DE2153698A1 - Wechselstrom/Gleichstrom-Umformer - Google Patents

Description

Frankfurt am Main, den P7.1O.1Q71 Dipl. Inn. R- Mertens

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HONEYWELL INC.

P701 Fourth Avenue South Minneapolis, ^inn./USA

Wechselstrom/Gleichstrom-Umformer

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Umformen mehrphasiger Wechselspannungen in eine geregelte Gleichspannung.

Herkömmliche Umformer dieser Art enthalten eine Diodenbrückenschaltung zur Vollweggleichrichtung der Wechselspannung mit einem in die eine Gleichstromausgangsleitung eingeschalteten Regeltransistor, der durch die Spannung an einer Zenerdiode gesteuert wird. Nachteilig bei solchen Umformern ist die Verwendung getrennter Stufen für die Gleichrichtung und die Spannungsregelung, weil hierdurch in zwei wirkungsmäßig in Reihe geschalteten Stufen Verluste eintreten, nämlich sowohl in den Gleichrichterdioden als auch in dem geregelten Leistungstransistor. Diese Nachteile treten besonders bei Niedervolt-Umformern mit hoher Gleichstrombelastung .stark in Erscheinung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Umformer der eingangs genannten Art möglichst verlustarm auszubilden.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß an die Eingangselektroden mehrerer Leistungstransistoren wenigstens drei gegeneinander phasenversetzte Wechselspannungen geschaltet sind und an die Basis der Leistungstransistoren eine den Basisstrom derart steuernde Vorrichtung angeschlossen ist, daß die Spannung an der Ausgangsklemme der Transistoren praktisch konstant ist.

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Der Umformer nutzt also die Leistungstransistoren sowohl zur mehrphasigen Gleichrichtung als auch gleichzeitig zur Spannungsregelung aus. Damit werden die Umformerverluste stark herabgesetzt. Ein besonders hoher Wirkungsgrad ergibt sich, wenn sechs oder mehr in ihrer Phasenlage gegeneinander versetzte Wechselspannungen umgeformt werden. Hierdurch verringert sich die Welligkeit der erzeugten Gleichspannung, so daß - wenn überhaupt nur noch eine geringfügige Siebung des Gleichstroms erforderlich ist. Von Vorteil ist ferner, daß ein solcher Umformer keine Hochfrequenzstörungen -verursacht.

Die Leistungstransistoren können durch einen Mehrfach-Leistungstransistor mit einer gemeinsamen Basiselektrode und einer gemeinsamen Ausgangselektrode sowie mehreren getrennten Eingangselektroden, also einen einzigen Halbleiter, gebildet sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele von Schaltungsanordnungen wiedergegeben, wobei

Figur 1 das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels, Figur 2A die Spannung an einem der Leistungstransistoren dieser Schaltung,

Figur 2B die sich überlappenden Spannungskurven an der Gesamtheit der Leistungstransistoren und

Figur 3 das Schaltbild einer weiteren Ausfuhrungsform wiedergibt.

In Figur 1 weist der dort gezeigte Umformer vier Eingangsklemmen 1 bis 4 auf, von denen die Klemmen 1 bis 3 zum Anschluß an die Phasenleitungen eines dreiphasigen Wechselstromnetzes und die Klemme 4 an die O-Leitung des Wechselstromnetzes dienen. Die vier Klemmen sind an die im Stern geschalteten Primärwicklungen 5 bis 7 eines Dreihphasen-Transformators 8 angeschlossen, wobei die Klemme 4 an den Sternmittelpunkt geführt ist. Dieser Transformator

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hat sechs Sekundärwicklungen 9 bis 14, welche in der durch gestrichelte Linien angedeuteten Weise mit den Primärwicklungen magnetisch gekoppelt sind. Die magnetische Kopplung zwischen jeder der Primärwicklungen und den beiden jeder Primärwicklung · zugeordneten Sekundärwicklung ist derart, daß in den beiden zugeorndeten Sekundärwicklungen gegenphasige Spannungen induziert werden.

Wie bereits gezeigt, liegt das eine Ende jeder Sekundärwicklung an Masse 15, während das andere Ende mit dem Emitter eines entsprechenden PNP-Leistungstransistors 16-21 verbunden ist. Wie man sieht, handelt es sich um selbständige Einzeltransistoren, die jedoch so geschaltet werden können, daß sie als Sechs-Emitter-Leistungstransistor wirken. Die Kollektoren der sechs Leistungstransistoren sind gemeinsam mit Punkt 22 verbunden, der ihre Ströme addiert und sie an die Ausgangsklemme 23 weitergibt. Ein Lastwiderstand 24 verbindet diese Klemme mit Masse. Am Spannungsteiler 25 wird ein den Spannungsgang an Punkt 22 kennzeichnendes Signal erzeugt und an den Differentialverstärker 26 weitergeleitet. Dieser Verstärker liegt am positiven Pol der Stromquelle 27 und erzeugt eine Regelspannung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Spannungssignal und einer im Verstärker anstehenden Bezugsspannung. Diese Regelspannung liegt über eine Zenerdiode 28 an der Basis des Transistors 29, der als Emitterfolger geschaltet ist. Der Emitter des Transistors 29 liegt an Masse, während für die Einstellung der Emitter-Basis-Vorspannung ein Widerstand 30 vorgesehen ist. Der Kollektor ist mit dem für die Basis eines jeden der sechs Leistungstransistoren gemeinsamen Punkt 31 über eine in Reihe liegende Diode 32 und einen Widerstand 3 3 verbunden.

Der Emitter eines Transistors 34 ist mit Punkt 31 verbunden, während die Basis-Emitter-Strecke parallel zur Diode 32 liegt. .Dieser Transistor dient der Erzeugung des Basisstroms der Leistungstransistoren für den Teil der Periode, in dem die Basis-Emittor-Strecke umgekehrt gepolt ist. Kollektor und Basis des Transistors

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liegen über die Widerstände. 35 und 36 am positiven Pol der Stromquelle 27.

Während des Betriebs liefert die mit dem Transformator 8 verbundene Dreiphasen-Stromquelle drei um jeweils 120 phasenverschobene Wechselspannungen an die Wicklungen 5,6 bzw.7. Jede der Primärwicklungen erzeugt in den beiden ihr zugeordneten Sekundärwicklungen eine gleichphasige und eine außer Phase liegende Spannung. Daher sind die Spannungen in den Wicklungen 9 und 10 um 180 phasenverschoben. Das gleiche gilt für die Spannungen in den Wicklungen 11 ixid 12 und 14. Folglich sind die sechs in den Sekundärwicklungen erzeugten Spannungen um 60 gegeneinander phasenverschoben. Der Differentialverstärker 26 wirkt in Verbindung mit dem positiven Pol der Stromquelle 27 so auf den Treibertransistor 29 ein, daß dieser den Punkt 31 mit einer entsprechenden Stromleistung versorgt. Auf diese Weise erhält man eine kontinuierliche Steuerstromquelle für die Basis der sechs Leistungstransistoren. Es sei bemerkt, daß die Diode 32 die Vorspannung der Emitter-Basis-Strecke des Transistors 34 umkehrt, um so die Anforderungen an den Treiberstrom des Transistors 29 für Situationen mit maximaler RegelStromaufnahme zu verringern.

Nun soll das Verhalten eines der Leistungstransistoren, z.B. des Transistors 16,bei Beaufschlagung des Emitters mit einer einzelnen Wechselstromphase betrachtet v/erden. Man geht dabei von der Annahme aus, daß am Ausgang 23 des Umformers eine Spannung V ansteht. In Figur 2a ist dazu der Verlauf der Eingangsspannung,wie sie an einer der Sekundärwicklungen des Transformators 8,zum Beispiel an der Sekundärwicklung 9,entsteht, als gestrichelte Linie 40 dargestellt. Die ausgezogene Linie 41 zeigt die dazugehörige Ausgangsspannung eines Leistungstransistors, beispielsweise des Transistors 16. Liegt keine Spannung an der Sekundärwicklung 3, dann sind beide, die Emitter-Basis-Strecke und die Kollektor-Basis-Strecke gesperrt. In diesem Zustand fließt lediglich der Leckstrom durch den Transistor. Infolgedessen sind Emitter ui.'d Kollektorspannung nahezu gleich. Steigt die Spannung an, so

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bleiben die Emitter- und die Kollektorspannung im wesentlichen miteinander gekoppelt, da der Transistor durch das Signal des Differentialverstärkers 26 gesteuert volleitend wird, bis die Spannung der Sekundärwicklung die Schwelle V_Q + V„_c überschreitet (V„„ ist die Emitter-Kollektor-Spannung). In diesem Punkt verringert die Regelung die Leitfähigkeit des Transistors in der Weise, daß der Überschuß an Versorgungsspannung ein Anwachsen der Emitter-Kollektor-Spannung bewirkt. Der Differentialverstärker steuert in Verbindung mit dem Transistor 29 den Leistungstransistor 16 während der gesamten Wechselstromperiode, wenn die anliegende Spannung den Betrag V_Q überschreitet.

In Figur 2B sind die sechs sinusförmigen Spannungen mit einer jeweiligen Phasenverschiebung von 60 zueinander, wie sie an den sechs Sekundärwicklungen nach Figur 1 entstehen, dargestellt. Schließlich ist eine der sinusförmigen Spannungen zu jedem Zeitpunkt gleich oder größer als ein gewisser Spannungspegel V_, den man als Kommutierungsspannung bezeichnet. Wählt man daher V_Q + V _ kleiner als V_c, dann erhält die Überlagerung der Ausgänge der Leistungstransistoren die Spannung V_Q aufrecht. Obwohl das Prinzip an einem Beispiel mit sechs Phasen aufgezeigt wurde, sind ebenso Umformer mit nur drei Phasen unter Hinnahme von Leistungsverlusten möglich. Es entsteht dann auf die eben beschriebene Weise am Ausgang 23 eine geregelte Spannung.

Für einen zufriedenstellenden Betrieb eines solchen Umformers ist es wichtig, daß die Basis-Emitter-Strecke für Sperrspannungen mit Spitzenwerten bis -V , wie sie an den Sekundärwicklungen auftreten, geeignet sind.

Der Umformer erlaubt daher die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und dessen Regelung ohne Verwendung einer selbständigen Gleichrichterstufe. Dabei ist seine Verlustleistung beachtlich kleiner als die von Umformern mit selbständigen Gleichrichter- und Regelstufen. Außerdem v/erden hier unliebsame Störspannungen, wie sie bei Benutzung von schaltenden Reglern auftreten, auf ein Minimum herabgesetzt.

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Als praktisches Ausführungsbeispiel der gerade beschriebenen Erfindung wurde ein 5V/10A-Umformer gebaut.

Figur 3 zeigt einen Umformer, der nur drei Phasen verwendet und daher eine andere Art von Spannungsregelung benutzt. Dieser Umformer hat ebenfalls vier Eingangsklemmen, die mit 51-54 bezeichnet sind. Die Klemmen 51-53 sind je mit einer Phasenleitung eines dreiphasigen Wechselstromnetzes verbunden, während die Klemme als Nulleiter dient. Die vier Klemmen sind an die .sterngeschalteten Primärwicklungen 55-57 eines Dreiphasen-Transformators 58 angeschlossen. Im Gegensatz zum entsprechenden Transformator in Figur 1 weist dieser Transformator nur drei Sekundärwicklungen 59-61 auf, deren Kopplungsart mit den Primärwicklungen durch gestrichelte Linien angedeutet ist.

Nach Figur 3 liegt das eine Ende jeder Sekundärwicklung an Masse 62, während das andere Ende mit dem entsprechenden Kollektor eines der drei NPN-Leistungstransistoren 63-65 verbunden ist. Die Emitter der Transistoren sind gemeinsam an die Klemme 66 angeschlossen, die gleichzeitig als Ausgangsklemme des Umformers dient. Die Versorgung mit Basisstrom erfolgt über die Transistoren 67-69, deren Basis mit einer der drei Dioden 70-72 verbunden ist. Diese drei Dioden wiederum liegen an einer einzelnen Zenerdiode 73, deren anderes Ende mit Masse verbunden ist. Schließlich ist jede Basis ψ der Transistoren 67-69 über einen der drei die Vorspannung erzeugenden Widerstände 74-76 mit der positiven Klemme der Stromquelle 77 verbunden. Ihre Kollektorspannung erhalten diese Transistoren aus einer Stromquelle 78, mit deren positiven Pol sie verbunden sind.

Dieser Umformer arbeitet in ähnlicher Weise wie der Umformer nach Figur 1, unterscheidet sich jedoch von ihm in drei wesentlichen Punkten. Erstens liefert die Stromquelle 77 in Verbindung mit den die Vergleichsspannung erzeugenden Widerständen 74-76, den Dioden 70-72 und der Zenerdiode 73, den Bezugsstrom für die Basis der Leistungstransistoren 63-65. Die Summe der Zenerspannung und des

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Spannungsabfalls an einer der Dioden dient als Bezugsspannung und ist so gewählt, daß ihr Betrag gleich der gewünschten Ausgangsspannung des Umformers zuzüglich der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 67-69 und der Leistungstransistoren ist. Zv/eitens erhält man die Ausgangsspannungen an den Klemmen 62 bei diesem Umformer durch Regelung der Basisströme durch eine Zenerdiode und nicht nach der Methode der Stromverstärkung, wie sie in den Schaltung nach Figur 1 angewandt wird. Drittens verursacht in Ausführungsanordnungen, bei denen die Sekundärwicklungen mit den Kollektoren der Leistungstransistoren verbunden sind, wie dies in Figur 3 der Fall, ist, eine negative Spannung an den Sekundärwicklungen 59-61 eine negative Spannung an der Basis der Leistungstransistoren. Das heißt, daß die Zenerdiode nicht mehr den Eingangsstrom dieser Transistoren regelt und daher ein Strom vom positiven Pol der Stromquelle 77 über die Windungen zur Masse fließt. Die Dioden 7O-72 verhindern in einem solchen Fall während ihrer Leitphase eine Störung der Bezugsspannung.

Obwohl der Umformer hier nur für sechsphasige und dreiphasige Wechselstromquellen beschrieben wurde, ist die Erfindung für jede Wechselstromquelle mit drei und mehr Phasen anwendbar. Jedoch ist. ein Minimum von drei Phasen notwendig, um einen Kommutierungspunkt zu erhalten, der größer als Null ist. Außerdem lassen sich durch Benutzung von PNP-Transistoren anstelle der NPN-Transistoren und Vertauschen der entsprechenden Anschlüsse Umformer mit negativer Ausgangsspannung aufbauen.

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Claims (10)

1. Patentansprüche

   / 1. !Schaltungsanordnung zum Umformen mehrphasiger Wechselspannungen ^—in eine geregelte Gleichspannung, dadurch gekennzeichnet, daß an die Eingangselektroden mehrerer Leistungstransxstoren (16 bis 21) wenigstens drei gegeneinan- · der phasenversetzte Wechselspannungen geschaltet sind und an die Basis der Leistungstransxstoren eine den Basistrom derart steuernde Vorrichtung (26/29) angeschlossen ist, daß die Spannung an der Ausgangsklemme (23) der Transistoren praktisch konstant ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch l,dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangselektroden der Leistungstransxstoren (16 bis 21) an die Sekundärwicklungen (9 bis 14) eines Mehrphasentransformators (8) angeschlossen sind, dessen Primärwicklungen (5 bis 7) mit gegeneinander phasenversetzten Wechselspannungen gespeist sind.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (26,29) eine die Spannung an der Ausgangsklemme (23) mit einer Bezugsspannung vergleichende Vergleicherschaltung (26) sowie eine in Abhängigkeit von der beim Vergleich gewonnenen Differenzspannung den Strom zur Basiselektrode der Leistungstransxstoren (16 bis 21) steuernde Treiberschaltung (29) enthält.

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4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleicherschaltung (26) ein Differentialverstärker ist.
5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a durch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung eine den Strom zur Basis der Leistungstransistoren begrenzende Zenerdiode (28,73) enthält.
6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a durch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (29) einen mit seiner Steuerelektrode über eine Zenerdiode (28) an den Ausgang des Differentialverstärkers (26) angeschlossenen Transistor (29) enthält.
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß der Treibertransistor (29) mit seinem Emitter an Masse liegt und sein Kollektor über einen Widerstand (33) an die Basis eines den Basisstrom für die Leistungstransistoren (16 bis 21) liefernden weiteren Transistors angeschlossen ist, dessen Emitter-Kollektor-Strecke zwischen eine Basisstromquelle (27) und die Basiselektroden der Leistungstransistoren (16 bis 21) eingeschaltet ist, und daß die Basiselektroden über eine Diode (32) an den Verbindungspunkt von Kollektorwiderstand (33) des Treibertransistors (29) und Basis des weiteren Transistors (34) angeschlossen sind.
8. 8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, d a durch gekennzeichnet, daß der Mehrphasentransformator (8) sechs Sekundärwicklungen (9 bis 14) aufweist, von denen jeweils zwei zueinander gegenphasige Spannungen liefern und die drei Zweiergruppen (9,10; 11,12; 13,14) untereinander um jeweils 120° gegeneinander phasenversetzt sind, daß die Emitterelektroden von sechs Leistungstransistoren (16 bis 21) an die mit ihrem anderen Ende geerdeten sechs

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   Sekundärwicklungen, die Basiselektroden gemeinsam an die Stromsteuervorrichtung (26,29) und die Kollektorelektroden gemeinsam an die Ausgangsklemme (23) des Umformers angeschlossen sind (Figur 1).
9. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrphasentransformator (58) drei einseitig geerdete Sekundärwicklungen (59,60,61) aufweist, welche an die Kollektorelektroden von drei Leistungstransistoren (63,64,65) angeschlossen sind, deren Emitterelektroden gemeinsam mit der Ausgangsklemme (66) des Umformers verbunden sind, daß die Basiselektroden der Leistungstransistoren an die Ausgangselektrode je eines Treibertransistors (67,68,69) angeschlossen sind, deren Kollektorelektroden an eine gemeinsame positive Spannungsquelle (78) und deren Basiselektroden einerseits über je eine Diode (70,71, 72) an eine der Basisstrombegrenzung dienende nach Masse geschaltete Zenerdiode (73) und andererseits über Vorwiderstände (74,75,76) an eine positive Spannungsquelle (77) angeschlossen sind (Figur 3).
10. 10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a durch gekennzeichnet, daß die Leistungstransistoren (6 bis 21bzw. 63 bis 65) durch einen Mehrfach-Leistungstransistor mit einer gemeinsamen Basiselektrode und einer gemeinsamen Ausgangselektrode sowie mehreren getrennten Eingangselektroden gebildet sind.

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