DE2846532A1

DE2846532A1 - Einrichtung und verfahren zur erzeugung von elektrischen signalen

Info

Publication number: DE2846532A1
Application number: DE19782846532
Authority: DE
Inventors: Richard H Baker
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1977-10-31
Filing date: 1978-10-25
Publication date: 1979-05-03
Also published as: JPS5474352A; FR2407602A1; GB2007044B; CA1125852A; US4137570A; SE7811248L; GB2007044A

Description

PATENTAN V/ A L T H
DR. KARL TH. HEGEL · DIPL.-ING. KLAUS DICKEL

GROSSE BERGSTRASSE 223 2000 HAMBURG 5(1 JULIUS-KREIS-STRASSE 33 8000 MÜNCHEN 60

POSTFACH 500CG2 TELEFON (0 40) 39 (.2 M TELEFON (OiS¹J) 88 5210 2846532

Telegramm-Adresse: Deollnerpalent München

Ihr Zeichen: Unser Zeidien: 8000 München, den

H 23S8

Exxon Research And Engineering Comnfiny P. D. Box 55
LindEn, M. J.

Einrichtung und Verfahren zur Erzeugung von elektrischen Signalen

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Postscheckkonto: Hamburg 291220-205 · Bank: Dresdner Bank AG. Hamburg, Kto.-Nr. 3813897

Beschreibung :

Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf Einrichtungen und Verfahren zur Erzeugung von elektrischen Signalen mit bestimmter Wellenform und im besonderen auf Gleichspannungs- oder Idechselspannungsuiandler.

Es sind bereits eine Reihe von Schaltanordnungen zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung bekannt. Diese Schaltanordnungen sind sehr kompliziert und benötigen eine Vielzahl von Bauteilen, uias hohe Hosten und eine geringere Betriebssicherheit zur Folge hat. Weiter ist in vielen Fällen die Umwandlung in eine Wechselspannung auf eine ganz bestimmte, vorgegebene Frequenz beschränkt und diese Wechselspannung ist zudem noch oberuiellenreich, was in vielen Anwendungsf allen unerwünscht ist.

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In Kenntnis dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Nachteile zu beseitigen und eine Einrichtung und ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem eine Gleichspannung in eine Wechselspannung mit
ganz bestimmter Ulellenf arm, beispielsweise in eine Sinusspannung, umgewandelt uierden kann«

Bei einer ersten Ausführung ist dazu eine erste Pegelschiebestufe vorgesehen, die die wahlweise Übertragung
einer Spannung zu einem Transistor - Schalterpaar vorsieht, wobei der Spannungswert entweder dem der Gleichspannungsquelle entspricht ader größer ist. Außerdem ist eine zweite Pegelschiebestufe vorgesehen, wobei die beiden- Pegelschiebestufen einzeln jeweils während der halben Periadendauer der Wechselspannung wirksam werden, wodurch die Einschaltdauer einer jeden Pegelschiebestufe herabgesetzt wird. Dabei werden die beiden transistorisierten Schalter einzeln geschaltet, um entweder die Spannung an eine Last zu legen und in einer vorgegebenen Richtung einen Strom
durch die Last zu treiben ader um die Last zu erden. Bei einer zweiten Ausführungsfarm ist zusätzlich zu der zweiten Pegelschiebestufε in Verbindung mit den transistorisierten Schaltern ein weiteres Paar mechanischer ader transistorisierter Schalter vorgesehen, die einzeln steuerbar sind, so daß entweder ein Betrieb bei Nennspannung und

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-Ί3 -

Nennstrom ader bei halber Nennspannung und doppeltem Wennstram möglich ist.

Weitere Uarteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich, in denen vergleichbare Bausteine mit demselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt im einzelnen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Schaltanordnung eines Glsichspannungs-Wechselspannungsuandlers entsprechend dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine typische zmeipegalige Wellenform einheitlicher Polarität, die am Punkt A der Schaltanordnung nach Fig. 1 entstehen könnte,

Fig. 3 eine typische vierpegslige, Einschnitte aufweisende stufenweise Annäherung einer Wechselspannung bestimmter Wellenform, beispielsweise einer Sinusspanriunc],

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Fig. if in ocbematischer Darstellung sine Schaltan

ordnung zur Erzeugung elektrischer Signale mit bestimmter Wellenform,

Fig. 5 in schema tischer Darstellung sine erste Aus-

Führungsfarm der Erfindung,

Fig. 6 in schemel tischer Darstellung eine züieite Aus-

führungsfarm der Erfindung,

Fig. 7 Ir. :i.;;:■!3riui bischer Dnrs te Llung eine Schalten ;i r:~

nuriq üLnai. HachleisfcungsschaLtusratärkers und

Fii"|. .¹J di.'i Π LficUiicha 1 tti i Ld eines Stauergeräto /u: H = -

rd I ^;::i t.t: L Lung dfjr b tc3uarsignala Für üsn r]sbrL-.-:j J-T i-::v ".inn i^rifjnon hrnnsis barisier tan 3^h::i 1 r,.j : U-J₁ „· ^ . · :..'-,..;iir!:..-fi riM' indung ,

