DE2823538C2 - Gleichspannungs-Wechselspannungswandler - Google Patents

Description

io

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tiv niedrigen Klirrfaktors mit dem eines hohen Wirkungsgrades, wobei letzterer durch eine Vergrößerung der Anzahl der Schallstufen weiter erhöht werden kann. In Verbindung mit einem 400-Hz-Generator als Sollwertgeber ist der Erfindungsgegenstand daher insbesondere geeignet zur Versorgung von Bordnetzen von Luft-, Land- und Wasserfahrzeugen, da wegen der Empfindlichkeit derartiger Bordnetze neben einem hohen Wirkungsgrad ein möglichst niedriger Klirrfaktor verlangt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Schaltplan eines Gleichspannungs-Wechselspannungswandlers,

F i g. 2 ein Spannungsdiagramm,

Fig.3 einen Ausschnitt des Spannungsdiagramms nach F i g. 2, vergrößert

Ein Übertrager 1 weist eine Primärwicklung 2 mit Anzapfungen 3 bis 7 auf. An jede der Anzapfungen 3 bis 7 ist über je eine Sperrdiode 8 bis 12 eine Schaltstufe 13 bis 17 angeschlossen. Jede der Schaltstufen besteht im wesentlichen aus einem elektronischen Schalter. Die Schaltstufen 13 bis 17 liegen eingangsseitig an einem Pol 18 einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie.

Die Schaltstufen 13 und 17 sind von je einem Komparator 19 bzw. 20 steuerbar. Die Schaltstufen 14,15 und 16 sind von Komparatoren 21, 22 bzw. 23 oder 24, 25 bzw. 26 zu steuern.

Die Komparatoren 19 bis 26 weisen Bezugseingänge 27 und Vergleichseingänge 28 auf. Die Bezugseingänge 27 der Komparatoren 19 und 20 liegen auf einem festen Bezugspotential. Die Bezugseingänge der Komparatoren 21, 22 und 23 liegen jeweils am Ausgang des benachbarten Komparators. Das gleiche gilt für die Komparatoren 24, 25 und 26. Die Vergleichseingänge 28 der Komparatoren 19 und 20 liegen am Ausgang eines Sollwertgebers 29. Die Vergleichseingänge der Komparatoren 21, 22 und 23 liegen an der Anzapfung 7. Die Vergleichseingänge der Komparatoren 24, 25,26 liegen an der Anzapfung 3. Die gmeinsam an einer Schaltstufe 14, 15 bzw. 16 liegenden Komparatoren 21, 26 bzw. 22, 25 bzw. 23, 24 sind gegeneinander mittels Sperrdioden 30 bis 35 entkoppelt.

Die Anzapfung 7 ist über die Kollektor-Emitterstrekke eines Transistors 36 gegen Masse geschaltet. Die Anzapfung 3 ist über die Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors 37 an Masse geschaltet.

Die Basis des Transistors 36 ist über einen Widerstand 38 an einen positiven Ausgang 39 eines Vergleichsverstärkers 40 angeschlossen. Die Basis des Transistors 37 liegt über einen Widerstand 41 an einem negativen Ausgang 42 des Vergleichsverstärkers 40.

Am einen Eingang 43 des Vergleichsverstärkers 40 liegt der Sollwertgeber 29. Auf den anderen Eingang 44 ist über einen Widerstand 45 die an einer Ausgangsklemme 46 anstehende Spannung gegengekoppelt. Der Gegenkopplungsfaktor ist durch den Widerstand 45 und einen weiteren Widerstand 47 bestimmt.

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50

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Die

Sekundärwicklung 48 des Übertragers 1.

Die Funktionsweise der beschriebenen Schaltung ist etwa folgende:

Es wird im Beispielsfalle davon ausgegangen, daß der Sollwertgeber eine sinusförmige Spannung abgibt. Sobald die sinusförmige Spannung den Nullpunkt in positiver Richtung durchläuft, aktiviert derKomparator 19 den Komparator 21 und schaltet die Schaltstufe 13 durch, so daß die Gleichspannung der Klemme 18 auf die Anzapfung 3 durchgeschaltet ist Die anderen Schaltstufen 14 bis 17 sind gesperrt

