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Fremdgesteuerter Gegentaktwechselrichter Es ist bekannt, bei Transistor-Gegentaktwechselrichtern
für höhere Gleichspannungen die Brückenschaltungsanordnung zu wählen und darüber
hinaus je Brückenzweig Transistoren in Reihe zu schalten. Zur gleichmäßigen Aufteilung
der Sperrspannung in der Sperrphase werden hochohmige Widerstände den Kollektor-Emitter-Strecken
(bei Emitterschaltung) parallel geschaltet. Da die Transistoren nicht ganz gleichmäßig
ausgesteuert werden, kann sich während des Umschaltens dennoch die Spannung ungleichmäßig
auf die verschiedenen in Reihe liegenden Transistoren aufteilen. Dies wird bekannterweise
durch zusätzlich parallelgeschaltete Kondensatoren verhindert, die den Kollektorstrom
so lange übernehmen, bis die Abschaltzeit des langsamsten Transistors beendet ist
oder, anders ausgedrückt, alle Ladungsträger aus den Basiszonen abtransportiert
sind. Der Nachteil dieser Schaltungsanordnung ist, daß beim Wiedereinschalten nach
einer Halbperiode die Ladung dieser Kondensatoren in den Transistoren in Wärme umgesetzt
wird, wodurch Wirkungsgrad und Transistorausnutzung herabgesetzt werden. Insbesondere
bei höheren Frequenzen werden diese Verluste sehr ins Gewicht fallen.
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Die bekannte Schaltungsanordnung ist in F i g.1 mit jeweils zwei Transistoren
in Reihe dargestellt. Die beiden Transistorgruppen 11 bis 14 und 21 bis 24 werden
gegenläufig über die Steuerwicklungen 31 bis 34 und 41 bis 44 von einem nicht näher
dargestellten Hilfsoszillator ausgesteuert. Hierdurch wird die Primärwicklung 2
des Wechselrichtertransformators 1 mit wechselnder Polarität an die nicht näher
bezeichnete Gleichspannungsquelle gelegt. Die erzeugte Wechselspannung wird .dabei
an der Sekundärwicklung 3 abgenommen. Zur gleichmäßigen Sperrspannungsaufteilung
unter den Transistoren dienen die parallelgeschalteten Kapazitäten 5 und ohmschen
Widerstände 4.
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Es sind auch selbsterregte Transistorwechselrichter bekannt, bei denen
Kondensatoren an Transformatorsekundärwicklungen angeschlossen sind. Diese Kondensatoren
sind jedoch relativ klein und lediglich für eine Bedämpfung der von Streuinduktivitäten
hervorrufbaren Überspannungen bemessen. Weiterhin sind Kommutierungskondensatoren
für herkömmliche, selbstgeführte Wechselrichter bekannt, die mit einer Überlappung
der Stronnzuführungszeiten arbeiten.
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Die Erfindung betrifft nun einen fremdgesteuerten Gegenkontaktwechselrichter,
enthaltend einen Wechselrichtertransformator unmittelbar an eine Gleichspannung
schaltende Transistoren und einen parallel zu einer Wicklung des Transformators
angeschlossenen Kondensator, der mit der Transformatorinduktivität und der Belastung
einen Parallelresonanzkreis bildet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
eine eine Schaltpause zwischen dem Ausschalten des einen und dem Einschalten des
anderen Transistors bewirkende Schaltungsanordnung vorgesehen ist, daß die Schaltpause
mindestens von der Größe der Umschwingungszeit ist, die die am Wechselrichterausgang
liegende Spannung zum Umschwingen auf den gleichen Wert umgekehrter Polarität benötigt
und daß die Umschwingzeit durch geeignete Bemessung des Resonanzkreises, insbesondere
des Kondensators, groß gegenüber den Abschalizeiten der Transistoren ist. Hierdurch
werden die normalen, bei höheren Frequenzen merklich ins Gewicht fallenden Umschaltverluste
der Transistoren erheblich vermindert. Außerdem können jeweils mehrere Transistoren
in Reite geschaltet werden, ohne daß die weiter oben genannten Verluste auftreten.
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Zum Stand der Technik ist noch darauf zu verweisen, daß mechanische
Wechselrichter wegen der räumlichen Trennung der Kontakte zwangläufig Kontaktlücken
aufweisen. Die Lücken sind daher durch den Leistungsteil des Wechselrichters bedingt
und in ihrer Größe festliegend. Zur Überbrückung der Lücken wurden Kondensatoren
bzw. mit Hilfe von Kondensatoren gebildete Schwingungskreise eingesetzt. Eine Berücksichtigung
von Art und Größe der Belastung des Wechselrichters durch Veränderung der Lücken
ist aber ohne weiteres nicht möglich.
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Es ist auch bekannt, bei Speicherwechselrichtern in Reihenanordnung
mit abwechselnd gesteuerten
Entladungsstrecken eine eine Schaltpause
zwischen dem Ausschalten der einen Entladungsstrecke und dem Einschalten der anderen
Entladungsstrecke bewirkende Schaltungsanordnung vorzusehen und durch geeignete
Bemessung des Resonanzkreises, insbesondere des Kondensators, die Abschaltzeiten
der Entladungsstrecken zu berücksichtigen. Bei derartigen Speicherwechselrichtern
ist es unbedingt erforderlich, daß die Frequenz der durch die Energiespeicher gebildeten
und die Wechselrichterfrequenz festlegenden Resonanzkreise auf die Steuerfrequenz
abgestimmt sind. Anregungen für die Steuerung des vorliegenden fremdgesteuerten
Gegentaktwechselrichters können diese bekannten Anordnungen nicht geben, da es sich
hier um einen Wechselrichter handelt, dessen Funktion und dessen Frequenz durch
keine Energiespeicher bestimmt sind.
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Die Transistoren schalten den Wechselrichtertransformator unmittelbar
an die Speisegleichspannung. Da es sich bei den Transistoren um über den jeweiligen
Steuerkreis auch ausschaltbare Halbleiterelemente handelt, bestand zunächst kein
Anlaß, besonderen Wert auf eine größere Lücke zwischen der Stromführung der einen
und der anderen Gruppe von Halbleiterelementen zu sorgen.
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Die weitere Erläuterung erfolgt an Hand der F i g. 2 bis 4.
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In F i g. 2 ist wieder ein fremdgesteuerter Wechselrichter in Brückenschaltungsanordnung
dargestellt, wobei in Anlehnung an F i g. 1 für einander entsprechende Bauelemente
gleiche Bezugszeichen gewählt sind. In der F i g. 2 besteht der wesentliche Unterschied
gegenüber der F i g. 1 darin, daß an Stelle der acht Kondensatoren 5 an den Ausgangsklemmen
der Sekundärwicklung 3 des Wechselrichtertransformators 1 neben der eigentlichen
Belastung 7 ein einziger Kondensator 6 angeschlossen ist. Der Kondensator kann aber
auch parallel zur Primärwicklung oder einer zusätzlichen Wicklung angeschlossen
sein. Der Betrieb des Wechselrichters spielt sich nun folgendermaßen ab: Mit dem
Umpolen der rechteckförmigen Hilfsoszillatorspannung werden die beiden jeweils stromführenden
Transistorgruppen 11, 12 und 13, 14 bzw. 21, 22 und 23, 24 abgeschaltet. Die Wechselrichterspannung
schwingt darauf in einer Zeit und nach einer Funktion um, die von der Größe der
Hauptinduktivität des Transformators 1, gegebenenfalls gemeinsam mit einer zusätzlichen
Induktivität, des Kondensators 6 und der Belastung 7 abhängt. Erst nach beendeter
Umschwingzeit, wenn also die Wechselspannung ihren vollen Wert mit umgekehrter Polarität
wieder erreicht hat, sollen gemäß der Erfindung die beiden anderen Transistorgruppen
sprunghaft ausgesteuert werden.
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Die Umschwingzeit kann durch passende Bemessung, insbesondere des
Kondensators 6, beispielsweise auf einige Prozent der Halbperiode der Ausgangsspannung
desWechselrichters, eingestellt werden, die Sperrspannung liegt dann erst nach dieser
Zeit in voller Höhe an, so daß bei nicht zu hoher Frequenz die Transistorströme
bereits abgeklungen sind. Die Transistorumschaltverluste werden demgemäß wesentlich
reduziert. In F i g. 3 sind die Kurven der Spannungen und Ströme während des Abschaltens,
im Fall a) nach F i g. 1 und im Fall b) nach F i g. 2, gegenübergestellt (UCE =
Spannung zwischen Emitter und Kollektor eines Transistors, 1c = Kollektor-Strom,
t = Zeit). Wie ersichtlich, ist bei dem Gegenstand der Erfindung entsprechend .der
F i g. 3 b die Abschaltarbeit, d. h. das Produkt Spannung mal Strom mal Abschaltzeit,
wesentlich kleiner. Außerdem wird eine unterschiedliche Spannungsbeanspruchung während
des Umschaltens infolge unterschiedlicher Transistoraussteuerung vermieden.
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Wichtig ist hier, daß die einzuschaltende Transistorgruppe nicht zu
frühzeitig ausgesteuert wird, weil sonst ein kapazitiver Einschaltstromstoß die
Folge wäre. Ein kurzzeitig verspätetes Aussteuern schadet dagegen nichts, da ein
Überschwingen der Spannung durch die bekannte Wirkung der vorher an sich gesperrten
anderen Wechselrichter-Transistoren, jeweils für den abzuschaltenden Transistor
beispielsweise über die Kollektor-Basis-Strecken als Freilaufdioden zu wirken, verhindert
wird.
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Die Steuerung des Einschaltens im richtigen Zeitpunkt wird beispielsweise
durch ein logisches Schaltelement mit Und-Verhalten derart erreicht, daß die einzuschaltende
Transistorgruppe durch einen Schalttransistor ausgesteuert wird, wobei dieser Schalttransistor
nur dann einschaltet, wenn sowohl die Spannung des Hilfsoszillators als auch die
Wechselrichterspannung die richtige Polarität und die letztgenannte Spannung zudem
die richtige Größe hat. Um ein Schwanken der Batteriespannung zu eliminieren, kann
eine Bezugsgröße in Abhängigkeit von der Batteriespannung gleitend gemacht werden.
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F i g. 4 zeigt beispielsweise eine Schaltungsanordnung zur Umsteuerung
der in F i g. 2 enthaltenen Transistoren. Dabei sind 56 und 57 die Ausgangswicklungen
eines zum Hilfsoszillator 59 gehörigen Transformators 55 mit der Primärwicklung
58. 30
und 40 sind zwei Zwischentransformatoren, deren acht Ausgangswicklungen
31 ... 34 und 41 ... 44 in den Eingangskreisen der Transistoren 11
... 14 und 21 ... 24 der in F i g. 2 dargestellten Leistungsstufe
liegen. Die Schalttransistoren 51 und 52 schalten die Aussteuerung der einzuschaltenden
Leistungstransistoren im richtigen Augenblick ein. Die Dioden 53 und 54 erlauben
eine ungekehrte Aussteuerung der Leistungstransistoren in der Sperrphase, und logische
Schaltungen 60, 61 mit Und-Verhalten, d. h. hier Transistorkippschalter, die nur
bei Anliegen von zwei negativen Steuerspannungen einschalten, beaufschlagen die
Eingangskreise der zu den Dioden 53 und 54 gegensinnig parallelliegenden Schalttransistoren
51 und 52. Die eine Steuerspannung liefert der selbsterregte und selbstgeführte
Hilfsoszillator 59 an den Ausgangswicklungen 56, 57 selbst, während die andere
entweder direkt an den Klemmen A und B
(F i g. 2) oder über eine zusätzliche
Wicklung am Wechselrichtertransformator 1 (F i g. 2) oder über die Sekundärwicklung
103 eines Übertragers 101, dessen Pimärwicklung 102 an den Klemmen
A und B
liegt, und Zenerdioden 62, 63 in richtiger Größe und Polarität
von der Wechselrichter-Ausgangsspannung abgenommen wird. Die Widerstände 64 und
65, die auch in den logischen Schaltungen 60, 61 enthalten sein können, dienen zur
Bezugsbildung zum Nullpotential. Die in den logischen Schaltungen 60, 61
enthaltenen
Kippschaltungen haben, beispielsweise als Schmitt-Trigger ausgebildet, insbesondere
wegen der hier verwendeten kleinen Transistortypen eine hohe Schaltgeschwindigkeit.
Logische Schaltungen als solche sind bereits bekannt und in der in Frage kommenden
Form bereits beschrieben worden.
In gewissen Grenzen und bei ohmscher
und annähernd konstanter Belastung, bei der die Umschwingzeit sich also nicht ändert,
kann die Schaltpause fest eingestellt werden und durch Variation der von dem Hilfsoszillator
59 bestimmten Frequenz der Mittelwert der Wechselrichter-Ausgangsspannung gesteuert
werden.
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Die Stromversorgung der in F i g. 4 dargestellten logischen Schaltelemente
60, 61 kann auch statt von den gezeigten Gleichspannungen über eine Wechselspannung
erfolgen, die von dem Ausgang des Wechselrichtertransformators 1 abgeleitet ist.
Fernerhin kann das Anschwingen des Wechselrichters durch kurzzeitig wirksame Zusatzspannungen
ermöglicht werden, die auf die Eingänge der logischen Schaltungen gegeben werden.
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Sofern weitgehend konstante Betriebsbedingungen vorliegen, kann mit
einer festen Verzögerung zwischen dem Ausschalten des einen und dem Einschalten
des anderen Teiles der Transistoren gearbeitet werden. In F i g. 4 wären dann beispielsweise
an Stelle der Schalttransistoren 51, 52 und der logischen Schaltungen 60, 61 zwischen
den Wicklungen 56 und 35 bzw. 57 und 45 Vierpole mit Laufzeitverhalten, wie ohmsche-kapazitive
Widerstände, anzuordnen, die in der einen Richtung mit Dioden überbrückt sind.
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Eine andere Möglichkeit, die erfindungsgemäße Schaltpause zu erzwingen,
besteht darin, die Steuerung in Abhängigkeit von dem die Transistoren
11
bis 14 und 21 bis 24 durchfliessenden Strom zu beeinflussen. Beispielsweise
können an vom Strom der Wicklung 2 durchflossene Shunte über Ventile Kondensatoren
angeschlossen sein. Deren Entladung kann dabei wegen der den Rückstromfluß sperrenden
Ventile lediglich über einen Widerstand im Steuerkreis der für die jeweils entgegengesetzte
Stromrichtung bestimmten Transistoren erfolgen. Erst wenn der betreffende Kondensator
weitgehend entladen ist, erfolgt die Freigabe für die Einschaltsteuerung.