DE2604260A1

DE2604260A1 - Wechselrichterschaltung

Info

Publication number: DE2604260A1
Application number: DE19762604260
Authority: DE
Inventors: George Werner Albrecht
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1975-02-05
Filing date: 1976-02-04
Publication date: 1976-08-19
Also published as: FR2300455A1; US4078247A; IT1054262B; FR2300455B1; BE838132A; GB1532273A

Description

-i'ebru-iy 'j,

e^ri outers chaltung

Die Erfindung bezieht sich, auf eine yechselriüh.torc.l"Gim^ nach de:?, Oberbegriff des Annprucho 1.

In der Industrie v/ird die Induictionsheizimj; seit an.je*.;andt, beispiolsueiLe zuni Erhitzen und Soiiraelsen von x.etc.llen. ixan iiat die industriellen Techniken zwar auch schon vor längerer 2le.it auf Anwendungen im Haushalt übertragen, beispielsws-ise auf Küchen-Herdo, anfangs konnten sich die entsprechenden -Einrichtungen jedoch wegen ihrer KoDipliziertheit nicht durchsetzen, oeit einiger Zeit sind nun Halbleiterbauelemente verfügbar, die das erforderliche i''reraienzverhalten und die erforderliche Nennleistung aufweisen, um den praktischen Anforderungen genügende Induktionsherde für Haushaltszwecke bauen zu können. Han kann nämlich nun Wechselrichter für solche Herde bauen, deren Betriebsfrequenz in Ultraschallbereioh liegt, do CLai3 die Leistungserzeugung und -zufuhr keine unerwünschten Geräusche verursacht.

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tier den der liier interessierenden Art erfolgt die _nergieübertragung von >Ierd auf das Kochgerät oder -geschirr durch magnetische kopplung und nicht durch einen thermischen Iroasi?. Dabei induziert ein Mtteis eines Wechselrichters erzeugtes Ji'eld höherer i'requenz einen Strom im metallenen Kochgeschirr (Kochtopf, Pfanne und dergl.). Dieser im Kochgeschirr induzierte Wirbelstrom erzeugt die zum Kochen benötigte Hitze. Liooe £oppluiigsweise ergibt einen höheren Wirkungsgrad der Jnergieübertragung.

üerkniale, Vorteile und üinselheiteii der üri'indung ergeoen sich aus den _"'atentaiisprLiehen und aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten .iusl'ührungsbeispiels und seiner Betriebsweise. j2s zeigen:

i'ig. 1 einen Schaltplan eines liesonanz-v/echselrichters;

!•'ig. 2 einen Blockschaltplan einer Steuerschaltung für die Schaltung nach J?ig. 1 ;

jj'ig. 3 und 4 Diagramme von Strom- und Signaiverläufen in den Schaltungen nach i'ig. 1 bzw. 2; und

i^;ig. 5 einen Teil der Schaltung nach i'ig. 2 im einzelnen.

l!'ig. 1 zeigt eine Hai"bbrüeken-Kesonanz-Weohse!richtersoiialtung mit iiingangsklemmen 10 und 12, an die eine (nicht dargestellte) Uetriebsspannungsquelle angeschlossen ist. Zwischen die Klemmen 1G und 12 sind zv/ei in Reihe liegende Kondensatoren 16 und 18 geschaltet, deren Verbindungspunkt über eine Lastspule 14 mit einer Klemme einer Primärwicklung 21 eines Stromwandler oder -transformator 20 verbunden ist. Den Kondensatoren 16 und 18 können mittels eines Schalters S1 zusätzliche Kondensatoren 16a bzw. 18a parallelgeschaltet v/erden. An die Klemme 10 sind ferner die Kathode einer Diode 22 und die Anode eines torgesteuerten Schalters in li'orai eines Thyristors 24 angeschlossen, während mit der Klemme 12 die Anode einer Diode 26 und die Kathode eines

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torgesteuerten Schalters in '.'oria sines Thyristors 23 angeschloBsen sind. j„)ie Thyristoren 24 mid 23 sind steuerbare Siliziiiiagleichriohter (SOH). Die Anode der Diode 22 und die Kathode der Diode 26 sind miteinander und mit der anderen Klemme der Primär¹//!cklung 21 de?, otrointransfornators 20 verbunden. Die Kathode des Thyristors 24 und die Anode den Thyristors 28 sind ebenfalls, uivl s-.-.-ar über Spulen oder Indi-kivitäter-25 "bzw. 27, mit der ,vicklvjv, 21 verbunden. Klemmen 30 und 32 der Sekundärwicklimg 23 des Stromtransfomators 20 und Steuerelektroden 36 und 3<3 der Thyristoren 2<1 bzw. 23 sind mit einer im einzelnen, in "ö'ig. 2 dories teilten Steuerschaltung verbunden .

In Betrieb der Jchaltung nach i'i,y.. 1 liegt an den Klemmen 10 und 12 eine iieichspamiung oder eine gleichgerichtete Wechselspannung. Us sei angenoiiiiien, daß die Thyristoren 24 und 28 anfänglich nichtleitend sind. Jine εαι die Steuerelektrode 36 des Thyristors 24 angelegte Gteuerspannung bev/irkt, daß die jlnoden-Kathoden-Strecke des Thyristors 24 Strom leitet. Dieser Strom fließt durch die Jüastspule 14 in einer ersten iiichtung und lädt den Kondensator 18 auf. liei Verwendung der V/echselrichterschaltung nach Pig. 1 in einem Induktionsherd wird die Lastspule 14 gewöhnlich als planares schraubenlinig oder spiralig geformtes Element gebaut, was eine wirksame Kopplung des Magnetfelds der Spule mit Kochgeräten oder Kochgeschirren, die einen flachen Boden aufweisen, ermöglicht.

Das Kochgerät oder -geschirr ist mit der Lastspule 14 magnetisch gekoppelt.und kann als einwindige Sekundärwicklung eines Transformators angesehen werden. Das leiten des Thyristors 24 bewirkt auch die Entladung des Kondensators 16. Der Strom durch die Spule 14 setzt sich also aus Strom von der Betriebsspannungsquelle und Entladungsstrom vom Kondensator 16 zusammen.

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Im Verlauf der Aufladung des Kondensators 13 wird der Strom durch die Spule 14 zu iiull. Der Thyristor 24 schaltet zu dieser Zeit ab und der Kondensator 18 beginnt sich nun über die Spule 14 wieder zu entladen. Der Entladestrom fließt in einer dem Ladestrom entgegengesetzten Pachtung. Zu dieser Zeit sind die beiden Thyristoren nichtleitend. Ist der Kondensator 18 voll aufgeladen, so nähert sich seine Ladespannung dem zweifachen 7Jert der Speisespannung an den Klemmen 10 und 12. Diese Spannungsvervielfachung tritt deshalb auf, weil bei einer Serienschaltung mit einer Induktivität und einer Kapazität und einer Erregung durch einen Spannungssprung die Spannung am Kondensator um ihren Wert im stationären Zustand schwingt, im vorliegenden S'all also um den Wert der Speisespannung. Wegen dieses Effekts wird die Diode 22 während der Entladezeit des Kondensators 18 in Durchlaßrichtung beaufschlagt und der Entladestrom fließt für eine zeitlang durch die Diode 22. Mach Ablauf einer gewünschten Zeitspanne wird ein Triggerimpuls an die Steuerelektrode 38 des Thyristors 28 angelegt, der daraufhin leitend wird und den Entladestrom des Kondensators 18 von der Diode 22 zum Thyristor 28 ableitet. Während der Thyristor 28 leitet, wird der Kondensator 16 aufgeladen. Entsprechend wie in der Leitfähigkeitsperiode des Thyristors 24 setzt sich auch nun der Spulenstrom aus dem Entladestrom des ersten Kondensators 18 und dem Ladestrom eines zweiten Kondensators zusammen. Wenn der Kondensator 16 aufgeladen ist, schaltet der Thyristor 28 ab.

Der Kondensator 16 beginnt nun, sich über die Diode 26 zu entladen, wodurch sich die Stromrichtung erneut umkehrt. Zu dieser Zeit ist die Stromrichtung die gleiche wie zur Zeit der Aufladung des Kondensators 18.

Wach Ablauf einer gewünschten Zeitspanne wird ein Ansteuerimpuls an die Steuerelektrode 36 des Thyristors 24 gelegt, der daraufhin leitend wird und den Entladestrom von der Diode 26 ableitet und bewirkt, daß sich der beschriebene Zyklus wieder-

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holt. Der Transformator 20 dient dabei der Urzeugung von üingangssignalen für die später beschriebene Steuerschaltung.

Die j-iichtung des Stroms durch die Lastspule 14 kehrt sich also periodisch um, und der alternierende Lastspulenstrom induziert im Kochgerät den dieses erhitzenden Strom. Die frequenz des Lastspulenstroms wird in erster Linie von der effektiven Indiiktivität der Spule 14» die u.a. von den magnetischen Eigenschaften des verwendeten Kochgeräts und den v/erten der Kondensatoren 16 und 18 abhängt, bestimmt. Die zuschaltbaren Kondensatoren 16a und 13a können den Kondensatoren 16 bzw. 18 parallelgeschaltet werden, um die Ausgangsleistung des Viechseirichters zum Zwecke der Temperatursteuerung zu verändern. Die Temperatursteuerung wird im einzelnen später erläutert. DieWerte der Schaltungselemente sind so gewählt, daß die Betriebsfrequenz des Y/echselrichters über 18 kHz liegt. Diese !Frequenz liegt außerhalb des liörfrenuenzbereiclis der meisten Menschen, so daß der Leistungsumwandlungsvorgang unhörbar ist.

In J?ig. 3 stellt die Kurve A den "Verlauf des Stroms durch den Thyristor 24 dar. Zur Zeit t. wird der Steuerelektrode des Thyristors 24 ein Zünd- oder Steuerimpuls zugeführt, der ihn leitend macht. Zur Zeit tp hört der Thyristor 24 auf zu leiten. Während einer Zeitspanne tp-t* ist die Stromrichtung durch die Lastspule umgedreht und dieser bei 0 gezeigte Strom fließt durch die Diode 22. Zur Zeit t^ wird der Steuerelektrode des Thyristors 28 ein Steuerimpuls zugeführt, der diesen Thyristor leitend macht und so bewirkt, daß der Laststrom nun durch den Thyristor 28 fließt. Dieser Strom ist bei D dargestellt. Zur Zeit t, hört der Thyristor 28 auf zu leiten, der Laststrom kehrt sich um und fließt, wie die Kurve B zeigt, während einer Zeitspanne t.-t_r durch die Diode 26. Zur Zeit t- bewirkt ein an die Steuerelektrode des Thyristors 24 angelegter Steuerimpuls, daß sich der beschriebene Zyklus wiederholt. Der bei E dargestellte Verlauf des Stroms durch die Lastspule 14 ist nahezu sinusförmig.

