DE3333759C2

DE3333759C2 -

Info

Publication number: DE3333759C2
Application number: DE3333759A
Authority: DE
Inventors: Hermann 8909 Aletshausen De Briechle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-09-19
Filing date: 1983-09-19
Publication date: 1992-03-26
Also published as: DE3333759A1

Description

Schaltsystem mit einem Steuerteil zum Ansteuern eines Spannungswandlers eines von einem Akkumulator betriebenen Ersatzstromerzeugers mit dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Es ist ein solches leerlaufverlustminderndes Schaltsystem aus dem Bereich der unterbrechungsfreien Ersatzstromversorgungen bekannt (DE 29 52 197 A1). Diese Schaltung geht ebenfalls von einem elektronischen Wechselrichter aus, der hier aber von einer Störung im Stromnetz abhängig, aus einem synchronen Mitlauf bei reduzierter Spannung heraus, hochgefahren wird. Da das Netz zur Nachladung des Akkus hier ständig vorhanden ist, kann der Leerlaufverbrauch noch um Größenordnungen über der Selbstentladung liegen. Der beschriebene Wechselrichter ist mit Thyristoren und Kommutierungskondensatoren aufgebaut. Der Aufladestrom dieser Kondensatoren ist im Leerlauf der mit Abstand größte Stromverbraucher des Wechselrichters. Im Unterschied zu dieser bekannten Anordnung wird der mit der Erfindung realisierte Wechselrichter mit bipolaren oder Metalloxid-Schicht-Leistungstransistoren betrieben. Der Hauptverlust im Leerlauf ist dann überwiegend durch die Ummagnetisierung des Leistungstransformators und dem Verlust durch die nachgeschalteten Siebelemente gegeben. Damit allein und mit der bekannten Anordnung kommt man jedoch bestenfalls auf einen Leerlaufstrom, der um etwa den Faktor 10 reduziert ist, aber immer noch um den Faktor 100 über dem Selbstentladestrom des Akkumulators liegt.

Ebenfalls aus dem Bereich der unterbrechungsfreien Ersatzstromversorgung ist ein weiteres System bekannt (DE 24 62 122 B2). Auch hier versorgt ein elektronischer Wechselrichter aus einem Akkumulator einen Verbraucher. Der Wechselrichter-Start erfolgt jedoch wieder in Abhängigkeit von einem Spannungseinbruch des parallelen Stromnetzes, wobei auf eine Stromschiene wechselweise entweder das Netz oder der Ersatzstromerzeuger geschaltet wird. Ein dem Wechselrichter nachgeschaltetes Oberwellenfilter wird dabei zusätzlich als Speicherelement zur Überbrückung von kurzen Netzeinbrüchen und dem Umschaltvorgang herangezogen. Die Umschaltinformation für den Filter wird mittels Spannungssensoren und einer Komparator-Logik gewonnen.

Beide genannte Systeme der unterbrechungsfreien Wechselspannungsversorgung lassen sich aber nich derart anwenden, die Eigen- bzw. Leerlaufstromaufnahme unter den Selbstentladestrom des Akkus zu bringen, da die Schaltvorgänge immer nur in Abhängigkeit von einem Spannungseinbruch eines parallel vorhandenen Netzes erfolgen und beide Systeme auf absolute Unterbrechungsfreiheit optimiert sind. Der hauptsächliche Zweck besteht dabei im phasengleichen Start des Wandlers zum parallelen Netz. Eine reine Absenkung der Leerlaufamplitude nach Anordnung (DE 29 52 197 A1) allein führt noch nicht dazu die Eigen- bzw. Leerlaufstromaufnahme unter den Selbstentladestrom des Akkus zu bringen, da in jedem Fall die Ummagnetisierung des Leistungstransformators mit der zu erzeugenden Frequenz zu einem Leerlaufstrom führt, der noch um den Faktor 10 bis 100 über der Selbstentladung des Versorgungsakkus liegt.

Aus dem Bereich von Gleichspannungswandlern ist eine Pulsbreitenmodulation bekannt (DE 31 18 909 C2). Bei dieser Anordnung ist das Ziel die Aufladung eines Ausgangskondensators und die Haltung einer möglichst konstanten Gleichspannung unabhängig von der Belastung. Im Leerlauf führt die beschriebene Anordnung durch einen geschlossenen Regelkreis zur sporadischen Erzeugung von Nadelimpulsen, deren Dauer von der Schnelligkeit des Systems und dessen Wirkungsgrad, und deren zeitlicher Abstand vom Verlust der Ausgangskondensatoren und dem Querstrom der Spannungsmeßeinrichtung abhängig ist. Diese Technologie ist allgemein üblich, um ein statisches Gleichspannungspotential zu halten. Dieses Verfahren löst jedoch das Problem der verlustarmen Bereitstellung von Wechselspannung nicht, da der Verlust bei der Wechselstromerzeugung in den Transformations- und Siebeinrichtungen an sich entsteht und ebenfalls um den Faktor 100 über dem Verlust einer bereitgehaltenen Gleichspannung liegt. Ein Gleichspannungspotential ist aber für die Bereitstellung von Wechselspannung nicht zweckdienlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schaltsystem der eingangs erwähnten Art zu entwickeln, das funktionssicher und automatisch den Spannungswandler aus- und einschaltet und dessen Eigen- bzw. Leerlaufstromaufnahme deutlich unter dem Selbstentladestrom des Akkumulators liegt, und das selbst bei angeschlossenen Leistungen von wenigen Watt zuverlässig schaltet.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung mit dem im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs beschriebenen Merkmalen gelöst. Wird an den Spannungswandler zusätzlich die Forderung nach Fremdschwingungsfreiheit der Ausgangsspannung gestellt, kann dies mit einer Anordnung verwirklicht werden, wie sie im Anspruch 2 angegeben ist. Wird im Spannungswandler ein Transformator mit relativ großen Eisenkernen verwendet, so kann die Schaltung mit einer Entmagnetisierung des Eisenkerns nach Anspruch 3 ergänzt werden, um die bestmögliche Absenkung der Eigenstromaufnahme bei gleichzeitig höchster Startempfindlichkeit zu erreichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Ausgegangen wird von einem Wandler mit einer Leistung von 600 Volt-Ampère. Die Form der Ausgangsspannung ist rechteckig mit gesteuerter Tastlücke.

Der Impulsgenerator 1 wird mit einem integrierten Zeitgeber-Schaltkreis in Metall-Oxid-Schicht Technologie verwirklicht. Er wird so beschaltet, daß er einen Rechteckimpuls von etwa 250 Mikrosekunden Dauer und Pausenzeiten von etwa 0,5 Sekunden liefert. Diese Nadelimpulse werden verstärkt der Hochstrom-Schaltstufe 2 des Wandlers 2, 3 zugeführt. Die Stufe 2 legt dann eine Seite der Gegentaktwicklung des Leistungstransformators für die Dauer der Impulse an die Stromquelle. Das Impulssignal wird somit galvanisch getrennt ständig in den Ausgangskreis eingekoppelt.

Dort ist nun ein Steuertransformator 4 so eingeschaltet, daß er immer dann Steuerimpulse induziert, wenn eine Last den Wandler-Ausgangskreis schließt. Die Primärwicklung des Steuertransformators 4 ist durch zwei gegenparallel geschaltete Dioden 11 vor Überspannung geschützt. Als Steuertransformator 4 kann dann ein Kleintransformator mit 1,5 Volt-Ampère Leistung und 220/24 Volt Nennspannung verwendet werden. Er ist mit der 24 Volt Wicklung in den Lastkreis geschaltet. Auf diese Weise wird ein Signal, das vom Laststrom herrührt, ebenso wie die Nadelimpulse wieder galvanisch getrennt aus dem Lastkreis ausgekoppelt. Beide Signalzustände erzeugen dann in der nachfolgenden Schaltstufe 8 die gleiche Wirkung.

Der Schaltstufe 8 muß in der Regel ein Tiefpaß-Filter 5 vorgeschaltet werden, vor allem, wenn der Wandler ein rechteckiges Ausgangssignal liefert. Aufgabe dieses Tiefpasses 5 ist es, ein Weiterlaufen des Wandlers nach Abschalten der Last zu verhindern, da die Kapazität des Anschlußkabels der Last den Ausgangskreis für hohe Frequenzen schließt. Oberwellen könnten dann die Schaltstufe 8 durchsteuern. Die Schaltstufe 8 selbst kann wie folgt aufgebaut werden: Der Sekundärwicklung des Steuertransformators 4 (220 Volt-Wicklung) wird ein Kondensator von 0,1 Mikrofarad als Tiefpaß parallel geschaltet. Das Signal wird über eine Diode gleichgerichtet und einem Siebkondensator von 0,22 Mikrofarad zugeführt. Das so entstehende Gleichstromsignal liegt dann an der Basis-Emitter- Strecke eines bipolaren Silizium-Transistors und schaltet diesen bei Erreichen der Emitter-Basis-Durchbruchsspannung in den leitenden Zustand. In weiterer Folge können alle Halbleiter der Schaltstufe 8 so angeordnet werden, daß die ganze Schaltstufe 8 einerseits eine hohe Schaltverstärkung aufweist, aber andererseits in ausgeschaltetem Zustand nur den Sperrstrom der Halbleiter als Ruhestrom aufnimmt. Die erforderliche Ausschaltverzögerung läßt sich am besten durch asymmetrische Ladung und Entladung eines Kondensators erzielen. An die Stabilität der Verzögerungszeit werden keine hohen Anforderungen gestellt, da sie reichlich bemessen werden kann. Der Steuerteil 6 des Wandlers 2, 3 wird am zweckmäßigsten mittels Schalttransistor 10 mit Betriebsspannung versorgt.

Die Entmagnetisierung kann wie folgt erreicht werden: Die Abschaltverzögerung der Schaltstufe 8 läßt zuerst eine Steuerspannung stetig gegen null laufen, welche im Wandler 2, 3 eine stetige Impulsbreitenverminderung des Steuersignals für die Hochstrom-Schaltstufe 2 bewirkt, dann erst wird der gesamte Wandler-Steuerteil 6 von der Stromquelle elektrisch getrennt. Eine zuverlässige Entmagnetisierung des Transformatorkerns ist unerläßlich, da andernfalls der Transformator 3 im ungünstigsten Fall die vom Impulsgenerator 1 herrührenden Dauerbereitschaftsimpulse nur sehr abgeschwächt übertragen würde und der Wandler bei geringer Last nicht starten würde. Außerdem würde dann bei Dauerbereitschaft ständig ein Klopfgeräuch aus dem Leistungstransformator 3 zu hören sein.

Wird die Anordnung wie bis hier beschrieben ausgeführt, so ist im Einschaltzustand des Wandlers 2, 3 die Ausgangsspannung mit Bereitschaftsimpulsen beaufschlagt. Soll dies vermieden werden, so ist eine Einrichtung nach dem Unteranspruch zweckmäßig. Es kann zum Beispiel das Schaltstufen-Ausgangssignal invertiert werden um damit die Versorgungsspannung des Impulsgenerators 1 zu schalten.

Das hier beschriebene Wandler-Schalter-System weist im ausgeschalteten Zustand bei 12 Volt Betriebsspannung nur eine effektive Stromaufnahme von vier Milli-Ampère auf. Der Wandler springt zuverlässig bei Lasten ab zwei Watt nach spätestens 0,5 Sekunden an und schaltet nach etwa 0,8 Sekunden nach Abschalten der Last wieder ab.

Claims

1. Schaltsystem mit einem Steuerteil (6) zum Ansteuern eines Wandlers (2, 3) eines von einem Akkumulator (9) betriebenen Ersatzstromerzeugers, wobei der eine Schaltstufe (2) aufweisende Spannungswandler (2, 3) mit einem ausgangsseitigen Leistungstransformator (3) versehen ist und der Akkumulator (9) mit dem Eingang des Spannungswandlers (2, 3) verbunden ist, gekennzeichnet durch

a) einen Impulsgenerator (1), der Nadelimpulse über die Schaltstufe (2) und den Leistungstransformator (3) in den Ausgangsstromkreis des Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlers (2, 3) während des ausgeschalteten Zustandes einspeist,
b) einen Steuer-Transformator (4), der über zwei Antiparallel- Dioden (11) an den Lastkreis angekoppelt ist und bei Schließen des Ausgangs-Stromkreises durch eine Last einen Teil des Leistungsinhalts der Nadelimpulse als Steuersignal galvanisch getrennt wieder aus dem Lastkreis auskoppelt,
c) einen Tiefpaß (5) über den das Steuersignal geführt ist, der als Unterdrückungsfilter unerwünschte Schaltvorgänge durch Oberwellen und Einstreuungen verhindert,
d) eine dem Tiefpaß (5) nachgeschaltete Schaltstufe (8) mit Ausschaltverzögerung, die sofort nach dem Eintreffen von Nadelimpulsen als Folge des Schließens des Lastromkreises den Wandler-Steuerteil (6) einschaltet, aber erst nach Ausbleiben der Nadelimpulse mit einer Verzögerung den Wandler-Steuerteil (6) wieder abschaltet und wieder auf den Impulsgenerator (1) in den Nadelimpulsbetrieb zurückschaltet.

2. Schaltsystem nach Anspruch 1 mit einer zusätzlichen Vorrichtung die bewirkt, daß bei eingeschaltetem Spannungswandler (2, 3) die Nadelimpulse abgeschwächt oder ganz unterdrückt werden.

3. Schaltsystem nach Anspruch 1 mit einer zusätzlichen Einrichtung (7), die bei jedem Ausschaltvorgang des Wandlers (2, 3) den Kern des Transformators (3) entmagnetisiert.