DE1099062B - Steuerbare Einrichtung zur Umformung von Gleichspannungen bzw. -stroemen in einer Brueckenschaltung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Gegenstand der Erfindung ist eine steuerbare Einrichtung zur Umformung von Gleichspannungen bzw. -strömen in einer Brückenschaltung von mindestens zwei in kreuzweise gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordneten Speicherkondensatoren, die mittels steuerbarer Schaltelemente der Brückenschaltung in Reihen- oder Parallelschaltung von einer Gleichstromquelle aufgeladen und anschließend über eine Last entladen werden. Sie enthält nur ruhende Schaltelemente unter Verzicht von Motongeneratoren, Zerhacken^ Lasttransformatoren und aufwendigen Gleichrichteranordnungen; sie kann daher mit kleinstem Raumbedarf bei geringem Gewicht zur Umwandlung einer niedrigeren Gleichspannung in eine höhere Gleichspannung bzw. eines niedrigeren Gleichstroms in einen höheren Gleichstrom Verwendung finden.

Bei den bekannten Anordnungen dieser Art werden Kondensatoren in Parallelschaltung abwechselnd über Widerstände aufgeladen und nach dem Aufladen in Reihenschaltung auf den Verbraucher entladen, wobei die Reihenschaltung durch Glimmlampen oder andere Entladungsstrecken entsprechend dem durch ihre Charakteristik festgelegten Zündzeitpunkt erfolgt.

Derartige Anordnungen sind aber für niedrige Spannungen von einigen Volt, wie sie in Stromnetzen von Kraftfahrzeugen oder Bordnetzen von Luftfahrzeugen (z. B. 6, 12 oder 24 Volt) vorliegen, nicht geeignet. Da sich ferner die Kondensatoren nach Zünden der Gefäße außer über die Last auch über die zugeordneten Widerstände entladen, ist eine zeitliche Speicherung der höchstmöglichen Summenspannung bzw. Summenstrom nicht möglich.

Es ist ferner bekanntgeworden, zur Umformung von Gleichspannungen bzw. -strömen Schwingkreise zu verwenden, die in einer Art Spannungsresonanzschaltung arbeiten, wozu aber gewichtsmäßig aufwendige Induktivitäten mit Eisenkreis notwendig sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ohne solche Induktivitäten mit Eisenkreis eine zeitliche Speicherung der höchsterreichbaren Summenspannung bzw. -ströme zu erzielen und somit eine bei den .bekannten Anordnungen nicht erreichbare Konstanz von Spannung oder Strom an der Last mit einfachen Mitteln herbeizuführen.

Die Lösung besteht darin, daß den jeweils in zwei kreuzweise gegenüberliegenden Brückenzweigen befindlichen Speicherkondensatoren in jedem der beiden restlichen Brückenzweige ein steuerbarer Halbleiterschalter und im Brückendiagonalzweig eine Diode beigeordnet sind sowie an den Diagonalzweig unter Vorschaltung einer weiteren Diode die Last bzw. die Gleichstromquelle und an die beiden anderen Eckpunkte der Brückenschaltung durch einen steuerbaren

Steuerbare Einrichtung zur Umformung

von Gleichspannungen bzw. -strömen

in einer Brückenschaltung

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 22. Oktober 1954

Walter B. Guggi, Buffalo, N. Y. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Halbleiterschalter die Speisequelle bzw. die Last anschaltbar ist.

Bei Erhöhung der Spannung werden die Kondensatoren in Parallelschaltung von der Speisequelle aufgeladen und anschließend in Reihenschaltung mit der Last verbunden.

Bei Erhöhung des Stroms erfolgt die Aufladung in Reihenschaltung und die Entladung in Parallelschaltung, wobei die Spannung entsprechend erniedrigt wird.

Als Halbleiterschalter werden vorzugsweise Flächentransistoren benützt, deren Kollektor-Emitter-Stromkreis die Schaltfunktion ausübt. Als günstigste Lösung haben sich hierfür an sich bekannte Schalttransistoren erwiesen, d. h. Transistoren, die mit einer Arbeitsgeraden betrieben werden, welche bis auf kurze Endabschnitte außerhalb der Verlusthyperbel verläuft. Die beiden Arbeitspunkte des Transistors liegen jedoch auf diesen Abschnitten, und der dazwischenliegende Bereich unzulässiger Belastung wird so rasch durchgesteuert, daß keine übermäßige Erwärmung des Transistors eintritt. Dieser kann dadurch mit einer Leistung betrieben werden, die weit über der im normalen Verstärkerbetrieb erreichbaren

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liegt. Die Steuerung erfolgt in an sich, bekannter Weise zweckmäßig mit Hilfe einer annähernd rechteckförmigen Steuerwechselspannung, die zwischen Basis und Emitter angelegt wird. Die Schaltfrequenz wird möglichst hoch gewählt, z. B. 10 OOÖ Hz, So daß die Welligkeit der entsprechenden Gleichspannung mit einfachen Mitteln herabgesetzt bzw. praktisch beseitigt werden kann. Diese Möglichkeit ist ein besonderer Vorteil der Schalttransistoren, da eine derart hohe Schaltfrequenz mit mechanischen Mitteln nicht erzielbar ist.

Die Erfindung soll an Hand schematischer Zeichnungen genauer beschrieben werden; es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels für die Herabsetzung der von der Quelle gelieferten Gleichspannung,

Fig. 2 die Modifikation für die Erhöhung der Spannung,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches zeigt, wie verschiedene Spannungsübersetzungsverhältnisse erzielt werden können,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit Zweiwegübersetzung zur Herabsetzung von Stromstößen und Welligkeiten der Spannung.

In Fig. 1 bedeutet 101 eine beliebige Gleichstromquelle, deren Ausgangsspannung transformiert werden soll. Ein Paar Kondensatoren 145 und 149 gleicher Größe in Reihe mit einem Ventil 147 sind an die Klemmen der Gleichstromquelle über den Transistor 111 mit der Basis 115, dem Emitter 117 und dem Kollektor 113 angeschlossen. Der Kollektor 113 ist mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle, der Emitter 117 mit der Klemme 107 des Kondensators 149 verbunden.

Eine Steuerspannungsquelle 125 mit den Ausgangsklemmen 121 und 123 speist über einen Transformator 119 den Basisstromkreis des Transistors 111. Die Steuerspannung hat, wie in der Figur angedeutet, Rechteckform.

Um die Kondensatoren 145 und 149 parallel schalten zu können, ist ein Paar von Schalttransistoren 127 und 141 vorgesehen. Die Klemme 103 des Kondensators 145 ist mit der Klemme 107 des Kondensators 149 über den Schalttransistor 127 verbunden, dessen Emitter 133 bzw. Kollektor 129 mit den Klemmen 103 bzw. 107 der Kondensatoren 145 bzw. 149 verbunden sitld. Analog ist der Emitter 137 des Transistors 141 mit der Klemme 105 des Kondensators 145, der Kollektor 139 mit der Klemme 109 des Kondensators 145 verbunden. Ferner ist die Klemme 105 des Kondensators 145 an den positiven Pol der Gleichstromquelle angeschlossen. Das Ventil 147 ist so gepolt, daß es einen Stromfluß von der Klemme 103 zur Klemme 109 gestattet.

Die Ausgangsklemmen 123 und 121 der Steuerspannungsquelle 125 speisen auch die Steuerstromkreise der Transistoren 127 und 141 über die Transformatoren 130 bzw. 143. Es kann auch ein einziger TransformatöT mit mehreren Sekundärwicklungen verwendet werden. In der Zeichnung ist angedeutet, daß die Polüng der Transformatorwicklungen so vorgenommen wird, daß die Basis 115 des Transistors 111 positives Potential hat, wenn die Basiselektroden 131 und 135 der Transistoren 127 bzw. 141 negativ sind. Dies bedeutet, daß der Transistor 111 sperrt, wenn die Transistoren 127 und 141 geöffnet sind, und itmgekehrt.

An die Klemmen 103 und 109 ist schließlich die Last 153 über ein Ventil 155 angeschlossen, zu welcher ein Filterkondensator 151 parallel liegt; das Ventil 155 ist so gepolt, daß es Stromfluß von der Klemme 109 über die Last zur Klemme 103 gestattet. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende: Es sei angenommen, daß bei einer bestimmten HaIbwelle der Steüerspannung der Transistor 111 den negativen Pol der Quelle 101 mit der Klemme 107 verbindet. In diesem Fall sind die Transistoren 127 und 141 gesperrt, so daß die Kondensatoren praktisch über das Ventil 147 in Reihe an der Gleichspannungsquelle liegen. Auf diese Weise werden die Kondensatoren 145 und 14Ö je auf die halbe Ausgangs spannung der Quelle aufgeladen. In der nächsten Halbwelle der Steuerspannung sperrt der Transistor 111, und die Transistoren 127, 141 öffnen, so daß einerseits die Quelle von den Kondensatoren abgeschaltet, andererseits die Last an die parallel liegenden Kondensatoren angeschlossen wird. Wie bereits erwähnt, erfolgt die Umschaltung sehr rasch, so daß der Kondensator 151 Welligkeiten der an der Last entstehenden Gleich-

ao spannung weitgehend beseitigen kann.

