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Schaltung zur Erzeugung einer rechteckförmigen Steuerspannung mit
steuerbarem Tastverhältnis Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Erzeugung
einer rechteckförmigen Steuerspannung mit steuerbarem Tastverhältnis, insbesondere
für Schaltungen zur Spannungskonstanthaltung in Stromversorgungsgeräten.
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Es wurde bereits eine Regelschaltung zur Erzeugung einer rechteckförmigen
Steuerspannung für Schaltungen zur Spannungskonstanthaltung vorgeschlagen, bei der
die Schaltperiode der rechteckförmigen Steuerspannung konstant gehalten wird.
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Die Wirkungsweise einer derartigen Regelschaltung wird im Prinzip
an Hand der F i g. 1 erläutert. Von der geregelten Ausgangsspannung Ua eines mit
einem Schalter (z. B. Transistor, Stromtor) als Stellglied arbeitenden Stromversorgungsgerätes
wird durch Vergleich mit einer in einem Sollwertgeber S gebildeten Sollspannung
Uk die Regelabweichung Uk-Ua = U", gewonnen. Diese Regelabweichung ist die
verstärkte Differenz der Ausgangsspannung U" und der Sollspannung Uk. In der Regeleinrichtung
wird außerdem im Generator G eine Wechselspannung UT mit der Periode T erzeugt.
Ihre Kurvenform muß gegebenenfalls, wenn sie z. B. rechteckförmig ist, in eine für
Stromf(ußwinkelsteuerung geeignete Form, z. B. Dreieck- oder Sägezahnform, umgewandelt
werden. Die in einer zusätzlichen Schaltung W gewonnene, beispielsweise dreieckförmige
Spannung ist mit Up' bezeichnet. Die Summen- oder Differenzspannung Uz, die
aus der Regelabweichung Uw und der dreieckförmigen Spannung UT' in der Schaltung
Y gebildet wird, durchläuft innerhalb der Periode zu den Zeitpunkten t,.
und t2 vorgegebene Schwellwerte, z. B. U1 und U2. Die Zeiten t,. und t2, ihre Differenz
t2-t, und damit auch der Stromflußwinkel sind Funktionen der Regelabweichung Uw.
Die Zeitpunkte t, und t2 bestimmen das Tastverhältnis der gewünschten Wechselspannung
mit der konstanten Schaltperiode T. Das Tastverhältnis ist durch die Schaltdauer
T, zu Schaltpause T2 gekennzeichnet. In einer Kippschaltung K, die von der Spannung
U1 ein- und von der Spannung U2 ausgeschaltet wird, kann die Spannung Uz in eine
rechteckförmige Stellspannung US umgesetzt werden. Die Stellspannung US hat eine
konstante Periode und ein von der Regelabweichung Uw abhängiges Tastverhältnis.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand zur Erzeugung
einer rechteckförmigen Wechselspannung konstanter Periodendauer mit steuerbarem
Tastverhältnis gegenüber dem der bereits vorgeschlagenen Regeleinrichtung zu verringern.
Die erfindungsgemäße Lösung geht von dem Gedanken aus, das Tastverhältnis des Generators
zur Erzeugung einer rechteckförmigen Wechselspannung unmittelbar zu steuern, und
besteht darin, daß im Gleichstromkreis eines an sich bekannten Gegentaktwechselrichters
in Reihe mit der Betriebsspannungsquelle eine große Induktivität eingeschaltet ist
und daß an der eine rechteckförmige Wechselspannung liefernden Sekundärwicklung
des Wechselrichters voneinander unabhängige Belastungskreise mit für beide Halbperioden
im allgemeinen verschiedenen Belastungswiderständen, von denen wenigstens einer
steuerbar ist, angeschlossen sind.
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Durch die Steuerung des Belastungswiderstandes eines der beiden Belastungskreise
wird das Tastverhältnis der rechteckförmigen Wechselspannung direkt verändert. Dazu
kann die Belastung während einer Halbperiode durch Änderung einer für die Diode
des zugehörigen Belastungskreises als Schwellwert wirkenden Spannung gesteuert werden.
Die Schwellwertspannung kann durch Vergleich einer Meßspannung mit einer Referenzspannung
in einer Transistorschaltung gewonnen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Belastungswiderstand
des zu steuernden Belastungskreises im Kollektor-Emitter-Kreis eines Transistors
angeordnet, und die Aussteuerung des Transistors erfolgt durch eine im Basis-Emitter-Kreis
wirksame Spannungsdifferenz aus einer Referenzspannung und einer durch Spannungsteiler
von einer Meßspannung abgeleiteten Teilspannung.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der F i g. 2 und
3 näher erläutert.
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F i g. 2 zeigt im Prinzip die Schaltung eines Rechteckgenerators mit
steuerbarem Tastverhältnis.
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F i g. 3 stellt die Schaltung eines elektronisch gesteuerten Widerstandes,
wie er in einem Belastungskreis des Wechselrichters verwendet werden kann, dar
Der
Rechteckgenerator nach F i g. 2 arbeitet im Prinzip wie ein Gegentaktwechselrichter
mit zwei rückgekoppelten Transistoren Ts, und Ts, Die Primärwicklungen P, und P2
des Wechselrichterübertragers U sind jeweils im zugehörigen Kollektor-Emitter-Kreis
und die Rückkopplungswicklungen Rlc, und RIc2 im Steuerkreis der Transistoren Ts,
und Ts, angeordnet.
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Gegenüber üblichen Wechselrichterschaltungen unterscheidet sich die
erfindungsgemäße Schaltung durch eine beiden Primärstromkreisen gemeinsame Drosselspule
L großer Induktivität, die mit der Betriebsstromquelle Ein Reihe geschaltet ist.
