DE2559333A1

DE2559333A1 - Leistungsspannungswandler

Info

Publication number: DE2559333A1
Application number: DE19752559333
Authority: DE
Inventors: Peter Amtenbrink
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-12-31
Filing date: 1975-12-31
Publication date: 1977-07-14

Description

Beistungsspannungswandler
Die Erfindung betrifft einen Beistungsspannungswandler für die Umwandlung von einer Spannung oder Frequenz in eine andere Spannung oder Frequenz, insbesondere für die Umwandlung von 12 bis 60 V Gleichstrom auf 220 V 50 Hz oder dergl.
Derartige Umwandlungen sind z. B. notwendig, wenn kein Stromnetz verhanden ist und ein 220 V - Gerät von z. B. einer Fahrzeugbatterie gespeist werden soll.
Es sind für diesen Zweck Generatoren mit Verbrennungsmotoren bekannt. Nachteilig dabei ist jedoch, daß die von den Geräten verursachten Geräusche und die Abgase störend wirken und daß der Verschleiß und die Wartung dieser Geräte sehr hoch ist.
Außerdem ist für empfindliche Geräte die Kurventreue, die Amplituden- und die Frequenzkonstanz nicht ausreichend.
Die Aufgabe der Erfindung ist, diese bekannten Nachteile zu vermeiden und einen Beistungsspannungswandler zu offenbaren, welcher völlig wartungsfrei, sofort betriebsbereit, geräuschlos und abgasfrei arbeitet und der eine Ausgangsspannung mit großer Kurventreue, Amplituden- und Frequenzkonstanz liefert.
Außerdem soll der Klirrfaktor möglichst gering sein.
Zu diesem Zweck ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangskurvenform in allen Betriebs'Ständen mit einer Referenzspannung verglichen wird und daß die Regelgeschwindigkeit bei einem hohen Vielfachen der Grundfrequenz liegt.
Weitere Merkmale der Erfindung sind, daß der Vergleichsstufe für die Kurvenform eine Amplituden-Vergleichsstufe nachgeschaltet ist, in welcher mittels einer Regel-Gleichspannung die Ausgangsamplitude mit dem Sollwert verglichen wird, Ein Ä:usführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.
Die Zeichnung zeigt: das Blockschaltbild des Beistungsspannungswandlers.
Mit 1 ist die Stabilisierungseinheit bezeichnet. Die Stabilisierungseinheit 1 dient zur Erzeugung diverser hochstabiler Spannungen. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß die höchste stabilisierte Spannung mit einem Regelspannungsüberschuß von nur 0,5 V erzeugt werden kann. Aus z. B. 10,5 V lnstabilisierter Spannung kann eine hochstabile 10V-Spannung erzeugt werden.
Durch die vorgeschaltete Kombination G 1, C1 wird erreicht, daß die stabilisierten Spannungen auch bei kurzz itigen Einbrüchen der Betriebs spannung UB unter das zulässige Minimum exakt gehalten werden können, Solche Einbrüche können über den Innenwiderstand der Betriebsspannung und die Zuleitungen entstehen, wenn Lasten mit hohen Impuls- oder Anlauf-Strömen zugeschaltet werden (z.B. Kompressorkühlschränke).
In dem Sinusgenerator 2 wird elektronisch eine in Amplitude und Frequenz extrem stabile Sinusspannung kleiner Leistung erzeugt. Diese besitzt eine hohe Kurventreue. Der Klirrfaktor ist kleiner als 0,2 %.
In der Puffer- und Verstärkungsstufe 7 wird die Sinusspannung ohne Qualitätsverlust ge-puffert und verstärkt.
In der Kurvenvergleichsstufe 4 wird die Form der Ausgangsspannung am Lastwiderstand RL mit der Referenzsinusspannung verglichen.
Durch die erfindungsgemäße Schaltung ist es möglich, ohne Schwingneigung in allen Betriebszuständen die Ausgangskurvenform mit der Referenzspannung zu vergleichen.
Die Regelgeschwindigkeit liegt dabei im Mikrosekundenbereich, also bei einem hohen Vielfachen der Grundfrequenz.
Auf diese Weise wird eine hohe Kurventreue der Ausgangsspannung selbst bei höchsten nichtlinearen tasten erreicht.
In der Amplituden-Vergleichsstufe 5 wird zusätzlich noch einmal auf die oben beschriebene Weise mittels einer Regel-Gleichspannung die Ausgangsamplitude mit dem Sollwert verglichen.
Die Treiberstufe 6 wirkt als Spannungs- und teistungsverstärker. Sie stellt ein Mehrfaches der Steuerleistung zur Verfügung, die zur Ansteuerung der Endstufe bei ohmscher Last notwendig ist und stellt damit sicher, daß auch bei großen Ausgangsstrom-Impulsen die Kurvenform und die Amplitude der Ausgangsspannung exakt dem Sollwert entsprechen.
