DE2322001A1 - Netzgeraet - Google Patents

Description

'Advance Electronics Limited, Roebuck Road, Hainault, Ilford, Essex (England)

Netzgerät

Die Erfindung befaßt sich mit elektrischen Netzgeräten, die aus einem Wechselstrom-Eingang einen Gleichstrom erzeugen. Es besteht ein wesentlicher Bedarf an Gleichspannungsquellen mit relativ niedriger Ausgangsspannung, aus denen ein beträchtlicher Strom entnehmbar ist und die am Wechselstromnetz liegt, wobei die benötigte Gleichspannung verschieden und qewöhnlich wesentlich kleiner als die Wechselspannung ist.

Bislang enthielten die handelsüblichen Netzgeräte zur Erzeugung von Gleichstrom aus Wechselstrom konventionelle Transformatoren zur Spannungs-Herabsetzung mit nachgeschalteten Gleichrichtern; derartige Schaltungen zeigen jedoch wesentliche Nachteile. Ein solcher Nachteil bei Systemen, die für relativ hohe Leistung ausgelegt sind, besteht in der Größe, dem Gewicht und dem beträchtlichen Preis der Transformatoren, die bei Netzfrequenz arbeiten. Weitere Schwierigkeiten ergeben sich bei der Regelung

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des Gleichstroniausgängs in Abhängigkeit von schwankenden Eingangs- oder Ausgangsströmen oder -spannungen.

Zur Überwindung der Nachteile könnte man daran denken, Netzgleichrichter zu schaffen, bei denen die Wechselspannung direkt gleichgerichtet und die gleichgerichtete Gleichspannung mit hoher Frequenz umgeschaltet wird, wobei sich dann eine hochfreguente Wechselspannung ergibt, die in einfacher Weise transformiert und gleichgerichtet werden kann. Obgleich diese Einrichtung ebenfalls mit einem Transformator arbeitet, erlaubt die Verwendung hoher Freguenzen die Verwendung eines größenmäßig kleineren und preiswerteren Transformators als die üblichen Netztransformatoren.

Das Hochfreguenzsystem könnte zweckmäßig die Vorteile von Halbleiter-Schaltern ausnützen, insbesondere ihre kleine Größe; jedoch bringen die üblichen Grenzbedingungen der Halbleiter schwerwiegende Probleme bei derartigen Gleichrichtern mit sich, insbesondere für Gleichrichter mit großer Ausgangsstrombelastbarkeit bei niedriger Spannung, sowie bei solchen Gleichrichtern, deren abgegebene Leistung geregelt werden muß, um unter schwankenden Betriebsbedingungen eine geregelte Spannung oder einen geregelten Strom aufrechtzuerhalten.

Es bereitet somit beträchtliche Schwierigkeiten, Gleichrichter im Rahmen ihres Leistungs-Solls zuverlässig arbeitend auszulegen -und dabei die Gefahr von Überstrom oder Überspannung an den Halbleitervorrichtungen zu vermeiden; insbesondere bereitet es beträchtliche lyiühe, dafür Vorsorge zu treffen, daß die Halbleiterschalter nicht zufälligerweise in gefährliche Betriebsbedingungen laufen, die zu einem Ausfall_s einer Beschädigung

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oder Zerstörung der Vorrichtung führen könnten, wobei insbesondere die großen Schwankungen der möglicherweise auftretenden Bedingungen zu berücksichtigen sind. Daher sind geeignete Vorrichtungen gewöhnlich nur mit beträchtlichen Kosten zu erneuern.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Umformer zu schaffen, der die vorstehend skizzierten Schwierigkeiten im wesentlichen überwindet. Dazu schlägt die Erfindung ein Stromversorgunqsqerät vor, das aus einem Wechselstrom-Eingang einen Ausgangs-Gleichstrom erzeugt und einen Gleichrichter zur Gleichrichtung eines .Wechselstrom-Eingangs in einen al eichgerichteten Ausaano, eine Halbleiter-Schalteinrichtung zur Umschaltung des gleichgerichteten Ausgangs, einen Transformator aufweist, an dessen Eingang der umgeschaltete, cleichqerichtete Strom abwechselnd in entgegengesetzter Polarität 'auftritt und an dessen Ausgang ein Wechselstrom von einem zweiten Gleichrichter zur Erzeugung des Ausgangs-Gleichstromes abnehmbar ist, wobei die Frequenz des am Transformatorausoang auftretenden Wechselstromes wesentlich größer als die Frequenz des Eingangs-Wechselstromes ist, und wobei ein Regler zur Steuerung des Schaltens der Gleichrichter—Schalteinrichtung vorgesehen ist, der einen Anlaufspannungsgenerator zur Erzeugung zwei-er Anlaufspannungs-Signalzüge aufweist, von denen die jeweiligen Anlaufspannungen sich zeitlich abwechseln, sowie eine Koinzidenzeinrichtung aufweist, mit der die Koinzidenz einer Anlaufspannung und einer Schwellenspannung feststellbar ist, wobei schließlich die Halbleiter-Srhalteinrichtung durch die Koinzidenz-Einrichtung im Hinblick auf die Periode, während der gleichgerichteter Strom dem Transformatoreingang zugeführt wird, gesteuert wird, und wobei außerdem eine Verstelleinrichtung für die Schwellen- '

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spannung entsprechend einer Größe des Ausgangs-Gleichstromes vorgesehen Ist.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm des Umformers;

Fig. 2 schaltungsfnäßige Einzelheiten des Umformers aus Fig. 1; und

Fig. 3 ein Schutzschild.

