DE2952654A1 - Gegentakt-wechselrichter - Google Patents

Description

1A-3O98

OLE K. NILSSEN

Gegentakt-WechseIrichter

Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektrischen Energiewandler und insbesondere elektrische Wechselrichter mit einem Oszillator vom Multivibrator-Typ mit festkörperschaltelementen als aktiven Elementen zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom.

Wechselrichter wandeln eine Eingangsgleichspannung in eine Hochfrequenz-Ausgangswechselspannung um. Gegentakt-Wechselrichterschaltungen werden als wirksamste Klasse von Wechselrichtern angesehen. Diese Schaltungen zeigen jedoch eine Anzahl von Nachteilen. Der wichtigste dieser Nachteile besteht in einem Energieverlust aufgrund von Gleichtaktleitung. Diese tritt ein, wenn beide Transistoren gleichzeitig leiten. Die gleichzeitige Leitung ist wiederum auf eine inhärente und unvermeidbare Verzögerung bei der Einschaltung der verwendbaren Transistoren zurückzuführen. Solche Transistoren zeigen normalerweise keine entsprechende Verzögerung beim Einschalten. Versuche zur Beseitigung dieses Problems wurden in großer Zahl unternommen. Man hat insbesondere versucht, Transistoren zu ver-

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wenden, welche eine möglichst geringe Ausschaltverzögerung zeigen. Dieser Weg erfordert jedoch äußerst kostspielige Transistoren.

Eine zweite wesentliche Ursache für Energieverluste in einer solchen Schaltung besteht während des Energieverzehrs innerhalb eines Schalters während des Ausschaltübergangs. Zur Herabsetzung dieses Energieverlustes ist es wichtig, jeden Transistor in der Nähe seiner maximalen Schaltgeschwindigkeit zu betreiben. Es ist jedoch nor-h wichtiger, zu verhindern, daß die Kollektorspannung wesentlich ansteigt, bevor der Transistor nicht vollständig ausgeschaltet ist.

Ein dritter wichtiger Grund für einen Energieverzehr liegt in einem Einschalten eines Transistors bevor seine Kollektorspannung auf einen minimalen Wert verringert wurde. Diese Verringerung der Kollektorspannung tritt ein nachdem der andere Transistor gelöscht ist, und zwar als Folge des Anstiegs der Kollektorspannung desselben.

Eine weitere Ursache für Energieverluste ist in dem Leistungsverzehr innerhalb eines jeden Transistors während des Leitungszustandes zu sehen. Zur Minimierung dieses Verlustes ist es erforderlich, eine adäquate Basistreiberschaltung vorzusehen, welche dem Kollektorstrom entspricht, der zu einer bestimmten Zeit fließt. Wenn jedoch dieser Basistreiberstrom den zur Steuerung des Transistors erforderlichen Strom übersteigt, so kann dies selbst wiederum der Grund für unnötige Energieverluste sein.

Es wurden bereits große Anstrengungen zur Verbesserung von Gegentaktwechselrichtern unternommen. Beispiele solcher Versuche sind die U.S.-Patentschriften 2 977 GC>4, 3 248 G4O, 3 324 411, 3 461 405, 3 579 026, 3 663 944, 3 691 450, 3 913 und 4 016 477. In diesen U.S.-Patentschriften sind einige der oben erwähnten Energieverluste in Multivibrator-Wechselrichterschaltungen angesprochen, sowie partielle Lösungen der Probleme vorgeschlagen. Bisher wurden jedoch nicht alle Ursachen für

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Energieverluste erkannt und man vermißt demzufolge auch Lösungsvorschläge, welche sich auf die Eliminierung dieser Energieverluste beziehen und einerseits wirtschaftlich sind und andererseits anwendungsorientiert sind. Bei einigen der bekannten Wechselrichter werden unabhängige Oszillatoren oder Treiberschaltungen verwendet, welche die Gesamtkosten der Wechselrichterschaltung erheblich erhöhen und selbst wiederum den Energieverbrauch steigern.

Ein älterer Vorschlag des Anmelders befaßt sich mit der Lösung der beschriebenen Probleme (deutsche Patentanmeldung P 29 10 908.8) Dabei ist eine sättigbare Induktivität über den Basisemitterübergang eines jeden Transistors geschaltet. Diese Induktivität bildet im Sättigungszustand nahezu einen Kurzschlußpfad für die rasche Evakuierung der Ladungsträger, welche in dem Übergang gespeichert sind. Hierdurch wird ein rasches Ausschalten des jeweiligen Transistors gewährleistet.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte selbstschwingende Gegentakt-Wechselrichterschaltung zu schaffen, welche sowohl äußerst effizient arbeitet als auch wirtschaftlich in der Herstellung ist. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft bei Anwendungen in Verbindung mit üblichen Gleichspannungsquellen von mehr als 50 Volt, z. B. in Verbindung mit gleichgerichteten Spannungen des herkömmlichen Stromversorgungsnetzes.

Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Gegentakt-Wechselrichter zu schaffen, bei dem Energieverluste aufgrund von Gleichtaktleitungen der Schalttransistoren im wesentlichen eliminiert werden.

Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wechselrichter dieses allgemeinen Typs zu schaffen, bei dem Energieverluste in jedem der Transistoren während des Ausschaltübergangs zustandes auf ein Minimum herabgedrückt werden. In dieser Hinsicht ist es wichtig, einen Anstieg der Kollektorspannung

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im wesentlichen zu verhindern, ehe nicht der Transistor vollständig ausgeschaltet ist.

Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wechselrichter zu schaffen, welcher im Sinne einer Minimisierung des Energieverbrauchs wirkt, der darauf zurückzuführen ist, daß ein Transistor eingeschaltet wird, bevor seine Kollektorspannung auf das Minimum reduziert wurde.

Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wechselrichter zu schaffen, welcher eine effiziente Basistreiberschaltung umfaßt, um den Leistungsverbrauch innerhalb eines jeden Transistors während des Leitungszustandes auf ein Minimum herabzudrücken. In dieser Hinsicht sollte die Basistreiberschaltung derart ausgebildet sein, daß sie für den angestrebten Zweck zwar ausreicht, jedoch nicht übermäßig aufwendig ist. Hierdurch soll verhindert werden, daß die Basistreiberschaltungen selbst wiederum eine Ursache für Energieverluste darstellen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegentakt-Wechselrichter gemäß den Ansprüchen gelöst.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters;

Fig. 2 Wellenformdiagramme der Kollektorspannung, der Basisspannung und des KollektorStroms für beide Spalttransistoren in der Schaltung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters für höhere Gleichspannungspotentiale;

Fig. 4 eine Ausbildung des Wechselrichters gemäß Fig. 1 als Vorschaltgerät für Fluoreszenzlampen und

Fig.4A eine schematische Darstellung eines Brückengleichrichters für Verwendung in Verbindung mit der Schaltung gemäß Fig. 4.

Fig. 1 zeigt einen verbesserten hocheffizienten Wechselrichter gemäß vorliegender Erfindung, welcher allgemein mit 10 bezeichnet ist. Dieser umfaßt einen Haupttransformator 11, ein Paar Schalttransistoren 12 und 13 für relativ hohe Leistung, einen sättigbaren Stromtransformator 14 und einen weiteren sättigbaren Stromtransformator 15. Der Haupttransformator 11 umfaßt eine Primärwicklung 11p und eine Sekundärwicklung 11s. Die Sekundärwicklung 11s beaufschlagt zwei Ausgangsanschlüsse 17 und 18 mit einer Hochfrequenz-Wechselspannung. Der Transistor 12 umfaßt eine Basis 12b, einen Kollektor 12c und einen Emitter 12e. Der Transistor 13 umfaßt eine Basis 13b, einen Kollektor 13c und einen Emitter 13e.

Ferner umfaßt der Wechselrichter 1O einen Widerstand 19, einen Kondensator 2O und Dioden 22, 23, 24 und 25. Der Transformator 14 umfaßt Wicklungen 26, 27 und 28, welche auf eine toroidförmigen Nagnetkern 29 gewickelt sind. In ähnlicher Weise umfaßt der Transformator 15

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Wicklungen 30, 31 und 32, welche auf eine toroidförmigen Hagnetkern 33 gewickelt sind. Die Primärwicklung 11p hat einen Mittelabgriff 34, welcher mit einem Anschluß 35 verbunden ist, der wiederum mit einem positiven Anschluß B+ einer Gleichspannungsquelle verbunden ist. In ähnlicher Weise umfaßt die Wicklung 32 des Transformators 15 einen Mittelabgriff 36, welcher mit einem negativen Anschluß 37 (B-) verbunden ist. Der Mittelabgriff 34 des Transformators 11 ist über eine Leitung 38 mit einem Ende des Widerstandes 19 verbunden und das andere Ende des Widerstandes 19 ist über eine Leitung 39 mit der Basis 12b des Transistors 12 verbunden. Die Leitung ist ferner mit einem Ende der Wicklung 28 des Transformators 15 verbunden, sowie mit einer Kathode 22c der Diode 22 und mit einer Anode 24a der Diode 24. Das andere Ende der Wicklung 28 ist über eine Leitung 40 mit der Basis 13b verbunden, sowie mit einer Kathode 23c der Diode 23 und einer Anode 25a der Diode 25. Die beiden Enden der Wicklung 32 des Transformators 15 sind mit Kathoden 24c und 25c verbunden. Der Emitter 12e des Transistors 12 ist über eine Leitung 42 mit einer Anode 22a der Diode 22 verbunden, sowie mit dem Anschluß 37 (B-). In ähnlicher Weise ist der Emitter 13e des Transistors 13 über eine Leitung 43 mit einer Anode 23a der Diode 23 verbunden, sowie mit dem Anschluß 37 (B-).

Ein Ende der Primärwicklung 11p des Transformators 12 ist über eine Leitung 44 mit einem Ende der Wicklung 26 des Transformators 14 verbunden. In ähnlicher Weise ist das andere Ende der Wicklung 11p des Transformators 11 über eine Leitung 45 mit einem Ende der Wicklung 27 des Transformators 14 verbunden. Die anderen Enden der Wicklungen 26 und 27 sind über Leitungen 46 bzw. 47 mit den Wicklungen 30 bzw. 31 des Transformators 15 verbunden. Das andere Ende der Wicklung 30 ist über eine Leitung 48 mit dem Kollektor 12c des Transistors 12 verbunden und das andere Ende der Wicklung 31 ist über eine Leitung 49 mit dem Kollektor 13c des Transistors 13 verbunden. Der Kondensator 20 liegt zwischen den Leitungen

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48 und 49.

Im folgenden soll die Arbeitsweise des Wechselrichters der Fig. 1 in Verbindung mit den Wellenformen der Fig. 2 erläutert werden. Vom Anschluß B+ wird ein positives Startvorspannungssignal über den Widerstand 19 und die Leitung 39 sowie über die Wicklung 28 und die Leitung 40 den Basen 12b bzw. 13b zugeführt. Dieser Vorspannungsstrom bringt den einen oder den anderen Transistor 12 oder 13 in den Leitungszustand. Wenn angenommen wird, daß der Transistor 12 zur Zeit t₁ der leitende Transistor ist, so wird die Basisspannung E, in einen positiven Zustand gebracht und der Kollektorstrom I steigt an. Die Kollektorspannung E ist im wesentlichen Null oder nur geringfügig positiv, während der Transistor 12 leitend ist. Der Strom fließt von B+ über die Wicklung 11p des Haupttransformators und die Leitung 44 durch die Wicklung 26 des Transformators 14 und durch die Wicklung 30 des Transformators 15 sowie durch die Leitung 48, den Kollektor 12c, den Emitter 12e und die Leitung 42 zum Anschluß B-. Der durch die Wicklung 26 fließende Strom erzeugt eine Flußänderung im Kern 29 des Transformators 14. Solange dieser Kern 29 nicht gesättigt ist, bewirkt die Wicklung 28 eine positive Rückkopplung 12b. Der Strompfad von einem Ende der Wicklung 28 verläuft über die Leitung 39, die Basis 12b, den Emitter 12e und die Leitung 42 zum Anschluß B-. Der Rückstrompfad zur Wicklung 28 verläuft vom Anschluß B- über die Leitung 43, die Diode 23 und die Leitung 40 zum anderen Ende der Wicklung 28.

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Zum Zeitpunkt t₂ wird der Kern 29 gesättigt und die positive Rückkopplung zur Basis 12b wird beendet. Die Wicklung 28 bildet nun einen Kurzschluß zwischen den Basen 12b und 13b. Bis zur Sättigung des Kerns 29 bildet der Transformator 14 die überwiegende Rückkopplung zur Basistreiberschaltung. Wenn jedoch der Transformatorkern 29 nicht gesättigt ist, so bildet der Transformator 15 die dominierende RUckkopplungssteuerung. Der Transformator 15 ist derart ausgebildet, daß der Kern 33 nicht durch die gleichen Bedingungen gesättigt wird, welche zur Sättigung des Transformators 14 führen. Die Wicklung 32 des Transformators 15 bildet eine subtraktive Rückkopplung über die Diode 24 zur Basis 12b. Dies impliziert die Umkehr des Basistreiberstroms, sobald der Transformator 14 gesättigt wird. Hierdurch werden die gespeicherten Ladungsträger rasch aus dem Basisemitterübergang des Transistors 12 evakuiert. Sobald der Basisemitterübergang des Transistors 12 von Ladungsträgern befreit ist, beginnt der Strom der Wicklung 32 des Transformators 15 durch die Dioden 22 und 24 und den Mittelabgriff 36 zum Anschluß B- zu fließen.

Es muß betont werden, daß die subtraktive Rückkopplung, welche zur raschen Evakuierung der Ladungsträger aus dem BasisemitterUbergang des Transistors 12 führt, jegliche positive (transiente) Übergangsspannungen an der Basis 13b des entgegengesetzten Transistors 13 verhindert. Der gesättigte Kern 29 des Transformators 14 bildet einen wirksamen Kurzschluß durch die Wicklung 28 zwischen den Basen 12b und 13b, so daß beide negativ bleiben.

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Aufgrund des unidirektionalen subtraktiven Stroms vom Transformator 15 verbleiben beide Basisspannungen auf einer negativen Span» ng,und zwar solange Strom durch die Wicklung 32 des Transformators 15 fließt, d. h., solange der Kollektorstrom I fließt. Dies impliziert daß die Ausschaltverzögerungen der Transistoren 12 und 13, welche beträchtlich sein können, ohne Auswirkungen sind. Der nicht leitende Transistor kann nun einmal nicht eingeschaltet werden, ehe nicht der Stromfluß durch den anderen Transistor unterbrochen wurde.

Der Kondensator 20 zwischen den Kollektoren 12c und 13c beschränkt die Anstiegsgeschwindigkeit der Kollektorspannung E bis zum Zeitpunkt t. nach dem Ausschalten des leitenden Transistors 12. Demzufolge wird der Transistor 12 vollständig ausgeschaltet, bevor seine Kollektorspannung auf einen nennenswerten Pegel ansteigt. Dieses verringert den Leistungsverzehr im Transistor während des Ausschaltübergangs in erheblichem Maße'. Es sollte bemerkt werden, daß der Kondensator 20 auch die Wicklungen 30 und 31 des Transformators 15 überbrückt und einen Pfad für den kontinuierlichen Stromfluß durch die Stromrückkopplungstransformatoren 14 und 15 bildet.

Der Haupttransformator 11 beinhaltet einen gewissen Betrag einer Streuinduktivität. Diese Induktivität führt zu einer Trägheit des Stromflusses, so daß die Kollektorspannung E des Transistors 12, welcher ausgeschaltet wird, auf einen sehr hohen Pegel ansteigen könnte. Die größtmögliche Spannung, welche durch den Kollektor des ausgeschalteten Transistors erreicht wird, kann jedoch nicht mehr als das Zweifache der Größe von B+ betragen. Man erkennt aus der Natur der Schaltung, daß bei einem Anstieg der Kollektorspannung E eines Transistors auf eine Größe von dem Zweifachen von B+ die Spannung des Kollektors des anderen Transistors auf Null fällt. Ferner kann die Kollektorspannung auch deshalb nicht auf einen Wert über dem Zweifachen der Größe von B+ ansteigen, da der andere Transistor 13 in Kombination mit seiner Basis-Emitter-Diode als Klemmdiode wirkt.

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Um die Einschaltverluste völlig zu eliminieren, sollte der ausgeschaltete Transistor nicht eingeschaltet werden, bis seine Kollektorspannung den Wert Null erreicht hat. Genau dies wird durch die Basistreiberstromkreise bei Betrieb der Transformatoren 14 und 15 erreicht.

Die Arbeitsweise des Transistors 13 kann anhand der unteren oder zweiten Gruppe von Wellenformdiagrammen der Fig. 2 erläutert werden. Diese sind im wesentlichen identisch mit der oberen Gruppe von WeIlenformdiagrammen für den Transistor 12. Sie zeigen lediglich eine Zeitverschiebung. Zwischen dem Zeitpunkt t₃ und dem Zeitpunkt t. sinkt die Kollektorspannung E des Transistors 13 auf einen Wert, welcher geringfügig unter Null liegt. Die Rate dieses Abfalls entspricht der Rate des Anstiegs der Kollektorspannung des nun ausgeschalteten Transistors 12. Diese Änderungsrate wird durch die Aufladung des Kondensators 20 beschränkt und sie findet fortgesetzt statt, bis die Klemmwirkung eintritt. Zur Zeit t. beginnt ein negativer Strom I zwischen der Basis 13b und dem Kollektor 13c zu fließen und dieser Strom fließt bis zum Zeitpunkt t_. Der Pfad dieses Stromflusses verläuft vom B—Anschluß über die Diode 23, den Basiskollektorübergang des Transistors 13, die Wicklungen 31 und 27 und die Wicklung 11p des Transformators 11 zum Anschluß B+. Dies führt zu einer Rückspeisung von Energie zur Stromquelle, während dieser Zeitspanne. Der Transistor 13 und die Diode 23 zeigen während dieser Betriebsphase eine Klemmwirkung im Sinne einer Beschränkung der Größe der Spannung des Kollektors 12c des Transistors 12.

