DE2558135A1 - Transistorschaltverstaerker, insbesondere gleichstromsteller oder wechselrichter - Google Patents

Description

• Transistorschaltverstärker, insbesondere Gleichstromsteller oder Wechselrichter Als Transistor-Schaltverstärker werden hier Leistuns-Stellglieder bezeichnet, die Transistoren im Schaltbetrieb verwenden. Je nachdem1 ob der Laststrom ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom (auch mit Gleichstromanteil) ist, handelt es sich dabei um Gleichstromsteller oder Wechselrichter. Die Schalttransistoren befinden sich abwechselnd im voll leitenden oder im gesperrten Zustand, wobei der Übergang vom leitenden in den gesperrten Zustand, und umgekehrt, möglichst schnell vor sich geht (Größenordnung z.B. 1 es) An den Schaltflanken ergeben sich große Leistungsspitzen, im Mittel sind die Schaltverluste jedoch relativ gering und es ergibt sich somit ein guter Wirkungsgrad der Schaltverstärker.
• Dem Stand der Technik entsprechen die Scnaltungen Fig. 1, für einen Gleichstromsteller und Fig. 4 für einen Wechselrichter.
• Die Gleichspannungsouellen (z.B. Batterien oder Gleichrichter) sind hier mit niedrigem Innenwiderstand ausgeführt und werden üblicherweise mit je einem Kondensator abgeschlessen, um auch bei raschen Stromänderungen die Spannung möglichst konstant zu erhalten. Die Schalttransistoren T bzw. T', T" werden ron einer Steuerelektronik gemäß den Erfordernissen des Lastkreises periodisch mit möglichst hoher Frequenz ein- und ausgeschaltet.
• Um beim Wechselrichter eindeutige Verhältnisse zu schaffen, werden die beiden Transistoren T', T" üblicherwiese abwechselnd geschaltet, d.h. beim Sperren eines Transistors wird sofort der andere leitend gemacht.
• Eine gewisse Glättung des Stromes wird durch die Drossel L erzielt.
• Beim Sperren eines Transistors fließt der Strom über die entsprechende Freilaufdiode D bzw. 5)' , D".
• Die Erzeugung einer Wechselspannung an einer ohm'schen Last mit einem Wechselrichter gemäß Fig. 4, zeigt Fig. 6 (Unterschwingungg verfahren) Fig. 6a stellt die Spannung am Transistorschlter (vor der Glättungsdrossel) dar. Fig. 6b zeigt die Spannung an der Last (nach der Glättungsdrossel, proportional dem Strom).
• Die Frequenz, mit der die Transistoren getaktet werden, wird, wie schon erwähnt, möglichst hoch gewählt, um die Stromwelligkeit niedrig zu halten. Sie ist aber andererseits begrenzt durch die SchalttRgbgeschwindigkeit und die Schaltverluste in den Transistoren.
• Aus diesen Tatsachen ergeben sich bei Anwendungen für große Stromstärken, z.B. bei Verwendung des Gleichstromstellers nach Fig. 1 als Schweißstromquelle, wobei die Last ein Schweißlichtbogen ist, mehrere Nachteile.
• a) Die Speisequelle wird mit großem Wechselstrom belastet, daher ist ein großer SpeicherkondensSor erforderlich.
• b) Ein großer Laststrom, z.B. der volle Schweißstrom ist meist nur durch ParaDelschaltung mehrerer Transistoren erreichbar, wobei alle Schwierigkeiten der direkten Parallelschaltung in Erscheinung treten.
• c) Durch die begrenzte Frequenz ergibt sich eine Laststromwelligkeit mt der gleichen Frequenz und daraus ergibt sich bei einem Regelbetrieb ein Regelverhalten mit ebenfalls begrenzter Regelgeschwindigkeit.
• Die Erfindung behebt bzw. vermindert diese Nachteile. Ihr Gegenstand ist nämlich ein Transistorschaltverstärker, insbesondere ein Gleichstromsteller oder Wechselrichter mit Transistoren, die im Schaltbetrieb arbeiten, mit dem'Kennzeichen, daß n Gruppen (n > 2), bestehend (gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 4) aus je mindestens einem Transistor, einer Glättungsdrossel und mindestens einer Freilaufdiode, parallelgeschaltet sind und daß die Ansteuerung jeder Gruppe mit versetzter Phasenlage -n Periodendauer) erfolgt.
• Erfindungsgemäß werden also mehrere Grundeinheiten gemäß Fig. 1, oder Fig. 4, an der Gleichspannungsversorgung sowe an den Anschlüsser der Last parallelgeschaltet, wodurch sich beispielsweise für n = 3 die Schaltungen nach Fig. 2 bzw. Fig. 5 ergeben.
• Die Ansteuerung der Transistoren erfolgt in regelmäßiger Aufeinanderfolge. Ist f1 die Taktfrequenz jedes Transistors, n die Zahl der Grundeinheiten, dann ist f = n.f1 die Oberwellenfrequenz an der Last. Der Betrag der Frequenz bzw. f1 ist dabei unwesentlich.
• sie kann auch variabel sein und sich z.B. mit dem Taktverhältnis (Einschaltdauer zu Periodendauer) verändern. Wesentlich ist nur die o.a. zeitliche Aufeinanderfolge der Ansteuerung um jeweils i/n Periodendauer. Damit ergeben sich für die obigen Punkte a, b, c die entsprechenden Vorteile.
• Für eine zweiphasige Ausführung (n = 2) sind die Stromverläufe des Gleichstromstellers in Fig. 3 dargestllt. il und i2 sind die Drosselströme in den beiden Schaltverstärkern. Zu erkennen ist hier die wesentliche Verringerung der Welligkeit im Summenstrom und die höhere Frequenz dieser Welligkeit. Beides ist wesentlich, um eine geringe Oberwellenbelastung der Last zu erreichen und eine rasche Regelung zu ermöglichen.
• Für den Fall des Wechselrichters zeigt Fig. 7 die im Vergleich zu Fig. 6b erzielbare Verringerung der Stromoberwellen bei Verwendung von 3 Phasen, d.h. bei n = 3.
• Die Zahl n wird meist größer als 2, z.B. 3, 4 oder 6 sein.
• Die Glättungsdrosseln L dürfen mit Rücksicht auf die Schnelligkeit der Regelung nicht allzugroß sein. Dadurch kann es sein, daB bei geringer Stromstärke Stromlücken und relativ (bezogen auf den kleineren Nennstrom) größere Stromwelligkeit auftritt.
• Um auch in diesem Fall einen einwandfreien Betrieb zu erzielen, ist es möglich, die Drossel mit einer nichtlinearen Kennlinie in der Weise auszubilden, daß die Induktivität bei kleiner Stromstärke größer ist als bei großer Stromstärke.
• Die o.a. Schwierigkeit der direkten Parallelschaltung von Transistoren steigt mit der Zahl der paraISteschalteten Transistoren sehr stark an. in begrenzter Zahl ist sie möglich und es kann bei Bedarf jeder der o.a. Transistoren T bzw. T', T" durch eine Parallelschaltung mehrerer Transistoren ersetzt werden. Das Analoge gilt für die Freilaufdioden D bzw. D', D". Bei n Phasen ist hier die Zahl der direkt parallelgeschalteten Transistoren bzw. Dioden itnnerhin auf i/n reduziert. Ebenso können natürlich die Schalteinheiten einen beliebigen anderen bekannten Aufbau haben. Z.B. können pnp-Transistoren verwendet werden, es können Darlington-Schaltungen Anwendung finden usw.

