DE3429488C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schalt­ vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer bekannten Schaltvorrichtung dieser Art, wie sie aus der Zeitschrift etz-b Band 29 (1977), Heft 19, Seiten 637 bis 639, Bild 1 bekannt ist, kann beim Ein­ schalten des Transistors noch ein Freilaufstrom über die zum Verbraucher parallele Freilaufdiode und folglich auch ein Teil des durch den Transistor fließenden Stroms während der Sperrverzögerungszeit der Freilaufdiode in Sperrichtung durch die Freilaufdiode fließen. Der Transistorstrom wird zwar durch eine zwischen der Be­ triebsspannungsquelle und dem Transistor liegende Dros­ selspule gedämpft. Praktisch gleichzeitig mit dem Ein­ schalten des Transistors beginnt jedoch auch der Konden­ sator sich zu entladen, wenn auch mit geringer Anstiegs­ geschwindigkeit, weil er sich nicht nur über seinen Entladewiderstand, sondern auch über die Drosselspule und einen Widerstand in einem Freilaufkreis der Drossel­ spule entlädt. Dennoch addiert sich sein Entladestrom zu dem über den Transistor fließenden Verbraucherstrom und zu dem in Sperrichtung durch die noch leitende Frei­ laufdiode fließenden Strom. Die Drosselspule muß ferner verhältnismäßig groß sein, da sie auch den Verbraucher­ strom führt.

Bei der aus DE-AS 27 18 996 bekannten Schaltung liegt der Transistor unmittelbar in Reihe mit der Freilaufdiode des Verbrauchers und eine Drosselspule in Reihe mit dem Kondensator der Umschaltentlastungsschaltung. Beim Entschalten des Transistors während der Sperrverzöge­ rungszeit der Freilaufdiode kann der Transistorstrom daher praktisch unbegrenzt über die Freilaufdiode fließen. Der zusätzliche über den Transistor fließende Entladestrom des Kondensators der Umschaltentlastungs­ schaltung setzt ebenfalls unverzögert ein. Lediglich seine Anstiegsgeschwindigkeit wird durch die Drosselspule verringert. Hier besteht mithin in hohem Maße die Gefahr einer Überlastung des Transistors.

Bei der aus der DE-OS 23 20 128 bekannten Schaltung liegt zwischen Betriebsspannungsquelle und Verbraucher­ kreis ein steuerbarer Thyristor und parallel zum Ver­ braucher in Reihe mit einer Freilaufdiode eine Umschwing­ drosselspule. Zwischen dem Verbindungspunkt von Freilauf­ diode und Umschwingdrosselspule liegt die Reihenschaltung eines Kondensators und einer Antiparallelschaltung be­ stehend aus einer Diode und einem Lösch-Thyristor. Der Kondensator ist ein Löschkondensator, durch dessen Umla­ dung mittels der Umschwingdrosselspule abwechselnd der Haupt-und der Lösch-Thyristor gelöscht werden. Die Kapazität dieses Löschkondensators muß sehr hoch gewählt werden,um eine einwandfreie Löschung der Thyristoren sicherzustellen. Die Diode dient nicht der Aufladung des Kondensators bei gesperrtem Haupt-Thyristor, sondern der Löschung des Lösch-Thyristors durch ihren Durchlaß- Spannungsabfall, während der Haupt-Thyristor leitend ist und sich der Kondensator über den Haupt-Thyristor, die Umschwingdrosselspule und die Diode umlädt. Diese Schaltung ist mithin wegen der hohen Kapazität des Lösch­ kondensators und auch wegen der zusätzlich erforderlichen Steuereinrichtung des Lösch-Thyristors aufwendig und als Umschaltentlastungsschaltung ungeeignet, wenn schon hier die Umladung des Löschkondensators gegenüber dem Einschaltzeitpunkt des Haupt-Thyristors verzögert ein­ setzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltvor­ richtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der die Gefahr einer Überlastung des Transistors verringert ist und gleichzeitig ein möglichst hoher Wirkungsgrad erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekenn­ zeichnet.

Bei dieser Lösung ist sichergestellt, daß, wenn beim Einschalten des Transistors noch ein Freilaufstrom über die zum Verbraucher parallele Freilaufdiode fließt, der während der Sperrverzögerungszeit der Freilaufdiode durch den Transistor und die Freilaufdiode fließende Strom durch die Kommutierungsdrosselspule gedämpft wird und sich der Kondensator der Umschaltentlastungsschaltung erst dann entlädt, wenn die Freilaufdiode gesperrt, d. h. der über die Freilaufdiode fließende Freilaufstrom des Verbrauchers abgeklungen ist. Durch die Verzögerung des Entladevorgangs des Kondensators wird demzufolge der Transistor nicht sofort nach dem Einschalten durch den Entladestrom des Kondensators zusätzlich belastet. Da die Kommutierungsdrosselspule nicht im Verbraucher­ stromkreis liegt, kann sie verhältnismäßig klein ausge­ bildet sein.

Sodann kann eine Ausbildung gemäß Anspruch 2 vorgesehen sein, wie sie im wesentlichen aus der DE 33 16 280 C1 an sich bekannt ist. Wenn hierbei aufgrund der Eigenin­ duktivitäten beim Ausschalten des Transistors eine die Ladespannung des zweiten Kondensators überschreitende Spannung am Transistor auftritt, wird die zweide Diode leitend, so daß der zweite Kondensator praktisch zu dem ersten Kondensator parallel geschaltet wird und sich die Gesamtkapazität der Umschaltentlastungsschaltung entsprechend erhöht. Dies ergibt eine entsprechend ge­ ringere Überspannung, da sich diese mit zunehmender Kapazität verringert. Wegen der demzufolge geringeren Ladespannung des ersten Kondensators ist auch die Ver­ lustleistung des ersten Entladewiderstands geringer. Da ferner der zweite Kondensator nie völlig entladen wird, sondern die Spannung der Ladespannungsquelle beibe­ hält, braucht am zweiten Kondensator nur die Überspan­ nung abgebaut zu werden. Infolgedessen sind auch gege­ benenfalls durch den zweiten Kondensator verursachte Entladeverluste verhältnismäßig gering. Ferner kann die Kapazität des ersten Kondensators auf einem verhält­ nismäßig niedrigen Wert gehalten werden und dennoch die schädliche Überspannung begrenzt werden, ohne daß der Transistor durch die Entladeströme überlastet wird.

Eine weitere Ausgestaltung gemäß Anspruch 3, bei der die Gleichspannungsquelle die Ladespannungsquelle des zweiten Kondensators bilden kann, hat den Vorteil, daß eine getrennte Ladungsspannungsquelle entfällt.

Darüber hinaus kann eine Ausbildung gemäß Anspruch 4 vorgesehen sein, wie sie ebenfalls aus der DE 33 16 280 C1 an sich bekannt ist. Hierbei liegt die Spannung der Gleichspannungsquelle ständig an der Reihen­ schaltung aus zweitem Kondensator und zweitem Widerstand, so daß der zweite Kondensator sich nicht unter die Span­ nung der Gleichspannungsquelle entladen kann.

Um zusätzliche Verluste durch einen zur Kommutierungs­ drosselspule parallelen Freilaufkreis zu vermeiden, kann eine Ausbildung gemäß den Ansprüchen 5 und 6 vorge­ sehen sein. Eine andere Möglichkeit besteht in einer Ausbildung gemäß Anspruch 7. Hierbei entfällt eine Sekun­ därwicklung der Kommutierungsdrosselspule.

Die in der Kommutierungsdrosselspule bei der Entladung des ersten Kondensators gespeicherte Energie wird daher zumindest teilweise nutzbar gemacht, so daß auch die von der Umschaltentlastungsschaltung bewirkten Verluste entsprechend verringert werden.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste­ hend anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungsbei­ spiele näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Stromversorgungsein­ richtung mit einer als Zerhacker betriebenen erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer Stromversorgungsein­ richtung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.

