Nach dem Verschwinden des Spannungsimpulses wandern die auf- geladenen Partikel in Richtung auf die Platte mit der umge- kehrten Polarität.

Den Grundaufbau eines solchen elektrostatischen Filters zeigt beispielsweise die EP 1 119 912 B1.

Zu den Platten des Filters ist eine Hochspannungsquelle pa- rallel geschaltet. Die zusätzlichen Spannungsimpulse werden mit Hilfe eines Serienschwingkreises erzeugt, der zu dem Fil- ter parallel liegt. Aus elektrischer Sicht bildet das Filter einen Kondensator mit ca. 100 nF. Der Serienschwingkreis ent- hält einen Ladekondensator mit ca. 1 uF, dem seinerseits eine Hochspannungsladeschaltung zugeordnet ist. Sobald der Konden- sator aufgeladen ist, wird er über die Induktivität des Se- rienschwingkreises mit Hilfe eines gesteuerten elektronischen Schalters an das Filter angelegt. Es findet ein Umschwingvor- gang statt, der das Filter auf eine wesentliche höhere Span- nung als die Ruhespannung auflädt. Hierdurch wird die oben erwähnte Koronaentladung erzeugt.

Sobald der Umschwingvorgang abgeschlossen ist, findet über Freilaufdioden ein Rückschwingen der elektrischen Energie statt, das beendet ist, wenn die Spannung an dem Filter gleich der Ruhespannung ist. Der Ladekondensator weist an-

schließend eine Spannung auf, die etwas geringer ist als die Spannung vor dem Beginn des Umschwingvorgangs.

Die elektronischen Schalter, die dazu verwendet werden um für den Umschwingvorgang den Stromkreis zu schießen, müssen eine sehr hohe Spannung aushalten. Wenn hierzu IGBT's verwendet werden, muss eine Vielzahl von IGBT's in Serie geschaltet sein, weil jeder Einzelne keine ausreichende Sperrspannung aufweist.

Hieraus folgen zwei Problemstellungen : Es muss sichergestellt sein, dass alle elektronischen Schal- ter ungefähr gleichzeitig in den leitenden Zustand überwech- seln. Eilt einer der elektronischen Schalter nach, tritt an diesem möglicherweise eine Spannungsüberlastung ein, mit der Folge des Durchschlags, was das elektronische Bauelement un- brauchbar werden lässt. Man ist zwar bemüht, mit Hilfe von Lichtwellenleitern und entsprechenden Treiberschaltungen die- se Fehler zu vermeiden. Allerdings zeigen die elektronischen Bauelemente selbst ein gewisses unterschiedliches zeitliches Schaltverhalten.

Die zweite Schwierigkeit besteht in der Überlastung der Kas- kade aus elektronischen Schaltern, sollte einer der Schalter nicht mehr in den Sperrzustand zurückkehren. Die Gesamtspan- nung muss dann von einer geringeren Anzahl von elektronischen Schaltern aufgenommen werden.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektro- statische Filteranordnung zu schaffen, bei der keine Sperr- spannungsüberlastung der einzelnen elektronischen Schalter in Folge zeitlich unterschiedlichen Schaltverhaltens auftritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Filteranordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine elektrostatische Filteranordnung zu schaffen, bei der der Ausfall eines elekt- ronischen Schalters rechtzeitig erkannt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der elektrostatischen Filteranordnung mit den Merkmalen des Anspruches 2 gelöst.

Bei der neuen elektrostatischen Filteranordnung ist eine Spannungsquelle vorgesehen, die für die Platten des Filters die Grundvorspannung liefert. Die Spannungspeaks zum Aufladen der Partikel im Aerosol werden mit Hilfe einer zweiten Span- nungsquelle erzeugt, die nach Art eines Schaltnetzteils ar- beitet. Aus der Spannungsquelle wird zunächst ein Ladekonden- sator aufgeladen, der über die Kette aus elektronischen Schaltern und eine Induktivität zu dem Filter parallel ge- schaltet wird. Hierdurch wird eine Spannungsüberhöhung er- reicht, die zu einer Koronaentladung führt. Entsprechend der Zeitkonstanten des so gebildeten Parallelschwingkreises lau- fen die Ladungen anschließend über Freilaufdioden, die zu den elektronischen Schaltern parallel liegen, in den Ladekonden- sator zurück.

