DE3519560C2 - Stromversorgungsgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stromversorgungsgerät, das an eine Wechselspannungsquelle und an eine Gleichspannungsquelle anschließbar ist, mit einem Transformator, einem Wechselrichter und einem Ausgang, wobei der Ausgang mit einer ersten Wicklung des Transformators verbunden und mit der Wechselspannungsquelle über einen elektronischen Schalter verbindbar ist, der leitend ist, wenn die von der Wechselspannungsquelle zugeführte Spannung innerhalb eines Sollwertbereichs liegt, wobei eine zweite Wicklung des Transformators über einen Wechselrichter an die Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und wobei ein den Wechselrichter steuernder Oszillator von der Wechselspannungsquelle synchronisierbar ist.

Das Ausbleiben der elektrischen Spannung in Versorgungsnetzen kann 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.

Zur unterbrechungsfreien Stromversorgung sind bereits Geräte bekannt (US 4,400,624, DE 31 28 030 A1), bei welchen ein Transformator mit mindestens drei Wicklungen vorgesehen ist. Diesem kann einerseits über eine erste Wicklung Energie von einer Wechselspannungsquelle und andererseits über einen Wechselrichter und eine zweite Wicklung Energie von einer Batterie zugeführt werden. Eine dritte Wicklung dient zur Entnahme der Energie im Falle des Betriebs aus der Gleichspannungsquelle, während bei Vorhandensein von Wechselspannung der Ausgang unmittelbar mit der Wechselspannungsquelle verbunden ist.

Bei einem anderen bekannten Gerät (US 4,366,389) wird die gleiche Wicklung eines ferroresonanten Transformators im Falle des Aufladens der Batterie als Primärwicklung und im Falle der Versorgung der Last aus der Batterie als Sekundärwicklung benutzt. Der Transformator dient dabei als Regler, der aus der Sekundärwicklung des Transformators und einem Kondensator besteht und damit einen Speicherkreis mit einer Resonanzfrequenz von 60 Hz bildet. Dieses setzt jedoch eine spezielle Ausführung des Transformators sowie einen der Leistung angepaßten großen Kondensator voraus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Stromversorgungsgerät anzugeben, bei welchem mit einem gegenüber bekannten Geräten geringem technischen Aufwand eine unterbrechungslose Umschaltung zwischen der Netzspannung und einer lokal erzeugten Wechselspannung möglich ist, wobei für eine ausreichende Konstanz beider Spannungen zu sorgen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste Wicklung des Transformators mit Anzapfungen versehen ist, die mittels steuerbarer Schalter mit dem Ausgang und mit der Wechselspannungsquelle derart verbindbar sind, daß bei leitendem elektronischem Schalter die Spannung am Ausgang im Sinne einer Konstanthaltung steuerbar ist und daß bei nichtleitendem elektronischem Schalter die für den Ausgang wirksame Windungszahl der ersten Wicklung gegenüber der Windungszahl bei leitendem elektronischem Schalter heraufgesetzt wird.

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 Vorhandensein 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.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß an die Wechselspannungsquelle und/oder den Ausgang eine Steuerschaltung angeschlossen ist, welche in Abhängigkeit von der am Ausgang und/oder an der Wechselspannungsquelle anliegenden Spannung ausgewählte Anzapfungen mit dem Ausgang verbindet. Hierdurch wird eine Konstanthaltung der Ausgangsspannung im Betrieb aus der Wechselspannungsquelle möglich.

Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß ferner an die Wechselspannungsquelle eine Detektorschaltung angeschlossen ist, welche ausgangsseitig mit einem Steuereingang des elektronischen Schalters und mit einer den Oszillator und den Wechselrichter verbindenden Schaltung verbunden ist, daß die erste Wicklung des Transformators mit jeweils einer von zwei Anzapfungen mittels eines Umschalters an den Ausgang und die Wechselspannungsquelle anschließbar ist und daß der Umschalter von der Detektorschaltung steuerbar ist.

Diese Weiterbildung dient insbesondere einem stoßfreien Übergang von einem Betrieb aus der Wechselspannungsquelle auf Batteriebetrieb und umgekehrt. Dabei ist beim Betrieb aus der Wechselspannungsquelle eine zum Laden der Batterie ausreichend hohe Spannung an der zweiten Wicklung vorhanden.

