DE3323257C2

DE3323257C2 - Elektronischer Wechselspannungswandler

Info

Publication number: DE3323257C2
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: 1986-02-20
Also published as: DE3323257A1

Abstract

Es wird ein elektronischer Wechselspannungswandler zum Umwandeln einer im wesentlichen sinusförmigen Eingangswechselspannung vorgegebener Frequenz und vorgegebener erster Effektivspannung in eine im wesentlichen sinusförmige Ausgangswechselspannung gleicher Frequenz und vorgegebener zweiter Effektivspannung beschrieben, der eine Zerhackerschaltung enthält, die zwischen Eingangsklemmen für die Eingangswechselspannung und die Primärseite eines für die Zerhackerfrequenz dimensionierten Transformators geschaltet ist. Die Sekundärseite des Transformators ist mit einer Gleichrichterschaltung gekoppelt, welche zwei Ausgänge aufweist, an denen zwei durch Gleichrichtung der Sekundärspannung des Transformators gewonnene unipolare Spannungen entgegengesetzter Polaritäten auftreten. Die Ausgänge der Gleichrichterschaltung sind jeweils über einen elektronischen Schalter mit einer Ausgangsklemme gekoppelt. Eine zweite Ausgangsklemme ist mit einem bezüglich der Ausgänge der Gleichrichterschaltung symmetrischen Schaltungspunkt verbunden. Die Schalter werden im Takte der Eingangswechselspannung alternierend aufgetastet, so daß alternierend Abschnitte der unipolaren Spannungen, welche aufeinanderfolgenden Halbwellen der Eingangswechselspannung entsprechen, zu den Ausgangsklemmen durchgeschaltet werden.

Description

a) die mit der Sekundärseite (54b) des Transformators (54) gekoppelte Gleichrichterschaltung (60) zwei Ausgänge (5G, 60c; 56, 6Od) hat, an denen jeweils einer von zwei durch die Gleichrichtung der hochfrequenten Sekundärspannung des Transformators (54) gewonnenen unipolaren Spannungszügen (B', B), die aus Halbwellen der hochfrequenten Transformatorausgangsspannung bestehen und eine Hüllkurve entsprechend der niederfrequenten Eingangsspannung haben, auftritt,

b) jeder der Ausgänge der Gleichrichterschaltung (60) über einen der elektronischen Schalter (64a, 64ο; mit dem zweiten Ausgangsanschluß (66a; gekoppelt ist, und

c) die synchron mit der Eingangswechselspannung arbeitende Steuerschaltung (70,72) die elektronischen Schalter (64a, 64fi>; alternierend jeweils für die Dauer einer Halbwelle der Eingangswechselspannung so auftastet, daß diese Schalter jeweils abwechselnd einen einer Halbwelle der Eingangsspannung entsprechenden Teil der unipolaren Spannungszüge (B, B') von den Ausgängen der Gleichrichterschaltung zu den Ausgangsanschlüssen (66a, 66b) durchlassen.

2. Wechselspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wechselspannungswandler-Ausgangsanschluß (66b) mit einem Mittelabgriff (56) der Sekundärwicklung (54£>; des Transformators (54) gekoppelt ist.

3. Wechselspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Einstellen der Breite der von der Zerhackerschaltung (52) an den Transformator (54) gelieferten Impulse.

4. Wechselspannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Einstellen der Impulsbreite der Zerhackerschaltung (52) durch ein vom Ausgang des Wechselspannungswandlers zurückgeführtes elektrisches Regelsignal steuerbar ist

5. Wechselspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeden Ausgang (58a, 5Sb) der Gleichrichterschaltung (60) und den zweiten Wechselspannungswandler-Ausgangsanschluß (66a; eine Tiefpaßfilterschaltung (73a, 73b) geschaltet ist

6. Wechselspannungswandler nach Anspruch 1, ίο dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (64a, 64Z>; Transistoren entgegengesetzten Leitungstyps enthalten, deren Emitter-Kollektor-Strecke jeweils zwischen einen der beiden Gleichrichterausgänge (58a, 586; und den zweiten Wechselspannungswandler-Ausgangsanschluß (66a; gekoppelt ist und daß zwischen die Basis und den Emitter jedes Transistors eine Sekundärwicklung (7Oi; eines Steuertransformators (70) geschaltet ist dessen Primärwicklung (70a; mit den Eingangsanschlüssen (50a, SOb) des Wechselspannungswandlers gekoppelt ist

7. Wechselspannungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß zwischen die Sekundärwicklung (70/>;des Steuertransformators und die Basis der Transistoren ein Widerstand (72) geschaltet ist

8. Wechselspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerhacker-Frequenz das 10*- bis lOMache der Frequenz der Eingangswechselspannung ist

9. Wechselspannungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß die Zerhackerfrequenz bei netzfrequenter Eingangswechselspannung zwischen 50 und 150 kHz liegt

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronisehen Wechselspannungswandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 27 28 377, von der der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgeht, ist eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung von elektrischer Energie bekannt weiche einen Umrichter, der mit einer wesentlich höheren als der zu erzeugenden Frequenz arbeitet, primärseitige Leistungsschalter, einen Übertrager, sekundärseitige Gleichrichterbauteile bzw. Leistungsschalter sowie eine Steuer- und Regelschaltung und einen Hilfsso umrichter enthält Die Polung von Eingangs- und Ausgangsspannung sowie auch die Leistungsflußrichtung sind wählbar. Die Schaltungsanordnung kann auch zum Umformen von Gleichspannung in Wechselspannung sowie zur Frequenzumwandlung verwendet werden, wobei dann die Ausgangsfrequenz durch einen als Wechselspannungsgenerator ausgebildeten sekundärseitigen Referenzsignalgeber bestimmt wird. Die Erzeugung einer Ausgangswechselspannung mit einer durch den Wechselspannungsgenerator vorgegebenen, relativ niedrigen Frequenz ist jedoch nur möglich, wenn die sekundärseitigen Leistungsschalter im Takte der Zerhackerfrequenz schalten oder der Transformator als Sperrwandler betrieben wird.

Aus der DE-OS 29 15 950 ist ein Wechselrichter bekannt, bei dem Eingangsgleichspannung durch einen Impulslängenmodulator in impulslängenmodulierte höherfrequente impulse konstanter Amplitude umgewandelt wird, die dann transformiert und durch Filter in

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eine Sinusspannung mit einer Frequenz entsprechend aufgebaut oder anderweitig integriert werden. Dabei ist

der Impulslängenmodulation umgewandelt werden. von Vorteil, daß an die als Schalter arbeitenden Transi-

Weitere elektronische Wechselspannungswandler stören nur geringe Ansprüche bezüglich ihrer Grenzfre-

sind aus den DE-OS 20 55 210,25 25 322 und 29 01 457 quenz und ihres Stromverstärkungsfaktors gestellt zu

bekannt Diese Wechselspannungswandler arbeiten wie 5 werden brauchen. Bei der Integration wurden die HaIb-

die oben genannte Schaltungsanordnung mit einem Zsr- lriterbauelemente wie üblich als Teile eines monolithi-

hacker, der die Eingangswechselspannung mit einer we- sehen Schaltkreises und Transformatoren, Induktivitä-

sentlich höheren Frequenz zerhackt, die dann durch ein ten und Kapazitäten als diskrete Außenkomponer.ten

Tiefpaßfilter wieder in eine im wesentlichen sinusförmi- ausgeführt

ge Ausgangswechselspannung der Frequenz der Ein- io Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen

gangswechselspannung umgewandelt wird. der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind Ge-

Es ist ferner aus der US-PS 35 17 300 bekannt, eine genstand von Unteransprüchen.

niederfrequente Eingangswechselspannung mit einer Im !olgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfin-

Zerhackerschaltung im Takte einer Zerhackerfrequenz dung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu-

zu unterbrechen, die wesentlich höher als die Eingangs- 15 tert

frequenz ist die zerhackte Spannung mit einem für die Die einzige Figur zeigt ein Schaltbild eines Wechsel-

Zerhackerfrequenz dimensionierten Transformator zu Spannungswandlers gemäß einer Ausführungsform der

transformieren und die transformierte, impulsförmige Erfindung.

