DE4228683A1

DE4228683A1 - Selbstschwingender Wechselrichter

Info

Publication number: DE4228683A1
Application number: DE4228683A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Juen
Original assignee: Tridonic Bauelemente GmbH
Current assignee: Tridonic Bauelemente GmbH
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1994-03-03

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen selbstschwingenden Wechselrichter, der in Vorschaltgeräten zum Betreiben von Gasentladungslampen eingesetzt wird.

Die DE-OS 30 14 419 offenbart einen selbstschwingenden Wechselrichter, der in Serie geschaltete Transistoren aufweist, die über jeweils eine Sekundärwicklung eines Sättigungstransformators im Lastkreis abwechselnd angesteuert werden. Antiparallel zu den Transistoren ist jeweils eine Freilaufdiode geschaltet, die den Wechselrichter vor Zerstörung durch Spannungsüberhöhungen aufgrund der induktiven Last schützen. Die genannten Spannungsüberhöhungen können bspw. durch die üblicherweise im Lastkreis befindliche Drossel verursacht werden, die nach dem Abschalten einer der Transistoren den zuvor geflossenen Strom aufrecht erhält. Die parallel zu den Transistoren angeordneten Freilaufdioden gewährleisten, daß dieser Strom nach dem Abschalten einer der Transistoren weiterfließen kann. Bei Verwendung von Feldeffekttransistoren MOS-FETs wird üblicherweise auf externe Freilaufdioden verzichtet, da diese bereits im Feldeffekttransistor integriert sind.

Der über die Freilaufdioden abfließende Strom fließt bei den im Stand der Technik angegebenen Schaltungen über die Primärwicklung des Sättigungstransformators, der in seinen Sekundärwicklungen eine Spannung induziert. Der auf diese Weise entstandene Strom- bzw. Spannungshöcker im jeweiligen Ansteuerkreis eines Schalters verbraucht zusätzlich Energie und verschlechtert somit den Wirkungsgrad des Wechselrichters. Darüberhinaus ist der Abschaltvorgang nicht in dem gewünschten Maße definiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen selbstschwingenden Wechselrichter zu schaffen, der sich gegenüber der bisher bekannten Version dadurch auszeichnet, daß er ein exakteres Schaltverhalten und außerdem einen verbesserten Wirkungsgrad zeigt.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung wird anhand von Figuren erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen in einem Vorschaltgerät eingesetzten Wechselrichter;

Fig. 2 den Stromverlauf des durch den Schalter 102 fließenden Stroms

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters mit angeschlossener Last.

Fig. 1 zeigt beispielhaft den Aufbau eines selbstschwingenden Wechselrichters. Zwischen den Eingangsklemmen a und b, die üblicherweise mit den entsprechenden Ausgängen eines Gleichrichters bzw. eines Sperrwandlers verbunden sind, liegt eine Serienschaltung aus zwei steuerbaren Schaltern 101, 102, vorzugsweise Transistoren oder Feldeffekttransistoren. Eine Ausgangsklemme c des Wechselrichters ist über eine Primärwicklung 109 eines Übertragers an einen als Mittelpunktabgriff p bezeichneten Potentialpunkt, der mit dem Kollektor des unteren Transistors 102 verbunden ist, angeschlossen. Der Emitter, sowie die Basis des oberen Transistors 101 sind gegenüber dem Potentialpunkt p über Widerstände 105 bzw. 104 vorgespannt. Parallel zu dem Basisvorspannwiderstand 104 liegt eine Reihenschaltung aus einem weiteren Widerstand 103 und einer Sekundärwicklung 110 des Übertragers. Die gleiche Anordnung zur Vorspannung über die Widerstände 107, 108 und zur Steuerung über eine Sekundärwicklung 111 und den Widerstand 106 weist der zwischen dem Potentialpunkt p und dem Bezugspotential liegende Transistor 103 auf. Allerdings sind die im Steuerkreis befindlichen Sekundärwicklungen 110, 111 gegensinnig angeordnet. Mit dem Ausgang c des Wechselrichters ist ein Lastkreis verbunden, der eine ohmsch- induktive Last aufweist. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurde jedoch auf die Darstellung des kompletten Lastkreises verzichtet und lediglich eine Induktivität 115 eingezeichnet. Ein solcher Lastkreis besteht normalerweise aus zumindest einer Serienschaltung aus einer Spule und einem Kondensator, wobei die Gasentladungslampe oder allgemein die Last parallel zum Kondensator geschaltet ist. Eine mit ihrer Anode an Punkt c angeschlossene Freilaufdiode 113 ist mit dem Eingang a und die mit ihrer Kathode an den Punkt c angeschlossene Freilaufdiode 114 mit dem Bezugspotential verbunden.