Durch die in weiteren Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Stromversorgungsgerätes möglich. Unter anderem kann das erfindungsgemäße 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 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 Fig. 6 auftretenden Spannungen und

Fig. 8 weitere Teile der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 in etwas 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 Stromver­ sorgungsgerätes 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 Transfor­ mator 5 und dessen Wicklung 4 dienen dabei lediglich zur Konstanthaltung der am Ausgang 8 zur Verfügung stehenden Wechselspannung. Hierzu ist an die Zufüh­ rung der Wechselspannung zur Wicklung 4 ein Nullde­ tektor 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 an­ stehenden Wechselspannung mit einem Soll-Wert vergli­ chen. Je nach Abweichung wird einer der elektroni­ schen Schalter 29, 30, 31, 32, 33 geschlossen. Es hat sich als günstig herausgestellt, daß von einem elektronischer Schalter zum anderen eine Spannungs­ differenz von etwa 10 V überbrückt wird, so daß die Abweichung der Ausgangsspannung bei 8 vom Soll-Wert höchstens 5 V beträgt.

Während des bisher beschriebenen Betriebes des Strom­ versorgungsgerätes 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 syn­ chronisiert, so daß der Oszillator 19 bei Ausfall der Wechselspannung bereits mit der richtigen Fre­ quenz und Phasenlage schwingt. Dazu ist ein Synchro­ nisiereingang 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 einer­ seits den Schalter 3 steuert und andererseits mit dem Regler 18 verbunden ist. Bei Betrieb des erfin­ dungsgemäßen 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 wer­ den vom Regler 18 zum Wechselrichter 17 Steuerim­ pulse geführt, so daß augenblicklich in der Wicklung 4 des Transformators 5 eine Wechselspannung zum Er­ satz der Netz-Wechselspannung erzeugt wird.

Aus später noch zu erläuternden Gründen wäre diese Spannung jedoch kleiner als die Netz-Wechselspan­ nung. Deshalb werden gleichzeitig vom Detektor elek­ tronische Schalter 25, 26 derart angesteuert, daß die wirksame Windungszahl der Wicklung 4 heraufge­ setzt wird.

Der Transformator 5 verfügt über eine dritte Wick­ lung 23, mit deren Hilfe ein Ist-Wert der Wechsel­ spannung abgeleitet und dem Regler 18 zugeführt wird. Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird mit Hilfe des Reglers 18 die Breite der dem Wechselrich­ ter 17 zugeführten Impulse und damit der Effektiv­ wert der mit Hilfe des Wechselrichters gewonnenen Wechselspannung geregelt. Während des Betriebes aus dem Akkumulator 16 bleiben vorzugsweise der Nullde­ tektor 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 Gleichrich­ ters 41 und des Ladekondensators 42 eine Gleichspan­ nung abgeleitet. An diese ist über einen Widerstand 43 die Leuchtdiode 44 eines Optokopplers 45 ange­ schlossen. 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 5 V-Spannungsquelle die­ nen. Dem Widerstand 49 wird vom Schaltungspunkt 51 eine positive Betriebsspannung von + 12 V zugeführt. An die 5 V-Spannungsquelle ist ferner ein Potentiome­ ter 52 angeschlossen, dessen Schleifer mit dem inver­ tierenden 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 Operationsverstär­ kers 53 angeschlossen, während ein Widerstand 55 als Mitkopplung des Operationsverstärkers 53 dient, wo­ durch dieser als Schmitt-Trigger arbeitet. Bei Vor­ handensein von Netz-Wechselspannung ist der Photo­ transistor 46 leitend, wodurch das Potential des Ver­ bindungspunktes der Widerstände 47 und 48 und damit das Potential des nichtinvertierenden Eingangs des Operationsverstärkers 53 niedriger als das des inver­ tierenden Eingangs ist. Damit ist die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 53 negativ, womit auch über die Diode 56 die Spannung am Punkt 57 ne­ gativ 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 Phototransi­ stor 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 Netzspan­ nung, so wird beginnend mit einer mit Hilfe des Potentiometers 52 einstellbaren Spannung die Aus­ gangsspannung des Operationsverstärkers 53 positiv. Der Punkt 57 erhält dann über die Diode 56 positives Potential, wobei ein Kondensator 69 allzu plötzli­ ches Umschalten verhindert. Damit werden der Photo­ transistor 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 entspre­ chend der Flußrichtung der Energie umzuschalten. Zur Aufladung des Akkumulators ist nämlich eine wesent­ lich höherer Scheitelwert der den Akkumulator aufla­ denden gleichgerichteten Wechselspannung erforder­ lich als die Nennspannung des Akkumulators beim Um­ richterbetrieb. Bei dem dargestellten Ausführungs­ beispiel 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 27 und 34 eine Wechselspannung mit der erforderli­ chen 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 tung aus der Diode 72 und dem Widerstand 73 mit der Leuchtdiode 74 eines weiteren Optokopplers 75 ver­ bunden. Dieser steuert mit seinem Phototransistor 76, dessen Kollektor mit positivem Potential verbun­ den 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 Transi­ stors 78 über den Widerstand 83 und den Transistor 84 mit der Leuchtdiode 85 des Optokopplers 86 ver­ bunden.