Gemäß Fig. 1 wird- ein Wechselstrom von Netzfrequenz und -spannung, also etwa von 240 V und 50 Hz, an die Anschlüsse 10 angelegt. Die Eingangsspannung wird von einem Gleichrichter 11 gleichgerichtet, an dessen Ausgang 12 ein Gleichstrom auftritt. Der Ausgang 12 wird auf eine Schalteinheit 13 gegeben, die aus zwei Halbleiter-Schalt— vorrichtungen, vorzugsweise Transistoren, besteht, die abwechselnd ein und ausgeschaltet werden, und zwar bei einer Frequenz, die wesentlich höher als die Netzfrequenz ist und vorteilhafterweise in der Größenordnung von einigen 10 kHz oder höher liegt. Folglich ist der Ausgang aus der Schalteinheit 13, der bei 14 auftritt, hochfrequenter Wechselstrom. Der Ausgangsstrom läuft durch einen Stromfühler 15 und gelangt auf einen Transformator 16 der den hochfrequenten Wechselstrom auf eine geeignete Niederspannung umformt, die demzufolge bei 17 auftritt und dann einem weiteren Gleichrichter 18 angeboten wird und schließlich an den Ausgangsanschlüssen 19 erscheint. Obgleich in der Einheit 16 ein Transformator erforderlich^ist, kann er wegen seines Betriebes bei einer wesentlich höheren als der Netzfrequenz von kleiner räumlicher Größe sein und preiswerter sein als ein äquivalenter Transformator, der bei 50 Hz Netzfrequenz arbeitet.

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Der am Anschluß 19 auftretende Ausgang wird dadurch geregelt, daß die Periode, während der die Transistoren der Schalteinheit 13 jeweils leiten, gesteuert wird. Wenn der Arbeitszyklus niedrig ist„ befindet sich jeder Transistor im eingeschalteten Zustand nur für eine kurze Periode während jedes' Operationszyklus, wobei die Ausgangsgleichspannung am Anschluß 19 entsprechend reduziert wird*, Durch Vergrößern des Arbeitszyklus kann der Ausgang bei 19 auf den maximal möglichen Wert erhöht werden,,

Dementsprechend wird der Arbeitszyklus der Transistoren der Schalteinheit 13 zum Zweck eines geregelten Ausgangs bei 19 gesteuert. Dazu ist ein Regler 20 vorgesehen, der verschiedene Verstärker sowie für seinen Betrieb eine weitere kleine Spannungsversorgunqseinheit 21 besitzt, die einen geeigneten Niederspannungs-Gleichstrom erzeugt« Die Einheit 21 kann in Anbetracht des geringen Leistungsverbrauchs für ihren Betrieb bei Netzfrequenz arbeiten, so daß die Verwendung eines Netzfrequenztransformators hier toleriert werden kann. Der Regler 20 erzeugt die gewünschten Regel-Impulse zur Steuerung der Transistor-Schal teinheit 13 und kann auf den Strom ansprechen, der von der Netz-Versorgungseinheit gemäß der Feststellung des Stromfühlers 15 gezogen wird« Eine Verbindung vom Stromfühler zum Regler ist über die Leitung 22 vorgesehen. Der Regler spricht weiterhin Ausgangsspannung am Anschluß 19 an, und zwar über die Leitung 23_o Als weitere Vorsichtsmaßnahme spricht der Regler auf den Ausgang aus der" Gleichrichtereinheit 21 über die Leitung 24 an, um sicherzustellen, daß keine unerwünschte Betriebsbedingung der Haupt-Schalteinheit 13 auftreten kann, beispielsweise aufgrund eines Ausfalls des·Ausgangs aus der Einheit 21.

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Dar Ausgang am Anschluß 19 der beschriebenen Versorgungseinheit kann mithin so geregelt werden, daß die Spannung bei !verschiedenen Lastbedingungen konstant gehalten werden kann, und die Transistoren der Schalteinheit 13, die sehr teure Komponenten sein können, werden vor Schaden aufgrund anormaler Betriebsbedingungen geschützte

Fig_o 2 zeigt im einseinen eine Möglichkeit zur Realisierung des Systems der in Fig«, 1 dargestellten Art_o Gemäß Fig_o wird die Eingangs—Netzspannung an den Anschlüssen TB 1 wie dargestellt eingegeben und gelangt durch eine Netz-Sicherung FS 101 In ein Netzfilter MF 1« Der Ausgang aus dem Filter wird mit Hilfe einer Dioden-Graetz-Gleichrichter= Brücke D 101 bis D 104 gleichgerichtet und der gleichgerichtete Ausgang wird von den Kondensatoren C 103 gesiebt₉ die mit einem Entladewiderstand R 103 versehen sind ο Die am Kondensator C 103 auftretende gleichgerichtete Spannung wird dann zwei Schalttransistoren TR 101 und TR 102 zugeführt, wobei die Kondensatoren C 101 und C eine sogenannte Halb-Brückenschaltung bilden«, Der Basisstrom der Transistoren TR 1 und TR 2 wird durch einen Steuerstrom-Eingangstransformator T 102 gesteuert, der von einer noch zu beschreibenden Steuereinheit gespeist wirdο Der geschaltete Ausgang der Transistor-Halbbrücken-, schaltung, der aus Glelc.hströmimpulsen_ von entgegengesetzter Polarität und geregelter Dauer besteht, wird durch die Primärwicklung eines. Stromfühl er·= Transformators T 101 zur Primärwicklung" eines Spannungs-Umformertransformators T 105 gegeben_o Ein Shunt-Stromkreis bestehend aus'Widerstand R 103 und Kondensator C 105 bildet ein Dämpfungsnetzwerk,.das den Schaltleistungsverbrauch in den Haupt-Schalt-Transistoren optimierte

-Der Kiederspannungsausgang des Transformators T 105 wird

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von den Dioden D 109 und D 110 gleichgerichtet und über eine Filterspule CH 103, einen Filterkondensator C 106 auf die Ausgangsanschlüsse des Ausgangsblockes TB 3 gegeben-. Parallel zum Ausgang liegt ein Kondensator C 107 und ein Widerstand R 104 liefert einen kleinen Laststrom, wenn die äußere Belastung Null ist. Die Kondensatoren C 107, C 109 und C 110 sind zur Reduzierung des Hochfreguenz-Rauschens vorgesehen, das a,n den Ausganqsanschlüssen auftreten könnte. Der Kondensator C 104,der über der Sekundärwicklung des Transformators T 105 liegt, dient zur Unterdrückung von Schaltspitzen, die sich aus dem Betrieb der Haupt-Schalttransistören ergeben könnten.

-Der Netzstrom läuft nach dem Filter MF 1 ebenfalls durch die Primärwicklung eines Hilfs-Netztransformators T 104, der mit dem von den Dioden D 105 bis D 108 gebildeten" Brückengleichrichter und den Glattungskondensator Cl eine kleine Niederspannungs-HilfsVersorgung für den Betrieb des Reglers und der zugehörigen Einheiten darstellt. Die Reglereinheit weist Transistoren TR 1 und TR2 auf, die zusammen mit den Widerständen R 1 bis R 4, R 46 und R47 sowie mit den Kondensatoren C 2 und C 3 und den Dioden D 1 und D2 einen freilaufenden Multivibrator bilden, dessen Ausgang die Kurvenform einer Anlaufspannung besitzt. Die Art und Weise des Betriebes des Multivibrators ist in der britischen Patentanmeldung Nr. 58 448/71, insbesondere im Zusammenhang mit deren Fig» 5 beschrieben. Der ungefähr lineare Anteil der.Entladung der Zeitkondensatoren C 2, C 3 durch die Kollektor-Lastwiderstände R 1 und R 4 findet während des gesamten HaIb-Zyklus¹ des Betriebes statt. Ein Transistor TR 7 in Verbindung mit den Widerständen R 5, R6, R 7, R8 und der Diode D 3 stellt eine Konstant-Strom-Quelle dar.

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Diese Stromquelle teilt sich in drei Transistoren TR 5, TR 6 und TR 9. Der Strom wird durch den Transistor TR 9 und· einen oder den anderen der Transistoren TR 5 oder TR fließen, in Abhängigkeit von dem Halbzyklus des Betriebes, wie er von dem Transistor TR 1 oder TR 2 bestimmt ist. Die Transistoren TR 3 und TR 4 führen den beiden Hälften der Primärwicklung des Transformators T 102 Strom zu j dessen Sekundärwicklungen das Schalten der Haupt-Schalttränsistören TR 102 und TR 101 dadurch steuert, daß die Basisstrome jener Transistoren geregelt werden. Die Transistoren TR 5 und TR 6 steuern jeweils die Transistoren TR 3 und TR. 4.- "

Der Arbeitszyklus des Schaltens der Haupttfansistoreri wird durch Verändern eines Schwellwertes gesteuert, bei dem das Umschalten eintritt, indem der Betrieb des Transistors TR 9 gesteuert wird, und wobei der Schwellwert verändert werden kann, wodurch der Arbeitszyklus des Betriebes und schließlich der mittlere Ausgang des Umformers variiert Werden kann.

Zu Beginn des Halbzyklus des Betriebes läuft ein konstanter Strom durch den Transistor TR 7 und den Transistor TR 9* Zum gleichen Zeitpunkt des BetriebsZyklus wird - definiert durch einen Schwellpegel an der Basis - des Transistors TR 9 Strom aus dem Transistor TR 9 entweder an den Transistor TR 5 öder TR 6 übergeben, je nach dem vorliegenden HaIbzyklus. Weiterhin wird der Transistor TR 3 oder TR 4 einen konstanten Strom führen, der sich bemißt durch den Widerstand R 7 und die Zenerdiode D 6 sowie entweder durch die Diode D 5 oder D 7* Diesär konstante Strom wird Weiterhin durch eine variierbare Treiberschaltung gesteuert^ die aus dem Transistor TR 15 und den Widerständen R 36 und R 109 bestehtj deren Arbeitsweise weiter unten noch beschrieben wird. Der Treiberstrom für die Haupt—Schält-

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transistoren durch TR 3 und TR 4 kann auch über Schaltungen aus den Dioden D 4 oder D 8 und den Transistor TR 8 laufen in einer Weise, die ebenfalls noch, beschrieben wird.

Die Strombedingungen im Transistor TR 9 sind wesentlich zur Bestimmung des Arbeitszyklus des Schaltens der Haupttransistoren und damit des Ausgangs des Umformers. Der Schwellpegel an der Basis dieses Transistors TR 9 wird durch vier Hauptfaktoren beeinflußt.

Der erste dieser Faktoren ergibt sich aus den Betriebsbedingungen in der Schaltung aus den zwei Widerständen R 25 und R 28, die eine obere Grenze für den Arbeitszyklus von etwa 85 % des vollen Halb-Zyklus·bewirken. Die Diode D 9 sorgt für einen oberen Grenzwert für die Basisspannung am Transistor TR 9, um einen Rückstrom durch die Transistoren TR 9, TR 5 oder TR 6 und TR 2 oder TR 1 zu verhindern..

Der zweite Faktor, der die Arbeitsweise des Transistors TR 9 beeinflußt, ist die Ausgangsspannung am Kondensator C 1, d.h. die Ausgangsspannung des Hilfs-Versorgungsgerätes. Um ein zufälliges Auslesen der Haupttransistoren während der Auflaufperiode zu verhindern, ist ein Transistor TR 11 vorgesehen und in Reihe mit den Widerständen R 28, R 27, Transistor TR 12 und Widerstand R 26 quer über den Ausgang der Hilfseinheit geschaltet. Die Basis des Transistors TR 11 wird von einer Zenerdiode D 11, einem Widerstand R 29 und einem Widerstand R 16 gesteuert.

Der dritte Faktor, der den Transistor TR 9 beeinflußt, ist die Ausgangsspannung der Einheit. Die Transistoren

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TR 16 und TR 17 bilden einen Spannungsvergleicher, wobei der Vergleichsausgang den Basisstrom des Transistors TR steuert, der seinerseits den Basisstrom des Transistors TR 9 beeinflußt. Diese Schaltung hält die Ausgangsspannung unter Normalbedingungen konstant.

Der vierte, den Transistor TR 9 beeinflussende Faktor ist der Stromausgang aus dem Strom-Fühler-Transformator T 101, der im Zusammenhang mit dem Transistor TR 13 in zu beschreibender Weise.

Die Art und Weise, in der die ersten beiden der genannten Faktoren wirken, dürfte aus der vorstehenden Beschreibung deutlich geworden sein. Bezüglich des dritten Faktors, nämlich der Art, in der der Transistor TR 9 auf die Spannungssteuerung anspricht, ist zu bemerken, daß die Diode JD 22, Widerstand R 13 und Transistor TR 18 eine Konstantstromquelle für eine Bezugsspannunqsdiode D 21 bilden. Die Widerstände R 22 und R 23 und der Kondensator C 4 koppeln ein Signal, daß aus der Impulsweiten-modulierten Kurve am Kollektor des Transistors TR 8 integriert wurde, zurück, so daß sich eine Verschiebe-Spannung an dem Widerstand R 38 ergibt und damit die lastabhängige Regelunq der Ausgangsspannung verbessert wird. Die Spannung über R 38, die auf der Referenzspannung der Zenerdiode D 21 steht, wird auf die Basis des Transistors TR17 gegeben, der mit dem Transistor TR 16 einen üblichen Spannungsvergleicher mit zwei gekoppelten Teilen (long-tailed pair voltage comparator) bildet. Diese Spannung an der Basis von TR 17 wird demzufolge mit der Spannung an der Basis von TR 16 verglichen, die aus dem Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R 37, R 113 und_; R 114, abgeleitet ist. Der Widerstand R 114 ist variabel, um eine Spannungssteuerung zu ermöglichen, und von außen

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zugänglich, beispielsweise vom Anschluß TB 2 aus, um die Steuerung und Einstellung von außen ausführen zu können.

Die Ausgangsspannung aus dem Spannungsvergleich erscheint am Widerstand R 12 im Kollektorkreis des Transistors TR und wird der Basis des Transistors TR 12 zugeführt, die sich in der Steuerschaltung für den Basisstrom des Transistors TR 9 befindet. Die Dioden D 19 und D20 schützen die Transistoren TR 16 und TR 17 vor Übergangs-Spannungsspitzen und der Kondensator C8 verhindert eine Instabilität der Schleife bei der Spannungssteuerung. Die Spannung an der Basis des Transistors TR 12 bewirkt eine Impulsweiten-Modul ations des Umsetzers in einer Weise, die noch deutlich werden wird, und die im weiteren in der britischen Anmeldung Nr. 58 448/71 beschrieben ist.

Die Steuerung des Transistors TR.9 entsprechend den Strombedingungen in der Ausgangsschaltung ergibt eine Langzeit-Stromregelung und schützt die Einheit gegenüber anhaltenden Überlastungen, schafft eine sofortige Stromregelung zum Schutz der Haupt-Schalttransistoren TR 101 und TR gegenüber dem Ausfall der Dioden D 109 oder D 110 Oder des Transformators T 105 und liefert darüber hinaus eine variable Treibersteuerung, um zu verhindern, daß die Hauptschalttransistoren bei geringer Belastung übersteuert werden. .

Der Strom in der Primärwicklung des Strom-Transformators T 101 verbleibt in einem ungefähr konstanten Verhältnis zu dem Ausgangs-Gleichstrom und kann daher zu Zwecken der Stromsteuerung verwendet werden. Der Strom in der Sekundärwicklung des Transformators T 101 wird durch die Diodenbrücke aus den Dioden D 12 bis D 15 gleichgerichtet und erzeugt eine Spannung über den Widerstand R 35,

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deren Spitzenwert proportional zum Ausgangsstrom ist. Dieser Spitzenwert wird über Widerstände R 34 und R 33 und den Transistor TR 14 auf den Kondensator C 6 gegeben und mit der Strom-Referenzdiode D 18 durch den Transistor TR 14 verglichen. Wenn die Spannung einen hinreichend großen Wert erreicht, schaltet der Transistor TR 13 ab. Dadurch kann Strom aus dem Widerstand R 10, der früher über den Transistor TR 13 geleitet und von der Diode D 10 gesperrt wurde, über die Diode D 10 in die Basis des Transistors TR 9 fließen, den Schwellwert anheben und damit den Arbeitszyklus reduzieren, so daß ein konstanter Strom in die äußere Last fließt.

Ein weiteres Merkmal dieser Schaltung besteht darin, daß wegen der Ladung des Kondensators C 6 aus einer Quelle niedriger Impedanz, gegeben durch den Transistor TR 14 eine Abhängigkeit von zunehmendem Strom während der Dauer eines Betriebszyklus' erhalten wird und hinreichend schnell anspricht, um die Hauptschalttransistoren TR 101 und TR 102 gegenüber Ausfällen von Schaltungskomponenten zu schützen. Besonders hohe Geschwindigkeit ist bei einem Schutz gegen äußere Überbelastung oder Kurzschlüsse nicht erforderlich, und zwar wegen der Verzögerung, die im Effekt durch Verwendung der integrierenden Drossel CH 103 erzeugt wird, die verhindert, daß der Strom mit einer Geschwindigkeit ansteigt, die zu schnell für ein Ansprechen der Steuerschaltung ist. Um eine Instabilität der Schleife bei konstantem Strombetrieb zu verhindern, hat der Kondensator C 6 eine relativ geringe Entladungsrate über den Widerstand R 32.

Ein drittes Merkmal der Stromsteuerschaltung ist die variable Treiberregelung. Für den Umformer ist es er- -

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wünscht, daß die Transistoren TR 101 und TR 102 von einem Basisstrom geschaltet, der so groß wie möglich ist, so daß sich im Effekt ein gewisser Grad an Übersteuerung ergibt. Dies dient dem Zweck, daß eine derartige Übersteuerung^ die Stromanstiegzeiten in. den Transistoren reduziert und damit die Schaltieistungsverluste reduziert, wodurch sich ein besserer Gesamt-Wirkungsgrad ergibt. Es ist jedoch auch erwünscht, daß beim Abschalten der Transistoren der Übersteuerungsbetrag nicht größer als minimal erforderlich ist, da übertriebene Steuerung (Treibung) die Speicherzeit des Transistors erhöht. Dies erhöht nicht notwendigerweise den Verlust beim Abschalten, kann jedoch zu einem Überlappen der Ladungszeiten der beiden Transistoren führen, insbesondere bei geringen Werten des Laststromes. Die variable Treibung (Steuerung) wird durch den Umstand erreicht, daß dann, wenn die ansteigende Auflaufspannung an der Basis des Transistors TR 5 oder TR 6, je nach dem Halbzyklus der gerade betrachtet wird, den Schwellwert der Basis von TR 9 erreicht, der vorher in dem Transistor TR 9 fließende Strom etwa in den Transistor TR 5 übertragen wird und den zugehörigen Stromquellentransistor TR 3 einschaltet. In diesem Augenblick ist der Transistor TR S noch in Leitung, da der Übergang des Stromes von TR 9 auf TR 5 nicht augenblicklich erfolgt und der Strom beginnt in dem Transistor TR 3 zu fließen, ehe die Kette aus TR 9, TR 10 und TR 8 den Transistor TR 8 abschaltet.

Wenn der Transistor TR 8 abschaltet, kann die gesamte Treiberspannung aus dem Transistor TR 3 durch die halbe Primärwicklung des Treibertransformators T 102 laufen und den Haupt-Schalttransistor TR 102 einschalten, wobei ein großer Wert an Übersteuerung auftritt. Der Transistor TR 15, der während der Leitunqsperiode des Tran-

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sistors TR 8 abgeschaltet gehalten wurde, und zwar.vermöge der Wirkung der Trenndiode D 17, wird vorübergehend abgeschaltet gehalten, und zwar durch die Ladung auf dem Kondensator C 12« Wenn der Ladestrom in dem Haupttransformator T 105 aufgebaut wird, wird dies von dem Strom— transformator T 101 abgefühlt und eine Spannung über den Widerstand R 35, wie bereits erwähnt, erzeugt. Diese Spannung hält den Transistor TR 15 durch üie Trenndiode D 16 auf einem Pegels, der von dem Ausgangsstrom abhängt. Ein variabler Betrag des zur Verfügung stehenden Treiberstromes in dem Widerstand R 7 wird daher durch den Transistor TR 15 gelenkt und der Betrag des Treiberstromes in dem Transistor TR 102 reduziert sich auf einen Pegel, der seinem tatsächlichen Kollektorstrom entspricht. Am Ende eines Halbzyklus¹ kehren sich die Verhältnisse um, wobei ein Strom vom Transistor TR 5 zurück zum Transistor TR 9 übertragen wird und den Transistor TR S einschaltet«, Dadurch wird die Primärwicklung des Treibertransformatofs T 102 wirksam kurzgeschlossen, der eine niedrige Impedanz zwischen die Basis und den Emitter des Schalttransistors TR 102 gibt und ihn abschaltet. Diese niedrige Impedanz-Bedingung setzt sich fort bis zum Beginn der nächsten Leitungsperiode,, wenn TR 101 eingeschaltet und eine Gegenspannung auf den Transistor TR 102 gegeben wird.

Die Schaltung ergibt weiterhin einen Schutz gegen Überspannung, wenn gewisse Fehler in der Einheit auftreten können, die eine Überspannung an den Ausgangsanschlüssen erzeugen könnten, die ihrerseits spannungsempfindliche Lasten beschädigen könnte. Um dies zu verhindern, wird die Ausgangsspannung von einem Transistor TR 20 abgefühlt, der von den Widerständen R 101, R 108, R 45,- R 42 und R 42 sowie durch einen Thermistor R 44 in einer Weise

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gesteuert wird, daß er an einem gewünschten, ^orbestimmten Überspannungspegel zu leiten beginnt. Der Thermistor R 44 liefert die Temperaturkompensation für den Temperaturkoeffizienten der Basis-Emitterspannung des Transistors TR 20. Durch die Widerstände R 14, R 41 und den Kondensator C 11 wird der Transistor TR 20 den Transistor TR 19 einschalten, und zwar mit einer geringen Verzögerung aufgrund des Kondensators C 11, dessen Zweck darin besteht, ein Ansprechen auf kurzzeitige Störungs-Spannungsspitzen zu verhindern. Widerstände R 21 und R 40 sowie der Kondensator 90 sorgen dafür, daß der Transistor TR den Thyristor SCR 1 durch den Widerstand R 39 schaltet. Dadurch.wird der Treiberstrom vom Widerstand R 7 durch den Widerstand R 106 gelenkt und verhindert, daß die Transistoren des Umformers eingeschaltet werden.

Es hat sich ergeben, daß gewisse umlaufende Wirbelströme o. dgl. im Chassis Anlaß zu Störungen geben können; daher werden Abschirmungen zur Begrenzung der kapazitiv erzeugten Ströme verwendet, wobei die Abschirmungen neben und zwischen den Schaltungskomponenten und etwa einem Metallchassis angeordnet. Eine typische Abschirmung zeigt Fig. 3; sie besteht aus einer Metallplatte 40, die mit einer isolierenden Schicht 41 laminiert und von dieser umschlossen ist. Der An der Abschirmung erzeugte Strom kann in einfacher Weise an geeigneter Stelle in der Schaltung abgeleitet werden, wodurch die Ströme in dem Chassis vermieden und das Ausmaß an benötigter Filterung reduziert wird.

Vorteilhafte Merkmale der beschriebenen Vorrichtung sind etwa die folgenden:

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(1) Das Verfahren zur Umwandlung einer Gleichspannung

in zwei Reihen von zweiphasigen Impulsen mit gesteuerter Impulsbreite, mit Hilfe eines Paares von Transistoren TR und TR 6, deren Basis von einem Paar abwechselnd auftretender Auflaufspannungen (schräg ansteigenden Spannungen) gesteuert werden, wobei die Leitungszeit dieser Transistoren durch das Vorliegen einer Schwell-Leitungsspannung bestimmt ist, die von einem dritten Transistor TR 9 abgeleitet wird.

(2) Die Ableitung eines Paares von zweiphasig,en Auflauf— spannungen direkt aus einem überkreuz angeschlossenen Multivibrator TR 1 und TR 2 ohne zusätzliche Integrationsstufe in dem der ungefähr lineare Abschnitt der Entladungskurve der Zeitkondensatoren G 2 und C 3 durch die Kollektorlastwiderstände R 1 und R 4 während des gesamt ten Halbzyklus¹ der - Schwingung vorhanden ist.

(3) Die Verwendung von Stromimpulsen in dem Schwellpegel-Transistor TR 9, die in bequemer Weise mit den "Verweil-Zeiten¹¹ oder "Abschalt-Periöden" der Umwandlerstufe zusammenfallen, um den Abschalttransistor TR 8 für die Steuerung zu betätigen. Diese Impulse können auch dazu dienen, eine koinzideinte Leitung der Hauptinvertertransistören TR 101 und TR 102 zu verhindern.

(4) Das Verfahren zum Abschalten der Umformerschaltungen, wodurch im Augenblick des Abschaltens ein Transistor TR 8 in die Leitung geschaltet wird und eine niedrige Impedanz über die Primärwicklung des Treiber-Transformators T 102 schlägt. Diese niedrige Impedanz kann dann, wenn sie durch das Quadrat des WindungsVerhältnisses des Treibertransformators übersetzt wird, hinreichend Gegen-Basisstrom

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aus den Umformer-Transistoren TR 101 und TR 102 absaugen und ihr schnelles Abschalten veranlassen.

(5) Das Verfahren zur Veränderung der Umformer-Transistor-Steuerströme (Treiberströme) mit dem Ladestrom durch Verwendung des Ausgangs des Stromfühlertransformators T 101 zur Steuerung eines Transistors TR 15, der einen Teil des durch R 7 erzeugten Konstantstromes abzieht und ihn von dem Treibertransformator T 102 weglenkt.

(6) Die Verwendung eines Kleinsignal-Thyristors, der in den Steuerschaltungen arbeitet, um einen Schutz gegen Überspannung zu haben, anstelle eines großen, verlustreichen Querbügels über den Ausgangsklemmen.

(7) Die Schaffung eines Mittelpunktes der Gleichspannung mit Hilfe kleiner Hochfrequenz-Ansprechkondensatoren ClOl und C102 anstelle eines Aufteilens des Hauptspeicherkondensators C 103 für 100 Hz. Dies ist besonders platzsparend, da ein einziger Kondensator für eine Belastbarkeit von etwa 400 V nur etwa halb soviel Raum einnimmt wie zwei äguivalente 200 V-Kondensatoren in Reihe geschaltet, führt ferner zur Schaffung einer Niederimpedanzquelle für hochfrequente Ströme, die in den Ausgangstransformator T 105 fließen müssen und schafft weiterhin einen Sicherheitsfaktor für den Fall eines plötzlich fehlenden Abgleichs der Umformer-Leitungsζeiten aufgrund der relativ geringen in den Kondensatoren C 101 und C 102 gespeicherten Energie.

(8) Das Verfahren zur Verhinderung gleichzeitiger Leitung beider Umformer-Transistoren TR 101 und TR 102 durch Stromfühler-Transformator T 101 oder, auf Wunsch, durch sein Äquivalent einer dritten Wicklung auf dem Ausgangs—

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transformator T 105, um Kleinsignal-Transistoren, die zwischen der Basis und dem Emitter der Umformer-Transistoren TR 101 und TR 102 eingeschaltet sind, zu steuern, derart, daß dann, wenn ein Umformertransistor gleitet, der Kleinsignal-Transistor, der über dem anderen Umformer-Transistor geschaltet ist, eingeschaltet wird und somit die Leitung in jenem Umformer-Transistor verhindert.

(9) Das Verfahren zur Verzögerung des Auftretens des variablen Steuerstromes durch Hinzufügung eines Kondensators C 12, der es ermöglicht, daß der volle Trei-" ber (Steuer-)Strom für den Anfangsteil der Leitungsperiode aufgegeben wird. Dadurch ergibt sich eine sehr schnelle Stromeinschaltung in den Umwandler-Transistoren TR 10.1 und TR 102.

(10) Das Verfahren zum Anlegen eines lokalen Rückkopplungssignals in dem Spannungsverstärker TR 16 und TR 17 durch Integrieren der impulsbreiten-modulierten Kurve (an dem Kollektor von TR 8) und Anlegen des integrierten Wertes an R 38.

(11> Das Verfahren des Stromschutzes, wodurch'eine sehr schnelle Schutzwirkung gegenüber zunehmenden Überlastungen dadurch gegeben ist, daß der Kondensator C 6 zur Stabilisierung der Stromschleife aus einer Quelle TR 14 von niedriger Impedanz geladen und über eine relativ hohe Impedanzlast R 32 entladen wird. Schließlich

(12) die Schaffung von Abschirmungen zum Ableiten kapazitiver Streuströme und deren Beschränkung auf die Einheit. .

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Insgesamt wurde ein Umformer, insbesondere ein Netzgerät, zur Erzeugung einer Gleichspannungsleistung bei niedriger Spannung aus üblicher Netz-Wechselspannung beschrieben, der ohne schwergewichtige Netztransformatoren auskommt. Die Wechselspannung wird gleichgerichtet und mit hoher Frequenz wechselgerichtet, auf niedrige oder eine andere Spannung transformiert und erneut gleichgerichtet. Die Regelung der Schalteinrichtung geschieht durch Vergleich von Auflaufspannungen gegen eine Schwellenspannung und die Schwellenspannung wird entsprechend gewisser Variablen gesteuert, darunter Ausgangsspannung und Ausgangsstrom, um den Arbeitszyklus .der Schalteinrichtung und damit den Ausgang entsprechend zu verändern.

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Claims (9)

Ansprüche

1. An eine Wechselspannungsquelle anschließbares Versorgungsgerät zur Abgabe von Gleichstrom an eine Last mit einem Gleichrichter, in welchem der aus der Wechselstromquelle aufgenommene Wechselstrom gleichgerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Halbleiter-Schalteinrichtung (TR 101, 102) der Gleichrichter-Ausgang wechselgerichtet wird; daß der wechselgerichtete Strom in abwechselnd entgegengesetzter Polarität auf den Eingang eines Transformators gegeben wird, an dessen Ausgang ein Transformator-Wechselstrom auftritt; daß der Transformator-Wechselstrom in einem zweiten Gleichrichter zur Erzeugung des von dem Gerät abgegebenen Ausgangs-Gleichstromes gleichgerichtet wird, wobei die Frequenz des Transformator-Wechselstromes wesentlich größer als die Frequenz des aus der Wechselspannungsquelle entnommenen Wechselstromes ist; daß ein Regler zur Steuerung des Umschaltens der Halbleiter-Schalt— einrichtung vorgesehen ist und einen Anlaufspannungsgenerator aufweist, wobei zwei AnIaufspannungszüge mit zeitlich abwechselnden Anlaufspannungen erzeugt werden; daß eine Koinzidenzeinrichtung die Koinzidenz einer Anlauf— Spannung mit einer Schwellwertspannung aus einer Schwellwertspannungsquelle" feststellt und die Halbleiter-Schalteinrichtung steuert, wodurch die Periode geregelt wird, während welcher der wechsel gerichtete Strom dem Transformatoreingang zugeführt wird; und daß eine Einrichtung zur Veränderung der Sclmeilwertspannung ent- ,. sprechend einer von dem an die Last abgegebenen'Ausgangs-

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gleichstrom abhängigen Größe vorgesehen ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler eine Konstantstromquelle, einen ersten, zweiten und dritten Transistor aufweist, durch die parallel ein konstanter Strom aus der Quelle laufen kann; daß an den ersten und zweiten Transistor jeweils ein Anlaufspannungszug anlegbar ist; und daß der Strom in dem dritten Transistor entsprechend der Schwellwertspannung gesteuert wird.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem ersten und zweiten Transistor Impulse an die jeweilige Halbleiter-Schalteinrichtung gegeben werden, die sie in die Leitung schalten; daß ein vierter Transistor an die Ausgänge des ersten und zweiten Transistors angeschlossen ist und die Impulse aus den ersten und zweiten Transistoren beendet, wodurch die Halbleiter-Schalteinrichtungen in die Nicht-Leitung zurückgeführt werden; und daß der vierte Transistor entsprechend dem Ausgang der Koinzidenzeinrichtung gesteuert wird.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Schalteinrichtung Schalttransistoren aufweist; daß der vierte Transistor eine niedrige Impedanz an dem Eingang der Halbleiter-Schalttransistoren bilden kann, wodurch der Gegen-Basisstrom aus den Transistoren abgezogen und ein schnelles Abschalten in die NichtLeitung der Transistoren erreicht wird.

5. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromfühlereinrichtung (15) einen von einem Strom abhängigen Ausgang erzeugt, wobei der Strom eine Funktion des von dem Gerät abgegebenen Gleichstromes ist; daß ein

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stromabfühlender Steuertransistor vorgesehen ist, dessen Strom von dem Ausgangsstrom der Stromfühlereinrichtung abhängt; daß der Steuertransistorstrom den konstanten Strom beeinflußt, der sich auf den ersten, zweiten und dritten Transistor aufteilt, wodurch das Schalten der Halbleiter-Schalteinrichtungen als Funktion des von dem Gerät abgegebenen Ausgangsgleichstromes gesteuert wird.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine kapazitive Verzögerungseinrichtung zur Ansprechverzögerung des Gerätes auf den abgegebenen Gleichstrom vorgesehen ist.

7. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromfühlereinrichtung ein Stromtransformator mit einer ersten und einer zweiten Wicklung ist, wobei durch die erste Wicklung ein von der Schalteinrichtung wechselgerichteter Strom fließt, und einen Gleichrichter enthält, der die an der zweiten Wicklung des Stromtransformators auftretende Spannung gleichrichtet.

8. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schalttransistoren an den jeweiligen Eingang der Halbleiterschalteinrichtungen angeschlossen sind, die im leitenden Zustand eine Leitung des mit ihnen verbundenen Halbleiter-Schalters verhindern; daß' ein Stromtransformator mit einer ersten Wicklung vorgesehen ist, durch den ein Impulsstrom fließt, der den wechselgerichteten Aus-

i gang der Halbleiterschalteinrichtung variiert, wodurch in einer zweiten Wicklung des Transformators ein Strom induziert wird, der die Schalttransistoren steuert, so daß das Schalten der Halbleiter-Schalter abwechselnd auftritt und eine gleichzeitige Leitung in den beiden Teilen der

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Halbleiter-Schalteinrichtung vermieden wird.

9. Gerät nach Anspruch 1 mit einem elektrisch leitfähigen Chassis, auf dem mindestens eine Schaltungskomponente befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrostatische Abschirmung an der Komponente vorgesehen ist, wobei die elektrostatische Abschirmung mit einem auf Bezugspotential liegenden Punkt verbunden ist und umlaufende Streuströme in dem Chassis verhindert,

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