DE2218643C3 - Statischer Wechselrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen statischen Wechselrichter mit einem von einer stabilisierten Gleichspannung gespeisten Schwingungserzeuger, der eine auf die Primärwicklung eines Wechselrichterausgangstransformators arbeitende Transistor-Gegentaktanordnung steuert, und mit einer Regeleinrichtung lür die Amplitude der Wechselrichterausgangsspannung, die die Amplitude der Wechselrichterausgangsspannung mit einer Bezugsspannung vergleicht und ein Gleichstromregelsignal bildet, das in den vom Ausgang des Schwingungserzeugers ausgehenden Steuerweg eingreift

Ein solcher Wechselrichter in der Zeitschrift »Feinwerktechnik«, 1966, Heft 7, S. 315 bis 319, beschrieben. Bei diesem erfolgt jedoch die Ansteuerung der Gegentaktanordnung mit einem den Wirkungsgrad begrenzenden sinusförmigen Signal, die Frequenz des Ausgangssignals läßt sich nicht einstellen, und die Regelung der Amplitude der Ausgangsspannung erfolgt dadurch, daß die Verstärkung eines der Gegentaktanordnung vorgeschalteten Vorverstärkers durch das Gleichstromregelsignal eingestellt wird. Verstärker mit steuerbarer Verstärkung sind jedoch verhältnismäßig aufwendig.

Demgegenüber ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe die Schaffung eines Wechselrichters der eingangs beschriebenen Art, der unter verbessertem Wirkungsgrad ein Ausgangssignal einstellbarer Frequenz bereitstellt und trotzdem einfachen Aufbau aufweist. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.

In der oben angegebenen Druckschrift ist auch schon angegeben, daß bei einer Thyristor-Endstufe der Wirkungsgrad durch Ansteuerung mit einem Rechtecksignal verbessert werden kann. Die Regelung des Effektivwertes der Ausgangsspannung wird dann durch Impulsbreitenmodulation des die Thyristor-Endstufe ansteuernden Rechtecksignals vorgenommen. Es muß also zusätzlich ein Impulsbreitenmodulator vorgesehen werden. In der oben angegebenen Druckschrift wird ferner auch in Betracht gezogen, als Schwingungserzeuger einen mit einer stabilisierten Spannung betriebenen astabilen Multivibrator zu verwenden, wobei jedoch die Regelung der Ausgangsspannung wieder über die Verstärkung des Vorverstärkers erfolgt.

Das Vorsehen eines einstellbaren Widerstandes zur Vorgabe der Frequenz des Schwingungserzeugers ist für einen Gegentaktoszillator in der Zeitschrift »Funkschau«, 1964, Heft 14, S. 385 bis 387, beschrieben. Dabei wird jedoch durch den Widerstand die Zeitkonstante eines RC-Netzwerkes im schwingungsbefähigten Rückkoppelkreis geändert. Der Gegentaktoszillator erzeugt eine Sinusspannung, die durch Übersteuerung einer nachfolgenden Treiberstufe dann in eine Trapezspannung umgesetzt wird. Damit ist der Schaltungsaufwand zur Ansteuerung der Gegentaktanordnung verhältnismäßig groß.

Bei der Erfindung wird dagegen insgesamt auf sehr einfache Weise ein stabil mit einer einstellbaren Frequenz arbeitender Wechselrichter erhalten, der an seinen Ausgangsklemmen eine Spannung konstanter Amplitude bereitstellt. Unter Verwendung des den durch das Gleichstromregelsignal gesteuerten Widerstand aufweisenden Spannungsteilers werden Schwankungen in dem die Gegentaktanordnung speisenden Netz einfach über eine entgegengesetzte Änderung des Anteiles des vom astabilen Multivibrator erzeugten Rechtecksignals ausgeglichen, der auf den Eingang der Gegentaktanordnung gegeben wird.

Erfindungsgemäße Wechselrichter eignen sich z. B. zur Stromversorgung eines Radarsenders oder eines Radarempfängers an Bord von Schiffen. Hierzu werden

beispielsweise Speisespannungen von 180 V und einer Frequenz von 1100 Hz benötigt. Als Spannungsquelle steh* meistens ein Gleichspannungsbordnetz mit einer Nennspannung von 24 V zur Verfügung. In derartigen Gleichspannungsbordnetzen muß jedoch mk starken Spannungsschwankungen gerechnet werden, bei einem nominal auf 24 V ausgelegten Bordnetz kann die Spannung üblicherweise zwischen 18 und 32 V schwanken.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für einen erfindungsgemäüen Wechselrichter ist z. B. der Betrieb eines Schallsenders an Bord eines Schiffes, mit dem z. B. bei Nebel Warnsignale erzeugt werden.

Der erfindungsgemäße Wechselrichter zeichnet sich somit dadurch aus, daß bei geringem Schaltungsaufwand eine in der Frequenz und Spannung stabile Wechselspannung erzeugt wird, wobei die Stabilität im Leerlauf und in Vollast annähernd gleich gut bleibt Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wechselrichters ist dabei sehr gut. Er eignet sich für alle Anwendungsfäl-Ie, in denen aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung vorgegebener veränderlicher Frequenz und Amplitude erzeugt werden muß, wobei gleichzeitig eine verhältnismäßig hohe Leistung bereitgestellt werden muß.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Multivibrator mit Transistoren aufgebaut ist und einen im Basiskreis der Transistoren liegenden einstellbaren Widerstand aufweist. Über diesen läßt sich die gewünschte Impulsfrequenz des Multivibrators genau einstellen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung iM vorgesehen, daß in die Leitung vom einstellbaren Widerstand zur Basis des einen Transistors zusätzlich ein weiterer einstellbarer Widerstand geschaltet ist. Dieser weitere einstellbare Widerstand dient zur Symmetrierung der Impulse des Multivibrators, d. h. zur Erzielung gleicher Impulslängen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerten Widerstände der beiden Spannungsteiler die Kollektor-Emitter-Strecken von zwei Transistoren sind, deren Emitter die Fußpunkte der Spannungsteiler bilden und gemeinsam an einen Gleichspannungspol angeschlossen sind, und an deren zusammengeschaltete Bpsen das Gleichstromregelsignal gelegt ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei jedem der beiden Spannungsteiler zwischen dem Abgriffspunkt des Spannungsteilers und dem Kollektor des zugehörigen Transistors ein temperaturkompensierender Widerstand liegi. Diese Widerstände sorgen dafür, daß eine durch Temperaturänderung bewirkte Regelungsabweichung nicht zu einer vom Sollwert abweichenden Wechselspannung am Ausgang des Wechselrichters führt.

In weiterer vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, daß die zwei Transistoren der Spannungsteiler in Form eines in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Doppeltransistors vorgesehen sind. Dadurch haben die beiden Transistoren einen gleichen, gemeinsamen Temperaturgang und die beiden Zweige der Gegentaktanordnung werden in symmetrischer Weise beeinflußt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben (^ werden.

Die Zeichnung zeigt ein Schaltbild eines statischen für einen Radarsender bzw. -empfänger an Bord eines Schiffes.

Klemmen 6, 7 sind mit einem nicht gezeigten Gleichspannungsbordnetz von 24 Volt verbunden. Die positive Klemme 7 ist mit einer Klemme 4 verbunden, die mit Hilfe eines nicht gezeigten Schalters mit der Klemme 5 verbunden werden kann. Die Klemme 5 ist mit der Erregerwicklung eines Relais ReI verbunden, deren anderes Ende über eine Diode Di und einen Kondensator C3 mit Masse verbunden ist. Ein Kontakt K 1 ist in einer Leitung L 1 angeordnet, die über eine Wicklung einer Drossel Dr und eine Sicherung 5 ί mit der positiven Klemme 7 verbunden ist, wenn das Relais ReI seinen Kontakt K 1 schließt. Das dem Kontakt K 1 zugekehrte Ende der Drossel ist außerdem über einen Kondensator C2 an Masse gelegt.

Die Leitung L 1 führt über einen Widerstand R 16 an ein Ende einer Reihenschaltung aus zwei Zenerdioden D 4 und D5, das außerdem mit der Basis eines Transistors 74 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 74 liegt über einen Widerstand R 22 am Kollektor eines ersten Transistors 71 und über einen Widerstand R2\ am Kollektor eines zweiten Transistors T2 eines Multivibrators. Den Basen der transistoren 71 und 72 zugeordnete Kondensatoren sind mn C10 bzw. C11 bezeichnet. Die Emitter der Transistoren 71 und 7"2 des Multivibrators sind über eine Leitung L2 und eine Wicklung der Drossel Dran die negative Klemme 6 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 74 liegt schließlich über einen einstellbaren Widersland RV3 und einen Widerstand R2A an einem Punkt zwischen dem Kondensator ClO und der Basis des Transistors 71. Ein Punkt zwischen dem Widerstand RV3 und dem Widerstand Λ24 ist über einen Widerstand R23 und einen einstellbaren Widerstand RV2 mit einem Punkt zw-schen dem Kondensator C11 und der Basis des Transistors 72 verbunden. Ein Punkt zwischen dem Kollektor des Transistors TX und dem Kondensator CIl des Transistors 72 liegt über einen Widerstand R 17 an der Basis des ersten Transistors 75 einer ersten Darlington-Schaltung. In gleicher Weise ist ein Punkt zwischen dem Kollektor des Transistors 72 und dem Kondensator C10 über einen Widerstand R 18 mit der Basis eines ersten Transistors 76 einer zweiten Darlington-Schaltung verbunden. Der Kollektor des Transistors 75 der ersten Darlington-Schaltung ist mit dem Kollektor des Transistors TA verbunden. Der Emitter des zweiten Transistors 77 der ersten Dariington-Schaltung ist über einen Widerstand R 14 und über Widerstände Rb, R7 und /?8 an entsprechende Basen von Transistoren 79, 710 und 711 einer Leistungsverstärkerstufe angeschlossen. Die Emitter der Transistoren 79, 710 und 711 liegen über eine gemeinsame Leitung Li am anderen Ende der Reihenschaltung aus den Zenerdioden DA und D5, das seinerseits über eine Leitung LA an die negative Klemme 6 des Gleichspannungsneizes angeschlossen ist. Die Emitter der Transistoren 79. 710 und 711 liegen ferner über einen niederohmigen Widerstand R 9 an einem Punkt zwischen dem Widerstand R 14 und der gemeinsamen Verbindung der Widerstände R 6, R 7 und R 8. Der Kollektor des zweiten Transistors 77 der ersten Darlington Schaltung ist mit der Leitung L 1 verbunden.

In gleicher Weise ist der Emitter des zweiten Transistors 78 der zweiten Darlingtonschaltung über einen Widerstund R 15 und Widerstände R !0, R 11 und R 12 an die entsprechenden Basen von Transistoren 712, 713 und 714 angeschlossen, die zusammen eine

Geeentakt-Lcistungsverstärkerstufe bilden. Die Emitter der Transistoren 712, 713 und 714 liegen gemeinsam an der Leitung L 2, die zur negativen Klemme 6 fuhrt, und über einen Widerstand R13 an einem Punkt zwischen dem Widerstand R 15 und der gemeinsamen Verbindung der Widerstände R 10. R 11 und R 12. Eine gemeinsame Verbindung der Kollektoren der T ransistoren 79. 7" 10, TH einerseits und eine gemeinsame Verbindung der Kollektoren der Transistoren Γ12. 7Ί3 und 7" 14 sind mit entgegengesetzten Enden einer Primärwicklung 20, 21 eines Transformators Tr verbunden. Die Primärwicklung 20, 21 besitzt eine Mittelanzapfung, die einerseits mit der Leitung L 1 und andererseits mit den Kollektoren der Transistoren Tb und 78 der zweiten Darlington-Schaltung verbunden

Auf der Sekundärseite weist der Transformator Tr eine erste Sekundärwicklung 22 auf. zu der ein Kondensator CI parallel geschaltet ist und die mit zwei Klemmen 1 und 2 verbunden ist. an denen eine Betriebs-Wechselspannung von 180 Volt und 1150Hz abgenommen wird. Der Transformator Tr besitzt eine zweite Sekundärwicklung 23, deren Klemmen mit einer Gleichrichterbrückenschaltung G/l verbunden sind. An der anderen Diagonalen der Brückenschaltung G/l liegt eine Leitung L 4, die mit der Leitung L 2 verbunden ist An dieser Brückendiagonalen ist ferner eine Leitung L 6 angeschlossen, die über einen Widerstand R 1 und einen Widerstand R 29 mit der Basis und über einen Widerstand A4 mit dem Kollektor des Transistors T15 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors Γ15 ist ferner über einen Widerstand R 5 und über die Leitung Ll mit einem Doppeltransistor 73 verbunden, der ein gemeinsames Gehäuse 24 besitzt. Der Transformator Tr besitzt eine dritte Sekundärwicklung 25. die mit einer Diagonalen einer zweiten Gleichrichterbrückenschaltung G/2 verbunden ist. In der anderen Diagonalen ist die Gleichrichterbrückenschaltung G/2 mit der Leitung L 4 und mil einer Leitung i.5 verbunden. Die Leitung L 5 ist über einen Widerstand R 2, einen einstellbaren Widerstand RVX und einen Widerstand R3 mit der Leitung L 2 verbunden. Zwischen der Leitung L 2 und der Basis des Transistors 7"15 ist eine Zenerdiode D3 geschaltet. Der Emitter des Transistors Γ15 ist mit sehen den Widerständen R 1 und R 4

Die Wirkungsweise des obigen statischen Wechselrichters ist kurz beschrieben wie folgt. Die Gleichspannung an den Klemmen 6 und 7 wird über die Drossel Dr und die Leitungen Li und L 2 auf den Multivibrator gegeben, der irn wesentlichen aus den Transistoren Π und 72 und dem Kondensatoren C 10 und C11 besteht. Zuvor ist jedoch erforderlich, daß das Relais ReI einen Kontakt K 1 schließt. Dies ist nur dann der Fall, wenn die Gleichspannung mit dem richtigen Vorzeichen angelegt wird, d.h. die Diode D\ in Durchlaßrichtung beaufschlagt ist. Da die Gleichspannung, die 24 Volt beträgt, stark schwanken kann, beispielsweise zwischen 18 und 32 Volt, wird mit Hilfe der Zenerdioden D 4 und D 5 und des Transistors TA eine Spannungsstabilisierung vorgenommen, so daß am Multivibrator stets eine konstante Spannung anliegt Mit Hilfe des Widerstands RV 3 ist die Spannung jedoch veränderbar, so daß damit auch die Frequenz des Multivibrators in bestimmten Grenzen steuerbar ist. MH Hilfe des Widerstands RV2 wird die Länge der Impulse auf gleiche Größe eingestellt.

Die Ausgangsinipulse des Multivibrators gelangen im Gegentakt auf die stromverstärkenden Darlington-Schaltungen, die aus den Transistoren 75. 7"7 bzw. 76. 7"8 bestehen. Die stromverstärkten Impulse gelangen auf die Verstärkerstufen, die aus den Transistoren 7*9, 710, Γ11 bzw. 712, Γ13, Γ14 bestehen. Die verstärkten Impulse gelangen gegenphasig von den beiden Verstärkerstufen auf die Primärwicklung 20. Die Betriebs-Wechselspannung wird von der ersten Sekundärwicklung 22 abgenommen, und zwar an den Klemmen 1 und 2. An der zweiten Sekundärwicklung 23 wird die Betriebsspannung für den Regelverstärker abgenommen und über die Gleichrichterbrückenschaltung G/l gleichgerichtet Die Ist-Wechselspannung wird von der Sekundärwicklung 25 abgenommen und durch die Gleichrichterbrückenschaltung gleichgerichtet Sie fällt am Potentiometer RVt ab und gelangt über dessen Abgriff auf den Emitter des Transistors 715.Da durch die Zenerdiode eine konstante Spannung vorgegeben ist bestimmt die Höhe der am Emitter des Transistors 715 anliegenden Spannung den Kollektorstrom. Der durch die Leitung L 7 fließende Strom wird

einem Abgriff des Widerstands R Vi verbunden. Die ₄₅ also in Abhängigkeit von der Ansteuerung des

Kollektoren des Doppeltransistors 73 sind jeweils über einen Widerstand R 20 bzw. RiS mit der Basis des ersten Transistors 75 bzw. 76 der Darhngton-Schaltungen verbunden. Die Widerstände R 19 und R 20 sind temperaturkompensierende Widerstände. Die Emitter des Doppeltransistors 73 liegen an der Leitung L 4.

Zwischen der Leitung Li und £.3 liegt eine Zenerdiode D 2 und parallel dazu ein Kondensator C12. Die Zenerdiode D 2 ist eine Spezialdiode mit einem Sperrbereich von -0.7 bis 38 Volt. Parallel zur Reihenschaltung aus den Zenerdioden D 4 und D 5 und der Basis-Emitterstrecke des Transistors 74 ist ein Elektrolytkondensator C9 geschaltet. Desgleichen sind Elektrolytkondensatoren C4. C5 zwischen der einen Transistors 715 durch eine der Ist-Betriebswechselspannung proportionale Spannung verändert. Mit Hilfe des einstellbaren Widerstands R Vi läßt sich die Höhe der proportionalen Spannung verändern. Über die 50 Leitung L 7 gelangt somit eine der Abweichung der Ist-Betriebswechselspannung proportionale Spannung auf die Basen des Doppeltransistors 73, der als Regelverstärker dient Der Doppeltransistor 73, dessen Kollektoren mit jeweils einem Eingang der Darlington-55 Schaltungen verbunden sind, verstellt somit nach Maßgabe der Regelabweichung die Eingangsspannung für die Darlington-Schaltungen. Das gemeinsame Gehäuse 24 und die temperaturkompensierender Widerstände Λ19 und R 20 sorgen für eine optimale

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der Leitung L 2 angeordnet. Die Leitung L 4 enthält ebenfalls einen Elektrolytkondensator C8. Ein Punkt zwischen den Widerständen RVi und R 2 ist über einen Elektrolytkondensator Cb mit der Leitung L 3 verbunden. Die Leitung L 2 ist mit der Leitung L 6 über einen Elektrolytkondensator C7 verbunden, und zwar zwi-Mit Hilfe des dargestellten statischen Wechselrich ters kann beispielsweise eine Betriebs-Wechselspan nung von 180 Volt und einer Sollfrequenz von 1150 Hi erzielt werden. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 70% 63 Schwankungen der Ausgangsspannung halten sicr innerhalb eines Bereiches von +1%.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Statischer Wechselrichter mit einem von einer stabilisierten Gleichspannung gespeisten Schwingungserzeuger, der eine auf die Primärwicklung eines Wechselrichterausgangstransformators arbeitende Transistor-Gegentaktanordnung steuert, und mit einer Regeleinrichtung für die Amplitude der Wechselrichterausgangsspannung, die die Amplitude der Wechselrichterausgangsspannung mit einer Bezugsspannung vergleicht und ein Gleichstromregelsignal bildet, das in den vom Ausgang des Schwingungserzeugers ausgehenden Steuerweg eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserzeuger ein astabiler Multivibrator (Ti, T2) mit durch Einstellen eines Widerstandes (RV3) einstellbarer Frequenz ist, daß zwei gegenphasigc Ausgangssignale des Multivibrators (Ti, T2) als Steuersignale über je einen Spannungsteiler, der aus einem festen Widerstand (R 17, R 18) und einem von dem Gleichstromregelsignal gesteuerten V/iderstand (T3) besteht, den Gegentaktzweigen der Transistorgegenlaktanordnung zugeführt sind und in den Gegentaktzweigen ausschließlich galvanisch übertragen werden, derart, daß die Spannung, mit welcher der Wechselrichterausgangstransformator (Tr) primärseitig beaufschlagt wird, rechteckförmig ist.

2. Wechselrichter nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator mit Transistoren (7*1, T2) aufgebaut ist und einen im Basiskreis der Transistoren (7Ί, T2) liegenden einstellbaren Widerstand (R V3) aufweist.

3. Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Leitung vom einstellbaren Widerstand (RV3) zur Basis des einen Transistors (T2) zusätzlich ein weiterer einstellbarer Widerstand (RV2)geschaltet ist.

4. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerten Widerstände der beiden Spannungsteiler die Kollektor-Emitter-Strecken von zwei Transistoren (T3) sind, deren Emitter die Fußpunkte der Spannungsteiler bilden und gemeinsam an einen Gleichspannungspol (L 4) angeschlossen sind und an deren zusammengeschaltete Basen das Gleichstromregelsignal gelegt ist.

5. Wechselrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem der beiden Spannungsteiler zwischen dem Abgriffspunkt des Spannungsteilers und dem Kollektor des zugehörigen Transistors (T3) ein temperaturkompensierender Widerstand (R 19, R 20) liegt.

6. Wechselrichter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Transistoren der Spannungsteiler in Form eines in einem gemeinsamen Gehäuse (24) angeordneten Doppeltransistors (T3) vorgesehen sind.

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