DE3519560A1 - Stromversorgungsgeraet - Google Patents
StromversorgungsgeraetInfo
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Description
Patentanwälte
ZELLE N TIN
67 Ludwigshafen/Rh.
Rubensstraße 30
Die Erfindung betrifft ein Stromversorgungsgerät nach der Gattung des Hauptanspruchs. Das Ausbleiben
der elektrischen Spannung in Versorgungsnetzen kann 2" für viele Verbraucher, beispielsweise Krankenhäuser
und verschiedene gewerbliche Betriebe, ernsthafte Folgen haben. Häufig sind in derartigen Einrichtungen
Notstromaggregate vorhanden, bei welchen die Versorgung bei Ausbleiben der Netzspannung von Batterien
oder Dieselgeneratoren übernommen wird. Für viele Anwendungen dieser Notstromaggregate ist eine
unterbrechungslose Umschaltung besonders wichtig. Ferner sollte bei derartigen Aggregaten die Spannung,
welche bei Ausfall des Netzes lokal erzeugt wird, möglichst der Netzspannung entsprechen und die
gleiche Frequenz aufweisen.
' Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Stromversorgungsgerät
anzugeben, bei welchem eine unterbrechungslose Umschaltung zwischen der Netzspannung
und einer lokal erzeugten Wechselspannung möglich ist, wobei für eine ausreichende Konstanz beider
Spannungen zu sorgen ist.
Das erfindungsgemäße Gerät mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß 0 mit einem gegenüber bekannten Geräten geringem technischen
Aufwand eine Umschaltung unterbrechungslos möglich ist. Außerdem ist eine Konstanthaltung der
Wechselspannung sowohl bei Netzb- als auch bei Batteriebetrieb gewährleistet.
Das erfindungsgemäße Stromversorgungsgerät kann ferner mit Vorteil dort eingesetzt werden, wo man aus
Gründen der Energieeinsparung Energie aus verschiedenen Quellen bezieht. So kann beispielsweise bei Vor-
^" handensein von Wind ein Windgenerator Gleichspannung
erzeugen, welche in eine Wechselspannung mit beispielsweise konstantem Effektivwert umgewandelt
wird. Sobald jedoch der Wind abflaut, so daß die vom Windgenerator abgegebene Spannung unter eine noch
" verwertbare Grenze fällt, wird Strom aus dem öffentlichen
Netz bezogen. Ähnliches gilt für die Verwendung von Solarzellen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
des im Hauptanspruch angegebenen Stromversorgungsgerätes möglich. Unter anderem kann das er- '
findungsgemäße Stromversorgungsgerät auch zu einer Rückspeisung von Energie in das öffentliche Netz
verwendet werden, sofern die örtlich vorhandenen
' Netze dazu geeignet und eine solche Rückspeisung
aufgrund der örtlichen Bestimmung erlaubt ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Stromversorgungsgerätes, Fig. 2 Teile der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 in
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Stromversorgungsgerätes, Fig. 2 Teile der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 in
etwas ausführlicherer Darstellung, Fig. 3 andere Teile der Schaltungsanordnung nach
Fig. 1 in ausführlicherer Darstellung, Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für einen Wechsel-
'* richter, einen Regler und einen Oszillator,
Fig. 5 Zeitdiagramme von in der Schaltung nach
Fig. 4 auftretenden Spannungen,
Fig. 6 eine Weiterbildung der Schaltung nach Fig. 4, Fig. 7 Zeitdiagramme von in der Schaltung nach
^O Fig. 6 auftretenden Spannungen und
Fig. 8 weitere Teile der Schaltungsanordnung nach
Fig. 1 in etwads ausführlicherer Darstellung. Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
Der Anordnung nach Fig. 1 wird an den Punkten 1,2 vom Versorgungsnetz Wechselspannung zugeführt. Über
einen ersten elektronischen Schalter 3 gelangt die Wechselspannung zu einer ersten Wicklung 4 eines
Transformators 5. Die Wicklung 4 weist verschiedene Anzapfungen auf, welche in Abhängigkeit von bei 6
und 7 zugeführten Steuersignalen mit dem Ausgang 8, welcher als Steckdose dargestellt ist, des Stromversorgungsgerätes
verbindbar sind. Solange die bei 1, 2 zugeführte Wechselspannung innerhalb eines Berei-
ches um ihren Soll-Wert liegt, bleibt der erste elektronische Schalter 3 geschlossen. Der Transformator
5 und dessen Wicklung 4 dienen dabei lediglich zur Konstanthaltung der am Ausgang 8 zur Verfugung
stehenden Wechselspannung. Hierzu ist an die Zuführung der Wechselspannung zur Wicklung 4 ein Nulldetektor
9 und eine Steuerschaltung 10 angeschlossen. Durch den Nulldetektor 9 wird sichergestellt, daß
die elektronischen Schalter 29, 30, 31, 32, 33 während des Nulldurchgangs der Wechselspannung, also
lastfrei schalten. Mit Hilfe der Steuerschaltung 10 wird der Ist-Wert der an den Leitungen 12 und 13 anstehenden
Wechselspannung mit einem Soll-Wert verglichen. Je nach Abweichung wird einer der elektroni-
sehen Schalter 29, 30, 31, 32, 33 geschlossen. Es
hat sich als günstig herausgestellt, daß von einem elektronischer Schalter zum anderen eine Spannungsdifferenz
von etwa 10V überbrückt wird, so daß die Abweichung der Ausgangsspannung bei 8 vom Soll-Wert
höchstens 5 V beträgt.
