DE1146920B - Schaltungsanordnung zum Steuern eines durch eine Last fliessenden Stromes mit Hilfe von Schalttransistoren - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Steuern eines durch eine Last fliessenden Stromes mit Hilfe von Schalttransistoren

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DE1146920B
DE1146920B DEW24491A DEW0024491A DE1146920B DE 1146920 B DE1146920 B DE 1146920B DE W24491 A DEW24491 A DE W24491A DE W0024491 A DEW0024491 A DE W0024491A DE 1146920 B DE1146920 B DE 1146920B
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Description

  • Schaltungsanordnung zum Steuern eines durch eine Last fließenden Stromes mit Hilfe von Schalttransistoren Zusatz zum Patent 1134 108 Das Hauptpatent 1134 108 betrifft eine Schaltungsanordnung zum Steuern eines durch eine Last fließenden Stromes mit Hilfe von Schalttransistoren, bei denen jeweils die Schaltstrecke in Reihe mit einer Spannungsquelle und der Last liegt und die über die Basiselektrode und eine angrenzende Elektrode, vorzugsweise die Emitterelektrode, verlaufende Steuerstrecke eines Transistors am Ausgang eines Magnetverstärkers liegt, dessen Arbeitswicklungen von einer Wechelstromquelle mit rechteckförmiger Spannungswellenform gespeist werden. Bei einer derartigen Anordnung läßt sich der Mittelwert von Strom, Spannung oder Leistung an dem über den Transistor an eine Spannungsquelle angeschlossenen Verbraucher durch Veränderung des Tastverhältnisses der den Transistor steuernden Spannung verändern. Unter Tastverhältnis versteht man dabei das Verhältnis der Länge eines Steuerimpulses zur gesamten Periodendauer der Steuerspannung. Bei der Anordnung nach dem Hauptpatent läßt sich dieses Tastverhältnis in sehr einfacher Weise mittels eines Gleichstromes steuern, der einer Steuerwicklung des im Steuerkreis des Transistors liegenden Magnetverstärkers zugeführt wird.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein die Anwendung einer Anordnung nach dem Hauptpatent zur Gewinnung einer Wechselspannung aus einer Gleichspannung. Zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung mit Hilfe elektronischer Bauelemente verwendet man gesteuerte oder selbstschwingende Wechselrichteranordnungen, die vor allem in letzter Zeit überwiegend mit Transistoren aufgebaut werden. Die Ausgangsspannung solcher Anordnungen ist abhängig von der Größe der Speisegleichspannung. Die Amplitude der Wechselspannung ist außerdem bestimmt durch den Innenwiderstand des Wechselrichters und kann je nach Bauart mit zunehmender Belastung beträchtlich sinken. Bei selbsterregten Wechselrichtern ist außerdem die Frequenz der Wechselspannung abhängig von dem Belastungsstrom.
  • Gegenstand der Erfindung ist nun ein Wechselrichter, bei dem die Auswirkung der erwähnten Abhängigkeiten auf die Größe der Ausgangsspannung praktisch beseitigt ist.
  • Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die Verwendung einer Anordnung nach dem Hauptpatent zur Lieferung einer Ausgangsspannung von Sinusform mit konstanter Amplitude und Frequenz, wobei der Magnetverstärker mit einer rechteckförmigen Wechselspannung höherer Frequenz gespeist wird und aus einer als Sollwertgeber dienenden Spannungsquelle konstanter sinusförmiger Spannung und Frequenz gesteuert wird. Der Sollwertgeber besteht bei einer solchen Anordnung vorzugsweise aus einem mit Transistoren arbeitenden Wechselrichter mit einem Ausgangstransformator, dessen Eisenkern jeweils bei der Erzeugung jeder Wechselspannungshalbwelle in den Sättigungszustand gelangt.
  • Damit die Ausgangsspannung, welche der Wechselrichter liefert, weitgehend in ihrer Amplitude konstant gehalten wird, kann es sich in Verbindung mit der Erfindung empfehlen, am Ausgang des Gerätes eine Gegeneinanderschaltung zweier Zenerdioden zu benutzen, die also betriebsmäßig auf ihrem Zenerkennlinienteil arbeiten.
  • Ferner kann es sich in Verbindung mit der Erfindung empfehlen, zur Erzielung einer möglichst sinusförmigen Kurvenform der gelieferten Wechselspannung am Sollwertgeber Filterglieder zu benutzen, welche für die Bildung einer sinusförmigen Ausgangsspannung sorgen.
  • Damit der Wechselrichter möglichst unabhängig von äußeren Temperatureinflüssen einwandfrei arbeitet, kann erfindungsgemäß zur Kompensation von temperaturabhängigen Änderungen des Verhaltens des Eisenkernes des Transformators des Sollwertgeberwechselrichters der Wechselrichter über einen Widerstand mit positiven Temperaturkoeffizienten gespeist werden.
  • Zweckmäßig wird der Ausgang des Stromversorgungsgerätes auf den Eingang des magnetischen Verstärkers rückgekoppelt.
  • Zur näheren Erläuterung an Hand von Ausführungsbeispielen wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen, bei welcher sich noch weitere vorteilhaft in Verbindung mit der grundsätzlichen Erfindung anwendbare Einzelmerkmale ergeben werden.
  • Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Stromversorgungsgerätes; Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild eines Verstärkers, der in der Ausführungsform nach Fig. 1 benutzt ist; Fig. 3 ist ein schematisches Schaltbild einer Spannungs- und Frequenzsollwerteinrichtung, wie sie in dem Ausführungsbeispiel nach dem Blockschaltbild der Fig. 1 benutzt wird.
  • In den Zeichnungen ist der Wicklungssinn, mit welchem die Wicklungen auf die Kerne aufgewickelt sind, durch die eingetragenen Polaritätspunkte näher bezeichnet. Ein Strom, welcher in das mit dem Polaritätspunkt versehene Ende einer Wicklung hineinfließt, würde den der Wicklung induktiv zugeordneten Kern in Richtung auf die positive Sättigung zutreiben. Ein Strom, welcher aus dem Ende einer mit dem Polaritätspunkt versehenen Wicklung herausfließt, wird den der jeweiligen Wicklung induktiv zugeordneten Kern in Richtung von der positiven Sättigung wegtreiben.
  • Das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Wechselstromversorgungsgerätes für konstante Frequenz und Spannung nach Fig. 1 umfaßt ein ungeregeltes Gleichstromversorgungsgerät 10, eine Quelle 11, welche eine Spannung rechteckiger Kurvenform liefert, eine Sollwertspannungsquelle für sinusförmige Spannung und konstante Frequenz 12 sowie einen zweistufigen Verstärker 13, der aus einem Magnetverstärkerteil 13a und einem Transistorverstärkerteil 13 b besteht.
  • Der Ausgang des ungeregelten Gleichstromversorgungsteiles 10 ist an den Eingang der Spannungsquelle 11 rechteckiger Kurvenform angeschlossen, den Eingang der Spannungs- und Frequenzsollwertquelle 12 und an die Transistorausgangsstufe 13 6 des Verstärkers 13. Der Ausgang der Spannungsquelle rechteckiger Kurvenform 11 ist so geschaltet, daß er den Eingang der magnetischen Verstärkerstufe 13 a des Verstärkers 13 speist. Der Ausgang der Spannungs- und Frequenzsollwertquelle 12 ist an den Eingang der magnetischen Verstärkerstufe 13a des Verstärkers 13 angeschlossen. Der Ausgang der Transistorausgangsstufe 13b des Verstärkers 13 ist auf den Eingang der magnetischen Verstärkerstufe 13a des Verstärkers 13 rückgekoppelt. Der Ausgang 94 der Transistorausgangsstufe 13b des Verstärkers 13 liefert die regulierte Wechselspannungsausgangsleistung des Systems.
  • Das Schlüsselelement des Systems, welches in der Fig. 1 veranschaulicht ist, ist das Steuersystem zur Schaltung von Transistoren, auf welches in der Beschreibung als dem zweistufigen Wechselstromverstärker 13 Bezug genommen ist, welcher eine Hochfrequenz-Magnetverstärkerstufe benutzt, die von der Spannungsquelle rechteckiger Kurvenform 11 gespeist wird, um die Schalttransistorausgangsstufe in der von ihr gelieferten Impulsbreite zu modulieren: Um die geregelte Ausgangsleistung zu erhalten, wird der Verstärker 13 durch eine Spannungs- und Frequenzsollwertquelle 12 niedriger Leistung erregt, welche eine konstante Ausgangsspannung und Frequenz hat. Dem Eingang des Verstärkers 13 wird ein großer Betrag negativer Rückkopplung zugeführt, um auf diese Weise den Ausgang des Systems gegen Veränderungen zu stabilisieren, welche sich aus Verstärkungsgradänderungen durch Veränderungen in der Speisespannung ergeben können, Wirkungen der Umgebungstemperatur, Alterung der Schaltungskomponenten oder Veränderungen in der Belastung.
  • Ein schematisches Schaltbild für ein Ausführungsbeispiel des Verstärkers 13 ist in Fig. 2 gezeigt, und im Hauptpatent 1134 108 ist ein solcher Verstärker beschrieben. Allgemein enthält der in Fig. 2 veranschaulichte Verstärker zwei Paare von magnetischen Verstärkern 20, 21 und 40, 41, zwei Paare von Ausgangsschalttransistoren 30, 31 und 50; 51, einen Ausgangstransformator 65 und einen Trägerfrequenzfilter 63. Die Spannungsquelle rechteckiger Kurvenform 11 nach Fig. 1 ist in ihrem Anschluß gezeigt, da sie die magnetischen Verstärker 20, 21; 40, 41 speist. Die Gleichspannungsquelle 10 nach Fig.1 ist in ihrem Anschluß an die Ausgangsschalttransistoren 30, 31, 50 und 51 gezeigt.
  • Jeder der Magnetverstärker 20, 21, 40 und 51 enthält ein magnetisches Kernglied, eine Leistungswicklung, eine Vormagnetisierungswicklung und eine Steuerwicklung. Die Vormagnetisierungswicklungen für die magnetischen Verstärker 20, 21; 40 und 41 sind zwischen den Klemmen 70 und 71; an welche eine Gleichspannungsquelle angelegt ist, in Reihe gestaltet. Die Steuerwicklungen der magnetischen Verstärker 20, 21; 40 und 41 sind zwischen den Anschlußklemmen 72 und 73 in Reihe geschaltet.
  • Die magnetischen Verstärker 20, 21, 40 und 41 können solche sein, wie sie gewöhnlich in Steuer- stromkreisen zur Erreichung eines vorbestimmten Verstärkungsgrades benutzt werden.
  • Die Spannungsquelle 11 rechteckiger Kurvenform kann ein Transistor-Wechselrichter sein. Die Arbeitsweise des in Fig. 2 veranschaulichten Apparates ist die folgende: Die die erste Stufe bildenden Magnetverstärker 20; 21, 40 und 41 werden von einem Hörfrequenz-Transistor-Wechselrichter gespeist, welcher als die Span- nungsquelle 11 rechteckiger Kurvenform bezeichnet ist. In der einen Halbwelle des Sollwertzeichens, wel- ches an die Klemmen 72 und 73 von der Spannungs-und Frequenzsollwertquelle 12 geliefert wird, werden die Magnetverstärker 20 und 21 die Transistoren 30 und 31 auf dem Trägerfrequenznennwert der Span- nungsquelle rechteckiger Kurvenform in der Impulsbreite modulieren. Die Ausgangsimpulsbreite der Transistoren 30 und 31 wird dem augenblicklichen Wert des Sollwertzeichens proportional sein, welches an die Klemmen 72 und 73 angelegt ist. Wie in Fig. 2 durch die Polaritätspunktmarkierungen an den Steuerwicklungen bezeichnet, sind die Magnetverstärker 20 und 41 und daher die Transistoren 50 und 51 in dem Sperrzustand gehalten. In der nächsten Halbwelle werden die Magnetverstärker 40 und 41 die Transistoren 50 und 51 auf dem Trägerfrequenznennwert in der Impulsbreite modulieren. Die Impulsbreite wird wieder dem augenblicklichen Wert des Sollwertzeichens proportional sein, welches an die Klemmen 72, 73 angelegt ist.
  • Die Transformatoren 25 und 45 dienen zum Anschluß des Ausgangs der zwei Paare von Magnetverstärkern 20, 21 bzw. 40, 41 an zwei der drei Elektroden jedes der Ausgangstransistoren 30, 31 bzw. 50, 51 in einer solchen Weise, daß durch die Ausgangsgröße der Magnetverstärker die Transistoren derart geschaltet werden, daß dadurch die Impulsbreite der Ausgangsimpulse der Transistoren moduliert wird.
  • In jeder Halbwelle wird eine Leistungsfrequenzänderung im Fluß in dem Ausgangstransformator 65 auftreten, und wenn das Trägerfrequenzfilter, welches allgemein mit 63 bezeichnet ist, die Trägerfrequenzimpulse filtriert, wird sich an den Klemmen 60 und 61 eine geglättete, sinusförmige Ausgangsspannung ergeben. Wenn eine herabgesetzte Ausgangsleistung an den Klemmen 60, 61 genügend ist, werden nur zwei Ausgangstransistoren erforderlich sein.
  • Für eine mehr ins einzelne gehende Beschreibung des Wesens und der Arbeitsweise des Apparates, wie er in Fig. 2 veranschaulicht ist, wird wieder Bezug genommen auf das bereits im vorausgehenden erwähnte Hauptpatent 1 131 108.
  • Das Verfahren, einen Teil der Ausgangsleistung dieses Steuersystems für die Schaltung der Transistoren auf den Eingang rückzukoppeln oder auf die Steuerwicklung des Magnetverstärkers der ersten Stufe, kann in einem Vollwellen-Gleichrichter bestehen, der parallel an den Ausgang des Steuersystems angeschlossen ist. Das Verfahren kann auch ein solches sein, wonach ein Widerstand in Reihe mit dem Ausgang geschaltet ist und die an diesem entwickelte Spannung von diesem rückgekoppelt wird, oder irgendein anderes geeignetes, dem Fachmann geläufiges Mittel. In den Rückkopplungskreis sind zweckmäßig irgendwelche geeigneten Mittel eingeschlossen, um den Betrag der Rückkopplung zu begrenzen.
  • Einen statischen Spannungs- und Frequenzsollwertgeber, wie er für die Zwecke des in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispieles der Erfindung geeignet ist, zeigt in einem Beispiel schematisch Fig. 3. Grundsätzlich enthält der Apparat, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, einen Transistor-Wechselrichter 80, welcher aus einem Paar von Halbleitervorrichtungen 81, 82 und einem magnetischen Kernglied 85 besteht, eine Gleichstromquelle 91 sowie die Dioden 76, 77 und ein Sinuswellenfilter 75.
  • Zu dem Transistor-Wechselrichter 80 sei kurz darauf hingewiesen, daß die Halbleitervorrichtungen 81 und 82 so geschaltet sind, daß sie abwechselnd die Gleichstromquelle 91 auf ein Paar von primären Wicklungen schalten, welche induktiv auf dem sättigbaren Magnetkern 85 angeordnet sind.
  • Der Wechselrichter 80 erzeugt eine Spannung rechteckiger Kurvenform, deren Frequenz direkt proportional der Größe der Spannung der Gleichstromquelle 91 und umgekehrt proportional der Sättigungsflußdichte des Magnetkerns 85 ist. Die primären Frequenzänderungen in einem Transistor-Wechselrichter sind auf Änderungen in der Speisespannung zurückzuführen, welche von der Gleichstromquelle 91 geliefert wird, oder auf Änderungen der Sättigungsfiußdichte des Magnetkerngliedes 85, und es kann eine zufriedenstellende Sollwertanordnung aufgebaut werden, wenn diese Änderungen in zufriedenstellender Weise kompensiert werden.
  • Änderungen in der Spannung, welche durch die Gleichstromquelle 91 geliefert wird, können auf einem sehr kleinen Wert gehalten werden, wenn der Wechselrichter 80 mit einer handelsüblich verfügbaren Siliziumdiode als Sollwertgeber betrieben wird. Änderungen in der Sättigungsflußdichte des Kerngliedes 85, welche durch Änderungen der Umgebungstemperatur hervorgerufen werden, können kompensiert werden, indem ein Widerstand positiven Temperaturkoeffizientens 93 in Reihe mit der Speisespannung geschaltet wird, welche von der Gleichspannungsquelle 91 geliefert wird. Wenn der Wechselrichter 80 konstant belastet ist, wird eine Änderung in der Umgebungstemperatur eine proportionale Änderung im Spannungsabfall an diesem Widerstand 93 ergeben. Durch die geeignete Wahl des Widerstandes 93 positiven Temperaturkoeffizientens kann die Änderung im Spannungsabfall an dem Widerstand 93 so gestaltet werde:, daß sie auf diese Weise Änderungen in der Sättigungsflußdichte kompensiert und dadurch die Frequenz des Wechselrichters 80 konstant gehalten wird.
  • Der in Reihe geschaltete einstellbare Widerstand 92 wird als ein Trimmer benutzt, um die Frequenz exakt auf den gewünschten Wert einzustellen. Bei einer konstanten Last am Wechselrichter 80 kann eine Änderung im Spannungsabfall am Widerstand 92 benutzt werden, um in einfacher Weise die Frequenz zu ändern, jedoch ohne dabei bedeutend die Temperaturkompensation zu beeinflussen.
  • Änderungen in dem Widerstand 93 verursachen, daß die Spannungsamplitude am Ausgang des Wechselrichters 80 sich ändert, obgleich die Frequenz konstant bleibt. Die Änderung in der Spannungsamplitude wird kompensiert, indem ein Paar von Halbleiterdioden, wie z. B. Siliziumdioden, in Gegeneinanderschaltung an den Ausgang der Schaltung des Gerätes 12 angeschlossen werden. Durch Benutzung der Kennlinie, die vom Fachmann als der Zener-Durchbruchseffekt der Siliziumdioden 76 und 77 bezeichnet wird, wird eine konstante Spannung am Ausgang der Schaltung erzielt. Das allgemein mit 75 bezeichnete Filter kann., wie gezeigt, ein solches des T-Typs sein oder ein anderes geeignetes Filter für die Umformung der nach Amplitude und Frequenz stabilisierten rechteckigen Kurvenform in eine Sinuskurvenform sein. Die Impedanzen 78 und 79 sind in Reihe mit dem Ausgang der Anordnung für Strombegrenzungszwecke eingebaut. Die Ausgangsspannung an den Klemmen 72 und 73 wird dann eine sinusförmige Spannung sein, welche in ihrer Amplitude und Frequenz stabilisiert ist, und sie wird an die Klemmen 72 und 73 des Steuerkreises des in Fig. 2 veranschaulichten Apparates angelegt.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Schaltungsanordnunzum Steuern eines durch eine Last fließenden-Stromes mit Hilfe von Schalttransistoren, bei denen jeweils die Schaltstrecke in Reihe mit einer Spannungsquelle und einer Last liegt und die über die Basiselektrode und eine angrenzende Elektrode, vorzugsweise die Emitterelektrode, verlaufende Steuerstrecke eines Transistors am Ausgang eines Magnetverstärkers liegt, dessen Arbeitswicklungen durch eine Wechselstromquelle mit rechteckförmiger Spannungswellenform gespeist sind und an dessen Steuerwicklung eine Signalspannung liegt, deren Betrag das Verhältnis von Durchlaß- zur Sperrperiode der Schaltstrecke des Transistors bestimmt, nach Patent 1134 108, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Lieferung einer Ausgangsspannung von Sinusform mit konstanter Amplitude und Frequenz, wobei der Magnetverstärker mit einer rechteckförmigen Wechselspannung höherer Frequenz gespeist wird und aus einer als Sollwertgeber dienenden Spannungsquelle konstanter sinusförmiger Spannung und Frequenz gesteuert wird.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber aus einem Wechselrichter besteht, der mit Transistoren arbeitet und einen Ausgangstransformator besitzt, dessen Kern am Ende jeder erzeugten Wechselspannungshalbwelle in den Zustand der magnetischen Sättigung gelangt und der abhängig von dem Auftreten dieses Sättigungszustandes an seinen Transistoren gesteuert ist. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß seine Ausgangsspannung durch zwei in Reihe gegeneinandergeschaltete Zenerdioden auf einem konstanten Wert gehalten wird. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber an seinem Ausgang Filterglieder für die Bildung einer sinusförmigen Ausgangsspannung enthält. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter zur Kompensierung von temperaturabhängigen Änderungen in dem Verhalten des Eisenkernes seines Transformators über einen Widerstand mit positivem Temperaturbeiwert gespeist ist. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Gerätes auf den Eingang des magnetischen Verstärkers rückgekoppelt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: »Siemens Zeitschrift«, 1957, S. 491 ff.; »Philips Technische Rundschau«, 1956, S. 321 ff.; »Elektronische Rundschau«, 1957; S. 376; »Radio Mentor«, 1950, S. 031 ff.; DIN 19226, S.
  3. 3, Bild 3.
DEW24491A 1957-11-22 1958-11-20 Schaltungsanordnung zum Steuern eines durch eine Last fliessenden Stromes mit Hilfe von Schalttransistoren Pending DE1146920B (de)

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