DE3427520C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines Verbraucherzweipols mit Stromimpulsen frei einstellbarer Amplitude, Pulsbreite und Pulsfrequenz, bei der eine speisende Spannungsquelle über min­ destens einen elektronischen Schalter und eine Drosselspule mit dem Verbraucherzweipol in Reihe geschaltet ist und eine Diode parallel zu der Drosselspule und dem Verbraucherzweipol geschaltet ist.

Derar­ tige Schaltungsanordnungen werden zur Speisung von Verbraucherzwei­ polen, beispielsweise für Lichtbögen, Plasmabögen, Gasentladungen, Funkenerosionsanlagen und Laser mit impulsförmigen Strömen gebraucht.

Zur Erleichterung der Beschreibung der Funktion dieser bekannten Ein­ richtung wird auf die Fig. 1 und 2 verwiesen. Der Verbraucherzweipol (5), beispielsweise ein ohm'scher Widerstand, wird aus der Spannungsquelle (1) mit der weit­ gehend eingeprägten Spannung U - das ist eine Spannungsquelle, deren Klemmspannung sich dabei stationärer und bei dynamischer Belastung nicht wesentlich ändert - mit einem hinsichtlich des arithmetischen Mittelwerts frei einstellbaren Strom I _V versorgt. Dazu sind in die Verbindungsleitung vom Verbraucher (5) zur speisenden Spannungs­ quelle (1) ein elektronischer Schalter (2) und zwar ein bipolarer Transistor und eine Drosselspule (4) eingefügt. Wird der elektroni­ sche Schalter (2) für eine Zeitdauer T _E in den ideal leitenden Zu­ stand, d. h. in den Zustand EIN versetzt, so fließt ein exponentiell anwachsender Strom von der Eingangselektrode E des elektronischen Schalters (2) - das ist die Elektrode, in die der Strom betriebs­ mäßig in den elektronischen Schalter (2) eintritt - zur Ausgangs­ elektrode A - das ist die Elektrode, aus der der Strom betriebs­ mäßig aus dem elektronischen Schalter (2) austritt - über die Drossel­ spule (4) und den Verbraucherzweipol (5). Im quasistationären Betrieb ergeben sich dabei die in der Fig. 2 dargestellten Kurvenverläufe. Während der Einschaltzeit EIN ist der exponentiell anwachsende Strom i _L durch die Drosselspule (2) gleich dem Strom i _V durch den Ver­ braucherzweipol (5). Wird der elektronische Schalter (2) anschlie­ ßend für eine Zeitdauer T _A in den Zustand AUS versetzt, so fließt der Strom i _V = i _L über die antiparallel zu der Reihenschaltung aus Drosselspule (4) und dem Verbraucherzweipol (5) geschaltete Freilauf­ diode (3) weiter und sinkt dabei exponentiell ab. Durch Variation des Verhältnisses der Dauer des Zustandes EIN zu jener des Zustandes AUS läßt sich der arithmetische Mittelwert I _V des Verbraucherstroms frei einstellen. Prinzipbedingt weicht der Momentanwert i _V des Ver­ braucherstroms vom gewünschten arithmetischen Mittelwert I _V ab. Diese Abweichung läßt sich dadurch vermindern, daß zum ersten die Zeitdauern T _E und T _A möglichst klein gehalten werden. Grenzen hierfür werden durch die endlichen Schaltzeiten von elektronischen Schaltern (2) eingesetzt. Zum zweiten kann die vorgenannte Stromschwankung dadurch vermindert werden, daß die Induktivität der Drosselspule (4) möglichst groß gewählt wird.

Damit vergrößern sich aber die Anstiegs- und Abfallzeiten eines gewünschten Stromimpulses. Bei der bekannten Schaltungsanordnung sind die Anstiegs- und Abfallzeiten eines Stromimpulses durch die elektrische Zeitkonstante der Reihenschaltung aus Drosselspule (4) und Verbraucherzweipol (5) festgelegt.

