DE3429773C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Transistorschwingkreiswechsel­ richter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Wechselrichter in Halbbrückenschaltung werden insbesondere dann gerne verwendet, wenn höhere Speisespannungen (etwa oberhalb 150 V) zu verarbeiten sind, weil im Vergleich zu der für niedrige Speisespannungen häufig eingesetzten Gegentaktschaltung die Schalttransistoren nur mit der halben Spannung beansprucht werden.

Ein Schwingkreiswechselrichter der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art ist aus der Firmendruck­ schrift "Handbuch II, Transistoren in der Leistungselek­ tronik", Bereich Halbleiter, Thomson-CSF Bauelemente GmbH, Seiten 319 bis 322, bekannt.

Solche Schwingkreiswechselrichter arbeiten bei hohen Be­ triebsfrequenzen von zum Beispiel 30 kHz besonders ver­ lustarm, das heißt mit einem hohen Wirkungsgrad. Sie las­ sen sich auch in kleinen Baugrößen für höhere Leistungen bei großer Betriebssicherheit herstellen. Mit Hilfe eines kleinen Steuertransformators, dessen vom Laststrom durch­ flossene Primärwicklung nur wenige Windungen besitzt, läßt sich eine besonders günstige Aussteuerung der beiden Transistoren erreichen. Die Betriebsfrequenz des Schwing­ kreiswechselrichters wird durch die Resonanzfrequenz der Kapazitäten und Induktivitäten sowie den ohmschen Anteil eines Lastkreises bestimmt. Deshalb hängt die Aussteuerung der Transistoren des Wechselrichters in starkem Maß von der Last, das heißt von der Dämpfung dieses Schwingkreises ab. Dies kann dazu führen, daß bei Laständerungen während des Betriebs der Wechselrichter in einen Betriebszustand mit starker Erhitzung oder Überhitzung seiner Transistoren und der Folge ihrer Zerstörung oder in einen Betriebszustand jenseits der Kippgrenze gelangt. Bei dem bekannten Schwingkreiswechsel­ richter ist daherkein Leerlaufbetrieb möglich. Bei zu großem Lastwiderstand (Nichtzünden der Lampe) wird zur Vermeidung einer Überhitzung der Tran­ sistoren mit Hilfe einer Schutzschaltung der Wechselrichter abgeschaltet.

Ein bevorzugtes Einsatzfeld derartiger Wechselrichter sind elektronische Vorschaltgeräte für Warmkathodenleucht­ stofflampen. Auch der erwähnte bekannte Wechselrichter ist Teil eines solchen Vorschaltgeräts. Leuchtstofflampen erfordern bekanntlich zum Zünden eine Zündspannung, die erheblich höher als die Brennspannung liegt. Bei dem be­ kannten Wechselrichter ist die Last in Form von zwei Leuchtstofflampen parallel an den Kondensator des Reihen­ schwingkreises angeschlossen, so daß die Resonanzüber­ höhung an diesem Kondensator zur Zündung ausgenutzt wird. Sobald die Leuchtstofflampen gezündet haben, ist der Schwingkreis so stark gedämpft, daß die Spannung am Schwing­ kreiskondensator auf die erforderliche Brennspannung absinkt. Die Tatsache der Zündung durch die Resonanzüber­ höhung am Schwingkreiskondensator bedeutet, daß die Leuchtstofflampen bereits innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde nach dem Einschalten des Wechselrichters gezündet werden, da die Resonanz­ überhöhung ohne Verzögerung auftritt. Dieser sogenannte Kaltstart von Leuchtstofflampen führt zu einer drastischen Lebensdauerverkürzung dieser Lampen, was einen gravieren­ den Nachteil des den bekannten Schwingkreiswechselrichter enthaltenden Vorschaltgeräts darstellt. Ein weiterer Nach­ teil besteht darin, daß aufgrund der erwähnten Schutzschal­ tung nach Austausch einer defekten Leuchtstofflampe, die Ursache des Leerlaufbetriebs und damit des Ansprechens der Schutzschaltung war, das Vorschaltgerät nicht sofort arbeitet, sondern zunächst zum Rücksetzen der Schutzschal­ tung ausgeschaltet werden muß.

