DE1230119B - Stabilisierter Gleichspannungswandler - Google Patents

Description

• Stabilisierter Gleichspannungswandl Die Erfindung betrifft einen stabilisierten Gleichspannungswandler, bei dem der für die Transformation erforderliche Wechselstrom durch Umschaltung der Gleichspannung mittels durch einen selbstschwingenden Steuergenerator fremderregter Schalttransistoren erzeugt wird, bei dem in Abhängigkeit von der durch Gleichrichtung der transformierten Wechselspannung erzeugten Ausgangsspannung eine spannungsempfindliche bistabile Kippstufe derart gesteuert wird, daß sie beini Überschreiten des festgesetzten Sollwerts der Ausgangsspannung von ihrem ersten in ihren zweiten stabilen Zustand kippt und beim Unterschreiten des Sollwerts in den ersten stabilen Zustand zurückkippt, und bei dem die spannungsempfindliche Kippstufe ihrerseits Torschaltungen zur Beeinflussung des Wandlers im Sinne einer dem Sollwert entsprechenden Ausgangsspannung steuert.
• Durch die USA.-Patentschrift 3 027 508 wurde ein stabilisierter Wechselrichter mit einem Steuergenerator bekannt, bei dem in Abhängigkeit von einem Vergleich der Ausgangsspannung mit einer Bezugsspannung die Einschaltdauer der zum Wechselrichter gehörigen Transistoren und damit die Leitungsumsetzung dadurch geregelt wird, daß mittels Torschaltungen die Zeit, während der im Lauf jeder Periode des Steuergenerators der Strom durch die eine oder die andere Hälfte der Primärwicklung des Wandlertransformators eingeschaltet wird, abhängig vom Mittelwert der Ausgangsspannung eingestellt wird.
• Naturgemäß ist bei diesem Wechsehichter der Bereich, in dem der Sollwert der Ausgangsspannung unabhängig von der speisenden Gleichspannung und unabhängig von der Belastung eingestellt und eingehalten werden kann, begrenzt, weil es nämlich nicht möglich ist, das Impulslängenverhältnis eines Generators mit einfachen Mitteln in beliebigen Grenzen zu verändern.
• Es wurde auch durch die USA.-Patentschift 2 959 726 ein stabilisierter Gleichspannungswandler bekannt, bei dem ein in Abhängigkeit von einer Vergleichsspannung durch die Höhe der Ausgangsspan-#ung beeinflußbarer Eingangstransistor vorgesehen ist, der auf eine spannungsempfindliche bistabile Kippschaltung derart einwirkt, daß diese, sobald die Ausgangsspannung einen festgesetzten Sollwert überschreitet, von ihrem ersten in ihren zweiten stabilen Zustand übergeht, während beim Unterschreiten des Sollwerts der erste stabile Zustand wiederhergestellt wird, wobei von der bistabilen Kippschaltung Torschaltungen gesteuert werden, die für die Spannungsbeeinflussung des Gleichspannungswandlers Umschaltungen zwischen unterschiedlichen Anzapfungen der Wicklungen des Wandlertransformators vornehmen.
• Für die Stabilisierung der Ausgangsspannung wird bei dieser bekannten Anordnung das übersetzungsverhältnis des Wandlertransformators zwischen zwei Werten nach Bedarf umgeschaltet. Durch diese beiden Werte werden die äußersten Grenzen des Regelbereichs, in dem die Anordnung wirksam sein kann, festgelegt. Als weiterer Nachteil tritt in Erscheinung, daß der Anzapfungswechsel einen verhältnismäßig großen Aufwand an hochbelastbaren Schaltmitteln voraussetzt.
• In dem stabilisierten Gleichspannungswandler gemäß der Erfindung werden die Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden. Es ist ebenfalls eine spannungsempfindliche Kippstufe vorgesehen, die von einem aus dem Vergleich der Ausgangsspannung mit der Bezugsspannung hergeleiteten Stellwert gesteuert wird und den regelnden Einfluß auf den Wechselrichter ausübt.
• Die Einwirkung erfolgt jedoch nicht auf die Frequenz oder das Impulslängenverhältnis des Steuergenerators oder auf das Übersetzungsverhältnis des Transformators.
• Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß durch die Torschaltungen während der Dauer des zweiten stabilen Zustandes der bistabilen Kippstufe die Fremdsteuerung derSchalttransistoren und damit die Leistungsumsetzung des Wandlers unterbunden und während der Dauer des ersten stabilen Zustandes freigegeben ist.
• In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die Gleichspannung zur Speisung der bistabilen Kippstufe, als welche ein Schmitt-Trigger verwendet ist, aus einer von dem fortlaufend schwingenden Steuergenerator über einen galvanisch trennenden Transformator abgenommenen Wechselspannung durch Gleichrichtung gewonnen.
