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Hochspannungsgenerator insbesondere für kapazitive Lasten wie Ozongeneratoren
Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsgenerator insbesondere für kapazitive
Lasten wie Ozongeneratoren mit einem statischen, von einer Gleichspannungsquelle
gespeisten Wechselrichter zur Speisung der Primärspule eines Ausgangstransformators.
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Es sind Hochspannungsgeneratoren dieser Art bekannt, deren Wechselrichter
zwei, mittels eines Trigger-Generators im Gegentakt zündbare, in einem Parallel-
oder Serienschwingkreis angeordnete Thyristoren aufweisen, und deren Ausgangsspannung
rechteck- oder sinusförmig ist. Unter Voraussetzung einer sinusförmigen Ausgangsspannung
ist bei solchen Wechselrichtern eine Veränderung der Ausgangsfrequenz nur sehr beschränkt
möglich, weil
-mit der Steuerfrequenz gleichzeitig auch die zur
periodischen Ladung erforderlichen, die Halbwellenform bestimmenden Kondensatoren
umgeschaltet werden müssen. Ebenso ist eine Variation oder eine Regelung der Ausgangs
spannung nicht ohne weiteres möglich.
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Darüberhinaus treten beim Betreiben des Thyristor-Wandlers mit überwiegend
kapazitiver Last erhebliche Schwierigkeiten auf, weil aufgrund der Phasenverschiebung
zwischen Spannung und Stromstärke eine sichere Kommutierung ohne zusätzliche Maßnahmen
nicht gewährleistet ist, Hinzu kommt, daß der Thyristor-Wandler betriebsmäßig nicht
kurzschlußfest ist, was sich namentlich bei kapazitiver Belastung nachteilig auswirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsgenerator
der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, dessen Ausgangsspannung und- Frequenz
in einem weiten Bereich variiert werden kann und der kurzschlußfest und für kapazitive
Lasten wie Ozongeneratoren besonders geeignet ist, Zur Lösung dieser Aufgabe wird
gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß der Wechselrichter aus mindestens einer Gruppe
gleichartiger Transistoren besteht, die kollektorseitig miteinander und mit dem
einen Anschluß der am anderen' Anschluß auf konstantem Potential liegenden Primärspule
des Ausgangstransformators und emitterseitig über gleiche Emitterwiderstände mit
dea einen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden sind, und deren Basis über gleiche
Basiswiderstände mittels einer einen Oszillator umfassenden Steuerschaltung mit
einstellbarer Frequenz und Spannung ansteuerbar ist.
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Aufgrund der begrenzten Belastbarkeit einzelnen Transistoren wird
durch die Parallelanordnung einmal bezweckt, die Leistung des Gesamtsystems heraufzusetzen.
Dies ist auch schon bei verhältnismäßig niedrigen Gesamt leistungen von Bedeutung,
da Hochleistungstransistoren überproportional teurer sind, als eine entsprechende
Anzahl Einzeltransistoren von niedrigerer Belastbarkeit. Allerdings stößt die Parallelschaltung
von Transistoren wegen der relativ großen Streuungen der Kenndaten einzelner Exemplare,
die etwa bei der Stromverstärkung ein Verhältnis 1:6 annehmen können, auf erhebliche
Schwierigkeiten, da hier die Gefahr besteht,daß einzelne Transistoren der Parallelschaltung
überbelastet werden und dadurch frühzeitig ausfallen.
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Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, in jedem Parallel-Zweig
einen Emitterwiderstand anzuordnen, der eine Stromgegenkopplung und damit eine Angleichung
der Belastung der einzelnen Transistoren in der Parallelschaltung bewirkt.
