DE3429773A1

DE3429773A1 - Transistorschwingkreiswechselrichter

Info

Publication number: DE3429773A1
Application number: DE19843429773
Authority: DE
Inventors: Otto 7750 Konstanz Kreutzer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-08-13
Filing date: 1984-08-13
Publication date: 1986-02-20
Also published as: DE3429773C2

Description

Ί Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen■Transistorschwingkreiswechselrichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. 5

Wechselrichter in Halbbrückenschaltung werden insbesondere dann gerne verwendet, wenn höhere Speisespannungen (etwa oberhalb 150 V) zu verarbeiten sind, weil im Vergleich zu der für niedrige Speisespannungen häufig eingesetzten Gegentaktschaltung die Schalttransistoren nur mit der halben Spannung beansprucht werden.

Ein Schwingkreiswechselrichter der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art ist aus der Firmendruckschrift "Handbuch II, Transistoren in der Leistungselektronik", Bereich Halbleiter, Thomson CSF Bauelemente GmbH, Seiten 319 bis 322 bekannt.

Solche Schwingkreiswechselrichter arbeiten bei hohen Betriebsfrequenzen von zum Beispiel 30 kHz besonders verlustarm, das heißt mit einem hohen Wirkungsgrad. Sie lassen sich auch in kleinen Baugrößen für höhere Leistungen bei großer Betriebssicherheit herstellen. Mit Hilfe eines kleinen Steuertransformators, dessen vom Laststrom durchflossene Primärwicklung nur wenige Windungen besitzt, läßt sich eine besonders günstige Aussteuerung der beiden Transistoren erreichen. Die Betriebsfrequenz des Schwingkreiswechselrichters wird durch die Resonanzfrequenz der Kapazitäten und Induktivitäten sowie dem ohiaschen Anteil

3Q eines Lastkreises bestimmt. Deshalb hängt die Aussteuerung der Transistoren des Wechselrichters in starkem Maß von der Last, das heißt von der Dämpfung dieses Schwingkreises ab. Dies kann dazu führen, daß bei Laständerungen während des Betriebs der Wechselrichter in einen Betriebszustand mit starker Erhitzung oder Überhitzung seiner Transistoren und der Folge ihrer

Zerstörung oder in einen Betriebszustand jenseits der Kippgrenze gelangt. Bei dem bekannten Schwingkreiswechselrichter ist daher kein Leerlaufbetrieb möglich. Bei zu großer Last wird zur Vermeidung einer überhitzung der Transistoren mit Hilfe einer Schutzschaltung der Wechselrichter abgeschaltet.

Ein bevorzugtes Einsatzfeld derartiger Wechselrichter sind elektronische Vorschaltgeräte für Warmkathodenleuchtstofflampen. Auch der erwähnte bekannte Wechselrichter ist Teil eines solchen Vorschaltgeräts. Leuchtstofflampen erfordern bekanntlich zum Zünden eine Zündspannung, die erheblich höher als die Brennspannung liegt. Bei dem bekannten Wechselrichter ist die Last in- Form von zwei Leuchtstofflampen parallel an den Kondensator des Reihenschwingkreises angeschlossen, so daß die Resonanzüberhöhung an diesem Kondensator zur Zündung ausgenutzt wird. Sobald die Leuchtstofflampen gezündet haben, ist der Schwinkreis so stark bedämpft, daß die Spannung am Schwingkreiskondensator auf die erforderliche Brennspannung absinkt.. Die Tatsache der Zündung durch die Resonanzüberhöhung am Schwingkreiskondensator bedeutet, daß die Leuchtstofflampen bereits innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde nach dem Einschalten des Wechselrichters gezündet werden, da die Resonanzüberhöhung ohne Verzögerung auftritt. Dieser sogenannte Kaltstart von Leuchtstofflampen führt zu einer drastischen Lebensdauerverkürzung dieser Lampen, was einen gravierenden Nachteil des den bekannten Schwingkreiswechselrichter enthaltenden Vorschaltgeräts darstellt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß aufgrund der erwähnten Schutzschaltung nach Austausch einer defekten Leuchtstofflampe, die Ursache des Leerlaufbetriebs und damit des Ansprechens der Schutzschaltung war, das Vorschaltgerät nicht sofort arbeitet, sondern zunächst zum Rücksetzen der Schutzschal-

tung ausgeschaltet werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Transistorschwingkreiswechselrichter der eingangs angegebenen Art zu schaffen, der den hohen Wirkungsgrad von Schwingkreiswechselrichtern mit einem stabilen Verhalten auch bei geringer Belastung und sogar im Leerlauf verbindet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Da die Ausgangsklemmen beim erfindungsgemäßen Wechselrichter mit dem Reihenschwingkreis in Reihe geschaltet sind, ist dieser Reihenschwingkreis im Leerlauffall unterbrochen, während bei geringer Belastung, also einer Last hoher Impedanz, der durch die erste Primärwicklung des Steuertransformators fließende Strom gegenüber dem Nennlaststrom so stark verringert ist, daß die aufgrund dieses Stroms in den Sekundärwicklungen des Steuertransformators induzierten Spannungen nicht zur Aussteuerung der Transistoren ausreichen. Die Aussteuerung dieser Transistoren im Leerlauffall oder im Fall geringer Belastung erfolgt mit Hilfe"der zweiten Primärwicklung des Steuertransformators, wobei der zu dieser Wicklung in Reihe geschaltete Strombegrenzungswiderstand einen stabilen Betrieb sicherstellt.

Bei Verwendung dieses Wechselrichters in einem elektronischen Vorschaltgerät erlaubt der-stabile Leerlaufbetrieb, daß die Zündung der angeschlossenen Leuchtstofflampe bzw. Leuchtstofflampen um die erforderliche Vorheizzeit von ca. 1 Sekunde verzögert wird, so daß der schädliche Kaltstart vermieden werden kann. Die zum Vorheizen erforderlichen Heizspannungen können durch entsprechende zusätzliche Heizwicklungen auf dem Steuertransformator gewonnen werden, vorzugsweise ist jedoch zu diesem Zweck

die Primärwicklung eines zusätzlichen He iz.tr ans forma tors · an die Ausgangsklemmen des Wechselrichters angeschlossen. Dieser Heiztransformator stellt eine dem Leerlauffall nahekommende geringe Belastung für den Wechselrichter dar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs- ■\q beispielen unter bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1. ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wechselrichters und

FIg. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des

Lastkreises für den Fall der Verwendung des erfindungsgemäßen Wechselrichters in einem elektronischen Vorschaltgerät.

Fig. 1 zeigt den nachfolgend einfach als Wechselrichter bezeichneten Transistorschwingkreiswechselrichter in Halbbrückenschaltung mit den beiden Transistoren 4 und 5. Die beiden Transistoren 4 und 5 liegen in Reihenschaltung ihrer Kollektor-Emitter-Strecken an zwei Eingangsklemmen T, 2 an, denen die Eingangsgleichspannung von z.B. 350 V zugeführt wird. Diese kann aus einer Batterie stammen oder mittels eines Gleichrichters und eines nachgeschalteten Oberwellenfilters aus einem Wechselstromnetz von z.B 50 Hz qewonnen

3Q werden, Zwischen die Eingangsklemmen 1, 2 ist ein Kondensator 3 als Glättungskondensator geschaltet. Die zur Aussteuerung der beiden Transistoren erforderlichen Basisströme werden mittels eines Steuertransformators 8 gewonnen, der eine erste Primärwicklung 81 und eine .zweite Primärwicklung 84 mit gegenüber der ersten Primärwicklung

sehr viel höherer Windungszahl aufweist (mehrere 1OO Windungen im Vergleich zu 3 bis 5 Windungen der Wicklungen 81 bis 83). Dem Transistor 4 ist eine Steuerwicklung 82, dem Transistor 5 eine Steuerwicklung 83 als Sekundärwicklung zugeordnet. Die Steuerwicklung 82 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel nach Art eines Spartransformators Teil der zweiten Primärwicklung 84. Eine Ausgangsklemme 6 des Wechselrichters ist über die erste Primärwicklung 81 an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Transistoren 4 und 5 ange-

■0 schlossen, während eine Ausgangsklemme 7 über einen Kondensator 14 mit dem Kollektor des Transistors 5 bzw. der Eingangsklemme 1 verbunden ist. Die zweite Primärwicklung 84 ist einerseits an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Transistoren 4 und 5 und andererseits über einen hochohmigen Strombegrenzungswiderstand an die Auscpngsklemme 7 angeschlossen.

Solange an die Ausgangsklemmen 6, 7 keine Last oder eine Last hoher Impedanz angeschlossen ist, kann die erste Primärwicklung 81 des Steuertransformators 8 keinen ausreichenden Beitrag zur Aussteuerung der Transistoren 4, 5 liefern. In diesem Betriebszustand erfolgt die Aussteuerung der Transistoren mit Hilfe der zweiten Primärwicklung 84, wobei der Strombegrenzungswiderstand 9 und gegebenenfalls ein kleiner Luftspalt im Kern des Steuertransformators 8 eine nur schwache Aussteuerung der Transistoren und ein stabiles Schwingen gewährleisten. Die Stromaufnahme kann dem Leerlaufbetrieb auf etwa 3 bis 5 itiA begrenzt werden, so daß eine absolute Leerlauffestigkeit gegeben ist. Die Widerstände 10 und 11 dienen als Anschwinghilfen, die ein sofortiges Anschwingen des Wechselrichters nach Einschalten der Speisespannung bewirken. Die Frequenz der Wechselrichterschwingung wird dabei im wesentlichen durch die Reihenresonanz von Kondensator 14 und Primärwicklung 84 bestimmt.

Sobald an die Ausgangsklemmen 6, 7 die Nennlast angeschlos-

-j sen wird, fließt ein zur Aussteuerung der Transistoren 4, 5 ausreichender Laststrom durch die erste Primärwicklung 81, deren im Vergleich zur zweiten Primärwicklung 84 geringere Induktivität nunmehr in Verbindung mit dem Kondensator 14 im wesentlichen die Betriebsfrequenz, des Wechselrichters bestimmt, welcher demzufolge gegenüber dem Leerlauffall auf vorzugsweise im Bereich um 30 kHz ansteigt.

•|0 Während der Transistor 4 durch die Spannung an der Steuerwicklung 82 leitend gesteuert wird, lädt sich der Kondensator 18 auf eine durch das Verhältnis zwischen den Widerständen 15 und 16 zu beeinflussende Spannung auf, die im Bereich des Nulldurchgangs der Spannung an der Steuer-

•J5 wicklung 82 den Transistor 4 in Sperrichtung beaufschlagt. In Verbindung mit der Diode 13 und den entsprechenden Elementen im Basiskreis des Transistors 5 wird eine saubere Kommutierung sichergestellt und verhindert, daß beide Transistoren 4 und 5 gleichzeitig leiten.

Fig. 2 zeigt den Lastkreis des Wechselrichters bei Verwendung des Wechselrichters in einem elektronischen Vorschaltgerät für Warmkathodenleuchtstofflampen. Wenn die Schaltungsanordnung von Fig. 2 anstelle der Last L an die Ausgangsklemmen 6 und 7 des Wechselrichters von Fig. 1 angeschlossen wird, dann stellt sie, solange die Leuchtstofflampe 12 nicht gezündet hat, eine geringe Belastung für den Wechselrichter dar, die von der relativ hohen Impedanz der Primärwicklung eines Transformators 61' herrührt. Mit Hilfe der beiden Sekundärwicklungen 613 und 614 dieses Transformators werden Heizspannungen erzeugt, mittels derer die Leuchtstofflampe 12 in einer an sich bekannten Schaltungsanordnung zunächst ca. 1 Sekunde lang vorgeheizt wird. Sobald die Leuchtstofflampe 12 zündet, wird ein Laststromkreis über die Drossel 22, die Leucht-

stofflampe 12 und den Kondensator 24 geschlossen/ dessen Impedanz sehr viel geringer als die der Primärwicklung des Transformators 61' ist. Der die Betriebsfrequenz des Wechselrichters bestimmende Schwingkreis wird nun im wesentlichen von dem Kondensator 14 des Wechselrichters und der Drossel 22 gebildet.

Bezüglich der detaillierten Beschreibung der Elemente 22 bis 36 in Fig. 2 wird auf die Beschreibung von Fig. 1 der älteren deutschen Patentanmeldung P 34 06 131.2 verwiesen/ die insoweit zum Gegenstand der vorliegenden Erläuterung gemacht wird. Der Einfachheit halber sind einander entsprechende Teile in Fig. 2 mit derselben Bezugszahl wie in Fig. 1 der älteren Anmeldung bezeichnet.

Wie schon eingangs erwähnt, kann bei Verwendung des erfindungsgemäßen Wechselrichters in einem elektronischen Vorschaltgerät für Warmkathodenleuchtstofflampen der Transformator 61' von Fig. 2 durch zusätzliche Wicklungen auf dem Steuertransformator 8 des in Fig. 1 gezeigten Wechselrichters ersetzt werden. Auf diesen Steuertransformator wären zusätzlich die beiden Heizwicklungen 613 und 614 sowie eine weitere Wicklung zur Aufladung des Kondensators 24 in an sich bekannter Weise auf ca. 400 V zur sicheren Zündung auch bei tiefen Temperaturen vorzusehen.

Leerseite -

Claims

Patentansprüche 1 .J Transistorschwingkreiswechselrichter in Halbbrückenschaltung/ umfassend zwei mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken in Reihenschaltung an Eingangsklemmen (1, 2) angeschlossene Tran- 5 sistoren (4, 5) , einen parallel zu der Kollektor-Emitter-Strecke eines der. Transistoren (4) angeschlossenen Reihenschwingkreis mit einem. Kondensator (14) und der Primärwicklung (81) des Steuertransformators (8) und je eine in den Basis-Emitter-Kreis eines zugehörigen Transistors (4, 5) geschaltete Steuerwicklung (82, 83) des Steuertransformators (8), dadurch gekennzeichnet, daß der Steuertransformator (8) eine zweite Primär-

1.5 wicklung (84) mit höherer Windungszahl als die erste Primärwicklung (81) besitzt,

daß die zweite Primärwicklung (84) Teil einer den Kondensator (14) und einen Strombegrenzungswiderstand (9) aufweisenden Reihenschaltung parallel zu der Kollektor-Emitter-Strecke des einen Transistors (4) ist und

RadeckestraSe 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 5212313 Telegramme Palentconsult Sonnenberger Slraßa 43 6220 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 4186237 Telegramme Patentconsull

daß die Ausgangsklemmen (6, 7) des Wechselrichters mit ' dem Reihenschwingkreis (14, 81) in Reihe geschaltet sind.

2. Transistorschwingkreiswechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kern des Steuertransformators (8) mit einem Luftspalt versehen ist.

3. Transistorschwingkreiswechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem elektronischen Vorschaltgerät für Warmkathodenleuchtstofflampen, wobei der Steuertransformator (8)" weitere Wicklungen zum Vorheizen der angeschlossenen Leuchtstofflampe(n) bzw. zur Erzeugung einer Zündhilfsspannung aufweist.

4. Transistorschwingkreiswechselrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem elektronischen Vorschaltgerät für Warmkathodenleuchtstofflampen, wobei an die Ausgangsklemmen (6, 7) des Wechselrichters die Primärwicklung eines weiteren Transformators (61') geschaltet ist, der Heizwicklungen (613, 614) zum Vorheizen der Leuchtstofflampe (n) und/oder eine Wicklung zur Erzeugung einer Zündhilfsspannung trägt.