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Anordnung zur Stabilisierung einer Gleichspannung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Stabilisierung einer Gleichspannung mit einem im Längszweig der Stabilisierungsschaltung liegenden Stelltransistor und einer als Energiespeicher dienenden Drosselspule und einer im Querzweig angeordneten, die Eingangsseite der Drossel zwischen den beiden Eingangsklemmen der Schaltung periodisch hin-und herschaltenden Diode, wobei der Stelltransistor von einer in einer Steuerschaltung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung erzeugten, impulsförmigen Steuerschwingung gesteuert wird und wobei die Steuerschaltung aus einer Schaltung zur Erzeugung einer dreieckförmigen Hilfsspannung konstanter Periodendauer,
einer Verstärkerstufe und einer Impulsformerstufe besteht und wobei durch Zusammenwirken der Steuerschaltung mit einer Messschaltung am Ausgang der Regelschaltung eine rechteckförmige Steuerschwingung konstanter Periodendauer und Amplitude gewonnen wird, deren Tastverhältnis in Abhängigkeit von der Eingangsspannung bzw. vom Ausgangsstrom der Stabilisierungsschaltung gesteuert wird.
Schaltungen, die nach diesem oder einem ähnlichen Verfahren arbeiten, sind unter der Bezeichnung"Schaltregler"bekannt. Ebenso sind verschiedene Verfahren bekannt, den Stelltransistor eines solchen Schaltreglers anzusteuern.
Das Öffnen und Sperren des Stelltransistors kann z. B. bei bestimmten Spannungswerten unterhalb und oberhalb der Nenn-Ausgangsspannung erfolgen. Ein solcher Zweipunktregler arbeitet mit einer in weiten Grenzen schwankenden Schaltfrequenz, die ausserdem nicht frei gewählt werden kann. Die Schaltfrequenz ist zwangsläufig von der der stabilisierten Gleichspannung überlagerten Wechselspannung abhängig. Da die Schaltfrequenz wegen der Schaltverluste im Stelltransistor nicht beliebig heraufgesetzt werden kann, ist die erreichbare Siebung für viele Anwendungen nicht ausreichend.
Andere bekannte Schaltungen verwenden zur Steuerung des Stelltransistors die Spannung an der Luftspaltdrossel des Lastkreises. Auch dieser (rückgekoppelte) Schaltregler arbeitet mit stark veränderlicher Schaltfrequenz. Zwischen Schaltfrequenz und überlagerter Wechselspannung besteht eine Abhängigkeit, die die Bemessung erschwert. In vielen Fällen ist eine Nachsiebung erforderlich, die jedoch wieder das dynamische Verhalten des Schaltreglers verschlechtert. Die Steuerspannung des Stelltransistors wird durch die Spannung an der Luftspaltdrossel bestimmt, so dass ein grosser Regelbereich und insbesondere ein Kurzschluss am Ausgang des Schaltreglers nicht ohne weiteres zu beherrschen sind.
Es ist aus der Druckschrift : Design and Operation of Regulated Power Supplies von M. Gottlieb, Jänner 1962, auf den Seiten 104-108 eine längsstabilisierte Gleichspannungsstabilisieranordnung bekannt, bei der zur Erzeugung einer pulsförmigen Hilfsspannung konstanter Periodendauer eine Schwingschaltung mit einer Doppelbasisdiode vorgesehen ist und eine kapazitive Kopplung zwischen Steuerschaltung und Stelltransistor angeordnet ist.
Weiters ist aus der Zeitschrift : Electronics, Ausgabe 9. März 1962, auf den Seiten 62-64 eine Spannungsstabilisieranordnung bekanntgeworden, die mittels eines Sägezahn-Schwingers eine Steuerschwingung konstanter Periode erzeugt, die dem Eingang eines von der Messspannung gesteuerten SchmittTriggers zugeführt ist, der über eine Verstärkerstufe mit kapazitiven Koppelelementen den Stelltransistor durchschaltet bzw. sperrt.
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Infolge der kapazitiven Kopplung zwischen dem Stelltransistor und der Steuerschaltung gemäss den bekannten Schaltungsanordnungen kann die Amplitude der Steuerschwingung zur Steuerung des Stelltransistors nicht konstant sein. Ferner beschränkt die kapazitive Kopplung den Regelbereich der Spannungsstabilisierung, nämlich den Einstellbereich das Tastverhältnisses des Stelltransistors zwischen seiner Sperr- und Durchschaltdauer.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist die Anordnung zur Stabilisierung einer Gleichspannung der eingangs erwähnten Art gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuerschaltung als Taktgeber ein Transistor-Wechselrichter vorgesehen ist, von dessen rechteckförmiger Ausgangsspannung mit zwei RC-Gliedern die dreieckförmige Hilfsspannung konstanter Periodendauer abgeleitet wird, und dass eine bistabile Kippstufe vorgesehen ist, die von der gegebenenfalls verstärkten, aus der Dreieckspannung und der Ausgangsspannung der Stabilisierungsschaltung gebildeten Summenspannung gesteuert, abwechselnd eine von zwei gleich grossen Gleichspannungen entgegengesetzter Polarität in einem von der Ausgangsspannung abhängigen Tastverhältnis mit grosser Flankensteilheit auf die Steuerstrecke des Stelltransistors schaltet.
Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können durch Ergänzung der Grundschaltung des vorstehenden Schaltreglers durch einen diesem zugeordneten Transistor-Gleichspannungswandler Gleichspannungen bis zu einigen 1000 V stabilisiert werden.
Dieser Vorteil resultiert daraus, dass der Schaltregler mit einer konstanten Schaltfrequenz für den Stelltransistor betrieben wird.
Durch die Verwendung einer Spannungsstabilisierschaltung mit den vorstehenden Einzelheiten wird mittels der dreieckförmigen Steuerschwingung erreicht, dass der Einstellbereich des Tastverhältnisses der Steuerspannung beide Grenzlagen des Steuerbereiches einschliesst, in denen der Stelltransistor mittels der konstanten Gleichspannungen ständig gesperrt bzw. geöffnet ist.
Die Erfindung wird an Hand der Fig. 1-3 näher erläutert.
Als Anwendungsbeispiel des fremdgesteuerten Schaltreglers zeigt Fig. l ein geregeltes Netzgerät, das einen Schaltregler mit einem Stelltransistor enthält. Die Netzspannung ist an der Primärwicklung I des Netztransformators Tri angeschlossen, dessen Sekundärwicklungen II bzw. III die Speisespannungen für den Lastkreis L bzw. für den Steuerteil S liefern.
Die mit dem Gleichrichter Grl gleichgerichtete und mit dem Kondensator Cl geglättete Spannung wird dem Lastkreis des Schaltreglers zugeführt. Der Lastkreis ist nach bekannter Schaltung aufgebaut und enthält den Stelltransistor Tl, die Diode Dl sowie die Speicherdrossel Dr und den Kondensator C3 zur Glättung der Ausgangsspannung. Ist der Stelltransistor Tl leitend (Durchlasszeit), so fliesst über den Transistor Tl und die Drossel Dr ein linear ansteigender Strom zum Ausgang. Beim Sperren des Transistors Tl fliesst der Strom in der Drossel linear abnehmend über das Ventil Dl weiter (Sperrzeit).
Das Verhältnis Durchlasszeit zu Sperrzeit (Tastverhältnis) bestimmt die Grösse der Ausgangsspannung. Eine Abweichung der Ausgangsspannung vom Sollwert bewirkt über eine Messschaltung M und den Steuerteil S eine Änderung des Tastverhältnisses, die der Spannungsabweichung entgegenwirkt.
Die Messschaltung M besteht aus einer Brückenschaltung mit einer Zenerdiode als Bezugsspannungsquelle und einem Transistor als Verstärker. Die Anordnung liefert zum Steuerteil einen Strom, der der Ausgangsspannung (Spannungsregelung) bzw. nach Überschreiten der Nennlast dem Laststrom (Strombegrenzung) proportional ist.
Der Steuerteil S wird aus einer Hilfsgleichspannung gespeist, damit seine Bemessung vollkommen unabhängig von der Ausgangsspannung des Reglers wird. Mit dem Gleichrichter Gr2 und dem Kondensator C2 wird die Eingangsgleichspannung für den Steuerteil erzeugt und geglättet. Die Gleichspannung speist einen Hilfswechselrichter in Gegentaktschaltung, der im wesentlichen aus den Transistoren T2 und T3 sowie dem Transformator Tr2 besteht. Das Umsteuern der Transistoren wird durch die Sättigung des Transformators bewirkt. Die Arbeitsfrequenz ist also unabhängig von der Netzfrequenz frei wählbar. Die Schaltfrequenz des Transistorreglers ist gleich der doppelten Wechselrichterfrequenz ; als Arbeitsfrequenz des Wechselrichters hat sich mit Rücksicht auf die Schaltverluste des Transistors Tl ein Wert von ungefähr 500 Hz als vorteilhaft erwiesen.
