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Halbleiter-Wechselrichter
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Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Wechselrichter.
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Ein derartiger Wechselrichter kann insbesondere in der Meßtechnik
und in Stromversorgungen von Elektro- und Rundfunkgeräten als Wechselstromquelle
eingesetzt werden.
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Ein bekannter derartiger Wechselrichter ist auf der Grundlage eines
Transistor-Multivibrators mit resistivinduktiven Kollektor-Basis-Kopplungen ausgeführt,
der zwei HaupttransistorenX zwei Widerstände und einen Thermowiderstand im Emitterkreis
der beiden Haupttransistoren aufweist, dessen einer Anschluß an den einen Pol einer
Gleichstromquelle geschaltet ist 9 an deren anderen Pol die Mittelanzapfung der
Primärwicklung eines Ausgangstransformators angeschlossen istg deren Anschlüsse
mit den Transistorkollektoren verbunden sind (vgl. z. B. SU-Erfinderschein 181 724,
Kl. H02m 7/52).
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Eine erhebliche Spannungsänderung (20 bis 30 %) der Gleichstromquelle
stört die erforderliche Betriebsart des Multivibrators, indem sie von der Gleichstromquelle
den Transistorbasen über die Primärwicklung des Ausgangstransformators und über
die Widerstände zugeführt wird.
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Bei Temperaturänderungen in weiten Grenzen (von -40 bis +50 OC) ändert
sich die Wechselstromfrequenz des Transistor-Multivibrators aufgrund unterschiedlicher
Anderung des induktiven Widerstandswerts der Primärwicklung des Ausgangstransformators
und des Wirkwiderstandswerts des Thermowiderstandes, was die Kennlinien-Stabilität
des Wechselrichters beeinträchtigt.
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Infolgedessen fällt die Stabilität des Ausgangswechselstroms ab,
und unter Umständen setzt dieser überhaupt aus.
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Zur Sicherung eines stabilen Betriebs des bekannten Wechselrichters
in einem weiten Temperaturbereich sowie bei beträchtlichen Spannungsänderungen der
Gleichstromquelle wird letztere an den Eingang des Wechselrichters über einen getrennten
Gleichspannungsstabilisator angeschlossen, der aber eine erhebliche Verlustleistung
hat, die bei Spannungsanstieg (insbesondere bei größeren Strömen) zunimmt, was den
Umwandlungs-Wirkungsgrad verringert.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiter-Wechselrichter
zu schaffen, bei dem ein neuer schaltungstechnischer Aufbau des Transistor-Multivibrators
seinen stabilen Betrieb in einem weiten Temperaturbereich sowie bei beträchtlichen
Spannungsänderungen der Gleichstromquelle sichert, um gleichzeitig mit der Erhöhung
des Umwandlungs-Wirkungsgrades die Stabilität des Ausgangswechselstroms zu verbessern.
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Die Lösung dieser Aufgabe bei einem Halbleiter-Wechselrichter der
eingangs genannten Art erfolgt erfindungsgemäß durch die Lehre nach dem Kennzeichen
des Patentanspruchs 1.
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Beim erfindungsgemäßen Wechselrichter ist die Verringerung der Abhängigkeit
des Ausgangsstroms von der Spannung der Gleichstromquelle und der Umgebungstemperatur
durch Stabilisierung des Basisstroms der Schalttransistoren, der deren Hauptbetriebsart
bestimmt, und durch Regelung des Kollektorstroms unter Einführung einer Gegenkopplung
über den Basis-Emitter-Kreis der Schalttransistoren erreicht, der die instabilisierende
Wirkung von Spannungsänderungen der Gleichstromquelle und der Umgebungstemperatur
ausgleicht.
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Dies gestattet, die den Großteil der Leistung aufnehmenden Schalttransistoren
von der nichtstabilisierten Gleichstromquelle zu speisen.
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Hierbei werden Verluste ausgeschlossen, die im bekannten Wechselrichter
bei Anwendung eines leistungsfähigen Spannungsstabilisators auftreten, und wird
der Wirkungsgrad der Umwandlung erhöht.
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Die Ausführung des Transistor-Multivibrators als Schaltung mit resistiv°kapazitiven
Kollektor-Basis-Kopplungen erlaubt, eine Abhängigkeit der Wechselstromfrequenz von
Spannungsänderungen der Gleichstromquelle zu vermeiden sowie eine Anderung der Wechselstromfrequenz
mit der Temperatur in weiten Grenzen wesentlich zu verringern, was die Stabilität
des Ausgangswechselstroms des Wechselrichters zusätzlich verringert.
