DE2425625A1 - Hochspannungsgenerator insbesondere fuer kapazitive lasten wie ozongeneratoren - Google Patents

Description

• Hochspannungsgenerator insbesondere für kapazitive Lasten wie Ozongeneratoren Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsgenerator insbesondere für kapazitive Lasten wie Ozongeneratoren mit einem statischen, von einer Gleichspannungsquelle gespeisten Wechselrichter zur Speisung der Primärspule eines Ausgangstransformators.
• Es sind Hochspannungsgeneratoren dieser Art bekannt, deren Wechselrichter zwei, mittels eines Trigger-Generators im Gegentakt zündbare, in einem Parallel- oder Serienschwingkreis angeordnete Thyristoren aufweisen, und deren Ausgangsspannung rechteck- oder sinusförmig ist. Unter Voraussetzung einer sinusförmigen Ausgangsspannung ist bei solchen Wechselrichtern eine Veränderung der Ausgangsfrequenz nur sehr beschränkt möglich, weil -mit der Steuerfrequenz gleichzeitig auch die zur periodischen Ladung erforderlichen, die Halbwellenform bestimmenden Kondensatoren umgeschaltet werden müssen. Ebenso ist eine Variation oder eine Regelung der Ausgangs spannung nicht ohne weiteres möglich.
• Darüberhinaus treten beim Betreiben des Thyristor-Wandlers mit überwiegend kapazitiver Last erhebliche Schwierigkeiten auf, weil aufgrund der Phasenverschiebung zwischen Spannung und Stromstärke eine sichere Kommutierung ohne zusätzliche Maßnahmen nicht gewährleistet ist, Hinzu kommt, daß der Thyristor-Wandler betriebsmäßig nicht kurzschlußfest ist, was sich namentlich bei kapazitiver Belastung nachteilig auswirkt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsgenerator der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, dessen Ausgangsspannung und- Frequenz in einem weiten Bereich variiert werden kann und der kurzschlußfest und für kapazitive Lasten wie Ozongeneratoren besonders geeignet ist, Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß der Wechselrichter aus mindestens einer Gruppe gleichartiger Transistoren besteht, die kollektorseitig miteinander und mit dem einen Anschluß der am anderen' Anschluß auf konstantem Potential liegenden Primärspule des Ausgangstransformators und emitterseitig über gleiche Emitterwiderstände mit dea einen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden sind, und deren Basis über gleiche Basiswiderstände mittels einer einen Oszillator umfassenden Steuerschaltung mit einstellbarer Frequenz und Spannung ansteuerbar ist.
• Aufgrund der begrenzten Belastbarkeit einzelnen Transistoren wird durch die Parallelanordnung einmal bezweckt, die Leistung des Gesamtsystems heraufzusetzen. Dies ist auch schon bei verhältnismäßig niedrigen Gesamt leistungen von Bedeutung, da Hochleistungstransistoren überproportional teurer sind, als eine entsprechende Anzahl Einzeltransistoren von niedrigerer Belastbarkeit. Allerdings stößt die Parallelschaltung von Transistoren wegen der relativ großen Streuungen der Kenndaten einzelner Exemplare, die etwa bei der Stromverstärkung ein Verhältnis 1:6 annehmen können, auf erhebliche Schwierigkeiten, da hier die Gefahr besteht,daß einzelne Transistoren der Parallelschaltung überbelastet werden und dadurch frühzeitig ausfallen.
• Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, in jedem Parallel-Zweig einen Emitterwiderstand anzuordnen, der eine Stromgegenkopplung und damit eine Angleichung der Belastung der einzelnen Transistoren in der Parallelschaltung bewirkt.
• Dadurch wird zwar eine gewisse Verschlechterung des Wirkungsgrades in Kauf genommen, die jedoch bei bestimmten Anwendungsfällen bei weitem durch die Verwendbarkeit billiger Einzeltransistoren aufgewogen wird.
• Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zwei kollektorseitig verbundene Transistorgruppen vorgesehen sind, von denen die eine aus npn-Transistoren besteht und emitterseitig mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle verbunden ist und die andere aus pnp-Transistoren besteht und mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle verbunden ist, und daß der zweite Anschluß der Primärspule auf Null-Potential liegt. Mit einer solchen komplementären Transistoranordnung ist es möglich, eine exakt sinusförmige Ausgangsspannung mit positiver und negativer Halbwelle zu erzeugen, deren Amplitude und Frequenz in einem weiten Bereich durch entsprechende Ansteuerung der Transistorgruppen variiert werden kann.
• Zum Zwecke der Ansteuerung der Transistorgruppen ist es zweckmäßig, wenn die Steuerschaltung mindestens einen über einen Regler für die Ausgangsspannung des Wechselrichters gespeisten, durch den Oszillator angesteuerten Treibertransistor zur Ansteuerung je einer der Transistorgruppen des Wechselrichters umfasst.
• Vorteilhafterweise werden alle Einzeltransistoren des Wechselrichters auf einem gemeinsamen Kühlelement angeordnet, wodurch sich eine gute thermische Kopplung ergibt, die sich günstig auf die Aussteuerbarkeit der Einzeltransistoren auswirkt.
