort genannten potentialtrennenden Wechselrichter (5) jeweils derart ausgeführt sind, daß deren Transformator (4) auf seiner Primärseite in Mittelpunktschaltung ausgeführt ist und daß dieser Mittelpunkt über eine Diode (24) aus einer ersten Gleichspannungsquelle (23) gespeist wird und daß dieser Mittel­ punkt über einen Transistor (26) oder einen abschaltbaren Thy­ ristor mit einer zweiten Gleichspannungsquelle (25) höherer Span­ nung verbunden ist und daß die genannte Diode (24) so gepolt ist, daß ein Stromfluß zwischen den beiden Gleichspannungsquellen (23) und (25) stets unterbleibt und daß für die Erhöhung der Ausgangs­ spannung des potentialtrennenden Wechselrichters (5) der genann­ te Transistor (26) bzw. der genannte abschaltbare Thyristor in den leitenden Zustand versetzt wird.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dort genannten Logik- und Schalteinheiten (2) je­ weils derart ausgeführt sind, daß eine Erhöhung der Ausgangs­ spannung des zugehörigen potentialtrennenden Wechselrichters (5) einen Stromfluß durch eine zuvor stromlose Zenerdiode (30) ver­ ursacht und dieser Stromfluß die Einstellung und Aufrechterhal­ tung des diesem Zustand zugeordneten Schaltzustandes des zuge­ hörigen elektronischen Schalters (1) bewirkt und daß das mit einer Verringerung der Ausgangsspannung des genannten potential­ trennenden Wechselrichters (5) einhergehende Erlöschen dieses Stromflusses die Einstellung und Aufrechterhaltung des jeweils anderen Schaltzustandes des zugehörigen elektronischen Schalters (1) bewirkt.