DE3323257A1

DE3323257A1 - Elektronischer wechselspannungswandler

Info

Publication number: DE3323257A1
Application number: DE19833323257
Authority: DE
Inventors: Jovan Prof. Dr.-Ing. 8000 München Antula
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-07-01
Filing date: 1983-06-28
Publication date: 1984-02-02
Also published as: DE3323257C2

Description

Elektronischer Wechselspannungswandier
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Wechselspannungswandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche elektronischen Wechselspannungswandler sind aus der DE-OS 20 55 210, der DE-OS 25 25 322 und der DE-OS 29 01 457 bekannt. Sie gestatten es, eine z.B.
netzfrequente Eingangswechselwechselspannung ohne einen für die betreffende Frequenz bemessenen Transformator und ohne den Umweg über eine durch Gleichrichtung erzeugte Gleichspannung eine Ausgangswechselspannung gleicher Frequenz, jedoch niedrigerer oder höherer effektiver Amplitude zu erzeugen. Die Eingangswechselspannung wird zu diesem Zweck mit einer höheren Frequenz zerhackt, die zerhackte Spannung wird mittels eines für die Zerhackerfrequenz dimensionierten und daher relativ kleinen Transformator transformiert, und aus der transformierten Wechselspannung wird dann durch ein Tiefpaßfilter die wieder im wesentlichen sinusförmige Ausgangswechselspannung erzeugt.
Es ist ferner aus der US-PS 35 17 300 bekannt, eine niederfrequente Eingangswechselspannung mit einer Zerhackerschaltung im Takte einer Zerhackerfrequenz zu unterbrechen, die meist wesentlich höher als die Eingangsfrequenz ist, die zerhackte spannung mit einem fÜr die Zerhackerfrequenz dimensionierten Transformator zu transformieren und die transformierte, impulsförmige Sekundärspannung mit Hilfe einer zweiten, mit der gleichen Zerhackerfrequenz betriebenen Zerhackerschaltung und eines Tiefpaßfilters zu einer Sinusspannung zusammenzusetzen.
Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe der Amplitude denänderung einer niederfrequenten Ei ngangswechselspannung mittels eines Zerhackers und eines für die Zerhackerfrequenz d imensionierten Transformators dadurch, daß die tranformierte Impulsfolge durch eine Schaltung mit ungesteuerten Gleichrichtern und zwei mit der niedrigen Eingangsfrequenz synchron arbeitenden Schaltern zu einer sinusförmigen Ausg.ngsspannung zusammengesetzt wird. Gegenüber der US-PS 35 17 300 hat diese Lösung den Vorteil, daß der zwischen der Sekundärwicklung des Transformators und dem Verbraucher liegende chaltungsteil einfacher und billiger ist.
Der vorliegende Wechselspannungswandler kann weitgehend als monolithischer integrierter Schaltkreis aufgebaut oder anderweitig integriert werden. Dabei ist von Vorteil, daß an die als Schalter arbeitenden Transistoren bezüglich ihrer Schnelligkeit und ihres Stromverstärkungsfaktors nur geringe Ansprüche zu stellen sind.
aei der Integration würden, wie üblich, die Ralbleiterbauelemente als Teile eines monolithischen Schaltkreises und Transformatoren, Induktivitäten und Kapa'2täten als diskrete Außenkomponenten ausgeführt.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
einzige Figur zeigt ein Schaltbild eine Wechselspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Der vorliegende Wechselspannungswandler arbeitet mit einer relativ hohen Zerhackungsfrequenzen, insbesondere Zerhackungsfrequenzen, die mindestens um der. Faktor 10² cJr;ßer sind als die Frequenz. der Eingangswechselspannung. Aus schaltungstechnischen Grunden wird man mit der Zerhackungsfrequenz allerdings irr; allgeme@nen nicht über das 105-fache der Frequenz der Eingangswechselspannung gehen. Für NetzFrequenzen sind beispielsweise Frequenzen zwischen 50 und 150 kHz geeignet.
Der dargestellte Wechselspannungswandler hat Eingangsklemmen 50a, 50b an die über einen mit einer Frequenz von beispielsweise 75 kHz arbeitenden elektronischen Zerhacker 52 eine Primärwicklung 54a eines für die Zerhackungsfrequenz bemessenen Transformators 54 angeschlossen ist, der ferner eine Sekundärwicklungen 54b mit einer Mittelanzapfung 56 enthält. Die Sekundärwicklung ist mit einer Zweiweg-Gleichrichterschaltung 60 verbunden, die vier Dioden 60a, 60b bzw. 60c, 60d enthält und zwei Ausgänge 58a und 58b hat, an denen bezüglich der Mittelanzapfung entgegengesetzt gepolte unipolare Spannungen B, B' auftreten. Der Ausgang 58a ist über ein Tiefpaßfilter 73a und einen al.s Schalter arbeitenden Transistor 64a mit einer ersten Ausgangsklemme 66a verbunden und der Ausgang 58b der Gleichrichterschaltung 60 ist über ein Tiefpaßfilter 73b und einen als Schalter arbeitenden Transistor 64b, der dem entgegengesetzten Leitungstyp angehört wie der Transistor 64a mit der Ausgangsklemme 66a verbunden. Die Basen dieser Transistoren sind jeweils miteinander verbunden; die Emitter sind miteinander und mit der ersten Ausgangsklemme 66a verbunden. Eine zweite Ausgangsklemme 66b b de s des Wechselspannungswandlers ist mit der Mittelanzapfung 56 verbunden, die bei der dargestellten Schaltung einen sekundärseitigen, erdfreien Gerätemassepol bildet.
