Einleitung: Thyristor-Trigger sind essenzielle Komponenten in thyristorbasierten Leistungselektronikgeräten. Seit der Erfindung des Thyristors im Jahr 1957 haben fast 50 Jahre Forschung und Entwicklung zu einer kontinuierlichen Weiterentwicklung der Thyristor-Trigger geführt, begleitet von steigender Leistungsfähigkeit der Thyristoren und der Verbreitung abgeleiteter Geräte. Obwohl Ingenieuren in der Leistungselektronik heute eine große Auswahl an Thyristor-Triggern zur Verfügung steht, lassen sie sich grob in drei Typen einteilen: analoge, digitale und Mixed-Signal-Trigger. Analoge Thyristor-Trigger können weiter in zwei Hauptgruppen unterteilt werden: sinusförmig und sägezahnförmig synchronisierte Trigger. Sinusförmig synchronisierte Trigger werden aufgrund ihrer strengen Anforderungen an Amplitude und Wellenform des Synchronisationssignals heute seltener eingesetzt, während sägezahnförmig synchronisierte analoge Trigger in modernen thyristorbasierten Leistungselektronikgeräten weit verbreitet sind. Da diese Art von Trigger die Sägezahnwelle durch Laden des Kondensators mit einer Konstantstromquelle erzeugt, werden Kondensator und Ausgangsstrom der Konstantstromquelle im Herstellungsprozess häufig auf feste Werte eingestellt. Sinkt die Frequenz der Synchronisationsspannung, vergrößert sich die Sägezahnwellenbreite und die Ladezeit verlängert sich, was zu einer Erhöhung der Sägezahnwellenamplitude führt. Umgekehrt verringert sich bei steigender Frequenz der Sägezahnwellenbreite und die Ladezeit verkürzt sich, was eine Verringerung der Sägezahnwellenamplitude zur Folge hat. Bei konstanter Phasenverschiebungs-Steuerspannung ändert sich daher der Steuerwinkel des Ausgangstriggerimpulses mit der Frequenz der Synchronisationsspannung. Dies erschwert die Gewährleistung eines stabilen Ausgangssignals und die Anpassung an Änderungen der Synchronisationsspannungsfrequenz. Der in diesem Beitrag vorgestellte neuartige Thyristor-Trigger kann diese Nachteile überwinden. 1. Schlüssel zur Implementierung adaptiver Trigger mit großem Frequenzbereich: Der Hauptgrund, warum herkömmliche analoge Sägezahn-Synchrontrigger sich nicht an einen großen Bereich von Synchronspannungsfrequenzschwankungen anpassen können, liegt darin, dass diese Trigger Sägezahnwellen durch das Laden eines Kondensators mit einer Konstantstromquelle erzeugen. Ändert sich die Synchronspannungsfrequenz signifikant, ändert sich daher auch die Ladezeit dieses Kondensators erheblich, was zu einer starken Variation der Sägezahnwellenamplitude mit der Frequenz führt. Um sich an einen großen Bereich von Synchronspannungsschwankungen anzupassen, muss die Breite der Sägezahnwelle den Frequenzänderungen der Synchronspannung folgen. Eine konstante Sägezahnwellenamplitude kann auf zwei Arten erreicht werden: Erstens, indem der Ausgangsstrom der Konstantstromquelle konstant gehalten wird, während sich die Kapazität des Kondensators mit der Synchronspannungsfrequenz ändert. Steigt die Synchronspannungsfrequenz, sinkt die Kapazität, und sinkt sie, steigt sie, wodurch eine konstante Spannungsamplitude aufrechterhalten wird. Zweitens wird die Kapazität konstant gehalten, während der Ausgangsstrom der Konstantstromquelle, der den Kondensator lädt, sich mit der Frequenz der Synchronspannung ändert. Steigt die Frequenz der Synchronspannung, steigt auch der Ausgangsstrom der Konstantstromquelle; sinkt sie, sinkt er. In der Praxis ist es äußerst schwierig, einen variablen Kondensator zu realisieren, dessen Kapazität sich kontinuierlich mit der Frequenz der Synchronspannung ändert. Relativ einfach lässt sich hingegen eine Konstantstromquelle konstruieren, deren Ausgangsstrom sich ebenfalls kontinuierlich mit der Frequenz der Synchronspannung ändert. Der in diesem Artikel vorgestellte Thyristor-Trigger mit großem Frequenzbereich basiert auf Letzterem. 