Die Anordnung nach Fig. 2 entspricht weitgehend derjenigen nach Fig. 1. Bezugszahl en, deren letzte beide Stellen mit denen der Fig. 1 übereinstimmen, bezeichnen entsprechende Schaltelemente. Bei der Anofdüung nach Fig. 2 wird bei Vertauschung von Gleichspannungsquelle und Last gegenüber Fig. 1 und Umkehrung der Durchlaßrichtung des Ventils im Diagonälkreis eine Aufladung der Kondensatoren in Parallelschaltung und ihre Entladung in Reihenschaltung herbeigeführt. Es ist hierbei für das Ventil 247 ein solches bekannter Art zu verwenden, das bei Überschreiten seiner Durchbruchspannung in Sperrrichtung stromleitend bleibt, bis die Kondensatoren entladen bzw. der Transistor 201 stromdurchlässig gesteuert ist. Die Durchbruchspannung ist so gewählt, daß sie höher als die Spannung eines Kondensators 245 bzw, 249,- aber niedriger als die Summenspannung beider Kondensatoren ist.

Mit Hilfe dieser Schaltung kann die Spannung an der Last 253 doppelt so groß werden wie die Spannung der Speisequelle 201,

Die Anordnung in Fig. 3 zeigt ein Äusführungsbeispiel für einen Gleichstromtransformator mit einem Übersetzungsverhältnis 1 :3. Bezugszahlen, deren letzte beide Stellen mit denen der Fig. 1 übereinstimmen, bezeichnen wieder entsprechende Schaltelemente. In Fig. 3 ist ein weiterer Kondensator 345 b vorgesehen, welcher den Kondensatoren 349 und 345 a über Scbalttransistoren 341 b und 327 & parallel geschaltet wird. Die Transistoren sind dabei gleichlaufend mit den Transistoren 341 α und 327 a gesteuert. Die letzteren schalten die Kondensatoren 345 α und 349 parallel. Die drei Kondensatoren sind vorzugsweise von gleicher Größe. Die Gleichspannungsquelle 301 ist an die Klemme 105 & des Kondensators 345 b angeschlossen. Die ändere Klemme 103 b ist mit der Klemme 105 α des Kondensators 345 α mittels eines Ventils 347 b verbünden, während die Klemme 103 α des Kondensators 345 α mit der Klemme 309 des Kondensators 349 über das Ventil 347 a in Verbindung steht. Der negative Pol der Quelle 301 ist mit der Klemme 307 des Kondensators 349 über den Schalttransistor 311 verbunden.

Die Wirkungsweise der Schaltung ist die gleiche wie in Fig. 1, Die Kondensatoren 349,345 α und 345 b werden bei der einen Halbwelle der Steuerspannung in Reihe an die Gleichspannungsquelle gelegt. Hierbei ist der Schalttransistor 311 durchlässig, die anderen sind gesperrt. In der zweiten Halbwelle der Steuerspannung werden die Kondensatoren über die Last

353 entladen, wobei der Transistor 311 gesperrt ist und die anderen geöffnet sind. Auf diese Weise entsteht an der Last ein Drittel der von der Quelle gelieferten Spannung.

Es ist leicht ersichtlich, daß die Schaltung in Fig. 3 in ähnlicher Weise erweitert werden kann, so daß auch andere Übersetzungsverhältnisse erzielbar sind. Bei Abwandlung der Schaltung nach Fig. 3 im Sinne der Fig. 2 ist auch eine Herauftransformation der Quellenspannung möglich.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, welches in besonderem Maße Stromstöße und Spannungswelligkeit vermeidet und den Spannungsabfall zwischen Quelle und Last besonders klein hält. Es stimmen wieder bei ensprechenden Schaltelementen die letzten beiden Stellen der Bezugszahlen mit denen in den übrigen Figuren überein.