Zwischen die Basen und die Emitter der komplementären Transistoren 64a, 64b ist eine Steuerschaltung geschaltet, welche eine Sekundärwicklung eines Steuertransformators 70 und einen Widerstand 72 enthält. Der Steuertransformator 70 hat eine mit den Eingangsklemmen 50a, 50b verbundene Primärwicklung 70a.
Die in dem gestrichelten Kasten dargestellte Zerhackerschaltung enthält eine Vollweg-Gleichrichterbrücke 40 mit vier in üblicher Weise geschalteten Halbleiterdioden. Die Gieichrichterbrücke 40 ist mit ihren Ausgangsklemmen 40a, 40b an die Wechselspannungs-Eingangsklemmen 50a, 50b angeschlossen und mit ihrer einen Ausgangsklemme 50c an einen Mittelabgriff der Primärwicklung 54a des Transformators 54. Die andere Gleichstrom Ausgangsklemme 50d ist jeweils über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 80a bzw. 80b mit den Enden der Primärwick- lung 54a gekoppelt. Die Basiselektroden der Transistoren 80a, 80b sind jeweils mit dem Ausgang einer Monovibratorschaltung oder einer integrierten Ansteuerungsschaltung 82a bzw. 82b (z.B. Thomsen-EFCIS Typ UAA 4002) gekoppelt, die ihrerseits mit einem Potentiometer 85 zur Einstellung der Dauer der den Basiselektroden der Transistoren 80a, 80b zugeführten Impulse gekoppelt sind.
Die Steuerung der Ansteuerschaltungen 82a, 82b erfolgt mit gegenphasigen Rechteckschwjngungen, die an entsprechenden Ausgängen einer Flipflop-Schaltung 83 (z.B.
MOTOROLA MC4027) zur Verfügung stehen. Die Flipflop-Schaltung 83 wird ihrerseits von einer Oszillator- oder Rechteckschwingungsgeneratorschaltung 84 (z.B. Fairchild RA555) mit der gewünschten Frequenz angesteuert.
Die Zwischenschaltung des Vollweggleichrichters 40 und der Transistoren 80a, 80b hat den Zweck, eine Sättigung des Kernes des Transformators 54 zu verhindern.
Die Schaltung arbeitet folgendermaßen: An der Sekundärwicklung 54b tritt eine Impulsspannung A auf, die zur Nullinie im wesentlichen symmetrisch ist und eine der Eingangswechselspannung entsprechende, zur Nullinie symmetrische Hüllkurve hat. Die Zweiweg-Gleichrichterschaltung 60 erzeugt hieraus zwei unipolare Impulsspannungen B bzw. B' entgegengesetzter Polaritäten.
Die unipolaren Impulsspannungen werden durch die Filter 73a und 73b geglättet. Die Filter können auch zwischen die Schalter-Transistoren 64a, 64b und die Ausgangsklemme 66a geschaltet sein oder auch Jä-flz entfjfl<'n, falls die durch sie bewirkte Glättung nicht erforderlich ist.
Die Transistoren 64a, 64b werden synchron mit der Eingangswechselspannung abwechselnd durchgeschaltet, so daß sie abwechselnd jede zweite Hüllkurven-Halbwelle der Impulsspannungen B bzw. B' durchlassen, wie durch die Kurven C bzw. C' dargestellt ist. An den Ausgangsklemmen 66a, 66b steht daher eine Spannung mit abwechselnden Halbwellen, also eine im wesentlichen sinusförmige Wechselspannung D zur Verfügung.
Der Eingangs- und Ausgangskreis sind- bei der dargestellten Schaltung galvanisch getrennt. Die maximale Amplitude der Ausgangsspannung D kann durch das Ubersetzungsverhältnis des Transformators 54 beliebig gewählt werden und die Amplitude der Ausgangsspannung D kann über die impulsbreite oder das Tastverhältnis der der Primärwicklung 54a des Transformators zugeführten zerhackten Eingangswechselspannung kontinuierlich variiert werden.
Die ALsgangsspannung D läßt sich durch eine Gegenkopplung von der Ausgangsklemme 66a zur lmpulsbreitensteuerung der Zerhackerschaltung 52 regeln. Hierzu kann beispielweise die Ausgangsklemme 66a über eine Gleichrichterschaltung 90 und eine Spannungsteilerschaltung 92 mit einem Impulsbreitensteuereingang G der Schaltungen 82a und 82b gekoppelt sein. Die Schaltung 92 kann auch durch einen 'Zergleicher mit Referenzspannungseingang, z.B. einen Differenzverstärker, ersetzt werden oder zusätzlich einen solchen Vergleicher enthalten. In diesen Gegenkopplungszweig wird ferner vorzugsweise ein Optokoppler 94 eingeschaltet, um die galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang aufrechtzuerhalten.

Claims

Elektronischer Wechselspannungswandler Patentansprüche Elektronischer Wech.selspannungswandler zum Umwandem einer im wesentlichen sinusförmigen Eingangswechselspannung vorgegebener Frequenz und vorgegebener erster Effektivspannung in eine im wesentlichen sinusförmige Ausgangswechselspannung gleicher Frequenz und vorgegebener zweiter Effektivspannung mit a) zwei Eingangsklemmen (50a, 50b) zum Zuführen der Eingangswechselspannung, b) einer Zerhackerschaltung, die mit einer vorgegebenen Zerhackerfrequenz, die wesentlich höher als die Frequenz der Eingangswechselspannung ist, arbeitet, c) einem für die Zerhackerfrequenz dimensionierten Transformator (54), welcher eine über die Zerhackerschaltung (52) mit den Eingangsklemmen (50a, 50b) verbundene Primärwicklung (54a) und eine Sekundärwicklung (54b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, d) daß die Sekundärwicklung (54b) des Transformators mit einer Gleichrichterschaltung (60) gekoppelt ist, welche zwei Ausgänge (56, 58a; 56, 58b) aufweist, an denen jeweils eine von zwei durch Gleichrichtung der Sekundärspannung des Transformators gewonnene unipolare Spannungen (B, B') auftreten; e) daß jeder Ausgang der Gleichrichterschaltung (60) über einen elektronischen Schalter (64a, 64b) mit einer ersten Wechselspannungswandler-Ausgangsklemme (66a) gekoppelt ist; f) daß ein bezüglich der Ausgänge der Gleichrichterschaltung symmetrischer Schaltungspunkt (56) mit einer zweiten Wechselspannungswandler-Ausgangsklemme (66b) gekoppelt ist, und g) daß eine mit der Eingangswechselspannung synchrcnisierte Steuerschaltung (70, 72) vorgesehen ist, die die elektronischen Schalter (64a, 64b) alternierend auftastet, so daß diese Schalter jeweils abwechselnd einen einer Halbwelle der Eingangsspannung entsprechenden Teil der unipolaren Spannungen von den Ausgängen der Gleichrichterschaltung zu den Ausgangsklemmen (66a, 66b) durchlassen.
2. Wechselspannungswandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wechselspannungswandler-Ausgangsklemme (66b) mit einem Mittelabgriff (56) der Sekundärwicklung (54b) des Transformators (54) gekoppelt ist.
3. Wechselspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung mindestens eine symmetrische Vollweggleichrichterschaltung (60) enthält.
4. Wechselspannungswandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Ändern der Breite der von der Zerhackerschaltung (52) an den Transformator (54) gelieferten Impulse.
5. Wechselspannungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Ändern der Impulsbreite der Zerhackerschaltung (52) durch ein elektrisches Steuersignal steuerbar ist.
6. Wechselspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeden Ausgang (5ba, 58b) der Gleichrichterschaltung (60) und die eine Wechselspannungswandler-Ausgangsklemme (66a) eine Tiefpaßfilterschaltung (73a, 73b) geschaltet sind.
7. Wechselspannungswandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (64a, 64b) Transistoren entgegengesetzten Leitungstyps enthalten, deren Emitter-Kollektor-Strecke jeweils zwischen einen der beiden Gleichrichterausgänge (58a,-58b) und die erste Wechselspannungswandler-Ausgangsklemme (66a) gekoppelt ist; daß zwischen die Basis und den Emitter jedes Transistors eine Sekundärwicklung (70b) eines Steuertransformators (70) geschaltet ist, und dessen Primärwicklung (70a) mit den Eingangsklemmen (50a, 50b) des Wechselspannungswandlers gekoppelt ist.
8. Wechselspannungswandler nach Anspruchs 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Sekundärwicklung (70b) des Steuertransformators und die Basis der Transistoren ein Widerstand (72) geschaltet ist.
9. wechselspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerhackerfrequenz das 102- bis 105-fache der Frequenz der Eingangswechselspannung ist.
10. Wechselspannungswandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerhackerfrequenz bei netzfrequenter Eingangswechselspannung zwischen 50 und 150 kHz liegt.