Bei vorgegebener maximaler Schaltfrequenz des elektronischen Schal­ ters (2) liegt damit die Stromschwankungsbreite fest und ist nicht mehr frei wählbar.

Aus IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-12, No. 4, July/August 1976, Seiten 369-377, Figur 11 ist eine Schaltung bekannt, die zur Versorgung eines Verbraucherzweipols mit einstellbarer kon­ stanter Gleichspannung dient, die eingangsseitig so aufgebaut ist, wie die oben zum Stand der Technik erläuterte Schaltung nach Figur 1. Überspannungen werden bei der Schaltung nach Figur 11 von IEEE durch Parallelschaltung einer Zenerdiode vermieden. Die Schaltung nach Figur 11 weist anschließend an dem Eingangsteil eine Brückschaltung auf, an die ein Transformator mit ausgangsseitigem ungesteuertem Gleich­ richter in Brückenschaltung und ein Glättungskondensator angekoppelt ist. Der parallel zum Glättungskondensator liegende Verbraucherzweipol wird mit konstanter Gleichspannung versorgt. Die Erfindung dagegen erzeugt mit davon abweichenden Schaltelementen Stromimpulse frei ein­ stellbarer Amplitude.

Aus der GB-A 21 05 122 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die aus einer weitgehend konstanten Gleichspannung eine niedrigere oder höhere Gleichspannung zu erzeugen vermag. Ein ausgangsseitiger Kondensator C in Figur 2 glättet den Strom. Der Glättungskondensator ist auch funktionsbedingt erforderlich, um eine Zerstörung des ausgangsseitigen Schalters TR 1 durch Überspannungen zu vermeiden. Diese Schaltung ist nicht dazu geeignet und bestimmt, Stromimpulse frei einstellbarer Amplitude zu erzeugen und kann auch keine Anregung in dieser Richtung geben.

Aus der DE-OS 28 49 575, deren Figur 4, ist eine Schaltung bekannt, die eingangsseitig eine Spannungsquelle UE mit einem Stützkondensator C 1, die Drosselspule Dr und einen Halbleiterschalter S 5 aufweist. Nachgeschaltet sind ein Gleichspannungswandler mit einem Transforma­ tor. Die Schaltung ist nicht dazu geeignet und bestimmt, Stromimpulse frei einstellbarer Amplitude, Pulsbreite und Pulsfrequenz zu erzeugen. Vielmehr besteht die Aufgabe darin ein getaktetes Netzgerät mit einem Gegentaktwandler so auszugestalten, daß eine Symmetrierung der Magne­ tisierung im Transformator auftritt.

Ausgehen vom genannten Stand der Technik nach IEEE-Transactions wird die Aufgabe der Erfindung darin gesehen, einen Verbraucherzweipol mit einem impulsförmigen Strom mit vernachlässigbar geringen Anstiegs- und Abfallzeiten und geringer Stromschwankung zu versorgen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß mindestens ein weite­ rer, elektronischer Kurzschlußschalter parallel zu dem Verbraucher­ zweipol wirksam ist, daß parallel zu dem Kurzschlußschalter eine Reihenschaltung aus einer Diode und einer zusätzlichen Spannungsquelle geschaltet ist, daß der Kurzschlußschalter so ausgebildet ist, daß er den Stromfluß nur in einer Richtung zuläßt und daß die Anschluß­ richtung der Diode so gewählt ist, daß ihre Stromflußrichtung mit der des Kurzschlußschalters übereinstimmt.

Schlüsselgedanke der Er­ findung ist, daß der Verbraucherzweipol über den elektrischen Kurz­ schlußschalter kurzgeschlossen werden kann. Bei eingeschaltetem Kurz­ schlußschalter und eingeschaltetem elektronischem Schalter bildet sich ein ansteigender Strom durch den elektrischen Schalter, die Drossel­ spule und den Kurzschlußschalter aus. Durch Ein- und Ausschalten bei endlicher Schaltfrequenz des elektronischen Schalters kann die Ab­ weichung des Stromes i _L durch die Drosselspule vom gewünschten Sollwert bei vorgegebener Spannung U der speisenden Quelle und geeignet gewählter Induktivität der Drosselspule beliebig kleingehalten werden. Zur Spei­ sung des Verbraucherzweipols für eine bestimmte Zeitdauer mit einem Stromimpuls braucht lediglich der Kurzschlußschalter für diese Zeit­ spanne in den Zustand AUS versetzt zu werden, wobei der zuvor in der Drosselspule eingeprägte Strom schlagartig über den Verbraucherzweipol weiterfließt und durch periodisches Schalten des elektronischen Schal­ ters auf dem zuvor eingestellten Wert gehalten werden kann. Bei an­ schließendem Schließen des Kurzschlußschalters in den Schaltzustand EIN wechselt der Strom i _L durch die Drosselspule nahezu schlagartig auf den Kurzschlußschalter über und der Strom i _V durch den Verbraucher­ zweipol wird momentan zu Null. Durch die parallel zu dem Kurzschluß­ schalter geschaltete Reihenschaltung aus einer Diode und einer zu­ sätzlichen Spannungsquelle, wobei der Kurzschlußschalter so ausge­ bildet ist, daß er den Stromfluß nur in einer Richtung zuläßt und die Anschlußrichtung der Diode so gewählt ist, daß ihre Stromfluß­ richtung mit der des Kurzschlußschalters übereinstimmt, wird die - Sperrspannungsbeanspruchung des Kurzschlußschalters auf den Wert der zusätzlichen Spannungsquelle begrenzt, wodurch der Kurzschlußschalter auch bei Verbraucherzweipolen mit nicht zu vernachlässigender Induk­ tivität und/oder Impedanz vor hohen, sein Sperrvermögen überschrei­ tenden Spannungen geschützt ist.

Im einzelnen kann die Erfindung wie folgt vorteilhaft ausgestaltet sein.

Der Wert der Spannung der zusätzlichen Spannungsquelle sollte min­ destens so groß sein wie der Wert der speisenden Spannungsquelle.

Falls der Spannungswert der zusätzlichen Spannungsquelle nicht höher, sondern nur so groß sein soll wie die Spannung der speisenden Span­ nungsquelle, kann auf die zusätzliche Spannungsquelle verzichtet werden. Dann wird der nicht mit dem Kurzschlußschalter verbundene Pol der Diode mit dem Pol der speisenden Quelle verbunden, der nicht mit dem Kurzschlußschalter verbunden ist.

Zur Speisung eines Verbraucherzweipols mit impulsförmigen Strömungen positiver oder negativer Polarität empfiehlt die Erfindung, daß der Kurzschlußschalter als Polwendeschalter ausgebildet ist, der durch elektronische Schalter mit antiparallelen Dioden in Brücken­ schaltung gebildet ist und der Verbraucherzweipol in den Querzweig der Brückschenschaltung geschaltet ist. Die elektronischen Schalter können vorteilhaft als bipolare Transistoren und/oder Unipolartran­ sistoren, als Feldeffekttransistoren und/oder Abschaltthyristoren und/oder Thyristoren mit Löscheinrichtung ausgebildet sein.

Bei einer Schaltungsanordnung, bei der der Verbraucherzweipol durch einen Lichtbogen und/oder einen Plasmabogen und/oder eine Funken­ strecke und/oder eine Gasentladung gebildet wird, also solche Ver­ braucher, bei denen eine Zündspannung auftritt, die dann bekannt­ lich höher als die Brennspannung liegt, empfiehlt die Erfindung, daß der Wert der Spannung der speisenden Quelle und/oder der der zusätzlichen Spannungsquelle so gewählt wird, daß die am Verbraucher­ zweipol im Leerlauf auftretenden Spannungen mindestens gleich der Zündspannung sind.

Im folgenden wird anhand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigt im einzelnen

Fig. 1 einen Einquadrantensteller zur Speisung eines Verbraucher­ zweipols mit frei einstellbarem Strom nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 den Verbraucherstrom, der sich bei der Schaltung nach Fig. 1 einstellt,

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung zur Speisung eines Verbraucherzweipols mit impulsförmigen, unipolaren Stromimpulsen,

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur Versorgung eines Verbraucher­ zweipols mit impulsförmigen Stromimpulsen mit positiver und negativer Stromrichtung und

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Stromamplitude und der Impulsdauer.

Bei der Schaltungsanordnung zur Speisung eines Verbraucherzweipols 5 mit Stromimpulsen frei einstellbarer Amplitude, Pulsbreite und Puls­ frequenz, bei der nach Fig. 3 eine speisende Spannungsquelle 1 über einen elektronischen Schalter 2 und eine Drosselspule mit dem Verbraucherzweipol in Reihe geschaltet und eine Diode 3 parallel zu der Drosselspule 4 und dem Verbraucherzweipol 5 geschaltet ist, ist ein weiterer, elektronischer Kurzschlußschalter 8 parallel zu dem Verbraucherzweipol 5 geschaltet.

Zur Erläuterung der Funktionsweise dieser Schaltungsanordnung sei zunächst angenommen, daß sich der Kurzschlußschalter im Schaltzu­ stand EIN befindet.

Wird nun der elektronische Schalter 2 ebenfalls in den Schaltzustand EIN versetzt, so bildet sich ein linear ansteigender Strom über die speisende Quelle 1, den elektronischen Schalter 2, die Drossel­ spule 4 und den Kurzschlußschalter 8 aus. Erreicht dieser Strom den gewünschten Sollwert, so wird der elektronische Schalter 2 in den Zustand AUS versetzt und der Strom i _L durch die Drosselspule 4 fließt über den Kurzschlußschalter 8 und die Freilaufdiode 3 weiter. Infolge der unvermeidbaren Verluste wird der Strom i _L durch die Drosselspule 4 als Funktion der Zeit stetig absinken. Durch Versetzen des elektronischen Schalters 2 in den Zustand EIN wird der vorgenannte Strom wiederum anwachsen. Durch Wahl der Induktivität der Drosselspule 4 kann die Abweichung des Stromes i _L durch die Drosselspule 4 vom gewünschten Sollwert bei vorgegebener Spannung U der speisenden Quelle 1 und endlicher Schaltfrequenz des elektronischen Schalters 2 beliebig kleingehalten werden.

Soll nun der Verbraucherzweipol 5 für eine bestimmte Zeitdauer mit einem Stromimpuls versorgt werden, so ist lediglich der Kurzschluß­ schalter 8 für diese Zeitspanne in den Zustand AUS zu versetzen.

Der zuvor in der Drosselspule 4 eingeprägte Strom i _L fließt dabei schlagartig über den Verbraucherzweipol 5 weiter und wird durch periodisches Schalten des elektronischen Schalters 2 auf dem zuvor eingestellten Wert gehalten. Wird der Kurzschlußschalter 8 anschlie­ ßend wieder in den Schaltzustand EIN versetzt, so wechselt der Strom i _L durch die Drosselspule 4 nahezu schlagartig auf dem Kurzschluß­ schalter 8 über und der Strom i _V durch den Verbraucherzweipol 5 wird momentan zu Null.

Auf diese Weise wird der Verbraucherzweipol 5 mit einem impulsförmigem Strom mit vernachlässigbar geringen Anstiegs- und Abfallzeiten und geringer Stromschwankung versorgt.

Die bis jetzt beschriebene Schaltungsanordnung genügt für den Betrieb von Verbraucherzweipolen mit überwiegend ohm'scher Last. Besitzt der Verbraucherzweipol 5 jedoch eine nicht zu vernachlässigende Induktivität und/oder kann die Impedanz des Verbraucherzweipols 5 sehr hohe Werte annehmen, so wird gemäß Fig. 3 parallel zu dem Kurzschlußschalter 8 eine Diode 9 und eine zusätzliche Spannungs­ quelle 10 geschaltet. Diese Schaltung verhindert das Auftreten sehr hoher Spannungen zwischen den Hauptstromklemmen E und A des Kurz­ schlußschalters 8, die dessen Sperrvermögen überschreiten können. Der Wert U 1 der zusätzlichen Spannungsquelle 10 ist größer oder gleich der der speisenden Quelle 1 mit der Spannung U.

Wenn die Spannung der zusätzlichen Spannungsquelle 10 nicht größer, sondern nur so groß sein soll, wie die Spannung U der speisenden Spannungsquelle 1, entfällt in Fig. 3 die zusätzliche Spannungs­ quelle 10 und der nicht mit dem Kurzschlußschalter 8 verbundene Pol 25 der Diode 9 ist mit dem Pol 26 der speisenden Quelle 1 ver­ bunden, der nicht mit dem Kurzschlußschalter 8 verbunden ist. Diese Verbindung ist strichliert eingezeichnet.

Fig. 4 zeigt eine Erweiterung der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 zur Speisung des Verbraucherzweipols 5 mit impulsförmigen Strömen positiver oder negativer Polarität. Statt den Verbraucherzweipol 5 direkt zwischen die Ausgangsklemmen 6 und 7 der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 einzufügen, wird der Verbraucherzweipol 5 gemäß Fig. 4 in den Querzweig einer durch die elektronischen Schalter 11, 12, 13, 14 mit antiparallel geschalteten Dioden 15, 16, 17, 18 gebildeten Brücken­ schaltung eingefügt. Diese Brückenschaltung übernimmt hier die Funk­ tion eines Polwendeschalters.

Werden die elektronischen Schalter 11 und 12 in den Zustand EIN versetzt (die Schalter 13 und 14 seien gesperrt), so ist die Strom­ richtung des durch den Verbraucherzweipol 5 fließenden Stroms i _V gleich der des in die Eingangsklemme 6 eintretenden Stroms i _V ⁺. Werden dagegen die elektronischen Schalter 13 und 14 in den Zustand EIN versetzt (die Schalter 11 und 12 seien gesperrt), so kehrt die Richtung des Verbraucherstroms i _V um.

Bei dieser Erweiterung nach Fig. 4 kann dazuhin die Funktion des Kurzschlußschalters 8 nach Fig. 3 durch den Polwendeschalter über­ nommen werden. Statt den Kurzschlußschalter 8 in den Zustand EIN zu versetzen, sind lediglich die elektronischen Schalter 11 und 14 und/oder 12 und 13 in den Schaltzustand EIN zu versetzen. Statt den Kurzschlußschalter 8 in den Zustand AUS zu versetzen, sind statt dessen die elektronischen Schalter 11, 12, 13, 14 zu sperren. Der Kurzschlußschalter 8 kann damit entfallen.

Fig. 5 zeigt schließlich beispielhaft eine Einrichtung zur Regelung des Stromes i _L durch die Drosselspule 4 und zur Steuerung des Kurz­ schlußschalters 8. Die aus einem Komparator 20 und einem Summations­ glied 19 aufgebaute Regelelektronik erhält als Eingangsgröße den gewünschten Sollwert i _{L, soll} sowie den Istwert i _{L, ist} des Stroms durch die Drosselspule 4.

Wird die Regeldifferenz i _{L, soll} - i _{L, ist} < 0, so übermittelt der Komparator 20 über dessen Ausgangssignal H den Befehl "der elektronische Schalter 2 soll leiten" an eine nachgeschaltete bistabile Kippstufe 21. Erst beim Eintreffen der nächstfolgenden Taktflanke eines von einem Rechteckoszillator 22 gelieferten Takts wird der vorgenannte Befehl ausgeführt. Der Strom i _L durch die Drosselspule 4 wird demzufolge anwachsen.