Während des bisher beschriebenen Betriebes des Stromversorgungsgerätes
wird mit Hilfe einer weiteren Wicklung 14 des Transformators 5 und eines Lade-
gleichrichters 15 ein Akkumulator 16 aufgeladen. Die Wicklung 14 und der Akkumulator 16 sind ferner durch
einen Wechselrichter 17 verbunden, welcher von einem Regler 18 und einem Oszillator 19 gesteuert wird.
Der Oszillator 19 wird von der bei 1, 2 aus dem Stromversorgungsnetz zugeführten Wechselspannung synchronisiert,
so daß der Oszillator 19 bei Ausfall der Wechselspannung bereits mit der richtigen Frequenz
und Phasenlage schwingt. Dazu ist ein Synchronisiereingang des Oszillators 19 mit dem Ausgang
einer Schaltung 20, welche mit den Eingangsklemmen 1, 2 verbunden ist, angeschlossen. In der Schaltung
20 befindet sich ferner ein Detektor, welcher einerseits den Schalter 3 steuert und andererseits mit
dem Regler 18 verbunden ist. Bei Betrieb des erfindungsgemäßen Stromversorgungsgerätes aus dem Netz
steuert der Detektor den Regler 18 derart, daß eine Ansteuerung des Wechselrichter 17 unterbleibt. Fällt
jedoch die Stromversorgung aus dem Netz aus, so werden vom Regler 18 zum Wechselrichter 17 Steuerimpulse
geführt, so daß augenblicklich in der Wicklung 4 des Transformators 5 eine Wechselspannung zum Ersatz
der Netz-Wechselspannung erzeugt wird.
Aus später noch zu erläuternden Gründen wäre diese Spannung jedoch kleiner als die Netz-Wechselspannung.
Deshalb wird gleichzeitig vom Detektor elektronische Schalter 25, 26 derart angesteuert, daß
die wirksame Windungszahl der Wicklung 4 heraufgesetzt wird.
Der Transformator 5 verfügt über eine dritte Wicklung 23, mit deren Hilfe ein Ist-Wert der Wechselspannung
abgeleitet und dem Regler 18 zugeführt
wird. Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird mit Hilfe des Reglers 18 die Breite der dem Wechselrichter
17 zugeführten Impulse und damit der Effektivwert der mit Hilfe des Wechselrichters gewonnenen
Wechselspannung geregelt. Während des Betriebes aus dem Akkumulator 16 bleiben vorzugsweise der Nulldetektor
9 und die Steuerschaltung 10 in Betrieb, so daß die Steuerung der Ausgangsspannung mit Hilfe der
Wicklungsumschaltung fortgesetzt wird. Letztere regelt den Spitzenwert, während wie oben erwähnt der
Regler 18 den Effektivwert beeinflußt.
Fig. 2 stellt neben anderen Teilen des Gerätes nach Fig. 1 die Schaltung 20 ausführlicher dar. Über die
Leitungen 12, 13 wird die Netz-Wechselspannung der
** Wicklung 4 des Transformators 5 zugeführt, wobei die
Triacs 25, 26 wahlweise die Anzapfung 27 oder die Anzapfung 28 mit der Leitung 12 verbinden.
Aus der bei 1,2 zugeführten Netz-Wechselspannung '" wird mit Hilfe des Transformators 40, des Gleichrichters
41 und des Ladekondensators 42 eine Gleichspannung abgeleitet. An diese ist über einen Widerstand
43 die Leuchtdiode 44 eines Optokopplers 45 angeschlossen. Ist Netz-Wechselspannung vorhanden, so
* wird durch das von der Leuchtdiode 44 ausgestrahlte Licht der Phototransistor 46 leitend. Dem Kollektor
des Phototransistors 46 wird über die Widerstände 47, 48 Strom zugeführt, wobei der Widerstand 49 und
die Z-Diode 50 hierfür als 5V_Spannungsquelle dienen. Dem Widerstand 49 wird vom Schaltungspunkt 51
eine positive Betriebsspannung von + 12 V zugeführt. An die 5V-Spannungsquelle ist ferner ein Potentiometer
52 angeschlossen, dessen Schleifer mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 53
" verbunden ist.
Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 47 und 48 ist über einen weiteren Widerstand 54 an den
nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 53 angeschlossen, während ein Widerstand 55 als
Mitkopplung des Operationsverstärkers 53 dient, wodurch dieser als Schmitt-Trigger arbeitet. Bei Vorhandensein
von Netz-Wechselspannung ist der Phototransistor 46 leitend, wodurch das Potential des Verbindungspunktes
der Widerstände 46 und 48 und damit
das Potential des nichtinvertierenden Eingangs des Operationsverstärkers 53 niedriger als das des invertierenden
Eingangs ist. Damit ist die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 53 negativ, womit
auch über die Diode 56 die Spannung am Punkt 57 negativ wird. Da ein aus dem Transformator 58, dem
Gleichrichter 59, dem Widerstand 60 und der Z-Diode 61 und dem Kondensator 62 bestehendes Hilfsnetzgerät
den Punkt 63 mit positiver Spannung beaufschlagt, liegt an der Leuchtdiode 64 des Optokopplers 65 eine
Spannung an.
Der ebenfalls zum Optokoppler gehörende Phototransistor
66 ist daher leitend ebenso wie der Transistor 67. Damit ist der Triac 3 leitend und verbindet den
Ausgang 8 mit dem Netz. Sinkt jedoch die Netzspannung, so wird beginnend mit einer mit Hilfe des
Potentiometers 52 einstellbaren Spannung die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 53 positiv.
Der Punkt 57 erhält dann über die Diode 56 positives Potential, wobei ein Kondensator 69 allzu plötzliches
Umschalten verhindert. Damit werden der Phototransistor 66 und der Transistor 67 nichtleitend,
wodurch über die Diode 70 und den Widerstand 71 der Triac 3 gesperrt wird. Somit wird der Ausgang 8 vom
Netz getrennt.
Da der Transformator 5 wechselweise zum Aufladen des Akkumulators 16 (Fig. 1) und als Teil des Umrichters
dient, ist es erforderlich, die Wicklung 4 entsprechend der Flußrichtung der Energie umzuschalten. Zur
Aufladung des Akkumulators ist nämlich eine wesentlich höherer Scheitelwert der den Akkumulator aufladenden
gleichgerichteten Wechselspannung erforderlich als die Nennspannung des Akkumulators beim Um-
^ richterbetrieb. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist daher das Wicklungsverhältnis zwischen
den entsprechenden Teilen der Wicklung 4 und der Wicklung 14 derart ausgelegt, daß bei Anliegen der
^ Netzspannung an den Abgriffen 28 und 34 eine Ladung
des Akkumulators 16 sichergestellt ist.
Wird jedoch das Stromversorgungsgerät als Umrichter betrieben, so ergibt sich zwischen den Anzapfungen
^O 27 und 34 eine Wechselspannung mit der erforderlichen
Amplitude. Für diese Umschaltung sind die Triacs 25 und 26 vorgesehen, welche ebenfalls von
der Schaltung 20 gesteuert werden. Hierzu ist der Kollektor des Transistors 67 über eine Reihenschal-
1^ tung aus der Diode 72 und dem Widerstand 73 mit der
Leuchtdiode 74 eines weiteren Optokopplers 75 verbunden. Dieser steuert mit seinem Phototransistor
76, dessen Kollektor mit positivem Potential verbunden ist und über den Widerstand 77 einen Transistor
78, dessen Kollektor über den Widerstand 79 mit positivem Potential und über den Widerstand 80 mit
der Leuchtdiode 81 eines weiteren Optokopplers 82 verbunden ist. Ferner ist der Kollektor des Transistors
78 über den Widerstand 83 und den Transistor
2^ 84 mit der Leuchtdiode 85 des Optokopplers 86 verbunden.
Die Leuchtdiode 85 ist über den Widerstand 87 an positives Potential angeschlossen. Zur Steuerung des
Triacs 26 dient dann der Phototransistor 88 des Optokopplers 86, während der Triac 25 über den Widerstand
89 vom Phototransistor 90 des Optokopplers 82 gesteuert wird. Hierzu wird mit Hilfe der Anzapfungen
91 und 92, den Dioden 93, 94 und dem Kondensator 95 aus der Wicklung 4 eine Hilfsspannung erzeugt.
Solange an den Anschlüssen 1 und 2 Netzspannung anliegt, ist der Phototransistor 46 des Optokopplers
45 und damit auch der Transistor 99 leitend. Der Emitter des Transistors 99 nimmt Massepotential an,
welches über die Diode 101 in den gestrichelten Teil der Schaltung gelangt. Der gestrichelte Teil ist ein
Ausschnitt aus der Schaltung nach Fig. 4. Über die Diode 223 und die NICHT-UND-Schaltungen 217 und 218
werden der Endstufe 205 Ansteuerimpulse zugeführt. Diese werden jedoch unterdrückt, wenn der Diode 101
Massepotential zugeführt wird. Der Wechselrichter ist somit abgeschaltet.
Wird jedoch die Netzspannung abgeschaltet bzw. sinkt sie unter einen Wert von ca. 180 V, so wird der Transistor
99 nichtleitend und die Kathode der Diode erhält positives Potential. Dadurch gelangen die
Ansteuerimpulse zur Endstufe 205 und der Wechselrich-
ter erzeugt eine Wechselspannung, die anstelle der Netzspannung tritt.
Über die NICHT-UND-Schaltungen 106 und 107 sowie
über die Dioden 108 und 109 werden die Ansteuerim-
pulse dem Schaltungspunkt 57 zugeführt. Da einer der Ansteuerimpulse stets positiv ist, solange die Endstufe
205 überhaupt angesteuert wird, ist der Schaltungspunkt 57 positiv, wenn der Wechselrichter in
Betrieb ist. Dadurch ist eine zusätzliche Sicherheit gegeben, daß der Schalter 3 nicht eingeschaltet
wird, wenn der Wechselrichter läuft.
öam 2910
Fig. 3 stellt den Nulldetektor 9 und die Steuerschaltung
10 dar. Die Primärwicklung 121 eines Transformators 122 ist mit den Leitungen 12 und 13 verbunden.
An die Sekundärwicklung 123 ist ein Vollweggleichrichter 124 angeschlossen. Über eine Diode
und einen Widerstand 126 ist ein Ladekondensator angeschlossen, an welchem eine Spannung von etwa 30V
ansteht, die den Ansteuerschaltungen der Triacs 29 bis 33 als Betriebsspannung dient. Außerdem wird die
vom Ladekondensator 127 anstehende Spannung in einem
integrierten Spannungsregler 128 zur Versorgung der Steuerschaltung 10 (Fig. 1) auf 12 V herabgesetzt.
Der Nulldetektor 9 besteht aus den Widerständen 129,
130, 131 und den Transistoren 132 und 133. Das Teilerverhältnis
des aus den Widerständen 129 und 130 gebildeten Spannungsteilers ist nun derart gewählt,
daß der Transistor 132 wahrend des größten Teils der
Halbwellen leitend ist. Lediglich in der Umgebung der Nullpunkte wird er nichtleitend, so daß am Kollektor
des Transistors 132 mit den Nulldurchgängen zeitlich übereinstimmende positive Impulse anstehen.
Diese werden mit Hilfe des Transistors 133 invertiert und über die Diode 134 und den Widerstand 135
den Emittern der Transistoren 136, 137, 138, 139 und
140 zugeführt. Die Kollektoren der Transistoren 136 bis 140 sind mit den Steuerelektroden der Triacs 29
bis 33 verbunden.
Die im folgenden beschriebene Steuerschaltung 10 dient dazu, je nach Höhe der an den Leitungen 12 und
13 anliegenden Wechselspannung einen der Triacs 29 bis 33 in den leitenden Zustand zu schalten, wobei
genauestens die Bedingung eingehalten wird, daß weder zwei Triacs gleichzeitig noch kein Triac im lei-
tenden Zustand ist. Außerdem ist - wie oben beschrieben - gewährleistet, daß nur während des Nulldurchgangs
geschaltet wird.
Als Maß für die Höhe der Wechselspannung wird der Steuerschaltung die am Kondensator 127 anliegende
Spannung bei 141 zugeführt. Die mit Hilfe des integrierten
Spannungsregler 128 gewonnene Spannung wird bei 142 der Steuerschaltung als Betriebsspannung
zugeführt und dient gleichzeitig als Referenzspannung.
Dazu ist der Schaltungspunkt 142 über die Widerstände
143f 144, 145 und 146 sowie über einen einstellbaren
Widerstand 147 mit Massepotential verbunden. Aus der bei 141 zugeführten Spannung wird mit
' ~* Hilfe eines einstellbaren Spannungsteilers 148, 149
und 150, welchem ein Glättungskondensator 151 parallel-geschaltet
ist eine weitere Spannung abgeleitet. Diese weitere Spannung wird über Widerstände 152,
153, 154 und 155 den invertierenden Eingängen der
Operationsverstärker 156, 157, 158 und 159 zugeführt.
Die mit Hilfe der Widerstände 143 bis 147 gebildeten Anteile der Referenzspannung gelangen
über die Widerstände 160, 161, 162, 163 zu den nichtinvertierenden
Eingängen der Differenzverstärker 156 bis 159. Jedem der Differenzverstärker ist ein Mitkopplungswiderstand
164, 165, 166 und 167 zugeschaltet,
so daß die Differenzverstärker als Schmittrigger arbeiten.
Je nach Größe der bei 141 zugeführten Spannung ist die Ausgangsspannung der Differenzverstärker 156 bis
159 positiv oder negativ. Ist beispielsweise die bei 141 zugeführte Spannung wesentlich größer als der
Soll-Wert, so ist die Spannung an sämtlichen invertierenden Eingängen positiver als die Spannung an
öam 2910
Ho
den nichtinvertierenden Eingängen. Alle Ausgänge sind dann negativ bzw. bezogen auf die nachfolgende
Logik-Schaltung L. Mit fallender Spannung bei 141
wird zunächst die Ausgangsspannung des Differenzverstärker 156 und danach die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers
157 positiv. Mit weiter fallender Spannung bei 141 setzt sich dieses fort, bis die
Ausgangsspannungen aller Differenzverstärker positiv
sind.
10
10
Mit Hilfe der Exklusiv-Oder-Schaltungen 168, 169,
170 und 171 wird nun erreicht, daß nur einer der Triacs 29 bis 33 zur Zeit in den leitenden Zustand
geschaltet werden kann. Die Ausgänge der Exklusiv-Oder-Schaltungen sind über Widerstände 172, 173,
174, 175 und 176 mit den Basisanschlüssen der Transistoren
136 bis 140 verbunden.
Fig. 4 zeigt eine ausführlichere Darstellung des
Wechselrichters 17, des Reglers 18, des Oszillators 19 und andere Teile des Gerätes nach Fig. 1. Mit
Hilfe einer Leistungsstufe 205, welche ähnlich einer Gegentaktendstufe aufgebaut ist, können die Wicklungshälften
der Primärwicklung 14 abwechselnd mit
der bei 206 zugeführten Gleichspannung beaufschlagt werden. Hierzu sind entsprechende Steuersignale an
den Eingängen 207 und 208 der Leistungsstufe 205 zuführbar. Mit einem Schalter 209 ist die bei 206
zugeführte Gleichspannung abschaltbar. 30
Zur Ansteuerung der Leistungsstufe 205 wird nun in einem Oszillator und Impulsformer 210 eine Frequenz
erzeugt, welche das Doppelte der Frequenz der Wechselspannung beträgt. Für eine Frequenz der Wechselspannung
von 50 Hz erzeugt der Oszillator also eine
öam 2910
Spannung von 100 Hz. Am Ausgang 211 des Oszillators
und Impulsformers 210 steht eine rechteckförmige Spannung an, welche dem Triggereingang eines Flip-Flops
212 zugeführt wird, an deren Ausgängen 213 und 214 mäanderförmige Spannungen, welche zueinander
invertiert sind, auftreten. Diese werden jeweils einem ersten Eingang 215, 216 zweier NICHT-UND-Gatter
217, 218 zugeführt. Dadurch wird erreicht, daß ein im weiteren näher beschriebenes Steuersignal,
welches den anderen Eingängen 219 und 220 der Gatter-Schaltungen 217, 218 zugeführt ist, abwechselnd
an die Steuereingänge 207, 208 gelangt.
Außer der am Ausgang 211 anstehenden rechteckförmigen
Spannung erzeugt der Oszillator und Impulsformer 210 eine dreieckförmige Spannung mit gleicher Frequenz.
Diese wird vom Ausgang 221 an den nicht invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 222
geleitet. Dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 222 wird eine Steuerspannung zugeführt.
Der Ausgang des Differenzverstärkers 222 ist über eine Diode 223 mit den Eingängen 219, 220 der Gatter-Schaltungen
217 und 218 verbunden, denen außerdem über einen Widerstand 224 positives Potential
zugeführt ist.
Ist der Momemtanwert der dem nichtinvertierenden Eingang
des Differenzverstärkers 222 zugeführten dreieckförmigen
Spannung größer als die dem invertierenden Eingang zugeführte Steuerspannung, so ist die
Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 222 positiv.
Ist jedoch der Momentanwert der dreieckförmigen Spannung kleiner als das Steuersignal, so wird die
Ausgangsspannung negativ. Es entstehen somit Recht-
eckimpulse, deren Breite - und somit auch der Effek-
öam 2910 - W
tivwert der Ausgangs-Wechselspannung - von der Höhe
der Steuerspannung abhängig ist.
Zur Erzeugung der Steuerspannung, also zur Regelung
der Ausgangsspannung wird die in der Wicklung 23 des
Ausgangstransformators 5 erzeugte Wechselspannung dem Gleichrichter 225 zugeführt. Die gleichgerichtete
Spannung wird mit Hilfe des Widerstandes 226 und des Kondensators 227 geglättet und über einen Widerstand
228 einem Potentiometer 229 zugeführt. Ein mit dem Potentiometer 229 einstellbarer Teil der Spannung
wird über einen Widerstand 230 dem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 231 zugeführt.
Der nichtinvertierende Eingang des Differenz-
Verstärkers 231 wird mit einem konstanten Potential beaufschlagt, welches mit Hilfe der Widerstände 232,
233 und 234 aus einer positiven und einer negativen Betriebsspannung abgeleitet wird. Mit dem Potentiometer
229 kann die Höhe des Effektivwerts der Aus-
gangswechselspannung eingestellt werden.
Zur Ableitung der Steuerspannung aus der Ausgangswechselspannung
kann auch in vorteilhafter Weise ein Optokoppler verwendet werden. Dabei wird die Leucht-
diode mit einer aus dem Transformator abgeleiteten Spannung beaufschlagt, während der Phototransistor
zwischen eine Gleichspannungsquelle und das Potentiometer 229 geschaltet wird.
Der Differenzverstärker 231 ist über einen Widerstand 235 gegengekoppelt, so daß seine Verstärkung
etwa 10 beträgt. Der Ausgang des Differenzverstärkers 231 ist über je einen Widerstand 236, 237 mit
den invertierenden Eingängen der weiteren Differenzverstärker 238 und 239 verbunden. Die nichtinvertie-
ORIGINAL !MSPECTED
renden Eingänge der weiteren Differenzverstärker
238, 239 sind jeweils mit einer einstellbaren Spannung beaufschlagt, wozu die nichtinvertierenden Eingänge
jeweils über einen Widerstand 240, 241 mit dem Abgriff eines Potentiometers 242, 243 verbunden
sind, während die Enden der Potentiometer 242, 243 jeweils an eine positive und eine negative Spannungsquelle angeschlossen sind. Damit ist eine Einstellung
der den nichtinvertierenden Eingängen der Differenzverstärker 238 und 239 zugeführte Spannung in
der Nähe des Nullpunkts möglich.
Die Ausgänge der Differenzverstärker 238, 239 sind mit Hilfe je einer Reihenschaltung aus einem Widerstand
244, 245 und einer Diode 246, 247 mit einem Belag eines Kondensators 248 verbunden, dessen
anderer Belag mit festem Potential beaufschlagt ist. Die Dioden 246, 247 sind entgegengesetzt gepolt, so
daß eine Spannungsänderung am Kondensator in position
ver Richtung nur über die Diode 247 und in negativer Richtung nur über die Diode 246 erfolgen kann. Mit
einem weiteren Widerstand 249 ist der Kondensator 248 mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers
222 verbunden. Als Differenzverstärker 222 wird bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein
Differenzverstärker mit sehr hohem Eingangswiderstand verwendet, so daß die Spannung des Kondensators
248 im Falle des gleichzeitigen Sperrens der
Dioden 246, 247 längere Zeit unverändert bleibt. 30
Die den Operationsverstärker 231 sowie die Teile 226 bis 235 umfassende Schaltung ist nun derart ausgelegt,
daß die Spannung am Ausgang des Differenzverstärkers 231 0 Volt beträgt, wenn die Ausgangs-Wechselspannung
ihrem Soll-Wert entspricht. Ferner wird
ίο
dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 238 eine leicht positive Spannung von beispielsweise
1 Volt und dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 239 eine leicht negative Spannung
von beispielsweise -1 Volt zugeführt. Dadurch wird erreicht, daß bei einer Spannung am Ausgang des
Differenzverstärkers 231 von 0 Volt die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 238 positiv und die
Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 239 negativ
ist, was wiederum dazuführt, daß beide Dioden 246, 247 gesperrt sind und die Spannung am Kondensator
248 konstant bleibt.