Der hükrinnL:! L LiJ ich ;:ι:<:\: Ίιΐ \'-l\~ J ^? ;;^1.3;ia beinhnit.dt eiriü G Lj L :.r ■ ,:, u :i.Tunrj .j--₍-_ · L !.2 Ina, rjß Lnp iß Lsuei j.. --i.i Qatttirin, di·-¹ .iLne .!;>.. .;"..; i/i :;.-ίγ Η:Πια wan E UaLt LiaF-Jit* Eint; ι':!πγ· L;^r:h i :t)^;J'i t'jFa ·. -.;, L "..-i: 1", ;:;uü cl;ii:? Jchaiterp'iar J., Ei,, einer iJinrJ.; lfjii und -21:1.- ; . ■" iHik-Tk;-·:".. j Ia^. ELn nach Art: _:-;i:-ü: Orüc'·: jri icruiL tufiLj au Fi^mu ·■;.-;.: ;:■ r I ii^riirigsne tzuisrk □ ξ Ej r; r?;. fc ή. den r, tauü rharufi :'ii Li^iumrj L-Ji ::hi'ichtrirn IaS, 1ü8, 11a, \'\J. rn L

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v/5 -

den entsprechenden Steuereingängen 11^, 116, 118, 12o sowie aus vier Dioden 122, 12**, 126, 128 und den beiden Ausgängen 13a und 132, an die ein Belastungsuiderstand 13if angeschlossen werden kann, Wenn uiährend des Betriebes der Schaltanordnung der Schalter S₁ derart betätigt ist, daß der Anschluß 3 mit dem unteren Kontakt 5 verbunden ist, beträgt der Spannungsuiert am Punkt B etuia E UoIt und der Kondensator lak beginnt sich aufzuladen. Bleibt der Schalter S. in dieser unteren Schaltposition für einen ausreichenden Zeitraum, lädt sich der Kondensator 1o£t vollständig auf, so daß der Spannungsabfall am Kondensator 1oU E UoIt beträgt. Wenn danach der Schalter S₁ derart umgestellt wird, daß der Anschluß 3 mit dem oberen Kantakt 1 verbunden ist, liegt der Kondensator 1o^ in Reihe zur Gleichspannungsquelle oder Batterie 1oo, wodurch der Spannungsuiert am Punkt B auf 2 E UoIt ansteigt. Der Schalter S„ wird in seine obere Schaltstellung umgestellt, in der sein Anschluß 3 mit dem oberen Kontakt 1 verbunden ist, um die Spannung am Punkt B auf den Punkt A zu übertragen. In der unteren Schaltstellung des Schalters S„, in der der Anschluß mit dem unteren Kontakt 5 verbunden ist, uiird der Punkt A geerdet. Werden die Schalter S. und S„ in verschiedenen Kombinationen zu verschiedenen Zeiten einzeln von ihrer unteren in ihre obere Schaltstellung umgestellt, kann man am Punkt A beispielsweise die in Fig. 2 dargestellte zweipegelige, gerasterte Wellenform gleicher Polarität abgreifen. Den Steuereingängen

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114, 116 und 118, 12α der steuerbaren Gleichrichter 1o6, 1o8, 11α und 112 uierden Steuersignale zugeführt, um diese paarweise durchzuschalten ader auszuschalten. Dabei werden jeweils die steuerbaren Gleichrichter 1a6 und 112 bzw. 1a8 und 11a zusammen angesteuert, so daß das Überlagerungsnetzuerk die zweipegelige Wellenform nach Fig. 2 beispielsweise in die vierpegelige Wellenform nach Fig. 3 umsetzt. Auf diese Weise kann eine stufenweise Annäherung einer Sinuswelle erzeugt werden. Ein Überlagerungsnetzwerk mit den gesteuerten Siliziumgleichrichtern hat den großen Nachteil, daß der notwendige Schaltkreis zum Abschalten der leitenden Gleichrichter 1o6-112, 1α8-11α sehr kompliziert ist. Es muß nämlich berücksichtigt werden, daß ein solcher gesteuerter Siliziumgleichrichter eine Festkärperschalteinrichtung ist, die zwar über ein Steuersignal am Steuereingang durchgeschaltet werden kann, aber nur abgeschaltet werden kann, indem entweder der Stromfluß durch den Hauptstrampfad unterbrachen ader eine Sperrspannung zwischen Anode und Kathode angelegt wird.

Die Einrichtung zur künstlichen Erzeugung elektrischer Signale mit bestimmter Wellenform nach Fig. k hat eine Gleichspannungsquelle oder Batterie 136 mit einer Ausgangsspannung in Höhe van E UoIt. Es ist wenigstens eine Pegelschiebestufe 137 vorgesehen, die einen Schalter S,, eine Diode 138, einen Kondensator 14a und ein Schalterpaar S, und S- aufweist. Die Arbeitsweise dieser Pegelschiebestufe 137 entspricht der Pegelschiebe·

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stufe S., 1o2, 1a*t nach Fig. 1. Eine solche PegelschiebestuFe ermöglicht - wie bereits beschrieben -, eine Pegelverschiebung mit dem Verstärkungsfaktor ein₃ ader eine Spannungsverdappelung. In Fig. h ist angedeutet, daß eine Kaskadenschaltung der Pegelschiebestufen 137 derart möglich ist, daß am Schaltungspunkt D Spannungswerte in Höhe van E UaIt, 2 E UaIt, 3 E UaIt bis zu IME UaIt abgreifbar sind, wobei N eine beliebige ganze Zahl ist, die der Anzahl der kaskadierten Pegelschiebestufen 137 entspricht. Im vorliegenden Fall wird davon ausgegangen, daß lediglich eine Pegelschiebesfcufe vorgesehen ist (N = 1). Die Schalter S-, und S, entsprechen den Schaltern S. und S^, wohingegen der Schalter S₁- das gesamte Überlagerungsnetzwerk mit den steuerbaren Siliziumgleichrichtern 1a6, 1a8, 11a, 112 und den Dioden 122, 124, 126, van Fig. 1 ersetzt.