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Die Funktion der Dioden 22 und 26 ist es, dem jeweils parallel zur Diode liegenden Thyristor die volle Rückkehr in den sperrenden Zustand zu ermöglichen. Diese ISrholungszeit oder i'reiwerdezeit des Thyristors wird in der Literatur auch als Rückkehr- oder Ausschaltzeit bezeichnet. Der Thyristor 24 wird nämlich zwar nichtleitend, sobald der Strom durcbChn auf Null abgesunken ist, er zündet jedoch auch ohne Steuerimpuls erneut, wenn vor dem Ablauf der Anschaltzeit eine Spannung in Durchlaßrichtung zwischen die Anode und die Kathode gelegt wird. Wenn der Thyristor 28 vor Ablauf der ireiwerdezeit des Thyristors 24 leitend wird, so sind zwei Leitungspfade von geringem Widerstand, nämlich die Anoden-Kathoden-Strecken der beiden Thyristoren, unmittelbar über die Spannungsquelle geschaltet, wodurch ein übermäßighoher Strom durch die Thyristoren fließen kann und eine Beschädigung der Spannungsquelle möglich ist. Die Induktivität 27 verhindert, daß ein übermäßiger Strom in der "Wechselrichterschaltung auftritt, wenn der Thyristor 28 zuerst einschaltet. Zum EinsehaltZeitpunkt hat die Diode 22 möglicherweise noch nicht aufgehört zu leiten, so daß zwischen den Klemmen der Spannungsquelle ein Stromweg niedrigen Widerstands durch die Diode 22 und den Thyristor 28 existiert. Die Induktivität 27 verhindert einen unerwünschten Stromanstieg, indem er den Stromanstieg im Thyristor 28 geringfügig zeitlich verzögert, so daß die Diode 22 sperren kann, bevor der Thyristor 28 den vollen Strom führt. Die Induktivität 25 verhindert in entsprechender Weise, daß der Thyristor 24 und die Diode 26 gleichzeitig leiten.

Die Dioden 22 und 26, die das Freiwerden der Thyristoren ermöglichen, sollten Strom nur während einer Zeitspanne führen, die geringfügig langer ist als die Preiwerdezeit jedes Thyristors. Der Gfrund hierfür hat mit der von der Wechselrichterschaltung erzeugten Ausgangsleistung zu tun. Bekannte Wechselrichterschaltungen (siehe z.B. US-PS 3 781 503 und 3 786 219) erfordern für die Dioden jeweils einen Stromflußwinkel von 180°. Bei diesen Schaltungen ist der Spitzenstrom durch die Diode

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wesentlich niedriger als der Spitzenstrom durch den Thyristor. Dies bedeutet aber, daß die Ausgangsleistung des Herds niedriger ist, als im Falle gleich großer Ströme.

Der Diodenstrom ist wegen der über die Lastspule an das Kochgerät abgegebenen Leistung niedriger als der Strom durch den Thyristor. Eine solche Stromverminderung tritt während der Einschaltdauer der Thyristoren nicht auf, da während dieser Zeitspanne Leistung von der Stromquelle nachgeliefert wird. Während die Dioden leiten, wird hingegen keine Leistung von der Stromquelle nachgeliefert, sondern die für die Heizung benötigte Leistung wird von der in der Viechseirichterschaltung gespeicherten Energie geliefert; die gespeicherteEnergie und damit der Spitzenstrom im Wechselrichter sinken dadurch ab.

Vergleichbare Ergebnisse werden mit der Schaltung nach Pig. 1 erhalten, wenn die Thyristoransteuerung in einem Takt erfolgt, der bewirkt, daß jeder Thyristor und jede Diode in jeder Zeitspanne von zwei Perioden für eine Halbperiode leiten. Die von der Schaltung bei derartigem Betrieb erzeugte Ausgangsleistung ist wesentlich niedriger als im EaIl, daß man die Dioden nur gerade lang genug leiten läßt, um das Sperren der Thyristoren zu bewirken.

Der Wechselrichterteil der Schaltung nach Eig. 1 legt deshalb der zugeordneten Steuerschaltung zwei Bedingungen auf: Erstens soll die Leitungsdauer der Dioden 22 und 26 so klein wie möglich sein, daß die Wechselrichterschaltung die Leistung mit möglichst hohem Wirkungsgrad liefert. Zweitens soll die Leistungsdauer jeder.Diode, beispielsweise der Diode 22, lang genug sein, um sicherzustellen, daß beim Zünden des dieser Diode nicht parallel liegenden Thyristors, in diesem EaIl des Thyristors 28, der parallel zur betreffenden Diode liegende Thyristor, in diesem Beispiel also der Thyristor 24, in Durchlaßrichtung schon wieder einwandfrei sperren kann. Wird diese zweite Bedingung nicht erfüllt und wird der Thyristor 28 leitend, bevor die Ausschaltzeit des Thyristors 24 abgelaufen ist, so

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leiten beide Thyristoren und ergeben eine sehr niedrige Impedanz parallel zur Betriebsspannungsquelle. Ein solcher Zustand hat zur Ji'olge, daS von der Spannungsquelle hohe Ströme abgesogen v/erden, die die Spannungsquelle oder die Thyriotoren beschädigen können oder möglicherweise zu gefährlichen Überhit zungszuständen führen können.

Die Steuerschaltung gemäß 3?ig. 1, die in Ϊ1&. 2 im einzelnen dargestellt ist, fühlt den Laststrom durch die Lastspule 14 mit Hilfe des Stromtransformators 20 ab. Die durch diese Stromfühltechnik erhaltene Information dient der Ableitung von Steuersignalen für die einzelnen Thyristoren so, daß die Leitungsdauer jeder Diode minimal ist, jedoch sichergestellt wird, daß nicht einer der Thyristoren ein Steuersignal empfängt, bevor die Ausschaltzeit des anderen Thyristors abgelaufen ist.

Bei der Schaltung nach !ig. 2 sind die Klemmen 30 und des Stromtransformators 20 mit Signalformschaltungen 40 bzw. 42, und diese mit Differenzierern44 bzw. 46 verbunden. Die Ausgangssignale der Differenzierer werden über ein ODER-Glied 48 einem monostabilen Multivibrator 50 und dessen Ausgangssignal einer Klemme 51 einer Sperrschaltung 52 zugeführt. Die Ausgangsklemme der Sperrschaltung 52 ist an einen bistabilen Multivibrator 54, einen sogenannten Plipflop angeschlossen, der Ausgangsklemmen 70 und 72 aufweist, bei denen das an einer von ihnen auftretende Signal boolesch komplementär zum Signal an der anderen Klemme ist. An die Ausgangsklemme 70 schließt ein Verstärker 56 an, an den wiederum die Steuerelektrode 36 des Thyristors 24 angeschlossen ist. An die Ausgangsklemme 72 ist ein Verstärker 58 angeschlossen, mit dem wiederum die Steuerelektrode 38 des Thyristors 28 gekoppelt ist.

Die Klemmen 30 und 32 sind außerdem mit einem Vollweggleichrichter 60 verbunden, an den ein Spitzendetektor 62 angeschlossen ist. Die Ausgangsklemme des Spitzendetektors 62

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und eine erste Ausgangsklemrae einer Zeitverhältnis-Steuerschaltuiig 66 sind mit Eingancsklemmen 74 bzw. 76 eines bistabilen Iiul ti vibrators 64 verbunden. Sine zweite Ausgangski emme der Zeitverhältnis-Steuerschaltung 66 ist ebenfalls mit der Klemme 74 verbunden. Der Ausgang Q des Multivibrators 64 ist mit einer Eingangskleinme 53 der Sperrschaltung 52 verbunden.

In der folgenden Beschreibung des Betriebs der Schaltung nach Pig. 2 wird auf die Pig. 3 und 4 Bezug genommen. Die Kurve l'¹ in Pig. 4 stellt den Ausgangsstrom der Vieehselrienterschaltung nach Pig. 1 dar und ist identisch mit der Kurve E in yig. 3. Die Zeiten t. bis tp- in Pig. 4 entsprechen den gleich bezeichneten Zeiten in Fig. 3.

Der Strom durch die lastspule 14 gemäß Kurve P (Pig. 4) wird über den Stromtransformator 20 an die Signalformschaltungen 40 und 42 gekoppelt. Der im wesentlichen sinusförmige Verlauf wird von jeder der Signalformerschaltungen in eine keeliteckwelle von gleicher Precjuenz wie der Laststrom umgewandelt. Die Signalformschaltungen können durch Schmitt-Trigger oder durch begrenzende Verstärker hoher Verstärkung dargestellt werden. Die Ausgangssignale der Signalformschaltungen 40 und 42 sind un 180 in der Phase verschoben, da die in der Ilitte abgegriffene Sekundärwicklung 23 des Stromtransformators 20 eine entsprechende Phasenverschiebung bewirkt, und sind in Pig. 4 durch die Kurven G- und H dargestellt. Sie v/erden von den Differenzierern 44 bzw. 46 differenziert, und deren Ausgangssignale bestehen nur aus positiven Impulsen, da die normalerweise durch das Differenzieren von üechteckwellen erzeugten negativen Impulse durch Dioden-Abschneidschaltungen innerhalb jedes Differenzierers beseitigt werden. Das ODJi)K-Glied 48 läßt die beiden Ausgangssignale der Differenzierer zur einzigen Ansteuerleitung für den monostabilen Multivibrator 50 durch. Die auf dieser leitung liegenden Impulse sind in der Kurve I in Pig. 4 dargestellt.

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Die Impulse I triggern den monostabilenl'Iultivibrator 50, der. bei <J in i'ig. 4 dargestellt Impulse erzeugt, deren Rückflanke dazu dient, über die Sperrschaltung 52 den bistabilen Multivibrator 54 anzusteuern, wie noch, beschrieben wird.