Die gesamte Anordnung in Fig. 4 ist in zwei Zweigen und y aufgeteilt, welche im wesentlichen der Einrichtung gemäß Fig. 1 entsprechen, mit der Ausnahme, daß eine Lastklemme mit Hilfe von weiteren Ventilen 457 χ bzw. 457 3/ an die Klemmen 409 χ bzw. 4093; angeschlossen ist. Eingang und Ausgang der Anordnungen in den Zweigen χ und y sind jeweils parallel zwischen Quelle und Last geschaltet, so daß die Polarität ihrer Ausgangsspannungen übereinstimmt. Die Phasenbeziehung der Steuerspannungen zwischen Emitter und Basis jeder der Schalttransistoren bewirkt, daß jeweils die Kondensatoren 445 χ und 449 χ geladen, die Kondensatoren 445 y und 449 y entladen werden, und umgekehrt. Auf diese Weise erhält die Last über einen der beiden Zweige χ und y dauernd Strom, und die Spannung an ihr wird in weit größerem Maße konstant bleiben, als es mit den Einrichtungen nach Fig. 1 und 3 erkennbar wäre. Auch hier kann wieder an Stelle einer Herabsetzung der Spannung eine Erhöhung erreicht werden.

Es hat sich herausgestellt, daß die oben beschriebene Einrichtung einen Wirkungsgrad von mehr als 95 °/o aufweist. Demgegenüber haben die Motorgeneratorsätze einen Wirkungsgrad von nur 85 %, der bei kleineren Einheiten bis auf 50% sinken kann, während die Zerhacker-Transformator-Gleichrichter-Kombinationen einen Wirkungsgrad von etwa 70 %> besitzen. Die erfindungsgemäße Einrichtung zeichnet sich darüber hinaus durch niedriges Gewicht und geringen Raumbedarf aus, was für die Anwendung in Stromnetzen von Flugzeugen besonders vorteilhaft ist.

Einzelheiten in den Ausführungsbeispielen können geändert werden, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Insbesondere sind statt Transistoren auch beliebige andere spannungssteuerbare Halbleiter verwendbar.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Steuerbare Einrichtung zur Umformung von Gleichspannungen bzw. -strömen in einer Brückenschaltung mit mindestens zwei in kreuzweise gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordneten Speicherkondensatoren, die mittels steuerbarer Schaltelemente der Brückenschaltung in Reihenoder Parallelschaltung von einer Gleichstromquelle aufgeladen und anschließend über eine Last entladen werden, dadurch gekennzeichnet, daß den jeweils in zwei kreuzweise gegenüberliegenden Brückenzweigen befindlichen Speicherkondensatoren (145; 149 ...) in jedem der beiden restlichen Brückenzweige ein steuerbarer Halbleiterschalter (127, 141.. .) und im Brückendiagonalzweig eine Diode (147,247...) beigeordnet sind sowie an den Diagonalzweig unter Vorschaltung einer weiteren Diode (155, 255 .. .) die Last bzw. die Gleichstromquelle und an die beiden anderen Eckpunkte der Brückenschaltung durch einen steuerbaren Halbleiterschalter (110, 211. . .) die Speisequelle bzw. die Last anschaltbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die insbesondere als Schalttransistoren ausgebildeten steuerbaren Halbleiterschalter in Steuerabhängigkeit von einer gemeinsamen Wechselspannungsquelle gebracht sind, derart, daß die in den Brückenzweigen liegenden steuerbaren Halbleiterschalter untereinander gleiche, aber stets entgegengesetzte Schaltzustände wie der die Last bzw. die Gleichstromquelle an die Brückeneckpunkte anschaltende steuerbare Halbleiterschalter aufweisen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Brückenschaltungen einerseits parallel an die Gleichstromquelle und andererseits parallel an die Last angeschlossen sind und die Steuerung der Schaltmittel beider Brückenschaltungen abwechselnd so erfolgt, daß während der Aufladung der Speicherkondensatoren der einen Brückenschaltung von der Speisequelle gleichzeitig die aufgeladenen Speicherkondensatoren der anderen Brückenschaltung über die Last entladen werden (Fig. 4).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 619 704, 750 491;
britische Patentschrift Nr. 526 300;
USA.-Patentschriften Nr. 2 256 859, 2 627 039;
Zeitschrift für angewandte Physik, 1951, S. 237;
ETZ-B, 1954, S. 11;

Elektrotechnik und Maschinenbau, 1954. S. 393
und 394.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen