DE19607124A1

DE19607124A1 - Steigerung des Wirkungsgrads der Kollektorgrundschaltung

Info

Publication number: DE19607124A1
Application number: DE19607124A
Authority: DE
Inventors: Cafer Borucu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-02-26
Filing date: 1996-02-26
Publication date: 1997-08-28

Description

Mit zunehmender Umweltverschmutzung ist es den Menschen allmählich ein Bedürfnis geworden, auf den Energieverbrauch ihrer elektrischen Geräte zu achten. Deswegen werden auf dem Markt zunehmend Geräte mit niedrigem Energiever brauch angeboten. Andererseits entscheidet bei einer Solaranlage der Wirkungs grad des Wechselrichters darüber, welche maximale Leistung am Ende zur Verfü gung steht. Mit der Erfindung wird der Wirkungsgrad der Kollektorgrundschaltung gesteigert.

Das Problem wird durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Wirkungsgrad der in Kollektorgrundschaltung arbeitenden Verstärkerstufen ge steigert werden kann. Anwendbar ist die Erfindung auf die Gegentakt-Endstufe einer Verstärkeranlage (Audio), oder auf die Endstufe eines Sinus-Wechselrichters. Ebenso arbeitet der Längstransistor eines regelbaren Netzgeräts in Kollektorgrund schaltung, um nur einige Beispiele zu nennen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt das Grundprinzip der Erfindung,

Fig. 2 Die vollständige Schaltung mit gesteigertem Wirkungsgrad,

Fig. 3a Die Primärströme in den Sperrwandlern bei 4 Sperrwandlern,

Fig. 3b Die Summe der Primärströme der Transformatoren bei 4 Sperrwandlern,

Fig. 4 Der Strom durch T2 bei 4 Sperrwandlern,

Fig. 5a Die Primärströme in den Transformatoren bei 8 Sperrwandlern,

Fig. 5b Die Summe der Primärströme bei 8 Sperrwandlern,

Fig. 6 Die Summe der Primärströme bei 30 Sperrwandlern.

Fig. 1:
In die Kollektorleitung des in Kollektorgrundschaltung arbeitenden Transistors T1 ist ein zweiter Transistor T2 eingefügt. Der Arbeitspunkt dieses Transistors T2 wird so eingestellt, daß ein Widerstand R von der Betriebsspannung zu seiner Basis führt, und drei in Reihe und in Durchlaßrichtung geschaltete Dioden, D1, D2, D3 von der Basis zum Emitter von T1 führen. Die Kollektor-Emitter-Spannung von T1 wird somit von den Dioden bestimmt und beträgt ungefähr 1,2 Volt. Nun ist es möglich, aus der Spannung über T2 mit Hilfe eines Schaltnetzteils Energie zurückzugewinnen.

Das Schaltnetzteil:
Wenn an die Spannung Uce (Fig. 1) ein einfaches Schaltnetzteil ( z. B. Sperrwand ler) angeschlossen wird, geschieht die Energierückgewinnung mit zu kleinem Wirkungsgrad, weil die Verlustleistung, die der Transistor T2 dabei aufnimmt, zu groß ist. Sowohl wenn der Transformator des Sperrwandlers Energie aufnimmt, als auch wenn der Transformator Energie abgibt, fließt Strom durch T2. In diesem Fall liegt der Effektivwert des Stroms durch T2 ca. bei 74% des Stroms durch T1. Daher ist es notwendig, mehrere Sperrwandler zu verwenden, deren Transformatoren nacheinander eingeschaltet und nacheinander ausgeschaltet werden.

In Fig. 2 sind dem Transistor T2 vier Transformatoren parallel geschaltet, die über die Transistoren T3 bis T6 ein- und ausgeschaltet werden können (vier Sperrwand ler). Die Ströme (Ipr) in den Primärwicklungen der Transformatoren sind in Fig. 3a dargestellt. Die Zeiten, während denen die Transformatoren eingeschaltet sind, überlappen einander. Das untere Diagramm, Fig. 3b, zeigt die Summe aller vier Transformatorströme. (Die Summe der Ströme durch die Primärwicklungen). Wenn dieser Gesamtstrom den Wert des Kollektorstroms von T1 erreicht, wird der Trans formator abgeschaltet, durch dessen Primärwicklung der Strom am größten ist. Ic1 ist der Kollektorstrom von T1 bei konstanter Spannung an seiner Basis. Wenn der Transformator abgeschaltet wird, liefert seine Sekundärwicklung Energie in die Be triebsspannung +UB, und der Kondensator C1 lädt sich auf. Dadurch, daß vier Transformatoren verwendet werden, die wie beschrieben ein- und ausgeschaltet werden, sinkt der Effektivwert des Stroms durch T2 auf 30% des Stroms durch T1. Fig. 4 zeigt den Kollektorstrom von T2 in Abhängigkeit der Zeit.

Über eine Steuerleitung wird die Spannung über Re der Steuerelektronik zugeführt. Über diese Leitung wird die Schaltfrequenz der Sperrwandler entsprechend verän dert, wenn der Kollektorstrom von T1 sich ändert. Die Transformatoren bleiben län ger eingeschaltet, wenn der Kollektorstrom größer wird.

Wechselspannung an der Basis von T1:
An die Basis von T1 darf jede Form und Frequenz der Wechselspannung angelegt werden. Die Energierückgewinnung funktioniert mit hohem Wirkungsgrad, wenn die Frequenz der Wechselspannung an der Basis von T1 ca. ein zehntel der Schaltfre quenz der Sperrwandler ist. Wenn die Frequenz an der Basis von T1 größer wird, wird der Wirkungsgrad der Energierückgewinnung kleiner, aber der Transistor T1 kann weiterhin ungestört in Kollektorgrundschaltung arbeiten. Die Schaltfrequenz der Sperrwandler kann bis 100 kHz betragen.

Wenn der Kollektorstrom von T1 groß war und plötzlich kleiner wird, entstehen in den Primärwicklungen der Transformatoren Selbstinduktionsspannungen. Diese werden über die Diode D8 kurzgeschlossen, damit der Transistor T2 vor invers Polung geschützt ist. Um diesen Transistor noch besser gegen Inverspolung zu schützen, kann in seine Kollektorleitung eine zusätzliche Diode eingefügt werden.

Der Wirkungsgrad der Emittergrundschaltung kann nach dem gleichen Prinzip ge steigert werden. Dazu wird die Kaskode-Schaltung (bekannt von der HF-Technik) verwendet. Dem in Basisschaltung arbeitenden Transistor der Kaskode werden die Sperrwandler parallel geschaltet. Die Steuerung der Sperrwandler ist dann aller dings etwas komplizierter als bei der Kollektorgrundschaltung. Zur Steuerung der Sperrwandler müssen Optokoppler verwendet werden.

Die Sperrwandler näher betrachtet:
Wird die Summe der Primärströme der Sperrwandler betrachtet (Fig. 3b), und geht die Anzahl der Sperrwandler auf hohe Werte (z. B. 30), ist diese Summe praktisch ein Gleichstrom. Fig. 5a zeigt die zeitliche Lage der Primärströme zuein ander und Fig. 5b ihre Summe - bei 8 parallelgeschalteten Sperrwandlern. Verglichen mit Fig. 3b zeigt Fig. 5b eine Annäherung zum Gleichstrom hin. Bei 30 Sperrwandlern ist die Summe der Primärströme praktisch ein Gleichstrom (siehe Fig. 6). Um den Gesamtprimärstrom zu berechnen müssen zu irgendeinem Zeit punkt t = t0 die Primärströme der einzelnen Sperrwandler berechnet und addiert werden. Der Wechselanteil darf bei 30 Sperrwandlern vernachlässigt werden. Der Gesamtprimärstrom ist die Summe der Einzelprimärströme. Der Primärstrom eines Transformators berechnet sich aus: Ipr = Uce·Δt/Lpr. (Uce ist die Kollektor- Emitter-Spannung von T2, Δt ist die Zeit, die seit dem Einschalten der Primär wicklung vergangen ist, Lpr = Primärinduktivität). (Diese Gleichung gilt, solange der Spannungsabfall über dem ohmschen Anteil der Wicklung vernachlässigbar klein ist). Zum Zeitpunkt t = t0 ist Δt bei jedem Transformator verschieden. Iprges = ((Uce·Δt1/Lpr)+(Uce·Δt2/Lpr) + (Uce·Δt3/Lpr). . .) = Gesamt primärstrom. Wie die Gleichung zeigt, sind alle Primärströme der Spannung Uce proportional (Bei konstanter Schaltfrequenz der Sperrwandler). Die Sperrwandler dürfen also alle zusammen wie ein ohmscher Widerstand angesehen werden. Dieser ohmsche Widerstand besitzt die Besonderheit, daß er wie ein normaler Widerstand Energie aufnimmt, aber er gibt sie über die Sekundärwicklungen weiter. Wenn wie in Fig. 2 die Sekundärwicklungen die Betriebsspannung unterstützen, handelt es sich bei diesem elektronischen Widerstand um einen, der keine Energie in Wärme umsetzt (Die Verluste in den Schalttransistoren und Transformatoren vernachlässigt). Der Widerstandswert kann über die Schaltfrequenz geändert wer den. Er verhält sich umgekehrt proportional zur Schaltfrequenz.

Wenn nur wenige Sperrwandler zusammengeschaltet sind, ist der Wechselanteil des Gesamtprimärstroms groß. In diesem Fall handelt es sich um einen ohmschen Widerstand mit Gleich- und Wechselanteil. Das heißt, der Widerstandswert ändert sich periodisch um einen bestimmten Wert. Ein Stromverlauf, wie er in Fig. 6 oder in Fig. 5b dargestellt ist, kann z. B. auch realisiert werden, wenn bei konstanter Gleich spannung (über dem Potentiometer) ein Potentiometer hin und hergedreht wird.

Wenn die Sperrwandler also zusammen wie ein ohmscher Widerstand angesehen werden dürfen, kann in Fig. 2 der Transistor T2 entfallen. Der elektronische Wider stand reduziert dann den Spannungsabfall über T1 und reduziert damit die Verlust leistung im Transistor.

Bei dieser zweiten Möglichkeit darf allerdings die Frequenz der Spannung an der Basis von T1 höchstens ein Zehntel der Schaltfrequenz der Sperrwandler betragen (z. B. 100 Hz, Sinus). Selbstverständlich muß auch hier der Widerstandswert des elektronischen Widerstandes abhängig vom Kollektorstrom von T1 gesteuert wer den.

Dieser elektronische Widerstand kann auch in anderen Bereichen der Elektrotech nik Verwendung finden. Er kann z. B. verwendet werden, um verlustarm den Strom durch die Ankerwicklung eines Gleichstrommotors mit Erregerwicklung zu regeln. (Drehzahlregelung).

Claims

1. Steigerung des Wirkungsgrads der Kollektorgrundschaltung.
In die Kollektorleitung eines in Kollektorgrundschaltung arbeitenden Transistors T1 ist ein zweiter Transistor T2 eingefügt. Der Emitter von T2 ist mit dem Kol lektor von T1, und der Kollektor von T2 ist mit der Betriebsspannung verbunden. Der Emitter von T1 ist über den Emitterwiderstand Re mit Masse verbunden. Die Basis von T2 wird in der Weise mit Spannung versorgt, daß ein Widerstand von der Betriebsspannung zur Basis von T2 führt und drei in Durchlaßrichtung und in Reihe geschaltete Siliziumdioden von der Basis von T2 zum Emitter von T1 führen. Dadurch gekennzeichnet, daß aus der Kollektor-Emiller-Spannung von T2 mit Hilfe eines Schaltnetzteils Energie zurückgewonnen werden kann, während T1 ungestört weiter in Kollektorgrundschaltung arbeitet.

2. Steigerung des Wirkungsgrads der Kollektorgrundschaltung nach Anspruch 1.
Um die Verlustleistung im Transistor T2 möglichst klein zu halten, muß der Effek tivwert seines Kollektorstroms klein gehalten werden. Das bedeutet, daß ein großer Teil des Kollektorstroms von T1 in das, dem Transistor T2 parallel geschaltete Schaltnetzteil hineinfließen muß. Um ein Schaltnetzteil zu realisieren, das einen Gleichstrom (oder pulsierenden Gleichstrom) aufnimmt, müssen mehrere Schalt netzteile vom Typ Sperrwandler eingangsseitig parallel geschaltet werden. Dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen der Transformatoren nacheinan der eingeschaltet und nacheinander ausgeschaltet werden, so daß zu jedem Zeit punkt möglichst viele Sperrwandler dabei sind, Energie aufzunehmen.

3. Steigerung des Wirkungsgrads der Kollektorschaltung nach Anspruch 2.
Der Wirkungsgrad eines in Kollektorgrundschaltung arbeitenden Transistors kann auch dadurch gesteigert werden, daß in die Kollektorleitung ein steuerbarer ohm scher Widerstand eingefügt wird, der die Eigenschaft besitzt, keine Energie in Wär me umzusetzen. Dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsseitig parallel geschalteten Sperrwandler, deren Schalttransisatoren von Rechteckspannungen gesteuert werden, die zeitverschoben sind und einander überlappen, einen ohm schen Widerstand darstellen, der keine Energie in Wärme umsetzt (über den Eingang nimmt der Sperrwandler Energie auf).