DE1133026B - Schalteinrichtung zur Umkehrung der Polaritaet einer Gleichspannung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

KL.21d² 12/04

INTERNATIONALE KL.

H 02 m; η

W17566VIIIb/21d²

ANMELDETAG: 29. SEPTEMBER 1955

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 12. JULI 1962

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schalteinrichtung zur periodischen oder gelegentlichen Umkehrung der Polarität einer Gleichspannung an den Klemmen einer Last. Zu diesem Zweck sind mechanische Einrichtungen bekannt, z. B. zweipolige Umschalter. Bei 5 großen Lastströmen stellen sich hierbei starke Lichtbögen ein, die einen beträchtlichen Kontaktabbrand zur Folge haben. Dadurch wird die Lebensdauer der Schalter herabgesetzt. Darüber hinaus können unter ungünstigen Betriebsbedingungen in der den Schalter umgebenden Atmosphäre Explosionen hervorgerufen werden.

Zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine rechteckförmige Wechselspannung sind ferner auch vibrierende Stromunterbrecher bekannt. Solche Gerate, sogenannte Zerhacker, haben in Verbindung mit Thermokreuzen in Temperaturregelkreisen ausgedehnte Anwendung gefunden, wo es sich darum handelt, ein verstärktes Signal zu erzeugen, welches der Größe der vom Thermokreuz abgegebenen Gleichspannnung proportional ist. Die verhältnismäßig hohe Umschaltfrequenz der mechanischen Zerhacker (ζ. Β. 50 Hz) führt infolge der mechanischen Beanspruchungen zu beträchtlichen Erhaltungs- und Ersatzaufwendungen. Diese werden bei einer bekannten Anordnung dadurch vermieden, daß die umzurichtende Gleichspannung an die Diagonale einer Brückenschaltung von vier gittergesteuerten Entladungsgefäßen angelegt und an der anderen Diagonale die Last angeschlossen wird. Die vier Entladungsgefäße werden so gesteuert, daß abwechselnd zwei Gefäße leitend sind, die in zwei einander gegenüberliegenden Zweigen angeordnet sind. Die Gitterspannungen für die einzelnen Entladungsgefäße werden einer Steuerspannungsquelle über einen Transformator mit vier Sekundärwicklungen entnommen.

Die Erfindung befaßt sich mit einer vorteilhaften Verbesserung an einer Schalteinrichtung zur Umkehrung der Polarität einer Gleichspannung, die an eine Diagonale einer Brückenschaltung von steuerbaren Schaltelementen angelegt ist, in deren anderen Diagonale die Last liegt, unter Verwendung einer Steuerspannungsquelle zur Steuerung der Schaltelemente. Gemäß der Erfindung sind als steuerbare Schaltelemente zueinander komplementäre Transistoren, beispielsweise vom Typ npn und pnp, verwendet. Auf diese Weise ergeben sich gegenüber der bekannten Brückenschaltung mit Entladungsgefäßen wesentliche Vereinfachungen in der Schaltung der Steuerstromkreise. Die Vereinfachungen sind dadurch bedingt, daß die beiden, an den jeweiligen Klemmen von zueinander komplementären Transistoren anzu-Schalteinrichtung zur Umkehrung
der Polarität einer Gleichspannung

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. Oktober 1954 (Nr. 465 322)

Richard L. Bright, Adamsburg, Pa.,

und George H. Royer, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.),

sind als Erfinder genannt worden

legenden Steuerspannungen gleiche Polarität haben können.

Als Steuerspannungsquelle dient zweckmäßig ein Rechteckwellengenerator. Dieser Rechteckwellengenerator kann z. B. ein gesteuerter Multivibrator sein, der imstande ist, die Transistoren in kürzester Zeit aus dem geöffneten in den geschlossenen Zustand und umgekehrt auszusteuern.

