DE1413479B2 - Statischer umformer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen statischen Umformer zur Erzeugung eines Drehfeldes, bestehend aus einem mit zwei parallel geschalteten Transistoren bestückten Oszillator, der zwei um 90° phasenverschobene Gegentaktspannungen abgibt, und zwei Gegentakrverstärkern mit je einem Ausgangstransformator in Scott-Schaltung sowie einem temperaturabhängigen Regelglied.

Derartige Umformer werden üblicherweise an Bord von Flugzeugen oder Schiffen oder anderen Fahrzeugen zum Betrieb verschiedener Geräte benötigt, insbesondere Kreiselgeräten od. dgl. Bei mit Gleichstrom-Bordnetz ausgerüsteten Flugzeugen, Schiffen u. a. Fahrzeugen befinden sich diese Umformer dauernd in Betrieb, während bei mit Wechselstrom-Bordnetz ausgerüsteten Fahrzeugen ein solcher Umformer ebenfalls benötigt wird, und zwar als Reserveaggregat für den Fall, daß der Wechselstromgenerator aus irgendeinem Grunde ausfällt.

Zum Betrieb der an Bord von Flugzeugen, Schiffen usw. benutzten Wechselstromgeräte, insbesondere der Kreiselgeräte, ist ein Drehstrom mit sehr genauer und konstanter Phasenlage auch bei stark wechselnder und unsymmetrischer Belastung erforderlich, der darüber hinaus auch exakt sinusförmig sein soll; auch wird im allgemeinen ein Klirrfaktor von weniger als 5%> gefordert. Weiterhin wird verlangt, daß die Differenz der verschiedenen Phasenspannungen sehr klein ist; sie darf auf keinen Fall größer sein als 2,5%. Schließlich soll der Umformer noch in der Lage sein, kurzzeitig etwa die 3- bis 4fache Leistung zu liefern, z. B. dann, wenn das oder die angeschlossenen Wechselstromgeräte in Betrieb genommen werden, was etwa 2 Minuten dauern kann. Bisher werden zur Erzeugung von Wechselspannungen mit einer oder auch mit mehreren Phasen

ίο rotierende Umformer verwendet, bei denen die erwähnten Forderungen mit Ausnahme der Forderung nach Frequenzkonstanz einigermaßen erfüllt sind. Rotierende Umformer sind jedoch sehr störanfällig, umfangreich und schwer, so daß sie den an sie gestellten hohen Anforderungen nicht mehr genügen.

Es sind deshalb statische Umformer entwickelt

worden, bei denen ein die Frequenz gut konstant haltender Oszillator mehrere Verstärkerzüge mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen speist, und zwar so viele Verstärkerzüge, wie Phasen gefordert werden. Die Regelung dieser drei praktisch unabhängigen Verstärkerzüge auf genau konstante Phasen- / lage auch bei stark schwankender Belastung ist aber vtf schwierig und bringt einen hohen Aufwand mit sich.

Bei einem abgewandelten derartigen Oszillator hat man an Stelle eines gemeinsamen Oszillators einen Steueroszillator und einen oder mehrere Folgeoszillatoren vorgesehen.

Außerdem ist aus der USA.-Patentschrift 3 046 412 ein statischer Umformer zur Erzeugung phasenverschobener rechteckiger Wechselspannungen bekannt, der einen Franklin-Oszillator aufweist, der eine sinusförmige Spannung abgibt, die mittels bistabiler Univibratoren in rechteckige Spannungen umgewandelt werden. Die Phasenverschiebung der rechteckigen Spannung gegenüber der Oszillatorspannung wird durch eine entsprechende Dimensionierung der Univibratoren erreicht. Für jede zu erzeugende Rechteckspannung wird ein gesonderter Univibrator be- nötigt.

