DE975912C

DE975912C - Steuersatz fuer gas- oder dampfgefuellte Entladungsgefaesse

Info

Publication number: DE975912C
Application number: DES43424A
Authority: DE
Inventors: Georg Dr-Ing Sichling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1955-04-08
Filing date: 1955-04-08
Publication date: 1962-12-06

Description

Zur Steuerung von gas- oder dampfgefüllten Entladungsgefäßen ist ein sogenannter Steuersatz erforderlich, durch den der Zündzeitpunkt des Entladungsgefäßes verschoben werden kann. Bekannte Einrichtungen dieser Art arbeiten mit Drosselspulen oder Transformatoren im Steuerkreis des Entladungsgefäßes. Es ist ferner bei mechanischen Schaltstromrichtern bekanntgeworden, zur Steuerung der im Arbeitsstromkreis liegenden magnetisch betätigbaren Kontakte einen Steuerstromkreis für die Kontakte mit einer steuerbaren sättigbaren Ventildrossel und einem ohmschen Widerstand vorzusehen, der an den Hauptstromkreis, d. h. den Arbeitsstromkreis, angekoppelt ist. Bei einer solchen Ausgestaltung des Steuersatzes, bei der die Steuerorgane für den Stromrichter in dessen Steuerkreis selbst liegen, ist eine verhältnismäßig große Dimensionierung der Schaltungselemente mit entsprechendem Aufwand notwendig, und diese Steuersätze arbeiten verhältnismäßig träge.

Um diese Nachteile zu beseitigen, ist bereits vorgeschlagen worden, den Steuerstromkreis des Entiadungsgefäßes von einem dem Arbeitsstrom des Entladungsgefäßes frequenzgleichen Wechselstrom zu speisen und im Steuerkreis des Entladungsgefäßes einen in Verbindung mit Zeitgliedern steuerbaren Halbleiter, z. B. einen Transistor, anzuordnen. Dieser Transistor wirkt lediglich als Schalttransistor, d. h., er ist so ausgelegt und gesteuert, daß er lediglich zwei Arbeitspunkte aufweist, und zwar einen, bei dem der Transistor vollständig geöffnet, und einen, bei dem der Transistor vollständig geschlossen ist. Die Steuerung des Zündzeitpunktes des Entladungsgefäßes erfolgt bei der

vorgeschlagenen Anordnung durch Ausnutzung der speziellen Kennlinie des Halbleiters, z. B. des Knickes in der Ausgangsstrom-, Ausgangsspannungslinie. Beim Auswechseln des Transistors ist jedoch darauf zu achten, daß der Ersatztransistor den gleichen Kennlinienverlauf aufweist, da im anderen Fall die Steuerglieder für den gleichen Aussteuerungsgrad verändert werden müßten. Es ist daher vorteilhaft, die Schaltung so aufzubauen, ίο daß der Transistor lediglich als Schalttransistor für den Steuerstromkreis des Entladungsgefäßes dient, aber die Schaltung des Steuerstromkreises unabhängig von dem Verlauf der Kennlinien des Transistors erfolgt. Man könnte daher beispielsweise daran denken, den Öffnungszeitpunkt des Transistors durch eine Spannung zu steuern, die einem Drehtransformator entnommen ist und entsprechend dem gewünschten Zündzeitpunkt gegenüber der Arbeitsspannung des Entladungsgefäßes phasenverschoben ist. Damit wäre jedoch unter Umständen ein größerer Aufwand verbunden.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Steuersatz für gas- oder dampfgefüllte Entladungsgefäße mit einem im Steuerkreis des Entladungsgefäßes Hegenden, von einer dem Arbeitsstrom des Entladungsgefäßes gleichfrequenten Spannung gespeisten und den Zündzeitpunkt bestimmenden Schalter in Form eines in Verbindung mit Zeitgliedern steuerbaren Halbleiters, insbesondere Schalttransistors. Um ohne großen Aufwand unabhängig vom Kennlinienverlauf des Halbleiterschalters definierte steuerbare Schaltzeitpunkte des Halbleiters zu erhalten, wird gemäß der Erfindung zum Verändern des Umschaltzeitpunktes des HaIbleiterschalters im Steuerkreis des Halbleiterschalters in an sich bekannter Weise eine Wechselspannungsquelle, eine sättigbare Ventildrossel mit parallelogrammförmiger Magnetisierungsschleife und ein ohmscher Widerstand angeordnet, und der Umschaltzeitpunkt erfolgt in an sich bekannter Weise durch Ändern der Spannungszeitfläche d:er Ventildrossel.