• Die Erfindung wird an Schaltbildern erklärt.
• F i g. 1 zeigt die Schaltung eines Gleichspannungswandlers, bei dem als bistabile Kippstufe ein sogenannter Schmitt-Trigger verwendet wird, der über Torschaltungen die Schwingungen des Steuergenerators ein- und ausschaltet; F i g. 2 stellt einen Gleichspannungswandler dar, bei dem der Steuergenerator dauernd schwingt, wobei der Schmitt-Trigger Torschaltungen betätigt, die die Zuführung der Schwingungen zu dem Gegentaktschalter steuern.
• In F i g. 1 bilden die beiden Transistoren Ts 1 und TJ2 den Gegentaktschalter. Der diese Transistoren an ihren Basiselektroden mit konstanter Frequenz und konstanter Amplitude erregende Steuergenerator ist ein Multivibrator mit den Transistoren Ts 3 und Ts4. Die beiden Transistoren Tsl und TJ2 werden bei schwingendem Multivibrator abwechselnd leitend gesteuert, so daß über die beidenHälftenderPrimärwicklung wp des Transformators Trl abwechselnd Strom aus der'Gleichspannungsquelle +Ul fließt. Die an der Sekundärwicklung w., entstehende übersetzte Wechselspannung wird durch die Gleichrichteranordnung Grl gleichgerichtet und speist den Ladekondensator CB und die äußere Last R,6. Ein Teil der daranliegenden Ausgangsspannung wird über den Spannungsteiler Rl/R2 abgegriffen und als Steuerspannung der spannungsempfindlichen bistabilen Kippschaltung zugeführt. Es handelt sich um einen an sich bekannten Schmitt-Trigger, der die beiden Transistoren Ts5 und Ts6 enthält. Liegt an der Basiselektrode des Transistors Ts5 kein oder ein niedriges, unter dem Sollwert liegendes negatives Potential an, so ist die Kollektor-Emitter-Strecke dieses Transistors gesperrt, die des Transistors TJ6 jedoch voll leitend. Hierdurch wird der Umkehrtransistor Ts 7 gesperrt gehalten; an seiner Kollektorelektrode liegt ein negatives Potential, das die beiden Gleichrichter Gr3 und Gr4 sperrt. Infolgedessen kann die mit den beiden Transistoren Ts3 und TJ4 ausgerüstete Steuergeneratorschaltung frei schwingen und die beiden Transistoren Ts 1 und Ts 2 ansteuern. Hierdurch wird ein Anwachsen der an dem Belastungswiderstand RB anliegenden Ausgangsspannung bewirkt. Erreicht sie ihren Sollwert, so erreicht auch das an der Basiselektrode des Transistors Ts5 anliegende negative Potential denjenigen kritischen Wert, bei dem der Schmitt-Trigger von seinem ersten in seinen zweiten stabilen Zustand umspringt. Dieser zweite Zustand ist dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor Ts6 gesperrt ist. Sein Kollektor führt dabei negatives Potential, das den Umkehrtransistor TJ7 in leitenden Zustand versetzt, so daß dessen Kollektor annähernd die Spannung + U2 führt, die über die beiden Gleichrichter Gr3 und Gr4 auf die Basiselektroden der Generatortransistoren TJ3 und Ts4 durchgreift und den Generator anhält. Infolgedessen werden die beiden Schaltertransistoren Tsl und Ts2 durch das Potential +U2, das über die Widerstände R 5 und R 6 an ihre Basiselektroden gelangt und das positiver als das an ihren Emittern herrschende Potential +Ul ist, gesperrt. Somit ist die weitere Stromzuführung zum LadekondensatorC8 unterbrochen, der durch den Belastungswiderstand RB entladen wird. Unterschreitet die am BelastungswiderstandRB vorhandene Ausgangsspannung dabei ihren Sollwert um einen durch den Verstärkungsgrad des Regelkreises bestimmten Betrag, so springt der Schmitt-Trigger wieder in seinen ersten Zustand zurück, wobei die Sperrung des Steuergenerators wiederaufgehoben wird und der Gegentaktschalter wieder zu arbeiten beginnt.
• Bei konstanter Primär-Eingangsspannuilg Ul und konstanter sekundärer Belastung RB erfolgt ein periodisches Hin- und Herkippen des durch die beiden Transistoren Ts5 und Ts6 gebildeten Schmitt-Triggers. Das Verhältnis der Dauer des Einschaltzustandes zu der Dauer des Ausschaltzustandes sowie die Häufigkeit des Schaltvorganges hängen dabei von der Größe der Belastung, der Größe -der Ausgangs-und der Eingangsspannung ab.
