DD261033A1 - Gleichspannungswandler fuer impulsartige leistungsabgabe in vorzugsweise batteriegespeisten geraeten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler fuer impulsartige Leistungsabgabe und kann zur Stromversorgung fuer batteriegespeiste Geraete mit kurzzeitig hoher Leistungsabgabe, insbesondere fuer Impulsleistungssender angewendet werden. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gleichspannungswandler anzugeben, der unter Verwendung kleiner Primaer- oder Sekundaerzellen mit relativ geringer Strombelastbarkeit eine konstante Ausgangsspannung bereitstellt, die groesser ist, als die Eingangsspannung. Die erfindungsgemaesse Loesung geht von dem Prinzip der Energiespeicherung in einem kapazitiven Speicher durch eine hohe Spannung aus. Dabei wird zunaechst ueber einen Hochsteller in Form eines Stromgenerators ein Ladekondensator auf eine hoehere Spannung aufgeladen. Der Ladevorgang wird dabei ueber einen weiteren Kondensator, einer Induktivitaet, einem npn-Transistor gegen Masse und einer Inversdiode eines pnp-Transistors in Laengsrichtung auf den Ladekondensator realisiert. Beide Transistoren werden je von einem zugehoerigen Pulsdauermodulator gesteuert. Der Entladevorgang, d. h. der Energieabgabezyklus an den Verbraucher, wird ueber den pnp-Laengstransistor, der Inversdiode des npn-Transistors sowie der Induktivitaet und dem Kondensator realisiert.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler für impulsartige Leistungsabgabe und kann zur Stromversorgung für batteriegespeiste Geräte mit kurzzeitig hoher Leistungsabgabe, insbesondere zur Stromversorgung von Impulsleistungssendern, angewendet werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, zur Bereitstellung großer Energiebeträge für Impulse hoher Leistung einen mit hoher Spannung aufgeladenen kapazitiven Speicher zu verwenden. Typische Anwendungsfälle hierfür sind Hochvoltkondensatorzündanlagen in der Kfz-Technik, Lichtblitzgeräte, Röntgengeräte, Geräte der Schweißtechnik. Prinzipiell wird dabei ein Kondensator oder eine aus mehreren Kondensatoren zusammengesetzte Kondensatorbatterie über eine Ladeeinrichtung auf eine bestimmte, dem erforderlichen Energiebetrag adäquate Spannung aufgeladen. Die Funktion der Ladeeinrichtung wird in batteriegespeisten Geräten meist durch einen Gleichspannungswandler übernommen. Die Entladung, d. h. die Energieabgabe, erfolgt zeitlich vom Aufladevorgang verschoben durch paralleles Schalten der Lastkreise an den Ladekondensator, wobei die Spannung kontinuierlich abnimmt. Die große Spannungsdifferenz ist für viele Verbraucher wie z.B. Blitzlampen, Gasentladungsröhren, Zündkreisefür Ottomotoren, Widerstandsschweißstrecken u.a. nur von untergeordneter Bedeutung. Bei Zuschalten induktiver Lastkreise ist es weiterhin möglich, diese mit der Speicherkapazität resonant zu machen. Aus der DE-OS 3001562 ist hierzu ein elektrischer Stromgenerator, der über ein Hochstromventil eine induktive Last ansteuert bekannt. Ebenso wird in der DE-AS 1788134 ein Stromgenerator zum Aufladen eines Speicherkondensators und induktiver Last beschrieben. Spezielle Verbraucher sind aber nur in einem begrenzten Spannungsbereich funktionstüchtig und überspannungsempfindlich. Der erforderliche Energiebetrag müßte bei vorgegebener zulässiger Spannungsdifferenz durch Vergrößerung der Kapazität eingestellt werden. Nachteilig ist dabei, daß das Volumen für die Kondensatorbatterie wesentlich schneller wächst, als bei Erhöhung der zulässigen Spannungsdifferenz.

Weiterhin ist aus der DD-PS 243154 eine Stromversorgungseinrichtung für batteriegespeiste Geräte mit impulsartiger Leistungsabgabe bekannt, bei der ein Ladekondensator über einen Hochsteller aufgeladen und anschließend automatisch bzw. nach Ablauf einer bestimmten Zeit oder je nach Bedarf über einen Tiefsteller zur Stromversorgung eines impulsartigen Verbrauchers entladen wird. Nachteilig ist bei dieser Lösung, daß sowohl für den Ladezyklus, als auch für den Entladevorgang gesonderte Induktivitäten (Wickelbauelemente) benötigt werden, die das Bauvolumen der Stromversorgungseinrichtung wesentlich mitbestimmen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei der Stromversorgung für impulsartige Leistungsverbraucher die räumlichen Abmessungen minimal zu gestalten sowie eine lange Lebensdauer der zu verwendenden Sekundärzellen zu gewährleisten, bei weiterer Verbesserung der Betriebssicherheit des Gerätesystems und der Einsparung von Bauelementen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungswandler für impulsartige Leistungsabgabe anzugeben, unter Verwendung kleiner Sekundärzellen oder Primärzellen mit geringer Strombelastbarkeit bei gleichzeitiger Minimierung großräumiger Bauelemente, wobei eine konstante Ausgangsspannung bereitgestellt werden soll, die größer ist, als die Eingangsspannung.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine eingangsseitige Gleichspannungsquelle über eine Diode in Flußrichtung mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers, einem Kondensator gegen Masse sowie einer Induktivität verbunden ist. Der andere Anschluß der Induktivität ist mit einem npn-Transistor gegen Masse sowie über einen pnp-Transistor in Längsrichtung mit einem Ladekondensator gegen Masse verbunden. Parallel zu beiden Transistoren ist jeweils eine Diode angeordnet. Weiterhin sind beide Transistoren basisseitig mit je einem Pulsdauermodulator verbunden, wobei den Pulsdauermodulatoren sowohl eine Takterzeugung, als auch jeweils ein Schalteingang zugeordnet sind. Beide Kondensatoren sind über je ein Anpaßnetzwerk mit jeweils einem Pulsdauermodulator verbunden. Zusätzlich ist der Ladekondensator über einen Schwellwertschalter mit dem Schalteingang des Pulsdauermodulators verbunden, der dem pnp-Transistor in Längsrichtung zugeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Lösung geht von dem Prinzip der Energiespeicherung in einem kapazitiven Speicher durch eine hohe Spannung aus. Dabei wird zunächst über einen Hochsteller in Form eines Stromgenerators der Ladekondensator auf eine höhere Spannung aufgeladen. Der Ladevorgang wird dabei über den ersten Kondensator der Induktivität, dem npn-Transistor gegen Masse und der Inversdiode des pnp-Längstransistors auf den Ladekondensator realisiert. Der npn-Transistor wird dabei vom zugehörigen Pulsdauermodulator gesteuert. Der Entladevorgang des Ladekondensators, d. h. der Energieabgabezyklus des Gleistromwandlers an den Verbraucher, wird dabei über den pnp-Längstransistor, der Inversdiode des npn-Transistors sowie der Induktivität und dem Kondensator, die einen Tiefpaß bilden, realisiert. Der pnp-Transistor wird dabei vom anderen Pulsdauermodulator gesteuert. DieTaktfrequenzfür den Entladezyklus kann dabei gleich oder verschieden von der Taktfrequenz für den Ladevorgang sein. Zwei Anpassungsnetzwerke, eines am Ladekondensator und eines am Gleichspannungsausgang, sorgen über den jeweiligen Pulsdauermodulatoren für stabilisierte Spannungen in gewünschter Höhe.