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Besonders zweckmäßig ist die Lehre nach dem Patentanspruch 2.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Prinpschaltbild des Wechselrichters; Fig. 2 denselben Wechselrichter
mit einem nichtlinearen Spannungsbegrenzer; und Fig. 3 den Wechselrichter mit einer
anderen Ausführungsvariante des nichtlinearen Spannungsbegrenzers.
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Der Wechselrichter enthält einen mit resistiv-kapazitiven Kopplungen
ausgeführten Transistor-Multivibrator 1 (Fig. 1), der zweiHaupttransistoren 2 und
3, einen Widerstand 4 im Kollektorkreis des Transistors 2, einen Widerstand 5 im
Kollektorkreis des Transistors 3, einen Widerstand 6 im Basiskreis des Transistors
2, einen Widerstand 7 im Basiskreis des Transistors 3 und Kondensatoren 8 und 9
aufweist.
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Der Multivibrator 1 enthält auch zwei Schalttransistoren 10 und 11,
deren Basis je an den Emitter eines der Haupttransistoren 2 und 3 angeschlossen
sind, Widerstände 12 und 13 und einen Thermowiderstand 14.
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Der Verbindungspunkt 15 der Basis mit dem Emitter der Transistoren
11 und 3 ist an einem der Anschlüsse des Widerstandes 13 und der Verbindungspunkt
16 der Basis mit dem Emitter der Transistoren 10 und 2 an einem der Anschlüsse des
Widerstandes 12 angeschlossen. Der zweite Anschluß der Widerstände 12 und 13 ist
je an einen der Anschlüsse des
Thermowiderstandes 14 gekoppelt,
dessen zweiter Anschluß an einen Verbindungspunkt 17 der Emitter der Schalttransistoren
10 und 11 geschaltet ist. Der Kollektor der Schalttransistoren 10 und 11 ist an
die Anschlüsse der Primärwicklung 18 eines Ausgangstransformators 19 gekoppelt,
dessen Anschlüsse der Sekundärwicklung 20 als Ausgänge des Wechselrichters wirken.
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Eine Mittelanzapfung 21 der Primärwicklung 18 ist an den Minuspol
22 der Gleichstromquelle angeschlossen.
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Der Pluspol 23 der Gleichstromquelle ist an einen Verbindungspunkt
24 der Anschlüsse der Widerstände 12 und 13 und des Thermowiderstandes 14 geschaltet.
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In den Kollektorkreis der Haupttransistoren 2 und 3 des Multivibrators
-1 ist eine stabilisierte Gleichspannungsquelle 25 geschaltet, die sich aus einem
Widerstand 26 und einer Stabilisierdiode 27 zuss ansetzt9 deren einer Anschluß mit
einem der Anschlüsse les Widerstandes 5 des Kollektorkreises des Haupttransistors
3 und deren anderer Anschluß mit dem Pluspol 23 vel den ist.
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Vom Widerstand 26 ist der eine Anschluß mit einem der Anschlüsse
des Widerstandes 4 des Kollektorkreises des Haupttransistors 2 und der andere Anschluß
mit dem Minuspol 22 verbunden.
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Fig. 2 zeigt die Verbindung des Punktes 17 mit dem Punkt 21 über
einensnichtlinearen Spannungsbegrenzer, der eine Reihenschaltung aus einem Widerstand
28, einer Diode 29 deren Polung der Polarität der Gleichstromquelle entspricht,
und einer Bezugsspannungsquelle 30 darstellt.
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Der .«.chtlineare Spannungsbegrenzer kann auch als
Reihenschaltung
des Widerstands 28 (Fig. 3) und einer Stabilisierdiode 31 ausgeführt sein.
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Der Wechselrichter gemäß der Erfindung arbeitet wie folgt: Bei einer
Spannungsänderung (Spannungsanstieg) der Gleichstromquelle um 10 bis 15 % steigt
die Spannung am Kollektor der Schalttransistoren 10 und 11 (Fig. 1) und am Eingang
der stabilisierten Gleichspannungsquelle 25 an, während sie an deren Ausgang konstant
bleibt.
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Die Betriebsart der aus den Widerständen 4 und 5 des Kollektorstromkreises
sowie den Widerständen 6 und 7 des Basiskreises der Transistoren 2 und 3 und den
Kondensatoren 8 und 9 zusammengesetzten Zeitgeber wird nicht gestört, und die Schwingungsfrequenz
des Multivibrators bleibt erhalten. Darüber hinaus bleibt der Kollektorstrom der
Haupttransistoren 2 und 3, der über den Basis-Emitter-Übergang der Schalttransistoren
10 und 11 fließt, unverändert.
