DE19612117A1

DE19612117A1 - AC voltage regulator circuit arrangement for AC motor control

Info

Publication number: DE19612117A1
Application number: DE1996112117
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl Ing Grundwuermer
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1996-03-27
Filing date: 1996-03-27
Publication date: 1997-10-02

Abstract

The circuit arrangement includes a controllable electronic switch arrangement which switches a supplied input AC voltage respectively to an output, in time intervals which are shorter than a half period of the input voltage. The arrangement comprises a rectifier arrangement (6), whose input (4, 5) is supplied with the input voltage, and at whose DC voltage output a pulsing, preferably unsmoothened DC voltage is produced. The rectifier arrangement is connected to a static converter which comprises electronic switches, preferably IGBTs, that can be switched into a conducting or blocking state, independently of the momentary value of current and voltage. An arrangement (38) is provided for producing a PWM signal with a pulse frequency which is higher than double the frequency of the AC input voltage. The switched rectifier arrangement is formed in such way that the pulsing DC voltage is switched according to the PWM signal in form of pulses with modulated width, whose height corresponds to the current height of the DC voltage. The DC voltage is switched to the output with alternating polarity during two consecutive half periods.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wechselspannungsvorrichtung zum Erzeugen ei ner steuerbaren Ausgangsspannung aus einer Eingangsspannung (z. B. Netz spannung), wobei die über die Zeit integrierte Ausgangsspannung gegen über der Eingangsspannung dadurch verringerbar ist, daß eine steuerbare elektronische Schalteranordnung vorgesehen ist, die eine ihr zugeführte Spannung jeweils in Zeitintervallen zu einem Ausgang durchschaltet, die kürzer sind als eine Halbperiode der Eingangsspannung.The invention relates to an alternating voltage device for generating egg a controllable output voltage from an input voltage (e.g. network voltage), the output voltage integrated over time against can be reduced above the input voltage in that a controllable Electronic switch arrangement is provided, the one supplied to it Voltage switches through to an output in time intervals, which are shorter than a half period of the input voltage.

Zum Verändern der Drehzahl von Wechselstrommotoren sind Stromsteller, die mit Thyristoren arbeiten, oder Drehzahlsteller mit MOS-FET oder IGBT- Schalter (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor) in Brückengleichrichtern und mit Freilaufkreis mit Thyristoren bekannt. Ein Nachteil besteht in der springenden Bezugsmasse des Steuerteils oder in einer kostenintensiven Po tentialtrennung.To change the speed of AC motors are current controllers, who work with thyristors, or speed controllers with MOS-FET or IGBT- Switch (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor) in bridge rectifiers and known with freewheeling circuit with thyristors. A disadvantage is that jumping reference mass of the control part or in a cost-intensive Po isolation.

Bei den vorbekannten Lösungen mit MOS-FET oder IGBT-Schalter wird mit der Schaltfrequenz der Leistungsbauteile geschaltet. Dadurch ist die Ab strahlung dieser Teile hoch, was sich auf die für EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) erforderlichen Eigenschaften nachteilig auswirkt. Es ist ein erheblicher Aufwand zur Entstörung notwendig, sowie ein geschirmtes Ge häuse und mehrkreisige Filter. Die bekannten Lösungen mit Thyristoren sind in der Regelbarkeit hin begrenzt, weil die Thyristoren nur beim Stromnull durchgang abschalten können und somit nur eine geringe Dynamik aufwei sen.In the previously known solutions with MOS-FET or IGBT switch is with the switching frequency of the power components switched. This makes the Ab Radiation of these parts is high, which affects EMC (electromagnetic Compatibility) adversely affects the required properties. It is a considerable effort for interference suppression necessary, as well as a shielded Ge housings and multi-circuit filters. The known solutions with thyristors are limited in controllability because the thyristors only at zero current can turn off passage and thus have only a low dynamic sen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gute Regelbarkeit zu ge währleisten. The invention has for its object to provide good controllability guarantee.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Vorrich tung eine Gleichrichteranordnung aufweist, deren Eingang die Eingangs spannung zuführbar ist, an deren Gleichspannungsausgang eine pulsieren de, vorzugsweise ungeglättete Gleichspannung erzeugt wird, daß der Gleich richteranordnung eine Wechselrichteranordnung mit Schalteranordnungen nachgeschaltet ist, die solche elektronische Schalter aufweisen, die unab hängig vom Augenblickswert von Strom und Spannung in den leitenden und in den gesperrten Zustand schaltbar sind, daß eine Vorrichtung zum Lie fern eines impulsweitenmodulierten Signals mit einer Impulsfolgefrequenz, die höher ist als die doppelte Frequenz der Wechselspannung, an die Wech selrichteranordnung vorgesehen ist, und daß die Wechselrichteranordnung derart ausgebildet ist, daß sie die pulsierende Gleichspannung entsprechend dem impulsweitenmodulierten Signal in Form von in der Breite modulierten Impulsen, deren Höhe der augenblicklichen Höhe der Gleichspannung ent spricht, während einer Halbwelle der Wechselspannung zu einem Schal tungsausgang in einer von zwei Polaritäten durchschaltet, und während der anderen Halbwelle in der anderen Polarität durchschaltet.This object is achieved according to the invention in that the Vorrich device has a rectifier arrangement, the input of which is the input voltage can be supplied, a pulsating at the DC voltage output de, preferably unsmoothed DC voltage is generated that the DC rectifier arrangement an inverter arrangement with switch arrangements is connected downstream, which have such electronic switches that unab depending on the instantaneous value of current and voltage in the conductive and are switchable into the locked state that a device for lying far from a pulse width modulated signal with a pulse repetition frequency, which is higher than twice the frequency of the AC voltage to which AC rectifier arrangement is provided, and that the inverter arrangement is designed such that it corresponds to the pulsating DC voltage the pulse width modulated signal in the form of modulated in width Impulses, the level of which corresponds to the instantaneous level of the DC voltage speaks to a scarf during a half wave of AC is switched through in one of two polarities, and during the other half-wave in the other polarity.