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Dadurch wird zwar eine gewisse Verschlechterung des Wirkungsgrades
in Kauf genommen, die jedoch bei bestimmten Anwendungsfällen bei weitem durch die
Verwendbarkeit billiger Einzeltransistoren aufgewogen wird.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird
vorgeschlagen, daß zwei kollektorseitig verbundene Transistorgruppen vorgesehen
sind, von denen die eine aus npn-Transistoren besteht und emitterseitig mit dem
Minuspol der Gleichspannungsquelle verbunden ist und die andere aus pnp-Transistoren
besteht und mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle verbunden ist, und daß der
zweite Anschluß der Primärspule auf Null-Potential liegt. Mit einer solchen komplementären
Transistoranordnung ist es möglich, eine exakt sinusförmige Ausgangsspannung mit
positiver und negativer Halbwelle zu erzeugen, deren Amplitude und Frequenz in einem
weiten Bereich durch entsprechende
Ansteuerung der Transistorgruppen
variiert werden kann.
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Zum Zwecke der Ansteuerung der Transistorgruppen ist es zweckmäßig,
wenn die Steuerschaltung mindestens einen über einen Regler für die Ausgangsspannung
des Wechselrichters gespeisten, durch den Oszillator angesteuerten Treibertransistor
zur Ansteuerung je einer der Transistorgruppen des Wechselrichters umfasst.
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Vorteilhafterweise werden alle Einzeltransistoren des Wechselrichters
auf einem gemeinsamen Kühlelement angeordnet, wodurch sich eine gute thermische
Kopplung ergibt, die sich günstig auf die Aussteuerbarkeit der Einzeltransistoren
auswirkt.
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Durch die Verwendung von Emitterwiderständen in den einzelnen Parallelzweigen
können die einzelnen Transistorgruppen in besonders einfacher Weise nach Kurzschluß
aus fällen etwa durch einen Durchbruch der Emitter-Kollektorstrecke einzelner Transistoren
überwacht und gegen eine Überlastung einzelner Transistoren.aufgrund einer äußeren
Überlast gesichert werden..Dies kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß
ein auf dem effektiven Spannungsabfall des Emitterwiderstandes des die maximale
Stromstärke führenden Transistorzweiges einer Transistorgruppe ansprechender Schwellenwertschalter
vorgesehen ist, der die Stromzufuhr zu dem Wechselrichter unterbricht, wenn der
Spannungsabfall größer als ein einstellbarer Schwellenwert ist. Die Auswahl des
jeweils maximalen effektiven Spannungsabfalls erfolgt automatisch, wenn in den von
den einzelnen Emitterwiderständen zu dem Schwellenwertschalter führenden Messleitungen
jeweils eine nach Maßgabe des Transistortyps gepolte Diode angeordnet ist. Mit den
Dioden wird außerdem bezweckt, daß sich ein
am Eingang des Schwellenwertschalters
befindlicher Integrationskondensator nicht über die niederohmigen Emitterwiderstände
entladen kan.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer
Weise dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild des Hochspannungsgenerators;
Fig. 2 eine Schaltskizze des Wechselrichters.
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Der Hochspannungsgenerator umfasst zwei Netzgeräte 1, 2 zur Erzeugung
je einer zu einem Null-Potential symmetrischen positiven und negativen Gleichspannung.
Das Netzgerät 1 ist über eine elektronische Sicherungsschaltung 3 mit einem hinsichtlich
Frequenz und Ausgangsspannung steuerbaren Wechselrichter 4 verbunden, der aus zwei
Gruppen 41, 42 parallel geschalteter Transistoren besteht und zur Speisung der Primärspule
51 eines Ausgangstransformators 5 dient. Das zweite, spannungsstabilisierte netzgerat
2 dient zur Speisung einer Steuerschaltung fur den Wechselrichter, die einen Sinus-Oszillator
6 Mit an eine-Sollwertgeber 61 einstellbaren Frequenz, sowie zwei durch den Oszillator
angesteuerte, zur Ansteuerung je einer der Transistorsgruppen 41, 42 bestimmten
Treibertransistoren 71, 72 unfasst Die Treibertransistoren al, 72 werden so mittels
eines Ausgangsspannungsregler 8 gespeist, daß die Aussangsspannung des Wechselrichters
einen konstanten, an den Sollwertgeber 81 für die Ausgangs spannung einstellbaren
Effektivwert eingeregelt wird. Die Frequenz des Wechselrichters vird über den Frequenz-Sollwertgeber
61 des Sinus-Oszillators 6 eingestellt.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, umfasst der Wechselrichter zeei Transistorgruppen
41, 42, von denen die eine Gruppe aus npn-Leistungstransistoren 41 und die andere
Gruppe aus pnp-Leistungstransistoren 42 besteth. Die Einzeltransistoren beider Gruppen
sind kollektorseitig unmittelbar und mit da einen Anschluß 52 der Primärspule 51
des Ausgangstransformators verbunden. Emitterseitig sind die npn-Transistoren 41
über jeweils gleiche Emitterwiderstände 43 mit dem Minuspol 11 der durch das Netzgerät
1 gebildeten Gleichspannungsquelle verbunden, während die pnp-Transistoren 42 über
entsprechende Emitterwiderstände 44 am den Pluspol 12 der Gleichspannungsquelle
angeschlossen sind. Der zweite Anschluß 53 der Primärspule des Ausgangstransformators
befindet sich auf Null-Potential.