Um Schaltzeitunterschiede bei den einzelnen elektronischen Schaltern auszugleichen, ist jeder elektronische Schalter mit zugehörigen Mitteln versehen, die abhängig von der Spannung, die an der Hauptstrecke des elektronischen Schalters anlie- gen, den jeweiligen elektronischen Schalter durchsteuern.

Signalübermittlungsfehler oder dergleichen, können unter die- sen Umständen nicht dazu führen, dass ein elektronisches Bau- element zu lange im Sperrzustand bleibt und wegen Überschrei- ten der Sperrspannung durchschlägt.

Diese Mittel sind im einfachsten Falle durch Bauelemente ge- bildet, die Z-Diodencharakteristik aufweisen. Solche Bauele- mente können Z-Dioden oder Avalanche-Dioden sein.

Sollten höhere Leistungen gefordert werden, besteht die Mög- lichkeit die Mittel zum Aufsteuern der elektronischen Schal- ters durch einen Transistor zu bilden, dem ein Bauelement mit Z-Diodencharakteristik zwischen der Steuerelektrode und der einen Hauptelektrode parallel geschaltet ist.

Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung geht es darum, eine spannungsmäßige Überlastung der Kette von elektronischen Schaltern zu vermeiden, falls einer der Schalter versagt hat und er ständig im leitenden Zustand bleibt. Damit würde sich die Gesamtspannung auf weniger elektronische Bauelemente auf- teilen müssen. Es besteht die Gefahr, dass weitere Ausfälle die Sperrspannung an einzelnen elektronischen Schaltern so- weit ansteigen lässt, dass auch diese durchgeschossen werden, mit der Folge eines Kurzschlusses der Spannungsversorgung.

Es ist deswegen bei der Schaltung vorgesehen, bei jedem e- lektronischen Schalter den Schaltzustand zu überwachen. In der übergeordneten Steuerschaltung kann sodann synchronisiert werden, ob die Meldung des Leitend-oder Gesperrtzustandes des betreffenden elektronischen Schalters zu dem Signal passt, das die übergeordnete Steuerschaltung beispielsweise über Lichtwellenleiter an den einzelnen elektronischen Schal- ter übermittelt.

Eine sehr einfache Schaltungsanordnung zum Erfassen des Schaltzustandes besteht in der Überwachung des Spannungsab- falls an dem jeweiligen elektronischen Schalter.

Hierzu kann eine Diode verwendet werden, die mit einer elekt- rischen Stromversorgung in Serie liegt. Der Stromfluss durch die Diode setzt ein, sobald sich der elektronische Schalter im leitenden Zustand befindet, und hört auf, wenn die Sperr- spannung an dem Transistor ein vorgegebenes Maß überschritten hat. Die Schaltschwelle wird festgelegt durch die Leerlauf- spannung der Stromversorgungsquelle.

Um den Strom zu ermitteln ist eine Sensoreinrichtung vorgese- hen. Diese Sensoreinrichtung kann die Klemmenspannung an der elektrischen Energiequelle oder den Spannungsabfall an einem Sensorwiderstand erfassen.

Mit Hilfe eines Schmitt-Triggers wird das Signal ausgewertet und über einen Lichtwellenleiter der übergeordneten Steuer- schaltung vermeldet. Das Signal was dort abgegeben wird ist ein binäres Signal.

In allen Fällen kann zu der Serienschaltung aus Ladekapazität und der Kette von steuerbaren elektronischen Schaltern we- nigstens eine Ladediode parallel geschaltet sein. Sie sorgt dafür, dass beim Laden des Ladekondensators der Stromkreis geschlossen ist.

Das Rückschwingen der elektrischen Energie aus dem Filter ge- schieht vorzugsweise über einzelne Freilaufdioden, die je- weils den elektronischen Schaltern parallel geschaltet sind.

Der elektronische Schalter kann von einem IGBT oder einem GTO gebildet sein.

Eine besonders schnelle Ansteuerung der einzelnen elektroni- schen Schalter ist über Lichtwellenleiter möglich.

