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Transformatorkern für einen Gegentaktsättigungsumrichter
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Die Erfindung betrifft einen Gegentaktsättigungsumrichter mit zwei
im Primärkreis angeordneten, periodisch schaltenden Halbleiterschaltelementen unter
Verwendung eines Übertragers mit einem Transformatorenkern, bei dem die Ubertragerwicklungen
auf einem Mittelschenkel des Transformatorenkernes angeordnet sind.
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In Schaltumrichtern wird die Umwandlung einer Gleichspannung in eine
oder mehrere galvanisch getrennte Gleichspannungen durchgeführt. Dabei wird die
Eingangsgleichspannung durch schnellschaltende Transistoren in eine Rechteckspannung
im kHz-Bereich umgeformt und mit Hilfe eines Transformators übersetzt. Der Transformator
dient zur galvanischen Trennung von Ausgangs- und Eingangskreisen und bei Sperrwandlern
auch zur Energiespeicherung. Um die benötigte Ausgangsgleichspannung zu erhalten,
wird die Sekundärspannung des Transformators gleichgerichtet und gefiltert.
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Ein Schaltumrichter mit besonders geringem Innenwiderstand und großem
Wirkungsgrad ist der Gegentaktsättigungsumrichter. Er besteht im allgemeinen aus
dem eigentlichen Transformator mit Primär- und Sekundärwicklung, wobei primärseitig
der Gegentaktsättigungsumrichter über zwei Schalttransistoren angesteuert wird.
Die Schalttransistoren selbst sind dabei über ihre Steuereingänge mit -einer gemeinsamen
Basiswicklung im Primärkreis des Übertragers verknüpft. Die Funktion eines derartigen
Gegentaktsättigungsumrichters ist wie folgt. Ausgehend von
einer
Eingangs spannung wird über die Basiswicklung der höherverstärkende Transistor durchgeschaltet
und bleibt über den durch die Basiswicklung eingeprägten Basisstrom solange leitend,
bis der Übertrager selbst in Sättigung geht und der nun durch das Absinken der Induktivität
rasch ansteigende Kollektorstrom so hoch wird, daß der Basissteuerstrom den Transistor
nicht mehr in der Sättigung halten kann und sich die Spannung am Übertrager durch
die abnehmende magnetische Induktion umpolt. Dadurch wird gleichzeitig die Basisspannung
am ersten Transistor negativ und der zweite Transistor wird leitend, bis nach erneuter
Sättigung des Übertragers wiederum eine Umschaltung auf den ersten Transistor bewirkt
wird.
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Gegentaktsättigungsumrichter haben einen Stromflußwinkel von fast
3600 und somit geringe Innenwiderstände. Die erreichbare Ausgangsleistung entspricht
denen fremdgesteuerter Gegentaktumrichter, da auch hier der Übertrager in beiden
Richtungen magnetisiert wird und sich damit eine große Induktionsänderung ergibt.
Bei konstanter Eingangsspannung erhält man in einem weiten Lastbereich weitgehend
konstante Ausgangsspannungen. Werden mehrere Ausgangsspannungen benötigt, so können
diese über entsprechende Sekundärwicklungen in Verbindung mit Gleichrichtern ohne
weiteren Aufwand entnommen werden. Ein besonderer Schaltungsaufwand, wie bei sonstigen
Schaltumrichtern für die Ansteuerung der Schalttransistoren entfällt.
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Trotz dieser Vorteile und der günstigen aufwandarmen Realisierung,
ist der Anwendungsbereich der Sättigungsumrichter auf die Übertragung kleiner Leistungen
bei geringem Wirkungsgrad beschränkt. Eine wesentliche Ursache dafür sind die Ummagnetisierungsverluste
im Übertrager; da der Übertragerkern voll ausgesteuert wird, ergeben sich elektromagnetische
Abstrahlungen, die die Funk-Entstörung erschweren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gegentaktsättigungsumrichter in
einfacher Weise so zu verändern, daß sich die Ummagnetisierungsverluste im Ubertrager
reduzieren.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Mittelschenkel
mindestens eine den Querschnitt des Mittelschenkels verengende kerbartige Ausformung
aufweist.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht
der Transformatorkern aus zwei E-förmigen, stumpf aufeinander stoßenden Einzelelementen,
wobei mindestens ein Einzelelement im Bereich der Vorderkante des Mittelschenkels
einen Anschliff aufweist.
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Durch den Anschliff des Kernes und die damit erzeugte gewollte Schwachstelle
im Mittelschenkel, reduzieren sich die Ummagnetisierungsverluste im Übertrager wesentlich.
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Damit wird gleichzeitig die elektromagnetische Abstrahlung herabgesetzt.
Durch geeigneten Anschliff des Kernes kann außerdem die Arbeitsfrequenz des Umrichters
in weiten Grenzen variiert werden, da der verbleibende luftspaltlose Querschnitt
annähernd proportional dem reziproken Wert der Schaltfrequenz ist. Damit wird insgesamt
der Wirkungsgrad des Sättigungsumrichters wesentlich erhöht und die erheblich verringerten
Leerlaufverluste ergeben zudem einen wesentlich höheren Teillastwirkungsgrad.
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Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden beispielsweise näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Gegentaktsättigungsumrichters
und Fig. 2 eine schematische Darstellung des Transformatorenkernes.
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Der in der Fig. 1 dargestellte Gegentaktsättigungsumrichter besteht
aus dem eigentlichen Übertrager TR, der über zwei Schalttransistoren T1, T2 angesteuert
wird. Die beiden Schalttransistoren T1 und T2 sind mit ihrer Basis über eine Basiswicklung
BW des Primärkreises des Übertragers TR miteinander verknüpft. Die Funktion eines
derartigen Gegentaktsättigungsumrichters ist wie folgt.
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Ausgehend von einer an einem Glättungskondensator C anliegenden Eingangsspannung
UE wird über einen Widerstand R1 in Verbindung mit der Basiswicklung BW Strom zu
den Steuereingängen der Transistoren T1 und T2 eingeprägt.
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Der höherverstärkende Transistor, in diesem Falle der Transistor T1,
schaltet durch und bleibt über den durch die Basiswicklung BW und den Widerstand
R2 eingeprägten Basistrom solange leitend, bis der Übertrager in die Sättigung geht
und der nun durch das Absinken der Induktivität rasch ansteigende Kollektorstrom
so hoch wird, daß der Basissteuerstrom den Transistor nicht mehr in der Sättigung
halten kann und sich die Spannung am Ubertrager durch die abnehmende magnetische
Induktion umpolt.
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Dadurch wird gleichzeitig die Basisspannung am Transistor T1 negativ
und der Transistor T2 leitend. Nach der erneuten Sättigung des Übertragers erfolgt
eine Wiederholung dieses Vorganges mit einer erneuten Umschaltung auf den Transistor
Tl.
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Bei durchgeschaltetem Transistor T1 ist gleichzeitig eine cm Ausgang
der Sekundärwicklung SW liegende Diode D1 leitend und gibt Energie an den Ausgang
UA mit dem Glättungskondensator C2 ab. Das gleiche gilt für die am anderen Wicklungsausgang
der Sekundärwicklung SW liegenden Diode D2. Sie gibt Energie an den Ausgang A dann
ab, wenn dr Transistor T2 leitend ist. Aus Gründen der Leistungsersparnis wird im
allgemeinen im Betrieb der Widerstand R1 abgeschaltet. Zusätzlich zu dem dargestellten
Ausgang ist es noch möglich, mehrere Ausgänge entsprechend-der gestrichelten Darstellung
parallel zu schalten.
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Ein wesentliches Problem derartiger Gegentaktsättigungsumrichter bilden
nun die Ummagnetisierungsverluste im Übertrager und die Abschaltverluste der Schalttransistoren
T1 und T2.
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Durch die Verwendung des in der Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen
Transformatorkernes können diese Ummagnetisierungsverluste wesentlich reduziert
werden. Der in der Fig. 4 dargestellte Transformatorkern K besteht aus zwei E-förmigen
Einzelelementen, die in bekannter Weise aus weichmagnetischem Material, z.B. Ferrit,
bestehen.
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Der Mittelschenkel MS ist nun mit einem schrägen Anschliff SA versehen,
der in dem die Wicklungen des Übertragers tragenden Mittelschenkel MS eine gewollte
Schwachstelle erzeugt. Durch Veränderung des Anschliffes FA ist es möglich, die
Arbeitsfrequenz des Umrichters in weiten Grenzen zu variieren, da der verbleibende
luftspaltlose Querschnitt des Mittelschenkels MS annähernd proportional dem reziproken
Wert der Schaltfrequenz ist.
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Da der Kern nur an der gewollten Schwachstelle im Mittelschenkel MS
voll ausgesteuert wird, reduzieren sich die Ummagnetisierungsverluste im Ubertrager
stark. Der geschwächte Teil des Ubertragermittelschenkels geht dabei
zuerst
in Sättigung. Der Magnetisierungsstrom im Ubertrager steigt verhältnismäßig langsam
an, da durch die gescherte Permeabilität der Induktivitätsabfall im Ubertrager langsam
vor sich geht. Durch das langsame Ansteigen des Magnetisierungsstromes zu Beginn
der Ubertragersättigung, treten an den Transistoren T1 und T2 nur geringe Abschaltverluste
auf, da der Kollektorstrom im Abschaltmoment nur ca 10- bis 3096 höher ist als der
Arbeitsstrom, während ohne Schenkelanschliff 5 bis 10 mal höhere Kollektorströme
geschaltet werden müssen, was zu hohen Verlusten führt.
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2 Figuren 2 Patentansprüche
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