Die Endstufe 7 liefert die volle Leistung auf den Ausgangstransformator 8, Wesentlich für den hohen Wirkungsgrad der Endstufe 7 ist, daß alle Primärwicklungen aus vieladrigen lackisolierten Drahtsträngen gleichzeitig gewickelt werden.
Dadurch entsteht eine sehr enge Kopplung mit geringster Streuinduktivität, Je eine halbe Last-Primärwicklung liegen in der Emitter- und in der Kollektor-Leitung der teistungstransistoren. Dadurch wird höchste Aussteuerbarkeit in Verbindung mit formgetreuer Signalübertragung erreicht. Der Ausgangstransformator 8 enthält außer den erwähnten vieladrigen Primärwicklungen noch die Ausgangslastwicklung, sowie zwei Kilfswicklungen für den Kurvenformvergleich und die Regelspannung. In dem Block 9 wird die Regelspannung für die Amplitudenüberwachung erzeugt.
Der Block 10 enthält diverse Schutzfunktionen wiv Schutz vor Falschpolung der Betriebsspannung, den Schutz der Endstufe vor uberlastung, vor Kurzschluß und vor Übertemperatur.
Über einen sehr niederohmigen Widerstand 11 im Ausgangslastkreis wird eine Spannung gewonnen, welche in Form und Höhe genau proportional -dem Ausgangsstrom ISte Diese Spannung wird über einen kleinen Transformator vom Ausgangskreis galvanisch getrennt und vergrößert. Dieses damit gewonnene Steuersignal wird sowohl derKurvenvergleichsstufe 4 als auch der Amplt'udenvergleichsstufe 5 zugeführt. Damit wird eine bisher unerreichte Konstanz in Kurvenform und Amplitude der Ausgangsspannung bei beliebig geformtem Ausgangsstrom bewirkt. Da bei dieser Anordnung nicht wie bei einer üblichen Regelung erst eine geringe Änderung der Form oder Amplitude stattfinden muß, um eine Nachregelung zu bewirken, kann die Regelabweichung der Ausgangsspannung nicht nur genau auf den Wert Null gebracht werden, sondern bei Bedarf in speziellen Fällen sogar überkompensiert werden; d. h. bei einem besonders hohen Ausgangsstrom wird die Ausgangsspannung nicht geringer, sondern um einen programmierbaren Betrag höher. Die Ausgangsspannung des Leistungsspannungswandlers kann die Lichtnetzspannung nicht nur ersetzen, sondern ist in der Qualität weit besser. Die Ausgangsspannung ist selbst einer magnetisch stabilisierten Lichtnetzspannung in Bezug auf Klirrfaktor, Kurventreue, Amplituden- und Frequenzkonstanz weit überlegen. Diese teistungsspannungswandler sind zum Betrieb von ohmscher, induktiver und kapazitiver Last gleich gut geeignet.
Mit dem Leistungsspannungswandler läßt sich grundsätzlich jedes Gerät betreiben, das normalerweise mit Lichtnetzspannung oder mit aufbereiteter Lichtnetzspannung betrieben wird. Insbesondere Flugelektronik, Fernsehsender, Funkmeßsysteme, Radaranlagen, Computerlogik und andere hochempfindliche Elektronik, die höchste Anforderungen an die Qualität der Versorgungsspannung stellen und nicht mit rechteckiger Betriebsspannung zu betreiben sind, können mit dem Leistungsspannungswandler hervorragend versorgt werden.
Durch ausschließliche Verwendung von Siliziumhalbleitern sind die Leistungsspannungswandler betriebssicher und temperaturfest.
Alle Geräte sind völlig eigensicher und wartungsfrei. Sie sind verpolungsfest, kurzschlußfest, überlastungssicher und übertemperaturgesichert. Sie können mit einer Fernbedienung ausgerüstet werden, die es ermöglicht, den teistungsspannungswandler aus praktisch jeder beliebigen Entfernung ein- und auszuschalten, Sie können Anzeigelampen für alle Betriebszustände besitzen.
Das komplette Gerät kann in einem stabilen Stahlblechgehäuse untergebracht sein.
Die Kühlung kann durch Konvektion oder über Lüfter erfolgen.
Die größeren Geräte können mit einem oder mit zwei automatisch geschalteten Lüftern ausgestattet sein, welche bei Erreichen einer vorprogrammierten Temperatur in der Leistungsendstufe automatisch eingeschaltet werden und nach Abkühlung von z. B.
25 oC selbsttätig wieder ausschalten. Die Beistungsspannungswandler können auch mit einer Notstromautomatik verbunden werden, welche die Netzspannung an einem Verbraucher ständig kontrolliert und bei einer Störung im Lichtnetz, z. B. Totalausfall oder Unterschreiten einer zulässigen Minimal spannung blitzschnell auf Wandlerbetrieb umschaltet.
Bei sehr empfindlichen Verbrauchern, z. B. Computern, bei denen die Versorgungsspannung völlig frei von Störimpulsen sein muß, besteht die Möglichkeit, den Sinuswandler ständig in Betrieb zu lassen und mit dem Lichtnetz lediglich die Batterien zu laden.

