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Wechselrichter, insbesondere zur Speisung von Leuchtstoffbampen Für
Reisezugwagen ist bereits der Einsatz von Transistor-Wechselrichtern zur Speisung
von Leuchtstofflampen aus dem Bord-Gleichstromnetz bekannt. Es handelt sich hier
um einen selbstgesteuerten Wechselrichter in Verbindung mit einer induktiven Strombegrenzung
der Leuchtstofflampe (F i g. 1 a). Jeder Lampe 1 ist dabei ein eigener Wechselrichter
als Vorschaltgerät zugeordnet. Letzterer enthält als wesentliche Bauelemente die
beiden in Gegentakt geschalteten Flächentransistoren 5 und 6, von deren nichtlinearer
Kollektorstromkennlinie Gebrauch gemacht wird. Die beiden Transistoren dienen dazu,
die Primärwicklung2a des Wechselrichtertransformators 2 mit wechselnder Stromrichtung
aus der Gleichspannungsquelle E zu speisen. Die Steuerung der Transistoren 5 und
6 erfolgt über die Rückkopplungswicklung 2c des Wechselrichtertransformators 2.
Der Anschwingvorgang des Wechselrichters nach Schließen des Schalters 10 wird durch
den Kondensator 9 in Verbindung mit dem ohmschen Spannungsteiler 7, 8 erleichtert.
Die Leuchtstofflampe 1 wird von der Sekundärwicklung 2b des Wechselrichtertransformators
2 über die Strombegrenzungsdrossel4 gespeist. Zur Elektrodenheizung der Leuchtstofflampe
1 dienen die Sekundärwicklungen 2dund 2e, während zur Zündung der Lampe die einpolig
geerdete Zündschelle 3 in Verbindung mit der Sekundärwicklung 2f vorgesehen ist.
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Die Kurvenform der in F i g. 1 a eingezeichneten Spannungen UTYR,
ULA, UT,, und Ströme ILA, Igt über der Zeit t zeigt F i g. 1 b. Der Strom hat einen
hohen Scheitelfaktor, außerdem nimmt der Lampenkreis Blindleistung auf. Beide Tatsachen
erhöhen Typenleistung und Verluste der Anlage. Aus diesem Grunde erscheint es zweckmäßig,
die Blindleistung zu kompensieren. Dazu ist aber notwendig, die Rechteckspannung
des Wechselrichters in eine Sinusspannung umzuformen (F i g. 2a; die elektrischen
Größen, wie UWR, Ulv, ILA und IN, sind in F i g. 2b über der Zeit t eingetragen).
Der Transistorstrom ist dann ein lückender Sinushalbwellenstrom, die Halbwellen
liegen mit der Rechteckspannung in Phase.
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Die Umwandlung in Sinusform ist beim normalen selbstgesteuerten Wechselrichter
der Ausführungsform gemäß F i g. l a, bei dem das Kernmaterial des Wechselrichtertransformators
keine rechteckf'örmige Magnetisierungskennlinie hat, nicht durchzuführen. Bei diesem
Wechselrichtertyp wird nämlich das Umkippen von einer Halbperiode in die andere
dadurch ausgelöst, daß beim jeweils leitenden Transistor der Kollektorstrom, der
im allgemeinen nach einer zeitlichen e-Funktion ansteigt, den Betrag des Emitterstromes
überschreiten will. In dem Augenblick aber kann der Transistor nicht mehr leiten,
und der Umschaltvorgang setzt ein.
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Bei einer Umwandlung des Stromes in Sinusform und Kompensation des
Blindanteiles ist der Strom am Ende der Halbperiode, also im Augenblick des Umschaltens,
gerade wieder Null. Das Umschalten nach dem oben beschriebenen Prinzip ist also
nicht möglich. Eine solche Umschaltung ist wohl bei an sich bekannten fremdgesteuerten
Wechselrichtern (F i g. 2a) möglich, bei denen die Erregung der Transistoren der
eigentlichen Leistungsstufe von einem vorgeschalteten Oszillator aus starr erfolgt.
Der Oszillator entspricht dem zur F i g. 1 a beschriebenen selbstgesteuerten Wechselrichter
(in F i g. 2a sind daher gleiche Teile mit dem gleichen Bezugszeichen wie in F i
g. 1 a versehen): Dessen Transformatorsekundärwicklung 2b dient hier zur Steuerung
von Leistungstransistoren 11;
12, 13 und 14, von denen je zwei
parallel arbeiten. Irr den Basiszuleitungen dieser Transistoren, die die Primärwicklung
19a des Transformators 19 speisen, sind ohmsche Vorwiderstände 15, 16, 17
und 18 eingeschaltet. Die Transistoren 11 bis 14 stellen somit
in Verbindung mit dem Transformator 19 einen fremdgesteuerten Wechselrichter dar,
dessen Ausgang mit der Sekundärwicklung 19b zur Gruppenspeisung von Leuchtstofflampen
vorgesehen ist. Zur Begrenzung von Umschaltüberspannungen kann eine RC-Kombi nation
21, 22 vorgesehen sein. Die Drossel 20 dient zur Siebung. Außerdem
kann eine Blindstromkompensation für jede Leuchtstofflampe 1 mittels des Kondensators
24 erfolgen. Die Drossel2'5 dient zur Strombegrenzung bzw. Stromteilung.
Der Spartransformator 26 dient zur Elektrodenbeheizung und die Tran formatorwicklung
19-e in Verbindung mit d'er Zündschelle 3 zur Zündung der Lampe 1. Mittels des
Kontaktes
23 kann der Lampenkreis eingeschaltet werden. Abgänge zu weiteren Lampen sind durch
die Klemmen 27 und 28 angedeutet.
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Die letztbeschriebene Schaltungsanordnung hat den Nachteil, daß beim
Umschalten an den Wechselrichtertransistoren hohe Spannungsspitzen auftreten und
daß der Wechselrichter nicht kurzschlußfest ist. Die Vorteile des selbstgesteuerten
Wechselrichters, Kurzschlußfestigkeit und einwandfreies, für die Transistoren ungefährliches
Kommutieren, sollen nun mit der Möglichkeit der Blindstromkompensation kombiniert
werden. Demgemäß betrifft die Erfindung einen Wechselrichter, enthaltend in Gegentakt
geschaltete nichtlineare Verstärkerelemente, wie Flächentransistoren od. dgl., insbesondere
zur Speisung von Leuchtstoiflampen mit induktiver Strombegrenzung, wobei die Verstärkerelemente
unter zusätzlicher Fremdsteuerung aus einer Rückkopplungswicklung des Wechselrichtertransformators
erregt werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Fremdsteuerung
eine Aufschaltung der Rückkopplungserregung der Verstärkerelemente durch von einem
Oszillator gesteuerte Schalttransistoren vorgesehen ist. Bei dieser Kennzeichnung
ist davon ausgegangen, daß es für einen selbstgesteuerten Eintakt-Wechselrichter
bereits bekannt war, den zugehörigen Schalttransistor unter zusätzlicher Fremdsteuerung
aus einer Rückkopplungswicklung des Wechselrichtertransformators zu erregen. Dort
geht es jedoch darum, durch Beeinflussung des Endes der jeweiligen Halbwelle die
über einen dem Wechselrichter nachgeschalteten Gleichrichter erzeugte Gleichspannung
konstant zu halten. Ein Kurzschlußschutz wird nicht erreicht. Zum Stand der Technik
sei dann noch nachgetragen, daß an sich eine Fremdsynchronisierung von Kippschwingungen
bekannt ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Gruppenspeisung von Leuchtstofllarnpen
zeigt F i g. 3a. Die elektrischen Größen, wie der Strom lat und die Spannungen UwR,
Ulv, sind in F i g. 3 b über der Zeit t aufgetragen. Der Verwendungszweck von Bauelementen,
die mit gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden F i g. 1 a und 2 a versehen
sind, ergibt sich aus den dort zugehörigen Beschreibungen.
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Der Wechselrichter besteht aus der Oszillatorstufe WRI und der Leistungsstufe
WRII. Der Oszi1-lator WRI hat nur die sehr geringe Erregerleistung der Transistoren
29 (über die Ausgangswicklung 2b') und 30 (über die Ausgangswicklung 2b") zu liefern,
also weniger als in der in F i g. 2a dargestellten Schaltungsanordnung. Der Wechselrichter
WR II ist auch selbstgesteuert, d. h., die Erregerspannung der Transistoren
11, 12 und 13, 14 wird einer Rückkopplungswicklung 19d des Transformators
19 entnommen. Die Lampen .l usw. besitzen je für sich als Vorschaltgerät
eine kombinierte Sieb- und Kompensationsschaltung 20 und 24, so daß
der Transistorstrom Ic sinusförmig und mit der rechteckförmigen Ausgangsspannung
des Wechselrichters WR II in Phase ist. WRII ist so dimensioniert, daß in
einer Halbperiode ILast -f- I,ß = 1c G A - 1E ist (I= Maximalwert
des Laststromes, 1,u = Magnetisierungsstrom, IC = Kollektorstrom, IE
= Emitterstrom, A = Gleichstromverstärkungsfaktor). Im Gegensatz zum
normalen selbstgesteuerten Wechselrichter wird die Halbperiode des leitenden Transistors
11 jetzt nicht dadurch beendet, daß Ic > A -JE wird, sondern dadurch, daß
der Transistor 29 und damit die Basiszuleitungen der Transistoren 11, 12 vom Oszillator
WR 1 her gesperrt werden. Nun verläuft der Umschaltvorgang ähnlich wie beim normalen
selbstgesteuerten Wechselrichter, d. h. mit nur geringen Spannungsspitzen am abschaltenden
Transistor. Wenn die Transistoren 13, 14 den Strom übernehmen, muß der Transistor
30 bereits geschlossen sein, um einen ungestörten Umschaltprozeß zu gewährleisten.
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Die Transistorumschaltverluste dürften gegenüber dem normalen selbstgesteuerten
Wechselrichter geringer sein, was durch folgende Betrachtung gezeigt werden soll:
In F i g. 1 c sind die Kurven UT, und Ic als Funktion der Zeit für den selbstgesteuerten
Wechselrichter bei induktiver Belastung während des Umschaltens dargestellt. Die
Transistorspannung UTr steigt in der Zeit 1l von Null auf 2E an, während 1c nahezu
seinen vollen Wert beibehält. Das liegt daran, daß in dem Maße, wie die Transistorerregerspannung
mit UTr absinkt, über den Basis-Bahnwiderstand und eventuell Basis-Vorwiderstand
durch den Kollektorstrom Erregerstrom eingespeist wird. Wenn UTr den Wert 2E erreicht,
wird der induktive Laststrom von den Transistoren 13, 14 in umgekehrter Richtung
übernommen. Infolge der Eigenträgheit der Transistoren erfolgt das Abklingen des
einen Kollektorstromes und das Ansteigen des anderen KolIektorstromes in der endlichen
Zeit t, Bei nichtbifilarer Wicklung der Transformatorwicklungen erhöht sich t, durch
die Wirkung der Streuung zwischen den primären Teilwicklungen.
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In beiden Zeiten t1 und t2 entstehen Übergangsverluste. Wenn, wie
in Schaltung F i g. 3 a, beim Abschalten der Transistoren 11, 12 außerdem
die Basiszuleitung aufgetrennt wird, kann der beschriebene Effekt nicht auftreten,
und die Zeit t1 müßte zu Null werden (bzw. zur Eigenzeit des sehr viel kleineren
Transistors 29). Die Gesamtumschaltverluste müssen also geringer werden. Außerdem
ist infolge der Oberwellensiebung bis auf den Einfluß der Oberwellen und des kleinen
Magnetisierungsstromes der Transistorstrom 1c im Umschaltmoment sowieso ja schon
Null. Infolge der geringen Umschaltverluste kann eine höhere Frequenz gewählt werden,
was kleinere Abmessungen der Geräte mit sich bringt.
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Bei der Siebschaltung in F i g. 3 a wird zweckmäßigerweise die Siebdrossel
20 auf die einzelnen Lampen aufgeteilt, damit auch bei Teillast ein richtiger Abgleich
der Reaktanzen besteht und ein Kurzschließen der Oberwellen vermieden wird. Der
Wechselrichter gemäß F i g. 3 a ist wie der normale selbstgesteuerte Wechselrichter
kurzschlußfest. Die Lampen sind wechselstromseitig einzeln oder gesamt ein- und
ausschaltbar. Eine normale Lampenschaltung gemäß F i g. 2a ist anwendbar, da der
Wechselrichter kapazitive und induktive Belastung verträgt. Die Durchgangs- und
Umschaltverluste der Transistoren sind geringer als beim Einzelwechselrichter. Somit
und im Verein mit dem besseren Transformatorwirkungsgrad ist der gesamte Wirkungsgrad
des Wechselrichters und der Spannungsquelle E, z. B. einer Batterie, besser. Die
Typenleistung der Spannungsquelle und des Wechselrichters ist geringer als beim
Einzelwechselrichter.
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Abschließend ist zu sagen, daß die Vorschläge der Erfindung nicht
an die Verwendung von Flächentransistoren gebunden sind. Vielmehr können an ihre
Stelle andere Verstärkerelemente mit nichtlinearer
Ausgangskennlinie
treten, beispielsweise Elektronenröhren mit Pentodeneigenschaften.