Weiterhin ist es möglich, über die Schalteingänge der Pulsdauermodulatoren, extern die Zeitpunkte der Energieaufnahme bzw. Energieabgabe zu steuern. Bei periodischer Energieübergabe kann ein Schwellwertschalter, der vom Ladekondensator auf den Schalteingang des Pulsdauermodulators, der mit dem pnp-Längstransistor verbunden ist, zum Steuern des Energieübernahmezyklusses eingesetzt werden.

Eine Diode am Eingang des Gleichspannungswandlers verhindert Rückwirkungen der Ausgangsspannung auf die Gleichspannungsquelle.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt: Fig.: Gleichspannungswandlerfür impulsartige Leistungsabgabe

Gemäß Fig. ist eine eingangsseitige Gleichspannungsquelle Ui in Form kleiner Sekundärzellen oder Primärzellen über eine Diode V5 mit einem Kondensator C2 gegen Masse, der gleichzeitig den Ausgang U₀ des Gleichspannungswandlers bildet, und einer Induktivität L verbunden. Der andere Anschluß der Induktivität L ist mit einem npn-Transistor V3 gegen Masse sowie über einen pnp-Transistor V2 in Längsrichtung mit dem Ladekondensator C1 gegen Masse verbunden. Parallel zu beiden Transistoren V2 und V3 liegen die Inversdioden V1 und V4.

Bei modernen Halbleitern können diese Inversdioden bereits mit im Transistor integriert sein, so daß jeweils lediglich ein Bauelement notwendig ist. Weiterhin ist der Transistor V2 basisseitig mit einem Pulsdauermodulator 3 und der Transistor V3 basisseitig mit einem Pulsdauermodulator 4 verbunden. Beiden Pulsdauermodulatoren 3 und 4Tst eine Takterzeugung 5 sowie jeweils ein Schalteingang S1 und S2 zugeordnet. Weiterhin ist der Pulsdauermodulator 3 über ein Anpaßnetzwerk 2 mit dem Ladekondensator C1 verbunden, während der Pulsdauermodulator 4 über das Anpaßnetzwerk 6 mit dem Ausgang U₀ verbunden ist. Der Schalteingang S1 des Pulsdauermodulators 3 ist schließlich noch über einen Schwellwertschalter 1 dem Ladekondensator C1 zugeordnet.

Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler kann Verbraucher mit impulsartiger Leistungsabgabe durch einen zeitlich . versetzten Auflade- und Abgabezyklus versorgen. Dabei wird über einen kaskadierten Gleichspannungswandler der kapazitive Zwischenspeicher C1 über einen Hochsteller aufgeladen und bei Leistungsabgabe über einen Tiefsteller als konstante Ausgangsspannung wiederum abgeblitzt. Der Aufladezyklus wird dabei derart realisiert, daß die relativ kleine Eingangsspannung Ui über die Diode V5 und einem Hochsteller in Form eines Stromgenerators, gebildet durch die Induktivität L, dem Kondensator C 2 sowie dem npn-Transistor V3 und der Diode V1, den Ladekondensator C1 auflädt. Der npn-Transistor V3 wird über den Pulsdauermodulator 4 entsprechend gesteuert. Die Taktfrequenz f 2 für den Ladevorgang wird von der Takterzeugung 5 festgelegt. Beim Energieabgabezyklus wird ein relativ hoher Strom impulsartig an den Verbraucher abgegeben, wobei die Ausgangsgleichspannung größer ist, als die Eingangsgleichspannung. Der Ladekondensator C1 wird dabei über die Strecke pnp-Längstransistor V2, Inversdiode V4 sowie Induktivität L und Kondensator C2, die zusammen einen Schaltregler bilden, entladen. Der pnp-Längstransistor V2 wird über den Pulsdauermodulator 3 entsprechend gesteuert. Die Taktfrequenz f 1

für den Entladevorgang wird ebenfalls von der Takterzeugung 5 bereitgestellt und kann gleich oder verschieden von der Taktfrequenz f 2 sein.