Zum Zeitpunkt t- wird die Basis 13b positiv getrieben und der Transistor 13 beginnt in positiver Richtung leitfähig zu werden. Der Pfad für diesen Stromfluß I verläuft vom An-

Schluß B+ über die rechte Hälfte der Wicklung 11p, durch die Wicklungen 27 und 31, den Kollektor 13c und den Emitter 13e zum Anschluß B-. Eine positive Rückkopplung erfolgt von der

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Wicklung 28 des Transformators 14 zur Basis 13b. Der Strom I fließt beständig weiter, bis zum Zeitpunkt t_? kurz nach der Sättigung des Transformators 14 zum Zeitpunkt t, und nun endet die positive Rückkopplung zur Basis 13b. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt die Übernahme durch den Transistor 15 und es erfolgt eine subtraktive Rückkopplung zur Basis 13b, deren Ladungsträger rasch evakuiert werden. Der Transistor 13 wird ausgeschaltet und seine Kollektorspannung beginnt anzusteigen, und zwar bis zum Zeitpunkt t„ wonach ein Betriobszyklus beendet ist.

Die abwechselnde Leitung der Transistoren 12 und 13 bewirkt einen Stromfluß durch die Wicklung 11p des Transformators 11 in entgegengesetzten Richtungen. Dieser abwechselnde Strom in der Wicklung 11p wird in eine Hochfrequenzwechselspannung in der Sekundärwicklung 11s transformiert, welche den Ausgangsanschlüssen 17 und 18 zugeführt wird.

Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Die dort gezeigte Schaltung kann bei gleichen Spannungsgrenzwerten für die Transistoren mit einem höheren Gleichstrompotential betrieben werden als die Schaltung gemäß Fig. 1. Die Prinzipien der Schaltersteuerung sind jedoch im wesentlichen die gleichen. Der Wechselrichter 110 umfaßt einen Haupttransformator 111, Schalttransistoren 112 und 113, einen nicht-sättigbaren Stromtransformator 114 und einen sättigbaren Stromtransformator 115. Die Schaltung 110 umfaßt ferner ein Paar Kondensatoren 116 und 117, welche in Reihe zwischen einem Anschluß 118 (B+) und einem Anschluß 119 (B-) liegen. Die Schaltung 110 umfaßt ferner einen Kondensator 120, einen Widerstand 121 (oder eine andere Einrichtung zur Vorspannung) und Dioden 122 und 123, 124, 125, 126 und 127. Der Transformator 114 umfaßt Wicklungen 130, 131 und 132, welche um einen Toroidkern 133 gewickelt sind. Der Transformator 115 umfaßt Wicklungen 134, 135 und 136, welche um einen Toroidkern 137 gewickelt sind. Der Kollektor des Transistors 112 ist über eine Leitung 140 mit dem Anschluß

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118 (B+) verbunden. Der Emitter des Transistors 112 ist mit dem Kollektor des Transistors 113 über eine Leitung 141 verbunden. Der Emitter des Transistors 113 ist über eine Leitung 142 mit dem Anschluß 119 (B-) verbunden. Die Transistoren 112 und 113 sind zwischen dem B+-Anschluß und dem B—Anschluß effektiv in Reihe geschaltet und ihr Betrieb wird derart durch die Basistreiberschaltung mit den Transformatoren 114 und gesteuert, daß eine Hochfrequenz-Ausgangswechselspannung an der Sekundärwicklung 111s des Transformators 111 erscheint. Die Transistoren 112 und 113 müssen befähigt sein, einer Gleichspannung zu widerstehen, welche gleich B+ ist, während die Transistoren 12 und 13 gemäß Fig. 1 dem zweifachen WerL von B+ widerstehen müssen.

Ein Ende der Primärwicklung 111p des Transformators 111 ist mit einer Verbindungsstelle 145 zwischen den Kondensatoren 116 und 117 verbunden. Das gleiche Ende der Wicklung 1V1 ist mit einem Ende des Widerstandes 121 verbunden. Das andere Ende des Widerstandes 121 ist über eine Leitung 146 mit der Anode der Diode 125 und mit einem Ende der Wicklung 132 des Transformators 114 verbunden. Das andere Ende der Wicklung 132 ist über eine Leitung 147 mit einem Ende der Wicklung 136 des Transformators 115 verbunden, sowie mit der Kathode der Diode 127. Das andere Ende der Wicklung 136 ist über eine Leitung 148 mit der Kathode der Diode 123 und der Basis des Transistors 113 verbunden.

Das andere Ende der Wicklung 111p des Transformators 111 ist über eine Leitung 150 mit einem Ende der Wicklung 131 des Transformators 114 verbunden. Das andere Ende der Wicklung ist über eine Leitung 151 mit einem Ende der Wicklung 135 des Transformators 115 verbunden. Das andere Ende der Wicklung 135 ist mit der Leitung 141 verbunden. Die Leitung 141 ist mit dem Emitter des Transistors 112, dem Kollektor des Transistors 113, der Kathode der Diode 124 und der Anode der Diode 122 und der Anode der Diode 126 und mit einer Seite des Kondensators 120 verbunden. Die andere Seite des Kondensators 120 ist mit dem Anschluß 142 (B-) verbunden. Eine Ende der

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Wicklung 130 des Transformators 114 ist über eine Leitung 155 mit der Basis des Transistors 112, der Kathode des Transistors 122 und einem Ende der Wicklung 134 des Transformators 115 verbunden. Das andere Ende der Wicklung 130 ist mit der Anode der Diode 124 verbunden, und das andere Ende der Wicklung 134 des Transformators 115 ist mit der Kathode der Diode 126 verbunden.

Die Schaltung gemäß Fig. 3 arbeitet folgendermaßen:

Das Gesamtgleichspannungspotential zwischen den Anschlüssen 118 und 119 liegt über die Kondensatoren 116 und 117, wobei die Verbindungsstelle 145 im allgemeinen auf dem halben Wert des Gesamtgleichspannungspotentials liegt. Es muß betont werden, daß die Reihenschaltung der Kondensatoren 116 und 117 ebenso gut auch ein Spannungsteiler eines vergleichbaren Typs sein könnte. Die Kondensatoren 116 und 117 blockieren den Gleichstromfluß, sie erlauben jedoch den Durchtritt eines Wechselstroms. Die Basis des Transistors 113 ist mit einer Gleichspannung vorgespannt, und zwar von der Verbindungsstelle 145 her über den Widerstand 121, die Leitung 146, die Wicklung 132, die Leitung 147, die Wicklung 136 und die Leitung 148. Der Transistor 113 wird in den Leitungszustand gebracht und Strom fließt von dem Übergang 145 durch die Primärwicklung 111p, die Leitung 150 und die Wicklung 131, die Leitung 153, die Wicklung 135 und die Leitung 141 zum Kollektor des Transistors 113 und durch den Emitter des Transistors 113 zum Anschluß B-. Ein Rückkehrpfad ist über den Kondensator 117 mit der Verbindungsstelle 145 verbunden.

Der Strom durch die Wicklung 135 magnetisiert gemeinsam mit dem Effekt der Wicklung 136 den Kern 137 in einer Richtung. Solange bis dieser Kern 137 gesättigt ist, bietet der Transformator 115 eine dominierende positive Rückkopplung durch die Wicklung 136 zur Basis des Transistors 113, so daß der Transistor im Leitungszustand verbleibt. An einem bestimmten Zeitpunkt wird der Kern 137 des Transformators 115 gesättigt und die positive Rückkopplung zur Basis des Transistors 113 verschwindet. An diesem

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Zeitpunkt wird das Ausgangssignal der Wicklung 132 des Transformators 115 bei der Steuerung dominant und führt eine subtraktive Rückkopplung für eine rasche Ladungsträgerbeseitigung aus der Basis des Transistors 113 zu. Der Pfad für diesen Strom verläuft durch die Wicklungen 136 und 132, die Diode 135 und partiell durch die Diode 137 zum Anschluß B- bis die Ladungsträger evakuiert sind. Sodann verläuft der Rückkehrpfad vollständig über die Diode 127. Die Hauptfunktion der Transformatorwicklung 132 besteht darin, die Spannung an der Kathode dieser Diode über beide Rückkopplungszyklen negativ zu halten. Der Transformator 115 sorgt ferner für eine positive Rückkopplung von der Wicklung 134 zur Basis des Transistors 112, wodurch dieser Transistor in den Leitungszustand gebracht wird. In letzterem Falle fließt nun Strom vom Anschluß B+ durch die Leitung 140, den Kollektor des Transistors 112 und den Emitter von 112 zur Leitung 141 und durch die Wicklungen und 131 und die Primärwicklung 111p zum übergang 145. Der Rück kehrpfad zum Anschluß B+ verläuft vom übergang 145 durch den Kondensator 116. Die Richtung des Stromflusses durch die Wicklungen 131 und 111p während dieses Halbzyklus verläuft in der zur oben beschriebenen Richtung umgekehrten Richtung, wenn der Transistor 113 leitend ist, so daß man an der Sekundärwicklung 111f des Transformators 11 eine Ausgangswechselspannung erhält. Die Wicklung 130 des Transformators 115 bietet eine positive Rückkopplung zur Basis des Transistors 112 und hält diesen im Leitungszustand. Wenn der Kern 137 gesättigt wird, so hört diese Rückkopplung auf. Der Transformator 114, welcher nicht gesättigt ist, bietet nun eine subtraktive Rückkopplung und erzwingt die Evakuierung der Ladungsträger aus der Basis des Transistors 112 durch die Wicklung 130 und die Diode 124 zur Emitterverbindung 141. Wenn der Transistor 112 abgeschaltet wird, so wird der Transistor 113 durch ein von der Wicklung 136 kommendes Signal wie oben beschrieben in den Leitungszustand getriggert.

Die Schaltung 110 stellt somit ein wirksames Mittel zur Steuerung der Leitung der Transistoren 112 und 113 dar und man erhält eine Hochfrequenzausgangswechselspannung an der

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Sekundärwicklung 111s des Transformators 111. Der sequentielle Betrieb des sättigbaren Transformators 111 und des nichtsättigbaren Transformators 114 stellt sicher, daß der nichtleitende Transistor 111 oder 113 nicht eingeschaltet wird, bis der leitende Transistor vollständig ausgeschaltet ist. Der Kondensator 120, welcher über den Kollektor-Emitter-Übergang des Transistors 113 geschaltet ist, beschränkt die Ansti« jsgeschwindigkeit der Spannung am Kollektor des Transistors 113 während dieses übergangsstadiums.

Wenn der Transistor 113 ausgeschaltet wird, so beginnt die Spannung am Kollektor zu steigen , und zwar aufgrund des Stromflusses von der Verbindungsstelle 145 durch die Transformatorwicklung 111p zur Wicklung 135. Aufgrund des Trägheitseffektes der Streuinduktivität des Transformators 111 steigt die Kollektorspannung weiter an, bis ein Klemmeffekt eintritt. Nun ist der Strompfad vom Kollektor des Transistors 113 über die Diode 122 und den Basis-Kollektor-Ubergang des Transistors 112 zum Anschluß B+ hergestellt. Dieser negative Strom fließt bis die in der Streuinduktivität des Transformators 111 gespeicherte Energie entladen ist und zur Stromquelle zurückgekehrt ist. Dieser Strom versetzt den Transistor 112 in einen Zustand, in dem er während einer kurzen Zeitdauer in positiver Richtung leiten kann.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 kann man billige und leicht erhältliche Transistoren verwenden, und mit diesen Transistoren kann man bei B+-Spannungen bis zu 300 Volt arbeiten. Bei der Schaltung gemäß Fig. 3 sind Spannungen bis zu 600 Volt zulässig. Dies entspricht einer mittleren Spannung (Wurzel des Mittelwertes des Quadrats der Spannung) der Stromversorgungsleitung von bis zu 420 Volt, wenn die Spannung der Stromversorgungsleitung direkt gleichgerichtet wird und als B+-Versorgungsspannung dient.

Im folgenden soll auf Fig. 4 Bezug genommen werden, welche eine ähnliche Schaltung zeigt, wie Fig. 1, jedoch unter spezieller

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Anwendung als Vorschaltgerät für zwei 40 Watt-Fluoreszenzlampen 201 und 202. Die Schaltung 210 umfaßt einen Transformator 211 mit einer Primärwicklung 211p. Die Sekundärwicklungen 203, 204 und 205 sind für die Filamente der Lampen 201 und 202 vorgesehen. Eine Spule 206 für die Strombegrenzung liegt in Reihe zu den Lampen 201 und 202 über die Primärwicklung 211p.

Die Schaltung 210 umfaßt feiner Schalttransistoren 212 und 213, einen sättigbaren Transformator 214, einen nicht-sättigbaren Transformator 215, einen Widerstand 219 und einen Kondensator 220. Die Schaltung 210 umfaßt ferner Dioden 222, 223, 224 und 225. Der Transformator 214 umfaßt Wicklungen 226, 227 und 228, auf einem Toroidmagnetkern 229. In ähnlicher Weise umfaßt der Transformator 215 Wicklungen 230, 231 und 232 auf einem Toroidmagnetkern 233. Ein Mittelabgriff 235 der Primärwicklung 211p des Haupttransformators 211 ist mit dem B+-Anschluß verbunden. Ein Mittelabgriff 237 der Wicklung 232 des Transformators 215 ist mit dem B--Anschluß verbunden.

Gemäß Fig. 4A kann man aus einer üblichen Wechselstromquelle eine gleichgerichtete Versorgungsgleichspannung gewinnen. Ein Paar Wechselstromanschlüsse 250 und 251 können mit einer üblichen 120 Volt-60 Hz-Wechselstromquelle über eine Brücke 252 verbunden sein. Die Brücke 252 umfaßt vier Dioden 253, 254, 255 und 256 in der gezeigten Schaltung. Ein Elektrolytkondensator 257 kann über den Ausgang der Brücke 252 geschaltet sein und bietet eine gefilterte Gleichspannung für die Anschlüsse B+ und B-. Die Komponenten der Schaltung 210 können z. B. durch die in der nachstehenden Tabelle angegebenen Werte und Typendaten charakterisiert sein.

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Tabelle I

Lampen 201 und 202 Spule 206 Transformator 211 Transistoren 212 und 213 Widerstand 219 Kondensator 220 Dioden 222-225 Kern 229
Kern 233

40 W R.S. Fluoreszenz F41814 Topfkern F42213 Topfkerne FT49

67 kn.

1200 pF.

IN 4001 W4O4O1 TC W4O4O2 TC

Das Vorschaltgerät gemäß Fig. 4 mit den angegebenen Komponenten ist äußerst effizient sowie von geringem Gewicht, kompaktem Aufbau und kleinen Abmessungen. Dieses Vorschaltgerät kann ein Zehntel oder weniger des Gesamtgewichtes eines herkömmlichen Vorschaltgerätes haben und nur ein Sechstel oder ein geringeres Volumen im Vergleich zum herkömmlichen Vorschaltgerät einnehmen. Die Schaltung 210 arbeitet in im wesentlichen gleicher Weise wie die Wechselrichterschaltung gemäß Fig. 1, außer daß ein relativ hoch-frequentes Wechselstromausgangssignal direkt an der Primärwicklung des Haupttransformators anstelle der Sekundärwicklung gebildet wird.

Vorstehend wurden die bevorzugten Ausführungsformen anhand von NPN-Schalttransistoren beschrieben. Es muß jedoch bemerkt werden, daß die Schaltung ebenso mit PNP-Transistören verwirklicht werden kann.

Der Ausdruck "Streuinduktivität" bezeichnet eine effektive Nebenschluß- oder Parallelinduktivität, wie sie typischerweise erhalten wird, wenn im magnetischen Pfad des Transformators ein Luftspalt vorgesehen ist. Der Ausdruck Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung bezeichnet einen Zustand, in dem ein adäquater Basisstrom vorliegt, welcher dem Kollektorstrom entspricht, derart, daß ein zusätzlicher Basisstrom die

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Kollektor-Emitter-Spannung im wesentlichen nicht verringert. Die Kollektor-Spannung, welche oben angegeben wurde, wird jeweils in Bezug auf den Emitter gemessen.

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Claims (36)

Patentansprüche

1.J Wechselrichterschaltung mit einem mit einer Last rbundenen Ausgang und mit einem Paar Schalttransistoren mit Basis-Emitter-Übergängen zur Umwandlung einer Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle mit positiven und negativen Anschlüssen in eine Ausgangswechselspannung, gekennzeichnet durch

eine erste Treiberschaltung (14,28,29,39,40) zwischen den Basis-Emitter-Ubergängen der Transistoren (12,13) zur Beaufschlagung derselben mit intermittierenden positiven Rückkopplungssignalen zur alternierenden Einschaltung der Transistoren (12,13); und

eine zweite Treiberschaltung (15,32,33,24,25) zwischen den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren (12,13) zur Beaufschlagung mit intermittierenden subtraktiven RückkopplungsSignalen zur raschen Ausschaltung eines leitenden Transistors (12 oder 13), so daß ein alternierender Strom durch die Last (17,18) fließt.

2. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Treiberschaltung einen sättigbaren Stromtransformator (14) mit einem Magnetkern (29) umfaßt.

3. Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromtransformator (14) ein positives Rückkopplungssignal abgibt, bis der Kern (29) gesättigt wird.

4. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Treiberschaltung einen nicht sättigbaren Stromtransformator (15) umfaßt.

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ORIGINAL INSPECTED

5. Wechselrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht-sättigbare Transformator (15) ein subtraktives Rückkopplungssignal abgibt, nachdem der Kern (29) der ersten Treiberschaltung gesättigt ist.

6. Wechselrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromtransformator (14) der ersten Treiberschaltung mit dem Basis-Emitter-Übergang eines jeden Transistors (12,13) verbunden ist; und daß der Stromtransformator (15) der zweiten Treiberschaltung ebenfalls mit einem Basis-Emitter-Übergang eines jeden der Transistoren (12,13) verbunden ist.

7. Wechselrichter nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Ausgangsleistungstransformator (11) mit einer Wicklung (11p), deren Mittelabgriff (34) mit dem positiven Anschluß (35) der Gleichstromquelle verbunden ist, deren negativer Anschluß (37) mit einem Mittelabgriff (36) einer Wicklung (32) des zweiten Stromtransformators (15) verbunden ist.

8. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung selbst-oszillierend ist und den Leitungszustand der Schalttransistoren (12,13) steuert.

9. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Schalttransistoren (12,13) einen Kollektor (12c,13c) aufweist, und daß ein Kondensator (20) zwischen den Kollektoren (12c,13c) liegt.

10. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsleistungstransformator (11) eine Nebenschlußstreuinduktivitat aufweist und

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daß der Ausgangsleistungstransformator (11) mit den Kollektoren (12c,13c) der Transistoren (12,13) verbunden ist.

11. Wechselrichter, welcher mit einer Last verbunden ist und ein Paar Schalttransistoren (112,113) aufweist, die in Reihe über eine Gleichspannungsquelle (118,119) geschaltet sind, wobei Jeder Transistor (112,113) einen Basis-Emitter-Übergang aufweist und die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle in einer Ausgangswechselspannung umwandelt, gekennzeichnet durch

eine erste Treiberschaltung (115,123,126) zwischen den Basis-Emitter-Ubergängen der Transistoren (112,113) zur Beaufschlagung derselben mit intermittierenden positiven Ruckkopplungssignalen zur Bewirkung einer alternierenden Leitfähigkeit der Transistoren (112,13), und

eine zweite Treiberschaltung (114,125,127,'122,124) zwischen den Basis-Emitter-Ubergängen der Transistoren (112,113) zur Beaufschlagung derselben mit einem intermittierenden subtraktiven Rückkopplungssignal zum raschen Löschen des jeweils leitfähigen Transistors (112,113), wobei ein Wechselstrom der Last zugeführt wird.

12. Wechselrichter nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen Spannungsteiler (116,117) zwiechen der Gleichspannungsquelle (118,119) zur Beaufschlagung der Treiberschaltungen mit einer geteilten Gleichspannung.

13. Wechselrichter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungstreiber aus einer Reihenschaltung von mindestens zwei Kondensatoren (116 und 117) besteht.

14. Wechselrichter nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Ausgangsleistungstransformator (111) zwischen den Transistoren (112,113) und dem Spannungsteiler (116,

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117) zur Zufuhr einer Ausgangswechselspannung zur Last durch alternierende Leitfähigkeit der Transistoren (112, 113).

15. Wechselrichter mit einem Paar alternierend leitfähiger Schalttransistoren, deren jeder einen Kollektor und einen Basis-Emitter-Ubergang aufweist und eine unidirektionale Eingangsspannung in eine Ausgangswechselspannung umwandelt, gekennzeichnet durch

eine Treibersteuereinrichtung zur Beaufschlagung der Basis-Emitter-Übergänge der beiden Transistoren mit einer subtraktiven Vorspannung während der Perioden, in denen die Kollektoremitterspannungen signifikant größer sind als die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannungen der Transistoren.

16. Wechselrichter nach Anspruch 15, gekennzeichnet dir ch einen Ausgangstransformator zwischen den Kollektoren der Transistoren mit einer signifikanten Nebenschlußstreuinduktivität zur Erzeugung großer Spannungsschwingungen an den Kollektoren der Transistoren.

17. Wechselrichter nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Kondensator, welcher parallel zu dem Transformator geschaltet ist und die Rate des Spannungsanstiegs und Spannungsabfalls an den Kollektoren der Transistoren begrenzt.

18. Wechselrichter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibersteuereinrichtung eine positive Rückkopplungseinrichtung umfaßt, so daß die Wechselrichterschaltung selbst-oszillierend ist.

19. Wechselrichter nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Rückkopplungseinrichtung einen

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sättigbaren Transformator umfaßt, welcher zwischen dem Ausgangstransformator und den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren liegt.

20. Wechselrichter nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß der sättigbare Transformator ein Stromtransformator ist.

21. Wechselrichter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die subtraktive Vorspannung durch einen nicht-sättigbaren Stromtransformator herbeigeführt wird.

22. Wechselrichter mit einem Paar alternierend leitender Schalttransistoren, deren jeder einen Kollektor, eine Basis und einen Emitter aufweist, zur Umwandlung einer unidirektionalen Eingangsspannung in eine Ausgangswechselspannung, wobei jeder Transistor eine zyklische Emitter-Kollektor-Spannungswellenform mit vier wohl unterschiedenen Perioden innerhalb eines jeden Zyklus aufweist, nämlich eine Periode mit niedriger und im wesentlichen konstanter Spannung, eine Periode mit rasch ansteigender Spannung, eine Periode mit hoher und im wesentlichen konstanter Spannung und eine Periode mit rasch abfallender Spannung, gekennzeichnet durch eine Treibersteuereinrichtung, welche mit dem Basis-Emitterübergang eines jeden Transistors verbunden ist und einen jeden der Transistoren während aller Perioden unter Sperrvorspannung hält, mit Ausnahme der Periode, in der die Spannung niedrig und im wesentlichen konstant ist.

23. Wechselrichter nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung den Basls-Emitter-Ubergang in Durchlaßrichtung vorspannt, während die Spannung niedrig und im wesentlichen konstant ist.

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24. Elektrischer Wechselrichter mit einem Paar alternierend leitender Schalttransistoren, deren jeder einen Basis-Emitter-Übergang und einen Kollektor-Emitter-Übergang aufweist, zur Umwandlung einer unidirektionalen Eingangsspannung in eine Ausgangswechselspannung, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Sperrvorspannungsbeaufschlagung des Basis-Emitter-Übergangs eines jeden Transistors und zur Aufrechterhaltung einer Sperrvorspannung eines jeden Transistors, solange dessen Kollektor-Emitter- Spannung wesentlich größer ist als die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung.

25. Wechselrichter mit zwei alternierend leitenden Schalttransistoren, deren jeder einen Kollektor und einen Basis-Eraitter-Übergang aufweist, zur Umwandlung einer unidirektionalen Eingangsspannung in eine zyklische, trapezförmige Ausgangswechselspannung, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, welche mit den Transistoren verbunden ist und einen alternierenden periodischen Leitungszustand derselben herbeiführt, wobei die Steuereinrichtung dem Basis-Emitter-Übergang eines jeden Transistors ein Steuersignal zuführt, welches im Sinne einer Einschaltmg des Transistors wirkt, nachdem dessen Kollektorspannung im wesentlichen auf deren niedrigsten Pegel abgefallen ist, bevor die Beaufschlagung im Steuersignal erfolgt.

26. Wechselrichter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Transistor ausschaltet durch Umkehrung des dem Basis-Emitter-Übergang zugeführten Steuersignals.

27. Wechselrichter nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Emitter-Übergang im Leitungszustand gespeicherte Ladungsträger enthält und daß die Steu-

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ereinrichtung den Transistor durch erzwungene Evakuierung der Ladungsträger aus dem Basis-Emitter-Ubergang ausschaltet.

28. Wechselrichter nach Anspruch 25» dadurch gekennzeichnet, daß die Treibersteuereinrichtung einen Stromrückkopplungstransformator mit mindestens einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung zur Zufuhr der Steuersignale aufweist.

29. Wechselrichter nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch einen Ausgangsleistungstransformator mit einer Nebenschlußstreuinduktivität zur Abgabe einer Ausgangswechselspannung und einen zwischen den Kollektoren der Transistoren geschalteten Kondensator, wobei die Primärwicklung des Stromrückkopplungstransformators zwischen dem Ausgangstransformator und dem Kondensator liegt.

30. Wechselrichter nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangstransformator ausreichende induktive Energie in seiner Streuinduktivität speichert, so daß die Spannung am Kollektor eines ersten, nichtleitend ρπ Transistors auf einen Pegel steigt, welcher doppelt so hoch ist wie die unidirektionale Eingangsspannung.

31. Wechselrichter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung selbst-oszillierend ist.

32. Wechselrichter nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch eine Nebenschlußdiode, welche über den Basis-Emitter-Übergang eines jeden Transistors geschaltet ist.

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33· Wechselrichter nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch eine erste Diode, welche den Basis-Emitter-Ubergang eines ersten der Transistoren überbrückt und als Klemmdiode wirkt und den Spannungsanstieg am Kollektor des zweiten der Transistoren auf das Zweifache der Größe der unidirektionalen Eingangsspannung beschränkt.

34. Wechselrichter nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch eine Nebenschlußdiode über den Kollektor-Emitter-Anschlüssen eines jeden Transistors.

35. Gegentakt-Wechselrichter mit einem Paar alternierend leitender Schalttransistoren, deren jeder ein Steuereingangselement aufweist und eine unidirektionale Eingangsspannung in eine Ausgangswechselspannung umwandelt, gekennzeichnet durch eine erste Treiberschaltung mit einer sättigbaren Stromrückkopplungseinrichtung zur Beaufschlagung des Steuereingangselements eines jeden Transistors mit Steuersignalen einer ersten Polarität,und eine zweite Treiberschaltung mit einer nicht-sättigbaren Stromrückkopplungseinrichtung zur Beaufschlagung des Steuereingangselements eines jeden Transistors mit subtraktiven Steuersignalen einer anderen Polarität, welche der ersten Polarität entgegengesetzt ist, und zwar nachdem die erste sättigbare RUckkopplungseinrichtung in den gesättigten Zustand übergegangen ist, so daß der leitende Transistor rasch und wirksam ausgeschaltet wird.

36. Wechselrichter mit einem Paar Schalttransistoren, deren jeder ein Steuereingangselement aufweist und eine unidirektionale Eingangsspannung einer Stromquelle mit einem Paar Eingangsanschlüssen in eine Ausgangswechselspannung umwandelt, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung von zwei Transistoren zwischen den beiden Ein-

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J.

gangsanschlüssen; eine erste sättigbare RUckkopplungseinrJchtung, welche mit den Steuereingangselementen der
Transistoren verbunden ist und diese mit positiven Steuersignalen beaufschlagt; und eine zweite, nicht-sättigbare
Rückkopplungseinrichtung, welche ebenfalls mit den Steuereingangselementen der Transistoren verbunden ist und diese mit subtraktiven Steuersignalen zu alternierenden Ausschaltungen der Transistoren beaufschlagt.

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