Ist beispielsweise durch eine erhöhte Stromentnahme die Ausgangsspannung unter den Soll-Wert gesunken,
wird die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 231 positiv und die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers
238 negativ. Dadurch wird die Diode 246 leitend und der Kondensator 248 auf eine kleinere
Spannung entladen. Dadurch wird bewirkt, daß die der Leistungsstufe zugeführten Impulse breiter werden,
wodurch wiederum der Effektivwert der Ausgangsspannung steigt.
übersteigt jedoch der Ist-Wert den Soll-Wert, so wird die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers
231 negativ und die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 239 positiv. Dadurch wird die Diode 247
gleitend und der Kondensator 248 auf eine höhere Spannung aufgeladen. Dieses führt zu einer kürzeren
Pulsbreite und somit zu einer Verringerung des Effektivwerts
der Ausgangsspannung.
In Fig. 5 sind Zeitdiagramme von Spannungen an den gleichlautend bezeichneten Punkten der Schaltungsanordnung
nach Fig. 4 dargestellt. Zeile A zeigt den rechteckförmigen Verlauf der Spannung am Ausgang
des Oszillators und Impulsformers 210. Zeile B zeigt die Spannung am Ausgang 213 und Zeile C die Spannung
am Ausgang 214 des Flip-Flops 212. In Zeile D ist die dreieckförmige Spannung am Ausgang 221 des Oszillators
und Impulsformers 210 dargestellt. Ferner ist in Zeile D als gestrichelte Linie die dem invertierenden
Eingang des Differenzverstärkers 222 zugeführte Steuerspannung (E) angedeutet. Zeile F zeigt
die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 222, welche immer dann positiv ist, wenn der Momentanwert
der dreieckförmigen Spannung größer als die Steuerspannung
ist. Durch Verknüpfung der in den Zeilen F und B bzw. C dargestellten Spannungen mit Hilfe des
Widerstandes 224 und der NICHT-UND-Schaltungen 217,
218 entstehen die in den Zeilen G und H dargestellten Spannungsverläufe. Mit diesen Spannungen werden
die in der Leistungsstufe 205 befindlichen Halbleiterschalter angesteuert, so daß die in Zeile I gezeigte
Kurvenform der Ausgangsspannung entsteht.
Mit einem praktisch ausgeführten Umrichter mit der in Zeile I dargestellten Kurvenform wurde ein Wirkungsgrad
von etwa 95 % erreicht. Die Ausgangsspannung ist für 90 % der üblichen elektrischen Geräte
geeignet. Eine genauere Annäherung an eine Sinusfunktion ist mit Hilfe einer sinusförmigen Spannung von
vorzugsweise 200 bis 1000 Hz möglich, die in einem Generator 250 erzeugt und über einen Kondensator
251, einen Schalter 252 und einen Widerstand 253 dem Schaltungspunkt E zugeführt wird. Die Überlagerung
der sinusförmigen Spannung bewirkt nun, daß die in
12
;.■-""·
Fig. 5 Zeile F dargestellten Ansteuerimpulse in eine Vielzahl von kürzeren Impulsen aufgeteilt werden,
was in Zeile i' dargestellt ist, wobei die Breite der einzelnen Impulse einer Sinusfunktion folgend
vom Beginn der gesamten Impulsgruppe zur Mitte hin zunimmt und danach bis zum Ende der Impulsgruppe
wieder abnimmt. Da der Ausgangstransformator 5 den schnellen Änderungen nicht folgen kann, entsteht am
Ausgang eine Spannung, welche etwa dem Mittelwert der Einzelimpulse entspricht und somit eine weitere
Annäherung an einen sinusförmigen Verlauf darstellt.
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Weiterbildung der Erfindung und Spannungszeitdiagramme an einigen
Punkten dieser Schaltung. Die in Fig. 6 gezeigte Schaltung kann anstelle der aus dem Generator 250,
dem Kondensator 251, dem Schalter 252 und dem Widerstand 253 bestehenden Schaltung der Schaltungsanordnung
nach Fig. 4 hinzugefügt werden. Sie wird mit der Schaltungsnaordnung nach Fig. 4 am Schaltungspunkt 219 verbunden und führt dieser ein Signal zu,
welches eine weitere Annäherung der Ausgangs-Wechselspannung an eine Sinusform bewirkt.
Dem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 261 wird über die Eingänge 262, 263 und die
Widerstände 264, 265 eine dreieckförmige Wechselspannung mit einer Spitzenspannung von etwa 9,5 V
5 S
und einer Frequenz von 1 bis 10 KHz sowie eine sinusförmige
Wechselspannung mit einer Spitzenspannung von 6 V und einer Frequenz von 100 Hz zugeführt.
Am invertierenden Eingang entsteht dann die Überlagerung beider Wechselspannungen, welche in Zeile K der
Fig. 7 dargestellt ist. Der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers 261 ist mit einer mit
Hilfe des Potentiometers 266 einstellbaren Spannung beaufschlagt.
Der Ausgang des Differenzverstärkers 261 ist mit dem invertierenden Eingang eines weiteren Differenzverstärkers
267 über einen Widerstand 268 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers
267 liegt auf Massepotential. An den Ausgang des Differenzverstärkers 267 sind zwei entgegenge-
^ setzt gepolte Dioden 269, 270 angeschlossen. Die Kathode der Diode 269 ist zusammen mit einem Widerstand
271 mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 267 verbunden. Die Anode der Diode
270 ist zusammen mit dem anderen Anschluß des Widerstandes 271 über einen Widerstand 272 mit dem invertierenden
Eingang eines dritten Differenzverstärkers 273 verbunden.
Der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers
273 ist mit konstantem Potential beaufschlagt, während der Ausgang über einen Widerstand 274 mit
dem invertierenden Eingang verbunden ist, welcher über einen weiteren Widerstand 275 an den Ausgang
des Differenzverstärkers 261 angeschlossen ist. 25
Der Ausgang des Operationsverstärkers 273 ist dann schließlich über einen Schalter 276 und eine Diode
277 mit dem Schaltungspunkt 219 der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 verbunden.
30
30
Nachdem am Ausgang des Differenzverstärkers 271 das in Zeile L (Fig. 7) dargestellte Signal entstanden
ist, wird es von dem Differenzverstärker 267, welcher zusammen mit den Dioden 269 und 270 als Vollwellengleichrichter
arbeitet, in die in Zeile M darge-
'Zt
Sam 2910
stellte Form gebracht. An dem Diagramm ist zu erkennen, daß jeweils für eine Halbwelle der Wechselspannung
das Tastverhältnis der höherfreguenten Impulsspannung von einem niedrigen Wert an bis zur Mitte
der Halbwelle ansteigt und dann wieder abfällt. Wie im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben, wird mit
Hilfe der NICHT-ÜND-Gatter 217 und 218 jeweils ein Leistungsschalter in der Endstufe 205 pro Halbwelle
angesteuert. Da ferner das aus dem Transformator und dem Verbraucher bestehende System den schnellen
Wechseln der höherfrequenten Impulsspannung nicht folgen kann, verbleibt eine gute Annäherung der Ausgangsspannung
an die Sinusform.
Fig. 8 zeigt einen weiteren Teil der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 - und zwar die Wicklung 14 des
Transformators 5 und die Teile 15, 16 und 17.
Die Transistoren 309 und 310 stellen im wesentlichen die in Fig. 4 gezeigte Leistungsendstufe 205 dar,
welcher über die Anschlüsse 207 und 208 (Fig. 4) Ansteuerimpulse zugeführt werden. Über nicht dargestellte
Treiberstufen gelangen die Ansteuerimpulse zu den Eingängen 301 und 302 der Schaltungsanordnung
nach Fig. 8. Über Widerstände 303 und 304 werden die Basis-Anschlüsse der Transistoren 309 und 310 angesteuert.
Weitere Widerstände 305, 306, 307 und 308 sind in Fig. 8 dargestellt, um zu zeigen, daß weitere
Transistoren zur Erhöhung der Leistung parallelgeschaltet sind. Die Wicklung 14 hat einen Mittelanschluß,
welcher mit dem positiven Pol 311 der wiederaufladbaren Batterie 16 verbunden ist. Durch die
abwechselnde Ansteuerung der Transistoren 309 und 310 entsteht wie im Zusammenhang mit Fig. 4 bereits
beschrieben in Wicklung 4 (Fig. 1, Fig. 4) die
IS
öam 2910
gewünschte Wechselspannung. Die Thyristoren 313 und
314 dienen dabei als Freilaufdioden. Hierzu werden
die Steuerelektroden der Thyristoren 313 und 314
nicht angesteuert.
5
5
Wird das erfindungsgemäße Gerät nicht als Wechselrichter
betrieben, da an den Klemmen 1 und 2 (Fig. 1) Spannung zugeführt wird, so wird die Batterie
16 über die Wicklung 14 und die Thyristoren
313 und 314 aufgeladen. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Thyristoren 313 und 314 mit Hilfe
eines Reglers 15, welchem die Batteriespannung zugeführt wird, ist eine gesteuerte Ladung der Batterie
16 möglich.
15
15
Mit Hilfe eines Graetz-Gleichrichters 316 wird eine Hilfsspannung erzeugt, welche unabhängig vom Ladezustand
der Batterie 16 ist und beispielsweise dem Regler 315 als Betriebsspannung dient.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann in sehr einfacher Weise verwirklicht werden. So können
beispielsweise mehrere der Differenzverstärker als Operationsverstärker in einem käuflichen integrier-
ten Schaltkreis vorhanden sein. Auch der Oszillator 210 ist einschließlich der Impulsformung als integrierter
Schaltkreis im Handel erhältlich.
- Leerseite -
Claims (15)
1. Stromversorgungsgerät, das an eine Wechselspannungsquelle
und an eine Gleichspannungsquelle anschließbar ist, mit einem Transformator, einem
Wechselrichter und einem Ausgang, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Ausgang (8) mit einer ersten Wicklung (4) des Transformators (5) verbunden und mit der
Wechselspannungsquelle über einen elektronischen Schalter (3) verbindbar ist,
- daß eine zweite Wicklung (14) des Transformators (5) über einen Wechselrichter (17) an die Gleichspannungsquelle
(16) angeschlossen ist,
- daß ein den Wechselrichter (17) steuernder Oszillator (19) von der Wechselspannungsquelle synchronisierbar
ist.
2. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß ferner an die Wechselspannungsquelle eine Detektorschaltung (20) angeschlossen
ist, welche ausgangsseitig mit einem _ Steuereingang des elektronischen Schalters (3) und
mit einer den Oszillator (19) und den Wechselrichter
(17) verbindenden Schaltung (18) verbunden ist.
3. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wicklung (14)
des Transformators (5) wahlweise über den Wechselrichter (17) oder über einen Gleichrichter (15) mit
dem Akkumulator verbindbar ist.
4. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wicklung (4)
des Transformators (5) mit jeweils eine von zwei Anzapfungen an den Ausgang (8) und die Wechselspannungsquelle
anschließbar ist und daß der Umschalter von der Detektorschaltung (20) steuerbar ist.
5. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Oszillator (19)
und den Wechselrichter verbindende Schaltung (18) eine Regelschaltung ist, welcher von einer dritten
Wicklung (23) des Transformators (5) eine als Ist-Wert dienende Spannung zugeführt ist.
6. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Wechselspannungsquelle
und/oder den Ausgang eine Steuerschaltung (10) angeschlossen ist, welche in Abhängigkeit von
der am Ausgang und/oder an der Wechselspannungsquelle anliegenden Spannung ausgewählte Anzapfungen
der ersten Wicklung (4) des Transformators (5) mit dem Ausgang (8) verbindet.
7. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschaltung der Anzapfungen
nur während der Nulldurchgänge der Wechsel spannung erfolgt.
8. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter eine
Halbleiterschalter umfassende Endstufe aufweist und daß die Halbleiterschalter mit Impulsen ansteuerbar
sind, deren Breite kleiner als die Dauer einer Halbwelle der Wechselspannung ist.
9. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Breite der Impulse mit Hilfe einer Regelschaltung steuerbar ist.
10. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Impulse im Sinne einer Konstanthaltung des Effektivwertes
der Wechselspannung gesteuert wird.
11. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Wert des Effektivwertes der Wechselspannung einstellbar ist.
12. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse durch Vergleich
einer dreieckförmigen Spannung mit einer Steuerspannung erzeugt sind und abwechselnd den die
Halbwellen der Wechselspannung schaltenden Halbleiterschaltern zugeführt sind.
13. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsstufe (5)
über zwei Steuereingänge (7, 8) verfügt, welche mit den Ausgängen zweier UND-Gatter oder NICHT-UND-Gatter
(17, 18) verbunden sind, deren jeweils einer
Eingang an den Ausgang eines Flip-Flops (12) angeschlossen ist, welches von einem Oszillator (10)
triggerbar ist, daß der Oszillator (10) eine Frequenz
erzeugt, welche das Doppelte der Frequenz der Wechselspannung beträgt, und neben Impulsen, welche
zur Triggerung des Flip-Flops (12) dienen, eine dreieckförmige Spannung abgibt, daß die dreieckförmige
Spannung dem nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers (22) und eine Steuerspannung
dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers in (22) zugeführt ist und daß der Ausgang des Differenzverstärkers
(22) über eine Diode (23) mit den anderen Eingängen der UND-Gatter oder NICHT-UND-Gatter
(17,18) verbunden ist.
14. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Steuerspannung ein Kondensator (48) vorgesehen ist, welcher
über je eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (44, 45) und einer Diode (46, 47) mit den Aus-
~n gangen zweier Differenzverstärker (38, 39) verbunden
ist, daß die Eingänge der Differenzverstärker (38, 39) mit gleichem Vorzeichen mit je einer vorzugsweise
einstellbaren Spannung beaufschlagt sind und daß die Eingänge der Differenzverstärker (38, 39)
mit dem anderen Vorzeichen gemeinsam mit einer Steuerspannung beaufschlagbar sind.
15. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß für die Rückführung
2Q einer die Ausgangs-Wechselspannung kennzeichnende
Spannung zu einem Eingang der Regelschaltung ein Optokoppler vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3519560A DE3519560C2 (de) | 1985-05-31 | 1985-05-31 | Stromversorgungsgerät |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3519560A DE3519560C2 (de) | 1985-05-31 | 1985-05-31 | Stromversorgungsgerät |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3519560A1 true DE3519560A1 (de) | 1986-12-04 |
DE3519560C2 DE3519560C2 (de) | 1995-01-19 |
Family
ID=6272118
Family Applications (1)
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DE3519560A Expired - Fee Related DE3519560C2 (de) | 1985-05-31 | 1985-05-31 | Stromversorgungsgerät |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3519560C2 (de) |
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EP2343796A1 (de) * | 2010-01-12 | 2011-07-13 | ebm-papst Mulfingen GmbH & Co. KG | EC-Motor |
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1985
- 1985-05-31 DE DE3519560A patent/DE3519560C2/de not_active Expired - Fee Related
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US8525457B2 (en) | 2010-01-12 | 2013-09-03 | Ebm-Papst Mulfingen Gmbh & Co. Kg | EC motor assembly |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3519560C2 (de) | 1995-01-19 |
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