Dabei ist zweckmäßigerweise jedem elektronischem Schalter ei- ne Treiberschaltung zugeordnet, die ihre eigene galvanisch getrennte Stromversorgung enthält. Die Stromversorgungsein- richtung kann durch ein Schaltnetzteil gebildet sein.

Im Übrigen sind Weiterbildungen der Erfindung Gegenstand von Unteransprüchen. Bei Studium der Ausführungsbeispiele wird dem Fachmann klar, dass eine Reihe von Abwandlungen möglich sind.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen : Figur 1 das Prinzipschaltbild der elektrostatischen Filter- anordnung.

Figur 2 die Treiberschaltung für einen elektronischen Schalter in einem vereinfachten Blockschaltbild und Figur 3 eine alternative Ausführungsform für die Schutzein- richtung des jeweiligen elektronischen Schalters.

Fig. 1 zeigt in einem stark schematisierten Blockschaltbild eine elektrostatische Filteranordnung 1. Zu der Filteranord- nung 1 gehören eine Hauptspannungsquelle 2, eine Hilfsspan- nungsquelle 3, ein Filter 4, das in dem Schaltbild als Kon- densator wiedergegeben ist, sowie eine Steuer-und Überwa- chungsschaltung 5.

In Serie mit der Hilfsspannungsquelle 3 liegt eine Drossel 6. Zu der Serienschaltung aus der Hilfsspannungsquelle 3 so- wie der Drossel 6 ist eine Kette aus elektronischen Schaltern 7 in Gestalt von IGBTs parallel geschaltet. Die Anzahl der IGBTs 7 ergibt sich aus der erforderlichen Sperrspannung di- vidiert durch die maximal zulässige Sperrspannung für jeden einzelnen IGBT 7.

Zu jedem IGBT 7 liegt eine Freilaufdiode 8 parallel.

Ein Ladekondensator 9 verbindet den Kollektor des obersten IGBT 7 mit der Anode einer Ladediode 10, deren Katode mit dem positiven Anschluss der Hilfsspannungsquelle 3 verbunden ist, an dem auch der Emitter des untersten IGBT 7 aus der Kette von IGBTs angeschaltet ist. Von der Anode der Diode 10 führt eine Drossel 11 zu einem Kondensator 12, der der galvanischen Trennung zwischen der Hauptspannungsquelle 2 und der Hilfs- spannungsquelle 3 dient. Das andere Ende des Trennkondensa-

tors 12 ist mit einem Anschluss des Filters 4 verbunden, des- sen anderer Anschluss mit der Katode der Ladediode 10 verbun- den ist.

Ein Widerstand 13, der zu dem Filter 4 parallel liegt, soll die Verlustströme in dem Filter 4 symbolisieren.

Zu dem Filter 4 liegt schließlich die Parallelschaltung aus der Hauptspannungsquelle 2 und einer Drossel 14 parallel.

Um impulsweise eine höhere Spannung an dem Filter 4 zu erzeu- gen ist die zentrale Steuer-und Überwachungsschaltung 5 vor- gesehen, die über Lichtwellenleiter 15 mit Treiberschaltungen 16 gekoppelt ist, die ausgangsseitig das isolierte Gate der IGBTs 7 ansteuern.

Die insoweit beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt : Mit Hilfe der Hauptspannungsquelle 2 wird an das Filter 4 ei- ne Grundgleichspannung von etwa 30 kV angelegt.

Solange die IGBTs 7 im Sperrzustand bleiben, wird über die Ladediode 10 der Ladekondensator 9 auf die Spannung der Hilfsspannungsquelle 3 aufgeladen, das heißt an ihm liegt ei- ne Spannung von ca. 30 kV an. Die beiden Spannungsquellen 2 und 3 sind, wie das Schaltbild erkennen lässt in Serie ge- schaltet, so dass über den Trennkondensator eine Spannung von ca. 30 kV ansteht.

Um in dem Filter 4 die erforderliche Koronaentladung zu er- zeugen wird von der zentralen Steuer-und Überwachungsschal- tung 5 die Kette aus IGBTs 7 kurzzeitig leitend gesteuert.