Es ist ferner bekannt, aus Wechselstrom mit zwei um 90° gegeneinander versetzten Phasen einen Wechselstrom mit drei jeweils um 120° gegeneinander versetzten Phasen dadurch zu erzeugen, daß (5 die beiden Phasen auf die Primärseite je eines Transformators gegeben werden, wobei der eine Transformator zwei Sekundärwicklungen trägt und der andere eine, die mit einem Ende an den Mittelpunkt der beiden Sekundärwicklungen des ersten Transformators angeschlossen ist. Die drei Sekundärwicklungen sind also in Stern geschaltet, so daß von den freien Enden der Wicklungen eine Dreiphasen-Drehspannung abgenommen werden kann. Eine solche Schaltung wird als Scott-Schaltung bezeichnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen statischen Umformer zu schaffen, der bei möglichst geringem Schaltungsaufwand einen Drehstrom reiner Sinusform mit sehr genauer und konstanter Phasenlage auch bei stark wechselnder und unsymmetrischer Belastung erzeugt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Kollektor-Arbeitswiderstände der Oszillator-Transistoren von Resonanzkreisen mit je einem Transformator als Gegentakt-Oszillatorausgang gebildet werden und zwischen die Oszillator- ; Transistoren gleiche, um +90° phasendrehende RC-Glieder aus Längs-Kondensatoren und Quer-Widerständen zwischengeschaltet sind.

Bei diesem Umformer können vollkommen gleiche i?C-Glieder verwendet werden, die eine galvanische Kopplung der Transistoren ermöglichen. Außerdem liefern die Oszillatorausgänge amplitudengleiche und 90° phasenverschobene Gegentaktspannungen.

An die Leistungsfähigkeit statischer Umformer werden bekanntlich sehr hohe Anforderungen gestellt. Dazu gehört auch, daß die Ausgangsspannung sehr konstant sein muß, und zwar sowohl über einen großen Lastbereich als auch in einem großen Betriebstemperaturbereich. Gerade diese letztere Forderung ist bei statischen Umformern, die zur Verringerung des Raumbedarfs mit Transistoren bestückt sind, nur sehr schwer durchzuführen. Bei statischen Umformern mit zwei Ausgangstransformatoren in Scott-Schaltung, bei denen die beiden auf der Primärseite der beiden Ausgangstransformatoren eingespeisten Phasen sehr fest miteinander gekoppelt sind, so daß sich keine Phasenverschiebungen einstellen können, wie das bei erfindungsgemäßen Umformern z. B. der Fall ist, kann diese Regelung auf konstante Spannung in einem weiten Temperaturbereich in weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch erzielt werden, daß eine Hilfswicklung auf einem Ausgangstransformator vorgesehen wird, vorzugsweise dem mit einer Sekundärwicklung versehenen Transformator in Scott-Schaltung, die einerseits an Masse und andererseits über eine Diode und Siebglieder an einem Eingang, vorzugsweise der Basis eines Transistors liegt, dessen anderer Eingang, vorzugsweise der Emitter, mit einer konstanten Bezugsspannung versorgt wird und dessen Kollektor mit dem Emitter bzw. den Emittern des Oszillators gleichstrommäßig gekoppelt ist. Wenn die Phasen genügend fest miteinander gekoppelt sind, genügt die Regelung des ganzen Umformers zur Erzeugung einer gewünschten Ausgangsspannung vollständig, so daß diese einfache Differentialregelung des Emitterpotentials des Oszillators ausreicht.

Wenn die Anforderungen an den Temperaturbereich sehr hoch geschraubt werden, wie das z. B. für die Luftfahrt der Fall ist, wird vorgeschlagen, daß zwischen der Hilfswicklung und dem Transistoreingang ein Widerstandsnetzwerk mit wenigstens einem temperaturabhängigen Widerstand liegt.

Ein statischer Umformer soll natürlich neben den bereits erwähnten, unbedingt einzuhaltenden Bedingungen auch einen guten Wirkungsgrad haben; außerdem ist ein geringer Ausgangswiderstand erwünscht, vor allem für kurzzeitige Überlastungen. Um auch dies zu erfüllen, wird in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, den erfindungsgemäßen Umformer so auszubilden, daß jeder Verstärkerzug aus einer Treiberstufe und einer Endstufe besteht, die beide aus zwei im Gegentakt-C-Betrieb arbeitenden Transistoren in Kollektorschaltung aufgebaut und galvanisch gekoppelt sind.

Es wurde bereits erwähnt, daß der Umformer auch bei hohen Umgebungstemperaturen (+70° C) einwandfrei arbeiten muß. Das ist nur möglich, wenn die vom Transistor selbst erzeugte Wärme gering gehalten wird. Dazu ist wieder erforderlich, daß der jeweils nichtleitende Transistor der Gegentaktschaltung gut gesperrt ist, also der eventuell durch ihn fließende und Wärme erzeugende Ruhestrom wenigstens vernachlässigbar klein, möglichst aber gleich Null ist. Das ist bei modernen Germanium-Leistungstransistoren bei Zimmertemperatur im allgemeinen der Fall, wenn die Basis das gleiche Potential hat wie der Emitter. Bei höheren Umgebungstemperaturen muß jedoch an der Basis eine gewisse Vorspannung liegen, etwa 0,5 bis 1 Volt, die den Transistor sperrt. Zur Erzeugung dieser Vorspannung ist es bekannt, temperaturabhängige Widerstände zu verwenden, die natürlich einen gewissen Leistungsverbrauch mit sich bringen und außerdem den Spannungsbedarf des Gerätes erhöhen, oder eine konstante Basisvorspannung durch eine Siliziumdiode mit konstantem, stromunabhängigem Spannungsabfall zu erzeugen, die an den Netztransformator oder an die Batterie angeschlossen sein kann. Die letztgenannte Möglichkeit kommt aber im vorliegenden Fall praktisch nicht in Betracht.

Zur Erzeugung der erforderlichen konstanten Sperrspannung für im C-Betrieb arbeitende Transistoren, wie sie z. B. in den Verstärkerzügen eines erfindungsgemäßen Umformers verwendet werden können, wird von einer bekannten Gleichrichteranordnung und einer Siliziumdiode ausgegangen, durch die die Basisvorspannung aus einer Wechselspannung gewonnen wird, und erfindungsgemäß empfohlen, daß zwei Gleichrichterdioden an die Primärwicklungen des Ausgangstransformators angeschlossen sind.

Bei den für den erfindungsgemäßen Umformer bevorzugten Verstärkerzügen sind die Treiberstufe und die Endstufe galvanisch gekoppelt. Das bedeutet, daß die Basisvorspannung der Endstufe auch an den Emittern der Treiberstufe anliegt, weshalb bei C-Betrieb der Treiberstufe die Basisvorspannung der Treiberstufe entsprechend höher bemessen werden muß. In weiterer Ausbildung der Erfindung wird zur Lösung dieser Frage vorgeschlagen, daß zwei in Reihe geschaltete Siliziumdioden vorgesehen sind, wobei die Endstufenvorspannung zwischen den beiden Dioden und die Treiberstufenvorspannung über die beiden Dioden abgenommen wird.

Weiterhin bekannt ist ein Röhren-Oszillator (französische Patentschrift 951430, Fig. 4) ähnlich dem der eingangs angegebenen Gattung, bei dem zwischen die erste und zweite Röhre ein ÄC-Glied geschaltet ist, das eine Phasenverschiebung von 90° bewirkt. Diese positive Phasendrehung muß durch eine gleich große negative ausgeglichen werden, was durch ein zwischen die zweite und erste Röhre zwischengeschaltetes, zum ersten komplementäres ÄC-Glied erreicht wird. Eine Umwandlung des bekannten Röhren-Oszillators in einen Transistor-Oszillator bringt erhebliche technische Schwierigkeiten. Die Röhren können wegen des hochohmigen Eingangs im wesentlichen leistungslos gesteuert werden; dies ist bei Transistoren nicht mehr möglich. Daher würde der endliche Eingangswiderstand des zweiten Transistors parallel zum um + 90° phasendrehenden ÄC-Glied zu liegen kommen.

Dies würde eine Änderung der Phasendrehung bewirken, so daß man an den beiden Oszillatorausgängen keine um 90° phasenverschobene Ausgangsspannungen erhalten würde.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird dieser Nachteil dadurch vermieden, daß der Eingangswiderstand mit in das vorgeschaltete ÄC-Glied eingerechnet wird, wenn dieses wie gemäß der Erfindung aus Längs-Kondensatoren und Quer-Widerständen aufgebaut ist, so daß der letzte Quer-Widerstand des RC-Gliedes parallel zum Transistoreingang liegt. Damit läßt sich der Eingangswiderstand und der noch parallelliegende Basisteiler mit in das Netzwerk einbeziehen. Beide Netzwerke können gleich, d. h.

aus Bauelementen mit gleichen Werten aufgebaut werden.

Da beide Transistoren eine Phasendrehung von 360° und beide Netzwerke eine um 180° bewirken, muß eine Rückdrehung der Phase um 180° erfolgen, um die Schwingbedingung zu erfüllen. Erfindungsgemäß werden hierzu als Arbeitswiderstände Resonanzkreise verwendet, die je einen Transformator enthalten. Diese Transformatoren sind so geschaltet, daß einer von beiden eine Rückdrehung der Phase um 180° bewirkt und gleichzeitig zwei Gegentakt-Oszillatorausgänge erhalten werden. Damit ergeben sich gegenüber vergleichbaren Röhrenschaltungen Vorteile, die darin bestehen, daß gleiche i?C-Glieder verwendet werden, die Oszillatorausgänge Gegentaktspannungen liefern, die amplitudengleich und um 90° phasenverschoben sind, und daß bei Verwendung der angegebenen i?C-Glieder eine galvanische Kopplung der Transistoren ermöglicht wird.

Die Erfindung ist an Hand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels, dessen Prinzipschaltbild in der Zeichnung dargestellt ist, nachstehend näher erläutert.

Der erfindungsgemäße statische Umformer besteht im wesentlichen aus einem Doppeloszillator mit den beiden Transistoren Tl und T 2, zwei Verstärkerzügen mit den Transistoren T 4, T 5, T 6 und T 7 bzw. T8, T9, TlO und TIl, die zwei in Scott-Schaltung betriebene Ausgangstransformatoren speisen, sowie einer Regelschaltung mit dem Transistor T 3.

Die beiden Transistoren Γ1 und Γ2 des Oszillators sind parallel geschaltet; sie liegen über Emitterwiderstände R9 bzw. RIO gemeinsam über die erwähnte Regelschaltung an Masse, und ihre Kollektoren liegen über die Primärseiten je eines Transformators TrI bzw. Tr 2 an Spannung. Die Basisspannung wird jeweils durch einen Widerstandsspannungsteiler aus Widerständen RS, R6 bzw. R7, R8 erzeugt. Vor die Basis jedes der beiden Transistoren ist ein Netzwerk aus zwei Kondensatoren C1, C 2 bzw. C 3, C 4 und je zwei Widerständen Rl, R2 bzw. R3, R4 geschaltet, welches eine an das freie Ende des Kondensators Cl bzw. C 3 angelegte Wechselspannung der Oszillatorfrequenz in ihrer Phasenlage um 90° dreht.

Der Oszillator arbeitet in folgender Weise: Eine an der Basis des Transistors Tl liegende Wechselspannung wird im Transistor Tl verstärkt und steht bekanntlich mit 180° Phasenverschiebung am Kollektor des Transistors Tl. Sie wird auf der Sekundärseite des Transformators TrI in der gleichen Phasenlage zum Kondensator C 3 und von dort nach Drehung um weitere 90° zur Basis des Transistors T2 geleitet. Dort kommt also eine Wechselspannung mit 270° Phasendrehung an. Nach Verstärkung im Transistor T2 steht sie mit 450° Phasendrehung an der Primärseite des Transformators Tr 2 und wird an dessen Sekundärseite nach Rückdrehung um 180° zum Kondensator Cl geleitet. Von dort läuft sie wieder mit Drehung um 90° zur Basis des Transistors Tl, wo sie demnach mit 360° Phasendrehung, also in der gleichen Phasenlage wie die dort vorhandene Wechselspannung, auftritt. Eine Schwingung wird also in der bekannten Weise angefacht.

An die beiden Transformatoren TrI und Tr 2 des Oszillators ist je ein Verstärkerzug angeschlossen. Jeder Verstärkerzug besteht aus einer Treiberstufe mit den Transistoren Γ4 und Γ5 bzw. T8 und T9 sowie einer Endstufe T6 und T7 bzw. TlO und TIl. Die Transistoren arbeiten, wie ersichtlich, im Gegentakt und werden in Kollektorschaltung betrieben. Die Schaltelemente sind so bemessen, daß alle Transistoren im C-Betrieb arbeiten; die Sekundärwicklungen

ίο der Ausgangstransformatoren der beiden Verstärkerzüge sind, wie ersichtlich, in Scott-Schaltung miteinander verbunden.

Zur Erzeugung der Basissperrspannung sind an die Primärwicklung des Ausgangstransformators Tr 3 zwei Gleichrichterdioden D1 und D 2 angeschlossen, die über einen Widerstand R11 an zwei in Reihe geschaltete Siliziumdioden D 3 und D 4 angeschlossen sind, die ihrerseits zur Spannungsquelle führen. Die beiden Enden des Widerstandes R11 liegen über zwei Kondensatoren ebenfalls an Spannung. Die Siliziumdioden D 3 und Ό 4 haben jeweils einen konstanten Spannungsabfall von 0,7 Volt, unabhängig vom durchfließenden Strom; diese Spannung von 0,7 Volt über der Diode D 4 wird, wie ersichtlich, jeweils der Basis der Endstufentransistoren T 6, Tl, TlO und TIl zugeführt; der Spannungsabfall über der Diode D 3, der zum Spannungsabfall über der Diode D 4 noch hinzukommt, ist jeweils an die Basis der Treiberstufentransistoren Γ4, TS, TS und T9 gelegt. Zur Einkopplung dieser Basisvorspannung ist die Sekundärwicklung der Oszillatortransformatoren TrI und Tr 2 wie bekannt in der Mitte angezapft. Wegen der galvanischen Kopplung zwischen der Treiberstufe und der Endstufe jedes Verstärkers ist ein Transformator zwischen diesen beiden Stufen nicht erforderlich, so daß die Basisspannung jeweils über eine Drosselspule L1 bzw. L 2 eingekoppelt werden kann. Zur Symmetrierung sind die Drosselspulen L1 und L 2 selbstverständlich mit Mittelanzapfungen versehen.

Der Ausgangstransformator Tr 4 desjenigen Verstärkerzuges, der eine Sekundärwicklung der Scott-Schaltung trägt, ist mit einer zusätzlichen Hilfswicklung HW versehen, die mit einem Ende an Masse und mit dem anderen Ende an einer weiteren Diode D 5 liegt. Diese Diode führt über ein Widerstandsnetzwerk mit einem temperaturabhängigen Widerstand R12 sowie ein Siebglied aus einem Widerstand R13 und zwei Kondensatoren C 5 und C 6 zur Basis des Regeltransistors T 3, dessen Kollektor an die Emitter der Oszillatortransistoren Tl und T 2 angeschlossen ist. Der Emitter de Transistors T 3 liegt über einen Widerstand i?14 an Spannung und über eine Zener-Diode D 6 an Masse, so daß das Emitterpotential konstant auf einem bestimmten Wert gehalten wird. Ändert sich die Ausgangsspannung des unteren Verstärkers, so ändert sich auch die Basisspannung des Transistors T 3, so daß entsprechend das Kollektorpotential des Transistors T 3 und damit das Emitterpotential der Oszillatortransistoren Tl und T2 schwankt. Damit wird die Ausgangsspannung des Oszillators und somit die Ausgangsspannung der beiden Verstärker beeinflußt, bis die Störung ausgeregelt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Statischer Umformer zur Erzeugung eines Drehfeldes, bestehend aus einem mit zwei parallel geschalteten Transistoren bestückten Oszillator, der zwei um 90° phasenverschobene Gegentaktspannungen abgibt, und zwei Gegentaktverstärkern mit je einem Ausgangstransformator in Scott-Schaltung sowie einem temperaturabhängigen Regelglied, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Arbeitswiderstände der Oszillator-Transistoren (Tl, Tl) von Resonanzkreisen mit je einem Transformator (TrI, TrI) als Gegentakt-Oszillatorausgang gebildet werden und zwischen die Oszillator-Transistoren (Tl, T2) gleiche, um +90° phasendrehende RC-Glieder aus Längs-Kondensatoren (Cl, C2; C3, C 4) und Quer-Widerständen (Al; R3) zwischengeschaltet sind.

2. Statischer Umformer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hilfswicklung (HW) auf einem der beiden Ausgangstransformatoren (Tr 3, Tr 4), die einerseits an Masse und andererseits über eine Diode (D 5) und Siebglieder an der Basis eines Transistors (T 3) liegt, dessen Emitter mit einer konstanten Bezugsspannung versorgt wird und dessen Kollektor mit den Emittern der Oszillator-Transistoren (TrI, Tr 2) gleichstrommäßig gekoppelt ist.

3. Statischer Umformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Hilfswicklung (HW) und dem Transistoreingang des Transistors (T 3) ein Widerstandsnetzwerk mit wenigstens einem temperaturabhängigen Widerstand (R 12) liegt.