Kommutierung

Übertragen wir diese Erkenntnisse auf eine Spule in der Elektrotechnik. Die Spule ist das Wasserrad. Die Trägheit entspricht der Induktivität der Spule. Die Fließgeschwindigkeit des Wassers entspricht dem Strom. Die Steigung des Wassers entspricht der Spannung. Der Strom in der Spule steigt an, wenn eine positive Spannung angelegt wird. Er steigt umso schneller an, je größer die Spannung ist. Der Strom sinkt, wenn die Spannung an der Spule negativ ist.

Der Strom durch eine Spule kann nicht einfach angehalten oder abgeschaltet werden, denn die Spule weist eine Trägheit oder einen Schwung auf, der den Strom weitertreibt. Der Strom in einer Spule ändert sich immer nur stetig, er kann nicht springen. Stellen Sie sich bei einer Spule in einer Schaltung vor, dass Ladung von einem trägen Schaufelrad bewegt wird. Das Rad wird durch Spannung in Richtung des Stromflusses schneller und durch Spannung entgegen dem Stromfluss langsamer.

Stromabriss an einer Spule

Sie können ein drehendes Schwungrad nicht plötzlich anhalten, das braucht Zeit. Wenn in einer Spule Strom fließt, dann kann der Strom auch nicht plötzlich aufhören zu fließen. Nehmen wir an, dass der Strom, der durch eine Spule fließt, auch durch einen geschlossenen Schalter fließt. Was passiert, wenn dieser Schalter geöffnet wird?

Wenn es keinen Pfad gibt, über den der Strom weiterfließen kann, dann wird irgendetwas in der Schaltung kaputtgehen. Wahrscheinlich wird der Schalter sterben. Das Schwungrad überrollt den Schalter einfach. Auf die Elektrotechnik bezogen passiert folgendes:

Die Spannung an der Spule wird theoretisch unendlich groß. In der Praxis wird sie größer als die Sperrspannung des Transistors. Dadurch wird der Transistor zerstört und der Strom fließt anschließend weiter über den zerstörten (und dadurch wieder leitfähigen) Transistor.

Wenn es einen Pfad gibt, über den der Strom weiter fließen kann, dann nimmt die Spule irgendeine Spannung an, die dafür notwendig ist. Kann der Strom über eine Diode weiterfließen, nimmt die Spulenspannung deren Flussspannung an, so dass die Diode als Schalter schließt. Könnte der Strom in einen Kondensator fließen, nimmt die Spulenspannung den Wert an, der in der Masche dafür notwendig ist.

Wenn also Strom in der Spule vorhanden ist und der Schalter öffnet, dann sollten Sie immer einen alternativen Weg für den Strom bereitstellen. Üblicherweise führt dieser alternative Weg über einen zweiten Schalter, sonst wäre der Strom ja von vorne herein über den alternativen Weg geflossen. Diesen zweiten Schalter müssen Sie schließen, wenn der erste Schalter geöffnet wird. Im Falle einer Diode als zweiten Schalter sorgt die Spule dafür, dass die Diode leitfähig wird. Sie drückt ihren Strom durch die Diode, und an der Diode fällt die Flussspannung ab. Im Falle eines Transistors oder IGBTs müssen Sie dies über die Ansteuerung erledigen.

Die Übergabe des Stroms von einem Schalter zum anderen bezeichnen wir als „Kommutierung“. Während der Kommutierung sinkt der Strom in einem Schalter, während er im anderen Schalter ansteigt. Das geschieht so lange, bis der gesamte Strom den Schalter gewechselt hat. Dieser Vorgang dauert einige Zeit, je nach Schaltertyp zwischen 10ns und 10µs.

Beispiel-Schaltung

Unser Ziel ist die Beschreibung von Spannung und Strom an Schaltern in realen Applikationen. Dafür betrachten wir ein Beispiel, in dem Strom von einem Schalter auf einen anderen Schalter kommutiert. Dafür brauchen wir eine Spule, die den Strom während des Schaltens konstant hält.

Wir schließen zuerst Schalter 1 und öffnen Schalter 2. Den Zustand halten wir über die Zeit t = 1ms. Aus der Maschengleichung ermitteln wir die Spulenspannung. Daraus können wir dann erkennen, wie sich der Strom verhält. Es gilt:

Weil die Spulenspannung positiv ist, steigt der Strom an. Der Strom fließt über Schalter 1, die Spule und die beiden Quellen.

Jetzt kommutieren wir den Strom auf Schalter 2. Dafür öffnen wir Schalter 1 und schließen Schalter 2. Der Strom in der Spule ist stetig, er fließt also weiter von links nach rechts. Diesen Zustand halten wir wieder 1 ms lang.

Die Spulenspannung ist von der Schalterstellung abhängig. Ihr Vorzeichen bestimmt, ob der Strom steigt oder sinkt. Die Höhe der Spannung gibt vor, wie schnell sich der Strom ändert.

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