DE1072729B - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung m eine Wechselspannung unter Benutzung von Schalttransistoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine in ihrer Amplitude einstellbare oder regelbare Wechselspannung unter Benutzung von mit Rechteckimpulsen gesteuerten Schalttransistoren, insbesondere zur Gleichspannungswandlung.

Als Schalttransistoren werden Transistoren mit besonders steiler Kollektörstrom-Kollektorspannungs-Kennlinie bezeichnet, da man sie wegen des niedrigen Innenwiderstandes, den sie bei Aussteuerung annehmen, an Stelle eines Schalters bzw. eines Unterbrecherkontaktes verwenden kann.

Das günstigste Verhältnis von Verlustleistung im Transistor zu insgesamt geschalteter Leistung, also der günstigste Wirkungsgrad, wird erreicht, wenn der Kollektorstrom auf den höchstzulässigen Wert (Kollektorspitzenstrom) ausgesteuert wird und die Kollektorspannung nicht höher ist, als für diesen Strom erforderlich (Kollektorrestspannung). Bei Verringerung der Aussteuerung verschlechtert sich der Wirkungsgrad durch das Ansteigen des Innenwiderstandes und der damit verbundenen Erhöhung der Kollektorspannung. Wegen dieser Abhängigkeit der Verluste von dem Grad der Aussteuerung sind die Transistoren in den bekannten Gleichspannungswandlern von vornherein auf einen schlechteren Wirkungsgrad (höchstens 70 bis 80%) begrenzt, da sie bei maximaler Belastung nicht auf den Kollektorspitzenstrom ausgesteuert sein dürfen bzw. hierbei die höchstzulässige Verlustleistung im Transistor noch nicht erreicht sein darf. Überdies läßt sich der höchstmögliche Wirkungsgrad bei den bekannten selbsterregten Transistorspannungswandlern auch nicht im Falle gleichbleibender Leistungsabgabe erreichen, da diese Spannungswandler, um unter Vollast anschwingen zu können, von vornherein stark überkoppelt sein müssen, so daß die Transistoren im eingeschwungenen Zustand stark übersteuert werden.

Das neue, zur Verbesserung des Wirkungsgrades vorgeschlagene Verfahren besteht darin, daß erfindungsgemäß zur Aussteuerung der Schalttransistoren — bei mehrstufigen Transistorspannungswandlern wenigstens in der Endstufe — Rechteckimpulse konstanter Höhe und regelbarer Breite verwendet werden und die Höhe dieser Impulse so bemessen wird, daß in den Schalttransistoren jeweils der maximal zulässige Kollektorstrom (Kollektorspitzenstrom) erreicht wird, wobei Außenimpedanz und Speisespannung so gewählt sind, daß die hierbei auftretende Kollektorspannung gleich der Kollektorrestspannung ist, während durch Veränderung der Breite dieser Impulse die vom Spannungswandler abzugebende Effektivleistung eingestellt oder geregelt wird. Dieses Verfahren gestattet eine Steuerung der Leistungs-Verfahren und Schaltungsanordnung
zur Umwandlung einer Gleichspannung

in eine Wechselspannung
unter Benutzung von Schalttransistoren

Anmelder:
Hagemik vormals Neufeldt & Kuhnke

G.m.b.H.,
Kiel, Westring 431-451

Dr. Peter Koehler, Kiel-Kronshagen,

und Arno Saul, Kiel,
sind als Erfinder genannt worden

abgabe in weiten Grenzen unter Einhaltung eines bisher bei Transistorspannungswandlern nicht erzielten Wirkungsgrades, nämlich über 90%.

Zur Erzeugung von Rechteckimpulsen, die in ihrer Breite in weiten Grenzen regelbar sind, dient zweckmäßig ein an sich bekanntes Verfahren, bei dem einer einstellbaren positiven (oder negativen) Gleichspannung eine vorzugsweise sinusförmige Wechselspannung konstanter Amplitude überlagert wird, deren positive (bzw. negative) Halbwellen unterdrückt und deren nicht unterdrückte Halbwellen in ihrer Amplitude begrenzt werden, während die Breite der Impulse durch die Höhe der einstellbaren Gleichspannung bestimmt wird. Die tatsächlich zu wählende Polarität dieser Spannungen bestimmt sich im Einzelfalle danach, welche Elektrode (Basis oder Emitter) des Transistors angesteuert wird.

Die Abb. 1 zeigt den einfachsten Fall einer zur Ausübung des neuen Verfahrens geeigneten Schaltungsanordnung. 1 ist ein Schalttransistor, in dessen Kollektorkreis die Primärwicklung des Ausgangstransformators 2 liegt. 3 ist die Gleichspannungsquelle, deren Spannung in eine Spannung anderer Art und/ oder Größe umgewandelt werden soll. Die erwähnte Sinuswechselspannung wird über den Eingangsübertrager 4 zugeführt. Die zu überlagernde Gleichspannung wird von der Spannungsquelle 5 geliefert und mittels des Potentiometers 6 eingestellt. Der Gleichrichter 7 und der Vorwiderstand 8 bilden zusammen eine Begrenzerschaltung. Die Begrenzerwirkung besteht darin, daß der Gleichrichter 7 in Durchlaßrich-

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tung für alle Spannungen, welche seine Anlaufspannungen übersteigen, praktisch einen Kurzschluß bildet. Der Gleichrichter 7 ist hier so gepolt, daß die negativen Halbwellen der S inuswechs el spannung und damit die Basisströme des Schalttransistors 1 in ihrer Amplitude begrenzt werden. Die positiven Halbwellen gelangen zwar auch an die Basis, erzeugen aber wegen der Gleichrichtereigenschaft des Transistors keine Basis- und keine Kollektorströme. Das Potentiometer 9 dient zur festen Einstellung der Impulshöhe.

An Hand der Abb. 2 a und 2 b wird die Bildung der Rechteckimpulse im allgemeinen und die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß Abb. 1 im besonderen näher erläutert.

In der Abb. 2 a sind Diagramme der die Impulse bildenden Spannungen und in Abb. 2 b Diagramme der entsprechenden Kollektorstromaussteuerung dargestellt. Die Diagramme I in beiden Abbildungen geben einen Zustand großer Leistungsaussteuerung und die Diagramme II einen Zustand kleiner Leistungsaussteuerung wieder..

Im Zustand I ist die Nullinie der Sinuswechselspannung durch die am Potentiometer 6 (Abb. 1) abgegriffene positive Gleichspannung U₁ in das positive Gebiet verlagert. Der noch im negativen Gebiet verlaufende Teil der Halbwellen wird jedoch auf eine Höhe U_gr begrenzt, die durch die gestrichelte Linie angegeben ist. Das Ergebnis ist der (nahezu) rechteckige, durch Schraffur hervorgehobene Steuerimpuls .Si₁. Dieser hat, da die Gleichspannung U₁ verhältnismäßig klein gewählt ist, eine Zeitdauer, die annähernd gleich der Zeitdauer der Halbwelle — U_s ist. Während dieser Zeitspanne fließt also der maximal zulässige Kollektorstrom J_{c max}.

Im Zustand II ist der Halbwelle — U_s eine wesentlich größere positive Gleichspannung U₂ überlagert, so daß nur noch die Spitze dieser Halbwelle im negativen Gebiet verläuft. Der sich hierbei ergebende Steuerimpuls St_n ist dementsprechend schmal, so daß sich auch die Aussteuerung des Kollektorspitzenstromes über einen entsprechend kürzeren Zeitraum erstreckt. Auf diese Weise ist also die Breite der Impulse, und damit der zeitliche Mittelwert der abgegebenen Leistung, also die Effektivleistung, unter Aufrechterhaltung des günstigsten Wirkungsgrades lediglich durch Veränderung der Höhe der überlagerten Gleichspannung einstellbar.

Es ist zwar zunächst nicht zu vermeiden, daß ein im Zustand II erzeugter Impuls eine mehr trapezähnliche Form aufweist. Diese Flankenschrägung, also das Durchlaufen des Übergangsgebietes, erstreckt sich indessen nur über einen verhältnismäßig kleinen Teil der Aussteuerungszeitspanne. Bei mehrstufigen Spannungswandlern kann man überdies gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Flankensteilheit der Impulse dadurch verbessern, daß man jeweils nach Verstärkung der Impulse in einer der Vorstufen anschließend eine erneute Begrenzung vornimmt.

Die Abb. 3 zeigt das Schaltbild eines Transistorspannungswandlers mit einer Treiberstufe.