Die Leuchtdiode 85 ist über den Widerstand 87 an positives Potential angeschlossen. Zur Steuerung des Triacs 26 dient dann der Phototransistor 88 des Opto­ kopplers 86, während der Triac 25 über den Wider­ stand 89 vom Phototransistor 90 des Optokopplers 82 gesteuert wird. Hierzu wird mit Hilfe der Anzapfun­ gen 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 an­ liegt, 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 Tran­ sistor 99 nichtleitend und die Kathode der Diode 101 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 End­ stufe 205 überhaupt angesteuert wird, ist der Schal­ tungspunkt 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.

Fig. 3 stellt den Nulldetektor 9 und die Steuerschal­ tung 10 dar. Die Primärwicklung 121 eines Transfor­ mators 122 ist mit den Leitungen 12 und 13 verbun­ den. An die Sekundärwicklung 123 ist ein Vollweg­ gleichrichter 124 angeschlossen. Über eine Diode 125 und einen Widerstand 126 ist ein Ladekondensator 127 angeschlossen, an welchem eine Spannung von etwa 30 V 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 Tei­ lerverhältnis des aus den Widerständen 129 und 130 gebildeten Spannungsteilers ist nun derart gewählt, daß der Transistor 132 während des größten Teils der Halbwellen leitend ist. Lediglich in der Umgebung der Nullpunkte wird er nichtleitend, so daß am Kol­ lektor des Transistors 132 mit den Nulldurchgängen zeitlich übereinstimmende positive Impulse anstehen. Diese werden mit Hilfe des Transistors 133 inver­ tiert 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 we­ der zwei Triacs gleichzeitig noch kein Triac im lei­ tenden Zustand ist. Außerdem ist - wie oben beschrie­ ben - gewährleistet, daß nur während des Nulldurch­ gangs 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 inte­ grierten Spannungsregler 128 gewonnene Spannung wird bei 142 der Steuerschaltung als Betriebsspannung zugeführt und dient gleichzeitig als Referenzspan­ nung. Dazu ist der Schaltungspunkt 142 über die Wi­ derstände 143, 144, 145 und 146 sowie über einen ein­ stellbaren Widerstand 147 mit Massepotential verbun­ den. Aus der bei 141 zugeführten Spannung wird mit Hilfe eines einstellbaren Spannungsteilers 148, 149 und 150, welchem ein Glättungskondensator 151 paral­ lel-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 zuge­ führt. Die mit Hilfe der Widerstände 143 bis 147 gebildeten Anteile der Referenzspannung gelangen über die Widerstände 160, 161, 162, 163 zu den nicht­ invertierenden Eingängen der Differenzverstärker 156 bis 159. Jedem der Differenzverstärker ist ein Mit­ kopplungswiderstand 164, 165, 166 und 167 zugeschal­ tet, so daß die Differenzverstärker als Schmittrig­ ger 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 inver­ tierenden Eingängen positiver als die Spannung an 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 Differenzver­ starker 156 und danach die Ausgangsspannung des Dif­ ferenzverstärkers 157 positiv. Mit weiter fallender Spannung bei 141 setzt sich dieses fort, bis die Ausgangsspannungen aller Differenzverstärker positiv sind.

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 Tran­ sistoren 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 Wick­ lungshälften 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.

Zur Ansteuerung der Leistungsstufe 205 wird nun in einem Oszillator und Impulsformer 210 eine Frequenz erzeugt, welche das Doppelte der Frequenz der Wech­ selspannung beträgt. Für eine Frequenz der Wechsel­ spannung von 50 Hz erzeugt der Oszillator also eine 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-Gat­ ter 217, 218 zugeführt. Dadurch wird erreicht, daß ein im weiteren näher beschriebenes Steuersignal, welches den anderen Eingängen 219 und 220 der Gat­ ter-Schaltungen 217, 218 zugeführt ist, abwechselnd an die Steuereingänge 207, 208 gelangt.

Außer der am Ausgang 211 anstehenden rechteckförmi­ gen Spannung erzeugt der Oszillator und Impulsformer 210 eine dreieckförmige Spannung mit gleicher Fre­ quenz. Diese wird vom Ausgang 221 an den nicht inver­ tierenden Eingang eines Differenzverstärkers 222 geleitet. Dem invertierenden Eingang des Differenz­ verstärkers 222 wird eine Steuerspannung zugeführt. Der Ausgang des Differenzverstärkers 222 ist über eine Diode 223 mit den Eingängen 219, 220 der Gat­ ter-Schaltungen 217 und 218 verbunden, denen außer­ dem über einen Widerstand 224 positives Potential zugeführt ist.

Ist der Momentanwert der dem nichtinvertierenden Ein­ gang des Differenzverstärkers 222 zugeführten drei­ eckförmigen Spannung größer als die dem invertieren­ den Eingang zugeführte Steuerspannung, so ist die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 222 posi­ tiv. 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 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 gleichgerichte­ te Spannung wird mit Hilfe des Widerstandes 226 und des Kondensators 227 geglättet und über einen Wider­ stand 228 einem Potentiometer 229 zugeführt. Ein mit dem Potentiometer 229 einstellbarer Teil der Span­ nung wird über einen Widerstand 230 dem invertieren­ den Eingang eines Differenzverstärkers 231 zuge­ führt. 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 Potentio­ meter 229 kann die Höhe des Effektivwerts der Aus­ gangswechselspannung eingestellt werden.

Zur Ableitung der Steuerspannung aus der Ausgangs­ wechselspannung 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 Potentio­ meter 229 geschaltet wird.

Der Differenzverstärker 231 ist über einen Wider­ stand 235 gegengekoppelt, so daß seine Verstärkung etwa 10 beträgt. Der Ausgang des Differenzverstär­ kers 231 ist über je einen Widerstand 236, 237 mit den invertierenden Eingängen der weiteren Differenz­ verstärker 238 und 239 verbunden. Die nichtinvertie­ renden Eingänge der weiteren Differenzverstärker 238, 239 sind jeweils mit einer einstellbaren Span­ nung beaufschlagt, wozu die nichtinvertierenden Ein­ gänge 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 Spannungs­ quelle angeschlossen sind. Damit ist eine Einstel­ lung der den nichtinvertierenden Eingängen der Dif­ ferenzverstärker 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 Wider­ stand 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 positi­ 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 Differenzver­ stärkers 222 verbunden. Als Differenzverstärker 222 wird bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Differenzverstärker mit sehr hohem Eingangswider­ stand verwendet, so daß die Spannung des Kondensa­ tors 248 im Falle des gleichzeitigen Sperrens der Dioden 246, 247 längere Zeit unverändert bleibt.

Die den Operationsverstärker 231 sowie die Teile 226 bis 235 umfassende Schaltung ist nun derart ausge­ legt, daß die Spannung am Ausgang des Differenzver­ stärkers 231 0 Volt beträgt, wenn die Ausgangs-Wech­ selspannung ihrem Soll-Wert entspricht. Ferner wird dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstär­ kers 238 eine leicht positive Spannung von beispiels­ weise 1 Volt und dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 239 eine leicht negative Span­ nung von beispielsweise -1 Volt zugeführt. Dadurch wird erreicht, daß bei einer Spannung am Ausgang des Differenzverstärkers 231 von 0 Volt die Ausgangsspan­ nung des Differenzverstärkers 238 positiv und die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 239 nega­ tiv ist, was wiederum dazuführt, daß beide Dioden 246, 247 gesperrt sind und die Spannung am Kondensa­ tor 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 Differenz­ verstärkers 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 Ausgangsspan­ nung steigt.

Übersteigt jedoch der Ist-Wert den Soll-Wert, so wird die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 231 negativ und die Ausgangsspannung des Differenz­ verstärkers 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 Effek­ tivwerts der Ausgangsspannung.

In Fig. 5 sind Zeitdiagramme von Spannungen an den gleichlautend bezeichneten Punkten der Schaltungs­ anordnung nach Fig. 4 dargestellt. Zeile A zeigt den rechteckförmigen Verlauf der Spannung am Ausgang 211 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 Oszil­ lators und Impulsformers 210 dargestellt. Ferner ist in Zeile D als gestrichelte Linie die dem invertie­ renden Eingang des Differenzverstärkers 222 zuge­ führte 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 Steuer­ spannung 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 dargestell­ ten Spannungsverläufe. Mit diesen Spannungen werden die in der Leistungsstufe 205 befindlichen Halblei­ terschalter angesteuert, so daß die in Zeile I ge­ zeigte Kurvenform der Ausgangsspannung entsteht.

Mit einem praktisch ausgeführten Umrichter mit der in Zeile I dargestellten Kurvenform wurde ein Wir­ kungsgrad von etwa 95% erreicht. Die Ausgangsspan­ nung ist für 90% der üblichen elektrischen Geräte geeignet. Eine genauere Annäherung an eine Sinusfunk­ tion 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 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 Wider­ stand 253 bestehenden Schaltung der Schaltungsanord­ nung nach Fig. 4 hinzugefügt werden. Sie wird mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 am Schaltungs­ punkt 219 verbunden und führt dieser ein Signal zu, welches eine weitere Annäherung der Ausgangs-Wechsel­ spannung an eine Sinusform bewirkt.

Dem invertierenden Eingang eines Differenzverstär­ kers 261 wird über die Eingänge 262, 263 und die Widerstände 264, 265 eine dreieckförmige Wechsel­ spannung mit einer Spitzenspannung von etwa 9,5 V_ss und einer Frequenz von 1 bis 10 KHz sowie eine sinus­ förmige Wechselspannung mit einer Spitzenspannung von 6 V_ss und einer Frequenz von 100 Hz zugeführt. Am invertierenden Eingang entsteht dann die Überlage­ rung beider Wechselspannungen, welche in Zeile K der Fig. 7 dargestellt ist. Der nichtinvertierende Ein­ gang 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 Differenzver­ stärkers 267 über einen Widerstand 268 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstär­ kers 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 Wider­ stand 271 mit dem invertierenden Eingang des Diffe­ renzverstärkers 267 verbunden. Die Anode der Diode 270 ist zusammen mit dem anderen Anschluß des Wider­ standes 271 über einen Widerstand 272 mit dem inver­ tierenden Eingang eines dritten Differenzverstärkers 273 verbunden.

Der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstär­ kers 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.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 273 ist dann schließlich über einen Schalter 276 und eine Diode 277 mit dem Schaltungspunkt 219 der Schaltungsanord­ nung nach Fig. 4 verbunden.

Nachdem am Ausgang des Differenzverstärkers 271 das in Zeile L (Fig. 7) dargestellte Signal entstanden ist, wird es von dem Differenzverstärker 267, wel­ cher zusammen mit den Dioden 269 und 270 als Vollwel­ lengleichrichter arbeitet, in die in Zeile M darge­ stellte Form gebracht. An dem Diagramm ist zu erken­ nen, daß jeweils für eine Halbwelle der Wechselspan­ nung das Tastverhältnis der höherfrequenten Impuls­ spannung 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-UND-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 Aus­ gangsspannung an die Sinusform.

Fig. 8 zeigt einen weiteren Teil der Schaltungsanord­ nung 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) An­ steuerimpulse zugeführt werden. Über nicht darge­ stellte 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 ange­ steuert. Weitere Widerstände 305, 306, 307 und 308 sind in Fig. 8 dargestellt, um zu zeigen, daß wei­ tere Transistoren zur Erhöhung der Leistung parallel­ geschaltet sind. Die Wicklung 14 hat einen Mittel­ anschluß, welcher mit dem positiven Pol 311 der wie­ deraufladbaren 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 gewünschte Wechselspannung. Die Thyristoren 313 und 314 dienen dabei als Freilaufdioden. Hierzu werden die Steuerelektroden der Thyristoren 313 und 314 nicht angesteuert.