Wenn die Sperrschaltung 52 durch einen entsprechenden Spannungswert vom bistabilen Multivibrator 64 geöffnet worden ist, Iäi3t sie die Aus gangs signale des monostabilen Multivibrators 50 zum bistabilen Multivibrator 54 durch. Liegt im Betrieb der Sperrschaltung 52 an der Klemme 53 eine Spannung an, deren Wert eine Boole'sehe Muli darstellt und im folgenden als negative, niedrige oder Hullspannung bezeichnet wird, so tritt ausgangsseitig an einem Inverter 150 eine Spannung eines Viertes auf, der eine Boole'sehe Eins darstellt und hier als positive oder hohe Spannung bezeichnet wird. Diese Spannung spannt eine Diode 152 in Durchlaßrichtung vor, so daß die hohe Spannung zur Eingangsklemme eines Inverters 154 gelangt. Das Aus gangs signal dieses Inverters ist eine verhältnismäßig niedrige Spannung, die so lange konstant bleibt, als die niedrige Spannung an der Klemme53 liegt, unabhängig vom Anliegen der vom Multivibrator 50 erzeugten Spannungsimpulse an der Klemme 51. Diese Impulse v/erden dadurch daran gehindert, den bistabilen Multivibrator 54 umzuschalten. Eine niedrige Spannung an der Eingangsklemme 53 stellt also ein Sperrsignal für die Sperrschaltung 52 dar. Ist die Spannung an der Eingangsklemme 53 auf dem relativ hohen ¥ert, so ist das Ausgangssignal des Inverters 150 niedrig und die Diode 152 ist nicht mehr in Durchlaßrichtung vorgespannt. Die Schaltung 52 sperrt also nicht mehr und die an der Klemme 51 anliegenden Impulse werden vom Inverter 154 umgekehrt und an den bistabilen Multivibrator 54 angelegt, der durch die Rückflanke der vom Inverter 154 erzeugten Impulse angesteuert wird.

Die Anste.uersignale für die Thyristoren 24 und 28 sind von den Signalen abgeleitet, die an den Ausgangsklemmen 70 und 72 des Multivibrators 54 auftreten und in Pig. 4 durch die Kurven K und L dargestellt sind. Wie erwähnt, hat jedes

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der Signale einen im Vergleich zum anderen Signal boolesch komplementären Verlauf. Unter Verwendung der üblichen Terminologie boolescher Schaltungen stellt ein Signal den Ausgang Q des Multivibrators 54 und das andere Signal den Ausgang Q dar.

Die Ausgangssignale werden den Verstärkern 56 bzw. 58 zuge-

verstarkt
führt,/und kapazitiv auf die Steuerelektroden der Thyristoren gekoppelt. Die Verstärker 56 und 58 sind für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Schaltung unter Umständen nicht notwendig. Dies hängt vom verfügbaren Ausgangsstrom des Multivibrators 54 und dem Steuerelektrodenstrombedarf der speziellen Thyristoren ab, die in der Wechselrichterschaltung enthalten sind. Werden die Verstärker nicht benötigt, erzeugt also der Multivibrator 54 ausreichend leistungsstarke Ausgangssignale, so werden die Steuersignale für die Thyristoren einfach durch kapazitive Kopplung der Steuerelektroden mit den Ausgangsklemmen des Multivibrators erhalten.

Die vom bistabilen Multivibrator 54 erzeugten Signale gleichen im wesentlichen den von den Signalformschaltungen 40 und 42 erzeugten Rechteckwellen mit einer Verzögerung um eine Zeitspanne T, die in Pig. 4 als Zeitspanne t^-t^ dargestellt ist. Die Verzögerungszeit T ist durch die Breite des Ausgangsimpulses des monostabilen Multivibrators 50 bestimmt. Die erwähnten Anforderungen an die Steuerschaltung können also erfüllt werden, indem die Ausgangsimpulsbreite dieses Multivibrators entsprechend gewählt wird. Die Impulsbreite ist eine Punktion des Produkts des Widerstands eines Bauteils R und der Kapazität eines Bauteils 0 des Multivibrators 50 und · kann durch Verändern der Werte von R und/oder C geändert werden. Die Impulsbreite muß mindestens gleich der Anschaltzeit jedes der Thyristoren sein. In der Praxis wird die Impulsbreite etwas größer als der Mindestwert gewählt, um Änderungen· durch Alterung oder Temperatureinflüsse oder andere Paktoren in den Schaltungsparametern des Multivibrators 50 oder anderer Schaltungsteile der Schaltung zulassen zu können. Die Preiwerdezeit der Thyristoren ändert sich, zwar nicht mit dem Alter,

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sie schwankt ,-jedoch, von Bauelement zu. Bauelement des gleichen Typs verhältnismäßig stark. Andererseits soll die Impulsbreite nicht so groß sein, daß die Diode 22 oder 26 für eine übermmäßig lange Zeitspanne leitend bleibt.

Durch die komplementäre Natur der vom Multivibrator 54 erzeugten Steuersignale ist sichergestellt, daß nicht einer der Thyristoren einen Steuerimpuls empfängt, während der andere Thyristor ebenfalls gerade gezündet wird und die vom Multivibrator 50 bestimmte Verzögerungszeit T stellt sicher, daß nicht der erste Thyristor seinen Steuerimpuls empfängt, bevor der andere Thyristor vollständig sperrend geworden ist.

Der Yollweggleichrichter 60, der Spitzendetektor 62 und der Multivibrator 64 bilden zusammen eine Schaltung, die eine Beschädigung der Wechselrichterbestandteile verhindert, wenn das Kochgerät während des Betriebs des Wechselrichters entfernt wird. Wenn nämlich mit der Lastspule 14 (Fig. 1) keine Belastung gekoppelt ist, so empfangen die Kondensatoren 16 und 18 die Energie von der Stromquelle schneller, als sie innerhalb des Wechselrichters abgegeben oder verbraucht werden kann. Diese Energieansammlung hat übermäßig hohe Ströme-und Spannungen innerhalb des Wechselrichters zur Folge, die zu einem Ausfall von Bauelementen führen können. Um einen solchen Zustand zu vermeiden, kann die Wiederholungsfrequenz der Ansteuerung der Thyristoren erniedrigt oder auch der Wechselrichter stillgesetzt werden. Im ersterwähnten Fall verbraucht der Wechselrichter noch Leistung, während er mit verminderter Frequenz arbeitet. Da diese Leistung verbraucht wird, während kein Kochgerät oder -geschirr erwärmt wird, hat die Verminderung der Ansteuerungsfrequenz einen nachteiligen Effekt auf den G-esamtwirkungsgrad des Systems.