An Hand des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels sei die Erfindung näher erläutert. Darin ist das zu steuernde Entladungsgefäß mit 15 bezeichnet. Sein Arbeitsstromkreis, in dem der Verbraucher 17 liegt, wird von einer Spannungsquelle 16 gespeist. Im Steuerkreis des Entladungsgefäßes liegt ein steuerbarer Halbleiter, in diesem Fall ein Transistor 8. Sowohl hier als auch im folgenden können an Stelle der beschriebenen Verwendung von Transistoren andere steuerbare Halbleiter, beispielsweise magnetfeldsteuerbare Halbleiter, verwendet werden. Desgleichen ist es für das Wesen der Erfindung nicht von ausschlaggebender Bedeutung, welche Transistorentype und in welcher Schaltung sie verwendet wird. Es können also beispielsweise Flächentransistoren sowohl in Basis- als auch in Emitter- oder Kollektorschaltung verwendet werden. Der zwischen Gitter und Kathode des Entladungsgefäßes liegende Ausgangsstromkreis des Transistors 8 wird von einer dem Arbeitsstromkreis des Entladungsgefäßes gleichfrequenten Spannung über einen Transformator 12 und die Zweiwegegleichrichterschaltung 14 gespeist. Die Einstellung des Zündzeitpunktes des Entladungsgefäßes erfolgt durch entsprechende Steuerung des Öffnungszeitpunktes des Transistors 8. Zu dem Zweck ist die steuernde Basisspannung an einem Widerstand 6 abgenommen, welcher in einem Stromkreis mit der Spannungsquelle 4 und der Induktivität 3 liegt. Dabei muß auch die Spannungsquelle 4 die gleiche Frequenz haben wie die den Arbeitsstromkreis des Entladungsgefäßes speisende Spannungsquelle 16. Für die Drossel 3 wird eine sättigbare Drossel mit einem besonderen Eisenkern verwendet, dessen Magnetisierungsschleife weitgehend parallelogramtnförmigen Verlauf hat. Eine derartige, in Fig. 2 a dargestellte Hysteresisschleife besitzt beispielsweise eine besonders behandelte Eisen-Nickel-Legierung, welche im Handel unter der Bezeichnung Permenorm 5000 Z bekannt ist. Weiterhin sind im Stromkreis der Spannungsquelle 4 noch ein Transistor 1 und ein hierzu parallel geschalteter Gleichrichter 2 angeordnet.

Hat beispielsweise die Spannungsquelle 4 die eingezeichnete Polarität, so fließt ein Strom von der Spannungsquelle über die Drossel 3, den Gleichrichter 2 und die Widerstände 6 und S zur Spannungsquelle zurück. Der von diesem Strom an dem Widerstand 6 hervorgerufene Spannungsabfall öffnet den Transistor 8, so daß auch das Entladungsgefäß 15 geöffnet wird. Während dieser positiven Halbwelle wird die in Fig. 2 a dargestellte Hysteresisschleife der Drossel 3 bis zur Sättigung durchlaufen und dann der Strom beispielsweise im Punkt d lediglich durch die ohmschen Widerstände des Stromkreises begrenzt. In der negativen Halbwelle, in der also die Polarität der Spannungsquelle 4 umgekehrt ist, erfolgt die Rückmagnetisierung des Drosseleisens von d über c und e bis a. Die Lage dieses Punktes α auf der Magnetisierungsschleife ist ausschlaggebend für den Zündzeitpunkt des Entladungsgefäßes.

Wie bereits oben ausgeführt wurde, öffnet der Transistor 8 in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall am Widerstand 6. Während der negativen Halbwelle ist der Spannungsabfall am Widerstand 6 sehr viel kleiner, da nur der Magnetisierungsstrom fließt, und außerdem so gerichtet, daß der Transistor 8 gesperrt ist. In der positiven Halbwelle steigt der Strom durch den Widerstand 6 und damit die Spannung zunächst entsprechend der Magnetisierungsschleife über b langsam an, bis im Punkt c die Sättigung erreicht wird. In dem Augenblick steigt der Strom sprungartig auf die Größe an, die beispielsweise im Punkt d durch die übrigen Widerstände, des Stromkreises bestimmt ist. Der allmähliche Spannungsanstieg am Widerstando würde also den Transistor 8 so aussteuern, daß sein Widerstand allmählich abnimmt, der Transistor also langsam öffnet. Während dieses langsamen Öffnens des Transistors 8 ist aber die Verlustleistung sehr groß, so daß, wie bereits oben ausgeführt wurde, der Transistor zweckmäßigerweise nur als Schalt-