Sekundärspannung mit Hilfe einer zweiten, mit der glei- Der vorliegende Wechselspannungswandler arbeitet

chen Zerhackerfrequenz betriebenen Zerhackerschal- 20 mit relativ hohen Zerhackungsfrequenzen, insbesonde-

tung und eines Tiefpaßfilters wieder zu einer Sinusspan- re Zerhackungsfrequenzen, die mindestens um den Fak-

nung der Eingangsfrequenz zusammenzusetzen. tor 10² größer sind als die Frequenz der Eingangswech-

Es ist schließlich noch aus der US-PS 40 79 307 eine selspannung. Aus schaltungstechnischen Gründen wird

fremderregte Wechselspannungsdynamomaschine be- man mit der Zerhackungsfrequenz allerdings im auge·

kannt, die eine verhältnismäßig hochfrequente Aus- 25 meinen nicht über das lOS-fache der Frequenz der Ein-

gangswechselspannung liefert Der Feldstrom und da- gangswechselspannung gehen. Für Netzfrequenzen sind

mit die Ausgangswechselspannung werden mit einer re- beispielsweise Frequenzen zwischen 50 und 15OkHz

lativ niederfrequenten Wechselspannung moduliert geeignet

Aus der Ausgangswechselspannung werden durch zwei Der dargestellte Wechselspannungswandler hat Ein-Gleichrichterbrücken zwei unipolare Spannungszüge 30 gangsklemmen 50a, 506 an die über einen mit einer entgegengesetzter Polarität erzeugt, die aus Halbwellen Frequenz von beispielsweise 75 kHz arbeitenden elekder hochfrequenten Ausgangsspannung der Dynamo- tronischen Zerhacker 52 eine Primärwicklung 54a eines maschine bestehen und eine Hüllkurve entsprechend für die Zerhackungsfrequenz bemessenen Transformader niederfrequenten Modulation des Feldstroms auf- tors 54 angeschlossen ist, der ferner eine Sekundärwickweisen. Die Gleichrichterbrücken sind jeweils über ei- 35 lung 54* mit einer Mittelanzapfung 56 enthält. Die Senen elektronischen Schalter mit einem Verbraucher kundärwicklung ist mit einer Zweiweg-Gleichrichterverbunden. Die elektronischen Schalter werden syn- schaltung 60 verbunden, die vier Dioden 60a, 606 bzw. chron mit der Feldstrommodulation so aufgetastet, daß 60c, 60c/enthält und zwei Ausgänge 58a und 586 hat, an sie abwechselnd einen einer Halbwelle der Feldmodula- denen bezüglich der Mittelanzapfung entgegengesetzt tionsspannung entsprechenden Teil der unipolaren 40 gepolte unipolare Spannungen B, B'auftreten. Der Aus-Spannungszüge zum Verbraucher durchlassen. Hier gang 58a ist über ein Tiefpaßfilter 73a und einen als handelt es sich jedoch um eine rotierende elektrische Schalter arbeitenden Transistor 64a mit einer ersten Maschine und nicht um einen elektronischen Wechsel- Ausgangsklemme 66a verbunden und der Ausgang 586 spannungswandler. der Gleichrichterschaltung 60 ist über ein Tiefpaßfilter

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu- 45 736 und einen als Schalter arbeitenden Transistor 646,

gründe, einen elektronischen Wechselspannungswand- der dem entgegengesetzten Leitungstyp angehört wie

ler der eingangs genannten Art anzugeben, der einfach der Transistor 64a mit der Ausgangsklemme 66a ver-

im Aufbau ist und weder als Sperrwandler arbeiten muß bunden. Die Basen dieser Transistoren sind jeweils mit-

noch auf der Sekundärseite Leistungsschalter benötigt, einander verbunden; die Emitter sind miteinander und

die für relativ hohe Frequenzen ausgelegt sind. 50 mit der ersten Ausgangsklemme 66a verbunden. Eine

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im zweite Ausgangsklemme 666 des Wechselspannungs- Patentanspruch 1 gekennzeichneten Wechselspan- Wandlers ist mit der Mittelanzapfung 56 verbunden, die

nungswandler gelöst. bei der dargestellten Schaltung einen sekundärseitigen,

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen erdfreien Gerätemassepol bildet.

des erfindungsgemäßen Wechselspannungswandlers 55 Zwischen die Basen und die Emitter der komplemen-

sind Gegenstand von Unteransprüchen. tären Transistoren 64a, 646 ist eine Steuerschaltung ge-

Der vorliegende elektronische Wechselspannungs- schaltet welche eine Sekundärwicklung eines Steuerwandler ist einfach im Aufbau und die auf der Sekundär- transformators 70 und einen Widerstand 72 enthält Der seite benötigten Leistungstransistoien brauchen nicht Steuertransformator 70 hat eine mit den Eingangsklemfür hohe Arbeitsfrequenzen ausgelegt sein. Ein weiterer 60 men 50a, 506 verbundene Primärwicklung 70a. Vorteil besteht darin, daß sekundärseitig weniger hoch- Die in dem gestrichelten Kasten dargestellte Zerhakfrequente Störsignale entstehen. Gegenüber der US-PS leerschaltung enthält eine Vollweg-Gleichrichterbrücke 35 17 300 hat der Erfindungsgegenstand den Vorteil, 40 mit vier in üblicher Weise geschalteten Halbleiterdiodaß der zwischen der Sekundärwicklung des Transfor- den. Die Gleichrichterbrücke 40 ist mit ihren Ausgangsmators und dem Verbraucher liegende Schaltungsteil 65 klemmen 40a, 406 an die Wechselspannungs-Eingangswesentlich einfacher und billiger ist klemmen 50a, 506 angeschlossen und mit ihrer einen

Der vorliegende Wechselspannungswandler kann Ausgangsklemme 50c an einen Mittelabgriff der Pri-

weitgehend als monolithischer integrierter Schaltkreis märwicklung 54a des Transformators 54. Die andere

Gleichstrom-Ausgangsklemme 5Od ist jeweils über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 80a bzw. 80b mit den Enden der Primärwicklung 54a gekoppelt Die Basiselektroden der Transistoren 80a, 806 sind jeweils mit dem Ausgang einer Monovibratorschaitung 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 Rechteckschwingungen, die an entsprechenden Ausgängen einer Flipflop-Schaltung 83 (ζ. B. MOTOROLA MC4027) zur Verfügung stehen.'Die Flipflop-Schaltung 83 wird ihrerseits von einer Oszillator- oder Rechteckschwingungsgeneratorschaltung 84 (z. B. Fairchild μΑ555) 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. Der Transformator arbeitet also als Durchflußwandler, d. h. die Energie wird vor. der Primärseite ohne Zwischenspeicherung auf die sekundärseitige Last übertragen.

Die Schaltung arbeitet folgendermaßen: An der Sekundärwicklung 54i> 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 Filter 73a und 73b geglättet Die Filter können auch zwi- sehen die Schalter-Transistoren 64a, (Ab und die Ausgangsklemme 66a geschaltet sein oder auch ganz entfallen, falls die durch sie bewirkte Glättung nicht erforderlich ist

Die Transistoren 64a, 646 werden synchron mit der Eingangswechselspannung abwechselnd durchgeschaltet so daß sie abwechselnd jede zweite Hüllkurven-Halbwelle der Impulsspannunger. B bzw. B' durchlassen, wie durch die Kurven C bzw. C" dargestellt ist An den Ausgangsklemmen 66a, 66Z> steht daher eine Spannung mit abwechselnden Halbwellen, also eine im wesentlichen sinusförmige Wechselspannung D zur Verfugung.

Der Eingangs- und Ausgangskreis sind bei der dargestellten Schaltung galvanisch getrennt Die maximale Amplitude der Ausgangsspannung D kann durch das Übersetzungsverhältnis 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 Ausgangsspannung £>läßt sich durch eine Gegenkopplung von der Ausgangsklemme 66a zur Impulsbreitensteuerung der Zerhackerschaltung 52 regeln. Hierzu kann beispielsweise 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 Vergleicher mit Refe- renzspannungseingang, 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.

Hierzu 1 Biatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronischer Wechselspannungswandler zum Umwandeln einer im wesentlichen sinusförmigen Eingangswechselspannung vorgegebener Frequenz und vorgegebener erster Effektivspannung in eine im wesentlichen sinusförmige Ausgangswechselspannung gleicher Frequenz und vorgegebener zweiter Effektivspannung, bei welchem die Eingangswechselspannung über eine Zerhackerschaltung, die mit einer vorgegebenen Zerhackerfrequenz, die wesentlich höher als die Frequenz der Eingangswechselspannung ist, arbeitet, der Primärseite [SAi) eines für die Zerhackerfrequenz dimensionierten, als Durchflußwandler arbeitenden Transformators (54) zugeführt ist, bei welchem ferner auf der Sekundärseite des Transformators eine Gleichrichterschaltung (60), die einen mit einem ersten Ausgangsanschluß (666; gekoppelten symmetrischen Schaltungspunkt (56) aufweist, sowie zwei mit einem zweiten Ausgangsanschluß (66a) gekoppelte elektronische Schalter (64a, 64i>; vorgesehen sind und welcher eine Steuerschaltung (70, 72), die synchron mit der Eingangswechselspannung arbeitet, enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß