DE2650069A1

DE2650069A1 - Inverter-transformator

Info

Publication number: DE2650069A1
Application number: DE19762650069
Authority: DE
Inventors: Joseph Patrick Hesler; Samuel Michael Korzekwa
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-11-03
Filing date: 1976-10-30
Publication date: 1977-05-05
Also published as: US4004251A; GB1570614A; FR2330190A1; NL7612213A; ES452966A1; JPS5266920A

Description

Die Erfindung betrifft statische Inverter, mit Hilfe derer Gleichspannungsenergie in elektrische Wechselspannungsenergie unter Verwendung von nichtbeweglichen oder statischen Vorrichtungen umgewandelt wird. Die Erfindung bezieht sich insbesondere

Ja zw. Trans format oren,
auf übertrager^" die in derartigen Invertern Verwendung finden.

Derartige übertrager arbeiten in Verbindung mit einem Paar abwechselnd geschalteter Halbleitereinrichtungen, die in Serie zur Primärwicklung des Übertragers liegen und ein Wechselspannungsausgangssignal an der Sekundärwicklung des Übertragers liefern. Im allgemeinen sind noch zusätzliche Rückkopplungswicklungen zur Steuerung der Schaltereinrichtungen vorgesehen.

Inverter-Übertrager bekannter Art besitzen Wicklungen zur Steuerung der verwendeten' Schaltereinrichtungen. Diese erzeugen gewöhnlich ein positives Rückkopplungssignal, entweder um Schwin-

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gungen zu erzeugen oder um die Kurvenform des Ausgangssignales rechteckig zu machen. In derartigen Fällen wird der gewünschte Effekt normalerweise davon begleitet, daß die Kerne in die Sättigung gesteuert werden. Wenn die Kerne in die Sättigung getrieben werden, nimmt die Magnetisierungsreaktanz der Primärwicklungen ab und folglich können die Schalteinrichtungen bei vorgegebenem kontinuierlichen Durchlaßarbeitspunkt stark übersteuert werden. Es wurde daher vorgeschlagen, die Sättigung in einem Teil des gesamten Kernquerschnitts abzutasten und die Aussteuerung der Schalteinrichtungen vor Erreichung der vollen Kernsättigung zu beenden und dadurch die Übersteuerung zu vermeiden. Die bei diesem Vorschlag verwendeten übertrager besaßen C-Kerne, wobei ein Kern in einem seiner Arme eine öffnung erforderlich machte. Erhältliche Kerne besitzen jedoch die für eine derartige Verwendung erforderliche Öffnung nicht, und die Herstellung einer derartigen öffnung stellt ein besonders aufwendiges Verfahren dar, wenn sie nach der Sinterung des Kernes vorgenommen wird. Außerdem stellt die serienmäßige Einfügung einer Wicklung durch eine Öffnung einen relativ langsamen und lästigen Prozeß dar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Inverterübertrager anzugeben.

Diese Aufgabe der Erfindung wird durch einen übertrager gelöst, der mit einem paar von Schalteinrichtungen zu einem Inverter verbunden ist. Der Übertrager besitzt einen Kern aus im wesentlichen linearem magnetischen Material, der einen geschlossenen magnetischen Pfad bildet, längs dessen ein Arbeitsquerschnitt für den Hauptfluß aufrechterhalten wird, wobei der Pfad über einen Teil seiner Länge in zwei Zweige aufgeteilt ist, zwischen denen der Hauptfluß mit einer relativ kleinen magnetomotorischen Kraft steuerbar ist. Der Kern besteht aus zwei Teilen, die an

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der Stoßstelle stumpf zusammenlaufen, um die Umhüllung des Arbeitsquerschnitts mit einer vorgefertigten Wicklung und die Umhüllung einzelner Zweige mit einer vorgefertigten Wicklung zu ermöglichen.

Eine mittig angezapfte Primärwicklung umgibt den Arbeitsquerschnitt, deren Endanschlüsse je mit einer Ausgangselektrode einer der beiden abwechselnd leitenden elektronischer Schalteinrichtungen verbunden sind, und deren Mittelanzapfung mit einer Wechselstromquelle verbindbar ist, um den Hauptfluß intern zeitlich zu verändern. Die Sekundärwicklung, an der das Wechselspannungsausgangssignal abnehmbar ist, umgibt ebenso den Arbeitsquerschnitt. Außerdem ist eine erste Steuerwicklung vorgesehen, die mit den Schalteinrichtungen verbunden wird, um abwechselnd den leitenden Zustand zu erzeugen. Die erste Steuerwicklung liegt um einen Zweig herum und wird dazu verwendet, während der einzelnen leitenden Zustände eine Mitkopplung zu liefern. Diese Wicklung besitzt gewöhnlich die Form einer Wicklung mit Mittenanzapfung. Vorgesehen ist ferner eine zweite Steuerwicklung, die ebenfalls um einen der Zweige angeordnet ist und eine Spannung (magnetomotorische Kraft) erzeugt, wodurch dieser Zweig während der einzelnen leitenden Zustände jeweils zuerst gesättigt wird. Wenn der erste Zweig in die Sättigung wandert, wird die Mitkopplung entfernt und die Sättigung des gesamten Arbeitsquerschnittes verhindert. Die Schaltung verhindert, daß die Schalteinrichtungen am Ende der leitenden Zeitintervalle elektrisch beschädigt werden, indem der Durchlaßbetrieb vor der Sättigung die Magnetisierungsimpedanz des Übertragers beinahe auf Null reduziert.

Gemäß einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung besteht die zweite Steuerwicklung aus einem Wicklungspaar. Die erste Wicklung

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des Wicklungspaares, die um den "einen" Zweig liegt, wird mit einer, einen Ausgangsstrom führenden Elektrode der ersten Schalteinrichtung verbunden und ist in der Phase so angeordnet, daß ein Fluß in derselben Richtung wie in der mit der ersten Schalteinrichtung verbundenen Primärwicklung erzeugt wird. Die zweite Wicklung des Wicklungspaares, die um den "einen" Zweig herum liegt, wird mit einer einen Ausgangsstrom führenden Elektrode der zweiten Schalteinrichtung verbunden und ist in der Phase so angeordnet, daß ein Fluß in derselben Richtung wie in der mit der zweiten Schalteinrichtung verbundenen Primärwicklung erzeugt wird. Wenn die Schalteinrichtung aus einem Transistor besteht, kann als Ausgangselektrode, zu der die Verbindung besteht, entweder der Emitter oder der Kollektor gewählt werden.

Alternativ läßt sich die zweite Steuerwicklung um den "anderen" Zweig anbringen, diese zweite Steuerwicklung erzeugt dann den gewünschten Flußsteuerungseffekt, wenn eine resistive Last kleiner Impedanz parallelgeschaltet wird.

Ein oder beide Teile des Übertragerkerns werden bevorzugt in Form eines C-Kerns mit einem Spalt ausgebildet, der in einer stumpfen Oberfläche angebracht ist. Der Spalt muß zur Aufnahme der ersten und der zweiten Steuerwicklung hinreichend groß sein.

In einer weiteren Ausführungsform werden Ε-Kerne verwendet, bei denen die Primär- und Sekundärwicklungen auf dem Mittelschenkel und die Steuerwicklungen auf den äußeren Schenkeln angeordnet sind.

Als weitere Kernform eignet sich ein Becherkern für die vorliegende Erfindung. Normalerweise liegen die Primär- und Sekundärwicklungen um den Mittelteil des Becherkerns herum,und die Steuerwicklungen sind um einen der äußeren halbzylindrischen

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Arme gelegt.

Außerdem lassen sich Kreuzkerne verwenden. Drei der äußeren Arme werden für die Mitkopplung verwendet und ein äußerer Arm zur Flußsteuerung oder zur Gegenkopplung. Ebenso lassen sich zwei äußere Arme für die Mitkopplung und üwei äußere Arme zur Flußsteuerung oder ein äußerer Arm zur Mitkopplung und drei äußere Arme zur Flußsteuerung verwenden.

Werden zwei Becherkernhälften verwendet, so lassen sich einstellbare Steuerkernquerschnitte herstellen. Die Primär- und Sekundärwicklungen liegen wiederum um den mittleren Arm. Je ein Ende der beiden Steuerwicklungen verläuft durch einen Spalt -in einer Becherkernhälfte, der mittlere Teil der Wicklung verläuft an einer Seite des mittleren Armes vorbei, und das andere Ende läuft durch den gegenüberliegenden Spalt in der anderen Becherkernhälfte. Auf diese Weise wird der für die Steuerwicklung benötigte Zweig teils von der einen und von der anderen becherkernhälfte gebildet. Zusätzlich läßt sich die effektive Querschnittsfläche des Kernzweiges dadurch abgleichen und einstellen, daß eine Kernhälfte bezüglich der anderen verdreht wird.

Gemäß der Erfindung ist weiterhin ein einfacher Auslösekreis für die Transistorschalteinrichtungen vorgesehen. Dieser Auslösekreis enthält einen Widerstand, eine Kapazität und eine Diode. Die Transistoren sind in Emitterschaltung mit dem Eingang an der Basis geschaltet. Die erste Steuerwicklung ist in der Mitte angezapft und besitzt Wicklungsenden, die mit den Basisanschlüssen der Schalttransistoren verbunden sind. Die Mittenan-

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zapfung ist über den liderstand mit der Mittenanzapfung der Primärwicklung verbunden. Die Mittenanzapfung wird außerdem über eine aus Kapazität und Diode bestehende Parallelschaltung an Masse gelegt, wobei die Diode so gepolt ist, daß sie den PN-Übergängen der Schalttransistoreneingänge entgegengerichtet ist. Wenn die Spannungsquelle angeschaltet ist, wird der Kondensator im Auslöseschaltkreis aufgeladen und bewirkt, daß einer der beiden Transistoren leitet und zu Schwingen anfängt. Sobald die Schwingungen begonnen haben, entwickeln die Kapazität und die Diode ein negatives Potential, das dabei hilft, am Ende der leitenden Zeitperioden gespeicherte Ladung abfließen zu lassen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild eines statischen Inverters mit einem erfindungsgemäßen Leistungsübertrager, der einen aus konventionellen Becherkernen gebildeten verzweigten Kern besitzt. Die den einen Zweig umgebende Wicklung wird zur Mitkopplung und Kreuzkopplung verwendet. Die den anderen Zweig umgebende Wicklung steuert den Fluß in dem ersten Zweig, um dessen Sättigung zuerst zu gewährleisten;

Fig. 2 drei zur Erläuterung der Betriebsweise des in Fig. 1 dargestellten Inverters geeignete Kurvenformen;

Fig. 3 eine Hälfte eines Becherkerns, aus dem der verzweigte übertragerkern zusammengebaut ist, und der auf den Zweigen die Mitkopplungswicklung und die Flußsteuerwicklung trägt;

Fig. if einen Inverter mit zwei C-Kernen, mit einem Spalt in einer stumpfen Stirnfläche eines Kernes;

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Fig. 5 ein Schaltbild der einen Hälfte eines zweiten Inverters, wobei eine Mitkopplungswicklung und eine an einen Kollektor angeschlossene Flußsteuerwicklung auf demselben Kernzweig angeordnet sind;

Fig. 6 ein Schaltbild einer Hälfte eines dritten Inverters, wobei eine Mitkopplungswicklung und eine an einen Emitter angeschlossene FlußsLeuerwicklung auf demselben Kernzweig vorgesehen sind;

Fig. 7 eine Hälfte des Kerns eines erfindungsgemäßen Übertragers, der aus zwei E-j-Kernen zusammengesetzt ist, wobei die Primär- und Sekundärwicklungen, die Mitkopplungswicklung und die Flußsteuerwicklung auf den Kernzweigen dargestellt sind;

Fig. 8 einen Kern eines erfindungsgemäßen Übertragers, der aus zwei Kreuzkernen zusammengesetzt ist, wobei die Mitkopplungs- und die Flußsteuerwicklungen auf den Zweigen dargestellt sind; und

Fig. 9 einen zusammengesetzten Ubertragerkern, der aus zwei Becherkernen besteht, die sich gegeneinander verdrehen lassen, um den Querschnitt eines Kernzweiges relativ zum Querschnitt des anderen Kernzweiges abzugleichen.

Fig. 1 zeigt einen Schaltkreis eines statischen Inverters mit dem erfindungsgemäßen Leistungstransformator. In Fig. 3 sind zwei Steuerwicklungen und eine Hälfte des Becherkerns des Leistungsübertragers dargestellt.

Der statische Inverter verwendet einen Oszillatorkreis als Zerhacker zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung,

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Die Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung ermöglicht es, daß die Ausgangsspannung je nach dem vorgesehenen Verwendungszweck auf einen höheren oder niedrigeren Wert transformiert wird. Das Wechselspannungsausgangssignal läßt sich entweder in Form einer Wechselspannung oder in Form eines zurückverwandelten, gleichgerichteten Gleichspannungssignales weiterverarbeiten, wie das in Fig. 1 dargestellt ist. Die Umwandlung der Gleichspannung in eine Wechselspannung soll gemäß der Erfindung mit einer möglichst wirtschaftlich ausgelegten Schaltung erfolgen.

Der in Fig. 1 dargestellte statische Inverter enthält einen übertrager mit einem verzweigten Kern, .auf dessen Arbeitsquerschnitt eine Primärwicklung 12 und eine Sekundärwicklung 13 mit Mittenanzapfung aufgebracht sind. Der Übertrager enthält außerdem eine Mitkopplungssteuerwicklung 1 if mit Mittenanzapfung, die um einen "Mitkopplungszweig" des Kernes gelegt ist, er enthält außerdem eine Steuerwicklung 15 zur Stromsteuerung, die um den anderen, "Gegenkopplungszweig" genannte^Zweig des Kernes liegt. Der Inverter enthält zwei Leistungsschalttransistoren 17 und 18, eine Gleichspannungsquelle 10, eine Vollweg-Gleichrichterbrücke 8, Widerstände 19, 20, 21 und 22, einen Kondensator 35 und eine Diode 23. Der Inverter besitzt einen Steuerkreis, eine Anlaufschal/^Hmd einen Leistungskreis. Der Leistungskreis wird nachfolgend zuerst erörtert.

Der Leistungskreis enthält die Schalttransistoren 17 und 18 und die Primär- und Sekundärwicklungen 12, 13 und liefert Leistung aus der Gleichspannungsquelle 10 zur Last 9. Die Transistoren 17 und 18 besitzen je einen Basis-, Emitter- und Kollektoranschluß. Die Emitter sind beide geerdet. Der Kollektor des Transistors 17 ist an ein Ende "ohne Punkt" der mittig angezapften Primärwicklung 12, und der Kollektor des Transistors 18

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an ein Ende "mit Punkt" der angezapften Primärwicklung 12 gelegt. Die Mittenanzapfung der Primärwicklung 12 liegt am positiven Anschluß der Gleichspannungsquelle 10. Die Gleichspannungsquelle 10 ist geerdet und schließt dadurch den Leistungskreis über die Schalttransistoren 17 und 18. Unter der Voraussetzung, daß die Transistoren 17 und 18 aufgrund ihrer Aussteuerung abwechselnd leiten, ergibt sich ein Strompfad von der Quelle 10 durch die jeweils wechselnden Hälften der Primärwicklung, wodurch in dem Arbeitsquerschnitt des Kernes ein Wechselfluß erzeugt wird. Als Folge des Wechselflusses im Kern wird in der Sekundärwicklung 13 eine Wechselspannung erzeugt. Diese Wechselspannung wird in der Ganzwellen-Gleichrichterbrücke 8 gleichgerichtet und an die Last 9 gelegt.

Der Steuerkreis steuert die Transistoren 17 und 18 abwechselnd in den leitenden Zustand. Der Steuerkreis arbeitet in Abhängigkeit von den Flußbedingungen im Kern und dessen Zweigen und liefert ein Steuersignal an die Basisanschlüsse der Schalttransistoren 17 und 18. Bei der Durchführung dieser Steuerung liefert der Steuerkreis das Mitkopplungs- und das Kreuzkopplungssignal für den Oszillatorschaltkreis.

Die Mitkopplung und die Kreuzkopplung wird von der mittig angezapften Mitkopplungswicklung 12+ und den Widerständen 19 und 20 durchgeführt. Der Anschluß "mit Punkt" der mittig angezapften Wicklung 12+ ist über den Widerstand 19 mit dem Basisanschluß des Transistors 17 verbunden, der Anschluß "ohne Punkt" liegt über den Widerstand 20 an der Basis des Transistors 18. Die Mittenanzapfung der Wicklung 12+ liegt über den Widerstand 21 an dem positiven Anschluß der Klemme 10 und an der Kathode der Diode 23, deren Anode geerdet ist. Der Diode 23 liegt ein Kondensator 35 parallel. Die Widerstände 19 und 2ö stellen

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Strombegrenzungswiderstände dar, der Widerstand 21, die Diode 23 und der Kondensator 35 bilden einen Schwingungsauslösekreis. Wenn sich der Transistor 17 im leitendun Zustand befindet (und unter der Annahme, daß der Hauptkern im linearen Bereich arbeitet), koppelt die Mitkopplungswicklung I^ ein Mitkopplungssignal an die Basis des Transistors 17, wodurch der Kollektorstrom anzuwachsen bestrebt ist. Die Wicklung 1 Zf liefert gleichzeitig an die Basis des anderen Transistors 18 ein Sperrpotential, wie bei einer richtigen Kreuzkopplung, wodurch dieser Transistor stärker gesperrt wird.

Die Mitkopplung und die Kreuzkopplung der Wicklung H wird abgeschwächt, wenn der Mitkopplungszweig in die Sättigung gelangt. Dies trägt dazu bei, eine Stromumkehr im Inverter zu bewirken. Die Kurvenform der Inverterspannungen ist in Fig. 2 dargestellt. Der erste Kurvenverlauf zeigt die Kollektorspannung V . des Schalttransistors 17,während der Kollektor von den nichtleitenden in die leitenden Zustände übergeht, wobei angenähert ein Rechtecksverlauf erzeugt wird. Der Verlauf des Mitkopplungssignals ν«, ist in der dritten und untersten der drei Kurvenformen dargestellt. Dieser Kurvenverlauf enthält ein, an die Basis des Transistors 17 angelegtes, den leitenden Zustand hervorrufendes Potential, das mit dem EinsehaltZeitpunkt (Nulldurchgang von V_ι) beginnt und bis kurz vor das Ende des leitenden Zustande des Transistors 17 anhält, bis sich dann der Mitkopplungszweig des Kernes sättigt. Die in der Wicklung lif induzierte Spannung bleibt auf dem Wert Null, bis der andere Transistor 18 eingeschaltet wird. Anschließend liefert die Spannung ein Sperrpotential an die Basis des Transistors 17 und ein, den leitenden Zustand hervorrufendes Potential an die Basis des Transistors 18. Der Sperrzustand des Transistors 17 bleibt fast bis zum Ende des leitenden Zustands des Transistors 18 erhalten, zu diesem

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Zeitpunkt wird der Mitkopplungszweig in umgekehrter Richtung gesättigt.

Durch die Flußsteuerwicklung 15, die um den Gegenkopplungszweig gewickelt ist, wird sichergestellt, daß die Sättigung des Mitkopplungszweiges 11R vor dem anderen Zweig HD erfolgt. Der Wicklung 15 liegt ein Parallelwiderstand 22 parallel, an dem eine Spannung abfällt, die bestrebt ist, den Hauptkernfluß aus dem Gegenkopplungszweig heraus in den Mitkopplungszweig zu drängen, bis der Mitkopplungszweig gesättigt ist. Im Zeitpunkt der Sättigung des Mitkopplungszweiges geht der Fluß in den Gegenkopplungszweig über. Die Flußsteuerwicklung 15 hält eine geringe induzierte Spannung bis zu dem Augenblick aufrecht, indem der Mitkopplungszweig in die Sättigung geht; in diesem Zeitpunkt findet ein starkes Ansteigen des induzierten Potentiales statt. Das große induzierte Potential bleibt solange erhalten, bis eine Umkehr im Hauptkern erfolgt. Die an der Wicklung 15 erzeugte Spannungsform ergibt sich aus dem mittleren, der in Fig. 2 dargestellten Kurvenformen. Während in der dargestellten Ausführunsform die Wicklung 15 nicht direkt in den Basiskreis der Schalttransistoren eingefügt ist, so kann eine Verbindung zu den Basisanschlüssen in einer zur Mitkopplungswicklung 12* entgegengesetzten Polung vorgesehen werden, sofern eine zusätzliche Betriebsspannung notwendig ist, um in den Schalttransistoren gespeicherte Ladungen zum Abfluß zu bringen. In diesem Fall wird eine Flußsteuerwicklung 15 mit Mittenanzapfung verwendet, es sind außerdem zwei Dioden vorzusehen, deren Anoden an die Basisanschlüsse der Schalttransistoren angelegt sind, und deren Kathoden mit den entsprechenden Wicklungsenden verbunden sind.

Die Wirkung der Verringerung der Mitkopplung und die wahlweise Zunahme der Gegenkopplung vor dem Ende eines leitenden Zeitintervalls, wenn ein Zweig des Kernes in die Sättigung geht, besteht darin,die Umschaltung der Transistoren durch Verringerung

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der Durchlaß-Arbeitspunktvorspannung vor der vollständigen Kernsättigung auszulösen. Auf diese Weise werden Beschädigungen der Sehalttransistoren vermieden, die auftreten wurden, wenn zugelassen wird, daß die induktive Last bis nahe an eine Impedanz mit dem Wert Null verringert wird, und wenn dann der volle Strom eines noch immer in Durchlaßrichtung vorgespannten Schalttransistors fließen würde.

Ein Teil des verzweigten Kernes des in Fig. 1 dargestellten Inverters ist in Fig. 3 gezeigt. Die obere Hälfte des Becherkerns, die nicht dargestellt ist, ist mit der dargestellten Hälfte identisch und wird beim Zusammenbau in der nachfolgend beschriebenen Weise auf die untere Hälfte des Becherkerns gebracht. Der besseren Übersicht wegen sind die Primär- und Sekundärwicklungen nicht dargestellt, und von den Steuerwicklungen ist Jeweils nur eine Windung gezeigt. Die dargestellte untere Hälfte des Kerns besitzt einen Mittelzweig oder -schenkel 11C und einen ersten äußeren Zweig oder Schenkel 11R und einen zweiten äußeren Zweig oder Schenkel HD, die alle drei an einer gemeinsamen Grundplatte 16 (in Fig. 3 nach oben gerichtet) sitzen. Der erste und der zweite äußere Zweig HR und HD besitzen beide eine etwa halbzylindrische Form und erstrecken sich ungefähr über den halben Umfang der Grundplatte 16 und sind voneinander durch zwei enge Spalten 2/f, 25 getrennt, die über die gesamte Höhe der Zweige verlaufen und eine öffnung zur Einführung von Windungen ins Kerninnere darstellen. Wenn die obere und die untere Kernhälften in richtiger Lage vereinigt werden, sind die beiden Hälften koaxial ausgerichtet, und die Spalte 2if, 25 stehen sich normalerweise gegenüber. Die stumpfen Stirnflächen der äußeren Zweige sind sorgfältig abgeschliffen, so daß sich beim Zusammenbau nur minimale Luftspalte zwischen den Stirnflächen ergeben. Die stumpfen Stirnflächen des Mittelzweiges besitzen, sofern erforderlich, einen Luftspalt oder sind ohne einen solchen Luft-

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spalt ausgebildet. In der ersten Ausführungsform ist der Luftspalt im Mittelzweig minimal. Die Kernhälften bilden eine geschlossene Kammer, die sich öffnen läßt, um vorgefertigte Wicklungen einzulegen. Dadurch wird vermieden, daß die Wicklungen serienmäßig durch eine öffnung Windung für Windung gewickelt werden müssen. Die Kerne werden zusammengebaut, und die Kammer wird um die vorgeformten Wicklungen geschlossen.

Primär- und Sekundärwicklungen 12 und 13 sind nicht dargestellt, sie liegen um den Mittelzweig des Becherkerns, der aus der unteren und der oberen Hälfte des Becherkerns gebildet ist. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind 20 Primärwindungen und 255 Sekundärwindungen vorgesehen. Wenn die Primärwicklung mittels Stromfluß durch einen der Schalttransistoren erregt wird, wird ein Fluß erzeugt, der vertikal durch den Mittelzweig der unteren Kernhälfte (in Fig. 3 entsprechend den Pfeilen nach oben gerichtet) verläuft, durch den unvermeidlichen Luftspalt in den Mittelzweig der oberen Kernhälfte gelangt, in der Grundplatte der oberen Kernhälfte radial verläuft, vertikal in den beiden äußeren Armen der oberen Kernhälfte nach unten geführt wird und durch den Luftspalt in die äußeren Arme 11R und 11D der unteren Kernhälfte gelangt. Der Flußpfad wird durch einen in der Basis 16 der unteren Kernhälfte von den äußeren Armen 1IB und 11D zum Mittelzweig 11C nach innen gerichteten radialen Pfad geschlossen. Wenn also die beiden Kernhälften um die um den Mittelzweig gewickelten Wicklungen geschlossen werden, umgibt ein geschlossener magnetischer Pfad (der bis auf die geringen Luftspalte der aufeinandertreffenden Stirnflächen der beiden Becherkerne geschlossen ist), die Wicklungen, wobei der geschlossene Pfad über dem gesamten Kernumfang mit Ausnahme der Schlitze 2.1+ und 25 gegeben ist. Der Becherkern ist so ausgelegt, daß er in geschlossenem Zustand arbeitet, die Querschnittsfläche des Mittelzweiges 11C bildet den Arbeitsquerschnitt des Kernes. Die Summe der Querschnittsflächen der

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"beiden äußeren Arme HR und TlG ist ebenfalls etwa gleich α em Arbeitsquerschnitt. Die Grundflächen, die den magnetischen Pfad um die Leistungswicklungen herum schließen, besitzen gewöhnlich einen etwas größeren magnetischen Querschnitt. Auf diese Weise wird der Arbeitsquerschnitt des Kernes längs des gesamten geschlossenen Pfades um die Leistungswicklungen herum aufrechterhalten.

Im Normalbetrieb werden derartige Inverterkerne zwischen einer magnetischen Vorwärts- und Rückwärtssättigungsamplitude ausgesteuert, und da sich auf den äußeren Armen 11D und 1IR keine Wicklungen befinden, spielt die Reihenfolge, in der diese Arme in die Sättigung gesteuert werden, keine besondere Bedeutung. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind jedoch auf den einzelnen äußeren Armen Wicklungen aufgebracht, und die Reihenfolge, in der diese Wicklungen in die Sättigung gesteuert werden, ist entscheidend. In Fig. 3 sind zwei Wicklungen um die einzelnen äußeren Arme gelegt. Die Mitkopplungswicklung 14 ist als einzelne Windung dargestellt, die durch den Schlitz 24 und um den äußeren Mitkopplungszweig HR des Kernes und durch den Schlitz 25 verläuft. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind bevorzugt sechs Windungen anstelle der dargestellten einen Windung verwendet. In ähnlicher Weise verläuft die Flußsteuerwicklung durch den Schlitz 24, umgibt den Gegenkopplungszweig 11D des Kernes und wird durch den Spalt 25 herausgeführt. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt die Flußsteuerwicklung bevorzugt drei Windungen.

Bei Verwendung der in Fig. 3 dargestellten Wicklungsanordnung verhindert die induzierte Spannung an der mit einem Parallelwiderstand stark belasteten Windung (der Widerstand 22 besitzt ein Ohm bei vier Watt), daß ein merklicher Fluß in den Gegenkopplungszweig 11D des Kernes gelangt und zwingt den Hauptfluß

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in den äußeren Mitkopplungszweig 11ß. Wenn der äußere Mitkopplungszweig in die Sättigung wandert, muß der ständig weiter anwachsende Hauptfluß sich nunmehr einen anderen Weg suchen und drängt in den Gegenkopplungszweig. In diesem Zeitpunkt wird die Mitkopplungsaussteuerung der Schalteinrichtungen beendet und die Gegenkopplungsaussteuerung wächst stark an«

Die Steuerwirkung der mit einer parallelen Last belasteten Windung 15 wird in gewisser Weise dadurch reduziert, daß der Steuerfluß durch die beiden hintereinander liegenden Luftspalte fließen muß. Diese Luftspalte bestehen ebenso in Serie für den Hauptfluß. (Die Steuerwirkung ließe sich durch Beseitigung der Luftspalte erhöhen). Die Steuerwirkung läßt sich normalerweise dadurch abschwächen, daß die Schlitze 2.1+ und 25 eine geringere vertikale Länge besitzen, sie läßt sich dadurch verstärken, daß die Schlitze über die gesamte Höhe des zusammengebauten Kerns oder bis in die Grundflächen laufen. Der dargestellte Becherkern stellt einen allgemein hergestellten Typ dar und ist billig.

Die Flußsteuerwirkung, die mittels der oben den Gegenkopplungszweig des Kernes gelegten und mit großer Last belasteten Windung 15 erzielt wird, läßt sich auch durch Einsatz einer Wicklung erreichen, die in den Kollektor- oder Emitterpfad der Schalttransistoren eingefügt ist und um den Mitkopplungszweig des Kernes gewickelt \irird. Diese beiden Ausführungsformen sind in den Figuren 5 und 6 dargestellt. In beiden Ausführungsformen " ist die Wickelrichtung so gewählt, daß der Fluß in dem betreffenden Zweig in derselben Richtung wie der durch die Primärwicklung 12 hervorgerufene Fluß verläuft. (Bei diesen Ausführungsformen wird keine parallele Last benötigt).

Der Auslösekreis in Fig. 1 löst die ersten Schwingungen aus. Dieser Aüslösekreis wird bei Verwendung von Stromrückkopplung-

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Ml

ßteuerwicklungen, vgl. Fig. 5 und 6, nicht benötigt. Obwohl ein Schalter nicht dargestellt ist, wird dieser Kreis gewöhnlicherweise an dem Verbindungspunkt von Inverter zur externen Quelle 10 eingefügt. Der Inverter läßt sich auch mittels desselben Schalters entregen, um die Schwingung zu beenden. Der Auslösekreis enthält einen Widerstand 21, eine Diode 23 und den Kondensator 35. Der Kondensator 35 wird in den Fällen nicht benötigt, in denen die Diode hinreichend viel Ladung speichert.

Wenn anfänglich die Schaltung mit Leistung versorgt wird, liegen an dem Kondensator 35 Null Volt, und dieser Kondensator ist nicht geladen. Der Kondensator 35 lädt sich allmählich auf einen positiven Wert auf, der die Transistoren 17 und 18 in Durchlaßrichtung vorspannt. Da die beiden Transistoren in Gegenkopplung zueinander geschaltet sind, wird der eine oder der andere der Transistoren entriegelt (ein Transistor steuert voll durch, während der andere voll sperrt). Dadurch werden die Schwingungen ausgelöst.

Während der Schwingung wird die Kondensatorspannung etwa um den Wert einer Diodenknickspannung auf negativem Potential gehalten. Diese negative Vorspannung verursacht eine periodische Entladung der in den Transistoren gespeicherten Ladungen, wenn immer die Mitkopplungsaussteuerung am Ende eines leitenden Zeitintervalls aufhört. Der Auslösekreis ist also einfach und wirkungsvoll aufgebaut. Zusätzlich zu der vorteilhaften periodischen Entladung der Transistoren unterstützt der Auslösekreis auch die Umschaltung, sofern die natürliche Umschaltung nicht erfolgt.

Während sich die dargestellten, bekannten Becherkerne für den Flußsteuerbetrieb ohne Veränderungen eignen, läßt sich der herkömmliche C-Kera gemäß Fig. Zf mit geringen Änderungen einsetzen. Diese geringfügige Inderung wird durch einen Spalt 36

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bewirkt, der in einer stumpfen Stirnfläche eines C-Kerns eingesägt ist. Der Spalt läßt sich mit einer Diamantsäge leicht herstellen. Der Spalt liefert die erforderliche Verzweigung des Kerns, ohne daß der Kern an einer zentraleren Stelle angebohrt werden muß. Das Einbringen einer Bohrung in Ferritmaterialien ist ein sehr langwieriger Vorgang, da diese Materialien sehr hart sind. Da der Schlitz 36 vor dem Zusammenbau der beiden Kerne offen liegt, lassen sich in den Schlitz 36 vorgeformte Steuerwicklungen einführen. Die Richtung des Schlitzes ist nicht sehr kritisch und kann senkrecht oder in der Ebene des Kernes oder in irgend einer anderen Orientierung verlaufen.

Die Erfindung läßt sich ebenso mit anderen herkömmlichen Kernformen, z.B. einem Ε-Kern, vgl. Fig. 7, verwirklichen. Bei dieser Kernform umgibt die Mitkopplungswicklung Ik den äußeren Arm 26, und eine Flußsteuer- oder Gegenkopplungswicklung 15 liegt um den anderen äußeren Arm 27. Die Primär- und Sekundärwicklungen 12 und 13 befinden sich um den Mittelarm 28. Der Ik-Kern wird normalerweise,wie bei den anderen Kernformen, mit einem zweiten Ε-Kern oder mit einem auf den E-rKern zu legenden I-Kern kombiniert, um den magnetischen Schluß um die Windungen herzustellen. Außerdem wird der Querschnitt des Mittelarms 28 normalerweise so gewählt, daß er der Summe der Querschnitte des Mitkopplungsund des Gegenkopplungs- oder Flußsteuerzweiges entspricht.

Die verzweigten Kerne lassen sich außerdem durch Kreuzkerne verwirklichen, vgl. Fig. 8. Der Mittelansatz 29 des Kernes trägt die Primär- und Sekundärwicklungen. Die Mitkopplungswicklung läßt sich dann um die äußeren Zweige 30, 31 und 32 anbringen, während die Gegenkopplungs- oder Flußsteuerwicklung den vierten Arm 33 umgibt. Bei dieser Anordnung wird der Querschnitt des

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Mittelansatzes 29 gleich der Summe der Querschnitte der einzelnen äußeren Arme 30, 31» 32 und 3k gewählt. Bei dieser Anordnung läßt sich ein größerer Anteil des Kernes für die Mitkopplung verwenden. Dadurch läßt sich vor der Sättigung der Mitkopplungszweige ein Betriebszustand verwirklichen, der näher an der vollen Kernsättigung liegt.

Die maximale Ausgangsleistung der angegebenen Inverter hängt zum Teil von den Kernabmessungen und der Kernform und zum Teil von den Eigenschaften der einzelnen Sehalteinrichtungen ab. Die vorgeschlagenen Kerne, die aus im Handel erhältlichen Kernformen zusammengesetzt sind, benötigen normalerweise größere Flußsteuerströme als Kerne, die keine Luftspalte in dem magnetischen Pfad der Flußsteuerwicklung besitzen. Aus diesem Grund sollen die' bei diesen Kernformen verwendeten Leistungstransistoren eine größere Stromverstärkung besitzen. Unter den Kernformen besitzen normalerweise die Becherkerne die geringste Luftkühlung und die kleinste Abstrahlfläche pro Masseneinheit. Der Vorteil dieser Kernform besteht darin, daß die elektromagnetische Strahlung auf ein Minimum reduziert ist. Erhältliche Größen derartiger Kerne lassen sich typischerweise bei Leistungspegeln unter Watt betreiben. Größere Leistungen lassen sich mit Kreuzkernen verwirklichen, die zwischen den einzelnen Armen Ausnehmungen besitzen und dadurch eine offenere und zum Luftaustausch besser geeignete Form darstellen. Die C- und die Ε-Kerne werden ebenfalls offen eingesetzt. Aus diesem Grund lassen sich diese Kerne bei viel größeren Leistungspegeln, typischerweise bis in den Kilowattbereich hinein, betreiben.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform läßt sich mit abgleichbaren und einstellbaren Mitkopplungs- und Flußsteuerzweigen versehen. Die abgleichbare Ausfuhrungsform ist in Fig.