In dieser Schaltung arbeiten zwei Schalttransistoren 10 a und 10 b im Gegentakt. 11 ist der Gegentakt-Ausgangstransformator und 12 die Gleichspannungsquelle. 13 ist die an die Sekundärwicklung des Transformators 11 angeschlossene Belastung. Die Treiberstufe wird aus den ebenfalls im Gegentakt arbeitenden Treibertransistoren 14a und 14 δ gebildet. Die Kopplung vom Ausgang der Treiberstufe auf den Eingang der Endstufe geschieht durch die Treibertransformatoren 15 α und 15 b. 16 ist der Eingangstransformator der Treiberstufe, an dessen Primärwicklung ein Oszillator 17. angeschlossen ist, der eine amplitudenkonstante Sinuswechselspannung liefert. Dieser Sinuswechselspannung wird eine von der Batterie 18 gelieferte und mittels eines Potentiometers 19 eingestellte Gleichspannung überlagert, welche dem Eingang der Treiberstufe über die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Transformators

ίο 16 zugeführt wird.

Die erwähnte Amplitudenbegrenzung erfolgt hier durch Anwendung strombegrenzender Impedanzen im Ausgangskreis der Treiberstufe, und zwar durch die Treibertransformatoren 15 α und 15 b, die zu diesem Zwecke mit einem Kernmaterial versehen sind, das , '" eine rechteckige Magnetisierungskurve hat (Rechteckferrit).

Die Besonderheit dieser Gegentaktschaltung ist darin zu sehen, daß bereits die Treiberstufe aus zwei im Gegentakt arbeitenden Transistoren besteht und jeder dieser Transistoren einen Transistor der Endstufe über einen gesonderten Treibertransformator steuert. Damit wird erreicht, daß an jeden Schalttransistor der Endstufe 10 a bzw. 10 b immer nur Impulse einer, und zwar der zur Aussteuerung geeigneten Polarität gelangen, während die Impulse des Gegentaktes, welche den sogenannten inversen Betrieb bewirken und dadurch erhöhte Verluste in dem jeweiligen Transistor verursachen würden, von diesem ferngehalten werden.

Den Oszillator 17 kann man noch einsparen, wenn man die erforderliche Sinuswechselspannung von der Ausgangsspannung des Spannungswandlers ableitet. Die notwendige Amplitudenkonstanz erzielt man durch einen Amplitudenbegrenzer, da ja die Ausgangsspannung die erforderliche Steueramplitude ohnehin wesentlich übersteigt. Anschließend an die Begrenzung erfolgt sodann, beispielsweise mittels eines Resonanzkreises, die Herstellung der Sinusform.

Die Abb. 4 zeigt eine Erweiterung der Schaltung gemäß Abb. 3. Die Endstufe besteht hier aus zwei Paaren von im Gegentakt arbeitenden Schalttransistoren 10 a, 10 b und 11a, 11 fr. Von diesen arbeiten die Transistoren 10 a und lla einerseits und 10 & und 11 b andererseits miteinander im Gleichtakt. Um Ausgleichsströme jedweder Art zu vermeiden, sind diese Transistoren weder eingangs- noch ausgangsseitig parallel geschaltet. Daher sind die im Gegentakt arbeitenden Transistorenpaare ausgangsseitig an getrennte Gegentaktwicklungen des Ausgangstransformators 21 angeschlossen. Ebenso sind die Eingänge der Transistoren zwecks galvanischer Entkopplung je an gesonderte Sekundärwicklungen der beiden getrennten Treibertransformatoren 20 α und 20 b angeschlossen, und zwar so, daß die Eingänge der beiden im Gleichtakt arbeitenden Transistoren 10a und lla an den Sekundärwicklungen des Transformators 20 α und die Eingänge der beiden Transistoren 10 b und 11 b an den Sekundärwicklungen des Transformators 20 & liegen.

Die Schaltung nach Abb. 4 ist ferner so ausgebildet, daß sie sich selbsttätig auf eine konstante Ausgangsspannung einregelt. Zu diesem Zweck ist auf dem Ausgangstransformator eine Wicklung 22 vorgesehen.