transistor verwendet wird, d. h. also, daß er nicht kontinuierlich ausgesteuert wird, sondern schlagartig öffnet oder schließt. Der Transistor 8 bleibt dabei so lange geschlossen, bis die Spannung am Widerstand 6 einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet; erst dann öffnet der Transistor, und zwar vollständig, so daß er praktisch dem Strom keinen Widerstand mehr entgegensetzt. Die Schaltung wird nun vorteilhaft so ausgelegt, daß die ίο Mindestspannung, bei der der Transistor 8 öffnet, erst dann an dem Widerstand 6 entsteht, wenn der Strom durch den Widerstand die Größe des Sättigungsstromes erreicht hat. Nun wird aber die Sättigung naturgemäß um so später erreicht, je weiter der Punkt α auf der Magnetisierungsschleife nach links, d. h. also ins negative Gebiet, verschoben ist.

Fig. 2 b zeigt den zeitlichen Verlauf des Spannungsabfalls VI am Widerstand 6 im Vergleich zu der Spannung IV der Spannungsquelle 4. Man erkennt, daß während der negativen Halbwelle der Spannung IV der Spannungsabfall VI auf einen durch den Steuerstrom i_st des Transistors 1 bestimmten Höchstwert begrenzt ist. Nach Ablauf der negativen Halbwelle ist also der Eisenkern der Drossel 3 nicht über den Punkt α hinaus ummagnetisiert. Während der positiven Halbwelle durchläuft sodann die Hysteresisschleife die in Fig. 2 a dargestellte Kurve vom Punkt α über b bis c. Während dieser Zeit steigt der Spannungsabfall nur geringfügig an. Im Punkt c ist die Sättigung erreicht, so daß der Spannungsabfall am Widerstand 6 schlagartig die Größe der Spannung IV erreicht. Während der nun folgenden Zeit bis zum Ende der positiven Halbwelle, d. h. also in dem gestrichelten Bereich, ist der Spannungsabfall am Widerstand 6 so groß, daß der Transistor 8 ständig geöffnet ist.

Die Einstellung der Lage des Punktes α auf der Magnetisierungsschleife und damit des Zündzeitpunktes erfolgt durch entsprechende Aussteuerung des Transistors 1. In der negativen Halbwelle der Spannungsquelle 4 ist der Gleichrichter 2 geschlossen, so daß der gesamte Strom über den Transistor ι fließen muß und somit durch den an den Klemmen A und B zugeführten Steuerstrom i_st so begrenzt werden kann, daß er beispielsweise die in Fig. 2 a dargestellte Größe des Punktes α nicht überschreiten kann.

Damit der Schalttransistor 8 nicht durch einen übermäßig großen Steuerstrom beschädigt wird, kann es vorteilhaft sein, die Sinuswellenabschnitte der Fig. 2 b in Trapeze umzuformen, wie sie Fig. 2 c zeigt. Dies kann durch einen dem Widerstand 6 parallel geschalteten Schwellwertgleichrichter 7 erreicht werden, der für die überschießende Spannung einen Kurzschluß bildet. Damit in diesem Fall die Spannungsquelle 4 nicht überlastet wird, kann ein zusätzlicher Widerstand 5 vorgesehen sein.

Um die Zündung des Entladungsgefäßes zu erreichen, ist an sich eine kurze Spannungsspitze geeigneter Größe und Zeitdauer nötig. Diese wird beispielsweise durch den Kondensator 9 geliefert, der während der negativen Halbwelle über Transformator 18 und Gleichrichter 10 aufgeladen wird und sich zu Beginn des öffnens des Schalttransistors 8 im Zeitpunkte (Fig. 2 b und Fig. 2d) über den Steuerstromkreis des Entladungsgefäßes 15 entweder direkt oder über einen Transformator entlädt. Der Kondensator ist so bemessen, daß er seine ganze Ladung während des Zündimpulses an das Entladungsgefäß abgibt. Zur Schonung des Gitters der Entladungsgefäße ist es jedoch unter Umständen zweckmäßig, auch während des Restes der Periode noch eine kleine positive Spannung am Gitter zu belassen. Diese Spannung kann beispielsweise durch den Transformator 12 über den Gleichrichter 14 geliefert werden.

Für den Zündzeitpunkt des Entladungsgefäß es 15 ist also die Größe der Rückmagnetisierung der Drossel 3 maßgebend. Die Steuerung dieser Rückmagnetisierung erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 mit Hilfe des Steuerstromes i_st über den Transistor 1. Statt dessen können im Rahmen der Erfindung auch beliebige andere Steuerungsarten für die Begrenzung der Größe der Rückmagnetisierung der Drossel 3 verwendet werden, beispielsweise in der Art, daß parallel zur Drossel geschaltete Gleichrichter gesteuert werden, daß der Transistor 1 als Kipptransistor ausgebildet ist oder, wie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt, daß die Steuerung in an sich bekannter Weise auf besondere Wicklungen der Drossel einwirkt.

Man erkennt in Fig. 3 wiederum die Spannungsquelle 4 mit dem den Spannungsabfall für die Steuerung des Transistors 8 liefernden Widerstand 6, die Drossel 3 und den Gleichrichter 2, welcher bewirkt, daß nur in der positiven Halbwelle Spannung an der Arbeitsstromwicklung 3_a der Drossel 3 liegt. In der stromlosen Halbwelle ist durch die gleichphasige Hilfsspannung U_v und die entgegenwirkende Steuerspannung U_st in der Steuerwicklung 3& eine Differenzspannung wirksam, die eine Rückmagnetisierung des Drosseleisens längs der Magnetisierungsschleife bis zum Punkt α bewirkt. Auch in diesem Fall kann parallel zum Widerstand 6 ein Schwellwertgleichrichter 7 geschaltet werden.

Wie bereits bei der Beschreibung der in den Figuren dargestellten Beispiele gezeigt wurde, ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Um eine lineare Steuerkennlinie zu erhalten, kann es beispielsweise vorteilhaft sein, die Schaltung so aufzubauen, daß die im Steuerkreis des das Entladungsgefäß steuernden Transistors 8 angeordnete Induktivität 3 statt von einer Spannung mit sinusförmiger Kennlinie von einer Spannung mit rechteckförmiger Kennlinie gespeist wird.

Claims

Patentansprüche:

i. Steuersatz für gas- oder dampfgefüllte Entladungsgefäße mit einem im Steuerkreis des Entladungsgefäßes liegenden, von einer dem Arbeitsstrom des Entladungsgefäßes gleichfre-

quenten Spannung gespeisten und den Zündzeitpunkt bestimmenden Schalter in Form eines in Verbindung mit Zeitgliedern steuerbaren Halbleiters, insbesondere Schalttransistors, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verändern des Umschaltzeitpunktes des Halbleiterschalters im Steuerkreis des Halbleiterschalters in an sich bekannter Weise eine Wechselspannungsquelle, eine sättigbare Ventildrossel mit parallelogrammförmiger Magnetisierungsschleife und ein ohmscher Widerstand angeordnet sind und der Umschaltzeitpunkt in an sich bekannter Weise durch Ändern der Spannungszeitfläche der Ventildrossel erfolgt.
2. Steuersatz nach Anspruch i, dadurch g&- kennzeichnet, daß die S teuer spannung des Halbleiters in an sich bekannter Weise als Spannungsabfall an einem in Reihe zur Induktivität geschalteten Widerstand (6) abnehmbar ist.
3. Steuersatz nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in Reihe zur Induktivität geschaltete Widerstand (6) ein steuerbarer Halbleiterwiderstand, vorzugsweise Transistor, ist.
4. Steuersatz nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Widerstand (6) ein Gleichrichter geschaltet ist, dessen Schwellwert den Spannungsabfall am Widerstand begrenzt.
5. Steuersatz nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Rückmagnetisierung der Induktivität (3) durch einen weiteren Transistor (1) steuerbar ist.
6. Steuersatz nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Rückmagnetisierung der Induktivität (3) in an sich bekannter Weise durch eine gesonderte Steuerwicklung (3 b) der Induktivität steuerbar ist.
7. Steuersatz nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuerkreis des Entladungsgefäßes ein Kondensator (9) angeordnet ist, dessen Entladung bei Beginn des das Entladungsgefäß einschaltenden Impulses diesem Impuls eine Spannungsspitze zuschaltet.
8. Steuersatz nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung einer vollständigen Entladung des Kondensators (9) eine zusätzliche Spannungsquelle (18) an den Kondensator angeschlossen ist.
9. Steuersatz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Spannungsquelle (18) über einen Gleichrichter (10) an den Kondensator angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 676 128, 673 599, 693096, 625974, 725547, 635225, 624433, 471;

deutsche Patentanmeldungen N 889 VIIIb/21 d² (bekanntgemacht am 4. 10. 1951), S 23002 VIIIb/2id² (bekanntgemacht am 7.5.1953);

»AEG-Mitteilungen«, 41, 1951, H. 9/10, S. 213;

»AJEE-Transactions«, 1951, S. 1214 bis 1222, März 1955, S. in bis 121;

»Instruments a. Automation«, 1954, H. 8, S. 1296/97.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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