• Durch die Verwendung von Emitterwiderständen in den einzelnen Parallelzweigen können die einzelnen Transistorgruppen in besonders einfacher Weise nach Kurzschluß aus fällen etwa durch einen Durchbruch der Emitter-Kollektorstrecke einzelner Transistoren überwacht und gegen eine Überlastung einzelner Transistoren.aufgrund einer äußeren Überlast gesichert werden..Dies kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß ein auf dem effektiven Spannungsabfall des Emitterwiderstandes des die maximale Stromstärke führenden Transistorzweiges einer Transistorgruppe ansprechender Schwellenwertschalter vorgesehen ist, der die Stromzufuhr zu dem Wechselrichter unterbricht, wenn der Spannungsabfall größer als ein einstellbarer Schwellenwert ist. Die Auswahl des jeweils maximalen effektiven Spannungsabfalls erfolgt automatisch, wenn in den von den einzelnen Emitterwiderständen zu dem Schwellenwertschalter führenden Messleitungen jeweils eine nach Maßgabe des Transistortyps gepolte Diode angeordnet ist. Mit den Dioden wird außerdem bezweckt, daß sich ein am Eingang des Schwellenwertschalters befindlicher Integrationskondensator nicht über die niederohmigen Emitterwiderstände entladen kan.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Weise dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild des Hochspannungsgenerators; Fig. 2 eine Schaltskizze des Wechselrichters.
• Der Hochspannungsgenerator umfasst zwei Netzgeräte 1, 2 zur Erzeugung je einer zu einem Null-Potential symmetrischen positiven und negativen Gleichspannung. Das Netzgerät 1 ist über eine elektronische Sicherungsschaltung 3 mit einem hinsichtlich Frequenz und Ausgangsspannung steuerbaren Wechselrichter 4 verbunden, der aus zwei Gruppen 41, 42 parallel geschalteter Transistoren besteht und zur Speisung der Primärspule 51 eines Ausgangstransformators 5 dient. Das zweite, spannungsstabilisierte netzgerat 2 dient zur Speisung einer Steuerschaltung fur den Wechselrichter, die einen Sinus-Oszillator 6 Mit an eine-Sollwertgeber 61 einstellbaren Frequenz, sowie zwei durch den Oszillator angesteuerte, zur Ansteuerung je einer der Transistorsgruppen 41, 42 bestimmten Treibertransistoren 71, 72 unfasst Die Treibertransistoren al, 72 werden so mittels eines Ausgangsspannungsregler 8 gespeist, daß die Aussangsspannung des Wechselrichters einen konstanten, an den Sollwertgeber 81 für die Ausgangs spannung einstellbaren Effektivwert eingeregelt wird. Die Frequenz des Wechselrichters vird über den Frequenz-Sollwertgeber 61 des Sinus-Oszillators 6 eingestellt.
• Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, umfasst der Wechselrichter zeei Transistorgruppen 41, 42, von denen die eine Gruppe aus npn-Leistungstransistoren 41 und die andere Gruppe aus pnp-Leistungstransistoren 42 besteth. Die Einzeltransistoren beider Gruppen sind kollektorseitig unmittelbar und mit da einen Anschluß 52 der Primärspule 51 des Ausgangstransformators verbunden. Emitterseitig sind die npn-Transistoren 41 über jeweils gleiche Emitterwiderstände 43 mit dem Minuspol 11 der durch das Netzgerät 1 gebildeten Gleichspannungsquelle verbunden, während die pnp-Transistoren 42 über entsprechende Emitterwiderstände 44 am den Pluspol 12 der Gleichspannungsquelle angeschlossen sind. Der zweite Anschluß 53 der Primärspule des Ausgangstransformators befindet sich auf Null-Potential.
• Die Ansteuerung der beiden Transistorgruppen 41, 42 erfolgt, wie oben ausgeführt, iiber die leiden Treibertransistoren 71, 72, die ihrerseite zu diesem Zweck an der Basis jeweils Mit den Oszillatorausgang 62 und an Emitter mit dem Ausgangsspannungsregler 8 verbunden sind und kollektorseitig über jeweils gleiche Basiswiderstände 45, 46 an die Basis der einzelnen Leistungstransistoren 41, 42 der zugehörigen Transistorgruppen angeschlossen sind. Der Treibertransistor 71 ist als pnp-Transistor und der Treibertransistor 72 als npn-Transistor ausgebildet, so daß die beiden zueinander komplementären Transistorgruppen 41, 42 2 ii Gegentakt angesteuert werden und bei sinusförmigen Treibersignal eine sinusförmige Ausgangsspannung mit phasengerechter positiver und negativer Halbwelle liefern.
• Aufgrund der Emitterwiderstände 43, 44 ergibt sich eine Stromgegenkopplung, die es ermöglicht, auch unausgesuchte und daher billige Leistungstransistoren, die aufgrund der Exemplarstreuungen große Unterschiede in der Stromverstärkung aufweisen, ohne die Gefahr einer Überbelastung des einen oder anderen Transistors in einer Parallelanordnung zu kombinieren und damit die Gesamtbelastbarkeit des Wechselrichters und somit auch die Leistung des Hochspannungs -generators zu erhöhen. Durch Messung des Spannungsabfalles an den Emitterwiderständen und Vergleich mit einem vorzugebenden Schwellenwert ist zum anderen eine verhältnismäßig einfache Überwachung der Transistorgruppen auf einen Kurzschlußausfall infolge Durchbruchs der Emitter-Kollektorstrecke einzelner Transistoren und gleichzeitig eine Überlastungssicherung des Systems möglich. Da bei einer solchen Überwachung nur jeweils der höchst-belastete Transistorzweig interssiert, braucht für jede Transistorgruppe nur eine einzige als Schwellenwertschalter mit einem in der zum Wechselrichter 4 führenden Stromzufuhrleitung liegenden Relais 31 ausgebildete Sicherungsschaltung 3 vorgesehen zu werden, die über je eine Diode 47 48 mit dem emitterseitigen Anschluß des betreffenden Emitterwiderstandes 43, 44 verbunden rist, wobei als Spannungsbezugspunkt der jeweilige, mit dem anderen Anschluß verbundene Pol 11, 12 der Spannungsquelle 1 dient. Bei entsprechender Polung der Dioden und Anordnung eines nicht dargestellten Integrationskondensators im Eingangskreis des Schwellenwertschalters ist nur derjenige effektive Spannungsabfall am Schwellenwertschalter 3 wirksam, der in dem höchst-belasteten Transistorzweig einer jeden Transistorgruppe auftritt. Im Falle der npn-Transistoren 41 sind zu diesem Zweck die Anoden und im Falle der pnp-Transistoren 42 die Kathoden der Dioden 47 bzw.
• 48 mit dem jeweiligen Emitteranschluß verbunden.

Claims (4)

1. Patentansprüche

   0 Hochspannungsgenerator insbesondere für kapazitive Lasten wie Ozongeneratoren mit einem statischen, von einer Gleichspannungsquelle gespeisten Wechselrichter zur Speisung der Primärspule eines Ausgangstransformators, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Wechselrichter (4) aus mindestens einer Gruppe gleichartiger Transistoren (41, 42) besteht, die kollektorseitig miteinander und mit dem einen Anschluß (52) der am anderen Anschluß (53) auf konstantem Potential liegenden Primärspule (51) des Ausgangstransformators(5) und emitterseitig über gleiche Emitterwiderstände (43, 44) mit dem einen Pol (11, 12) der Gleichspannungsquelle (1) verbunden sind,- und deren Basis über gleiche Basiswiderstände (45, 46) mittels einer einen Oszillator (6) umfassenden Steuerschaltung mit einstellbarer Frequenz und Spannung ansteuerbar ist.
2. 2. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 1 g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h zwei kollektorseitig verbundene Transistorgruppen, von denen die eine aus npn-Transistoren (41) besteht und emitterseitig mit dem Minuspol (11) der Gleichspannungsquelle (1) verbunden ist und die andere aus pnp-Transistoren (42) besteht und mit dem Pluspol (12); der Gleichspannungsquelle verbunden ist und daß der zweite Anschluß (53) der Primärspule (51) auf Null-Potential liegt.
3. 3. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuerschaltung mindestens einen über einen Regler (8) fur die Ausgangsspannung des Wechselrichters (4) gespeisten, durch den Oszillator (6) angesteuerten Treibertransistor (71, 72) zur Ansteuerung je einer der Transistorgruppen (41, 42) des Wechselrichters (4) umfasst.
4. 4. Hochspannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Transistoren (41, 42, 71, 72) des Wechselrichters auf einem gemeinsamen Kühlelement angeordnet sind.

   5, Hochspannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen auf den effektiven Spannungsabfall des Emitterwiderstandes (43, 44) des die maximale Stromstärke führenden Transistors (41, 42) einer Transistorgruppe ansprechenden Schwellenwertschalter (Sicherungsschaltung 3), der die Stromzufuhr zu dem Wechselrichter (4) unterbricht, wenn der Spannungsabfall größer als ein einstellbarer Schwellenwert ist.

   L e e r s e i t e