Die spezielle Funktionsweise eines Wechselrichters ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird aus diesem Grund nachfolgend nicht näher erläutert.

Allgemein werden die beiden Transistoren über die Sekundärwicklungen 110, 111 vom Übertrager so gesteuert, daß sie abwechselnd öffnen und schließen, wodurch am Ausgang c eine im wesentlichen rechteckförmige Wechselspannung entsteht. Der Start des Schwingvorgangs erfolgt durch einen Startimpuls, der über ein Diac 112 zur Basis des unteren Transistors 102 übertragen wird. Ein solches Triggern ist immer dann notwendig, wenn der Wechselrichter nicht mit einer konstanten Gleichspannung gespeist wird. Liegt am Eingang des Wechselrichters bspw. die vom Gleichrichter gelieferte gleichgerichtete Wechselspannung, hört der Wechselrichter bei jedem Nulldurchgang der Eingangsspannung auf zu schwingen. In diesem Fall ist demnach nicht nur beim Start des Wechselrichters sondern auch bei jedem Nulldurchgang der Eingangsspannung ein Triggern der Schalter notwendig.

Es soll davon ausgegangen werden, daß zu Beginn beide Schalter geschlossen sind. Wird nun ein Triggersignal an den unteren Schalter 102 übertragen, schließt dieser und ein Laststrom kann fließen. Über den Übertrager, d. h. über dessen Primärwicklung 109, wird nach einer bestimmten Zeit der untere Schalter mittels der Sekundärwicklung 111 wieder geöffnet und der obere Schalter 101 mittels der Sekundärwicklung 110 geschlossen. Der während des geschlossenen Zustands des unteren Schalters 102 über die Drossel 115 und den Schalter 102 nach Masse fließende Strom wird beim Öffnen des Schalters durch die Drossel 115 aufrechterhalten. Dieser erzwungene Stromfluß führt ohne die Freilaufdioden 113, 114 zu Spannungsüberhöhungen an Bauteilen des Wechselrichters, die zur Zerstörung derselben führen können.

In dem eben beschriebenen Fall kann der erzwungene Stromfluß über die obere Freilaufdiode 113 abfließen, ohne die Primärwicklung 109 des Übertragers zu passieren. Wären die Freilaufdioden so angeordnet, wie dies die gestrichelte Darstellung in Fig. 1 zeigt, würde der erzwungene Stromfluß über die obere Freilaufdiode 113 auch durch die Primärwicklung 109 fließen. Dies hätte zur Folge, daß in der Sekundärwicklung 110 bzw. 111 eine Spannung induziert wird, die dem Abschaltvorgang des Transistors 101 entgegenwirkt. Fig. 2 zeigt, daß dem Strom durch den Transistor 102 nach dem Absinken auf Null nochmals ein kleiner Stromhöcker folgt. Ein solcher zusätzlich fließender Strom verbraucht Energie und verschlechtert damit den Wirkungsgrad des Wechselrichters und die gewünschte Schaltgenauigkeit.

In der angegebenen Schaltungsanordnung werden bipolare Transistoren verwendet, die sich selbstverständlich durch bspw. Feldeffekttransistoren ersetzten lassen. Bei Feldeffekttransistoren wird grundsätzlich im Stand der Technik auf die gestrichelt eingezeichneten externen Freilaufdioden verzichtet, da die Feldeffekttransistoren bereits intern über solche Dioden verfügen.

Fig. 3 zeigt eine Wechselrichterschaltung mit einer daran angeschlossenen Gasentladungslampe. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurde der Aufbau des Wechselrichters stark vereinfacht dargestellt, da er im wesentlichen dem in Fig. 1 gezeigten entspricht. Der in Fig. 1a nur angedeutete an Klemme c angreifende Lastkreis weist die Induktivität 215 und eine Parallelschaltung aus der Gasentladungslampe 216 und einem Kondensator 217 auf, die in Reihe angeordnet sind und an einer Klemme d enden. Die Induktivität 215 und der Kondensator 217 bilden den für den Betrieb der Gasentladungslampe 216 notwendigen Serienschwingkreis. Der Punkt d ist der Mittelabgriff einer Serienschaltung aus zwei Kondensatoren 218, 219, die zwischen dem positiven Eingang a und dem Bezugspotentialeingang b des Wechselrichters angeordnet ist. Zu dieser Serienschaltung parallel liegt eine weitere Serienschaltung aus zwei Kondensatoren 220, 221, vorzugsweise Elektrolytkondensatoren, wobei die Mittelabgriffe der beiden Serienschaltungen mittels eines Leiters 222 verbunden sind.