Ein Transistorschwingkreiswechselrichter nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 ist auch aus der US-PS 44 24 468 (Fig. 3) bekannt. Bei diesem bekannten Wechselrichter ent­ hält der Reihenschwingkreis außer der Primärwicklung des Steuertransformators und dem Kondensator eine Wicklung eines Ausgangs-Spartransformators, an den eine Warmkathoden­ leuchtstofflampe angeschlossen ist. Dieser Spartransforma­ tor ist mit einer zusätzlichen gesonderten Wicklung ver­ sehen, die in Reihe mit einer Diode parallel an die Eingangs­ klemmen des Wechselrichters geschaltet ist, wobei die Diode so gepolt ist, daß sie von der Eingangsgleichspannung in Sperrichtung vorgespannt wird. Wenn im Leerlauffall die Schwingkreisspannung ansteigt, dann wird die normalerweise gesperrte Diode leitend und bewirkt eine die Schwingkreis­ spannung begrenzende Dämpfung des Schwingkreises, was mit entsprechenden Verlusten verbunden ist. Diese bekannte Lösung des erläuterten Leerlaufproblems macht einen Ausgangs­ transformator zusätzlich zu dem Steuertransformator zwingend erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Transistorschwingkreis­ wechselrichter der eingangs angegebenen Art zu schaffen, der den hohen Wirkungsgrad von Schwingkreiswechselrichtern mit einem stabilen Verhalten auch bei geringer Belastung und sogar im Leerlauf verbindet, ohne zu diesem Zweck einen zusätzlichen Transformator zu benötigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Da die Ausgangsklemmen beim erfindungsgemäßen Wechselrich­ ter mit dem Reihenschwingkreis in Reihe geschaltet sind, ist dieser Reihenschwingkreis im Leerlauffall unterbrochen, während bei geringer Belastung, also einer Last hoher Im­ pedanz, der durch die erste Primärwicklung des Steuer­ transformators fließende Strom gegenüber dem Nennlaststrom so stark verringert ist, daß die aufgrund dieses Stroms in den Sekundärwicklungen des Steuertransformators indu­ zierten Spannungen nicht zur Aussteuerung der Transisto­ ren ausreichen. Die Aussteuerung dieser Transistoren im Leerlauffall oder im Fall geringer Belastung erfolgt mit Hilfe der zweiten Primärwicklung des Steuertransformators, wobei der zu dieser Wicklung in Reihe geschaltete Strom­ begrenzungswiderstand einen stabilen Betrieb sicherstellt.

Bei Verwendung dieses Wechselrichters in einem elektroni­ schen Vorschaltgerät erlaubt der stabile Leerlaufbetrieb, daß die Zündung der angeschlossenen Leuchtstofflampe bzw. Leuchtstofflampen um die erforderliche Vorheizzeit von ca. 1 Sekunde verzögert wird, so daß der schädliche Kaltstart vermieden werden kann. Die zum Vorheizen er­ forderlichen Heizspannungen können durch entsprechende zusätzliche Heizwicklungen auf dem Steuertransformator gewonnen werden, vorzugsweise ist jedoch zu diesem Zweck die Primärwicklung eines zusätzlichen Heiztransformators an die Ausgangsklemmen des Wechselrichters angeschlossen. Dieser Heiztransformator stellt eine dem Leerlauffall nahekommende geringe Belastung für den Wechselrichter dar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs­ beispielen unter bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Wechselrichters und

Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lastkreises für den Fall der Verwendung des erfindungsgemäßen Wechselrichters in einem elektronischen Vorschaltgerät.