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Der Spannungsanstieg am Kollektor der Schalttransistoren 10 und 11
wird folgendermaßen kompensiert: Die am Thermowiderstand 14 bei abwechselnder Einschaltung
der Schalttransistoren 10 und 11 unter Einwirkung des Kollektorstroms der Haupttransistoren
2 und 3 abfallende Spannung nimmt bei Spannungsanstieg am Kollektor der Schalttransistoren
10 und 11 zu.
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Dieser erhöhte Spannungsabfall am Thermowiderstand 14, der über die
Widerstände 12 und 13 an den Basis-Emitterübergang
der Schalttransistoren
10 und 11 angelegt wird, polt den genannten Übergang in Sperr-Richtung, wodurch
der über den Basis-Emitter-Ubergang des in der betreffenden Halbperiode leitenden
Schalttransistors 10 bzw. 11 fließende Gesamtstrom reduziert wird.
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Infolgedessen gleicht die Verringerung dieses Gesamtstroms den Spannungsanstieg
am Kollektor der Schalttransistoren 10 und 11 aus.
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In ähnlicher Weise arbeitet der erfindungsgemäße Wechselrichter bei
Erhöhung der Umgebungstemperatur, die einem Spannungsanstieg der Gleichstromquelle
äquivalent ist.
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Hierbei nehmen der ursprüngliche Basisstrom der im Schaltbetrieb
für größere Ströme arbeitenden Schalttransistoren 10 und 11 und ein über deren Kollektor
fließender Strom zu.
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Am Thermowiderstand 14 nimmt der Spannungsabfall zu, der an den Basis-Emitter-Übergang
der Schalttransistoren 10 und 11 gelegt wird.
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Der über den Basis-Emitter-Ubergang des in der betreffenden Halbperiode
leitenden Schalttransistors 10 bzw. 11 fließende Gesamtstrom nimmt ab, und gleichzeitig
wird die an die Basis des in der betreffenden Halbperiode gesperrten Schalttransistors
11 bzw. 10 angelegte Sperrspannung vergrößert.
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Eine zusätzliche Stabilisierung des Ausgangswechselstroms bei erheblichen
Spannungsänderungen der Gleichstromquelle (in der Größenordnung von 20 bis 30 %)
wird durch den nichtlinearen Spannungsbegrenzer sichergestellt.
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Die Bezugsspannung der Bezugsspannungsquelle 30 (Fig. 2) ist derart
gewählt, daß der Sperrzustand der Diode 29 bei minimaler Spannung der Gleichstromquelle
gewährleistet ist.
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Die Diode 29 wird leitend, wenn die Spannung der Gleichstromquelle
über die Bezugsspannung der Bezugsspannungsquelle 30 steigt, wobei über den Thermowiderstand
14 ein Ausgleichsstrom fließt, der eine zusätzliche Polung des Basis-Emitter-Übergangs
der Schalttransistoren 10 und 11 in Sperr-Richtung hervorruft.
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In der Folge fällt der durch den Kollektor-Emitter-Übergang der Schalttransistoren
10 und 11 kommutierte Strom ab und gleicht den Spannungsanstieg an der Gleichstromquelle
aus.
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Der Widerstandswert 28 ist derart gewählt, daß der über den Thermowiderstand
14 fließende Strom den Einfluß zunehmender Spannung der Gleichstromquelle auf den
Ausgangsstrom des Wechselrichters kompensiert.
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Der in Fig. 3 gezeigte Wechselrichter arbeitet ähnlich, nur daß der
Betrieb des nicht linearen Spannungsbegrenzers bei einer durch die Stabilisierungsspannung
der Stabilisierdiode 31 bestimmten Spannung der Gleichstromquelle einsetzt.
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Der erfindungsgemäße Wechselrichter kann wirksam als Wechselstromgenerator
in Meßgeräten eingesetzt werden.
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Die Anwendung des Wechselrichters z. B. als Stromsteller in einem
Meßgerät für Mikrowiderstände führt zu folgenden Ergebnissen:
Bei
Entladung einer als Gleichstromquelle verwendeten Akkumulatorenbatterie von 11 auf
8 V, d. h. bei einer Spannungsabnahme um 27 %, änderte sich der Kollektorstrom der
Schalttransistoren 10 und 11 von 0,66 auf 0,6 A, d. h.
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um 9 %.
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Bei Anschluß des nichtlinearen Spannungsbegrenzers zwischen den Punkten
17 und 21 lag die Änderung des Kollektorstroms unterhalb 0,5 %.
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In beiden Fällen wurden die erforderlichen Kennlinien des Wechselrichters
bei einer Änderung der Umgebungstemperatur im Bereich von -30 bis +50 0C gewährleistet.