Damit die IGBTs 7 möglichst gleichzeitig in den leitenden Zu- stand gelangen und wegen des hohen Spannungspotentials, er- folgt die Ansteuerung über die Lichtwellenleiter 15. In den Treiberschaltungen 16 wird das ankommende optische Signal in

das erforderliche elektrische Signal zum Ansteuern der IGBTs 7 umgesetzt.

Um eine Spannungsüberlastung von einzelnen IGBTs 7 zu vermei- den, müssen die IGBTs 7 gleichzeitig vom Sperrzustand in den leitenden Zustand umschalten. Hierdurch wird vermieden, dass an einem langsamer umschaltenden IGBT 7 eine unzulässig große Sperrspannung ansteht, die den IGBT 7 spannungsmäßig überlas- ten würde. Eine Spannungsüberlastung führt unmittelbar zum durchlegieren des IGBT 7.

Wenn sämtliche IGBTs 7 durchgeschaltet sind, wird der Lade- kondensator 9 über die Speicherdrossel 11 zu dem Filter 4 pa- rallel geschaltet. Die auf dem Kondensator 9, der eine Kapa- zität von ca. 1 uF aufweist, gespeicherte elektrische Energie schwingt über den nunmehr gebildeten Schwingkreis zu dem Fil- ter 4 und lädt das Filter 4 auf eine Spannung von größer 30 KV auf. Die Ladeschlussspannung an dem Filter 4 ergibt sich aus dem Kapazitätsverhältnis des Ladekondensators 9 von 1 uF zu der Kapazität des Filters von ca 100 nF. Der Trennkonden- sator 12 ist so groß gewählt, dass er den Schwingvorgang nicht beinflusst.

Damit bei durchgesteuerten IGBTs 7 die Hilfsspannungsquelle 3 nicht kurzgeschlossen ist, ist die Drossel 6 vorgesehen. Sie soll lediglich dafür sorgen, dass die Stromentnahme aus der Hilfsspannungsquelle 3 nahezu konstant ist. Sinngemäß das gleiche gilt für die Drossel 14, die mit der Hauptspannungs- quelle 2 in Serie liegt. Auch sie hat für den Schwingvorgang zur Spannungserhöhung an dem Filter 4 keine Wirkung.

Sobald die Ladung von dem Ladekondensator 9 vollständig auf das Filter 4 übertragen ist, beginnt ein Rückschwingvorgang.

Dieser Rückschwingvorgang führt zu einem Stromfluss durch die Freilaufdioden 8 und endet, sobald der Ladekondensator 9 wie- der auf den Ursprungswert zu Beginn des Durchschaltens der IGBTs 7 abzüglich dem Verlust in dem Filter 4 aufgeladen ist.

In der Nähe des Stromnulldurchgangs nach der Stromleitung durch die IGBTs 7 werden diese von der zentralen Steuer-und Überwachungsschaltung wieder in dem gesperrten Zustand umge- schaltet, so dass der rücklaufende Strom, der aus dem Filter 4 in den Ladekondensator 3 fliest, über die Freilaufdioden 8 fließen kann.

Für die IGBTs 7 ist eine gewisse Schaltverzögerung vorgese- hen, um sicher zu stellen, dass keine Schaltspitzen auftre- ten.

Obwohl die Signale, die von der zentralen Steuer-und Überwa- chungsschaltung 7 kommen, innerhalb sehr kleiner Toleranzen gleichzeitig sind, unterscheiden sich die IGBTs 7 in ihrem Schaltverhalten. Außerdem sind unter Umständen unterschiedli- che elektrische Laufzeiten in den Treiberschaltungen 16 zu beobachten.

Um mit Sicherheit auszuschließen, dass ein IGBT 7 spannungs- mäßig überlastet wird, weil andere IGBTs bereits geschaltet haben und hinreichend in dem leitenden Zustand sind, ist für jeden IGBT 7 eine Z-Diode 17 vorgesehen, die, wie gezeigt, zwischen dem Kollektor und dem Gate des jeweiligen IGBT 7 liegt. Deren Katode ist an den Kollektor angeschlossen. Soll- te die Spannung zwischen dem Kollektor und dem Gate eines betreffenden IGBT 7 die Kniespannung der Z-Diode 17 überstei- gen, beginnt ein Strom in das Gate des betreffenden IGBT 7 zu fließen und lädt dort die Gatekapazität auf. Der IGBT 7 wird leitend. In dem Maße indem der Transistor leitend wird, ver- ringert sich die Spannung zwischen Kollektor und Emitter, was einen Spannungsdurchbruch verhindert.