Aus der in dieser Wicklung induzierten Spannung wird mittels vorgespannter Gleichrichter 23 α und 23 b die die Impulsbreite bestimmende Gleichspannung gewonnen und dem Widerstand 25 zugeführt. Zur Erzeugung der Vorspannung für die Gleichrichter 23 α und 23 b sind an Stelle einer besonderen Spannungs-

quelle die an sich bekannten Zenerdioden verwendet, wobei deren Durchbruchspannung in Sperrichtung den Schwellwert bestimmt. Die Regelschaltung ist so ausgelegt, daß die von den Gleichrichtern 23 a, 23 b erzeugte Gleichspannung bei Vollast und Sollwert der Ausgangsspannung des Spannungswandlers den Schwellwert gerade erreicht und am Widerstand 25 die Spannung Null liegt. Bei einer Verringerung der Last und dem damit verbundenen Ansteigen der Ausgangsspannung wird dann eine Gleichspannung erzeugt, die den Schwellwert überschreitet. Der den Schwellwert übertreffende Anteil dieser Spannung, der am Widerstand 25 liegt, vermindert die Impulsbreite und damit die Leistungsabgabe so weit, daß die Ausgangsspannung auf ihren Sollwert eingeregelt wird.

Claims (10)

Patentansprüche: 20

1. Verfahren zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine in ihrer Amplitude einstellbare oder regelbare Wechselspannung unter Benutzung von mit Rechteckimpulsen gesteuerten Schalttransistoren, insbesondere zur Gleichspannungs-Wandlung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aussteuerung der Schalttransistoren — bei mehrstufigen Transistorspannungswandlern wenigstens in der Endstufe ■—· Rechteckimpulse konstanter Höhe und regelbarer Breite verwendet werden und die Höhe dieser Impulse so bemessen wird, daß in den Schalttransistoren jeweils der maximal zulässige Kollektorstrom erreicht wird, wobei Außenimpedanz und Speisespannung so gewählt sind, daß die hierbei auftretende Kollektorspannung gleich der Kollektorrestspannung ist, während durch Veränderung der Breite dieser Impulse die abzugebende Effektivleistung eingestellt oder geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Rechteckimpulse eine einer einstellbaren positiven (oder negativen) Gleichspannung überlagerte, vorzugsweise sinusförmige Wechselspannung konstanter Amplitude dient, deren positive (bzw. negative) Halbwellen unterdrückt und deren nicht unterdrückte Halbwellen in ihrer Amplitude begrenzt werden, während die Breite der Impulse durch die Höhe der einstellbaren Gleichspannung bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 zur Anwendung auf mehrstufige Transistorspannungswandler, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nach Verstärkung der Impulse in einer der Vorstufen anschließend eine erneute Begrenzung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sinusförmige Wechselspannung von der Ausgangsspannung des Transistorspannungswandlers unter Zwischenschaltung eines Begrenzers und anschließender Herstellung der Sinusform abgeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse einer Transistortreiberstufe transformatorisch entnommen werden, an deren Steuerelektrode eine einstellbare Vorspannung und eine vorzugsweise sinusförmige Wechselspannung liegt und deren Ausgangskreis zur Konstanthaltung der Höhe der Impulse eine strombegrenzende Impedanz enthält, während die Breite der Impulse durch die Höhe der Vorspannung bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der im Ausgangskreis der Transistortreiberstufe liegende, zur Auskoppelung der Steuerimpulse dienende Transformator (Treibertransformator) durch Anwendung von Kernmaterial mit vorzugsweise rechteckförmiger Magnetisierungskurve (Rechteckferrit) gleichzeitig als strombegrenzende Impedanz ausgebildet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Konstanthaltung der Ausgangsspannung die die Impulsbreite bestimmende Gleichspannung aus der Ausgangsspannung mittels vorgespannter Gleichrichter gewonnen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Vorspannung für die Gleichrichter Zenerdioden verwendet werden.

9. Schaltungsanordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch5, unter Anwendung einer Gegentaktschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß bereits die Transistortreiberstufe aus zwei im Gegentakt geschalteten Transistoren besteht und jeder dieser Transistoren einen Transistor der folgenden Gegentaktstufe über einen besonderen Treibertransformator steuert.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Endstufe mehrere Paare von im Gegentakt geschalteten Schalttransistoren derart angeordnet sind, daß jedes Schalttransistorpaar ausgangsseitig an eine gesonderte Gegentaktwicklung auf dem Ausgangsübertrager angeschlossen ist, während die Eingänge der einzelnen Schalttransistoren je an gesonderte Sekundärwicklungen zweier getrennter Treibertransformatoren angeschlossen sind, und zwar so, daß die Eingänge aller im Gleichtakt arbeitenden Transistoren an getrennten Sekundärwicklungen eines Treibertransformators liegen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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