Den Pulsdauermodulatoren 3 und 4 sind zusätzlich die Schalteingänge S1 und S 2 zugeordnet, über welche der Zeitpunkt der Energieaufnahme bzw. der Energieabgabe extern gesteuert werden kann. Weiterhin ist der Pulsdauermodulator 3 überein-Anpaßnetzwerk 2 mit dem Ladekondensator C1 verbunden, während der Pulsdauermodulator4 über ein Anpaßnetzwerk 6 dem Ausgang der Schaltungsanordnung zugeordnet ist.

Bei konstanten Zeitabständen in der Energieabgabe kann die Steuerung ebenfalls über einen Schwellwertschalter 1 erfolgen.

Der Schwellwertschalter 1 gibt die Entladeschaltung immer frühestens dann frei, wenn der Ladekondensator C1 auf eine, dem erforderlichen Energiebetrag adäquate Spannung aufgeladen ist.

Durch den erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler ist nur noch eine Induktivität (Wickelbauelement) erforderlich, die sowohl für den Ladevorgang, als auch den Entladevorgang genutzt werden kann. Die Induktivität L ist unter Berücksichtigung der maximalen Ladezeit, den Strömen beim Lade- und Entladevorgang, der Taktfrequenzen und anderer Randbedingungen zu optimieren.

Zur Überwachung der Arbeitszustände sind sowohl dem Ladekondensator C1, als auch dem Ausgang U₀ der Schaltungsanordnung Anzeigeelemente 7 und 8 zugeordnet.

Claims (5)

1. Gleichspannungswandler für impulsartige Leistungsabgabe in vorzugsweise batteriegespeisten Geräten, insbesondere unter Umformung einer Gleichstromleistung in eine impulsartige Ausgangsleistung unter Verwendung zweier Gleichspannungswandler in Form eines Hoch- bzw. eines Tiefstellers sowie einem zwischengeschalteten kapazitiven Speichers, gekennzeichnet dadurch, daß die eingangsseitige Gleichspannungsquelle (U,) über eine Diode (V5) mit dem Ausgang (U₀) des Gleichspannungswandlers, einem Kondensator (C2) gegen Masse sowie einer Induktivität (L) verbunden ist, daß dem anderen Anschluß der Induktivität (L) ein npn-Transistor (V3) gegen Masse sowie über einen pnp-Transistor (V2) in Längsrichtung ein Kondensator (C 1) gegen Masse zugeordnet ist, daß parallel zum Transistor (V2) eine Diode (V 1) und parallel zum Transistor (V3 eine Diode (V4) angeordnet ist, daß der Transistor (V2) basisseitig mit einem Pulsdauermodulator (3) und der Transistor (V3) basisseitig mit einem Pulsdauermodulator (4) verbunden ist, der Pulsdauermodulator (3) über ein Anpaßnetzwerk (2) mit dem Kondensator (C 1) und der Pulsdauermodulator (4) über ein Anpaßnetzwerk (6) mit dem Ausgang (U₀) verbunden ist und das den Pulsdauermodulatoren (3) und (4) eine Takterzeugung (5) zugeordnet ist.

2. Gleichspannungswandler für impulsartige Leistungsabgabe gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem Pulsdauermodulator (4) ein Schalteingang (S 2) zugeordnet ist.

3. Gleichspannungswandler für impulsartige Leistungsabgabe gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Kondensator (C 1) über einen Schwellwertschalter (1) mit dem Schalteingang (S 1) des Pulsdauermodulators (3) verbunden ist.

4. Gleichspannungswandler für impulsartige Leistungsabgabe gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß den Pulsdauermodulatoren (3) und (4) eine Takterzeugung (5) mit je einem Taktfrequenzausgang (f 1) und (f 2) zugeordnet ist.

5. Gleichspannungswandler für impulsartige Leistungsabgabe gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem Ladekondensator (C 1) und dem Ausgang (U₀) je ein Anzeigeelement (7) und (8) zugeordnet ist.