Bei der beschriebenen bevorzugten Schaltung wird der erhöhte Strom, der fließt, wenn das Kochgeschirr, z.B. eine Pfanne, weggenommen wird, im Sekundärkreis des Stromtransformators 20 durch den Vollweggleichrichter 60 und den Spitzendetektor

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wahrgenommen. Hit einer Erhöhung des Laststrons erhöht sich auch die Ausgangsspannung des Gleichrichters. Diese Spannung v/ird in den Detektor 62 eingespeist. Übersteigt die Spannung einen einem sicheren Betrieb entsprechenden Wertebereich, so erzeugt der Detektor 62 ein Ausgangssignal, das den bistabilen Multivibrator 64 ansteuert, der daraufhin von einem ersten in einen zweiten Zustand umschaltet. In diesem zweiten Zustand wird das den Betrieb freigebende, aufsteuernde Signal von der Sperrschaltung 52 abgeschaltet, so daß keine Ansteuerimpulse mehr zub Multivibrator 54 gelangen können.

Der Spitzendetektor 62 enthält in Reihe geschaltete Widerstände 100 und 102, die zwischen die Ein&angsklemme und ein Bezugspotential, im beschriebenen Beispiel Masse, geschaltet sind. Die Kathode einer Zenerdiode 104 ist an den Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände angeschlossen, während ihre Anode über einen Widerstand 106 an Masse liegt. Mit der Anode der Diode. 104 ist außerdem die Anode einer Diode 108 verbunden, deren Kathode an die Ausgangsklemme des Spitzendetektors 62 angeschlossen und über diese mit der Rückstell-Eingangsklemnie 74 des bistabilen Multivibrators 64 verbunden ist, bei dem es sich um ein SR-Flipflop ("Set-Reset") handelt.

Zur Beschreibung des Betriebs des Spitzendetektors 62 sei angenommen, daß die Ausgangsspannung des Vollweggleichricliters 60 ansteigt, bis die Spannung an der Kathode der Zenerdiode 104 ausreichend hoch ist, xw. dieses Bauelement leitend zu machen. Bei leitender Zenerdiode 104 fließt Strom durch die Diode 108. Dieser Strom dient als Rückstellsignal für den Hultivibrator 64 und bewirkt, daß dessen Ausgangssignal Q auf die niedrige Spannung abfällt. Wie beschrieben, bewirkt eine solche Spannung an der Bingangsklerome 53 der Sperrschaltung 52, daß der Wechselrichterbetrieb aufhört.

An den Multivibrator 64 v/erden periodischlnit verhältnismäßig niedriger Frequenz Impulse angelegt, die von der Zeitverhältnis-Steuerschaltung 66 erzeugt und an seine Eingangs-

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klemme 76 gegeben werden. Ist der Multivibrator 64 vom Spitzendetektor 62 zurückgekippt worden, und ist somit die Wechselrichtersteuerung unterbrochen, so setzt ein von der Zeitverhältnis-Steuerschaltung 66 erzeugter Impuls den Multivibrator 64 wieder in seinen aufgesteuerten Zustand und entfernt die Sperrspannung von der Sperrschaltung 52. Das Ausgangs signal des Inverters 150 erniedrigt sich auf den niedrigenWert und die Sperrschaltung 52 wird aufgesteuert. Die Spannung an der Klemme 51, die bei Abwesenheit eines Impulses vom Multivibrator 50 niedrig ist, bewirkt, daß das während des Anliegens der Sperrspannung niedrige Ausgangssignal des Inverters 154 auf den hohen Wert ansteigt. Dieser Pegelübergaag steuert den bistabilen Multivibrator 54 an, der einen Steuerimpuls für einen der Thyristoren erzeugt, wodurch der normale Schaltungsbetrieb beginnt. Sofern die ÜberStrombedingung nicht länger existiert, fährt die Schaltung mit dem Betrieb fort. Liegt die Überstrombedingung noch vor, so wird der Wechselrichter nach einigen Betriebsperioden erneut stillgesetzt.

Für die beschriebene überlast-Schutzschaltung ist die in 3?ig. 2 dargestellte Verbindung zwischen der Zeitverhältnis-Steuer schaltung 66 und der Bücksteilklemme 74 des Multivibrators 64 nicht notwendig. Diese Verbindung wird nur dann gebraucht, wenn die Zeitverhältnis-Steuerschaltung 66 in einer zweiten Betriebsweise gebraucht wird, die unabhängig vom Schutzbetrieb ist. Bei dieser zweiten Betriebsweise kann die Schaltung 66 dazu verwendet werden, die Ausgangsleistung des Wechselrichters zu verändern. Nachdem einer der früher beschriebenen periodischen Impulse, die von der Schaltung 66 erzeugt werden, den bistabilen Multivibrator 64 aufgesteuert hat, wird von der Schaltung 66 ein Rückstellimpuls erzeugt, dessen zeitliche Beziehung zum aufsteuernden Impuls verändert werden kann. Dieser Rückstellimpuls sperrt den Betrieb des Wechselrichters, indem er den Multivibrator 64 zurückstellt. Der Wechselrichter bleibt ausgeschaltet, bis von der Schaltung 66 der nächste AuSteuerimpuls erzeugt wird. Durch Ändern des RucksteHinter-

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vails des Multivibrators 64, der andererseits aufsteuernde Impulse gleichbleibender Preqruens erhält, kann die Ausgangsleistung des Wechselrichters verändert v/erden. Wird das Jiückstellintervall langer gemacht, so sinlet die Ausgangsleistung des Wechselrichters und umgekehrt.

Die Zeitverhältnis-Steuerschaltung 66 ist im einzelnen in iig. 5 dargestellt. Das Ausgangssignal eines astabilen Multivibrators 110 wird in einem Differenzierer 112 differenziert und in einem Verstärker 114 verstärkt. Die Baueinheiten 110, 112 und 114 bilden zusammen als Schaltungsteil einen Aufsteuerimpulsgenerator. Ein erstes Ausgangssignal des Verstärkers 114 stellt den bereits beschriebenen periodischen Impuls dar, der an die Klemme 76 des bistabilen Multivibrators 64 angelegt ist. Außerdem wird das Ausgangssignal des Verstärkers 114 über eine Widerstand 116 an die Basis eines Tran-.sistors 118 angelegt, dessen Emitter geerdet ist und dessen Kollektor über einen Kondensator 120 mit Erde verbunden ist. Außerdem ist mit diesem Kollektor ein Widerstand 122 verbunden, der zu einer variablen Spannungsquelle führt, die aus einer (nicht dargestellten) Quelle fester Spannung V und einem veränderlichen Widerstands-Spannungsteiler besteht. Alternativ kann der Widerstand mit einer Quelle veränderlicher Spannung verbunden sein. Weiterhin ist der Kollektor des Transistors mit in Reihe geschalteten Invertern 128 und 130 verbunden, die ihrerseits an die Rückstell-Eingangsklemme 74 des bistabilen Multivibrators 64 angeschlossen sind.

Die Ausgangsleistung des Wechselrichters kann verändert werden, indem der Multivibrator 64 in einen Zustand versetzt wird, der die Wechselrichter-Steuerimpulse für eine gegebene Zeitspanne aus 3eder Betriebsperiode des AufSteuerimpulsgenerators unterbricht. Der Bruchteil der Aufsteuerimpulsperiode, zu dem der Wechselrichter in Betrieb ist, wird als Leistungs-Tastverhältnis oder System-Leistungsperiode bezeichnet. Die Ausgangsleistung des Wechselrichters nimmt zu,

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wenn die System-Leistungsperiode ansteigt. Die Betriebsfrequenz des Wechselrichters ist im Vergleich zur Aufsteuerimpulsfrequenz sehr hoch. Jede Periode des Wechselrichterbetriebs umfaßt deshalb typischerweise eine große Zahl von Wechselri cht e r s chwingungen.

Zur Erläuterung des Betriebs der Zeitverhältnis-Steuerschaltung 66 sei unter· Bezugnahme auf £'ig. 5 angenommen, daß ein aufsteuernder oder Setzimpuls soeben an die Setzklemme des Multivibrators 64 abgegeben worden ist, wodurch der Wechselrichterbetrieb in G-ang gesetzt ist. Dieser Impuls macht gleichzeitig den Transistor 118 leitend, wodurch der Kondensator 120 schnell auf einen Wert nahe null YoIt entladen wird. Die Kondensatorspannung erscheint als niedrige Spannung am Ausgang des Inverters 130, wodurch wiederum eine Diode 131 in Sperrichtung belastet ist. Als Ergebnis wird kein Signal an die Hückstellklemme 74 des Multivibrators 64 abgegeben.

Wegen der kurzen Dauer des aufsteuernden Impulses wird der Transistor 118 schnell wieder sperrend. Zu dieser Zeit beginnt der Kondensator 120, sich über den Widerstand 122 bis auf die Spannung an einer Klemme 123 aufzuladen. Der Widerstand 122 hat einen sehr hohen Wert, tjrpisoh. in der Größenordnung von mehreren Megohm, was einen verhältnismäßig konstanten Ladestrom des Kondensators 120 ergibt. Die Spannung am Kondensator steigt aufgrund der ITatur des Ladestroms im wesentlichen linear an, Erreicht diese Spannung die Schwellenapannung des Inverters 128, so fällt das Ausgangssignal dieses Inverters vom hohen auf den niedrigen Spannungspegel, was wiederum einen hohen Spanniangspegei an der Klemme 74 bewirkt, wodurch ein Sustandsübergang des Multivibrators 64 erfolgt. Zu dieser Zeit —erden die Wechselrichter-Steuerimpulse unterbrochen und der Wechselrichterbetrieb endet.

Der Wechselrichter bleibt bis zum nächsten aufsteuernden Impuls desaktiviert. Dann wiederholt sich der beschriebene Zyklus. Die System-Leistungsperiode kann auf verschiedene

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Weise geändert werden. Die Aufladegeschwindigkeit des Kondensators 120 kann entweder durch Veränderung des Werts des Widerstands 122 oder dtirch Änderung der Spannung an der Klemme 123 mit Hilfe des veränderlichen Spannungsteilers geändert werden. Alternativ kann der Schwellenwert des Inverters 128 geändert werden. Bei der beschriebenen Ausführung ist die Leistungsperiode durch Verändern der Spannung an der Klemme 123 steuerbar. Als Inverter 128 und 130 v/erden im Handel erhältliche integrierte Schaltkreise mit komplementären symmetrischen Hetall-Oxid-Halbleitern (öOS/MOS) verwendet. Solche Inverter haben typische Einschaltspannungsschwellen in der Größenordnung von 1,5 Volt.

ils sei erwähnt, daß im i?all, daß die Zeitverhältnis-Steuerschaltung 66 ausschließlich als Quelle für Aufsteuerimpulse für die Überlastschutzschaltung gebraucht wird, die Bauelemente 116 bis 131 nach ü'ig. 5 entfallen können. Alle Bauelemente gemäß iⁿig. 5 werden nur dann gebraucht, wenn die Schaltung 66 sov/ohl in Verbindung mit der Überlastschutzschaltung als auch als Ausgangsleistungs-Steuerschaltung arbeiten soll.