Gleichzeitig wird über den Vergleichsverstärker 40 der Transistor 36 angesteuert so daß unmittelbar nach dem Nulldurchgang des Sollwertgebers 29 ein kleiner Strom über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 36 fließt. Daraus resultiert eine entsprechende Spannung an der Ausgangsklemme 46. Durch die Gegenkopplung auf den Eingang 44 des Vergleichsverstärkers 40 ist ein Spannungssprung am Ausgang 46 vermieden. Die Spannung Ua am Ausgang 46 und die Spannung Ue wa Eingang 43 stehen in der Beziehung:
Ua = KUe,

wobei K der Gegenkopplungsfaktor ist welcher proportional dem Spannungsteilerverhältnis der Widerstände 45,47 ist

Unmittelbar beim Nuljdurchgang der Spannung, solange noch kein Kollektorstrom Ic fließt, ist die an der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 36 abfallende Spannung Uce gleich der Batteriespannung Ub- Im Zuge des Anstiegs der Sinushalbwelle sinkt die Kollektor-Emitterspannung Uce, während der Kollektorstrom Ic entsprechend ansteigt. In F i g. 3 ist dies dargestellt.

Unter der Wirkung der Gegenkopplung wird im Zuge des Anstiegs der positiven Sinushalbwelle die Kollektor-Emitterspannung Uce reduziert wobei zwischen den Anzapfungen 3 und 7 der Spannungsverlauf U\ nach F i g. 3 auftritt. Sobald diese Spannung auf den Wert der Batteriespannung Ub angestiegen ist, ist die Kollektor-Emitterspannung Uce Null, so daß der aktivierte Komparator 21 jetzt die Schaltstufe 14 durchschaltet. Dieser Schaltpunkt ist in den F i g. 2 und 3 mit 2 bezeichnet. Die Kollektor-Emitterspannung steigt sprungartig auf einen Wert an, der gleich der Spannungsdifferenz ist, welche in diesem Zeitpunkt zwischen der Betriebsspannung und der zwischen den Anzapfungen 4 und 7 abfallenden Spannung besteht. Dementsprechend steigt auch der Strom Io Anschließend wird unter der Wirkung der Gegenkopplung die Kollektor-Emitterspannung Uce bei gleichzeitiger Erhöhung des Stromes Ic erniedrigt. Zwischen den Anzapfungen 5 bzw. 6 und 7 stehen die Spannungen t/3 bzw. t/4 an.

Durch das Schalten des Komparators 21 ist gleichzeitig der Komparator 22 aktiviert, so daß sich die beschriebenen Schaltvorgänge anschließend bei der Schaltstufe 15 (vgl. Schaltpunkt 3 in F i g. 2 und 3) wiederholen. Das gleiche gilt später für die Schaltstufe 16 (vgl. Schaltpunkt 4 in F i g. 2 und 3).

Beim Abfall der positiven Sinushalbwelle des Sollwertgebers 29 schalten die Komparatoren 23,22,21 und 19 nacheinander die Schaltstufen 16, 15, 14 und 13 ab. Die betreffenden Schaltpunkte sind in F i g. 2 mit 5,6,7 und 8 bezeichnet.

Bei der negativen Halbwelle des Sollwertgebers 29 schaltet zunächst über den Komparator 20 dieSchaltstufe 17 ein. Anschließend folgen über die Komparatoren 24, 25 und 26 die Schaltstufen 16, 15 und 14. Die beschriebene Funktion des Transistors 36 übernimmt in diesem Falle Her Transistor 37. Die betreffenden .Schaltpunkte sind in F i g. 2 mit 9 bis 15 bezeichnet.

Der Transistor 36 bzw. der Transistor 37 verbraucht einen kleinen Teil der von der Gleichspannungsquelle an den Wechselspannungsausgang 46 übertragenen Leistung. Dieser kleine Leistungsanteil ergibt sich aus der Summe der Produkte der Momentanwerte der Spannung Uce und des Stromes Io Dieser verbrauchte Lei-

5 6 I

stungsanteil ist wesentlich kleiner als der einer ver- &

gleichbaren linearen Gegentaktverstärkerschaltung, bei If

der Momentanverlustleistungen in Rechnung gestellt |)

werden müssen, die sich aus dem Produkt der Span- ff

nungskurve Uv und einem der Spannungskurve U\ pro- 5 f,

portionalen Strom ergäben (vgl. F i g. 3). Ersichtlich lie- &

gen bis zum Schaltungspunkt 4 bei der Erfindung die >

Spannungs- und Stromwerte unterhalb der vergleichba- s'.'

ren G rößen. Der Wirkungsgrad der Schaltung nach der- %

Erfindung ist demnach wesentlich größer als in ver- io ?'i

gleichbaren Fällen. Er läßt sich durch weitere Anzapfun- %

gen und Schaltstufen weiter erhöhen. Je mehr Anzap- -^

fungen und Schaltstufen vorgesehen sind, desto stärker ||

wird sich der Verlauf der Kollektor-Emitterspannung |s»

Uct dem Achsenkreuz in F i g. 3 nähern und desto star- 15 ||

ker wird sich der Verlauf des Kollektorstromes Ic der |J

durch Punkte A, B,C, D in F i g. 3 gehenden Kurve /c» jp|

nähern. f'ij

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 20

25 ig!

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40 ;

45 Φ

Claims (1)

1 2

Pate tansDrüche- ^'^e E^ndung betrifft einen Glekhspannungs-Wech-

" selspannungswandler nach dem Oberbegriff des An-

1. Gleichspannungs-Wechselspannungswandler Spruchs 1.

mit mehreren Schaltstufen, die jeweils zwischen dem Ein derartiger Wandler ist in der US-PS 35 39 902 einen Pol einer Gleichspannungsquelle und einem 5 beschrieben. Dieser arbeitet mit einer einzigen Gleich-Abgriff einer mehrfach unterteilten Primärwicklung Spannungsquelle. Die Leistung dieser Gleichspannungseines Ausgangstransformators liegen, wobei der an- quelle wird mit hohem Wirkungsgrad in eine Wechseldere Pol der Gleichspannungsquelle mit einem ande- spannung gewandelt Je mehr Schaltstufen vorgesehen ren Abgriff verbunden ist und Torschaltungen aus- sind, desto höher wird der Wirkungsgrad. Ungünstig ist gehend vom Spannungsnulldurchgang eines Soll- 10 beim Wandler der US-PS 35 39 902 jedoch, daß jede wertgebers zunächst eine Schaltstufe und anschlie- Schaltstufe einen gesteuerten Leistungstransistor benößend nacheinander weitere Schaltstufen zu- bzw. ab- tigt, der möglichst linear arbeiten solL Je höher der Wirschalten, wenn jeweils die am wirksam eingeschalte- kungsgrad sein soll, desto mehr Steuertransistoren sind ten Primärwicklungsabschnitt anliegende Spannung erforderlich.

die der Gleichspannungsquelle erreicht und bei 15 In der US-PS 29 59 726 ist ein Gleichspannungs-Rückgang der Spannung des Sollwertgebers nach Wechselspannungswandler beschrieben, bei dem deren Maximalwert sich der Vorgang in umgekehr- Schwankungen der Ausgangsspannung ausgeregelt ter Reihenfolge abspielt, dadurch gekenn- werden sollen. An den der Ubertragerwicklung in Reihe zeichnet, daß der Sollwertgeber (29) am einen geschalteten Steuertransistoren tritt eine erhebliche Eingang (43) eines Vergleichsverstärkers (40) liegt 20 Verlustleistung auf, die den Wirkungsgrad des Wandlers und die Ausgangswechselspannung auf den anderen vermindert Die Ansteuerung der Schaltstufen erfolgt Eingang (44) des Vergleichsverstärkers (40) gegen- unabhängig von den Steuertransistoren,
gekoppelt ist daß die Schaltstufen (13 bis 17) nicht In der DE-OS 21 08 608 ist ein Wechselrichter beals Leistungsstufen ausgeführt sein müssen, daß in schrieben, "bei dem zwei in Reihe zu einer Übertrager-Reihe zu je einem Ende (7,3) der Primärwicklung (2) 25 wicklung liegende Steuertransistoren vorgesehen sind, des Ausgangstransformators die Kollektor-Emitter- Diese werden von einem Steuerkreis entweder leitend strecken je eines zu denSchaltstufen (13 bis 17) zu- geschaltet oder gesperrt. Einzelne Schaltstufen, die zwisätzlichen Leistungs-Steuertransistors (36, 37) für sehen der Gleichspannungsquelle und Abgriffen der positive bzw. negative Halbwellen geschaltet sind, Übertragerwicklung liegen, sind nicht vorgesehen,
daß die Basen dieser beiden Leistungs-Steuertransi- 30 In der DE-OS 27 10 794 ist ein Gleichspannungsstoren (36, 37) an dem nichtinvertierenden bzw. in- Wechselspannungswandler beschrieben. Bei diesem soll vertierenden Ausgang (39, 42) des Vergleichsver- der Wirkungsgrad durch eine Vieh:ahl von Steuertransistärkers (40) liegen und daß jeweils dann, wenn die stören erhöht werden. Jeder der Steuertransistoren ist Emitter-Kollektorspannung des jeweiligen Steuer- an eine eigene Gleichspannungsquelle angeschlossen, transistors (36,37) einen Minimalwert nahe Null an- 35 Der Einsatz dieser Schaltung ist damit auf Sonderfälle nimmt, eine der Torschaltungen (21, 22, 23, 24, 25, beschränkt. Darüber hinaus begrenzt die Summenspan-26) eine weitere Schaltstufe (14, 15, 16) zu- bzw. nung der Gleichspannungsquellen die erreichbare Maabschaltet, wobei die Schaltstufen (14,15,16) bis zur ximalspannung.

Amplitude des Spannungsverlaufs des Sollwertge- Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung nach

bers (29) eingeschaltet und ab der Amplitude des 40 dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die einen hohen Wir-

Spannungsverlaufs des Sollwertgebers (29) abge- kungsgrad aufweist und bei der die Maximalspannung

schaltet werden. über der Gleichspannung liegen kan, so auszugestalten,

2. Gleichspannungs-Wechselspannungswandler daß die Schaltstufen im Schalterbetrieb arbeiten, um die nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Anzahl der nötigen Leistungstransistoren niedrig zu Torschaltungen zur Steuerung der Schaltstufen in 45 halten.

positiven bzw. negativen Halbwellen zwei Gruppen Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einer Schalvon Komparatoren (19,21,22,23 bzw. 20,24,25,26) tung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die vorgesehen sind, daß ein erster Komparator (19,20) Merkmale dessen kennzeichnenden Teils gelöst,
jeder Gruppe von dem Sollwertgeber (29) beim Der Sollwertgeber bestimmt die Form der Ausgangs-Nulldurchgang der positiven bzw. der negativen 50 spannung. Über den Vergleichsverstärker, auf den die Halbwelle geschaltet wird und während der positi- Ausgangsspannung gegengekoppelt ist, wird bei positiven bzw. negativen Halbwelle die an dem einen bzw. ven Halbwellen der eine Steuertransistor und bei negaanderen Ende (3,7) der Primärwicklung (2) des Aus- tiven Halbwellen der andere Steuertransistor über die gangstransformators liegende Schaltstufe (13, 17) Schaltstufen stufenweise gesteuert. Die Verlustleistung durchgeschaltet hält und daß die weiteren Kompara- 55 dieser Steuertransistoren, die den Wirkungsgrad der toren jeder Gruppe (21, 22, 23; 24, 25, 26) von dem Leistungsübertragung beeinflußt, wird reduziert. Durch jeweils benachbarten Komparator und dem einen die Verringerung der Verlustleistung wird der Wirbzw, anderen Steuertransistor (36, 37) jeweils bei kungsgrad erhöht. Dies erfolgt unter dem Einfluß der Erreichen der Minimalspannung an dessen Emitter- Gegenkopplung durch zwangsweise Verringerung der Kollektorstrecke gesteuert die weiteren Schaltstu- 60 am betreffenden Steuertransistor abfallenden Kollekfen (14; !5_; 16) zunächst nacheinander einschalten tor-Emitterspannung. Hierzu werden die Schaltstufen und dann nacheinander abschalten. nacheinander zu- bzw. abgeschaltet. Der hohe Wir-

3. Gleichspannungs-Wechselspannungswandler kungsgrad ist mit nur zwei Leistungstransistoren ernach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reicht.

weiteren Komparatoren (21,26 bzw. 22,25 bzw. 23, 65 Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben

24) beider Gruppen jeweils die gleiche Schaltstufe sich aus den Unteransprüchen.

(14 bzw. 15 bzw. 16) steuern. Der erfindungsgemäße Gleichspannungs-Wechselspannungswandler vereint dabei den Vorteil eines rela-