Claims

Patentansprüche 1) Iieistungsspannungswandler für die Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselsrannung mit hoher Kurventreue, Amplituden- und Frequenzkonstanz und einem geringen Klirrfaktor, dadurch gekesæeichnet, daß die Ausgangskurvenform in allen Betriebszuständen mit einer Referenzspannung verglichen wird und daß die Regelgeschwindigkeit bei einem hohen Vielfachen der Grundfrequenz liegt.
2) Leistungsspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsstufe 4 für die Kurvenform eine Amplituden-Vergleichsstufe 5 nachgeschaltet ist, in welcher mittels einer Regel-Gleichspannung die Ausgangsamplitude mit dem Sollwert verglichen wird.
3) teistungsspannungswandler nach den Ansprüchen 1 u. 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplituden-Vergleichsstufe 5 eine Treiberstufe 6 nachgeschaltet ist, in welcher die Spannung und die Leistung verstärkt werden, so daß auch bei großen Ausgangsstrom-Impulsen die Kurvenform und die Amplitude der Ausgangsspannung exakt dem Sollwert entsprechen,
4) Iieistungsspannungswanler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Treiberstufe 6 eine Endstufe 7 mit einem Ausgangstransformator 8 nachgeschaltet ist, in welcher die volle Ausgangsleistung geliefert wird.
5) Beistungsspannungswandler nach den Ansprüchen 1 bis 4, daß allePrimärwicklungen 7 aus vieladrigen lackisolierten Draht -strängen gleichzeitig gewickelt werden, so daß eine sehr enge Kopplung mit sehr geringer Streuinduktivität entsteht.
6) Ieistungsspannungswandler nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß je eine halbe Last-Primärwicklung in der Emitter- und der Kollektor-Leitung der leistungstransistoren liegen, so daß höchste Aussteuerbarkeit in Verbindung mit formgetreuer Signalübertragung erreicht wird.
7) Beistungsspannungswandler nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangstransformator 8 der Endstufe 7 außer den vieladrigen Primärwicklungen noch die Ausgangslastwicklung, sowie zwei Hilfsricklungen für den Kurvenvergleich und für die Regelspannung besitzt.
8) lteistungsspannungswandler nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Block 9 die Regelspannung für die Amplitudenüberwachung erzeugt wird.
9) Leistungsspannungswandler nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Block 10 diverse Schutzfunktionen wie Schutz vor Falschpolung der Betriebsspannung, den Schutz der Endstufe vor Überlastung, vor Kurzschluß und vor Übertemperatur enthält.
10) Beistungsspannungswandler nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß über einen sehr niederohmigen Widerstand 11 im Ausgangslastkreis eine Spannung gewonnen wird, welche in Form und höhe genau proportional dem Ausgangsstrom ist und daß diese Spannung über einen kleinen Transformator vom Ausgangskreis galvanisch getrennt und vergrößert wird und daß das damit gewonnene Steuersignal sowohl der Kurvenvergleichsstufe 4 als auch der Amplitudenvergleichsstufe 5 zugeführt wird, so daß damit eine hohe Konstanz in Kurvenform und Amplitude der Ausgangsspannung bei beliebig geformtem Ausgansstrom bewirkt wird.
11) Beistungsspannungswandler nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurvenvergleichstufe 4 eine Puffer- und Verstärkungsstufe 3 vorgeschaltet ist, in welcher eine Sinus spannung ohne Qualitätsverlust gepuffert und verstärkt wird.
12) Leistungsspannungswandler nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinusspannung in einem Sinusgenerator 2 erzeugt wird und daß der Sinusgenerator 2 elektronisch eine in Amplitude und Frequenz extrem stabile Sinus spannung mit kleiner Leistung und hoher Kurventreue liefert und daß der Klirrfaktor kleiner als 0,2 55 ist.
Leistungsspannungswandler nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sinusgenerator 2 eine Stabilisierungseinheit 1 zur Erzeugung diverser hochstabiler Spannungen vorgeschaltet ist.
14) Beistungsspannungswandler nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisierungseinheit 1 eine Kombination G1, Cl vorgeschaltet ist, durch welche die stabilisierte Spannung auch bei kurzzeitigen Einbrüchen der Betriebs spannung UB unter das zulässige Minimum exakt gehalten wird.