Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Gleichspannungswandler und mit einer eine primiire Gleichspannung liefernden Quelle zur Erzeugung einer sekundären Gleichspannung.
Die Schaltungsanordnung eines bekannten Gleichspannungswandlers (Wandlers) ist in Fig. 1 abgebildet. Die umzu wandelnde (primärseitige) Gleichspannung liegt zwischen den Eingangsklemmen +UB und -U. Die umgewandelte Gleichspannung erscheint an den Ausgangsklemmen +UA und -UA.
Die Arbeitsweise des Wandlers ist im wesentlichen so, dass die beiden Schalttransistoren 1 und 2 von einer Steuereinheit 3 abwechselnd durchgeschaltet werden. Die vom Transformator 4 transformierte Spannung wird nach Gleichrichtung durch die Dioden 5 und 6 dem Verbraucher zugefihrt.
Der Nachteil des bekannten Wandlers besteht darin, dass der Wirkungsgrad verhiiftnismiissig klein ist. Dies findet seine Ursache darin, dass die ganze umgewandelte Leistung den Wandler vom Eingang bis Ausgang durchlaufen muss, was mit entsprechenden Verlusten einhergeht. Der erreichbare Wirkungsgrad bietet im Bereich grösserer Leistungen Wärmeab- fuhrprobleme.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler der eingangs definierten Art zu schaffen, der einen höheren Wirkungsgrad aufweist. Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelt, dass der Ausgang des Wandlers in Reihe zu der Gleichspannungsquelle geschaltet ist, so dass die sekundire Gleichspannung gleich der Summe aus der primlren Gleichspannung und der Ausgangsspannung des Wandlers ist.
Eine bevorzugte Ausfiihrungsform des Erfindungsgegenstandes weist einen Gleichspannungswandler mit eingangsseitig zwei Schalttransistoren, die primirseitig mit einem Transformator in Gegentaktschaltung verbunden sind, und mit einer Steuervorrichtung zum abwechselnden Ansteuern der Schalttransistoren auf. Die Gleichspannungsquelle ist dabei einerseits mit dem primiirseitigen Mittelabgriff des Transformators und anderseits mit den Schalttransistoren verbunden. Weiterhin weist der Wandler ausgangsseitig in Mittelpunktschaltung mit der Sekundirseite des Transformators verbundene Dioden auf.
Diese Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem primirseitigen Mittelabgriff des Transformators verbundene Pol der Gleichspannungsquelle zusätzlich mit dem sekundiirseitigen Mittelabgriff verbunden ist.
Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist der Transformator ein Autotransformator, so dass die Verluste weiterhin verkleinert werden. Auch ist der Kupferftillfaktor eines solchen Transformators grosser.
Ist eine kleinere oder griissere Ausgangsspannung er wtinscht als die Summe der transformierten Spannung und der Batteriespannung, so kann jede Wicklungshilfte des Autotransformators mit einem entsprechenden Abgriff fir die Dioden versehen sein.
Zum Zwecke einer Stabilisierung der Ausgangsspannung des Wandlers kann dieser mit einem Regler versehen sein, dessen Regelgrösse die Ausgangsspannung des Wandlers ist und dessen Stellgrösse der Winkel des Phasenanschnittes der Dioden ist, die steuerbar ausgeffihrt sind.
Die Spannungsstabilisierung kann ebenfalls verwirklicht sein, indem der Wandler mit einem Regler versehen ist, dessen Regelgrösse die Ausgangsspannung des Wandlers ist und dessen Stellgrösse die Durchschaltzeit der Schalttransistoren ist.
Einige Ausfiihrungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 den bekannten Wandler,
Fig. 2 einen Wandler gemäss der Erfindung,
Fig. 3-5 gegenflber Fig. 2 abgewandelte Ausfiihrungsformen,
Fig. 6 und 7 Wandler mit Ausgangsspannungsstabilisierung,
Fig. 8 einen Wandler mit abgewandelter Schaltungsanordnung,
Fig. 9 einen Wandler im Blockschaltbild.
In dem Ausfflhrungsbeispiel der Erfindung remiss Fig. 2 ist die vom Wandler umzuwandelnde Gleichspannung durch eine Batterie 10 dargestellt. Die umgewandelte Gleichspannung erscheint an den Ausgangsklemmen +UB und -UA des Wandlers. Zwischen diesen Ausgangsklemmen ist ein Verbraucher 11 geschaltet. Der Pluspol 12 der Batterie 10 ist tiber eine Leitung 13 mit einem Mittelabgriff 14 der p rimiren Wicklung 15 eines Transformators 16 verbunden. Der Pluspol 12 der Batterie 10 ist weiterhin zusätzlich fiber eine Leitung 18 mit einem Mittelabgriff 19 der sekundaren Wicklung 20 des Transformators 16 verbunden.
Weiterhin ist eingangsseitig des Wandlers eine Steuervorrichtung 25 vorgesehen, welche zwei S rgesehen Schalttransistoren 26 und 27, die je mit einem Ende der pri mären Wicklung 15 des Trarisformators 16 verbunden sind, abwechslungsweise durchschaltet. An die Sekundärwicklung 20 des Transformators 16 sind zwei Dioden 28 und 29 in Mit- telpunktschaltung angeschlossen. Die Dioden bilden kathodenseitig die Ausgangsklemme +UA des Wandlers. Zur Siebung der Ausgangsspannung liegt ein Kondensator 30 zwischen +UA und UA.
Der Wandler arbeitet wie folgt:
Wird im Betrieb des Wandlers der Schalttransistor 26 von der Steuervorrichtung 25 durchgeschaltet, so beginnt ein linear ansteigender Strom von der Batterie 10 durch die Wicklungshälfte 15a des Transformators 16, den Schalttransistor 26 und zurick zum Minuspol der Batterie zu fliessen. Folglich erscheint tiber dem Teil 20a der Sekundärwicklung 20 des Transformators eine induzierte Spannung. Diese Spannung wird von der Diode 29 durchgelassen. Die Spannung Uw zwischen dem Mittelabgriff 19 und den gemeinsamen Kathoden der Dioden 28 und 29 - steht in Reihe mit der Batteriespannung Ug, SO dass am Verbraucher 11 die Summe der beiden Teilspannungen auftritt.
Beim anschliessenden Sperren des Schalttransistors 26 und Durchschalten des Schalttransistors 27 durch die Steuervorrichtung 25 wiederholt sich der beschriebene Vorgang in der Wicklungshälfte 15b und der Sekundärwicklung 20b des Transformators 16 und in der Diode 28. Es folgt, dass die Batteriespannung bei jedem Durchschalten der Schalttransistoren unmittelbar, d. h. nicht fiber den Verlustweg, den der Wandler darstellt, ais Teilspannung zusammen mit der transformierten Spannung am Verbraucher 11 anliegt. Somit ist der Wirkungsgrad der gesamten Anordnung entsprechend höher.
Vom Wandler wird nur noch ein Teil der Leistung tibertragen, so dass die beiden Transistoren und der Transformator fir kleinere als die am Verbraucher geforderte Leistung ausgelegt werden können. Das Resultat ist, dass der Wandler kleinere Abmessungen aufweisen kann.
Bei dem Ausfiihrungsbeispiel des Wandlers gemiss Fig. 3 ist an Stelle des Trenntransformators 16 von Fig. 2 ein Autotransformator 35 angeordnet. Der primir- und sekundärseitige Mittelabgriff des Transformators 35 ist hier ein gemeinsamer Mittelabgriff 36. Auch hier addiert sich die Spannung einer Batterie 37 zu der jeweils in einer der Wicklungshälften 38 oder 39 des Autotransformators induzierten Spannung. Der Vorteil des Autotransformators liegt in seinem grösseren Kupfeiftillfaktor, so dass die Verluste des Wandlers abermals verringert sind.
Beim Ausftihrungsbeispiel des Wandlers remiss Fig. 4 ist ein Autotransformator 45 verwendet, dessen Wickiungshilften 46 und 47 je mit einem Abgriff 48 bzw. 49 versehen sind, an welche die Dioden 50 bzw. 51 angeschlossen sind. Diese Aus ftihrungsform findet Verwendung, wenn die Ausgangsspannung der Anordnung nicht, wie gemiss Fig. 3, gleich der Summe der Batteriespannung und der Transformatorwicklungsspannung sein muss, sondern gleich der Summe der Batteriespannung und einem Teil der primiren Wicklungsspannung. In diesem Ausffihrungsbeispiel ist die Summenspannung gleich der Summe der Spannung einer Batterie 52 und der Spannung des Wicklungsteils 47a des Transformators 45.
Beim Ausfflhrungsbeispiel gemiss Fig. 5 wird die sekun dire Wandlerspannung grosser als diejenige der Primirwick- lung. Bei durchgeschaltetem Transistor 57, wenn ein Wicklungsteil 56a eines Transformators 56 Strom ffihrt, ist die Ausgangsspannung des Wandlers gleich der Summe der Spannung einer Batterie 57 und der Spannung eines Wicklungsteils 56b des Transformators 56. Die Ausgangsspannung an den Klemmen +UA und -UA des Wandlers ist somit um die am Wicklungsteil 56c des Transformators anstehende Spannung höher als in der Anordnung gemiss Fig. 3.
Beim Wandler gemiss Fig. 6 ist eine Stabilisierung der Ausgangsspannung vorgesehen. Statt Dioden sind hier Thyristoren 60 und 61 verwendet. Es sind weiterhin ein Regler 62 und eine Vorrichtung 63 zur Steuerung des Phasenwinkelanschnittes der Thyristoren 60 und 61 vorgesehen. Der Regler 62 ist eingangsseitig fiber Leitungen 64 und 65 mit den Aus gangsklemmen +UA und -UA verbunden.
Die Ausgangsspannung bildet somit die Regelgrösse fir den Regler. Die Steuervorrichtung 63 ist fiber Leitungen 66 und 67 mit den Ziindelektroden 68 bzw. 69 der Thyristoren verbunden. Im Regler 62 findet ein Vergleich zwischen der momentanen Ausgangsspannung und einem am Regler eingestellten Sollwert statt. Das resultierende Stellsignal fir den Phasenwinkel wird fiber eine Leitung 70 der Steuervorrichtung 63 zugeffihrt, die die Ziindelektroden 68 und 69 entsprechend beeinflusst, so dass die Breite der gleichgerichteten, von einem Transformator 71 erzeugten Stromimpulse gesteuert werden.
Eine Freilaufdiode ist mit 72 bezeichnet und liegt in Reihe mit einem Tiefpass, bestehend aus einer Drossel 73 und einem Kondensator 74.
Beim Ausfiihrungsbeispiel remiss Fig. 7 wird die Ausgangsspannung des Wandlers stabilisiert durch Steuerung des Tastverhiltnisses der Schalttransistoren. Wie in Fig. 7 ersichtlich, steht eine Steuervorrichtung 80 zum abwechselnden Durchschalten der Transistoren 81 und 82 fiber eine Leitung 83 in Verbindung mit einem Regler 84, der eingangsseitig mit den Ausgangsklemmen +UA und -UA des Wandlers verbunden ist. Im Regler 84 findet wiederum ein Vergleich zwischen der momentanen Ausgangsspannung und einem Sollwert statt.
Das gebildete Stelisignal erreicht fiber die Leitung 83 die Steuervorrichtung 80, die die Durchschaltezeit der Schalttransistoren 81 und 82 entsprechend steuert und damit die Impulsbreite der von einem Transformator 85 transformierten Impulse.
Selbstverstindlich kann die Durchschaltezeit der Schalttransistoren statt in Abhingigkeit der Ausgangsspannung des Wandlers in Abhingigkeit einer anderen Regelgrdsse geregelt werden, welche der Steuervorrichtung 80 eingegeben wird.
Bei Verwendung von pnp-Schalttransistoren statt der in den Ausfiihrungsbeispielen verwendeten npn-Schalttransistoren entsteht eine Schaltungsanordnung gemiss Fig. 8. Eine Batterie 90 ist einerseits mit einem Mittelabgriff 91 einer Primärwicklung 92a eines Transformators 92 und anderseits mit einem Mittelabgriff 93 einer Sekundärwicklung 92b des Transformators 92 und mit der Emitterseite der Schalttransistoren 94 und 95 verbunden. Wie ersichtlich liegt bei durchgeschaltetem Schalttransistor 94 (95) der Wicklungshllfte 92b' (92b") der Sekundärwicklung 92b des Transformators 92 in Reihe fiber einem Verbraucher 96 mit der Spannung der Batterie 90.
Weitere durch Polarititswechsel bedingte Schaltungsanordnungen sind möglich. All diesen Schaltungsanordnungen ist der Erfindungsgedanke gemeinsam, dass die Ausgangsspannung des Wandlers in Reihe mit der dem Wandler primirseitig zugefiihrten Gleichspannung liegt. Das allen Anordnungen gemeinsame Blockschaltbild zeigt Fig. 9. Der Wandler als Ganzer, aber ohne Batterie, ist mit 100 bezeichnet. Eine pri mire Seite 100a des Wandlers 100 ist fiber Leitungen 101 und 102 mit einer Batterie 103 verbunden, so dass die Eingangsspannung U1 des Waridlers gleich der Batterispannung Ug ist.
Der primire Strom des Wandlers ist mit I1 bezeichnet.
Eine sekundire Seite lOOb des Wandlers 100 ist mit derselben Batterie 103 verbunden, so dass die Ausgangsspannung U2 des Wandlers in Reihe mit der Batteriespannung Ug liegt.
Somit liegt fiber einem angeschlossenen Verbraucher 104 die Summenspannung U2 + Ug. Der sekundäre Strom durch den Verbraucher ist mit 12 bezeichnet.