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Die Ansteuerung der beiden Transistorgruppen 41, 42 erfolgt, wie oben
ausgeführt, iiber die leiden Treibertransistoren 71, 72, die ihrerseite zu diesem
Zweck an der Basis jeweils Mit den Oszillatorausgang 62 und an Emitter mit dem Ausgangsspannungsregler
8 verbunden sind und kollektorseitig über jeweils gleiche Basiswiderstände 45, 46
an die Basis der einzelnen Leistungstransistoren 41, 42 der zugehörigen Transistorgruppen
angeschlossen sind. Der Treibertransistor 71 ist als pnp-Transistor und der Treibertransistor
72 als npn-Transistor ausgebildet, so daß die beiden zueinander komplementären Transistorgruppen
41, 42 2 ii Gegentakt angesteuert werden und bei sinusförmigen Treibersignal eine
sinusförmige Ausgangsspannung mit phasengerechter positiver und negativer Halbwelle
liefern.
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Aufgrund der Emitterwiderstände 43, 44 ergibt sich eine Stromgegenkopplung,
die es ermöglicht, auch unausgesuchte und daher billige Leistungstransistoren, die
aufgrund der Exemplarstreuungen große Unterschiede in der Stromverstärkung
aufweisen,
ohne die Gefahr einer Überbelastung des einen oder anderen Transistors in einer
Parallelanordnung zu kombinieren und damit die Gesamtbelastbarkeit des Wechselrichters
und somit auch die Leistung des Hochspannungs -generators zu erhöhen. Durch Messung
des Spannungsabfalles an den Emitterwiderständen und Vergleich mit einem vorzugebenden
Schwellenwert ist zum anderen eine verhältnismäßig einfache Überwachung der Transistorgruppen
auf einen Kurzschlußausfall infolge Durchbruchs der Emitter-Kollektorstrecke einzelner
Transistoren und gleichzeitig eine Überlastungssicherung des Systems möglich. Da
bei einer solchen Überwachung nur jeweils der höchst-belastete Transistorzweig interssiert,
braucht für jede Transistorgruppe nur eine einzige als Schwellenwertschalter mit
einem in der zum Wechselrichter 4 führenden Stromzufuhrleitung liegenden Relais
31 ausgebildete Sicherungsschaltung 3 vorgesehen zu werden, die über je eine Diode
47 48 mit dem emitterseitigen Anschluß des betreffenden Emitterwiderstandes 43,
44 verbunden rist, wobei als Spannungsbezugspunkt der jeweilige, mit dem anderen
Anschluß verbundene Pol 11, 12 der Spannungsquelle 1 dient. Bei entsprechender Polung
der Dioden und Anordnung eines nicht dargestellten Integrationskondensators im Eingangskreis
des Schwellenwertschalters ist nur derjenige effektive Spannungsabfall am Schwellenwertschalter
3 wirksam, der in dem höchst-belasteten Transistorzweig einer jeden Transistorgruppe
auftritt. Im Falle der npn-Transistoren 41 sind zu diesem Zweck die Anoden und im
Falle der pnp-Transistoren 42 die Kathoden der Dioden 47 bzw.
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48 mit dem jeweiligen Emitteranschluß verbunden.