Wird anschließend die Regeldifferenz i _{L, soll} - i _{L, ist} < 0, so übermittelt der Komparator 21 über sein Ausgangssignal L den Befehl "der elektronische Schalter 2 soll sperren".

Auch dieser Befehl wird erst beim Eintreffen der nächstfolgenden Taktflanke des Taktoszillators 22 ausgeführt.

Der Strom durch die Drosselspule 4 sinkt damit wieder ab.

Die derart realisierte Stromregelung zeigt nahezu zeitoptimales Verhalten, da stets die volle Stellreserve ausgenutzt wird. Durch die zeitdiskrete Abfrage des Komparator-Ausgangssignals bleibt dazu­ hin die maximale Schaltfrequenz des elektronischen Schalters 2 auf die halbe Taktfrequenz des Oszillators 22 begrenzt.

Über eine weitere bistabile Kippstufe 24 kann der Kurzschlußschal­ ter 8 synchron zum elektronischen Schalter 2 in ein Zustand EIN oder AUS versetzt werden.

Wird an den Steuereingang 23 der bistabilen Kippstufe 24 ein Signal H (bzw. L) angelegt, so übermittelt diese bei der nächstfolgenden Taktflanke des Oszillators 22 den Befehl "der Kurzschlußschalter 8 soll leiten (bzw. sperren)".

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Speisung eines Verbraucherzweipols mit Stromimpulsen frei einstellbarer Amplitude, Pulsbreite und Puls­ frequenz, bei der eine speisende Spannungsquelle über mindestens einen elektronischen Schalter und eine Drosselspule mit dem Ver­ braucherzweipol in Reihe geschaltet ist und eine Diode parallel zu der Drosselspule und dem Verbraucherzweipol geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein weiterer, elektronischer Kurzschlußschalter (8) parallel zu dem Verbraucherzweipol (5) wirksam ist,
daß parallel zu dem Kurzschlußschalter (8) eine Reihenschaltung aus einer Diode (9) und einer zusätzlichen Spannungsquelle (10) geschaltet ist,
daß der Kurzschlußschalter (8) so ausgebildet ist, daß er den Stromfluß nur in einer Richtung zuläßt und
daß die Anschlußrichtung der Diode (9) so gewählt ist, daß ihre Stromflußrichtung mit der des Kurzschlußschalters (8) überein­ stimmt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Spannung der zusätzlichen Spannungsquelle (10) mindestens so groß wie der Wert der speisenden Spannungsquelle (1) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht mit dem Kurzschlußschalter (8) verbundene Pol (25) der Diode (9) mit dem Pol (26) der speisenden Quelle (1) verbun­ den ist, der nicht mit dem Kurzschlußschalter (8) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherzweipol (5) unter Zwischen­ schaltung eines Polwendeschalters, gebildet durch die elektro­ nischen Schalter (11, 12, 13, 14) mit antiparallelen Dioden (15, 16, 17) in Brückenschaltung gespeist ist und daß der Verbraucherzweipol (5) über den Polwendeschalter mit Stromimpulsen positiver und negativer Stromrichtung gespeist wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (2, 8) mit bipo­ laren Transistoren und/oder Unipolartransistoren (Feldeffekttran­ sistoren) und/oder Abschaltthyristoren und/oder Thyristoren mit Löscheinrichtungen realisiert sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der obigen Ansprüche, bei der der Verbraucherzweipol (5) durch einen Lichtbogen und/oder einen Plasmabogen und/oder eine Funkenstrecke und/oder eine Gasentla­ dung gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Spannung der speisenden Quelle (1) und/oder der der zusätzlichen Spannungsquelle (10) so gewählt wird, daß die am Verbraucherzweipol (5) im Leerlauf auftretenden Spannun­ gen mindestens gleich der Zündspannung sind.