Wird das erfindungsgemäße Gerät nicht als Wechsel­ richter betrieben, da an den Klemmen 1 und 2 (Fig. 1) Spannung zugeführt wird, so wird die Bat­ terie 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 315, welchem die Batteriespannung zuge­ führt wird, ist eine gesteuerte Ladung der Batterie 16 möglich.

Mit Hilfe eines Graetz-Gleichrichters 316 wird eine Hilfsspannung erzeugt, welche unabhängig vom Lade­ zustand 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 inte­ grierter Schaltkreis im Handel erhältlich.

Claims (15)

1. Stromversorgungsgerät, das an eine Wechselspannungsquelle und an eine Gleichspannungsquelle anschließbar ist, mit einem Transformator, einem Wechselrichter und einem Ausgang,

• - wobei der Ausgang mit einer ersten Wicklung des Transformators verbunden und mit der Wechselspannungsquelle über einen elektronischen Schalter verbindbar ist, der leitend ist, wenn die von der Wechselspannungsquelle zugeführte Spannung innerhalb eines Sollwertbereichs liegt,
• - wobei eine zweite Wicklung des Transformators über einen Wechselrichter an die Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und
• - wobei ein den Wechselrichter steuernder Oszillator von der Wechselspannungsquelle synchronisierbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die erste Wicklung (4) des Transformators (5) mit Anzapfungen (27, 28; 34 bis 38) versehen ist, die mittels steuerbarer Schalter (25, 26; 29 bis 33) mit dem Ausgang und mit der Wechselspannungsquelle derart verbindbar sind,
• - daß bei leitendem elektronischem Schalter (3) die Spannung am Ausgang (8) im Sinne einer Konstanthaltung steuerbar ist und
• - daß bei nichtleitendem elektronischem Schalter (3) die für den Ausgang (8) wirksame Windungszahl der ersten Wicklung (4) gegenüber der Windungszahl bei leitendem elektronischem Schalter (3) heraufgesetzt wird.

2. 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 mit dem Ausgang (8) verbindet.

3. Stromversorgungsgerät nach Anspruch I, 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,
• - daß die erste Wicklung (4) des Transformators (5) mit jeweils einer von zwei Anzapfungen (27, 28) mittels eines Umschalters (25, 26) an den Ausgang (8) und die Wechselspannungsquelle anschließbar ist und
• - daß der Umschalter (25, 26) von der Detektorschaltung (20) steuerbar ist.

4. Stromversorgungsgerät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wicklung (14) des Transformators (5) wahlweise über den Wechselrichter (17) oder über einen Gleichrichter (15) mit einem die Gleichspannungsquelle bildenden Akkumulator (16) verbindbar ist.

5. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 3, 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 eine Umschaltung der Anzapfungen nur während der Nulldurchgänge der Wechselspannung erfolgt.

7. 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.

8. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Impulse mit Hilfe einer Regelschaltung steuerbar ist.

9. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Impulse im Sinne einer Konstanthaltung des Effektivwertes der Wechselspannung gesteuert wird.

10. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Wert des Effektivwertes der Wechselspannung einstellbar ist.

11. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 10, 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.

12. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsstufe (205) über zwei Steuereingänge (207, 208) verfügt, welche mit den Ausgängen zweier UND-Gatter oder NICHT-UND-Gatter (217, 218) verbunden sind, deren jeweils einer Eingang an den Ausgang eines Flip-Flops (212) angeschlossen ist, welches von einem Oszillator (210) triggerbar ist, daß der Oszillator (210) eine Frequenz erzeugt, welche das Doppelte der Frequenz der Wechselspannung beträgt, und neben Impulsen, welche zur Triggerung des Flip-Flops (212) dienen, eine dreieckförmige Spannung abgibt, daß die dreieckförmige Spannung dem nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers (222) und eine Steuerspannung dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (222) zugeführt ist und daß der Ausgang des Differenzverstärkers (222) über eine Diode (223) mit den anderen Eingängen der UND-Gatter oder NICHT-UND-Gatter (217, 218) verbunden ist.

13. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Steuerspannung ein Kondensator (248) vorgesehen ist, welcher über je eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (244, 245) und einer Diode (246, 247) mit den Ausgängen zweier Differenzverstärker (238, 239) verbunden ist, daß die Eingänge der Differenzverstärker (238, 239) 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.

14. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rückführung einer die Ausgangs-Wechselspannung kennzeichnende Spannung zu einem Eingang der Regelschaltung ein Optokoppler vorgesehen ist.