AT231009B

AT231009B - Gleichumrichter

Info

Publication number: AT231009B
Application number: AT269962A
Authority: AT
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1961-04-10
Filing date: 1962-04-03
Publication date: 1964-01-10
Also published as: JPS3825851B1; BE616185A; DE1244281B

Description

Gleichumrichter
Die Erfindung betrifft einen aus Transistorwechselrichter, Übertrager und nachgeschaltetem Gleichrichter mit Ladekondensator bestehenden Gleichumrichter, bei dem der Übertrager in der Diagonale einer aus zwei Kondensatoren und zwei bezüglich ihrer Kollektoremitterstrecken in Serie geschalteten Transistoren gebildeten Brückenschaltung so eingefügt ist, dass er die Mitte der Kondensatoren und die Mitte der beiden Transistoren verbindet und bei dem die Eingangsgleichspannung an die andere Brückendiagonale angelegt ist und die wechselseitige Steuerung der T. ansistoren über ihre Basiskreise durch vom Übertrager abgeleitete Spannungen erfolgt.

Es sind Gleichumrichter mit einem Transistorwechselrichter in Gegentaktschaltung bekannt, bei denen am Kollektor der Transistoren eine Sperrspannung auftritt, die mindestens doppelt so gross ist, wie die Batteriespannung. Für solche Stromversorgungsgeräte müssen daher bei höheren Batteriespannungen teuere, hochsperrende Siliciumtransistoren verwendet werden. Solche Transistoren sind z. B. unte, der Typenbezeichnung Mub 20 bekannt. Diese haben eine Kollektorsperrfähigkeit von # 360 V. Aus Lebensdauergründen empfiehlt es sich jedoch bei Leistungstransistoren nur zirka,60% der Sperrfähigkeit auszunutzen.

Für höhere Batteriespannungen bzw. Eingangsgleichspannungen ist es daher vorteilhaft, eine andere ebenfalls bekannte Gleichumrichterschaltung zu verwenden, bei der die maximale Kollektorspannung nie grösser ist als die Batteriespannungen. Eine solche bekannte Gleichumrichterschaltung ist in Fig. l dargestellt. Dieser Gleichumrichter besteht aus einem Transistorwechselrichter mit Übertrager Ü1, nachgeschaltetem Gleichrichter Gl und Ladekondensator CL. Die Transistoren Trl und Tr, des Wechselrichters bilden mit den Kondensatoren Cl und C, eine Brückenschaltung. Die Batteriespannung bzw. Eingangs gleichspannung UE wird an die eine Brückendiagonale angelegt. In der andern Brückendiagonale liegt die
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doppelten Batteriestrom.

Die Steuerung der Transistoren Tr., Tr, erfolgt durch eine in die Basiskreise eingekoppelte Spannung, die vom Übertrager Ül über die Sekundärwicklungen n, n abgenommen wird.

Die Schaltfrequenz ist abhängig von der Zeit, bis der Übertrager Ü 1 in die Sättigung gesteuert wird. Bei jeder Periode wird also im Übertrager Ül die volle Hystereseschleife durchlaufen. Deshalb treten grosse Hystereseverluste auf. Ausserdem erfolgt die Umschaltung der Transistoren im Sättigungszustand des

Übertragers Ü., d. h. bei einem Kollektorstrom, der stets höher ist alsdermaximaleKollektornutzstrom.

Dadurch treten erhebliche Umschalteverluste im Transistor auf.

Ferner ist eine Wechselrichterschaltungsanordnung bekannt, bei der die Kollektoren zweier Transistoren durch die Primärwicklung eines Differentialübertragers und die Emitter beider Transistoreu direkt miteinander verbunden sind. Die Batteriespannung wird zwischen der Mittelanzapfung der Primärwick- lung und dem Verbindungspunkt der beiden Emitter zugeführt. An der Sekundärwicklung des Differential- übertragers ist die Last angeschlossen. Parallel zur Primärwicklung dieses Differentialübertragers liegt eine Reihenschaltung bestehend aus einem Kondensator, einer Primärwicklung, einem weiteren Übertrager und einer Induktivität. Die beiden Sekundärwicklungen des weiteren Übertragers liegen jeweils in den Emitter-Basiskreisen der Transistoren und bewirken eine Aussteuerung der Transistoren im Gegentakt.

Nachteilig ist bei dieser bekannten Wechselrichterschaltungsanordnung, dass an den Kollektoren der Transistoren eine Sperrspannung auftritt, die ebenfalls wieder doppelt so gross ist, wie die Batteriespannung, so dass die Umschaltverluste sehr hoch sind. Ausserdem wird zur Bildung des Schwingkreises neben der bereits vorhandenen Primärwicklung des weiteren Übertragers eine zusätzliche Schwingkreisinduktivität benötigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten Gleichumrichter insbesondere in dieser Hinsicht zu verbessern.

Der Gleichumrichter wird zur Vermeidung der erwähnten Nachteile daher gemäss der Erfindung so ausgebildet, dass der Steuerübertrager mit seiner Primärwicklung über einen Vorwiderstand parallel zur Primärwicklung des Hauptübertragers liegt und im Basis-Emitterkreis eines jeden Transistors je eine Sekundärwicklung des Steuerübertragers so liegt, dass ein an der Primärwicklung auftretender Impuls jeweils den einen Transistor durchsteuert und den andern Transistor sperrt und dass der Hauptübertrager so ausgebildet ist, dass er unterhalb seiner Sättigungsgrenze betrieben wird und sein Eisenkern aus einem Material besteht, das bei geringen Hystereseverlusten eine hohe Sättigungsgrenze aufweist, während der Steuer- übertrager so ausgebildet ist,

dass er bei geringen Hystereseverlusten in die Sättigung gesteuert wird und dass ferner die Streuinduktivität des Hauptübertragers und des Steuerübertragers so klein bemessen sind, dass die Zeit für den Stromanstieg kurz ist im Vergleich mit der Halbperiode der Wechselrichterspannung und dass die Entladezeitkonstante des dem Gleichrichter nachgeschalteten Kondensators zusammen mit
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bzw. oder der Eingangsgleichspannung mit höheren Potentialdifferenzen zu rechnen ist, so dass im Wick- 1ungsaufbau höhere Isolationswerte erforderlich werden.

Die Erfindung wird an Hand der in den Fig. 2 und 5 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele und an Hand der Diagramme nach den Fig. 3,4, 6, 7 und 8 näher erläutert.

Der prinzipielle Aufbau der in Fig. 2 dargestellten Schaltung eines Gleichumrichters entspricht demjenigen der Schaltung nach Fig. 1. Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist jedoch der Übertra-
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des Hauptübertragers Ü'1. Durch Verlegung der Steuerung der Transistoren Tr, Tr in den gesonderten, speziell bemessenen Steuerübertrager Ü, ergibt sich, ausser geringeren EisenveJ1usten, bei dieser Schaltung noch der weitere wesentliche Vorteil, dass die Umschaltverluste der Transistoren sehr kleine Werte annehmen, da im Augenblick der Sättigung des Steuerübertragers Ü, der Basisstrom kurzgeschlossen wird und damit der Kollektorstrom erst auf einen sehr kleinen Betrag abklingt, ehe die Kollektorspannung auf den Sperrwert umspringen kann.

Dies ist aus der Fig. 3 deutlich erkennbar, die den zeitlichen Verlauf der Spannung UCE und des Stromes JC an einem 1ransistor Trl bzw. Tir zeigt. Bei 100 W Ausgangsleistung betragen die Umschaltverluste je Transistor nur zirka 0, 5 W. Die Durchgangsverluste sind dabei zirka 0, 25 W je Transistor, die gesamten Basisverluste zirka 0,2 W je Transistor. Die Schaltfrequenz des Umsetzers ist so gewählt, dass die Summe aller Verluste ein Minimum beträgt. Die optimale Frequenz liegt z. B. bei einer speziellen Dimensionierung bei 1820 Hz für eine Ausgangsleistung von 100 W. Bei Leerlauf steigt die Frequenz lediglich auf 1850 Hz an. Die Kurve nach Fig. 4 zeigt die bei einem Gleichumrichter von 212 V auf 24 V gemessenen Gesarntverlub, e Nv abhängig von der abgegebenen Leistung Na.

Die Gesamtschaltung eines Gleichumrichters von 212 V auf 24 V zeigt Fig. 5. Die entstehende Rechteckspannung wird im Übertrager Ü. auf den erforderlichen Wert transformiert und in einer Gegentaktschaltung mit den zwei Germaniumleistungsgleichrichtern GL, GL gleichgerichtet. Die Germaniumgleichrichter besitzen wegen ihres geringeren Schwellwertes einen besseren Wirkungsgrad als Selen-
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eingeschaltet, die zusammen mit den Kondensatoren Cl und C die Störspannungsforderungen auf der Batterieseite gewährleistet.

Das Starten des Gleichumrichters erfolgt durch einen Spannungsabfall am Basiswiderstand Rb, des Transistors Trader durch einen Hilfsstrom von der 212 V-Gleichspannung abgeleitet wird. Nach dem Anschwingen wird dieser Strom durch den Relaiskontakt sl des Relais S unterbrochen, dessen Erregerspule in Serie mit einem Widerstand Rv parallel zur Ausgangsspannung bzw. zum Ladekondensator liegt. Ein weiterer Kontakt s, dieses Relais S schaltet nach dem Anschwingen die Last RA an. Bei Kurzschluss an den Ausgangsklemmen bricht die Spannung am Hauptübertrager Ü zusammen und der Wechselrichter hört auf zu schwingen. Nach einer gewissen Zeit, verursacht durch das Zeitglied Rv, C'im Relaiserregungsstromkreis, wird der Wechselrichter von neuem gestartet.

Durch den niedrigen Innenwiderstand ('" 0, 3 Ohm) ist die Lastabhängigkeit der Ausgangsspannung UA sehr gering. Sie beträgt im Bereich zwischen 20 und 100 W nur zirka 2, 5 0. Bei ungeregelter Eingangsspannung UE oder bei erhöhter Konstanzforderung der Ausgangsspannung UA kann ein normaler Verlustregler nachgeschaltet werden.

Fig. 6 zeigt den Gesamtwirkungsgrad ta der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 einschliesslich Eingangsdrossel L1, Ausgangssiebglied L2, Cs und Anlassschaltung in Abhängigkeit von der abgegebenen Leistung Na. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, kann mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 im grossen Lastbereich von zirka 20 bis 100 W ein Wirkungsgrad von 90 bis 94% erreicht werden.

Fig. 7 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsspannung UA von der Last. Die Spannung schwankt dabei zwischen einem Lastbereich von 5 bis 100 W um 2, 5So. Durch umschaltbare Anzapfungen 1... 7 der Primärwindungen des Hauptübertragers nul (vgl. Fig. 5) können diese Spannungsschwankungen innerhalb gewisser Lastbereiche auf < 0', 5'7o herabgesetzt werden. Die Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangs- spalmungUa von der Ausgangsleistung Na unter Berücksichtigung von umschaltbaren Anzapfungen 1... 7
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Claims

PATENTANSPRÜCHE : EMI4.1 1. Aus Transistorwechselrichter, Haupt- und Steuerübertrager und nachgeschaltetem Gleichrichter mit Ladekondensator bestehender Gleichumrichter, bei dem der Hauptüberträger, dessen Sekundärwicklung den nachgeschalteten Gleichrichter speist, in der Diagonale einer aus zwei Kondensatoren und zwei bezüglich ihrer Kollektor-Emitterstrecken in Serie geschalteten Transistoren gebildeten Brückenschaltung so eingefügt ist, dass er die Mitte der Kondensatoren und die Mitte der beiden Transistoren verbindet und bei dem die Eingangsgleichspannung an die andere Brückendiagonale angelegt ist und die wechselseitige Steuerung der Transistoren über ihre Basiskreise durch vom Übertrager abgeleitete Spannungen erfolgt, dadurch gekennzeichnet,

dass der Steuerübertrager mit seiner Primärwicklung über einen Vorwiderstand parallel zur Primärwicklung des Hauptübertragers liegt und im Basis-Emitterkreis eines jeden Transistors je eine Sekundärwicklung des Steuerübertragers so liegt, dass ein an der Primärwicklung auftretender Impuls jeweils den einen Transistor durchsteuert und den andern Transistor sperrt und dass der Hauptübertrager so ausgebildet ist, dass er unterhalb seiner Sättigungsgrenze betrieben wird und sein Eisenkern aus einem Material besteht, das bei geringen Hystereseverlusten eine hohe Sättigungsgrenze aufweist, während der Steuerübertrager so ausgebildet ist, dass er bei geringen Hystereseverlusten in die Sättigung gesteuert wird und dass ferner die Streuinduktivität des Hauptübertragers und des Steuerübertra- gers so klein bemessen sind,

dass die Zeit für den Strom anstieg kurz ist im Vergleich mit der Halbperiode der Wechselrichterspannung und dass die Entladezeitkonstante des dem Gleichrichter nachgeschalteten Kondensators zusammen mit dem niedrigsten Lastwiderstand gross ist im Vergleich zu einer Halbperiode. EMI4.2 Transistoren emitterseitig eine Parallelschaltung eines einstellbaren Widerstandes mit einem Kondensator eingeschaltet ist.

3. Gleichrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Basiskreis eines der beiden Transistoren ein Startimpuls zugeführt wird.

4. Gleichrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Startimpuls über einen Startkontakt von der Eingangsgleichspannung abgeleitet ist und dass das Startrelais im Ausgangskreis so angeordnet ist, dass nach dem Anschwingen der Startkontakt öffnet und der Verbraucher über einen weiteren Kontakt des Startrelais angeschaltet wird.

5. Gleichumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Zuführung der Eingangsgleichspannung, zwischen der Brückenschaltung und den Eingangsklemmen, ein oder mehrere Entstörungsdrosseln eingeschaltet sind.

6. Gleichumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Transistoren durch zwei Transistoren derart ersetzt ist,'dass die Kollektor-Emitterstrecken der beiden Transistoren mit je einem parallelgeschalteten Widerstand und je einem parallelgeschalteten Kondensator in Reihe geschaltet sind und dass in ihren Basis-Emitterkreisen je eine Sekundärwicklung des Steuer- übertragers so liegt, dass ein an der Primärwicklung auftretender Impuls jeweils die im einen Brückenzweig liegenden Transistoren durchsteuert und die im andern Brückenzweig liegenden Transistoren sperrt.

7. Gleichumrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptübertrager neben der für die Speisung des nachgeschalteten Gleichrichtersvorgesehenen Sekundärwicklung weitere Sekundärwicklungen, insbesondere mit zusätzlichen Gleichrichtern, zur Speisung wei- terer Verbraucher aufweist.