(Jährend des Betriebes wird der Schalter 5-, derart umgescnal te b, daß der Anschluß 41 entweder mit dem oberen Kontakt 45 oder dem unteren Kontakt 43 verbunden ist, wodurch auf den Punkt D entweder eine Spannung in Höhe von E UoIt oder eine Spannung in Höhe von 2 E UoIt auf geschalte t werden. Eine typische liJeLLenfarm, die auf diese Weise am Punkt D erzeugt werden kann, Ist beispielsweise in Fig. 2 gezeigt. Die Zeitspanne eines bestimmten Pegels der Wellenform ist durch die Zeitdauer bestimmt, in der der Schalter S-. in seiner oberen ader unteren Schaltstellung verbleibt. Auf diese Weise wird eine dynamische

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Pegelverschiebung bei gleichzeitiger Pulsbreitenmodulation der SpannungsstuFen zujischen+Ξ UoIt unti+2 E UoIt erreicht. Der Schalter S, uiird in seine obere Schaltstellung, in der der Arm 41 mit dem Kontakt 45 verbunden ist, und zugleich der Schalter S₁- in seine untere Schaltstellunq, in der der Arm den Kontakt 43 berührt, umgestellt, damit ein Strom in Richtung won Schalter 4 zum Ausgang 142, durch die Last 144, den Ausgang 146 und den Schalter S^ zum Massenanschluß 148 Fließt. Der Spannungsabfall an der Last 144 hat dann die angegebene Polarität. Zur Umkehrung der 2tromrichtunq und der Polarität des Spannungsabfalls uird der Schalter S, in seine untere Schal ts tu L Lurg , in der der Arm 4 1 auf dem unteren Kont.ikt 4 5 aufliegt, und der Schalter S₁- zugleich in seine obere SchnLtstellung, in der der Arm 41 mit dem Kontakt 45 verbunden L:;t, umqesteLlt. Der Spannungsabfall an der Last beträgt Π UoIt, uienri beide Ausgänge 142 und 14ti geerdet werden, die Schalter Sj und S_r aLsu zugleich in ihre untere Scha 1 ta tel Lung LungestelLt idErdE-Ti, in der die Arme 41 auf den Kontakten 45 aufliegen. Auf diene Weise erhält man aus der an Punkt D auf btireitn beschriebene Ueise erzeugten Wellenform beispielaujeiye die hipciLyrt! IJh L Lenf nrrn nach Fig. 3. Eine solche E3etr iebsue L-SE der SchaLter S₍ und S^ hat auch eLne PulsbreitenmoduLatLon der ernten Stufen oder Pegel der Spannung zwischen D UaIt und + f. UoLt und ü UoLt und - E UuLt zur Folge. Die UJeLLenform nach Fig. 3 int - uie bereits erwähnt - eine stufenweise Annäherung

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an eine Sinuswelle, aber es wird besonders darauf hingeuiesen, daß durch geeignete Ansteuerung der Schalter Ξ-, S, , S,- viele andere üJechselspannungen künstlich erzeugt werden können, die nicht stufenweise einer Sinusfarm angenähert sind. Die Einschnitte in Fig. 3 sind zu ganz bestimmten Zeiten vorgesehen und haben eine vorgegebene Breite, um den Dberuiellengehalt der angenäherten Wellenform herabzusetzen.

In Fig. 5 ist eine erste Ausführungsfarm der Erfindung gezeigt. Die Schaltanordnung entspricht im wesentlichen derjenigen nach Fig. k, doch ist eine zweite Pegelschiebestufe 137¹ oder N¹ kaskadierte Pegelschiebestufen 137¹ hinzugefügt. Im folgenden

wird wieder davon ausgegangen, daß IM = 1 ist. Diese zusätzliche Pegelschiebestufe 137' ist zwischen dem oberen Kontakt 45 des Schalters S₁- und der Batterie 136 angeordnet. Der Vorteil der Schaltanordnung nach Fig. 5 gegenüber der nach Fig. 4 besteht darin, daß zur Erzeugung einer symmetrischen bJellenform entsprechend Fig. 3 während der Zeitspanne T. die Schalter Ξ~ und S, in ihre obere Schaltstellung und die Schalter S^ und

S,- in ihre untere Schaltstellung umgestellt sind und dadurch b

ein Strom durch die Last 144 in einer solchen Richtung getrieben wird, daß ein Spannungsabfall mit der angegebenen Polarität entsteht. Dabei entlädt sich der Kondensator 14o über die Last und ist in Reihe mit der Batterie E geschaltet, um einen Spannungssprung von beispielsweise + 2 E hervorzurufen. LJird der Schalter S, in seine untere Schaltstellung umgestellt,

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ZUr

wird an die Last eine Spannung mit dem Pegel + E angelegt und der Kondensator Iko lädt sich über die Diode 138 aus der Batterie 136 auf. Während dieser Zeitspanne T₁ kann sich der Kondensator 15o der zweiten Pegelschiebestufe vollständig aufladen, so daB die Ladespannung im wesentlichen E Volt beträgt. Während der Zeitspanne Tp der nächsten Halbperiode der stufenweise angenäherten Wechselspannung entsprechend Fig. 3 sind die Schalter S, und S, in ihre untere Schaltstellung und Schalter S₁. in die obere Schaltstellung umgestellt, während der Schalter S_g zwischen der oberen und unteren Schaltstellung umgestellt wird, um die Spannungssprünge - E UoIt und - 2 E UoIt zu erzeugen. Durch den Einsatz von wenigstens zwei Pegelschiebestufen 137, 137¹ in der in Fig. 5 gezeigten Art erreicht man also, daß zur Erzeugung symmetrischer üJellenfarmen entsprechend Fig. 3 die Fegelschiebestufen 137 und 137¹ nur jeweils während der halben Periadendauer der Wechselspannung aktiviert werden müssen. Im Gegensatz dazu muß bei der Schaltanordnung nach Fig. k die Pegelschiebestufe 137 während der gesamten Periodendauer (T₁ + T„) in Betrieb sein. Bei der Schaltanordnung nach Fig. 5 ist also, sofern symmetrische Wellenfarmen erzeugt werden, die Einschaltdauer der Pegelschiebestufen 137, 137¹ um den Faktor 1/2 reduziert. Wenn man natürlich unsymmetrische Wellenformen erzeugen will, wird in den meisten Fällen die eine oder andere Pegelschiebestufe 137 und 137" länger als eine halbe Periadendauer in Betrieb sein. Die

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Schaltanordnung nach Fig. 5 ermöglicht also die künstliche Erzeugung van Lüellenfarmen in einem größeren Frequenzbereich, ujeil die Kondensatoren 14o und 15o während der PeriDdendauer auf einer höheren Ladespannung gehalten werden.

Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Vergleicht man diese Ausführung mit der aus Fig. 5 erkennt man, daß ein Schalterpaar S„ und S_ hinzugefügt ist. Uenn diese Schalter S„ und S₀ ihre obere Schaltstellung einnehmen, entspricht die Arbeitsweise der Ausführung nach Fig. 6 genau derjenigen nach Fig. 5. Befinden sich die Schalter S₇ und S_fl in ihrer unteren Schaltstellung, sind die Schalter S₅ und S_g und die Schalter S₃ und S, bezüglich des Ausgangs 146 bzw. des Ausgangs 142 parallel geschaltet. Wenn also die Schalter S₅ und S_fi in ihre obere und zugleich die Schalter S₃ und S, in ihre untere Schaltstellung umgestellt werden, wird ein Strom aus der Batterie 136 über die Schalter S_g und S₇ und über die Diode 148 und den Schalter S₅ zum Ausgang 146, der Last 144, dem Ausgang 142 und van dort sowohl über Schalter S, als auch die Schalter S_ und S₃ zu Masse fließen. Wenn man voraussetzt, daß die Schalter S₃, S,, S₅, S,, S₇ und S_ alle für den gleichen IMennstrom ausgelegt sind, wird klar, daß die der Last zuführbare Stromstärke doppelt so groß sein kann als diejenige, die in Fig. 5 erreichbar ist, aber nur mit einem Spannungswert von E UoIt, denn die Kondensatoren 14o und 15o sind da-

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bei außer Funktion gesetzt. Zur Umkehrung der Richtung des doppelten IMennstrames durch die Last 144 werden die Schalter S- und S,- in ihre untere Schaltstellung und die Schalter S, und S, in ihre obere Schaltstellung umgestellt, lilerden alle Schalter S₃ bis S_g in ihre untere Schaltstellung umgestellt, uierden die Ausgänge 1^2 und 146 geerdet, so daß der Spannungs-

abfall an der Last D Volt beträgt. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß bei einem Betrieb der Schaltanordnung nach Fig. 6 mit den Schaltern S„ und S- in der oberen Schaltstellung der Last 144 eine Spannung bis zu 2 E Walt zugeführt werden kann, wobei die Stromstärke dem Nennstram der Schalter S, bis S_n ent-

J O

spricht. Sind die Schalter S und S_Q in ihrer unteren Schaltstellung, kann der Last 144 eine Spannung in Höhe υοπ E UoIt bei einer Stromstärke van doppeltem Nennstram zugeführt werden. Eine solche Schaltanordnung wird mit \/orteil beispielsweise zum Betrieb eines Elektromotors eingesetzt, deminnerhalb bestimmter Drehzahlbereiche unterschiedliche Drehmomente abverlangt werden.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Kondensatoren 14a und 15a jeweils entweder durch eine Solarzelle, ein Solarzellenfeld, eine Batterie, ein Brennstoffelement ader jeden anderen elektrischen Energiespeicher ersetzt werden können. Bei einem solchen Ersatz der Kondensatoren 14a und 15a könnten die Dioden 138 und 14a wegfallen, wenn man in Fig. 5 W = 1 annimmt. Bei einem Ersatz der Kondensatoren 14a und 15o durch Batterien wird

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,23

man allerdings bei vielen AnuiEndungen die Dioden 138, 148 belassen, um ein ldiederaufladen der Batterien in den Zeitspannen, in denen sich analag die Kondensatoren 14o und 15o aufladen, zu ermöglichen. Entsprechend kann auch die Batterie 136 in Fig. 5 und 6 entweder durch eine Solarzelle, ein Solarzellenfeld, ein Brennstoffelement oder ähnliches ersetzt werden.

Fig· -7 zeigt einen Hochleistungsschaltverstärker, der die Schaltvorgänge jedes Schalters S₃ bis S- in Fig. k bis G bewerkstelligen kann. Natürlich können die Schalter S₇ und S₃ in Fig. 6 - uiie bereits erwähnt - auch mechanischer oder elektromechanischer Art sein, falls dies gewünscht ist. Eine ausführliche Erklärung der Betriebsweise dieses Schaltkreisss nach Fig. 7 findet man in der am 31. August 1977 unter dem Titel "Hochleistungsschaltverstärker" in den USA eingereichten und noch schwebenden Anmeldung mit dem Aktenzeichen 829 334. Es wird auf Fig. 6 dieser Anmeldung hingewiesen, die einschließlich der Bezugszeichen genau der Fig. 7 der vorlisgenden Anmeldung entspricht. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß der Schaltkreis nach Fig. 7 vorteilhafterweise die Schaltvorgänge der Schalter S₃ bis S„ ausführt, wenn Schaltströme bis zu ungefähr I00 Ampere bei Spannungen bis zu ungefähr 1oo UoIt auftreten. Bei Ausführungen mit geringerer Leistung können andere transistorisierte Schaltkreise die Funktion eines jeden Schalters S, bis S_oübernehmen.

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-Vf-

2H

Wenn an Fig. 7 an den Steuereingang 33 ein positives Steuersignal mit einem bestimmten Pegel - im folgenden uird ein Pegel von "1" angenommen - angelegt uiird, spricht der (\IPI\I-Darlingtonverstärker 37, 39 an und schaltet über seinen Hauptstrompfad den Ausgang 41 nahezu auf Masse. Außerdem spricht der invertierende HochspannungsvErstärker 59 an und lent einen niedrigen Spannungspegel oder Masse _an Punkt A. Zu dieser Zeit ist der NPIM-Transistar Θ3 gesperrt und die Dioden 62, 63, 65 und 67 sind in Flußrichtung vorgespannt. Damit kann sich der Kondensator 73 aus der Gleichspannungsquelle, deren Spannung dem Anschluß 45 zugeführt ist, aufladen. Uenn die Steuerspannung abfällt - im folgenden uird ein Pegel von "Ü" angenommen - sperrt der Darlingtonverstärker 37, 39 und am Ausgano des invertierenden Verstärkers 59 wechselt der Pegel auf positives Potential. Uenn die Spannung am Punkt Q ansteigen kann, also nicht länger auf negativem Potential gehalten uird, wird die Diode 62 in Sperrichtung beaufschlagt. Der Strom durch den Widerstand 75 fließt dann in die Gasis-Elektrode des IMPN-Transistors 83, der damit durchsteuert. Im Einschaltzeitpunkt des Transistors B3 uirkt der Beschleuninunnskondensator 77 uie ein Kurzschluß oder ein geschlossener Strompfad, tuas zur Folge hat, daß die Widerstände 79 und /31 im Auqenblick des Einschaltens parallel geschaltet sind UiH] ein [5trom vom Anschluß 45 durch den Widerstand 81 und durch rinn .Jiderstand 79 in Reihe mit dem Kondensator 77 über ti(?n Hn.mi-ütrn'Tipfad des fMPN-Transistors 83, nämlich dessen

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. - :. BADORfGJNAL

Kollektor-Emitter-Strecke, in die Basis des NPIM-Transistors 27 fließt, uiodurch der Darlington-Verstürker 27, 29 durchschaltet. Damit fließt Strom vom Anschluß ^5 durch den Hauptstrompfad des Darlington-Uerstärkers 27, 29 zum Ausgang M₁ wodurch der Spannungspegel am Ausgang auf einen positiven üJert ansteigt. Der Kondensator 73 beginnt sich zu entladen, und zuiar anfangs über den Widerstand 81 und parallel über die Reihenschaltung am Widerstand 79 und Kondensator 77, den Hauptstrompfad des Transistors 83 und die Basiselektrode des NPI\J-Transistors 27. Wenn dann der Beschleunigungskondensatar 77 merklich aufgeladen ist, erscheint der Stromkreis über den Kondensator unterbrochen, mas den Effekt hat, daß der Widerstand 79 und der Kondensator 77 selbst nicht mehr parallel zum Widerstand 81 liegt. Wenn dies auftritt, erhöht sich der uirksame Widerstand dieses Parallelschaltkreises auf den Widerstandsuert des Widerstandes 81, der nun den gesamten Strom führt. Der Beschleunigungsschaltkreis mit den Widerstand 79 und dem Kondensator 77 ist bekannt. Er beeinflußt die Übergangszeit in den leitenden Zustand des Transistors 03 und entsprechend die des Darlington-Uerstärkers 27, 29. Während sich der Kondensator 73 über den Üarlington-Uerstiirker 27, entlädt, erhöht sich der Spannungspegel an der Basin des IMPIM-Transistors 27 (Spannung am Anschluß M plus Ladesnunnurin de3 Kondensators 73), so daß sichergestellt ist, dall der Dnrlington-Verstärker 27, 29 in die Sättigung geht und damit nahezu die Betriebsspannung am Anschluß k5 auf den Αυπίμπη) h I

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iv ==' ■" BAD ORK3INAL

durchgeschaltet wird. Die Widerstände 69 und 38 dienen der Strombegrenzung, Widerstand 61 als Trennwiderstand.

üJenn man davon ausgeht, daß für jeden der Schalter S, bis S_fl ein transistarisierter Schaltkreis entsprechend Fig. 7 vorgesehen idird, müssen sechs unabhängige Steuersignale C₃ bis C_fl an die entsprechenden Steuereingänge 33 eines jeden Schalters S-. bis S.. angelegt werden, damit mittels dieser Schalter eine geuünschte Wellenform erzeugt werden kann. Dazu uird ein Steuergerät, das in Fig. B als SchaltblDck 152 dargestellt ist, benötigt, welches die Steuersignale C-, bis C-. liefert. Bei solchen Anuiendungsfallen, bei denen die Möglichkeit einer Programmierung nicht von Bedeutung ist, wenn also nur eine einzige bestimmte Wellenform aus einer Gleichspannungswelle 136 künstlich erzeugt werden soll, kann dieses Steuergerät 152 aus konkret verschalteter Digitallogik aufgebaut sein. Wenn aber zu einer gegebenen Zeit eine van vielen varqebbaren LüeLLenFarmen erzeugt werden soll, kann das Steuergerät 152 einen Mikroprozessor beinhalten, der zur Erzeugung der gewünschten Ulellenfarmen entsprechend programmiert ist. In der nachfn LnentlEan Übersicht ist für verschiedene Kombinationen der Zustünde "I" ader ¹¹CJ" der Steuersignale C, bis C, der Pegel des Au seizing s signals über der Last bei den Ausführungsbeispielfjn mich FLti. 't hin fj angegeben.

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ZUSTANDSTABELLE

O CD CD

CXS

O CD CD

Schaltkreis F i η u r Wr.

' iaur k

ricur

Normal Betrieb

Normal

" i ζ u r

Normal Betrieb

StEuersianal

S₃	£«»	S₅	S₆	1	1	S₇	Sa
1	ν	1	M	1,
1.	G⁺	1	Mt	G⁺		_
Q⁺	G	1		1		—
1	1	D ⁺	_	1	■Μ
π	1	α	-	1	-	-
"1	1	1	1	C
1	1	G⁺	1.	C	_
	1.	Q	Q⁺	C	—
	O⁺	1	1	1	—	—
G⁺	G	1	1	—	—
"α	0	G	1	_
C	α	Π	α	_
1	α	Q	G	-	-
			or	1 ar
Ί	1	1.	Q	G
1	1	U⁺	α	G
1	1 ₊	Π	0	Q
I	U	1	Q	Q
C	C	1	α	Q
ι—, υ	Ü	G	Q	Q
Γ,	Ü	σ	Q
1	G	G	Q	G
.Ί	1	G	1	1
G	LJ	1	1	1

PeqEl der Ausqangsspannunq über den Anschlüssen 1^2,1

0	K)
+ E	• οο
+ 2E	Cn
-E	cn
-ZE	co
G	fo
-E
-ZE
+ E
+ 2E
+E	Doppelter PJν.πrι
Q	el.; im-Betrieb
-E

α
-E
-2Ε
+ E
+ 2E
+ E
η
-E
-E
+ E

+ u'echsel zum Zustand "1" und zurück in "G" zur Erzsuqunq der Einschnitte. Zeitspanne während des Zustands "1" bestimmt die Breite der Einschnitte.

Der Hochleistunnsschaltverstärker nach Fig. 7 arbeitet invertierend. Wird ein nichtinvertierender transistorisierter Schaltverstärker zur Erfüllung der Schaltfunktinn der Schalter S, bis S₁, verwendet, müssen die in der Übersicht angegebenen Pegel der Steuersignale invertiert werden. Der Pegel "1" idird alsoein "D" Pegel und der "G" Pegel uird ein Pegel "1".

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Claims

Patentansprüche :

1. Schaltanordnung zum Umwandeln einer Gleichspannung in —"eine Wechselspannung mit vorbestimmter Wellenform, gekennzeichnet durch

erste und zweite Anschlüsse zur Einspeisung der Gleichspannung, wobei der zweite Anschluß auch mit einem Bezugspotential verbunden ist,

erste und zweite Pegelschiebestufen (137, 137¹) mit jeweils zwei mit den Anschlüssen verbundenen Eingängen und einem Ausgang, wobei jede Pegelschiebestufe in einem ersten Schaltzustand die Gleichspannung und in einem zweiten

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Schaltzustand eine Spannung mit einem Pegel, der höher ist als der der Gleichspannungsquelle (136), an den zugeordneten Ausgang durchschaltet,

erste und zweite Schaltelemente (S, , S₅) mit jeweils einem ersten Eingang (45), der an den Ausgang der zugeordneten Pegelschiebestufe (137, 137') angeschlossen ist, und mit jeweils einem zweiten Eingang (43), die gemeinsam an den zweiten Anschluß zur Einspeisung der Gleichspannung angeschlossen sind, und mit jeweils einem Ausgang (41) zum Anschluß des einen und anderen Endes(142, 146) einer Last (144), wobei jedes Schaltelement (S, , Sj-)nach Art eines Ulechselschalters arbeitet und in einer ersten Schaltstellung einen Strampfad zwischen dem ersten Eingang (45) und dem Ausgang (41) und in einer zweiten Schaltstellung einen Strompfad zwischen dem zweiten Eingang (43) und dem Ausgang (41) schließt, und Mitteln (152) zum selektiven Betrieb der ersten und zweiten Pegelschiebestufen (137, 137') und der ersten und zweiten Schaltelemente (S, , S^) mit unterschiedlicher Kombination ihrer ersten und zweiten Schaltzustände, um auf diese üJeise die Wechselspannung zu erhalten·

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (152) die erste und zweite Pegelschiebestufe (137, 137¹) und diese ersten und zweiten Schaltmittel (S,, S₅) treiben, so daß zugleich mit der dynamischen

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Pegeluerschiebung Eine PulsbrEitenmadulation erfolgt, um auf diese ldeise eine Wechselspannung mit einer selektiv/ eingeschnittenen lilellenfarm mit reduzierten Oberwellen zu erhalten.

3. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelschiebestufen (137, 137") jeweils Gleichrichter (138, 148) zwischen ihrem ersten Eingang und dem Ausgang sowie einen elektrischen Energiespeicher (14a, 15o) aufweisen, dessen eines Ende mit dem Ausgang verbunden ist, daß die Pegelschiebestufεη (137, 137') jebieils nach Art eines lüechselschalters arbeitsndE, von einem Eingang (45) auf den andEren Eingang (43) umschaltende Schaltelemente (S,, S_c) aufweisen deren Ausgänge (41) jeweils an das andere Ende der Energiespeicher (14a, 15a) angeschlossen sind, wobei die Schaltelemente (S₃, S,) in einer ersten Schaltstellung das andere Ende des Energiespeichers (14o, 15a) an den zweiten Eingang anschließen und damit den Energiespeicher (14a, 15a) aufladen und zugleich die Gleichspannung auf den Ausgang durchschalten, wodurch der erste Schaltzustand der Pegelschiebestufe (137, 137·) realisiert wird, und wobei die Schaltelemente (S₃, S,) in einer zweiten Schaltstellung das andere Ende des Energiespeichers (14a, 15a) jeweils an den ersten Eingang anschließen und damit die Ladespannung des Energiespeichers (14o, 15a) jeweils in Serie zur Gleichspannungs-

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quelle (136) legen, wobei die Bleichrichter (138, 14S) derart geoalt sind, daß eine Entladung der Energiespeicher (14o, 15o) mit Sicherheit vermieden ist, ujodurch der zmeite Schaltzustand der Pegelschiebestufen (137, 137») realisiert ist, in dem eine Spannung zum Ausgang der entsprechenden Pegelschiebestufe (137, 137') durchgeschaltet wird, die ungefähr doppelt so hoch ist wie die Spannung der Gleichspannungsquelle (136).

it. Schaltanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter eine Diode (138, 148) beinhaltet.

5. Schaltanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher einen Kondensator (14o, 15o) beinhaltet.

6. Schaltanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher eine Batterie beinhaltet.

7. Schaltanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Schaltelemente (S,, S,.) der Pegelschiebe-

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stufen (137, 137«) als auch die besagten ersten und zweiten Schaltelemente (S, , S₁-) bilateral arbeitende Festkörperschaltmittel beinhalten.

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8. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jEde PegsischiEbEstufε (137, 137') kaskadisrte Spannungsquellsnstufξπ aufweist, die jeweils GlEichrichtEr (13ü, 148), EnsrgiEspEicher (14o, 15a) und Schaltelemente (S-,, S_c) bein-

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halten, dis nach Art eines LJachsElschalters arbeiten und ZUJEi Leistungseingänge (45, 43) und εΐπεη Ausgang (41) aufweisen, idabei die Gleichrichter (138, 148) und Energie-Speicher (14a, 15a) zwischen den ersten Leistungseinqang (45) und den Ausgang (41) geschaltet sind und der zweite Leistungseingang (43) an den zweiten Anschluß zur Einspeisung der Gleichspannung angeschlossen ist und wobei der gemeinsame Uerbindungspunkt der Gleichrichter (130, 148) und der Energiespeicher (14a, 15a) an den ersten Leistungseingang (45) der nachfolgenden Spannungsquellenstufe angeschlossen ist und wobei das andere Ende des EnergiespEichers (14a, 15a) mit dem Ausgang verbunden ist una wobei die erste Spannungsquellenstufe der Kaskadenschaltung mit dem ersten der obengenannten Anschlüsse zur Enerqiespeisung und die letzte Spannurigsquellenstufe einer jeden PegelschiebEatufε (137, 137') mit ihrem gemeinsamen Uerbindunqspunkt der Gleichrichter (138, 148) und der Energiespeicher (14a, 15o) an die ersten Eingänge der ersten und zweiten Schaltelemente (S, , S,.) angeschlossen sind, wnhei die Schaltelemente (S.., S-) einer jeden Spannunnsgue L lenstufe in ihrer ersten Schaltstellung einen Strompfad zwischen

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dem Ausgang (41) und dem zweiten Leistungseinqanq (43) schließen und dairifc den Energiespeicher (14a, 15a) aufladen und die Gleichspannunq auf den gemeinsamen Uerbindungspunkt van Gleichrichter (138, 148) und Energiespeicher (14a, 15a) durchschalten und die in ihrer zweiten Schaltstellung einen Strarnpfad zwischen dem ersten Leintunnseinqanq (45) und dem Ausgang (41) schließen und damit den zugeordneten Energiespeicher (14a, 15a) in Serie mit anderen ausgewählten Energiespeichern (14a, 15a) der Spannungsque llenstufen schalten, um auf diene Ueise an den gemeinsamen Verbindunqopunkt van Gleichrichter (130, 140) und Energiespeicher (14a, 15a) eine Spannung auf zuschalten, deren Pegel sich aus der Summe der joannung der GleichspannungsquelIe (136) und der einzelnen Lndeispanriungen der Ln Reihe geschalteten Energiequellen (14o, I5o) ergibt.

9. Schaltanordnung rinrch Annoruch 3, dadurch gekennzeichnet, el al zusätzlich dritte: und \i\v.v\.v. Schaltelemente (S,., S„) vnrcjesehen sind, deren erster Eingang (45) jeweils mit dem anderen Ende des Erie rrj iespe ichera ( I4n, 15a) verbunden ist, deren zweiter Eingang (4 5) jeweils mit dem Ausganq (41) der erstgenannten iichn I te; it'men te (S_; , S₁-) verbunden ist und deren Ausgang (41) an dEiri Aungang der Schalte lernen te (S_n, S_c) der ie~

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welligen Peqn lnchifiüGs tufe (137, 137 · ) angeschlossen ist, wobei diese dritten und vierten Schaltelemente (S , S„) in einer

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ersten Schaltstellung zwischen ihrem ersten Einganq (45) und ihrem Ausgang (41) und in ihrer zweiten Schaltstellunq zwischen ihrem zweiten Eingang (43) und ihrem Ausgang (41) einen Strompfad schließen, wobei der Last (144) Nennstrom und Nennspannung zugeführt werden kann, wenn das dritte und vierte Schaltelement (Ξ_, S„) zugleich ihre erste Schaltstellung einnehmen, und wobei der Last (144) der doppelte IMennstrom bei halber Nennspannung zugeführt werden kann, wenn das dritte

und vierte Schaltelement (S_n, S_n) zugleich ihre zweite

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Schaltstellung einnehmen.

1o. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine jede Pegelschiebestufe (137, 137¹) eine GleichSDannungsversorgung mit ersten und zweiten Ausgängen aufweist, zwischen denen eine Ausgangsgleichspannung abgreifbar ist, wobei der erste Ausgang an den Ausgang der zugeordneten Pegelschiebestufe (137. 137') angeschlossen ist, daß weiterhin nach Art eines lilechselschalters arbeitende Schaltelemente (S.,, S_c)

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zwischen die Eingänge der Stufen geschaltet sind, wobei der Ausgang (41) des Schaltelementes (S^, S_fi) an den zweiten Ausgang der Gleichspannungsversorgung der Stufe angeschlossen ist, wobei die Schaltelemente (S^, S_r) in einer ersten Schaltstellung den zweiten Ausgang der Gleichspannungsversorgung mit dem ersten Eingang der Stufe verbinden und dadurch die Spannung dieser Gleichspannungsversorgung auf den Ausgang der Stufe durchschalten, deren erster Schaltzustand dann gegeben ist,

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und lüobei die Schaltelemente (S.,, S,.) in einer zweiten Schalt-

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stellung den zweiten Ausgang der Gleichspannunqsversorgung mit dem ersten Eingang der Stufe verbinden, wodurch der zweite Schaltzustand der Stufe realisiert wird, bei dem dem Ausgang der Pegelschiebestufe (137, 137¹) Eine Spannung zugeführt wird, deren Pegel der Summe der Spannungswerte der Gleichspannungsguelle und der Ausgangsspannung der Gleichspannungsversargung der zugeordneten Pegelschiebestufe (137,* 137·) entspricht.

11. Schaltanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich dritte und vierte Schaltelemente (S_fll S_) vorgesehen sind, deren erster Eingang (45) jeweils mit dem zweiten Anschluß der Gleichspannungsversorgung verbunden ist, deren zweiter Eingang (43) jeweils mit dem Ausgang (41) der erstgenannten Schaltelemente (S,, S^) verbunden ist und deren Ausgang (41) an den Ausgang der Schaltelemente (S_R> S_fi) der jeweiligen Pegelschiebestufe (137, 137¹) angeschlossen ist, wobei diese dritten und vierten Schaltelemente (S_Q, S„) in einer ersten Schaltstellung zwischen ihrem ersten Eingang (45) und ihrem Ausgang ( 41) und in ihrer zweiten Schaltstellung zwischen ihrem zweiten Eingang (43) und ihrem Ausgang (41) einen Strompfad schließen, wobei der Last (144) IMennstrom und Nennspannung zugeführt werden kann, wenn das dritte und vierte Schaltelement (S_n, S„) zugleich ihre erste Schalt-

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stellung einnehmen, und wobei der Last (144) der doppelte IMennstrom bei halber Nennspannung zugeführt werden kann, wenn

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das dritte und vierte Schaltelement (S , S₇) zugleich ihre zweite Schaltstellung einnehmen.

12. l/erfahren zur stufenweisen Synthetisierung einer Wechselspannung bestimmter Llellenfarm mit geringem Oberwellenqehalt aus einer Gleichspannung, gekennzeichnet durch eine dynamische Pegelverschiebung der Gleichspannung,um abwechselnd, aber nicht notwendigerweise aufeinanderfolgend positive und negative Impulse mit zwei verschiedenen Pegeln zu verschiedenen Zeitpunkten innerhalb einer Periode der künstlich erzeugten Wechselspannung zu erhalten, um damit eine Wellenform mit Einschnitten zu erhalten, und gekennzeichnet weiter durch eine Pulsbreitenmodulation dieser Impulse im wesentlichen zugleich mit den Pegelverschiebungsschritten, um einzelne Einschnittbreiten und Impulsbreiten in einer Kombination derart zu erhalten, daß unerwünschte Oberwellen im wesentlichen reduziert werden.

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