• Die F i g. 2 zeigt eine etwas abgeänderte Schaltung eines stabilisierten Gleichspannungswandlers. Sie hat den Vorteil der völligen galvanischen Trennung der Eingangs- von der Ausgangsspannung. Außerdem werden durch den Regelvorgang nicht die Schwingungen des Steuergenerators unterbunden, er schwingt vielmehr ständig unverändert weiter, während durch die Torschaltungen Gr5 und Gr6 die Zuführung der Schwingungen zu den Basiselektroden der Schalttransistoren Tsl und Ts2 unterbrochen wird. Hierfür sind die beiden übertrager Tr2 und Tr3 in den Weg zwischen Steuergenerator und Gegentaktschalter eingefügt. Der aus den Transistoren Ts3 und Ts4 gebildete Steuergenerator arbeitet auf die Primärwicklung Wl des Transformators Tr2, dessen Sekundärwicklung W2 zusammen mit der Primärwicklung W4 des Transformators Tr3 eine durch die Gleichrichter Gr5 und Gr6 gesteuerte Übertragungsschaltung bildet. Ist in dem Schmitt-Trigger der erste stabile Zustand vorhanden, so leitet die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors Ts6. Damit fließt über die Mittelanzapfungen der Wicklungen W2 und W4 und die Gleichrichter Gr5 und Gr6 ein Gleichstrom, so daß diese Gleichrichter auch für die übertragung des Generatorsignals zwischen den beiden Transformatoren durchlässig werden. Stellt sich jedoch im Schmitt-Trigger der zweite stabile Zustand ein, so ist der Transistor Ts6 ge- sperrt. Es besteht dann auch keine Verbindung zwischen den Transformatorwicklungen W2 und W4 mehr, so daß der Gegentaktwandler Tsl, Ts2 nicht betätigt wird.
• Die Spelsung des Schmitt-Triggers wird über eine Gleichrichteranordnung Gr7 der Wicklung W3 der Transformator Tr 2 entnommen. Sie wird also vom Steuergenerator geliefert. Durch diese Maßnahme wird die vielfach notwendige galvanische Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangsgleichspannung erreicht.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Stabilisierter Gleichspannungswandler, bei dem der für die Transformation erforderliche Wechselstrom durch Umschaltung der Gleichspannung mittels durch einen selbstschwingenden Steuergenerator fremderregter Schalttransistoren erzeugt wird, bei dem in Abhängigkeit von der durch Gleichrichtung der transformierten Wechselspannung erzeugten Ausgangsspannung eine spannungsenipfindliche bistabile Kippstufe derart gesteuert wird, daß sie beim überschreiten des festgesetzten Sollwerts der Ausgangsspannung von ihrem ersten in ihren zweiten stabilen Zu- stand kippt und beim Unterschreiten des Sollwerts in den ersten stabilen Zustand zurückkippt, und bei dem die spannungsempfindliche Kippstufe ihrerseits Torschaltungen zur Beeinffussung des Wandlers im Sinne einer dem Sollwert entsprechenden Ausgangsspannung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Torschaltungen (Ts7, Gr3, Gr4 in Fig. 1; Gr5, Gr 6 in F i g. 2) während der Dauer des zweiten stabilen Zustandes der bistabilen Kippstufe (Ts5, TJ6) die Fremdsteuerung der Schalttransistoren (Tsl, Ts2) und damit die Leistungsumsetzung des Wandlers unterbunden und während der Dauer des ersten stabilen Zustandes freigegeben ist.
2. 2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Torschaltungen während der Dauer des zweiten stabilen Zustandes der bistabilen Kippstufe das Schwingen des Steuergenerators (Ts
3. 3, Ts4) unterdrückt und während der Dauer des ersten stabilen Zustandes die Schwingungserzeugung freigegeben ist (F i g. 1). 3. Stabilisierter Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltungen zwischen dem Steuergenerator (Ts 3, Ts 4) und dem Steuereingang für die Schalttransistoren angeordnet und während der Dauer des zweiten stabilen Zustandes der bistabilen Kippstufe gesperrt, während derDauer des ersten stabilen Zustandes jedoch durchlässig sind (F i g. 2).
4. 4. Gleichspannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung zur Speisung der bistabilen Kippstufe, als welche ein Schmitt-Trigger verwendet ist, aus einer von dem fortlaufend schwingenden Steuergenerator über einen galvanisch trennenden Transformator (Tr2) abgenommenen Wechselspannung durch Gleichrichtung erhalten wird (F i g. 2). In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 959 726 ' 3 027 508; Elektronische Rundschau, 1958, Nr. 10, S. 343; Electronics, Heft vom 23. 2. 1962, S. 47 bis 49.