Claims (6)

1. Patentansprüche für periodischen Betrieb ( 1.JTransistorschaltverstärker/, gekennzeichnet durch die Parallelschaltung von n Gruppen, (n a 2),bestehend aus je mindestens einem Transistor (T), einer Glättungsdrossel Q und mindestens einer Freilaufdiode (D), und durch die Ansteuerung dieser Gruppen mit um je n der Periodendauer gegeneinander versetzten Phasenlagen. (Fig. 2, Fig. 5).
2. 2. Transistorschaltverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Ausfuhrung als Gleichstromsteller zur Regelung des von einer Gleichstromauelle an einen Gleichstromverbraucher (z.B.

   einen Schweißlichtbogen) gelieferten Gleichstromes (Fig. 2).
3. 3. Transistorschaltverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Ausführung als Wechselrichter, wobei je Gruppe entsprechend den beiden Stromrichtungen mindestens zwei Transistoren (T', T") und mindestens zwei Freilaufdioden (D', D") vorgesehen sd. (Fig. 5).
4. 4. Transistorschaltverstärker nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch je eine ir das bei Wechselrichtern bekannte Unteschwingungsverfahren eingerichtete Steuerung (Tastverhältnissteuerung) für jede der n Gruppen, wobei diese Steuerungen uni je n der Periodendauer der Oberschwingung gegeneinander versetzt arbeiten.
5. 5. Transistorschaltverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die GlättungsdrosseB1(L) mit nichtlinearer Kennlinie in der Weise ausgeführt sind, daß de Induktivität bei kleinem Strom eien Maximalwert aufweist und bei zunehmendem Strom abnimmt.
6. 6. Transistorschaltverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Transistor- oder/und Freilaufdioden-Schalteinheit aus zwei oder mehreren direkt parallelgeschalteten Transistoren bzw. Dioden besteht.