Handelt es sich um einen Wechselrichterbetrieb, so können die Steuerspannungen aus einer einzigen Quelle entnommen werden, so daß sie gleiche Frequenz besitzen und entweder in Phase oder in Gegenphase sind. Hierbei kann die Steuerspannung in bekannter Weise über einen Transformator zugeführt werden. Dieser Transformator soll bis in das Gebiet der Tonfrequenz einen möglichst geradlinigen Frequenzgang aufweisen, damit die Rechteckwelle mit genügender Treue übertragen werden kann. Die Steuerspannungen werden den einzelnen Schalttransistoren so zugeführt, daß ein Paar der gegenüberliegenden Brückenzweige jeweils geöffnet, das andere Paar geschlossen ist.

Bei Verwendung mindestens einer Steuerspannungsquelle mit konstanter Spannung ist in vorteilhafter Weise ein Umschaltermit in den Steuerstromkreisen der Transistoren angeordneten weiteren Schaltelementen vorhanden. Auf diese Weise kann ein Transformator

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dann den Maximalstrom durchlassen, wenn seine Basis gegenüber den Nachbarelektroden positives Potential führt. Macht man die Polarität der Spannungsquelle, zwischen Basis und Nachbarelektrode umkehr-5 bar, so kann man die beiden beschriebenen Zustände des Transistors, nämlich Öffnung und Schließung, unmittelbar aufeinanderfolgen lassen, so daß die dazwischenliegende Kennlinie sehr rasch überstrichen wird. Derartige als Schalter wirkende Transistoren

entfallen. Der Steuerstromteil wird dadurch kleiner im Aufbau und im Gewicht. Weiter kann die Schaltanordnung ohne Transformator nicht nur für eine periodische Umkehrung der Polarität einer Gleichspannung, sondern auch für die gelegentliche Umpolung verwendet werden, z. B., wenn die Last von dem Anker eines Gleichstrommotors gebildet wird. Die Schaltanordnung hat lediglich solche bewegliche Teile, die einen nur sehr kleinen Strom führen.

Die in den Steuerstromkreisen angeordneten weite- io werden als Schalttransistoren bezeichnet, ren Schaltelemente sind vorteilhaft zueinander korn- Die Gleichspannungsquelle 201 bzw. 308, 310,

plementäre Transistoren, die von einer Hilfsspan- deren Polarität der Spannung umgepolt werden soll, nungsquelle mit umkehrbarer Polarität derart gesteu- ist in der Zeichnung als Batterie dargestellt; sie kann ert werden, daß sie die Öffnungssteuerspannung für aber auch ein Thermokreuz oder irgendeine andere gegenüberliegende Brückentransistoren abwechselnd 15 geeignete Potentialpuelle mit konstanter Spannung sperren und freigeben. Dadurch werden auch in den sein. Ferner ist es möglich, die Gleichspannung mit-Steuerstromkreisen mechanische Kontakte vermieden. tels Gleichrichter aus einem Wechselspannungsnetz Die Umpolung der Transistoren erfolgt schlagartig, so zu beziehen. Die Last 202 bzw. 302 kann z. B. der daß der Steuerkreis nie offen ist. Da die Quelle mit Eingangskreis eines Wechselstromverstärkers sein, der Last dauernd in Verbindung steht und Lichtbogen 20 wenn die Quelle ein Thermokreuz ist. Die Quelle 201 nicht auftreten können, sind große Lastströme auch ist zwischen den Brückenpunkten 239 und 243 bzw. in explosionsgefährdeten Räumen gefahrlos schaltbar.
Diese Tatsache erschließt der Schalteinrichtung gemäß der Erfindung eine ganze Reihe von Anwendungsgebieten. 25

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand schematischer Zeichnungen. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels, das insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn die Polari- 30 tätsumkehrungen nur in unregelmäßigen Intervallen erforderlich sind, und

Fig. 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels für
denselben Zweck, wobei mechanische Kontakte völlig
vermieden sind. 35 Polarität der Lastspannung herbeiführt.

Bei einer Schalteinrichtung zur Umkehrung der Die Transistoren 211 und 219 sind als pnp- und

die Transistoren 204 und 227 als npn-Typ abgebildet. Die Emitter der Transistoren 204 und 227 sind mit der Klemme 243 der Spannungsquelle verbunden, und die Last. Die Schaltelemente werden von einer Steuer- 40 ihre Kollektoren mit den Klemmen 237 bzw. 241 der Spannungsquelle gesteuert. Gemäß der Erfindung sind Last, die Emitter und Kollektoren der Transistoren 211 als steuerbare Schaltelemente zueinander komplemen- und 219 sind mit den Brückeneckpunkten 237, 239 täre Transistoren, beispielsweise Transistoren 204 und und 241 verbunden.

227 bzw. 304, 327 vom Typ npn sowie Transistoren Die Steuerspannungen für die Transistoren 204 und

211 und 219 bzw. 311, 319 vom Typ pnp verwendet. 45 227 werden Batterien 279 bzw. 281 entnommen, die Als Transistoren kommen vorwiegend Flächentran- Steuerspannungen für die Transistoren 211 und 219 sistoren in Frage. Schließt man an Emitter und KoI- Batterien 283 bzw. 285. Um die Stromunterbrechung lektor eines Flächentransistors eine richtig polarisierte zu gewährleisten, müssen die Spannungen der Batte-Spannungsquelle an, so bildet sich in einem Teil der rien 281 und 285 genügend groß sein, da die Basis-Basiszone in unmittelbarer Nähe der benachbarten 50 elektroden der npn- und der pnp-Transistoren ein Elektroden eine Raumladung aus. Diese Raumladung positives bzw. negatives Potential gegenüber ihren durch das Kontaktpotential zu neutralisieren, das nor- übrigen Elektroden aufweisen müssen. Die Spannung malerweise am Übergang von der p-leitenden zur der Batterien 279 und 283 muß nur zur Aussteuerung η-leitenden Zone besteht. Wird diese Raumladung der Transistoren bis zum maximalen Durchlaßstrom aufgehoben, so wird die Stromleitung zwischen Emit- 55 ausreichen.

ter und Kollektor fast völlig unterbrochen, da sich das Sämtliche Verbindungsleitungen zwischen den Bat-

Kontaktpotential dem Potential der Basiszone über- teriepolen und den Basiselektroden sind über Konlagert und eine äußerst wirksame Sperre für den takte des Steuerrelais 274 geführt, dessen Erreger-Stromfluß bildet. Bei einem pnp-Transistor kann die spule 272 aus der Gleichstromqueue 276 erregt wer-Raumladung dadurch aufgehoben werden, daß zwi- 60 den kann, indem man den Schalter 273 schließt. Im sehen Basis und Emitter eine Spannungquelle geschal- abgefallenen Zustand sind die Relaiskontakte 277 a, tet und ihr positiver Pol mit der Basis verbunden wird. 277 c, 277 e und 277 g geschlossen, im erregten Zu-Der Maximalstrom eines pnp-Flächentransistors stand die Kontakte 277 b, 277 d, 277 f und 277 h. Die kann dadurch erzielt werden, daß man zwischen die Batterien 279 und 281 sind in Reihe geschaltet, und Basis und eine der benachbarten Elektroden eine 65 ihr Verbindungspunkt ist mit dem Brückeneckpunkt Potentialquelle anschließt, die so gepolt ist, daß die 243 verbunden. Die Basiselektroden der Transistoren Basis gegenüber beiden Nachbarelektroden negatives 204, 227 sind mit dem positiven Pol der Batterie 279 Potential hat. Analog kann ein npn-Flächentransistor über die Kontakte 277 b bzw. 277 c und mit dem nega-

zwischen 339 und 343 angeschlossen, so daß der Punkt 239 gegenüber den Punkt 243 positives Potential führt.

Vorteilhaft ist bei Verwendung mindestens einer Steuerspannungsquelle mit konstanter Spannung ein Umschalter mit in den Steuerstromkreisen der Transistoren angeordneten weiteren Schaltelementen vorhanden.

Wie die Fig. 1 zeigt, hat der Umschalter zweckmäßig zwangläufig gekuppelte Umschaltkontakte 277 a ... 277 h, die mit einem Steuerrelais 274 verbunden sind, in der Weise, daß die Ruhestellung des Relais die eine, die Arbeitsstellung die entgegengesetzte

Polarität einer Gleichspannung, die an eine Diagonale einer Brückenschaltung 203 von steuerbaren Schaltelementen angelegt ist, liegt in der anderen Diagonale

tiven Pol der Batterie 281 über die Kontakte 277« bzw. 277 d verbunden. In ähnlicher Weise sind die Batterien 283 und 285 in Reihe geschaltet und ihr Verbindungspunkt mit dem anderen Brückeneckpunkt 239 verbunden. Die Basiselektroden der Transistoren 211 und 219 sind mit dem positiven Pol der Batterie 285 über die Kontakte 277 Λ bzw. 277 e und mit dem negativen Pol der Batterie 283 über die Kontakte 277 g bzw. 277/ verbunden. Wenn das Relais 274 nicht erregt ist, sind die Transistoren 227 und 211 leitend, die Transistoren 204 und 219 gesperrt. Daher ist der negative Pol 243 der Spannungsquelle mit der Klemme 241 der Last verbunden, der positive Pol 239 mit der Klemme 237 der Last. Wird das Relais 274 erregt, so werden die Transistoren 204 und 219 leitend, die Transistoren 227 und 211 gesperrt. Die Polarität der Spannung an der Last kehrt sich dementsprechend um.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, welches dem der Fig. 1 ähnlich ist und auch für denselben Anwendungsbereich gilt. In der Fig. 2 ist jedoch jeder mechanische Kontakt vermieden. Bezugszahlen, bei denen die letzten beiden Ziffern mit denen der Bezugszahlen in Fig. 1 übereinstimmen, bezeichnen entsprechende Schaltelemente.

Nach diesem Ausführungsbeispiel sind die in den Steuerstromkreisen angeordneten weiteren Schaltelemente in vorteilhafter Weise als zueinander komplementäre Transistoren 326, 334 und 346, 356 ausgeführt, die von einer Hilfsspannungsquelle mit umkehrbarer Polarität derart gesteuert werden, daß sie die Öffnungssteuerspannungen für gegenüberliegende Brückentransistoren abwechselnd sperren und freigeben. Es sind ein Paar pnp-Flächentransistoren 326 und 356 sowie ein Paar npn-Transistoren 334 und 346 verwendet, wobei die Basiselektroden 330 und 338 der Transistoren 326 bzw. 334 mit der Klemme 368 und die Basiselektroden 360 und 350 der Transistoren 356 und 346 mit der Klemme 366 verbunden sind. Die Klemmen 366 und 368 können an eine beliebige Hilfsspannungsquelle 371 mit umkehrbarer Polarität angeschlossen werden, wie sie an sich bekannt und in der Fig. 2 nur angedeutet ist. Mehrere Steuerspannungsquellen 306, 308, 310 und 312, z. B. Batterien, sind in der vorgenannten Reihenfolge in Serie geschaltet. Der positive Pol der Batterie 306 und der negative Pol der Batterie 308 sind an die Klemme 343 der Brücke 303 angeschlossen, wobei die Klemme noch mit den Emittern von npn-Flächentransistoren 304 und 327 verbunden ist, wie bereits bei Fig. 1 beschrieben. In analoger Art ist der Brükkeneckpunkt 339 mit dem positiven Pol der Batterie 310 und dem negativen Pol der Batterie 312 verbunden. Die Emitter 332, 336, 352 und 358 der Transistoren 326, 334, 346 und 356 sind alle miteinander und mit dem positiven Pol der Batterie 308 verbunden. Der Kollektor 362 des Transistors 356 ist mit der Basis des Transistors 327 über einen Widerstand 364, der Kollektor 328 des Transistors 326 mit der Basis der Transistors 304 über einen Widerstand 324 verbunden. Ferner ist die Basis des Transistors 304 an den negativen Pol der Batterie 306 über den Widerstand 318, die Basis des Transistors 327 gleichfalls an den negativen Pol der Batterie 306 über den Widerstand 320 angeschlossen. Der Kollektor 348 des Transistors 346 ist mit der Basis des Transistors 319 über den Widerstand 344, der Kollektor 340 des Transistors 334 mit der Basis des Transistors 311 über den Widerstand 342 verbunden. Ferner ist die Basis des Transistors 311 an den positiven Pol der Batterie 312 über den Widerstand 316, die Basis des Transistors 319 gleichfalls an den positiven Pol der Batterie 312 über den Widerstand 314 angeschlossen. Wie bereits in Fig. 1 beschrieben, sind die Kollektoren der Transistoren 304 und 311 mit dem Brückeneckpunkt 337 und einer Klemme der Last verbunden, die Kollektoren der Transistoren 327 und 319 mit dem Brükkeneckpunkt 341 und der anderen Klemme der Last.

Ist die Klemme 368 positiv gegenüber der Klemme 366, dann sind die Transistoren 326 und 346 gesperrt, die Transistoren 356 und 334 leitend. Der Transistor 327 ist leitend, da die Basis gegenüber dem Emitter mit Hilfe der Batterie 308 über den Widerstand 364 und den leitenden Transistor 356 positiv vorgespannt ist. Die Basis der Transistors 311 wird gegenüber dessen Emitter mit Hilfe der Batterie 310 über den Transistor 334 negativ vorgespannt, der Transistor 311 ist daher ebenfalls leitend. Die Transistoren 304 und 319 sind gesperrt, und zwar mit Hilfe der Batterien 306 bzw. 312, wobei die Widerstände 318 bzw. 316 die Basiskreise der Transistoren 304 bzw. 319 von den leitenden Transistoren 356 bzw. 334 trennen. Die Klemme 337 der Last ist daher positiv gegenüber der Klemme 341.

Führt man die Klemme 366 positive Steuerspannung gegenüber der Klemme 368, dann sind die Transistoren 326 und 346 leitend und 334 und 356 gesperrt. Die Basis des Transistors 319 wird mit Hilfe der Batterie 310 über die Transistor 346 und den Widerstand 344 negativ vorgespannt, die Basis des Transistors 304 dagegen positiv mit Hilfe der Batterie 308 über den Widerstand 324 und den Transistor 326. Daher sind die Transistoren 319 und 303 leitend. Die Transistoren 327 und 311 werden mit Hilfe der Batterien 306 bzw. 312 gleichzeitig gesperrt. Daher ist die Klemme 341 positiv gegenüber der Klemme 337, so daß sich die umgekehrte Polarität an der Last einstellt. In dieser Halbwelle sind die Basiskreise der Transistoren 311 bzw. 327 von den leitenden Transistoren 346 bzw. 326 mit Hilfe der Widerstände 314 bzw. 320 getrennt.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schalteinrichtung zur Umkehrung der Polarität einer Gleichspannung, die an eine Diagonale einer Brückenschaltung von steuerbaren Schaltelementen angelegt ist, in deren anderen Diagonale die Last liegt, unter Verwendung einer Steuerspannungsquelle zur Steuerung der Schaltelemente, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbare Schaltelemente zueinander komplementäre Transistoren, beispielsweise vom Typnpn (204, 227) und pnp (211, 219), verwendet sind.

2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Rechteckwellengenerator als Steuerspannungsquelle.

3. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mindestens einer Steuerspannungsquelle mit konstanter Spannung ein Umschalter mit in den Steuerstromkreisen der Transistoren angeordneten weiteren Schaltelementen vorhanden ist.

4. Schalteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter zwangläufig

gekuppelte Umschaltkontakte (277 α ... 277 h) hat, die mit einem Steuerrelais (274) verbunden sind, in der Weise, daß die Ruhestellung des Relais die eine, die Arbeitsstellung die entgegengesetzte Polarität der Lastspannung herbeiführt.

5. Schalteinrichtung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Steuerstromkreisen angeordneten weiteren Schaltelemente zueinander komplementäre Transitoren (326, 334 und 346, 356) sind, die von einer Hilfs-Spannungsquelle mit umkehrbarer Polarität derart gesteuert werden, daß sie die Öffnungssteuerspan-

nungen für gegenüberliegende Brückentransistoren abwechselnd sperren und freigeben.

6. Schalteinrichtung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Steuerspannungsqueile gleichzeitig den Laststrom liefert.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 708158;

Elektrotechnik und Maschinenbau, Jahrgang 71 (1954), Heft 15/16, S. 393;

Archiv der elektrischen Übertragung Bd. 7 (1953), S. 317.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 209 619/172 7.