Fig. 1 zeigt den nachfolgend einfach als Wechselrichter bezeichneten Transistorschwingkreiswechselrichter in Halbbrückenschaltung mit den beiden Transistoren 4 und 5. Die beiden Transistoren 4 und 5 liegen in Reihenschaltung ihrer Kollektor-Emitter-Strecken an zwei Eingangsklemmen 1, 2 an, denen die Eingangsgleichspannung von z. B. 350 V zugeführt wird. Diese kann aus einer Batterie stammen oder mittels eines Gleichrichters und eines nachgeschalteten Oberwellenfilters aus einem Wechselstromnetz von z. B. 50 Hz gewonnen werden. Zwischen die Eingangsklemmen 1, 2 ist ein Konden­ sator 3 als Glättungskondensator geschaltet. Die zur Aus­ steuerung der beiden Transistoren erforderlichen Basis­ ströme werden mittels eines Steuertransformators 8 ge­ wonnen, der eine erste Primärwicklung 81 und eine zweite Primärwicklung 84 mit gegenüber der ersten Primärwicklung sehr viel höherer Windungszahl aufweist (mehrere 100 Win­ dungen im Vergleich zu 3 bis 5 Windungen der Wicklungen 81 bis 83). Dem Transistor 4 ist eine Steuerwicklung 82, dem Transistor 5 eine Steuerwicklung 83 als Sekundärwicklung zu­ geordnet. Die Steuerwicklung 82 ist beim dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel nach Art eines Spartransformators Teil der zweiten Primärwicklung 84. Eine Ausgangsklemme 6 des Wechselrich­ ters ist über die erste Primärwicklung 81 an den Verbin­ dungspunkt zwischen den beiden Transistoren 4 und 5 ange­ schlossen, während eine Ausgangsklemme 7 über einen Konden­ sator 14 mit dem Kollektor des Transitors 5 bzw. der Eingangsklemme 1 verbunden ist. Die zweite Primärwicklung 84 ist einerseits an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Transistoren 4 und 5 und andererseits über einen hochohmigen Strombegrenzungswiderstand an die Ausgangs­ klemme 7 angeschlossen.

Solange an die Ausgangsklemme 6, 7 keine Last oder eine Last hoher Impedanz angeschlossen ist, kann die erste Primärwicklung 81 des Steuertransformators 8 keinen aus­ reichenden Beitrag zur Aussteuerung der Transistoren 4, 5 liefern. In diesem Betriebszustand erfolgt die Aussteuerung der Transistoren mit Hilfe der zweiten Primärwicklung 84, wobei der Strombegrenzungswiderstand 9 und gegebenenfalls ein kleiner Luftspalt im Kern des Steuertransformators 8 eine nur schwache Aussteuerung der Transistoren und ein stabiles Schwingen gewährleisten. Die Stromaufnahme kann dem Leerlaufbetrieb auf etwa 3 bis 5 mA begrenzt werden, so daß eine absolute Leerlauffestigekit gegeben ist. Die Widerstände 10 und 11 dienen als Anschwinghilfen, die ein sofortiges Anschwingen des Wechselrichters nach Einschal­ ten der Speisespannung bewirken. Die Frequenz der Wechsel­ richterschwingung wird dabei im wesentlichen durch die Reihen­ resonanz von Kondensator 14 und Primärwicklung 84 bestimmt.

Sobald an die Ausgangsklemmen 6, 7 die Nennlast angeschlos­ sen wird, fließt ein zur Aussteuerung der Transistoren 4, 5 ausreichender Laststrom durch die erste Primär­ wicklung 81, deren im Vergleich zur zweiten Primärwicklung 84 geringere Induktivität nunmehr in Verbindung mit dem Kondensator 14 im wesentlichen die Betriebsfrequenz des Wechselrichters bestimmt, welcher demzufolge gegenüber dem Leerlauffall auf vorzugsweise im Bereich um 30 kHz ansteigt.

Während der Transistor 4 durch die Spannung an der Steuer­ wicklung 82 leitend gesteuert wird, lädt sich der Konden­ sator 18 auf eine durch das Verhältnis zwischen den Wider­ ständen 15 und 16 zu beeinflussende Spannung auf, die im Bereich des Nulldurchgangs der Spannung an der Steuer­ wicklung 82 den Transistor 4 in Sperrichtung beaufschlagt. In Verbindung mit der Diode 13 und den entsprechenden Elementen im Basiskreis des Transistors 5 wird eine saubere Kommutierung sichergestellt und verhindert, daß beide Transistoren 4 und 5 gleichzeitig leiten.

Fig. 2 zeigt den Lastkreis des Wechselrichters bei Ver­ wendung des Wechselrichters in einem elektronischen Vor­ schaltgerät für Warmkathodenleuchtstofflampen. Wenn die Schaltungsanordnung von Fig. 2 anstelle der Last L an die Ausgangsklemmen 6 und 7 des Wechselrichters von Fig. 1 angeschlossen wird, dann stellt sie, solange die Leucht­ stofflampe 12 nicht gezündet hat, eine geringe Belastung für den Wechselrichter dar, die von der relativ hohen Impedanz der Primärwicklung eines Transformators 61′ herrührt. Mit Hilfe der beiden Sekundärwicklungen 613 und 614 dieses Transformators werden Heizspannungen erzeugt, mittels derer die Leuchtstofflampe 12 in einer an sich bekannten Schaltungsanordnung zunächst ca. 1 Sekunde lang vorgeheizt wird. Sobald die Leuchtstofflampe 12 zündet, wird ein Laststromkreis über die Drossel 22, die Leucht­ stofflampe 12 und den Kondensator 24 geschlossen, dessen Impedanz sehr viel geringer als die der Primärwicklung des Transformators 61′ ist. Der die Betriebsfrequenz des Wechselrichters bestimmende Schwingkreis wird nun im wesent­ lichen von dem Kondensator 14 des Wechselrichters und der Drossel 22 gebildet.

Wie schon eingangs erwähnt, kann bei Verwendung des er­ findungsgemäßen Wechselrichters in einem elektronischen Vorschaltgerät für Warmkathodenleuchtstofflampen der Trans­ formator 61′ von Fig. 2 durch zusätzliche Wicklungen auf dem Steuertransformator 8 des in Fig. 1 gezeigten Wechsel­ richters ersetzt werden. Auf diesen Steuertransformator wären zusätzlich die beiden Heizwicklungen 613 und 614 sowie eine weitere Wicklung zur Aufladung des Kondensators 24 in an sich bekannter Weise auf ca. 400 V zur sicheren Zündung auch bei tiefen Temperaturen vorzusehen.

Claims (4)

1. Transistorschwingkreiswechselrichter in Halbbrücken­ schaltung, umfassend
zwei mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken in Reihen­ schaltung an Eingangsklemmen (1, 2) angeschlossenen Tran­ sistoren (4, 5),
einen parallel zu der Kollektor-Emitter-Strecke eines der Transistoren (4) angeschlossenen Reihenschwingkreis mit einem Kondensator (14) und der Primärwicklung (81) eines Steuertransformators (8) und
je eine in den Basis-Emitter-Kreis eines zugehörigen Transistors (4, 5) geschaltete Steuerwicklung (82, 83) des Steuertransformators (8), dadurch gekennzeichnet,
daß der Steuertransformator (8) eine zweite Primär­ wicklung (84) mit höherer Windungszahl als die erste Primärwicklung (81) besitzt,
daß die zweite Primärwicklung (84) Teil einer den Konden­ sator (14) und einen Strombegrenzungswiderstand (9) auf­ weisenden Reihenschaltung parallel zu der Kollektor- Emitter-Strecke des einen Transistors (4) ist und
daß die Ausgangsklemmen (6, 7) des Wechselrichters mit dem Reihenschwingkreis (14, 81) in Reihe geschaltet sind.

2. Transistorschwingkreiswechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern des Steuertransformators (8) mit einem Luftspalt versehen ist.

3. Transistorschwingkreiswechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem elektronischen Vorschalt­ gerät für Warmkathodenleuchtstofflampen, wobei der Steuer­ transformator (8) weitere Wicklungen zum Vorheizen der an­ geschlossenen Leuchtstofflampe(n) bzw. zur Erzeugung einer Zündhilfsspannung aufweist.

4. Transistorschwingkreiswechselrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem elektronischen Vorschaltgerät für Warmkathodenleuchtstofflampen, wobei an die Ausgangs­ klemmen (6, 7) des Wechselrichters die Primärwicklung eines weiteren Transformators (61′) geschaltet ist, der Heizwicklungen (613, 614) zum Vorheizen der Leuchtstoff­ lampe(n) und/oder eine Wicklung zur Erzeugung einer Zünd­ hilfsspannung trägt.