Die Stromversorgungseinrichtung nach Fig. 1 enthält eine Gleichspannungsquelle 1 und eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 2, wobei ein induktiver Verbraucher 3 über die Schaltvorrichtung 2 intermittierend an die Gleichspannungsquelle 1 angeschlossen wird. Zu diesem Zweck wird die Schaltvorrichtung 2 durch Steuerimpulse einer Steuerstufe 4 periodisch ein- und ausgeschaltet.

Die Gleichspannungsquelle 1 enthält eine Batterie 5 oder dergleichen, z. B. einen aus dem Wechselstromnetz gespeisten Gleichrichter, und einen Puffer- oder Glät­ tungskondensator 6. Die Schaltvorrichtung 2 liegt zwi­ schen dem Pluspol (+) der Gleichspannungsquelle 1 und dem Verbraucher 3 und enthält ein steuerbares Schalt­ element 7 in Form eines Transistors (gegebenenfalls mehrerer Transistoren in Darlington-Schaltung oder eines Abschalt-Thyristors) und eine Umschaltentlastungsschal­ tung 8 mit einem Kondensator 9 und einer Diode 10, die in Reihe geschaltet sind und parallel zur Schaltstrecke des Transistors 7 (der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors) liegen. Ferner enthält die Umschaltent­ lastungsschaltung 8 eine Reihenschaltung aus einer Frei­ laufdiode 11 und einer Kommutierungsdrosselspule 12 parallel zum Verbraucher 3. Ein Entladewiderstand 13 für den Kondensator 9 ist einerseits zwischen Kondensator 9 und Diode 10 und andererseits zwischen Freilaufdiode 11 und Kommutierungsdrosselspule 12 angeschlossen. Außer­ dem liegt parallel zur Schaltstrecke die Reihenschaltung eines zweiten Kondensators 14 und einer zweiten Diode 15, deren Verbindung über einen zweiten ohmschen Wider­ stand 16 mit dem dem Transistor 7 nicht zunächst liegen­ den Pol der Gleichspannungsquelle 1, hier dem Minuspul (-), verbunden ist. Sodann liegt parallel zur Kommutie­ rungsdrosselspule 12 eine Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand 17 und einer weiteren Freilaufdiode 18.

Der Verbraucher 3 enthält eine Spule 19, z. B. eines Elektromotors, in Reihe mit einem ohmschen Widerstand 20, der auch die Verluste der Spule 19 darstellen kann. Zwischen dem Transistor 7 und dem Verbraucher 3 kann ferner eine Glättungsdrosselspule 21 angeordnet sein.

Die Verbindungsleitungen zwischen der Gleichspannungs­ quelle 1 und der Schaltvorrichtung 2 haben eine Eigen­ induktivität, die als Spule 22 dargestellt ist. Diese Spule 22 kann auch die Induktivitäten eventuell in der Gleichspannungsquelle 1 enthaltener Transformatorwick­ lungen und Drosselspulen sowie deren Streuinduktivitäten darstellen.

Die Steuerstufe 4 wird ebenfalls aus der Gleichspannungs­ quelle 1 mit Betriebsstrom versorgt.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 näher erläutert.

Solange der Transistor 7 eingeschaltet ist, fließt ein Strom über seine Kollektor-Emitter-Strecke zum Verbrau­ cher 3. Sobald der den Transistor 7 eingeschaltet halten­ de Steuerimpuls der Steuerstufe 4 verschwindet, nimmt der über die Kollektor-Emitter-Strecke fließende Strom etwa linear ab. Gleichzeitig beginnt die Spule 19 sich über die Freilaufdiode 11 und die Kommutierungsdrossel­ spule 12 sowie über den Widerstand 17 und die Freilaufdiode 18 zu entladen. Der Kondensator 9 hatte sich während des eingeschalteten Zustands des Transistors 7 über diesen, die Kommutierungsdrosselspule 12 und den Wider­ stand 13 entladen und beginnt jetzt, sich über die Diode 10 und den Widerstand 13 auf die Betriebsspannung U aufzuladen. Dadurch ist sichergestellt, daß die Kollek­ tor-Emitter-Spannung des Transistors 7 nur allmählich ansteigt und eine Überlastung des Transistors 7 verhin­ dert wird, solange der Kollektor-Emitter-Strom noch nicht abgeklungen ist. Der Kondensator 14 ist noch bis auf die Betriebsspannung U aufgeladen, da er ständig über den Widerstand 16 an der Gleichspannungsquelle 1 liegt, so daß er sich auch bei eingeschaltetem Tran­ sistor 7 nicht unter die Betriebsspannung U über den Transistor 7 entladen kann. Der Kondensator 14 erhöht die Gesamtkapazität der Umschaltentlastungsschaltung 8. Dies gewährleistet, daß auch die Spannung am Kondensa­ tor 9 und damit an der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 7 die Betriebsspannung U nicht nennenswert übersteigen kann. Denn ohne den Kondensator 14, die Diode 15 und den Widerstand 16 würde der die Induktivi­ tät 22 und den Kondensator 9 aufweisende Schwingkreis eine verhältnismäßig hohe Überspannung am Kondensator 9 entstehen lassen. Diese Überspannung könnte zwar durch Erhöhung der Kapazität des Kondensators 9 vermindert werden, jedoch würde dann bei jedem Ladevorgang eine entsprechend höhere Energie im Kondensator 9 gespeichert und beim Entladen im Widerstand 13 nutzlos verbraucht. Der Kondensator 14 wird dagegen nur um den Betrag einer etwaigen Überspannung von der Betriebsspannung U aus nachgeladen und wieder bis zur Betriebsspannung U ent­ laden, und es läßt sich zeigen, daß die dadurch im Wider­ stand 16 umgesetzte Verlustleistung geringer ist, als die im Widerstand 13 zusätzlich umgesetzte Verlustlei­ stung, wenn die Bauelemente 14 bis 16 weggelassen werden und die Kapazität des Kondensators 9 um einen Betrag erhöht wird, bei dem die Überspannung den gleichen niedrigen Betrag aufweist, wie wenn die Bauelemente 14 bis 16 vorgesehen sind.

Nachdem der Kondensator 9 aufgeladen ist, wird der Tran­ sistor 7 durch den nächsten Steuerimpuls der Steuerstufe 4 wiede eingeschaltet. Wenn der Entladestrom des Ver­ brauchers 3 bis zu diesem Zeitpunkt noch nicht abgeklun­ gen ist, d. h. noch ein Freilaufstrom durch die Freilauf­ diode 11 fließt, könnte ohne die Kommutierungsdrossel­ spule 12 während der Sperrverzögerungszeit der Freilauf­ diode 11 über diese ein verhältnismäßig hoher Sperrver­ zögerungsstrom in Sperrichtung fließen, der zu einer zusätzlichen Belastung und gegebenfalls Überlastung des Transistors 7 führen würde. Die Kommutierungsdrossel­ spule 12 ist daher vorgesehen, um einen derartigen Sperr­ verzögerungsstrom zu drosseln und für eine entsprechend weiche Kommutierung des Verbraucherstroms von der Frei­ laufdiode 11 auf den Transistor 7 zu sorgen.

Ferner kann sich der Kondensator 9 erst dann entladen, wenn der zum Teil über die Kommutierungsdrosselspule 12 fließende Entladestrom des Verbrauchers 3 im wesent­ lichen oder vollständig abgeklungen ist, da der Entla­ destrom des Kondensators 9 bestrebt ist, über die Kommu­ tierungsdrosselspule 12 entgegengesetzt zum Entladestrom des Verbrauchers 3 zu fließen.

Dies bedeutet, daß der Entladestrom des Kondenators 9 erst dann einsetzt, wenn der über die Freilaufdiode 11 fließende Entladestrom des Verbrauchers 3 weitgehend abgeklungen und der Transistor 7 vollständig leitend ist. Eine Überlastung des Transistors 7 während seines Übergangs vom gesperrten in den vollständig leitenden Zustand durch einen zusätzlichen Entladestrom des Konden­ sators 9 wird daher ebenfalls vermieden.

Sobald der Kondensator 9 über die Kommutierungsdrossel­ spule 12 entladen ist, wird die in der Kommutierungs­ drosselspule 12 gespeicherte Energie im wesentlichen über die Freilaufdiode 18 und den Widerstand 17 abge­ baut, da der Widerstandswert des Widerstands 13 wesent­ lich höher als der des Widerstands 17 ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 lediglich dadurch, daß die Umschalt­ entlastungsschaltung 8′ der Schaltvorrichtung 2′ anstel­ le des Widerstands 17 eine mit der Kommutierungsdrossel­ spule 12 magnetisch gekoppelte Sekundärwicklung 23 auf­ weist, die über die jetzt als Gleichrichter wirkende Diode 18 mit der Gleichspannungsquelle 1 verbunden ist, so daß die Freiladeenergie des Kondensators 9 zur Strom­ versorgung verwendet wird.

Es ist aber auch möglich, die Energie der Kommutierungs­ drosselspule direkt über eine Diode in einen Speicher­ kondensator zu übertragen, dessen Ladung im wesentlichen allein zur Stromversorgung einer Schaltung, z. B. der Steuerstufe 4, verwendet wird. Hierbei braucht lediglich bei Betriebsbeginn durch eine entsprechende Anlaufschal­ tung für eine Anfangsladung des Speicherkondensators gesorgt zu werden. Danach erfolgt die Stromversorgung weiterhin durch die Entladeenergie der Kommutierungs­ drosselspule.

Die Schaltvorrichtungen 2 und 2′ können in mehrfacher Ausführung auch in einem Mehrphasen-Wechselrichter ver­ wendet werden.

Claims (7)

1. Elektronische Schaltvorrichtung mit wenigstens einem Transistor zum abwechselnden Ein- und Ausschalten eines aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten induktiven Verbrauchers und mit einer Umschalt-Ent­ lastungsschaltung, die einen ersten Kondensator in Reihe mit einer ersten Diode, die parallel zur Schalt­ strecke des Transistors liegen, so daß die Diode und der Transistor die gleiche Durchlaßrichtung haben, und einen Entladewiderstand für den Kondensator auf­ weist, und mit einer parallel zum Verbraucher liegen­ den Freilaufdiode, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Freilaufdiode (11) wenigstens eine Kommutierungsdrosselspule (12) liegt und der Entlade­ widerstand (13) einerseits zwischen der Kommutierungs­ drosselspule (12) und der Freilaufdiode (11) und andererseits zwischen dem ersten Kondensator (9) und der ersten Diode (10) angeschlossen ist, wodurch das Einsetzen des Entladestroms des ersten Kondensa­ tors (9) so lange verzögert wird, bis der Einschalt­ vorgang des Transistors (7) und die Kommutierung des Verbraucherstroms von der Freilaufdiode (11) auf den Transistor (7) weitgehend beendet sind.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß parallel zur Schaltstrecke des Transi­ stors (7) eine weitere Reihenschaltung aus einem zweiten Kondensator (14) und einer zweiten Diode (15) liegt und der zweite Kondensator (14) aus einer Ladespannungsquelle stets wenigstens bis zu einer vorbestimmten Spannung aufgeladen gehalten und nach dem Ausschalten des Transistors (7) wieder bis auf diese Spannung entladen wird.

3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spannung der Ladespannungsquelle gleich der Betriebsspannung (U) des Verbrauchers (3) ist.

4. Schaltvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung von zweitem Kon­ densator (14) und zweiter Diode (15) über einen zwei­ ten Widerstand (16) mit demjenigen Pol (-) der Gleich­ spannungsquelle (1) verbunden ist, der dem Transistor (7) nicht zunächst liegt.

5. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Kommutie­ rungsdrosselspule (12) beim Entladen des ersten Kon­ densators (9), gespeicherte Energie über eine dritte Diode (18) zur Stromversorgung herangezogen wird.

6. Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (1) über die dritte Diode (18) mit einer Sekundärwicklung (23) der Kommutierungsdrosselspule (12) verbunden ist.

7. Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Speicherkondensator einer Strom­ versorgungseinrichtung über die dritte Diode (18) mit der Katode der Freilaufdiode (11) verbunden ist.