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Gleichspannungs-Wechselspannungswandler
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Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungs-Wechselspannungswandler
mit einem Vergleichsverstärker, an den ein Sollwertgeber und die Ausgangsspannung
angeschlossen sind, und mit Torschaltungen zur Steuerung von parallelen Schaltstufen.
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Eine derartige Schaltung ist in der DE-OS 27 10 794 beschrieben.
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Mit dieser Schaltung kann eine Gleichspannung in eine sinusförmige
Wechselspannung gewandelt werden. Entsprechend der Anzahl der verwendeten parallelen
Schaltstufen läßt sich ein hoher Wirkungsgrad erreichen. Allerdings erfordert jede
Schaltstufe eine eigene Gleichspannungsquelle, wobei die Gleichspannungsquellen
für die positiven und negativen Halbwellen in Reihe geschaltet sind. Der Einsatz
derartig vieler Gleichspannungsquellen ist nur in Sonderfällen möglich. Darüber
hinaus begrenzt die Summenspannung der Gleichspannungsquellen die an einem Lastwiderstand
auftretende Maximalspannung.
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Aus der DE-OS 27 15 559 ist es bekannt, einen Dreiphasenstrom mit
mehreren kurvenformerzeugenden Stufen in Kaskadenschaltung zu erzeugen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs genannten
Art vorzuschlagen, bei der die Leistung einer einzigen Gleichspannungsquelle mit
hohem Wirkungsgrad in eine Wechselspannung gewandelt wird, deren Maximalspannung
über der Gleichspannung liegen kann.
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Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schaltstufen
zwischen einer Gleichspannungsquelle und Abgriffen
einer Obertragerwicklung
liegen, daß in Reihe zur Ubertragerwicklung je ein Steuertransistor für positive
bzw. negative Halbwellen geschaltet ist, daß die Basis des Steuertransistors am
Ausgang des Vergleichsverstärkers liegt und daß dann, wenn die an der Emitter-Kollektorstrecke
des Steuertransistors abfallende Spannung einen Minimalwert annimmt, eine weitere
der Schaltstufen zu- bzw. abschaltet.
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Der Sollwertgeber bestimmt die Form der Ausgangsspannung. Ober den
Vergleichsverstärker, auf den die Ausgangsspannung gegengekoppelt ist, wird bei
positiven Halbwellen der eine Steuertransistor und bei negative,1 Halbwellen der
andere Steuertransistor gesteuert. Die Verlustleistung dieser Transistoren beeinflußt
den Wirkungsgrad der Leistungsübertragung. Nach der Erfindung wird durch Verringerung
der Verlustleistung der Wirkungsgrad erhöht. Dies erfolgt unter dem Einfluß der
Gegenkopplung durch zwangsweise Verringerung der am betreffenden Steuertransistor
abfallenden Kollektor-Emitterspannung. Hierzu werden die Schaltstufen nacheinander
zu- bzw. abgeschaltet.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind zur Steuerung der
Schaltstufen in positiven oder negativen Halbwellen zwei Gruppen von Komparatoren
vorgesehen. Ein erster Komparator jeder Gruppe ist von dem Sollwertgeber gesteuert
und an die am einen bzw. am anderen Ende der Obertragerwicklung liegende Schaltstufe
angeschlossen. Die weiteren Komparatoren jeder Gruppe sind von dem jeweils benachbarten
Komparator und dem einen bzw. anderen Steuertransistor gesteuert und an zwischen
den genannten Schaltstufen liegende weitere Schaltstufen angeschlossen.
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Der erfindungsgemäBe Gleichspannungs-Wechselspannungswandler vereint
debei den Vorteil eines relativ niedrigen Klirrfaktors mit dem eines hohen Wirkungsgrades,
wobei letzterer durch eine Vergrößerung der Anzahl der Schaltstufen weiter erhöht
werden kann. In Verbindung mit einem 400-Hz-Generator als Sollwertgeber
ist
der Erfindungsgegenstand daher insbesondere geeignet zur Versorgung von Bordnetzen
von Luft-, Land- und Wasserfahrzeugen, da wegen der Empfindlichkeit derartiger Bordnetze
neben einem hohen Wirkungsgrad ein möglichst niedriger Klirrfaktor verlangt wird.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen Schaltplan eines Gleichspannungs-Wechselspannungswandlers
Fig. 2 ein Spannungsdiagramm Fig. 3 einen Ausschnitt des Spannungsdiagramms nach
Fig. 2, vergrößert.
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Ein Obertrager 1 weist eine Primärwicklung 2 mit Anzapfungen 3 bis
7 auf. An jede der Anzapfungen 3 bis 7 ist über je eine Sperrdiode 6 bis 12 eine
Schaltstufe 13 bis 17 angeschlossen.
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Jede der Schaltstufen besteht im wesentlichen aus einem elektronischen
Schalter. Die Schaltstufen 13 bis 17 liegen eingangsseitig an einem Pol 16 einer
Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie.
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Die Schaltstufen 13 und 17 sind von je einem Komparator 19 bzw.
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20 steuerbar. Die Schaltstufen 14, 15 und 16 sind von Komparatoren
21, 22 bzw. 23 oder 24, 25 bzw. 26 zu steuern.
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Die Komparatoren 19 bis 26 weisen Bezugseingänge 27 und Vergleichseingänge
26 auf. Die Bezugseingänge 27 der Komparatoren 19 und 20 liegen auf einem festen
Bezugspotential. Die Bezugseingänge der Komparatoren 21, 22 und 23 liegen jeweils
am Ausgang des benachbarten Komparators. Das gleiche gilt für die Komparatoren 24,
25 und 26. Die Vergleichseingänge 28 der Komparatoren 19 und 20 liegen am Ausgang
eines Sollwertgebers 29. Die Vergleichseingänge
der Komparatoren
21, 22 und 23 liegen an der Anzapfung 7. Die Vergleichseingänge der Komparatoren
24, 25, 26 liegen an der Anzapfung 3. Die gemeinsam an einer Schaltstufe 14, 15
bzw. 16 liegenden Komparatoren 21, 26 bzw. 22, 25 bzw. 23, 24 sind gegeneinander
mittels Sperrdioden 30 bis 35 entkoppelt.
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Die Anzapfung 7 ist über die Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors
36 gegen Masse geschaltet. Die Anzapfung 3 ist über die Kollektor-Emitterstrecke
eines Transistors 37 an Masse geschaltet.
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Die Basis des Transistors 36 ist über einen Widerstand 36 an einen
positiven Ausgang 39 eines Vergleichsverstärkers 40 angeschlossen. Die Basis des
Transistors 37 liegt über einen Widerstand 41 an einem negativen Ausgang 42 des
Vergleichsverstärkers 40.
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Am einen Eingang 43 des Vergleichsverstärkers 40 liegt der Sollwertgeber
29. Auf den anderen Eingang 44 ist über einen Widerstand 45 die an einer Ausgangsklemme
46 anstehende Spannug gegengekoppelt. Der Gegenkopplungsfaktor ist durch den Widerstand
45 und einen weiteren Widerstand 47 bestimmt.
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Die Ausgangsklemme 46 liegt am Spannungspol einer Sekundärwicklung
48 des Übertragers 1.
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Die Funktionsweise der beschriebenen Schaltung ist etwa folgende:
Es wird im Beispielsfalle davon ausgegangen, daß der Sollwertgeber eine sinusförmige
Spannung abgibt. Sobald die sinusförmige Spannung den Nullpunkt in positiver Richtung
durchläuft, aktiviert der Komparator 19 den Komparator 21 und schaltet die Schaltstufe
13 durch, so daß die Gleichspannung der Klemme 16 auf die Anzapfung 3 durchgeschaltet
ist. Die anderen Schaltstufen 14 bis 17 sind gesperrt.
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Gleichzeitig wird über den Vergleichsverstärker 40 der Transistor
36 angesteuert, so daß unmittelbar nech dem Nulldurchgang des Sollwertgebers 29
ein kleiner Strom über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 36 fließt. Daraus
resultiert eine entsprechende Spannung an der Ausgangsklemme 46. Durch die Gegenkopplung
auf den Eingang 44 des Vergleichsverstärkers 40 ist ein Spannungssprung am Ausgang
46 vermieden. Die Spannung UA am Ausgang 46 und die Spannung UE am Eingang 43 stehen
in der Beziehung: UA = KUFE, wobei K der Gegenkopplungsfaktor ist, welcher proportional
den Widerstandswerten der Widerstände 45, 47 ist.
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Unmittelbar beim Nulldurchgang der Spannung, solange noch kein Kollektorstrom
IC fließt, ist die an der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 36 abfallende
Spannung UCE gleich der Batteriespannung UB. Im Zuge des Anstiegs der Sinushalbwelle
sinkt die Kollektor-Emitterspannung UcE, während der Kollektorstrom IC entsprechend
ansteigt. In Fig. 3 ist dies dargestellt.
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Unter der Wirkung der Gegenkopplung wird im Zuge des Anstiegs der
positiven Sinushalbwelle die Kollektor-Emitterspannung UGE reduziert, wobei zwischen
den Anzapfungen 3 und 5 der Spannungsverlauf U1 nach Fig. 3 auftritt. Sobald diese
Spannung auf den Wert der Batteriespannung U5 angestiegen ist, ist die Kollektor-Emitterspannung
UcE Null, so daß der aktivierte Komparator 21 jetzt die Schaltstufe 14 durchschaltet.
Dieser Schaltpunkt ist in den Figuren 2 und 3 mit 2 bezeichnet. Die Kollektor-Emitterspannung
steigt sprungartig auf einen Wert an. der gleich der Spannungsdifferenz ist, welche
in diesem Zeitpunkt zwischen der Betriebsspannung und der zwischen den Anzapfungen
4 und 7 abfallenden Spannung besteht. Dementsprechend steigt auch der Strom 1 Anschließend
wird unter der Wirkung der Gegenkopplung die Kollektor-Emitterspannung UcE bei gleichzeitiger
Erhöhung des Stromes IC erniedrigt. Zwischen den Anzapfungen 5 bzw. 6 und 7 stehen
die Spannungen U3 bzw. U4 an.
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Durch das Schalten des Komparators 21 ist gleichzeitig der Komparator
22 aktiviert, so daß sich die beschriebenen Schaltvorgänge anschließend bei der
Schaltstufe 15 (vgl. Schaltpunkt 3 in Fig. 2 und 3) wiederholen. Das gleiche gilt
später für die Schaltstufe 16 (vgl. Schaltpunkt 4 in Fig. 2 und 3).
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Beim Abfall der positiven Sinushalbwelle des Sollwertgebers 29 schalten
die Komparatoren 23, 22, 21 und 19 nacheinander die Schaltstufen 16, 15, 14 und
13 ab. Die betreffenden Schaltpunkte sind in Fig. 2 mit 5, 6, 7 und 8 bezeichnet.
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Bei der negativen Halbwellen des Sollwertgebers 29 schaltet zunächst
über den Komparator 20 die Schaltstufe 17 ein. Anschließend folgen über die Komparatoren
24, 25 und 26 die Schaltstufen 16, 15 und 14. Die beschriebene Funktion des Transistors
36 übernimmt in diesem Falle der Transistor 37.
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Die betreffenden Schaltpunkte sind in Fig. 2 mit 9 bis 15 bezeichnet.
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Der Transistor 36 bzw. der Transistor 37 verbraucht einen kleinen
Teil der von der Gleichspannungsquelle an den Wechselspannungsausgang 46 übertragenen
Leistung. Dieser kleine Leistungsanteil ergibt sich aus der Summe der Produkte der
Momentanwerte der Spannung UcE und des Stroms Ic. Dieser verbrauchte Leistungsanteil
ist wesentlich kleiner als der einer vergleichbaren linearen Gegentaktverstärkerschaltung,
bei der Momentanverlustleistungen in Rechnung gestellt werden müssen, die sich aus
dem Produkt der Spannungskurve UV und einem der Spannungskurve U1 proportionalen
Strom ergäben (vgl. Fig. 3). Ersichtlich liegen bis zum Schaltungspunkt 4 bei der
Erfindung die Spannungs- und Stromwerte unterhalb der vergleichbaren Größen. Der
Wirkungsgrad der Schaltung nach der Erfindung ist demnach wesentlich größer als
in vergleichbaren Fällen. Er läßt sich durch weitere Anzapfungen und Schaltstufen
weiter erhöhen. Je mehr Anzapfungen und Schaltstufen vorgesehen sind, desto stärker
wird sich
der Verlauf der Kollektor-Emitterspannung UCE dem Achsenkreuz
in Fig. 3 nähern und desto stärker wird sich der Verlauf des Kollektorstromes IC
der durch Punkte A, B, C, D in Fig. 3 gehenden Kurve Icm nähern.