DE2927837A1

DE2927837A1 - Transistorwechselrichterschaltung

Info

Publication number: DE2927837A1
Application number: DE19792927837
Authority: DE
Inventors: Peter Kreutzer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-07-10
Filing date: 1979-07-10
Publication date: 1981-01-15
Also published as: DE2927837C2; ATE2246T1; EP0023263B1; EP0023263A1

Description

BLUMBACH · WSSBR · SEFtGEN · KRAMER

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883634 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Peter Kreutzer 79/0002

Bettengasse 20
Konstanz

Transistorwechselrichterschaltung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Transistorwechselrichterschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die bisher zumeist verwendete Schaltung für statische Wechselrichter, gespeist aus einer Niedervoltbatterie, ist die sog. Gegentaktschaltung von Transistoren in Verbindung mit einem Transformator. Für höhere Speisespannungen, z. B. oberhalb 150 Volt wird vielfach die Brücken- oder die Halbbrückenschal-

MUnchen: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. - G. Zwirner Dipl.-ing. Dipl.-W.-Ing.

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tung zur Anwendung gebracht. Die Aussteuerung der Transistoren erfolgt bekannterweise mit Hilfe einer Steuerwicklung, welche üblicherweise eine Wechselspannung von etwa 2 bis 4 Volt liefert. Mit Hilfe eines Widerstandes im Basiskreis wird dabei die Größe der Aussteuerung des Transistors entsprechend dem Laststrom bestimmt.

Die Verluste in den Transistoren setzen sich bekanntlich aus den Spannungsverlusten an der Kollektor-Emitter-Strecke und aus den ümschaltverlusten zusammen, währenddie Steuerverluste verhältnismäßig klein sind. Besonders kritisch werden die Umschaltverluste, wenn die Spannungsform der erzeugten Wechselspannung nicht rechteckig oder die Betriebsfrequenz hoch liegt, z. B. höher als 500 Hz. Auch die Leistung, welche über den Wechselrichter geführt wird, beeinflußt in starkem Maße die Verluste und somit die Erwärmung der Transistoren.

Bekanntlich ist die ideale Spannungsform zur Aussteuerung von Transistoren die Rechteckform, wodurch die periodische Umschaltung am schnellsten und praktisch verlustlos vollzogen wird.

Beim Betrieb mit einer nicht rechteckförmigen Steuerspannung V7erden die Umschaltverluste, insbesondere mit zunehmender Frequenz, unzulässig hoch, wodurch neben einem schlechten elektrischen Wirkungsgrad eine starke Erwärmung der Transistoren

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eintritt, was zu schwierigen Kühlproblemen der Bauteile führt und gleichzeitig die Betriebssicherheit gefährdet. In der Praxis hilft man sich vielfach durch eine Überbemessung der Baustelle, was entsprechend teuer ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Schaltung der im Oberbegriff genannten Art die Schaltverluste der Transistoren herabzusetzen bzw. den Steuerstrom möglichst rechteckförmig auszubilden. Die UmschaltVerluste sollen auch bei höheren Betriebsfrequenzen klein gehalten werden können.

Die Aufgabe ist durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird durch zwei Ausführungsbeispiele anhand von vier Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 __ einen Transistorwechselrichter in

Form einer Gegentaktschaltung;

Fig. 2 den Verlauf des Basisstromes eines

der beiden Transistoren;

Fig. 3 den Verlauf des Basisstromes beider

Transistoren; und

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Fig. 4 einen Transistorwechselrichter in

Form einer Halbbrückenschaltung.

Die in Fig. 1 dargestellte Transistorwechselrichterschaltung, die als Gegentaktschaltung aufgebaut ist, wird anhand ihrer Wirkungsweise erläutert.

Beim Einschalten einer Gleichspannungsquelle 1 fließt ein Strom von wenigen mA über einen Einschwingwiderstand 3 zur Basis eines Transistors 4 und über eine Transformatorsteuerwicklung 6 zur Basis eines Transistors 5. Der Wechselrichter beginnt hierbei infolge der unterschiedlichen Empfindlichkeit der Transistoren zu schwingen. Die Steuerwicklung liefert sofort über Dioden 7 und 8 einen Gleichstrom an einen Kondensator 9 und lädt diesen auf (Aufladekreis). Mit Hilfe dieser Gleichstromquelle bestimmter Polarität werden die beiden Transistoren abwechselnd durchgesteuert, wobei die Wechselspannung der Steuerwicklung 6 zusätzlich einen Aussteuerstrom für die Transistoren liefert. Der Steuerstrom setzt sich somit zusammen aus der Überlagerung des Kondensatorgleichstromes und des Stromes, welcher aus der Wicklung 6 z, B. in Sinusform geliefert wird. Mit Hilfe eines Widerstandes 1O wird die Größe des Basisstromes eingestellt. Gleichzeitig fließt der Laststrom über eine Schwingdrossel, die mit der Mitte der Primärwicklung des Lasttransformators

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verbunden ist, abwechselnd über die Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren 4 und 5. Ein Stromwendekondensator 12 und die Schwingdrossel 2 bilden einen Resonanzkreis, so daß bei geeigneter Abstimmung mit der Wechselrichterfrequenz in bekannter Weise die Spannungsform des Lasttransformators 11 sinusförmig wird. Normalerweise ergibt sich hierdurch bei den bekannten Schaltungen auch ein sinusförmiger Steuerstrom für die Transistoren, wodurch die Umschaltung der Transistoren im Schaltmoment verlangsamt wird. Der Kondensator 13 sorgt dafür, daß der gewählte Strom für die Speisequelle 1 geglättet wird.

Der große Vorteil des gefundenen Schaltungsprinzips besteht vor allem darin, daß der durch den Kondensator 9 gelieferte Steuerstromanteil ein Rechteck bildet und unabhängig von der Form der Wechselspannung ist. Überlagert wird diesem Steuerstromanteil während der jeweiligen Halbperiode ein von der Wicklung 6 gelieferter Steuerstrom. Der aufgeladene Kondensator 9 liefert den Strom solange in konstanter Größe, bis der Polwechsel der Spannung einsetzt. Die Wechselspannung der Steuerwicklung 6 kann diesen Kondensatorentladestrom nicht unterbrechen, sondern jeweils nur während des Polaritätswechsels umleiten, wodurch der ideale Rechteckstrom mit überlagertem Sinusstrom für die Basisaussteuerung entsteht.

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Die beschriebene Schaltung bezieht sich auf die Verwendung von npn-Transistoren. Bei einer Anordnung mit pnp-Transistoren muß die Steuergleichspannung umgekehrte Polarität aufweisen.

Einen besonders großen Gewinn bringt die erfindungsgemäße Schaltung bei einem Wechselrichter, bei dem der Transformator als Streufeldtransformator ausgebildet ist und die Frequenz mit etwa 20 KHz schwingt, wobei als Last 15 eine Leuchtstofflampe gespeist wird. Dabei dient der Stromwendekondensator 12 der Blindstromkompensation und zudem als Schwingkondensator mit der Schwingdrossel, wodurch ein Inversstrom von den Transistoren ferngehalten werden kann. Die Transistoren arbeiten bei diesem Betrieb im Schaltmoment mit einem Rechteckstrom und damit praktisch verlüstfrei, wodurch ein hoher elektrischer Wirkungsgrad erzielt wird, was z. B. bei der Fahrzeugbeleuchtung und in Notstromeinrichtungen in Verbindung mit aus einer Batterie gespeisten Leuchtstofflampen von großer Bedeutung ist.

Fig. 2 stellt in Abhängigkeit von der Zeit den Basisstrom eines der beiden Transistoren dar. Man sieht hierbei deutlich, daß die sinusförmige Stromkuppe einem Rechteckstrom überlagert ist.

Fig. 3 stellt den am Widerstand 10 gemessenen Basisstromverlauf für die beiden Transistoren dar. Man kann erkennen, daß der Gleichstrom aus dem Kondensator 9 keine Unterbrechung erfährt

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und die Umschaltung bzw. die Umleitung des Steuerstromes nahe dem Nulldurchgang der Wechselspannungskurve bzw. der Wechselstromkurve der Steuerwicklung 6 erfolgt.

Fig. 4 zeigt als ein weiteres Schaltungsbeispiel eine Transistorwechselrichterschaltung in Form einer Halbbrückenschaltung. Die Wirkungsweise der Halbbrückenschaltung darf als bekannt unterstellt werden. Beispielsweise ist sie in der Zeitschrift Bauteile-Report 14, 1976, Heft 2, Seiten 63 bis 66, beschrieben.

Im vorliegenden Fall weist der Lasttransformator 111 mit der Last 151 zwei Steuerwicklungen 61 und 62 auf, durch die die Transistoren 41 und 51 ausgesteuert werden. Im vorliegenden Fall enthält jede Steuerwicklung zwei Abgriffe und ist somit in Wicklungsteile a, b und c unterteilt. Jeder Steuerkreis enthält in Reihe zu dem Teil b der Steuerwicklung einen Kondensator 91 bzw. 92 und einen die Größe des Basisstromes des betreffenden Transistors 41 bzw. 51 bestimmenden Widerstand 101 bzw. 102. Zur Aufladung der Kondensatoren 91 bzw. sind Aufladekreise vorgesehen, die in Reihe zum Kondensator die Teile a und b der jeweiligen Steuerwicklung sowie eine Diode 71 bzw. 72 enthalten. Die Teile a und b der Steuerwicklung sind so gewählt, daß die gewünschte Gleichspannung am Kondensator 91 bzw. 92 erzielt wird. Die Polarität der

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Diode 71 bzw. 72 muß so sein, daß die den Transistor aufsteuernde Halbwelle der am Wicklungsteil b abgegriffenen Steuerwechselspannung unterstützt wird, d. tu im vorliegenden Fall muß der Kondensator 91 bzw. 92 so aufgeladen werden, daß sein Pluspol am Wicklungsabgriff liegt. Bei pnp-Transistoren ist die Polarität umgekehrt.

Während bei dem Beispiel nach Fig. T der Steuergleichstrom beim Umschalten vom Transistor 4 auf den Transistor 5 sofort über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 5 weiterfließen kann, ist dies bei der Schaltung nach Fig. 4 nicht möglich. Es muß deshalb hier ein gesonderter Steuerstromableitkreis vorgesehen werden, der solange der zugehörige Transistor gesperrt ist, den diesem Transistor zugeordneten Steuerstrom ableitet. Im vorliegenden Fall enthält der Steuerstromableitkreis für den Kondensator 91 den Teil c der Steuerwicklung 61, die Diode 141 und den Widerstand 101. Die Diode 141 weist bezüglich des Kondensators 91 die entgegengesetzte Polarität auf wie die Diode 71 des Äufladekreises. Zur Ableitung des Steuerstroms des Kondensators 92 während des gesperrten Zustandes des Transistors 51 ist die Diode 142 vorgesehen.

030063/0548 ORIGINAL INSPECTED

Claims

BLUMBACH -WESER -3SReEN · KRAMER

ZWiRNER-BREHM 2327837

PATENTANWÄLTE IN MÖNCHEN UND WIESBADEN

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Peter Kreutzer 79/0002

Bettengasse 20
Kontanz

Transistorwechselrichterschaltung

Patentansprüche

-/_ 1.jTransistorwechselrichterschaltung, bei der die Primär- ^-—^ Wicklung eines Lasttransformators über eine Schwingdrossel und einen Transistor an eine Gleichspannungsquelle anschaltbar ist, ferner ein Stromwendekondensator vorhanden ist und der Steuerkreis des Transistors eine auf dem Lasttransformator oder auf einem zum Lasttransformator parallel geschalteten Steuertransformator aufgebrachte Steuerwicklung enthält, die eine Steuerwechselspannung liefert, _

dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zur Steuerwi-cklung

MUncfien; R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Or. rer. nat. · H. P. Brehm Dipt.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbadi Dipl.-ing. · F. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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(6, 61, 62) eine Steuergleichspannungsquelle (9, 91, 92) liegt, deren Polarität so gewählt ist, daß der den Transistor (4, 5/ 4"¹, 51) leitend steuernde Strom erhöht wird.
2. Wechselrichterschaltung nach nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis in Reihe zur Steuerwicklung (6, 61, 62) einen Kondensator (9, 91, 92) und einen die Größe des Steuerstromes des Transistors (4, 5, 41, 51) bestimmenden Widerstand (10., 101, 102) enthält, ferner ein Aufladekreis für den Kondensator vorgesehen ist, der in Reihe zum Kondensator wenigstens einen Teil der Steuerwicklung (6, 61, 61) und eine Diode (7, 8, 71, 72) enthält.
3. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerstromableitkreis vorhanden ist, der in Reihe zu dem Kondensator {9, 91, 92) einen Teil der Steuerwicklung (6, 61, 62) und eine Diodenstrecke (14, 141,142) umfaßt, die eine zur Diode (7, 8, 71, 72) des Aufladekreises entgegengesetzte Polarität aufweist»

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4. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Diodenstrecke die Basisemitterstrecke (14) eines weiteren Transistors (5) dient.
5. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Transistorgegentaktschaltung von einem Mittelabgriff der Steüerwicklung (6) ein gemeinsamer Stromzweig der Steuerkreise für die beiden Transistoren (4, 5) über den Kondensator (9) und den Widerstand (10) zu der Verbindungsstelle der Emitteranschlüsse der beiden Transistoren führt und jedem Steuerkreis ein Aufladekreis (7, 8) zugeordnet ist.
6. Transistorwechselrichterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Halbbrückenschaltung jedem Steuerkreis der beiden Transistoren (41, 51) ein eine Diode (141, 142) enthaltender Steuerableitkreis zugeordnet ist.

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