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dargestellt. In der Ausführungsform nach Fig. 9 sind die Primär- und die Sekundärwicklungen 12 und 13, wie beschrieben, um den Mittelzweig gewickelt. Der obere und der untere Becherkern werden anfänglich so ausgerichtet, daß die nach vorne weisenden Spalte 2ZfL und 2ZfU und die entfernteren Spalte 25L und 25TJ übereinander liegen. Die Mitkopplungswicklung wird durch den unteren Spalt 2ZfL und rechts an dem Mittelarm vorbei durch den entgegengesetzten Spalt 25U der oberen Kernhälfte geführt. Die Gegenkopplungs- oder Flußsteuerwicklung führt durch dieselbe Spalte 2ZfL und 25U, sie wird jedoch auf der anderen Seite des Mittelarms vorbeigeführt. Wird nun einer der beiden C-Kerne bezüglich des anderen Kerns entsprechend Fig. 9 gedreht, so umschließt dann die Mitkopplungswicklung 1Zf magnetisch einen Teil des äußeren Zweiges, der größer als der halbe Umfang des Becherkernes ist. Der Querschnitt des von der Mitkopplungswicklung 1Zf umfaßten Armes beginnt am nach vorne zeigenden unteren Spalt 2ZfU und reicht im Gegenuhrzeigersinn bis zu dem - zuvor hinten liegenden oberen Spalt 25U. Der Querschnitt des von der Gegenkopplungsund Flußsteuerwicklung 15 umfaßten Armes wird durch dieselbe Spalte definiert, aber von dem Spalt 2ZfL im Uhrzeigersinn gemessen. In Fig. 9 bedeckt die Mitkopplungswicklung etwa 300°, während die Gegenkopplungswicklung etwa 60° bedeckt. Der Kern läßt sich so verändern, daß als Grenzwert eine Wicklung die gesamten äußeren Zweige umfaßt, während die andere Wicklung im wesentlichen keinen Zweig einschließt,

Der Abgleich des Kerns ermöglicht die Einstellung der Inverterfrequenz über einen begrenzten Bereich, wenn der Inverter frei läuft. Die Abgleichung ermöglicht es außerdem, den Pegel der Kernsättigung und die Belastungspegel der Transistoren festzulegen. Durch einen derartigen Abgleich läßt sich ferner der Ab-

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gleich zwischen Mitkopplungssignal und Rückkopplungssignal optimieren, sofern beide Signale zur Steuerung der Schalttransistoren verwendet werden.

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Claims

Pat entansprü ehe

1.) Inverter-Trans formar-zur Ankopplung an zwei Schalteinrichtungen,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Kern (HC, 11D, 11 R) aus im wesentlichen linearem magnetischen Material zur Erzeugung eines geschlossenen Magnetpfades vorgesehen ist, längs dessen ein Arbeitsquerschnitt für den Hauptfluß besteht, daß der magnetische Pfad über einen Teil seiner Länge in zwei Zweige (11D, 11R) geteilt ist, zwischen denen der Hauptfluß mit relativ kleiner magnetomotorischer Kraft steuerbar ist, daß der Kern (TIC, 11D, 11R) aus zwei Teilen zusammensetzbar ist, die an der Stoßstelle stumpf aufeinandertreffen und das Einfügen einer vorgeformten Wicklung in einen der Zweige ermöglichen, daß eine Primärwicklung (12) mit Mittenanzapfung um den Arbeitsquerschnitt gewickelt ist, deren beide Enden mit den Ausgangselektroden zweier abwechselnd leitender elektronischer Schalteinrichtungen (17, 18), und deren Mittenanzapfung mit einer Gleichspannungsquelle (10) zur Erzeugung eines Wechsel-Hauptflusses im Kern (11C, 11D, 11R) verbunden sind, daß eine Sekundärwicklung (13) den Arbeitsquerschnitt zur Erzeugung einer Wechselausgangsspannung umgibt, daß eine erste Steuerwicklung (Ii+) mit den Schalteinrichtungen (17, 18) verbunden und um den einen Zweig (11R) gelegt ist und abwechselnd den leitenden Zustand der Schalteinrichtungen herbeiführt und während jeder leitenden Zeitperiode ein Mitkopplungssignal erzeugt, das endet, wenn der Zweig in die Sättigung gesteuert wird, und daß eine zweite Steuerwicklung (15) um einen der Zweige (.111), 11R) zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft umgibt,die den eLnaa Zweig (11fi) während jedes

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leitenden Zeitintervalls zuerst in den Sättigungszustand aussteuert und die Mitkopplung vor der Sättigung des Arbeitsq.uerschnittes beendet.

2. Inverter-Ubertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Steuerwicklung (15) aus zwei Wicklungen besteht, von denen die erste Wicklung den einen Zweig (11D) umgibt und mit der stromführenden Ausgangselektrode der ersten Schalteinrichtung (17) verbunden ist und einen Fluß erzeugt, der in gleicher Richtung wie der Fluß fließt, der von der mit der ersten Schalteinrichtung (17) verbundenen Primärwicklung (12) erzeugt ist, und von denen die zweite Wicklung den einen Zweig (11D) umgibt und mit der stromführenden Ausgangselektrode der zweiten Schalteinrichtung (18) verbunden ist und einen Fluß erzeugt, der in gleicher Richtung fließt wie der Fluß, der von der Primärwicklung erzeugt ist, die mit der zweiten Schalteinrichtung (18) verbunden ist.

3. Inverter-Ubertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Steuerwicklung (15) den anderen Zweig umgibt und einen parailelgeschalteten Lastwiderstand (22) niedriger Impedanz besitzt.

Zf. Inverter-Ubertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kernteile als C-Kern ausgebildet ist und einen Spalt (36) in einer stumpf an den anderen Kernteil angrenzenden Stirnfläche zur Aufnahme der ersten und der zweiten Steuerwicklungen (IZf, 15) enthält.

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5. Invert er-Über trager nach Anspruch ^,

d a d u r'c h gekennzeichnet, daß beide Kernteile als C-Kerne ausgebildet sind.

6. Inverter-Ubertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß mindestens einer der beiden Kernteile als dreiarmiger Ε-Kern ausgebildet ist, wobei der Mittelarm eine Querschnittsfläche besitzt, die etwa gleich der Summe der Querschnittsflächen der beiden äußeren Arme ist, daß die Primär- und Sekundärwicklungen (12, 13) den Mittelarm (28) umgeben, daß die erste Steuerwicklung (14) einen der äußeren Arme (26) umgibt, und daß die zweite Steuerwicklung (15) den anderen äußeren Arm (27) umgibt.

7. Inverter-Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß mindestens einer der Kernteile als Halbbecher-Kern mit einem zylindrischen Mittelzweig (11C) und zwei äußeren Zweigen (11R, 11D) ausgebildet ist, die die Form eines unvollständigen, den Mittelzweig (11C) umgebenden Halbzylinders besitzen und untereinander durch zwei Spalte(24,25) getrennt sind, ' wobei die Querschnittsfläche des Mittelzweigs (11C) etwa gleich der Summe der Querschnittsflächen der beiden äußeren Zweige (11R, 11D) ist, daß die-Primär- und die Sekundärwicklungen (12, 13) den Mittelzweig (11C) umgeben, daß die erste Steuerwicklung (Hf) einen der beiden äußeren Zweige (11R) umgibt, und daß die zweite Steuerwicklung (15) den anderen äußeren Zweig (11D) umgibt.

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8. Inverter-übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet »/halber daß mindestens einer der Kernteile als/iCreuzkern mit einem zylindrischen Mittelzweig (29) im Mittelpunkt des Kreuzes und vier äußeren Zweigen (30, 31, 32, 33) an den äußeren Enden des Kreuzes ausgebildet ist, wobei die Querschnittsfläche des Mittelzweiges (29) ungefähr gleich der Summe der Querschnittsflächen der vier äußeren Zweige (30, 31, 32, 33) ist, daß die Primär- und Sekundärwicklungen (12, 13) den Mittelzweig (29) umgeben, daß die erste Steuerwicklung (M+) mindestens einen der äußeren Zweige (30, 31» 32) umgibt, und daß die zweite Steuerwicklung (15) die restlichen äußeren Zweige (33) umgibt.

9. Inverter-Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß beide Kernteile als Hälften eines Bechsrkerns ausgebildet sind und je einen zylindrischen Mittelzweig (11C) und zwei äußere Zweige (11D, 11R) besitzen, die den Mittelzweig (HC) umgeben und die Form eines unvollständigen Halbzylinders besitzen, wobei die äußeren Zweige (11D, 11R) durch zwei Spalte (24, 25) festgelegt sind und die Querschnittsfläche des Mittelzweigs (11C) ungefähr gleich der Summe der Querschnittsflächen der beiden äußeren Zweige (HD, HR) ist, daß die Primär- und die Sekundärwicklungen (12, 13) den Mittelzweig (11C) umgeben, daß ein Ende der ersten Steuerwicklung (M+) durch einen Spalt im ersten Becher-Kernteil, der mittlere.Wicklungsteil an einer ersten Seite am Mittelzweig vorbei und das andere Ende durch den Spalt (25U) im zweiten Becher-Kernteil geführt ist, wobei der Spalt (25U) dem Spalt (2i+L) des ersten Becher-Kernteils

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gegenüberliegt, wenn die Spalte der beiden Becher-Kernteile fluchten, daß das eine Ende der zweiten Steuerwicklung (15) durch den Spalt (2.1+L) des ersten Becher-Kernteils, der mittlere Wicklungsbereich auf der anderen Seite des Mittelzweigs (11C) vorbei, und das andere Ende der Wicklung durch einen Spalt (25U) des zweiten Becher-Kernteils geführt ist, wobei dieser Spalt (25U) dem Spalt (2ZfL) des ersten Becher-Kernteils gegenüberliegt, wenn die Spalte der beiden Becher-Kernteile fluchten, und daß die aufeinandergesetzten Becher-Kernteile für jede Steuerwicklung einen Kernzweig bilden, der teils aus dem einen und teils aus dem anderen Becher-Kernteil besteht, wobei der effektive Querschnitt des Zweiges von der relativen Drehstellung der beiden Becher-Kernteile zueinander abhängt.

10. Inverter-Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zum Auslösen des Inverters vorgesehen sind und einen Widerstand (21), einen Kondensator (35) und eine Diode (23) enthalten, daß zwei elektronische Schalteinrichtungen (17, 18) als Transistoren ausgebildet sind, deren Kollektoren mit den entsprechenden Enden der mittig angezapften Primärwicklung (12) verbunden sind, und deren Emitter an Masse liegen, daß die erste Steuerwicklung (Ii+) als mittig angezapfte Wicklung (U+) ausgebildet ist, deren Enden an den Basisanschlüssen der beiden Schalttransistoren (17, 18) liegen, und daß die Mittenanzapfung der ersten Steuerwicklung (U+) über den Widerstand (21) zur Mittenanzapfung der Primärwicklung (12) und über den Kondensator (35) und die hierzu parallele Diode (23) an Masse geführt ist, wobei die Diode entgegen den PN-Ubergängen der Schalttransistoreingänge gepolt ist, um die Mittenanzapfung der ersten Steuerwicklung (12+) und die Basisanschlüsse der Schalttransistoren (17, 18) solange

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mit einer Durchlaß-Vorspannung zu versorgen, bis die Schalttransistoren (17, 18) leiten, wobei dann die Diode (£3) an dem Kondensator (35) eine entgegengesetzte Vorspannung erzeugt, die am Ende der leitenden Zeitintervalle die in den Schalttransistoren gespeicherte Ladung ausräumt,

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