Bei der Erfindung ist von Vorteil, daß die Drehzahl über eine Impulsweiten modulation eingestellt wird. Dadurch können bei einer Halbwelle der Netz frequenz mehrere oder viele Spannungsimpulse erzeugt werden. Es ist kein geschirmtes Gehäuse erforderlich und dadurch sind die Kosten der Vorrich tung niedrig. Wird von der Schaltung ein Elektromotor betrieben, so sind dessen von den Spannungsimpulsen hervorgerufenen Geräusche bei ausrei chend hoher Frequenz der Impulse nicht hörbar. Die Erfindung eignet sich unter anderem zur Versorgung von Einphasen-Wechselstrommotoren (Kon densatormotoren, Universalmotoren), bei denen die Drehzahl durch Span nungssteuerung eingestellt wird.In the invention it is advantageous that the speed over a pulse width modulation is set. This means that in the case of a half-wave the network frequency several or many voltage pulses are generated. It is not shielded housing is required and therefore the cost of the device tung low. If an electric motor is operated by the circuit, then whose noises caused by the voltage pulses are sufficient High frequency of the impulses not audible. The invention is suitable among other things for the supply of single-phase AC motors (Kon capacitor motors, universal motors) in which the speed is caused by span control is set.

Vorteilhaft weist die Wechselrichteranordnung eine Brückenschaltung mit vier Schalteranordnungen auf.The inverter arrangement advantageously has a bridge circuit four switch arrangements.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß zwei Serien schaltungen mit je zwei Schalterelementen zwischen die beiden Ausgänge der Gleichrichteranordnung geschaltet sind, und daß der Verbindungspunkt der beiden Schalterelemente der einen Serienschaltung den einen Aus gangsanschluß der Wechselrichteranordnung bildet, und der Verbindungs punkt der Schalterelemente der anderen Serienschaltung den anderen Aus gangsanschluß, und daß eine Ansteuerschaltung vorgesehen ist, die jeweils höchstens ein Schalterelement in einer jeden Serienschaltung leitend steu ert, wobei nicht zwei mit dem selben Ausgang der Gleichrichteranordnung verbundene Schalterelemente gleichzeitig leitend sind. Hierdurch kann in einfacher Weise als Ausgangsspannung eine Wechselspannung erzeugt wer den.In one embodiment of the invention it is provided that two series circuits with two switch elements between the two outputs the rectifier arrangement are connected, and that the connection point of the two switch elements of the one series connection one off forms the connection of the inverter assembly, and the connection point of the switch elements of the other series connection the other off gangsanschluß, and that a drive circuit is provided, each at most one switch element in each series circuit ert, not two with the same output of the rectifier arrangement connected switch elements are simultaneously conductive. This allows in an alternating voltage is easily generated as the output voltage the.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung (D2, R8) zum verlangsamten Leitendsteuern eines Schalterelements vorgesehen. Dies kann zum Verringern von Störungen dienen.In one embodiment of the invention, a device (D2, R8) for slowed master control of a switch element provided. This can be used to reduce interference.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß ein erstes Schalterelement in der einen Serienschaltung während einer Halbwelle der Eingangsspannung leitend und während der anderen Halbwelle gesperrt ist, und daß ein erstes Schalterelement in der anderen Serienschaltung wäh rend der zweitgenannten Halbwelle der Eingangsspannung leitend und während der erstgenannten Halbwelle gesperrt ist. Hierdurch wird in einfa cher Weise die Erzeugung einer netzsynchronen Ausgangswechselspannung unterstützt.In one embodiment of the invention it is provided that a first Switch element in a series connection during a half-wave of Input voltage is conductive and blocked during the other half-wave, and that a first switch element in the other series circuit rend the second half-wave of the input voltage conductive and is locked during the first half-wave. This will in simple cher way the generation of a grid-synchronous output AC voltage supported.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß ein zweites Schalterelement in der erstgenannten Serienschaltung nur während der zweitgenannten Halbwelle der Eingangsspannung mit impulsbreitenmodu lierbaren Steuerimpulsen leitend steuerbar ist, und daß ein zweites Schalter element in der zweitgenannten Serienschaltung nur während der erstge nannten Halbwelle der Eingangsspannung mit impulsbreitenmodulierbaren Steuerimpulsen leitend steuerbar ist. Dadurch kann in einfacher Weise beim Wechsel der Polarität der Netzspannung sofort das bisher leitende, von den impulsbreitenmodulierbaren Impulsen gesteuerte Schalterelement gesperrt werden.In one embodiment of the invention it is provided that a second Switch element in the first-mentioned series connection only during the second half-wave of the input voltage with pulse width mod controllable control impulses can be controlled, and that a second switch element in the second series connection only during the first called half wave of the input voltage with pulse width modulatable Control impulses can be controlled. This can be done in a simple manner Change in the polarity of the mains voltage immediately the previously conductive, of the Switch element controlled by pulse width modulable pulses will.

Vorteilhaft ist eine Synchronisierschaltung zum Erzeugen eines Synchronisie rungssignals mit Synchronisierimpulsen mit der Frequenz der Eingangs spannung vorgesehen. Hierdurch kann insbesondere ein etwa rechteckiges Synchronisierungssignal aus der sinusförmigen Netzspannung erzeugt wer den. A synchronization circuit for generating a synchronization is advantageous tion signal with synchronization pulses with the frequency of the input voltage provided. In this way, in particular an approximately rectangular one Synchronization signal generated from the sinusoidal mains voltage the.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Länge der Synchronisierimpulse gleich groß wie Abstände zwischen den Synchronisierimpulsen sind, daß das Synchronisierungssignal nicht-invertiert dem ersten Schalterelement in der erstgenannten Serienschaltung und in vertiert dem ersten Schalterelement in der anderen Serienschaltung als Steuersignal zugeführt ist, und daß außerdem das Synchronisierungssignal nicht-invertiert dem einen Eingang einer dem zweiten Schalterelement der zweitgenannten Serienschaltung vorgeschaltetem UND-Verknüpfung und invertiert dem einen Eingang einer dem zweiten Schalterelement der erst genannten Serienschaltung vorgeschaltetem UND-Verknüpfung zugeführt ist, und daß der jeweils andere Eingang der UND-Verknüpfungen für die Zu führung von impulsbreitenmodulierten Impulsen vorgesehen ist. Die ergibt eine zuverlässige Schaltung.In a special embodiment of the invention it is provided that the The length of the synchronization pulses is the same as the distance between the Synchronization pulses are that the synchronization signal is not inverted the first switch element in the first-mentioned series circuit and in vertically the first switch element in the other series circuit than Control signal is supplied, and that also the synchronization signal non-inverted the one input or the second switch element the second series connection upstream AND link and invert the one input of the second switch element of the first mentioned series connection upstream AND operation supplied is, and that the other input of the AND operations for the Zu guidance of pulse width modulated pulses is provided. That results a reliable circuit.

Als Schalterelemente können alle abschaltbaren Leistungsschalter vorgese hen werden, beispielsweise Feldeffekttransistoren, IGBT-Schalter (IGBT = In sulated Gate Bipolar Transistor) und/oder MCT-Schalter (MCT = MOS-Control led Thyristoren).All circuit breakers that can be disconnected can be provided as switch elements hen, for example field effect transistors, IGBT switches (IGBT = In insulated gate bipolar transistor) and / or MCT switch (MCT = MOS control led thyristors).

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfol genden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den An sprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehre ren in beliebiger Kombination bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Es zeigen:Further features and advantages of the invention result from the following ing description of embodiments of the invention with reference to Drawing showing details of the invention, and from the An sayings. The individual characteristics can each individually or in groups ren in any combination in one embodiment of the invention be realized. Show it:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 1 is a block diagram of a device according to the invention;

Fig. 2a bis 2e einzelne Funktionsblöcke eines konkreten Ausführungsbei spiels der Erfindung, die insgesamt ein Schaltbild einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung bilden. Fig. 2a to 2e individual functional blocks of a concrete Ausführungsbei game of the invention, all of which form a circuit diagram of a device OF INVENTION to the invention.

In Fig. 1 weist die Vorrichtung ein Netzfilter 1 auf, das mit Anschlußklem men 2 und 3 mit einem Wechselspannungsnetz von beispielsweise 50 Hz und 230 Volt verbindbar ist. Das Netzfilter soll das Eindringen von Störungen aus der Vorrichtung ins Netz und in umgekehrter Richtung verhindern. Klem men 4 und 5 bilden den Ausgang des Netzfilters und gleichzeitig den Ein gang einer Gleichrichteranordnung 6, die eine nicht geglättete, pulslerende Gleichspannung liefert. Die mit den Klemmen 4 und 5 verbundenen beiden Verbindungsleitungen, die die einphasige Wechselspannung vom Netzfilter zur Gleichrichteranordnung 6 leiten, sind im Beispiel eine mit dem Null-Lei ter oder Mittelpunktsleiter verbundene Leitung N und eine mit der Phase verbundene Leitung P; sie sind mit Eingängen einer Synchronisierschaltung 8 verbunden. Die Ausgangsklemmen 10 und 12 der Gleichrichteranordnung 6 sind mit einer als Vollbrückenschaltung ausgebildeten Wechselrichteran ordnung 15 verbunden, deren Leistungsausgänge 20 und 22 mit einem Wechselstromverbraucher 23, im Beispiel einem Universalmotor für den Be trieb mit einphasigem Wechselstrom von maximal etwa 250 Volt, verbunden sind. Ein Shunt 7 ermöglicht die Strommessung. Hierzu wird das Spannungs potential an diesem Widerstand 7 einer Stromerfassungseinheit 39 zuge führt. Die Wechselrichteranordnung 15 weist vier Schalteranordnungen auf, die jeweils durch einen Feldeffekttransistor S1 bis S4 mit vorgeschaltetem Treiber T1 bis T4 gebildet sind, wobei zum Schutz der Transistoren zwischen Source und Drain jeweils eine Diode D1 bis D4 geschaltet ist, die jeweils in dem Transistorelement enthalten ist. Die Schalteranordnungen (Feldeffekt transistoren) können den durch sie fließenden Strom durch geeignete An steuerung am Gate jederzeit abschalten.In Fig. 1, the device has a line filter 1 , which can be connected to connecting terminals 2 and 3 with an AC voltage network of, for example, 50 Hz and 230 volts. The line filter is intended to prevent interference from the device from entering the network and in the opposite direction. Terminals 4 and 5 form the output of the line filter and at the same time the input of a rectifier arrangement 6 , which supplies a non-smoothed, pulsating DC voltage. The two connecting lines connected to the terminals 4 and 5 , which conduct the single-phase AC voltage from the line filter to the rectifier arrangement 6 , are in the example a line N connected to the zero conductor or center conductor and a line connected to the phase P; they are connected to inputs of a synchronization circuit 8 . The output terminals 10 and 12 of the rectifier arrangement 6 are connected to an arrangement 15 configured as a full bridge circuit, the power outputs 20 and 22 of which are connected to an AC consumer 23 , in the example a universal motor for operation with single-phase alternating current of a maximum of approximately 250 volts. A shunt 7 enables current measurement. For this purpose, the voltage potential at this resistor 7 leads to a current detection unit 39 . The inverter arrangement 15 has four switch arrangements, each of which is formed by a field effect transistor S1 to S4 with an upstream driver T1 to T4, a diode D1 to D4 being connected between the source and drain to protect the transistors, each of which is contained in the transistor element . The switch arrangements (field effect transistors) can switch off the current flowing through them at any time by suitable control at the gate.

Zwischen den mit den Anschlüssen 10 und 12 verbundenen Leitungen liegen jeweils die Feldeffekttransistoren S1 und S2 einerseits und S3 und S4 ande rerseits in Serie. Der Drainanschluß des Transistors S2 ist mit dem Sourcean schluß des Transistors S1 verbunden, und der Drainanschluß des Transistors S4 ist mit dem Sourceanschluß des Transistors S3 verbunden. Der Verbin dungspunkt der Transistoren S1 und S2 ist mit dem Anschluß 20 verbunden, der Verbindungspunkt der Transistoren S3 und S4 mit dem Anschluß 22.Between the lines connected to the connections 10 and 12 are the field effect transistors S1 and S2 on the one hand and S3 and S4 on the other hand in series. The drain of transistor S2 is connected to the source of transistor S1, and the drain of transistor S4 is connected to the source of transistor S3. The connection point of the transistors S1 and S2 is connected to the connection 20 , the connection point of the transistors S3 and S4 to the connection 22nd

Die Synchronisierschaltung 8 erzeugt aus der Netzfrequenz ein netzfrequen tes Synchronsignal; im Ausführungsbeispiel ist dies eine Folge von im we sentlichen rechteckigen positiven Impulsen, die aus der positiven Halbwelle der Wechselspannung auf der Leitung P durch Spannungsbegrenzung er zeugt werden. Die von der Synchronisierschaltung auf eine Leitung 30 gege benen positiven Impulse haben eine Impulsfolgefrequenz, die der Netzfre quenz gleich und mit dieser synchron ist, wobei die Impulse und die Impuls pausen jeweils gleich lang (bei 50 Hz Netzfrequenz 10 ms lang) sind. Dieses Synchronisierungssignal wird über die Leitung 30 einem Eingang eines er sten UND-Glieds 32 und über einen Inverter 33 einem Eingang eines zweiten UND-Glieds 34 zugeführt. Das Signal der Leitung 30 wird außerdem dem Trei ber T4 des Transistors S4 zugeführt, und das Signal des Inverters 33 wird au ßerdem dem Treiber T2 des zweiten Transistors S2 zugeführt. Der jeweils andere Eingang der UND-Glieder 32 und 34 ist mit dem Ausgang einer Vor richtung 38 zur Erzeugung eines impulsweiten-modulierten Signals verbun den. Die Breite der Impulse dieses Signals wird in Abhängigkeit von einer der Einheit 38 zugeführten Gleichspannung, die eine Steuerspannung für die Einheit 38 ist, verändert. Dabei ist jedoch die Impulsfolgefrequenz kon stant und sehr viel höher als die Netzfrequenz, im Beispiel ist die Impulsfol gefrequenz etwa 20 kHz. Ein Eingangssignal oder Ausgangssignal mit positi ver Spannung am UND-Glied entspricht einem logischen Wert 1, wogegen dem logischen Wert 0 Signale mit einer Spannung von 0 Volt entsprechen.The synchronization circuit 8 generates a network frequency synchronous signal from the network frequency; in the exemplary embodiment, this is a result of essentially rectangular positive pulses which are generated from the positive half-wave of the AC voltage on line P by voltage limitation. The positive pulses given by the synchronizing circuit on a line 30 have a pulse repetition frequency which is the same as the mains frequency and is synchronous with it, the pulses and the pulse pauses being each of the same length (at 50 Hz mains frequency 10 ms long). This synchronization signal is fed via line 30 to an input of a first AND gate 32 and via an inverter 33 to an input of a second AND gate 34 . The signal of line 30 is also fed to driver T4 of transistor S4 and the signal of inverter 33 is also fed to driver T2 of second transistor S2. The other input of the AND gates 32 and 34 is connected to the output of an on device 38 for generating a pulse-width modulated signal. The width of the pulses of this signal is changed as a function of a DC voltage supplied to the unit 38 , which is a control voltage for the unit 38 . However, the pulse repetition frequency is constant and much higher than the mains frequency, in the example the pulse repetition frequency is about 20 kHz. An input signal or output signal with positive voltage at the AND gate corresponds to a logic value 1, whereas the logic value 0 corresponds to signals with a voltage of 0 volts.

Ist das Ausgangssignal an der Leitung 30 positiv (was in der Schaltung der Fig. 1 dem Wert logisch 1 entspricht), so wird der Treiber T4 angesteuert und hält den Transistor S4 im leitenden Zustand, und der Treiber T1 wird nur so lange, wie ein positives Ausgangssignal von der Vorrichtung 38 zur Verfügung steht, im leitenden Zustand gehalten. Der Transistor S2 und der Transistor S3 befinden sich dagegen im gesperrten Zustand. Wird das Signal auf der Leitung 30 Null, so wird hierdurch der Transistor S4 in den gesperr ten Zustand gebracht und, sofern der Transistor S1 noch zuvor angeschaltet war, weil noch ein positiver Impuls in der Einheit 38 geliefert wurde, wird auch der Transistor S1 in den gesperrten Zustand gebracht. Gleichzeitig wird der Transistor S2 in den leitenden Zustand gebracht, und der Transistor S3 wird dann in den leitenden Zustand gebracht, wenn bereits jetzt oder aber erst zu einem späteren Zeitpunkt von der Einheit 38 ein positives Ausgangs signal zur Verfügung steht.If the output signal on line 30 is positive (which corresponds to the value logic 1 in the circuit of FIG. 1), driver T4 is driven and keeps transistor S4 in the conductive state, and driver T1 only becomes as long as one positive output signal from the device 38 is available, kept in the conductive state. The transistor S2 and the transistor S3, however, are in the blocked state. If the signal on line 30 is zero, this brings transistor S4 into the blocked state and, if transistor S1 was previously switched on because a positive pulse was still delivered in unit 38 , transistor S1 is also switched on brought the locked state. At the same time, the transistor S2 is brought into the conductive state, and the transistor S3 is then brought into the conductive state if a positive output signal is already available from the unit 38 or only at a later point in time.

Die gezeigten UND-Glieder werden auch als Verstärkerelemente zum Erzeu gen von genügend starken Steuersignalen für die Schalterelemente S1 bis S4 verwendet.The AND gates shown are also used as amplifier elements sufficiently strong control signals for the switch elements S1 to S4 used.

Die Transistoren S2 und S4 werden daher mit der Netzfrequenz geschaltet. Der Transistor S1 wird beim Wechsel der Polarität der Wechselspannung des Netzes an der Leitung P nach Minus sofort aus dem leitenden in den nicht leitenden Zustand versetzt werden. Der Transistor S3 wird zwar bei einem Wechsel der Polarität der Wechselspannung des Netzes an der Leitung P nach Plus sofort aus dem leitenden in den nichtleitenden Zustand versetzt werden. Ansonsten werden diese Transistoren S1 und S3 aber mit der Im pulsfolgefrequenz, die die Vorrichtung 38 liefert, geschaltet werden. Dem Verbraucher 23 wird somit die elektrische Energie in Form von Impulsen mit einer Impulsfolgefrequenz von 20 kHz zugeführt, wobei die Umhüllende dieser Impulse wegen der fehlenden Glättung des Ausgangs der Gleichrich teranordnung 6 sinusförmig und synchron zu der Netzfrequenz ist.The transistors S2 and S4 are therefore switched at the mains frequency. When the polarity of the alternating voltage of the network on the line P changes to minus, the transistor S1 is immediately switched from the conductive to the non-conductive state. The transistor S3 will immediately be switched from the conductive to the non-conductive state when the polarity of the AC voltage of the network on the line P to plus changes. Otherwise, these transistors S1 and S3 will be switched at the pulse repetition frequency that the device 38 delivers. The consumer 23 is thus supplied with electrical energy in the form of pulses with a pulse repetition frequency of 20 kHz, the envelope of these pulses due to the lack of smoothing the output of the rectifier teranordnung 6 is sinusoidal and synchronous with the mains frequency.

Die der Vorrichtung 38 zugeführte Steuerspannung kann in einfacher Weise durch ein Drehpotentiometer erzeugt werden, das in dichter Nachbarschaft zum Verbraucher 23 angeordnet ist und vom Benutzer nach Wunsch einge stellt wird. Sind die von der Vorrichtung 38 gelieferten Impulse verhältnis mäßig kurz, d. h. durch verhältnismäßig lange Pausen getrennt, so wird dem Verbraucher 23 relativ wenig elektrische Energie, nämlich eine in einzelne Impulse unterteilte Wechselspannung, deren Integral einer niedrigen Wech selspannung entspricht, zugeführt; der Verbraucher wird also mit niedriger Wechselspannung (niedrige Amplitude der Wechselspannung) betrieben. Sind die Ausgangsimpulse der Vorrichtung 38 verhältnismäßig lang und so mit die Pausen zwischen ihnen verhältnismäßig kurz, so wird dem Verbrau cher 23 verhältnismäßig viel elektrische Energie zugeführt, im letztgenannte Fall eine Wechselspannung, die bis auf Verluste der Anordnung nahezu die Amplitude der Netzspannung hat. Durch die gezeigte Schaltung ist somit die dem Verbraucher zugeführte Wechselspannung veränderbar.The control voltage supplied to the device 38 can be generated in a simple manner by means of a rotary potentiometer which is arranged in close proximity to the consumer 23 and is set as desired by the user. If the pulses supplied by the device 38 are relatively short, ie separated by relatively long pauses, then the consumer 23 receives relatively little electrical energy, namely an AC voltage divided into individual pulses, the integral of which corresponds to a low AC voltage; the consumer is therefore operated with a low AC voltage (low amplitude of the AC voltage). If the output pulses of the device 38 are relatively long and the breaks between them are relatively short, then the consumer 23 is supplied with a relatively large amount of electrical energy, in the latter case an AC voltage which, except for losses in the arrangement, has almost the amplitude of the mains voltage. The AC voltage supplied to the consumer can thus be changed by the circuit shown.

Die Fig. 2a bis 2e bilden insgesamt eine Schaltung des konkreten Ausfüh rungsbeispiels. Fig. 1a zeigt die Schaltung beginnend mit den Klemmen 4 und 5, da das Netzfilter 1 ein beliebiges herkömmliches Filter sein kann, das der erfindungsgemäßen Anordnung vorgeschaltet wird. Die Anschlüsse 4 und 5 stehen mit den Wechselspannungseingängen der Gleichrichteranord nung 6 in Verbindung, die als Brückengleichrichter ausgebildet ist. Den Aus gängen 10 und 12 parallel geschaltet ist ein Widerstand R13 mit 220 Kiloohm und ein Kondensator C mit einem Wert von 1 µF, die zur Entstörung und zur Aufnahme des Freilaufstroms (bei einem induktiven Verbraucher, z. B. Uni versalmotor) dienen. Die Transistoren S1 bis S4 sind im Beispiel vom Typ IRFBC40. FIGS. 2a to 2e together form a circuit of the specific exporting approximately example. Fig. 1a shows the circuit starting with the terminals 4 and 5 , since the line filter 1 can be any conventional filter that is connected upstream of the arrangement according to the invention. The connections 4 and 5 are connected to the AC voltage inputs of the rectifier arrangement 6 , which is designed as a bridge rectifier. The outputs 10 and 12 are connected in parallel with a resistor R13 with 220 kiloohms and a capacitor C with a value of 1 µF, which are used to suppress interference and to absorb the freewheeling current (for an inductive consumer, e.g. universal motor). The transistors S1 to S4 are of the type IRFBC40 in the example.

Ein in den Stromweg in der unteren Leitung von der Gleichrichtervorrich tung 6 in Fig. 2a eingeschalteter kleiner Widerstand R12 von 0,047 Ohm dient als Shunt zur Erfassung des Stroms. Die Schaltung der Transistoren S1 bis S4 wurde bereits anhand der Fig. 1 erläutert. Die zum Verbraucher füh rende positive Versorgungsleitung 20 ist in Fig. 2a auch mit MW+ bezeich net, die negative Versorgungsleitung 22 auch mit MW-. Die Freilaufdioden D1 bis D4 sind in Fig. 2a bis 2e nicht dargestellt. Die Treiber T1 bis T4, sowie die sonstigen Komponenten der Fig. 1 sind in Fig. 2a nicht gezeigt, es ist ledig lich jeweils ein Vorwiderstand R8 bis R11 (jeweils 470 Ohm) mit parallel ge schalteter Diode D2 bis D5 gezeigt, die vor jedes Gate der Transistoren S1 bis S4 geschaltet sind, wobei die Anode der Diode jeweils mit dem Gate verbun den ist. Diese Dioden sind im Beispiel vom Typ 1N4148. Die Eingangsan schlüsse dieser jeweiligen Parallelschaltungen sind mit den Bezeichnungen GT1 bis GT4 bezeichnet; diese Anschlußbezeichnungen erscheinen in ande ren Teilfiguren wieder.A switched on in the current path in the lower line of the rectifier device 6 in Fig. 2a small resistor R12 of 0.047 ohms serves as a shunt for detecting the current. The switching of transistors S1 to S4 has already been explained with reference to FIG. 1. The leading to the consumer positive supply line 20 is also designated in FIG. 2a with MW +, the negative supply line 22 also with MW-. The freewheeling diodes D1 to D4 are not shown in FIGS. 2a to 2e. The drivers T1 to T4, as well as the other components of Fig. 1 are not shown in Fig. 2a, it is only Lich a series resistor R8 to R11 (each 470 ohms) with a parallel connected diode D2 to D5 shown before each Gate of the transistors S1 to S4 are connected, the anode of the diode being connected to the gate. In the example, these diodes are of the type 1N4148. The input connections of these respective parallel connections are designated by the designations GT1 to GT4; these connection designations reappear in other figures.

Die Parallelschaltungen der Diode mit dem Widerstand am Gate jedes Feldef fekttransistors dient dazu, ein schnelles Sperren des Transistors, aber ein verzögertes Leitendwerden zu ermöglichen.The parallel connections of the diode with the resistance at the gate of each field Fect transistor serves to quickly lock the transistor, but one enable delayed leadership.

Fig. 2b zeigt den Treiber T2 für den Transistor S2. Der in Fig. 2c gezeigte Treiber T4 für den Transistor S4 ist völlig identisch wie der Treiber T2 ausge bildet und unterscheidet sich lediglich durch die laufenden Bezeichnungen der Schaltelemente und die Anschlüsse in anderen Teilfiguren, mit denen der Treiber T4 zu verbinden ist. FIG. 2b shows the driver T2 for transistor S2. The driver T4 shown in FIG. 2c for the transistor S4 is completely identical to the driver T2 and only differs by the current designations of the switching elements and the connections in other sub-figures with which the driver T4 is to be connected.

Der Treiber T2 gemäß Fig. 2b weist ein UND-Glied 15 auf, dessen Signalein gänge 1 und 2 parallel geschaltet sind und einerseits über einen Kondensa tor C2 mit 1 pF mit Masse verbunden sind, andererseits über die Serienschal tung eines Widerstands R2 mit 10 Kiloohm und einer Diode D6 mit einem An schluß T2 verbunden sind. Ein invertierender Ausgang des UND-Glieds 15 führt zu einem Anschluß GT2. Bei dem Treiber T4 gemäß Fig. 2c ist der Ein gangsanschluß anstatt mit dem Anschluß T2 mit einem Anschluß T4 zu ver binden, und der Ausgang ist nicht mit dem Anschluß GT2 sondern mit dem Anschluß GT4 zu verbinden; beide letztgenannte Anschlüsse sind in Fig. 2a zu finden und sind die den Transistoren S2 bzw. S4 abgewandten Anschlüsse der Parallelschaltungen D4/R10 und D5/R11. The driver T2 according to FIG. 2b has an AND gate 15 , the signal inputs 1 and 2 of which are connected in parallel and are connected to ground on the one hand via a capacitor C2 with 1 pF, and on the other hand via the series circuit of a resistor R2 with 10 kilohms and a diode D6 are connected to a terminal T2. An inverting output of the AND gate 15 leads to a connection GT2. . In the driver T4 according to Figure 2c, the A input terminal instead of to the terminal T2 connected to a terminal T4 to bind ver, and the output is not to be connected to the terminal GT2 but with the terminal GT4; both of the latter connections can be found in FIG. 2a and are the connections of the parallel circuits D4 / R10 and D5 / R11 facing away from the transistors S2 and S4.

Fig. 2d zeigt die beiden Treiber für die Transistoren S1 und S3. Beide Trei ber T1 und T3 sind exakt gleich aufgebaut und sie werden mit denselben Versorgungsspannungen versorgt. Unterschiede liegen lediglich darin, daß die Eingänge der am weitesten links in Fig. 2d gezeigten UND-Glieder 13 und 14 zwar einerseits in gleicher Weise mit einem Anschluß PWM verbunden sind, aber andererseits mit Anschlüssen T2 bzw. T4, und daß derjenige Schal tungsausgang, der beim Treiber T1 mit der Leitung 20 in Verbindung steht, beim Treiber T3 mit der Leitung 22 in Verbindung steht. Ein weiterer Un terschied besteht darin, daß beim Treiber T1 ein Anschluß GT1 vorhanden ist, wogegen der entsprechende Anschluß beim Treiber T3 den Namen GT3 hat. Fig. 2d shows the two drivers for the transistors S1 and S3. Both drivers T1 and T3 are constructed exactly the same and they are supplied with the same supply voltages. The only differences are that the inputs of the left-most shown in Fig. 2d AND gates 13 and 14 are connected on the one hand in the same way to a connection PWM, but on the other hand with connections T2 and T4, and that that circuit output, which is connected to line 20 in driver T1, is connected to line 22 in driver T3. Another difference is that the driver T1 has a connection GT1, whereas the corresponding connection in the driver T3 has the name GT3.

Es genügt daher, wenn lediglich der Treiber T1 nachfolgend beschrieben wird.It is therefore sufficient if only the driver T1 is described below becomes.

Das UND-Glied 13 ist mit der positiven Versorgungsspannung von 15 Volt und mit Masse verbunden, und seine beiden Eingänge sind einerseits mit einem Anschluß PWM und andererseits mit einem Anschluß T2 verbunden. Ein in vertierender Ausgang ist über einen Widerstand R6 mit 22 Kiloohm mit der Basis eines NPN-Transistors T5 vom Typ BC847B verbunden, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Kollektor über die Parallelschaltung eines Wider stands R1 mit 1,8 Kiloohm und eines Kondensators C4 mit 1 nF an der positi ven Versorgungsspannung +15 Volt liegt. Eine integrierte Schaltung 11 ent hält eine Verstärkerschaltung mit zwei in Serie geschalteten komplementä ren Transistoren und wird durch einen Optokoppler angesteuert, dessen Leuchtdiode mit dem Kollektor des Transistors T5 und mit Masse verbunden ist. Näheres kann aus der Zeichnung entnommen werden. Bei der integrier ten Schaltung 11 handelt es sich um einen Baustein HCPL3101. Der Verbin dungspunkt der beiden komplementären Transistoren ist mit einem An schluß GT1 verbunden, der Kollektor des PNP-Transistors der beiden komple mentären Transistoren ist einerseits mit der Leitung 20 (Anschluß MW+) verbunden und andererseits über einen Elektrolytkondensator C6 mit ei nem Wert von 10 µF mit dem Kollektor des NPN-Transistors der komplemen tären Transistoren, der über eine Diode D9 an der positiven Versorgungs spannung von +15 Volt liegt. Das Steuersignal für den Schalter S1, das am Anschluß GT1 des Treibers T1 erzeugt wird, ist maximal so groß wie der Span nungsunterschied zwischen dem Anschluß MW+ und der Versorgungsspan nung.The AND gate 13 is connected to the positive supply voltage of 15 volts and to ground, and its two inputs are connected on the one hand to a PWM connection and on the other hand to a T2 connection. A vertically connected output is connected via a resistor R6 with 22 kilohms to the base of an NPN transistor T5 of the BC847B type, the emitter of which is connected to ground and the collector of which is connected in parallel with a resistor R1 with 1.8 kilohms and a capacitor C4 1 nF is at the positive supply voltage +15 volts. An integrated circuit 11 contains an amplifier circuit with two complementary transistors connected in series and is driven by an optocoupler, the light-emitting diode of which is connected to the collector of transistor T5 and to ground. More details can be found in the drawing. The integrated circuit 11 is a HCPL3101 module. The connection point of the two complementary transistors is connected to a connection GT1, the collector of the PNP transistor of the two complementary transistors is connected on the one hand to line 20 (connection MW +) and on the other hand via an electrolytic capacitor C6 with a value of 10 μF with the collector of the NPN transistor of the complementary transistors, which is connected to the positive supply voltage of +15 volts via a diode D9. The control signal for the switch S1, which is generated at the connection GT1 of the driver T1, is at most as large as the voltage difference between the connection MW + and the supply voltage.

Die in Fig. 2e gezeigte Synchronisierschaltung weist die Serienschaltung ei nes Widerstands R5 mit 1 Megaohm und einer Z-Diode D11 vom Typ BZX55B15/2 auf. Dabei ist die Kathode der Diode D11 mit dem Widerstand R5 verbunden, dessen anderer Anschluß mit der Netzleitung L verbunden ist, und die Anode der genannten Diode ist mit Masse verbunden. Der Verbin dungspunkt der genannten Diode mit dem Widerstand ist mit den parallel geschalteten Eingängen 1 und 2 des UND-Glieds 17 verbunden, das zur Stromversorgung auch an +15 Volt und Masse angeschlossen ist. Ein inver tierender Ausgang des UND-Glieds 17 ist mit dem Anschluß T2 verbunden, der mit dem gleichnamigen Anschluß in Fig. 2b verbunden ist. Außerdem ist der invertierende Ausgang mit den parallel geschalteten beiden Eingängen ei nes weiteren UND-Glieds 18 verbunden, dessen invertierender Ausgang mit dem Anschluß T4 verbunden ist, der mit Fig. 2c verbunden ist. Alle vier ge nannten UND-Glieder 13, 14, 17 und 18 sind Teil einer einzigen integrierten Schaltung vom Typ CD4093BCM, was auch aus den in der Zeichnung eingetra genen Anschlußnummern hervorgeht. Ähnliches gilt für die beiden UND- Glieder 14 und 16 in Fig. 2b und Fig. 2c.The synchronization circuit shown in FIG. 2e has the series circuit of a resistor R5 with 1 megohm and a Zener diode D11 of the BZX55B15 / 2 type. The cathode of the diode D11 is connected to the resistor R5, the other connection of which is connected to the mains line L, and the anode of the said diode is connected to ground. The connec tion point of the said diode with the resistor is connected to the parallel inputs 1 and 2 of the AND gate 17 , which is also connected to +15 volts and ground for power supply. An inverting output of the AND gate 17 is connected to the terminal T2, which is connected to the terminal of the same name in Fig. 2b. In addition, the inverting output is connected to the two inputs of a further AND gate 18 connected in parallel, the inverting output of which is connected to the terminal T4, which is connected to FIG. 2c. All four ge called AND gates 13 , 14 , 17 and 18 are part of a single integrated circuit of the type CD4093BCM, which is also apparent from the port numbers entered in the drawing. The same applies to the two AND gates 14 and 16 in Fig. 2b and Fig. 2c.

Wie aus den Anschlußbezeichnungen hervorgeht, sind die Teilfiguren 2b und 2c einerseits mit den Anschlüssen GT2 und GT4 in Fig. 2a und anderer seits mit den Anschlüssen T2 und T4 in Fig. 2e verbunden. Die letztgenann te Schaltung ist auch mit den entsprechenden Anschlüssen T2 und T4 in Fig. 2d verbunden, und deren Ausgänge GT1 und GT3 bzw. MW+ und MW- sind mit den in gleicher Weise bezeichneten Anschlüssen in Fig. 2a verbun den.As can be seen from the connection designations, the sub-figures 2b and 2c are connected on the one hand to the connections GT2 and GT4 in FIG. 2a and on the other hand to the connections T2 and T4 in FIG. 2e. The last-mentioned circuit is also connected to the corresponding connections T2 and T4 in FIG. 2d, and their outputs GT1 and GT3 or MW + and MW- are connected to the connections in the same way in FIG. 2a.

Bei der beschriebenen Vorrichtung handelt es sich um einen netzsynchro nen Einphasenumrichter, der eine Leistung von etwa 200 Watt liefern kann. Die Spannung am Widerstand R12 kann zum Messen des Stroms abgegriffen werden. Die Vorrichtung hat einen guten Wirkungsgrad.The device described is a network synchro a single-phase converter that can deliver an output of around 200 watts. The voltage across resistor R12 can be tapped to measure the current will. The device has a good efficiency.

Claims

1. AC device for generating a controllable output voltage from an input voltage (z. B. mains voltage), the output voltage integrated over time can be reduced compared to the input voltage by providing a controllable electronic switch arrangement, each of which a voltage supplied to it switches through at intervals to an output which are shorter than a half period of the input voltage, characterized in that the device has a rectifier arrangement ( 6 ), the input ( 4 , 5 ) of which the input voltage can be supplied, at whose DC voltage output a pulse Sending, preferably unsmoothed DC voltage is generated that the rectifier arrangement ( 6 ) is followed by an inverter arrangement with switch arrangements that have such electronic switches that can be switched to the conductive and locked states regardless of the instantaneous value of current and voltage are that a device ( 38 ) for supplying a pulse-width modulated signal with a pulse repetition frequency, which is higher than twice the frequency of the AC voltage, is provided to the inverter arrangement, and that the inverter arrangement is designed such that it has the pulsating DC voltage corresponding to the pulse-width modulated signal in the form of width-modulated pulses, the level of which corresponds to the instantaneous level of the DC voltage, during one half-wave of the AC voltage to a circuit output in one of two polarities, and during the other half-wave in the other polarity .

2. Device according to claim 1, characterized in that the change a bridge circuit with four switch arrangements (S1, S2, S3, S4).

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that two series circuits, each with two switch elements (S1, S2; S3, S4) are connected between those at the outputs of the rectifier arrangement ( 6 ), and that the connection point of the two switch elements (S1, S2) of a series circuit which forms an output terminal ( 20 ) of the inverter arrangement, and the connection point of the switch elements (S3, S4) of the other series circuit the other output terminal ( 22 ), and that a control circuit is provided, each having at most one switch element egg ner controls each series circuit, whereby not two switch elements connected to the same output of the rectifier arrangement are simultaneously conductive.

4. The device according to claim 3, characterized by a device (D2, R8) for slowing the final control of a switch element.

5. Device according to one of the preceding claims 3 or 4, there characterized in that a first switch element (S2) in one Seri circuit during a half-wave of the input voltage is blocked during the other half-wave, and that a first switch element ment (S4) in the other series connection during the second Half wave of the input voltage conductive and during the former Half wave is blocked.

6. The device according to claim 5, characterized in that a second Switch element (S1) in the first-mentioned series connection only during the second half wave of the input voltage with pulse width mo dulbaren control pulses can be controlled, and that a second scarf terelement (S3) in the second series connection only during first-mentioned half-wave of the input voltage with pulse width mod controllable control impulses can be controlled.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized ge indicates that a synchronizing circuit for generating a syn Chronization signal with synchronization pulses with the frequency of the on output voltage is provided.

8. Device according to claims 5 to 7, characterized in that the length of the synchronization pulses equal to the distances between the Synchronization pulses are that the synchronization signal is not inverted the first switch element (S2) in the first-mentioned series connection and the first switch element (S4) in the other series circuit as a control Signal is supplied, and that also the synchronization signal invert tiert the one input of the second switch element (S3) the second mentioned series connection upstream AND operation and inv tiert the one input of the second switch element (S2) the first mentioned series connection upstream AND operation supplied is, and that the other input of the AND operations for the Zu guidance of pulse width modulated pulses is provided.

9. Device according to one of the preceding claims, characterized ge indicates that at least one switch arrangement has a field effect transistor as a switch element.

10. Device according to one of the preceding claims, characterized ge indicates that at least one switch arrangement is an IGBT switch (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor) as a switch element.