Dennoch kann es geschehen, dass einzelne IGBTs 7 versagen. In dem Maße, in dem solche Transistoren durchlegieren, nehmen sie am Sperrverhalten der gesamten Kette nicht teil, während die anderen funktionsfähigen Transistoren in den Sperrzustand

übergehen. Das Durchlegieren eines Transistors führt dazu, dass die übrigen ordnungsgemäß arbeitenden Transistoren eine größere Sperrspannung verkraften müssen.

Um zu erkennen, ob ein IGBT 7 durchlegiert ist oder nicht, ist eine zusätzliche Beschaltung in jeder Treiberschaltung 16 vorgesehen, wie sie aus dem Blockschaltbild nach Figur 2 her- vorgeht.

Jede Treiberschaltung 16 enthält ihr eigenes Schaltnetzteil 18, das galvanisch getrennt die elektrische Energie aus einem durchgeschleiften Stromversorgungsleiter 19 erhält. Das Schaltnetzteil 18 mit Ausgängen 21 und 22 erzeugt daraus se- kundärseitig eine Gleichspannung von ca. 10 V. Der negative Spannungsausgang 21 ist mit dem Emitter des IGBT 7 verbunden.

Der positive Anschluss 22 liegt über einem Widerstand 23 an der Anode einer Diode 24, deren Katode mit dem Kollektor des IGBT 7 verbunden ist. Außerdem dient das Schaltnetzteil 18 zur Stromversorgung einer Wandlerschaltung 25, die das über den Lichtwellenleiter 15 ankommende optische Signal in ein elektrisches Signal wandelt, das an einem Ausgang 26 abgege- ben wird, an den das Gate des IGBT 7 angeschlossen ist.

Von der Stromversorgung ist lediglich eine Leitung versinn- bildlicht, die die Wandlerschaltung 25 mit der Schaltungsmas- se verbindet ; das heiße Ende ist nicht gezeigt. Die Schal- tungsmasse entspricht dem Emitter des IGBT 7 der jeweiligen Stufe.

Ein Schmitt-Trigger 27 mit zwei Eingängen 28 und 29 ist ei- nerseits mit der Anode der Diode 24 und andererseits mit der Schaltungsmasse verbunden. Sein Ausgang 31 liegt an einem Eingang 32 einer Wandlerschaltung 33, die das an dem Eingang 32 anstehende elektrische Signal in ein optisches Signal um- setzt, dass über einen Lichtwellenleiter 34 zu der zentralen Steuer-und Überwachungsschaltung gelangt. Die Eingänge 28

und 29 könnten auch zu dem Widerstand 23 paarallel liegen um den Spannungsabfall direkt zu messen.

Die Stomversorgung der Wandlerschaltung 33 und des Schmitt- Triggers 27 erfolgt ebenfalls aus dem Schaltnetzteil 18 über die Ausgänge 21 und 22. Die Verbindungsleitungen hierzu sind aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt.

Die Schaltungsanordnung nach Figur 2 arbeitet wie folgt : Wenn sich der IGBT 7 im Sperrzustand befindet, liegt an ihm eine hohe Spannung an, die die Diode 24 in Sperrrichtung vor- spannt. Es kann über die Diode 24 kein Strom fließen. Die Spannung zwischen der Schaltungsmasse und der Anode der Diode 24 entspricht in diesem Schaltzustand im Wesentlichen der Ausgangsspannung des Schaltnetzteils 18. Der Schmitt-Trigger 27 ist mit der Schaltschwelle entsprechend gewählt, bei- spielsweise liegt die Schaltschwelle um die 7 V, so dass der Schmitt-Trigger 27 ein binäres Signal an seinem Ausgang er- zeugt, das dem Überschreiten der Schaltschwelle von 7 V ent- spricht. Dieses binäre Signal wird durch den Wandler 33 in ein optisches Signal umgewandelt und an die zentrale Steuer- und Überwachungsschaltung 5 übermittelt. Diese kann überprü- fen, ob der Sperrzustand an der zeitlich richtigen Stelle auftritt.

Wenn der IGBT 7 durchgesteuert ist, verschwindet die negative Vorspannung für die Diode 24. Das kalte Ende des Widerstands 23 liegt über die Diode 24 und den durchgeschalteten IGBT 7 auf der Schaltungsmasse. Die Spannung an der Diode 24 ist entsprechend klein und liegt beispielsweise unter den zuvor erwähnten 7 V der Schaltschwelle des Schmitt-Triggers 27, der daraufhin in den anderen binären Zustand wechselt. Er liefert an seinem Ausgang 31 ein elektrisches Signal entsprechend dem Unterschreiten der Schaltschwelle an den beiden Eingängen 28 und 29. Dieses Signal wird über den Wandler 33 wiederum in das optische Signal für den Lichtwellenleiter 34 konvertiert.

Somit erhält die zentrale Steuer-und Überwachungsschaltung 5 eine Information darüber, ob sich der IGBT 7 in gesperrten oder im leitenden Zustand befindet. Wenn der IGBT 7 im lei- tenden Zustand bleibt, obwohl das Signal auf dem Lichtwellen- leiter 15 verschwindet, das den IGBT 7 in den leitenden Zu- stand schalten soll, ist das Signal auf dem Lichtwellenleiter 34 ein Anzeichen dafür, dass der betreffende IGBT 7 der kette von IGBTs durchlegiert ist.

Über die zentrale Steuer-und Überwachungsschaltung 5 kann entweder das Filter vollständig abgeschaltet werden, oder ei- ne Wartungsdienst alamiert werden, um den fehlerhaften IGBT 7 oder die Gruppe von IGBTs 7 auszuwechseln, zu denen der feh- lerhafte IGBT 7 gehört.

Wenn eine ausreichende Anzahl von IGBT 7 vorhanden ist, kann mit dem restlichen Transistoren der Betrieb der Filteranord- nung aufrecht erhalten werden, bis der nächste Zustand auf- tritt, an dem ohne Beeinträchtigung des Betriebs eine Wartung möglich ist. Figur 3 zeigt schließlich noch eine Alternative, falls die Z-Diode 17 schwächer dimensioniert ist und mögli- cherweise durch den Ladestrom für das Gate des IGBT 7 über- lastet wird. In diesem Falle liegt zwischen dem Kollektor und dem Gate des IGBT 7 eine weiterer IGBT 35 mit seiner Kollek- tor-Emitterstrecke.

Das Gate liegt über die bereits zuvor erwähnte ZDiode 17 an dem Kollektor sowohl des IGBT 7 als auch des IGBT 35. Ein Entladewiderstand 36 ist zwischen dem Gate und dem Emitter des IGBT 35 geschaltet.

Die Zusammenschaltung aus der Z-Diode 17 und dem IGBT 35 wirkt wie eine Z-Diode mit größerer Verlustleistung.

Die Erfindung ist vorstehend in Verbindung mit IGBTs erläu- tert worden. Es ist für den Fachmann auch ohne weiteres er-

kennbar, dass sowohl die Überwachung als auch die zwangsweise Triggerung des elektronischen Schalters nicht auf diese Form von elektronische Bauelemente beschränkt ist. Vielmehr sind die IGBTs 7 nur exemplarisch gezeigt. An ihrer Stelle können auch GTOs oder andere geeignete elektronische Bauelemente eingesetzt werden.

Eine elektrostatische Filteranordnung weist eine Art Schalt- netzteil auf, um die zur Koronaentladung führende Hochspan- nung zu erzeugen. In diesem Schaltnetzteil wird eine Kaskade von elektronischen Schaltern verwendet. Zu jedem elektroni- schen Schalter gehört eine Schaltungsanordnung, die dafür sorgt, dass der Schalter in den leitenden Zustand gelangt, wenn die an seiner Hauptstrecke anstehende Spannung einen vorgegebenen Wert überschreitet.

Ferner ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die dazu dient einer zentralen Steuer-und Überwachungsschaltung zu melden, ob sich das überwachte Schaltelement im gesperrten oder leitenden Zustand befindet.