Wie auc J?ig. 1 ersichtlich ist, kann die Temperatursteuerung auch durch Einschalten und Ausschalten von Kondensatoren in die Wechselrichterschaltung bewirkt werden. Beispielsweise v/erden diirch Schließen des Schalters S1 die Kondensatoren 16a und 18a über die Kondensatoren 16 bzw. 18 geschaltet;. Dies erhöht die Kapazität des Wechselrichters und erniedrigt den Wellenwiderstand des Wechselrichter-Resonanzkreises. Dieser Wellenwiderstand ist umgekehrt proportional der Quadratwurzel der Netzwerkkapazität. Die Erniedrigung des Hetzwerk-Wellenviderstands ermöglicht einen höheren Stromfluß mit der Polge einer höheren Ausgangsleistung, Umgekehrt kann die Leistung des Wechselrichters durch Verminderung der iietzwerkkapazität; erniedrigt werden.

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Claims

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Patentansprüche

Wechselrichterschaltung zur Energielieferung an eine Belastung mit relativ hoher Frequenz von einer Spannungsquelle mit Gleichspannung oder gleichgerichteter Wechselspannung niedriger Frequenz, mit einer ersten und einer zweiten Eingangsklemme, an die die Speisespannung anlegbar ist, einem ersten und einem zweiten auf eine Steuerspannung ansprechenden Schalter, von denen jeder eine Steuerelektrode und einen Hauptleitungspfad aufweist, den Strom in einer Richtung im Vergleich zur anderen Richtung bevorzugt leitet und eine ihm eigene Ausschaltzeit aufweist, wobei die Hauptleitungspfade dieser Schalter zwischen der ersten und der zweiten Klemme in Reihe liegen, ferner mit einem ersten und einem zweiten Kondensator, die zwischen der ersten und der zweiten Klemme in Reihe zueinander liegen, einer zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Schalter und dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Kondensatoren eingeschalteten Last und einer Einrichtung zum Anlegen von Steuersignalen an die Steuerelektroden des ersten und des zweiten Schalters, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale von einer Steuereinrichtung ("Steuerschaltung" in Fig. 1j 20 ...54 in Fig.2) in Antwort auf den Strom durch die Last (14) so erzeugt sind, daß die Hauptleitungspfade des ersten und des zweiten Schalters (24, 28) sich niemals gleichzeitig im Zustand ihrer niedrigen Impedanz befinden.
2. Wechselriclferschaltung nach Anspruch'1, dadurch gekennzeichnet , daß das an die Steuerelektrode (36) des ersten Schalters (24) angelegte Steuersignal (K in Fig. 4) ein Binärsignal ist und boolesch komplementär zum an die Steuerelektrode (38) des zweiten Schalters (28) angelegten Steuersignals (L in Fig. 4) ist und die beiden Steuersignale ihren Zustand eine Zeitspanne T, die mindestens so

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lang wie die Ausschaltzeit des Schalters mit der längsten Ausschaltzeit ist, nach dem Richtungswechsel des Stroms durch die last (14) ändern.
3. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine erste Einrichtung (20) zum kühlen des Stroms durch die Last (14)» eine zweite auf das Ausgangssignal der fühlenden Einrichtung ansprechende Einrichtung (40, ...50), die je Halbperiode des Laststroms einen Impuls (J in Pig.4) erzeugt, und eine auf diesen Impuls ansprechende und die komplementären Steuersignale erzeugende dritte Einrichtung (54) umfaßt,
4. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 3, d a d u r ch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung ein instabiler Multivibrator (54) ist.
5. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 4, d a d u r ch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung einen monostabilen Multivibrator (50) umfaßt, der bei jeder Richtungsumkehr des Stroms durch die Last (14) angesteuert ist, und daß der bistabile Multivibrator (54) der dritten Einrichtung um eine Zeitspanne T, die mindestens so lang ist wie die Ausschaltzeit des Schalters (24, 28) mit der längsten Ausschaltzeit, nach dem Triggern des monostabilen Multivibrators von dessen Ausgangssignal angesteuert ist.
6. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 5, d a d u r ch gekennzeichnet , daß jeder Ausgangs impfls des monostabilen Multivibrators (50) die Zeitdauer T hat und der bistabile Multivibrator (54) von der nacheilenden Planke des Ausgangsimpulses des monostabilen Multivibrators angesteuert ist.

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7. Vie cliselri elite rs ciialtung nach, einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Laststrom durch einen Stromwandler (20) abgeführt ist, dessen Primärwicklung (21) in Eeihe mit der Last (14) geschaltet ist und dessen Sekundärwicklung (23) mit einer Hittelanzapfung an einem Punkt von festem Potential angeschlossen ist, und daß
die in jeder Hälfte der Sekundärwicklung entstehenden Signale differenziert und an den Eingang des monostabilen Multivibrators (50) angelegt sind.

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