Ein weiteres neues Merkmal bilden zwei voneinander unabhängige, an die Sekundärwicklung
S des Übertragers angeschaltete Belastungskreise, deren Belastungswiderstände R,
und R2 über je eine einander entgegengesetzt gepolte Diode Dl und D2 angeschlossen
sind und wobei einer der Belastungswiderstände, R2, steuerbar ist. Die Änderung
des Widerstandsverhältnisses R,:R2 bewirkt eine Änderung des Tastverhältnisses Schaltdauer
T, zu Schaltpause T2 der erzeugten Rechteckspannung. Wird der Widerstand R2 in Abhängigkeit
von der Ausgangsspannung einer Schaltung zur Spannungskonstanthaltung, z. B. eines
Schaltreglers, elektronisch gesteuert, dann liefert die Schaltung nach F i g. 2
an den Widerständen die angestrebte Stellspannung konstanter Schaltperiode mit veränderbarem
Tastverhältnis für den Schalter, z. B. Stehtransistor, eines Schaltreglers.
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Die Wirkungsweise der Schaltung beruht darauf, daß die Drosselspule
L mit großer Induktivität im eingeschwungenen Zustand im wesentlichen von einem
Gleichstrom durchflossen wird, der von den Transistoren Ts, und Ts, umgeschaltet
wird und abwechselnd die Widerstände R, und R2 durchfließt. Da die Spannungs-Zeit-Flächen
am Übertrager U und an der Drossel L in einer Schaltperiode T zu Null
werden müssen, ergeben sich bei einem Übersetzungsverhältnis des Übertragers von
1:1:1 angenähert folgende Verhältnisse: Aus
ergibt sich
wobei 4 0s den Sättigungsfluß im Übertrager darstellt. Mit den Spannungen U, und
U2, die der Wechselrichter liefert (F i g. 2), und dem Tastverhältnis T,: T2
= R2: R, ergibt sich
und U2 - E- T .
2-T2 Ist in einer Schaltung zur Spannungskonstanthaltung
die Batteriespannung UB zu stabilisieren, so ergibt sich für ihren Mittelwert
Da der Spannungsmittelwert Ug konstant sein soll, lassen sich Änderungen der Batteriespannung
UB
durch entsprechende Änderungen der Schaltzeit T, ausgleichen. Die Änderung
der Schaltzeit T, ermöglicht einen so großen Regelbereich, daß außer starken Batteriespannungsänderungen
auch noch zusätzliche Spannungsänderungen, die durch Veränderung der Belastung entstehen,
ausgeregelt werden können.
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Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Wechselrichterübertragern
mit einem 'Übersetzungsverhältnis von 1:1:1 beschränkt. Die Sekundärwicklung kann
z. B. für beide Belastungskreise unterteilt und mit verschiedenen Windungszahlen
ausgeführt werden. Ebenso kann die bisher symmetrisch angenommene Primärwicklung
unsymmetrisch angezapft und in Abhängigkeit vom Verhältnis Batteriespannung zu Ausgangsspannung
bei vorgegebenen Widerständen R, und R2 das erforderliche Schaltverhältnis T,:
T erzielt werden.
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In F i g. 2 ist z. B. der Widerstand R2 der von einer Regelabweichung
U", gesteuerte Widerstand. Wächst die Ausgangsspannung Ga an der Schaltung zur Spannungskonstanthaltung
über den Sollwert hinaus an, so muß der Belastungswiderstand kleiner und bei Absinken
der Ausgangsspannung größer werden. Ein wachsender Belastungswiderstand verkleinert
die Dauer T, der Spannung U,, die den Schalter, z. B. Stelltransistor, in der Stabilisierungsschaltung
schließt. Der Spannungsmittelwert U9 sinkt und damit auch die Ausgangsspannung Ua
und die Abweichung vom Sollwert.
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Eine in F i g. 3 dargestellte, geeignete Schaltung, mit der die Regelabweichung
U. gebildet wird, liefert an ihren Ausgangsklemmen einen Widerstand mit der gewünschten
Abhängigkeit. Ein mit dem Spannungsteiler W2 und W3 erzeugter Teil der Ausgangsspannung
U" wird mit einer Bezugsspannung Uv, die z. B. mit einer Zenerdiode erzeugt wird,
an einem Transistor Tss verglichen. Eine wachsende Ausgangsspannung U" verringert
die Steuerspannung zwischen Emitter und Basis und damit den Kollektorstrom J, des
Transistors, der über den Widerstand R2 im Belastungskreis des Wechselrichters geführt
wird.
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Der entsprechende Teil der Wechselrichterschaltung, bestehend aus
der Sekundärwicklung des Übertragers U, der Diode DZ und dem Widerstand R2, ist
zum besseren Verständnis der Schaltung in F i g. 3 angedeutet. Die Klemme a ist
an ein Stromversorgungsgerät, z. B. an einen Schaltregler, geführt. Die Verringerung
des Kollektorstromes wirkt sich im Belastungskreis wie eine Verkleinerung des in
Wirklichkeit konstanten Belastungswiderstandes R2 aus. Die positive Halbwelle der
Spannung U2 aus der Sekundärwicklung des Wechselrichters treibt über die Diode D2
einen Strom J2 durch den Widerstand R2.
Die Spannung U, liegt somit an einem Widerstand
Der Belastungswiderstand R2 ist somit abhängig von der Regelabweichung. Der Widerstandsbereich
beträgt Ri < R2 <__ oo .