2. Schaltplan eines einphasigen Thyristor-Triggers mit großem Frequenzbereich Abbildung 1 zeigt den Schaltplan eines einphasigen Thyristor-Triggers mit großem Frequenzbereich. Wie in Abbildung 1 dargestellt, verwendet der Trigger einen LM324-Vierfach-Operationsverstärker, einen LM331-Frequenz-/Spannungswandler und den integrierten Schaltkreis TCA785 für den einphasigen Thyristor-Trigger. Abbildung 2 zeigt die Betriebssignale der Hauptkomponenten des Triggers. Dessen Funktionsprinzip lässt sich wie folgt analysieren: 2.1 Komparator: Der Operationsverstärker (Einheit A des LM324) in Abbildung 1 dient als Komparator. Er vergleicht die sinusförmige Synchronisationsspannung mit dem Nullpegel und wandelt sie in ein Rechtecksignal mit gleicher Periode um. Nach dieser Verarbeitung wird die Triggerfunktion kaum noch von der Amplitude der Synchronisationsspannung oder Verzerrungen der Sinuswellenform beeinflusst. 2.2 Der LM331 ist ein Standard-Frequenz-/Spannungs- und Spannungs-/Frequenzwandler. Die in Abbildung 1 dargestellte Anwendung ist die eines Frequenz-/Spannungswandlers. Zusammen mit der Einheit B des Operationsverstärkers LM324 bildet er einen hochpräzisen und hochlinearen Frequenz-/Spannungswandler. Diese Schaltung verwendet den Kondensator C1, um das Rechtecksignal des Komparators A in ein Spannungssignal mit überlagerten Differenzspitzen umzuwandeln (um die Auflösung des Frequenz-/Spannungswandlers zu gewährleisten, sollte der Kondensator C1 nicht zu groß sein und mit steigender Frequenz abnehmen). Intern wandelt der LM331 dieses Frequenzsignal in ein zur Frequenz der Synchronisationsspannung proportionales Spannungssignal um und gibt es an Pin 1 aus. Die Ausgangsspannung des Frequenz-/Spannungswandlers ist nicht nur proportional zur Frequenz fT der Synchronisationsspannung, sondern auch zum Widerstand R4 und zum Kondensator C2 in Abbildung 1. Die Wandlungsgenauigkeit dieses Frequenz-/Spannungswandlers hängt vom Wert des Kondensators C2 ab. Bei hohen Frequenzen sollte der Wert des Kondensators C2 entsprechend reduziert werden; andernfalls treten Verzerrungen im Hochfrequenzbereich auf, die die Linearität der Wandlung beeinträchtigen. 2.3 Konstantstromquelle Die D-Einheit des Operationsverstärkers LM324 in Abbildung 1 stellt eine Konstantstromquelle dar. Um die Linearität der Konstantstromquelle im Betrieb zu gewährleisten, sollten die Widerstandswerte der Widerstände R16 und R17 mindestens das Zehnfache der Werte von R14 und R15 betragen. Die Widerstandsabweichung zwischen je zwei Widerständen, R14 und R15 sowie R16 und R17, sollte so gering wie möglich sein. Nur so lässt sich die Linearität der Sägezahnwelle sicherstellen. Gelegentlich weist die während der Fehlersuche gemessene Sägezahnwelle eine konkave Form auf. Dies wird durch eine große Widerstandsdifferenz zwischen den Widerständen R14 und R15 bzw. R16 und R17 verursacht. 2.4 Erzeugung des Triggerimpulses: In Abbildung 1 ist der integrierte Schaltkreis TCA785 für die Erzeugung des Triggerimpulses zuständig. Bei Anschluss von Pin 13 an einen High-Pegel gibt er einen kurzen Impuls aus. Die Impulsbreite wird durch den an Pin 12 angeschlossenen Kondensator Cp bestimmt. Pin 11 ist der Eingang für die Phasenverschiebungsspannung, Pin 5 der Eingang für die Synchronisationsspannung und die Pins 15 und 14 die Ausgänge für den Triggerimpuls, die der negativen bzw. positiven Halbwelle der Synchronisationsspannung entsprechen. Der TCA785 verfügt über eine Konstantstromquelle zum Laden des an Pin 10 angeschlossenen Kondensators. Die Stärke des Ausgangsstroms dieser Konstantstromquelle wird eindeutig durch den an Pin 9 (Masseanschluss, Pin 1) angeschlossenen Widerstand bestimmt. In Abbildung 1 ist Pin 9 potentialfrei, was einem Ausgangsstrom der internen Konstantstromquelle von null entspricht. Daher entsteht durch das Laden des Kondensators CT über die externe Konstantstromquelle eine Sägezahnwelle. Dies ist der raffinierteste Aspekt des Triggers. Diese Sägezahnwelle wird mit der an Pin 11 anliegenden Phasenverschiebungssteuerspannung verglichen, wodurch der Phasenverschiebungstriggerimpuls erzeugt wird. In Abbildung 1 sind C4 und C Entstörkondensatoren, während die Gleichrichterdioden D1 und D2 zur Begrenzung dienen, wenn der TCA785 mit einer Einzelspannungsversorgung betrieben wird. Dies bedeutet, dass die erforderliche Spitzensynchronisationsspannung für den Betrieb des TCA785 mit einer Einzelspannungsversorgung ±0,7 V beträgt. 2.5 Verstärker zur Einstellung der Sägezahnwellenamplitude: In Abbildung 1 bildet die C-Einheit des LM324 einen invertierenden Eingangsverstärker zur Verstärkung der Ausgangsspannung des Frequenz-/Spannungswandlers. Mit dem Potentiometer Rp wird die Eingangsspannung der Konstantstromquelle eingestellt, welche wiederum den Ladestrom zum Kondensator C7 und damit die Amplitude der Sägezahnwelle regelt. Die Hauptbetriebswellenform eines einphasigen Thyristor-Triggers, der sich an einen weiten Frequenzbereich der Synchronisationsspannung anpassen kann, ist in Abbildung 2 dargestellt. 3. Dreiphasiger Thyristor-Trigger, der sich an einen weiten Frequenzbereich anpassen kann. Abbildung 3 zeigt das Schaltbild eines dreiphasigen Thyristor-Triggers, der auf dem in Abbildung 1 dargestellten einphasigen Thyristor-Trigger basiert. Um die Auflösung des Frequenz-/Spannungswandlers zu verbessern, wird in Abbildung 3 ein ODER-Gatter aus C1, C2 und C3 verwendet. Dadurch erhöht sich die Eingangsfrequenz des Frequenz-/Spannungswandlers im Vergleich zu Abbildung 1 um den Faktor 3. Die Schaltungen in den gestrichelten Kästchen in Abbildung 3 entsprechen denen in Abbildung 1. Der integrierte Schaltkreis KJ041, ein 6-Kanal-Doppelimpulsgenerator, wandelt die dreiphasigen 6-Kanal-Einzelimpulse in 6-Kanal-Doppelimpulse mit einer Phasenverschiebung von 60° um. Abbildung 4 zeigt das Betriebssignal des dreiphasigen Thyristor-Triggers aus Abbildung 3. 4. Praktische Anwendung. Der in Abbildung 3 dargestellte Thyristor-Trigger wurde von Shaanxi Gaoke Power Electronics Co., Ltd. in Serie gefertigt und erfolgreich in acht thyristorgesteuerten Gleichrichternetzteilen (je vier Einheiten mit 1000 V/12 kA und 600 V/12 kA) eingesetzt. Diese Netzteile wurden von dem Unternehmen für ein Kernfusionssimulationsgerät (HL-2A Magnetfeld-Netzteil) einer Forschungseinrichtung hergestellt. Das Thyristornetzteil wird von einem Generator mit Schwungrad-Energiespeicher gespeist. Während des Betriebs schwankt die Frequenz der Wechselspannung des Generators aufgrund der abnehmenden Energie im Schwungrad zwischen 80 und 120 Hz. Die Verbraucherlast erfordert jedoch, dass die Gleichspannung am Ausgang bei konstantem Steuersignal unabhängig von der Frequenz der Eingangswechselspannung ist. Daher werden hohe Anforderungen an die Frequenznachführung des Triggers gestellt. Die Abbildungen 5 bis 7 zeigen den Zusammenhang zwischen der Synchronisationsspannung (oben), der Synchronisationssägezahnwelle (Mitte) und dem Ausgangstriggerimpuls (unten) bei Synchronisationsspannungsfrequenzen von 50 Hz, 80 Hz und 100 Hz und gleicher Phasenverschiebungs-Steuerspannung Vk. Aus den Abbildungen 5 bis 7 ist deutlich ersichtlich, dass die Amplitude der Synchronisationssägezahnwelle (9,7 V) und der Triggerwinkel bei einer Änderung der Synchronisationsspannungsfrequenz über einen weiten Bereich von 50 Hz bis 100 Hz stets konstant bei 90° relativ zur Mittelstellung der Synchronisationssägezahnwelle bleiben. Messungen zufolge bleiben Amplitude und Phase der Triggerwelle bei gleicher Phasenverschiebungs-Steuerspannung unverändert, wenn die Frequenz der Synchronisationseingangsspannung im Bereich von 30 Hz bis 160 Hz variiert. Das System ist somit in der Lage, einen weiten Bereich von Synchronisationsspannungsfrequenzänderungen zu verarbeiten. Es sollte außerdem erwähnt werden, dass aufgrund des gleichzeitigen Betriebs von über zwanzig großen Gleichstromversorgungen am Einsatzort die magnetischen und elektrischen Feldstörungen extrem hoch sind. Die Störfestigkeit des Triggers wurde daher ebenfalls getestet. [align=center] [/align] 5 Schlussfolgerung 1) Der Schlüssel zur Anpassung des mit der Sägezahnwelle synchronisierten Thyristor-Triggers an einen weiten Bereich von Synchronspannungsfrequenzschwankungen liegt darin, sicherzustellen, dass die Frequenz der synchronen Sägezahnwelle der Synchronspannungsfrequenz folgt, während ihre Amplitude konstant bleibt. 2) Kern der Realisierung einer Sägezahnwelle mit variabler Frequenz und konstanter Amplitude ist der Aufbau eines Frequenz-/Spannungswandlers mit exzellenter Linearität. Der Ausgang dieses Frequenz-/Spannungswandlers bildet eine hochpräzise Konstantstromquelle zum linearen Laden des Kondensators. 3) Der TCA785 ist ein dedizierter integrierter Schaltkreis zur Triggerimpulsgenerierung. Es kann seine interne Konstantstromquelle zum Laden eines externen Kondensators nutzen oder den Strom seiner internen Konstantstromquelle auf null setzen und eine externe Konstantstromquelle zum Laden eines externen Kondensators verwenden, um eine Sägezahnwelle zu erzeugen. Dies bildet eine solide Grundlage für den Einsatz des TCA785 zum Aufbau eines Thyristor-Triggers, der sich an einen breiten Frequenzbereich anpassen lässt. 4) Theoretische Analysen und experimentelle Überprüfungen haben die Machbarkeit, Praktikabilität und Robustheit des in diesem Beitrag vorgestellten Triggers bewiesen. Seine Anwendungsmöglichkeiten sind sehr vielfältig und bedürfen keiner weiteren Erläuterung. Dieser Artikel ist ein Auszug aus dem „Electronic Inquiry Network“.