Allgemein neigen selbstschwingende Wechselrichter der vorstehend bezeichneten Art zu Instabilitäten infolge der teilweise negativen Kennlinie der Gasentladungslampe. Diese Instabilitäten können bei Schwankungen der Versorgungsspannung oder bei Temperaturänderungen auftreten. Zur Stabilisierung der von einem Gleichrichter zur Verfügung gestellten Versorgungsspannung, die an den Eingängen a, b des gezeigten Wechselrichters anliegt, werden üblicherweise Kondensatoren 220, 221 mit großer Kapazität gewählt. Selbstverständlich kann die Serienschaltung der Kondensatoren 220, 221 auch durch einen einzigen Kondensator ersetzt werden. Allerdings läßt sich durch Verwendung von zwei in Serie geschalteten Kondensatoren mit handelsüblichen Bauelementen ein größerer Kapazitätswert erzielen. Diese zur Glättung der Eingangsspannung des Wechselrichters eingesetzten Kondensatoren weisen jedoch bei den hier auftretenden Betriebsfrequenzen im Kiloherzbereich ein anderes Verhalten auf als bei niedrigen Frequenzen, d. h. sie sind keine reinen Kondensatoren mehr. Aus diesem Grund sind den Glättungskondensatoren 220, 221, wie bereits beschrieben, Kondensatoren 218, 219 parallel geschaltet, die bei den auftretenden Frequenzen normales Kondensatorverhalten zeigen. Mit Hilfe des die beiden Mittelabgriffe der Kondensatorserienschaltungen miteinander verbindenden Leiters 222 können die normalen Kondensatoren 218, 219 durch die Glättungskondensatoren 220, 221 zusätzlich kapazitiv stabilisiert werden.

Das Ergebnis ist, daß die Gasentladungslampe 216 weitgehend stabil und unabhängig von Spannungs- und Temperaturschwankungen arbeitet.

Claims

1. Selbstschwingender Wechselrichter für eine ohmsch-induktive Last, der von einer Gleichspannungsquelle gespeist wird, mit
einer parallel zur Gleichspannungsquelle angeordneten Serienschaltung aus zwei steuerbaren Schaltern (101,102);
einem parallel zu einem der beiden Schalter (101, 102) angeordneten Lastkreis, wobei eine Primärwicklung (109) eines Transformators, eine Induktivität (115) und die Last in Serie geschaltet sind; und
einem Überspannungs-Schutzelement (113, 114);
dadurch gekennzeichnet, daß das Überspannungs-Schutzelement (113, 114) zwischen der Primärwicklung (109) und der Induktivität (115) angreift, wobei die beim Schalten der beiden Schalter (101, 102) auftretenden durch die Induktivität (115) verursachten Induktionsspannungen abgeleitet werden.

2. Selbstschwingender Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Schalter (101, 102) Transistoren oder Feldeffekttransistoren sind.

3. Selbstschwingender Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Überspannungs-Schutzelement (113, 114) eine Serienschaltung aus zwei gleichsinnig geschalteten Dioden aufweist, wobei der Mittelabgriff der Serienschaltung der beiden Dioden mit der Verbindung zwischen der Induktivität (115) und der Primärwicklung (109) verbunden ist.

4. Selbstschwingender Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator zwei Sekundärwicklungen (110, 111) aufweist, wobei jeweils eine Sekundärwicklung im Steuerkreis jeweils eines Schalters (101, 102) angeordnet ist.

5. Selbstschwingender Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Steuerkreis mit einem Triggerelement (112) verbunden ist.

6. Selbstschwingender Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Last eine Gasentladungslampe (216) ist, wobei der Gasentladungslampe eine Kapazität (217) parallel geschaltet ist.

7. Selbstschwingender Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Serienschaltung aus zwei weiteren Kapazitäten (218, 219) zu der Serienschaltung der beiden Schalter (201, 202) parallel geschaltet ist.

8. Selbstschwingender Wechselrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienschaltung aus der Primärwicklung (209), der Induktivität (215) und der Last den Mittelabgriff der Serienschaltung der beiden Schalter (201, 202) mit dem Mittelabgriff der Serienschaltung der beiden weiteren Kapazitäten (218, 219) verbindet.