DE1219977B

DE1219977B - Elektronische Schaltvorrichtung zum schnellen Abschalten und Wiedereinschalten von stromdurchflossenen Induktivitaeten

Info

Publication number: DE1219977B
Application number: DEP35915A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Peter Blume
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1965-01-21
Filing date: 1965-01-21
Publication date: 1966-06-30
Also published as: BE675401A; SE324619B; DK118032B; JPS426618B1; FR1465050A; GB1091900A; US3467894A; NL6600599A; CH449741A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al-36/18

Nummer: 1219 977

Aktenzeichen: P 35915 VIII a/21 al

Anmeldetag: 21. Januar 1965

Auslegetag: 30. Juni 1966

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltvorrichtung zum schnellen Abschalten und Wiedereinschalten von stromdurchflossenen Induktivitäten, z. B. für Elektromagnete. Ein Elektromagnet soll durch einen konstanten Strom bei niedriger Spannung und Leistung dauererregt werden. Während kurzer periodischer Zeitintervalle von z. B. 1 bis 2 Millisekunden Dauer soll der Magnet abgeschaltet und kurz darauf wieder eingeschaltet werden. Ein- und Abschaltzeit haben dabei möglichst klein zu sein gegenüber der Pausenzeit, d. h. je nach Induktivität nicht mehr als 50 bis 200 μβ betragen.

Das bedingt sehr hohe Schaltleistungen für den elektronischen Schaltverstärker, da bekanntlich bei sinusförmigem Verlauf von Strom und Spannung

ts =

nW,

gilt, wobei t_s die Schaltdauer, W_s die zuzuführende bzw. abzuführende Energie und N die maximale Schaltleistung des elektronischen Schalters darstellt.

Es sind bereits Schaltungen bekannt, die das schnelle Ein- und Ausschalten von Induktivitäten betreffen. Merkmal dieser Schaltungen ist, daß die magnetische Energie der Spule bei jedem Schaltvorgang in ohmschen Widerständen vernichtet wird. Außerdem sind große Spannungen erforderlich, um kurze Schaltzeiten zu erreichen. Die Schaltvorrichtung nach der Erfindung hat demgegenüber durch die Rückgewinnung der Energie den Vorteil wesentlich geringerer Verlustleistungen, und sie ist dadurch gekennzeichnet, daß der Induktivität über Dioden ein Kondensator parallel geschaltet und mindestens der aus der nicht unmittelbar hinter dem Schalter liegenden Diode und dem Kondensator bestehende Teilzweig der Parallelschaltung von einer gesteuerten Diode überbrückt ist. Die neue elektronische Schaltvorrichtung zeichnet sich ferner durch besonders niedrige Ausschalt- und Einschaltzeiten aus. Für den Netzanschluß genügt eine Spannungsquelle sehr niedriger Spannung.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele dar. Es zeigt

F i g. 1 die Prinzipschaltung,

F i g. 2 ein Strom- bzw. Spannungszeitdiagramm, F i g. 3 ein komplettes Ausführungsbeispiel.

Aus der Stromquelle E₁ wird über den geschlossenen Schalter Sch ein Dauerstrom in die Wicklung L eines Elektromagnets eingespeist und über die Diode D₂ wieder zur Quelle zurückgeführt. Die Rückgewinnung der Energie erfolgt dadurch, daß die magnetische Elektronische Schaltvorrichtung zum schnellen
Abschalten und Wiedereinschalten von
stromdurchflossenen Induktivitäten

Anmelder:

Philips Patentverwaltung G. m. b. H.,

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Peter Blume, Hamburg-Lurup

Energie der Spule des Elektromagnets in der Erregungspause auf einem Kondensator C zwischengespeichert wird. Über die Dioden D₁ und D₂ ist der Spule L die Kapazität C parallel geschaltet. Ferner sind die Spulenenden und die Kondensatorenden auch über zwei getrennte Dioden 77z 1 und Th 2 brückenähnlich miteinander verbunden. Der Funktionsablauf während eines Schaltvorganges ist nun folgender:

Der Dauerstrom wird durch Öffnen des Schalters Sch abgeschaltet. Der Strom fließt zunächst in dem durch Spule L, Kondensator C und die beiden Dioden D₁, D₂ gebildeten Schwingkreis weiter und lädt den Kondensator C auf. Nach einer Zeit

rr,

— - — VTc

4 2 ^V

erreicht die Spannung am Kondensator C den Maximalwert

U =

Damit ist die magnetische Energie

W = -LJ*.

in elektrische Energie

W = — C U*
2

umgewandelt, und der Strom / in der Spule L ist auf Null gesunken. Durch die Wirkung des Kondensators C ist die Spannung im Abschaltmoment sehr niedrig, so daß der Schalter Sch nahezu spannungslos abschalten kann.

Nach Erreichen der Maximalspannung am Kondensator C tritt eine Ruhepause ein, da die Dioden D₁ und D₂ eine Rückentladung des Kondensators C verhindern. Während der Ruhepause ist die Spule L stromlos und erzeugt damit während dieser Zeit keine Magnetkraft. Der Kondensator C bleibt auf Maximalspannung aufgeladen.

Die Wiedereinschaltung der Spule L erfolgt durch Zündung der gesteuerten Dioden ThI und ThI. Die Spannung

wird durch die gesteuerten Dioden in umgekehrter (Richtung) Polung an die Spule L gelegt. Strom wird in der gleichen Richtung wie der Dauerstrom wieder in der Spule L aufgebaut. Wenn der Kondensator C entladen ist, hat der Strom / wieder einen Maximalwert erreicht, der durch Verluste etwas unterhalb des Dauerstromwertes liegt. Anschließend fällt er nach der Entladung des Kondensators C mit der Zeitkonstante

(Rd = Durchlaßwiderstand der gesteuerten Dioden + Leitungswiderstand) ab.

Schließt der Schalter Sch und wird der Dauerstrom aus der Spannungsquelle E₁ wieder eingespeist, werden die gesteuerten Dioden ThI und ThI gelöscht, und nach Ablauf einer kurzen Zeit ist der Anfangszustand wieder erreicht.

In F i g. 2 ist noch einmal der zeitliche Verlauf von Strom und Spannung dargestellt.

Bis zum Zeitpunkt ^₁ ist der Strom gleich dem Dauerstrom Jd und die Spannung Null. Im Zeitpunkt ^₁ wird der Schalter Sch geöffnet, der Strom sinkt cosinusförmig auf den Wert Null, die Spannung steigt sinusförmig auf den Wert U₀ an. Zum Zeitpunkt i₂ ist der Stromwert Null erreicht. Die Ruhepause liegt zwischen den Zeitpunkten t₂ und t_s. Zum Zeitpunkt t₃ werden die gesteuerten Dioden gezündet. Der Strom steigt sinusförmig an, die Spannung fällt cosinusförmig ab. Zum Zeitpunkt t_t ist die Spannung Null. Vom Zeitpunkt i₄ an fällt der Strom exponentiell ab. Zum Zeitpunkt t_s wird der Schalter Sch geschlossen, und der Strom steigt exponentiell mit der Zeitkonstante

_ L

^X ~ ~R

wieder auf den ursprünglichen Wert des Dauerstroms an. R ist der Widerstand des Dauerstromkreises. Wenn der Zeitpunkt t_s mit /₄ zusammenfällt, benötigt man nur die gesteuerte Diode ThI, der nicht unmittelbar hinter dem Schalter hegt. Nur bei zu großen Energieverlusten in den ohmschen Widerständen und im Eisen dauert der Wiederanstieg des Stroms auf den Nennwert zu lange, so daß zur Nachladung eine zusätzliche SchaltungJV" erforderlich ist (s. Fig. 3). Hierzu muß die nachzuladende Energie auf einem zweiten Konensator C₁ gespeichert sein, der dem ersten Kondensator C über die Diode D₃ parallel geschaltet ist (s. Fig. 3). Die Aufladung des zweiten Kondensators C₁ geschieht in Phase 2 (s. oben). Da die Ladung des ersten Kondensators C nicht abfließen soll, muß die Nachladespannung immer niedriger als die Maximalspannung dieses Kondensators sein.

Die Aufladung des Kondensators C₁ geschieht nun in bekannter Weise durch eine Serienresonanzschaltung. Vor den Kondensator C₁ ist eine Längsinduktivität L₁ und die gesteuerte Diode Th 5 geschaltet. Wenn die gesteuerte Diode gezündet ist, beginnt eine Sinusschwingung; die Spannung C₁ steigt von Null auf den doppelten Wert der Spannung der Batterie .E₂, die die Serienschaltung speist, an. Da sich nach einer Halbperiode der Strom umkehren würde, wird die gesteuerte Diode gelöscht, und die Ladung bleibt auf dem Kondensator C₁ erhalten, bis Kondensator C über die gesteuerten Dioden 77z 1 und Th 2 entladen wird.

Sollen sehr kurze Ein- und Ausschaltzeiten angestrebt werden, dann sind sehr hohe Betriebsspannungen erf orderüch. Dies bedingt den Einsatz von gesteuerten Dioden in allen Schalterfunktionen. Auch für die Aus- und Einschaltung des Dauerstroms ist dann wegen der erforderüchen Spannungsfestigkeit für den Schalter Sch eine gesteuerte Diode 77z 3 einzusetzen.

In der in F i g. 3 angegebenen Schaltung erfolgt die Abschaltung der gesteuerten Diode ThZ in erkannter Weise durch die Einprägung einer negativen Spannung an der Anode. Da nur ein kurzer Spannungsimpuls von etwa 30 bis 50 \μ> Dauer benötigt wird, ist dieser über einen Transformator TrI sehr kleiner Hauptinduktivität eingekoppelt. Die Erzeugung des Spannungsimpulses erfolgt ebenfalls durch eine Schaltung mit gesteuerten Dioden, bestehend aus einem Kondensator C₂, der über die gesteuerte Diode J7z4 auf den Trafo geschaltet wird. Löschung der gesteuerten Diode geschieht zwangläufig. Die Aufladung von C₂ erfolgt aus Spannungsquelle E_s über den Widerstand J?.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronische Schaltvorrichtung zum schnellen Abschalten und Wiedereinschalten von stromdurchflossenen Induktivitäten, z. B. für Elektromagnete, dadurchgekennzeichnet, daß der Induktivität über Dioden ein Kondensator parallel geschaltet und mindestens der aus der nicht unmittelbar hinter dem Schalter liegenden Diode und dem Kondensator bestehende Teilzweig der Parallelschaltung von einer gesteuerten Diode überbrückt ist.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator über eine Diode ein weiterer Kondensator parallel geschaltet ist, der in einer Serienresonanzschaltung liegt und über eine gesteuerte Diode aufladbar ist.

3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur An- und Abschaltung des Stromflusses in der Induktivität eine gesteuerte Diode in Serie mit der einen Wicklung eines Transformators hegt, an dessen andere Wicklung ein über sie kurzschließbarer Ladekondensator angeschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen