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Aus Transistorwechselrichter, Übertrager und nachgeschaltetem Gleichrichter
mit Ladekondensator bestehender Gleichumrichter Es sind Gleichumrichter mit einem
Transistorwechselrichter in Gegentaktschaltung bekannt, bei denen am Kollektor der
Transistoren eine Sperrspannung auftritt, die mindestens doppelt so groß ist wie
die Batteriespannung. Für solche Stromversorgungsgeräte müssen daher bei höheren
Batteriespannungen teuere, hochsperrende Silizium-Transistoren verwendet werden.
Solche Transistoren haben eine Kollektorsperrfähigkeit von >_ 360 V. Aus Lebensdauergründen
empfiehlt es sich jedoch, bei Leistungstransistoren nur etwa 60 % der .Sperrfähigkeit
auszunutzen.
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Ferner sind Gleichumrichter bekannt, bei denen am Kollektor der Transistoren
eine Sperrspannung auftritt, die ebenfalls mindestens doppelt so groß ist wie die
Batteriespannung und bei denen ein Haupt-und ein Steuerübertrager vorgesehen ist,
wobei der Steuerübertrager so ausgelegt ist, daß er in die Sättigung gefahren wird
und der Hauptübertrager im nicht gesättigten Gebiet arbeitet. Durch die hohe Kollektorsperrspannung
an den Transistoren ist diese Schaltungsanordnung für die Umrichtung von hohen Gleichspannungen
wie z. B. 212V nicht geeignet. Außerdem treten Umschalteverluste auf, die den Wirkungsgrad
der Schaltungsanordnung verringern.
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Aus der Zeitschrift »Electronic Engineering«, 1959,
S. 412 bis
418, sind Wechselumrichteranordnungen bekannt, bei denen eine Aufteilung in Haupt-
und Steuerübertrager vorgenommen ist. Es handelt sich jedoch hierbei um Schaltungsanordnungen,
bei denen im Sperrzustand des jeweiligen Transistors die doppelte Batteriespannung
an der Emitter-Kollektor-Strecke dieses Transistors liegt.
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Ferner .sind aus derselben Literaturstelle Gleichumrichterschaltungsanordnungen
mit aufgeteiltem Haupt- und Steuerübertrager bekannt, die jedoch ausgangsseitig
ohne Ladekondensator ausgebildet sind.
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Weiterhin sind aus :der vorstehend genannten Literaturstelle Wechselrichterschaltungsanordnungen
in Brückenschaltung bekannt.
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Für höhere Batteriespannungen bzw. Eingangsgleichspannungen ist es
daher vorteilhaft, eine andere ebenfalls bekannte Gleichumrichterschaltung zu verwenden,
bei der die maximale Kollektorspannung nie größer ist als die Batteriespannungen.
Eine solche bekannte Gleichumrichterschaltung ist in F i g. 1 dargestellt. Dieser
Gleichumrichter besteht aus einem Transistorwechselrichter mit Übertrager U1, nachgeschaltetem
Gleichrichter GL und Ladekondensator CL. Die Transistoren Trl und Tr. des
Wechselrichters bilden mit den Kondensatoren Cl und C2 eine Brückenschaltung. Die
Batteriespannung bzw. Eingangsgleichspannung UE wird an die eine Brückendiagonale
angelegt. In :der anderen Brückendiagonale liegt die Primärwicklung n1 des Übertragers
all. Je eine Sekundärwicklung n2 bzw. n3 dieses Übertragers til ist in die Basiskreise
der Transistoren Trl, Tr2 eingeschaltet. An die Sekundärwicklung h4 ,des übertragers
Ü1 ist der Gleichrichter Gl mit Ladekondensator CL angeschlossen, an dem
die Ausgangsgleichspannung UA abnehmbar ist. Die Transistoren Trl und Tr, werden
in Gegentakt gesteuert, sind jedoch in bezug auf die Batteriespannung UE hintereinandergeschaltet.
Ein Ansteigen der Spannung an einem der beiden Transistoren Trl bzw. Tr. über die
Batteriespannung ist hier nicht möglich. Durch die Kondensatoren Cl und C2 wird
die Speisespannung halbiert, und die an dem Übertrager Ü'1 liegende Spannung ist
gleich der halben Eingangsgleichspannung. Diese Spannung ZE entsteht bei Aussteuerung
infolge des ständigen Wechsels von Ladung und Entladung der Kondensatoren Cl, C2
über den Übertrager Ü1 und die Transistoren TYl, Tr2. Dafür ist aber der durch die
Anordnung fließende Kollektorstrom Icl bzw. 1c2 gleich dem doppelten Batteriestrom.
Die Steuerung
der Transistoren Trl, Tr2 erfolgt durch eine in die
Basiskreise eingekoppelte Spannung, die von dem Übertrager ZU, über :die Sekundärwicklungen
n2, n3 abgenommen wird. Die Schaltfrequenz ist abhängig von der Zeit, bis der Übertrager
Üi in die Sättigung gesteuert wird. Bei jeder Periode wird also im übertrager ü1
die volle Hystereseschleife durchlaufen. Deshalb treten große Hystereseverluste
auf. Außerdem erfolgt die Umschaltung der Transistoren im Sättigungszustand des
Übertragers ü1, d. h. bei einem Kollektorstrom, der stets höher ist als der maximale
Kollektarnutzstrom. Dadurch treten erhebliche Umschalteverluste im Transistor auf.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten Gleichumrichter
insbesondere in dieser Hinsicht zu verbessern.
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Die Erfindung geht aus von einem aus Transistorwechselrichter, Übertrager
und nachgeschaltetem Gleichrichter mit Ladekondensator bestehenden Gleichumrichter
der letztgenannten Art, bei dem der Übertrager in der Diagonale einer aus zwei Kondensatoren
und zwei bezüglich ihrer Kollektor-Emitter-Strecken in Serie geschalteten Transistoren
gebildeten Brückenschaltung so eingefügt ist, daß er die Mitte der Kondensatoren
und .die Mitte der beiden Transistoren verbindet und bei dem die Eingangsgleichspannung
an die andere Brückendiagonale angelegt ist und die wechselseitige Steuerung der
Transistoren über ihre Basiskreise durch vom Übertrager abgeleitete Spannungen erfolgt.
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Gemäß der Erfindung wird der Gldchumrichter so ausgebildet, daß der
Übertrager in einen Hauptübertrager und einen Steuerübertrager aufgeteilt ist, wobei
die Primärwicklung des Hauptübertragers, dessen Sekundärwicklung den nachgeschalteten
Gleichrichter speist, unmittelbar in der Brückendiagonale angeordnet ist, während
der Steuerübertrager mit seiner Primärwicklung über einen Vorwiderstand parallel
zur Primärwicklung des Hauptübertragers liegt und im Basis-Emitter-Kreis eines jeden
Transistors je eine Sekundärwicklung des Steuerübertragers so liegt, daß ein an
der Primärwicklung auftretender Impuls jeweils den einen Transistor durchsteuert
und den anderen Transistor sperrt, daß ferner die Streumduktivität des Hauptübertragers
und des Steuerübertragers so klein bemessen sind, daß die Zeit für den Stromanstieg
kurz ist im Vergleich mit der Halbperiode der Wechselrichterspannung und daß die
Entladezeitkonstante .des dem Gleichrichter unmittelbar und parallel zum Gleichrichterausgang
nachgeschalteten Kondensators zusammen mit dem niedrigsten Lastwiderstand groß ist
im Vergleich zu einer Halbperiode. Hierbei ist in bekannter Weise der Hauptübertrager
so ausgebildet, daß er unterhalb seiner Sättigungsgrenze betrieben wird und sein
Eisenkern aus einem Material besteht, das bei geringen Hystereseverlusten eine hohe
Sättigungsgrenze aufweist, während er Steuerübertrager so ausgebildet ist, daß er
bei geringen Hystereseverlusten in die Sättigung gesteuert wird. Durch diese Maßnahmen
wird der Wirkungsgrad des Gleichumrichters gegenüber ,den bekannten Anordnungen
wesentlich erhöht.
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In die Basis-Emitter-Kreise der Transistoren kann emitterseitig in
an sich bekannter Weise je eine Parallelschaltung eines einstellbaren Widerstandes
mit einem Kondensator eingeschaltet werden, wobei dem Basiskreis eines der beiden
Transistoren ein Startimpuls zugeführt wird. Der Startimpuls kann in an sich bekannter
Weise über einen Startkontakt von der Eingangsgleichspannung abgeleitet werden.
Dabei ist es vorteilhaft, ein Startrelais im Ausgangskreis des Gleichrichters so
anzuordnen, daß nach dem Anschwingen der Startkontakt öffnet und der Verbraucher
über einen weiteren Kontakt des Startrelais angeschaltet wird. In die Zuführung
der Eingangsgleichspannung, zwischen der Brückenschaltung und den Eingangsklemmen,
können in an sich bekannter Weise ein oder mehrere Entstörungsdrosseln eingeschaltet
werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Gleichumrichter so
aufgebaut, daß jeder der Transistoren durch zwei Transistoren derart ersetzt ist,
daß die Kollektor-Emitter-Strecken der beiden Transistoren mit je einem parallelgeschalteten
Widerstand und je einem parallelgeschalteten Kondensator in Reihe geschaltet sind
und daß in ihren Basis-Emitter-Kreisen je eine Sekundärwicklung des Steuerübertragers
so liegt, daß ein in der Primärwicklung auftretender Impuls jeweils die im einen
Brückenzweig liegenden Transistoren durchsteuert und die im anderen Brükkenzweig
liegenden Transistoren sperrt. Durch diese Maßnahmen ergibt sich eine Anordnung,
die gegenüber dem vorstehend beschriebenen Gleichumrichter mit nur zwei Transistoren
den weiteren Vorteil aufweist, daß sie für höhere Eingangsgleichspannungen geeignet
ist, oder daß Transistoren mit geringer Sperrfähigkeit verwendbar sind.
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Die Erfindung wird an Hand der in den F i g. 2 und 5 schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiele und an Hand der Diagramme nach den F i g. 3, 4, 6, 7 und ß
näher erläutert.
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Der prinzipielle Aufbau der in F i g. 2 dargestellten Schaltung eines
Gleichumrichters entspricht demjenigen der Schaltung nach F i g.1. Bei der Schaltungsanordnung
nach F i g. 2 ist jedoch der übertrager ü1 der Schaltung nach F i g. 1 in einen
Hauptübertrager if1' und einen Steuerübertrager V2 aufgeteilt, wobei die beiden
Übertrager in spezieller Weise bemessen sind. Bei der Anordnung nach F i g. 2 erfolgt
die Steuerung der Transistoren Trl und Tr2 durch den Steueriibertrager ü2 mit sehr
kleinem Eisenkernquerschnitt, z. B. qE - 0,08 cm2, der gesättigt wird, während der
Hauptübertrager Ü1' lediglich normal ausgesteuert wird. Der Steuerübertrager Ü'2
liegt über den Vorwiderstand R" parallel zur Primärwicklung des Hauptübertragers
ü1'. Durch Verlegung der Steuerung der Transistoren Trl, Tr@ in den gesonderten,
speziell bemessenen Steuerübertrager ergibt sich, außer geringeren Eisenverlusten,
bei dieser Schaltung noch der weitere wesentliche Vorteil, daß die Umschalteverluste
der Transistoren sehr kleine Werte annehmen, da im Augenblick der Sättigung des
Steuerübertragers ü2 der Basisstrom kurzgeschlossen wird und damit der Kollektorstrom
erst auf einen sehr kleinen Betrag abklingt, ehe die Kollektorspannung auf den Sperrwert
umspringen kann. Dies ist aus der F i g. 3 deutlich erkennbar, die den zeitlichen
Verlauf der Spannung UCE und des Stromes JC an den Transistoren Trl bzw. Tr, zeigt.
Bei 100 Watt Ausgangsleistung betragen die Umschaltverluste je Transistor nur etwa
0,5 W. Die Durchgangsverluste sind dabei etwa 0,25 W je Transistor, die gesamten
Basisverluste etwa 0,2 W je Transistor. Die Schaltfrequenz des Umrichters ist so
gewählt, daß die Summe aller Verluste ein Minimum beträgt. Die optimale Frequenz
liegt z. B. bei einer speziellen
Dimensionierung bei 1820 Hz für
eine Ausgangsleistung von 100 W. Bei Leerlauf steigt die Frequenz lediglich auf
1850 Hz an. Die Kurve nach F i g. 4 zeigt die bei einem Gleichumrichter von 212
V auf 24 V gemessenen Gesamtverluste N" abhängig von der abgegebenen Leistung
Na.
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Die Gesamtschaltung eines Gleichumrichters von 212 V auf 24 V zeigt
F i g. 5. Die entstehende Rechteckspannung wird im Übertrager Üi auf den erforderlichen
Wert transformiert und in einer Gegentaktschaltung mit den zwei Germanium-Leistungsgleichrichtern
Gli, G12 gleichgerichtet. Die Germanium-Gleichrichter besitzen wegen ihres geringeren
Schwellwertes einen besseren Wirkungsgrad als Selen-Gleichrichter. Der Ladekondensator
ist mit CL bezeichnet. Mit dem nachfolgenden Siebglied L2, C, werden Fremd-
und Störspannungsforderungen am Ausgang erfüllt. Auf der 212-V-Seite ist die Drossel
L1 eingeschaltet, die zusammen mit den Kondensatoren Cl und C2 die Störspannungsforderungen
auf der Batterieseite gewährleistet.
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Das Starten des Gleichumrichters erfolgt durch einen Spannungsabfall
am Basiswiderstand Rb. des Transistors Tr2, der durch einen Hilfsstrom von der 212-V-Gleichspannung
über ein RC-Glied abgeleitet wird. Nach dem Anschwingen wird dieser Strom durch
den Relaiskontakt s1 des Relais S unterbrochen, dessen Erregerspule in Serie mit
einem Widerstand R" parallel zur Ausgangsspannung bzw. zum Ladekondensator liegt.
Ein weiterer Kontakt s2 dieses Relais S schaltet nach dem Anschwingen die Last RA
an. Bei Kurzschluß an den Ausgangsklemmen bricht die Spannung am Hauptübertrager
ü1' zusammen, und der Wechselrichter hört auf zu schwingen. Nach einer gewissen
Zeit, verursacht durch das Zeitglied R", C in dem Relaiserregungsstromkreis,
wird der Wechselrichter von neuem gestartet. Durch den niedrigen Innenwiderstand
(- 0,3 Ohm) ist die Lastabhängigkeit der Ausgangsspannung UA sehr gering. Sie beträgt
im Bereich zwischen 20 und 100 W nur etwa ±2,5%. Bei ungeregelter Eingangsspannung
UE oder bei erhöhter Konstanzforderung der Ausgangsspannung UA kann ein normaler
Verlustregler nachgeschaltet werden-F i g. 6 zeigt den Gesamtwirkungsgrad 71 der
Schaltungsanordnung nach F i g. 5 einschließlich Eingangsdrossel L1, Ausgangssiebglied
L2, C, und Anlaßschaltung in Abhängigkeit von der abgegebenen Leistung N, Wie aus
F i g. 6 ersichtlich, kann mit der Schaltungsanordnung nach F i g. 5 in dem großen
Lastbereich von etwa 20 bis 100 W ein Wirkungsgrad von 90 bis 94% erreicht werden.
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F i g. 7 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsspannung UA von der Ausgangsleistung.
Die Spannung schwankt dabei zwischen einem Lastbereich von 5 bis 100 W um ±2,5 0/0.
Durch umschaltbare Anzapfungen 1 ... 7 der Primärwindungen des Hauptübertragers
ÜI (vgl. F i g. 5) können diese Spannungsschwankungen innerhalb gewisser Lastbereiche
auf < ±0,5% herabgesetzt werden. Die F i g. 8 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsspannung
Ud von der Ausgangsleistung Na unter Berücksichtigung von um- _ schaltbaren
Anzapfungen 1... 7 der Primärwicklung des Hauptübertragers Üi .
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Der Gegenstand des Anspruchs 1 ist nur in seiner Gesamtheit als Erfindung
zu werten. Für die Merkmale der Unteransprüche wird kein selbständiger Schutz begehrt.