Die Sekundärwicklung m des Wechselrichter-Transformators Tr2 gibt eine Rechteckspannung ab, die mit dem Gleichrichter Gr3 gleichgerichtet und mit den Kondensatoren C4, C5 geglättet wird. Der Mittelabgriff der Wicklung ist mit dem Verbindungspunkt der Kondensatoren und mit dem Emitter des Stelltransistors Tl zusammengeschaltet, so dass sich gegenüber diesem Bezugspunkt (OV) eine positive und eine negative Gleichspannung ergeben. Die Summenspannung speist eine bistabile
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Kippstufe mit den Transistoren T4, T5. Die zugehörigen Widerstände R2-R4 sind so bemessen, dass bei leitendem Transistor T4 an der Basis des Stelltransistors Tl positives Potential (während der Sperrzeit) liegt und bei gesperrtem Transistor T4 über den Widerstand R3 negatives Potential wirksam wird.
Die Kippstufe wird von einer Verstärkerstufe mit den Transistoren T6, T7 angesteuert. Aus der kontinuierlichen Ansteuerung durch die Verstärkerstufe erzeugt die Kippstufe eine rechteckförmige Steuerspannung mit grosser Flankensteilheit, die ein rasches Schalten des Transistors T1 gewährleistet.
Aus der von der Sekundärwicklung IV abgegebenen Rechteckspannung wird mit den RC-Glie- dern R6/C6 und R7/C7 eine annähernd dreieckförmige Spannung an den Kondensatoren C6 und C7 abgeleitet. Diese Dreieckspannung besteht aus den steil verlaufenden Teilstücken der exponentiellen Lade- und Entladekurve. Mit den. Dioden D2, D3 wird die Dreieckspannung gleichgerichtet und mit der Gleichspannung am Kondensator C4 in Reihe geschaltet.
Die Wirkungsweise des Steuerteils S wird mit Hilfe von Fig. 2 erläutert. Am Eingang der Verstärkerstufe, d. h. an der Basis des Transistors T7 ist die Überlagerung von zwei Spannungen wirksam.
Vom Bezugspunkt (Emitter vom Transistor Tl) ausgehend, wirkt als negative Spannung die Dreieckspannung mit überlagerter Gleichspannung UD (Fig. 2a). Der Spannung UD entgegen wirkt die am Widerstand R5 durch einen Strom von der Messschaltung erzeugte Gleichspannung UM. Die Sum- menspannung entspricht der Emitter-Basisspannung des Transistors T7, weil sein Emitterpotential nur um die vernachlässigbar kleine Emitter-Basisspannung des Transistors T6 vom angenommenen Bezugspunkt (OV) abweicht. Der Transistor T7 wird bei einer bestimmten Spannung UM abwechselnd gesperrt und leitend gesteuert. Da sich nur die positive Basisspannung frei ausbilden kann, ergibt sich der in Bild 2a gezeichnete Verlauf der Basisspannung ; die gestrichelt gezeichneten Kurvenstücke sollen nur die Entstehung erläutern.
Solange der Transistor T7 gesperrt ist, bleibt T6 leitend, T5 gesperrt und T4 wieder leitend. Der Stelltransistor Tl bekommt, wie in Fig. 2b gezeichnet, positive Basisspannung und bleibt gesperrt, bis die Basisspannung am Transistor T7 entsprechend dem Verlauf derDreieckspannung negativ wird und über dieKippstufe die Durchlasszeit desStelltransistors Tl einleitet. Die Fig. 2c und 2d zeigen den Verlauf der Emitter-Kollektorspannung am Transistor Tl und den Verlauf des Stromes in der Speicherdrossel Dr. Der Widerstand R1 bildet einen niederohmigen Abschluss der Emitter-Basis-Strecke und gewährleistet die Sperrfähigkeit des Transistors Tl auch dann, wenn keine Ansteuerung durch den Steuerteil erfolgt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Hilfsspannung an den Klemmen 1, 2 des Steuerteils fehlt.
Die Regelwirkung der Schaltung ist folgende : Eine angenommene Erhöhung der Ausgangsspannung vergrössert den Gleichstrom, den die Messschaltung an den Steuerteil abgibt. Die Spannung UM wird grösser und verschiebt die Summenkurve in Fig. 2a nach oben ins Positive. Die Durchlasszeit des Transistors T7 und damit ebenso des Stelltransistors Tl wird kürzer, die Sperrzeit länger, während die Periodendauer erhalten bleibt. Die angenommene Spannungserhöhung wird ohne Änderung der Schaltfrequenz lediglich durch die Änderung des Tastverhältnisses ausgeglichen.
Das jeweilige Tastverhältnis wird dabei nur durch das Verhältnis der Eingangs- zur Ausgangsspannung festgelegt ; eine Abhängigkeit des Tastverhältnisses von der Belastung ergibt sich lediglich infolge des Innenwiderstandes des vorgeschalteten Netzgerätes und infolge der ohmschen Spannungsabfälle des Reglers.
Der Arbeitsbereich erstreckt sich von einer Grenzlage zur andern : Der Transistor Tl kann auch dauernd leitend oder dauernd gesperrt sein. Bei diesen Grenzlagen und bei sämtlichen dazwischenliegenden Arbeitspunkten wird der Stelltransistor Tl stets mit derselben Basisspannung bzw. demselben Basisstrom betrieben.
DerStelltransistor Tl wird während der Sperrzeit mit der Summe von Eingangsspannung am Kondensator Cl und Durchlassspannung an der Diode Dl beansprucht. Die Durchlassspannung der Diode Dl ist sehr klein, so dass die zulässige Sperrspannung am Transistor die höchste Eingangsspannung des Reglers bestimmt. Unter Berücksichtigung der Netzspannungsänderungen und der Lastabhängigkeit ist damit auch die mögliche Ausgangsspannung festgelegt. Die Stabilisierung grösserer Gleichspannungen ist jedoch mit Hilfe einiger Ergänzungen, die das beschriebene Prinzip der Fremdsteuerung mit dem Steuerteil nicht verändern, auf einfache Weise möglich.
Fig. 3 zeigt die Schaltung eines Schaltreglers mit nachgeschaltetem Transistor-Umrichter, durch welche die Stabilisierung von grösseren Gleichspannungen bis zu einigen Tausend Volt möglich ist. Die vom Schaltregler am Kondensator C3 abgegebene Spannung dient als Eingangsspannung für einen Transistor-Umrichter nach bekannter Gegentaktschaltung. Der Umrichter besteht aus den beiden Transistoren T8 und T9, aus dem Transformator Tr3 sowie dem Gleichrichter Gr5 mit dem Konden-
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sator C9. Zur Steuerung der Transistoren T8, T9 wird hiebei die Wicklung V des Wechselrichter-Transformators Tr2 vom Steuerteil verwendet. Der Umrichter arbeitet daher mit derselben Frequenz von 500 Hz wie der Hilfswechselrichter des Steuerteils.
Die gegenüber der Netzfrequenz 50 Hz erhöhte Frequenz ist vorteilhaft, weil sie eine kleine Transformatortype und geringen Siebaufwand am Ausgang des Umrichters ergibt. Die günstige Arbeitsfrequenz des Umrichters wird beim fremdgesteuerten Schaltregler ohne zusätzlichen Aufwand an Schaltmitteln erreicht.
Die Pluspole der Ausgangsspannungen des Schaltreglers und des Umrichters (Kondensatoren C3 und C9) sind verbunden, so dass die an der zu regelnden Ausgangsspannung angeschlossene Messschaltung in bereits beschriebener Weise auf den Steuerteil einwirken kann. Abhängig von der Ausgangsspannung, d. i. die vom Umrichter abgegebene Spannung, wird das Tastverhältnis des Schaltreglers so festgelegt, dass der Umrichter die jeweils notwendige Eingangsspannung erhält und sich eine Stabilisierung der vom gesamten Gerät abgegebenen Spannung ergibt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Stabilisierung einer Gleichspannung mit einem im Längszweig der Stabilisierungsschaltung liegenden Stelltransistor und einer als Energiespeicher dienenden Drossel und einer im Querzweig angeordneten, die Eingangsseite der Drossel zwischen den beiden Eingangsklemmen der Schaltung periodisch hin-und herschaltenden Diode, wobei der Stelltransistor von in einer Steuerschaltung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung erzeugten, impulsförmigen Steuerschwingung gesteuert wird und wobei die Steuerschaltung aus einer Schaltung zur Erzeugung einer dreieckförmigen Hilfsspannung konstanter Periodendauer,
einer Verstärkerstufe und einer Impulsformerstufe besteht und wobei durch Zusammenwirken der Steuerschaltung mit einer Messschaltung am Ausgang der Regelschaltung eine rechteckförmige Steuerschwingung konstanter Periodendauer und Amplitude gewonnen wird, deren Tastverhältnis in Abhängigkeit von der Eingangsspannung bzw.
vom Ausgangsstrom der Stabilisierungsschaltung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuerschaltung als Taktgeber ein Transistor-Wechselrichter vorgesehen ist, von dessen rechteckförmiger Ausgangsspannung mit zwei RC-Gliedern die dreieckförmige Hilfsspannung konstanter Periodendauer abgeleitet wird, und dass eine bistabile Kippstufe vorgesehen ist, die von der gegebenenfalls verstärkten, aus der Dreieckspannung und der Ausgangsspannung der Stabilisierungsschaltung gebildeten Summenspannung gesteuert, abwechselnd eine von zwei gleich grossen Gleichspannungen entgegengesetzter Polarität in einem von der Ausgangsspannung abhängigen Tastverhältnis mit grosser Flankensteilheit auf die Steuerstrecke des Stelltransistors schaltet.