DE1242742B - Gleichspannungswandler - Google Patents

Gleichspannungswandler

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DE1242742B DEJ17148A DEJ0017148A DE1242742B DE 1242742 B DE1242742 B DE 1242742B DE J17148 A DEJ17148 A DE J17148A DE J0017148 A DEJ0017148 A DE J0017148A DE 1242742 B DE1242742 B DE 1242742B
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Description

DEUTSCHES WflfWGSSP PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
H02p
DeutscheKl.: 21c-67/10
Nummer: 1 242 742
Aktenzeichen: J17148 VIII b/21 c
Anmeldetag: 24. Oktober 1959
Auslegetag: 22. Juni 1967
Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, bestehend aus einem von der Eingangsgleichspannung gespeisten Oszillator mit nachgeschalteter Gleichrichtervorrichtung, bei welchem eine dem Istwert der Ausgangsgleichspannung jeweils entsprechende Teilspannung auf den Oszillator rückgeführt ist, um die Ausgangsgleichspannung unabhängig von Belastungsschwankungen konstant zu halten.
Zur Konstanthaltung der Ausgangsspannung wird bekanntlich so verfahren, daß entweder die Gleichspannung am Ausgang der Gleichrichterstufe beeinflußt wird oder daß die Regelgröße auf die Oszillatorwechselspannung einwirkt. Wird die Gleichspannung direkt geregelt, dann ergibt sich der große Nachteil, daß Leistungsverluste in der Regeleinrichtung in 1S Kauf genommen werden müssen. Dieser Anteil der Ausgangsleistung stellt unter Umständen einen erheblichen Betrag der Gesamtausgangsleistung dar. Wird die Oszillatorwechselspannung durch die Regelmaßnahmen geändert, dann wird zwar der obengenannte Nachteil behoben, aber es tritt dann die Schwierigkeit auf, daß die Regelung nur in einem verhältnismäßig begrenzten Bereich von Spannungsänderungen wirksam sein kann. Bei zu großen Spannungsänderungen besteht dann die Gefahr, daß der Schwingtransistor bzw. die Schwingtransistoren bis in die Sättigung gesteuert werden, wodurch eine Regelung ausgeschaltet wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Verbraucher stark wechselnden Eingangswiderstandes gespeist werden sollen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen Gleichspannungswandler zu schaffen, der gegenüber bisherigen Anordnungen bei verhältnismäßig geringem Aufwand eine zufriedenstellende Spannungskonstanthaltung über einen weiten Bereich der Belastungsschwankungen unter vernachlässigbarem Leistungsverlust erzielt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Oszillator ein Rechteckoszillator ist, dessen Periodendauer durch die Regelspannung geändert wird, und daß dem Oszillator ein ebenfalls von der Eingangsgleichspannung gespeister Impulsverstärker nachgeschaltet ist, dessen Ausgangstransformator einen Kern mit rechteckförmiger Hysteresisschleife aufweist, so daß mit der Periodendauer des Oszillators sich das Tastverhältnis der Ausgangsimpulsspannung des Leistungsverstärkers ändert.
Zum Zweck der Fernübertragung von Meßwerten und der Analog-Digital-Umsetzung sind zwar Oszillatorschaltungen bekanntgeworden, deren Frequenz der Ausgangsspannung in bestimmter Funktion zur Eingangsgleichspannung steht, wobei aber das Tast-Gleichspannungswandler
Anmelder:
International Business Machines Corporation,
Armonk, N.Y. (V.St.A.)
Vertreter:
Dr. B. Quarder, Patentanwalt,
Stuttgart O, Richard-Wagner-Str. 16
Als Erfinder benannt:
Andre M. Tailleur, Paris
Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 28. Oktober 1958 (777702)
verhältnis, z. B. 1:1, unverändert beibehalten wird. Abgesehen davon, daß diese Anordnungen ohne Regelschleife arbeiten und nicht zur Gleichspannungswandlung eingerichtet sind, lassen sich diese Schaltungen auch nicht für eine Spannungsregelung, insbesondere Spannungskonstanthaltung, verwenden. In der Regel kann nämlich eine Periodenänderung und damit eine Frequenzänderung einer Wechselspannung noch keine Änderung im Wert der Wechselspannung herbeiführen, wenn kein frequenzabhängiges Schaltelement vorgesehen ist; aber bei gleichzeitiger Änderung des Tastverhältnisses, wie es erfindungsgemäß geschieht, ist es ohne besonderen Aufwand möglich, eine solche Wirkung herbeizuführen.
Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe nachstehend aufgeführter Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 die Schaltung des Gleichspannungswandlers gemäß der Erfindung,
Fig. 2a und 2b Strom- und Spannungsdiagramme an verschiedenen Punkten der Schaltung,
F i g. 3 die Hysteresisschleife des Magnetkerns, der in dem Gleichstromwandler gemäß der Erfindung benutzt wird.
Die Schaltung nach F i g. 1 zeigt die beiden. Eingangsklemmen 1 und 2, an denen eine Gleichspannung U1 angelegt wird, und die Ausgangsklemmen 3 und 4, an denen die Verbraucherspannung U2 abgenommen wird.
Die Spannung U1 stellt gleichzeitig die Betriebsspannung für einen Oszillator dar, der die beiden
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Transistoren 5 und 6 enthält, und für einen Verstärker, der durch die beiden Transistoren 7 und 8 gebildet wird. Eine Bezugsspannung U0 gestattet es, durch Vergleich mit der Ausgangsspannung U2 eine Regelabweichungsspannung zu definieren, die den Regeltransistor 9 steuert. Der Rückkopplungstransformator 10 koppelt gleichzeitig den Oszillator mit dem Verstärker. Der Verstärker seinerseits ist mit der Gleichrichterstufe, gebildet aus den Dioden 11 und 12 und dem Siebglied mit der Drosselspule 13 und dem Kondensator 14, über die Wicklungen eines Magnetkerns 15 mit rechteckiger Hyseresisschleife und einem Transformator 16 gekoppelt. Die Transistoren in dieser Anordnung sind dargestellt als Transistoren von Typ PNP, aber es ist selbstverständlich, daß man auch Transistoren vom Typ NPN bei entsprechender Umänderung der Schaltung benutzen kann. Die Punkte an den Wicklungen zeigen an, daß wenn ein Strom in die betreffende Wicklung fließt, der Eingang sich an dem Wicklungsende befindet, das durch einen Punkt gekennzeichnet ist. Der magnetische Fluß im Kern selbst ist unabhängig davon, in welchem Sinn die Wicklung aufgebracht ist. Damit ergibt sich, daß, wenn der Strom in der betreffenden Wicklung ansteigt, das mit einem Punkt versehene Wicklungsende höheres Potential aufweist als das andere Wicklungsende und daß die Potentiale der induzierten Spannungen an dem Wicklungsende, das mit einem Punkt bezeichnet ist, höher sind als das Potential des anderen Wicklungsendes. Das Wicklungsende, das mit einem Punkt bezeichnet ist, wird nachstehend als Eingang der Wicklung und das andere als Ausgang der Wicklung bezeichnet.
Es sei nun angenommen, daß beim Einschalten die Basis des Transistors 5 leicht negativ gegenüber dem Emitter desselben Transistors ist. Dann steigt der Strom von Emitter zum Kollektor an, wobei gleichzeitig der Eingang der Wicklung 17 positiv wird gegenüber seinem Ausgang. Die induzierte EMK in den Wicklungen 18 und 19 bewirkt dann, daß die Eingänge positiv gegenüber den Ausgängen werden. Das hat seinerseits zur Folge, daß ein Anwachsen des Emitter-Basis-Stroms des Transistors 5 und andererseits eine inverse Polarisation der Verbindung Emitter—Basis des Transistors 6, die den letzteren blockiert, stattfindet. Das Anwachsen des Stromes in Richtung Emitter—Basis des Transistors 5 ruft außerdem ein Anwachsen des Kollektorstromes hervor. Es ergibt sich also eine Rückkopplung, die so lange dauert, bis die Sättigung des Transistors erreicht ist. Wenn / der Kollektorstrom, / der Basisstrom und b die Verstärkung des Basis-Kollektor-Stroms bedeutet, dann heißt das, daß die Rückkopplung beendet ist, wenn / = b ■ i.
Die Spannung über die Wicklung 17 wird äugenblicklich erzeugt. Es ergibt sich damit eine konstante Spannung über der Wicklung 18 während der ganzen Dauer dieses Betriebsabschnittes. Damit wird aber der Emitter-Basis-Strom des Transistors 9 konstant, der in seinem leitenden Zustand durch die Fehlerspannung zwischen den Leitungen 20 und 21 gehalten wird.
Ist der Sättigungsstrom I=b-i erreicht, dann brechen die induzierten Spannungen zusammen, und der Strom fällt ab. Damit ändert sich aber das Vorzeichen der Spannung. Der Transistor 5 wird dadurch gesperrt, und der Transitsor 6 wird leitend. Bevor der letztere leitend wird, bewirkt die positive Spannung
am Ausgang der Wicklung 22 einen negativen Kollektorstrom, der seinerseits in dem Maß verringert wird, wie die Leitfähigkeit des Transistors 6 ansteigt. Der Strom wird wieder positiv und steigt bis zum Sättigungsstrom an, bis sich der Vorgang von neuem umkehrt. Der Kollektorstrom / kann in dem Zeitpunkt jeder Änderung als Summe von drei Strömen betrachtet werden (vgl. hierzu F i g. 2 a):
Strom I1
hervorgerufen durch die ohmsche Belastung des Transformators. Dieser Strom hat die gleiche Form wie die Spannung;
Strom I2
exponentieller Form, hervorgerufen durch die Eigeninduktivität der Wicklung 17;
Strom I3
exponentieller Form, hervorgerufen durch die Entladung der elektromagnetischen Energie, die im Lauf der vorhergehenden Halbperiode gespeichert wurde.
Der Verlauf dieser drei Ströme und des resultierenden Stromes während einer Halbperiode ist in Fig. 2a dargestellt.
Die Halbperiode, bei der die Spannung am Eingang der Wicklung 23 positiv ist, soll jetzt näher betrachtet werden.
Die Spannung der Wicklung 23 wird an den Emitter und die Basis des Transistors 7 angelegt, der als Leistungsverstärker arbeitet, wobei sich die Belastung im Emitterkreis befindet. Der Emitterstrom, der vom Eingang der Wicklung 25 auf dem Kern 15 herkommt, bewirkt, daß der Zustand der Magnetisierung dieses Kerns vom Punktzl1 zum Punktyl2 in der Hysteresisschleife nach F i g. 3 gebracht wird. Während der Übergangszeit iv die ganz allein von den Charakteristiken des Eisenkerns und der Wicklung 25 abhängt, ist der Strom schwach und etwa gleich dem Magnetisierungsstrom. Dabei liegt die gesamte Ausgangsspannung des Verstärkers an der Wicklung 25, während eine in die Wicklung 27 induzierte Spannung entgegengesetzt der Steuerspannung ist und den Emitter-Basis-Strom begrenzt. Ist die Sättigungsinduktion erreicht, dann ist der Spannungsabfall zwischen den Enden der Wicklung 25 gleich 0, und die gesamte Ausgangsspannung wird der Primärhalbwicklung 29 des Transformators 16 aufgebürdet. Bei der nächsten Halbperiode kehren sich die Spannungen in den Wicklungen 23 und 24 um, der Transistor 7 wird gesperrt, und der Transistor 8 wird jetzt leitend. Der Magnetisierungszustand des Kerns 15 kehrt vom Punkt ./I2 zum Punkt^1 während einer Zeitdauer t1 zurück, während der keine Spannung an den Enden der Wicklung 30 auftritt. Danach erscheint die Ausgangsspannung des Transistors 8 an den Enden der Wicklung 30. Die resultierende Spannung V1 über den beiden Wicklungen 31 und 32 und die gleichgerichtete Spannung haben also jeweils den Verlauf wie er in Fig. 2b gezeigt ist.
Es ergibt sich, daß der Wert der Spannung U2 am Sieb-Kondensator gleich dem mittleren Wert der Spannung V2 an den Gleichrichtern 11, 12 ist. Ist T die Periode der von dem Oszilaltor gelieferten Spannung, dann ergibt sich

Claims (3)

Nach entsprechender Vereinfachung ergibt sich f Daraus geht hervor, daß, wenn die Periode der vom Oszillator gelieferten Wechselspannung größer wird, auch die Spannung U2 ansteigt und daß, wenn diese Periode kleiner wird, die Spannung U2 auch absinkt. Die beschriebene Anordnung besitzt weiterhin eine Regeleinrichtung zur Spannungskonstanthaltung. Wenn die Belastung am Ausgang des Gleichrichters ansteigt und versucht, die Ausgangsspannung U2 herabzusetzen, verringert sich die Ausgangsimpedanz der Transistoren 7 und 8, und ihre Eingangsimpedanz steigt infolge der Veränderung ihres jeweiligen Verstärkungsfaktors an. Damit ergibt sich eine Verringerung um den Betrag I1 des Stroms / und demzufolge eine Verringerung des Stroms/, der damit zu einem späteren Zeitpunkt den Sättigungswert b-i erreicht. Das bedeutet aber eine Vergrößerung der Periode des Wechselstroms und damit, wie oben gezeigt, ein Erhöhen der Ausgangsspannung. Für den Regelungsvorgang wird der Strom / mit Hilfe des Transistors 9 verändert, indem die Bezugsspannung U0 an die Klemme 33 angelegt wird. Diese Spannung U0, die mit einem Bruchteil a U2 der an dem Potentiometer 34 liegenden Ausgangsspannung U., verglichen wird, verursacht einen Strom vom Emitter zur Basis des Transistors 9. Wenn sich die Ausgangsspannung verringert, steigt die Spannung U0-<x U2 an und damit der Emitter-Basis-Strom z1 des Transistors 9. Damit steigt aber auch der Gesamtstrom I-B1-I1vom Emitter zum Kollektor des Transistors 9 an, der gleichzeitig auch der Emitter-Basis-Strom jedes der beiden Transistoren 6 und 5 ist. Zj1 stellt den Stromverstärkungsfaktor Basis—Kollektor des Transistors 9 dar. Das Anwachsen des Stroms i vergrößert den Sättigungsstrom jedes der Transistoren 5 und 6 und damit auch die Wechselspannungsperiode. Wie oben gezeigt, steigt dadurch die Ausgangsspannung. Patentansprüche:
1. Gleichspannungswandler, bestehend aus einem von der Eingangsgleichspannung gespeisten Oszillator mit nachgeschalteter Gleichrichtung, bei dem eine dem Istwert der Ausgangsgleichspannung jeweils entsprechende Teilspannung auf den Oszillator rückgeführt ist, um die Ausgangsgleichspannung unabhängig von Belastungsschwankungen konstant zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator ein Rechteckoszillator ist, dessen Periodendauer durch die Regelspannung geändert wird, und daß dem Oszillator ein ebenfalls von der Eingangsgleichspannung gespeister Impulsverstärker nachgeschaltet ist, dessen Ausgangstransformator einen Kern mit rechteckförmiger Hysteresisschleife aufweist, so daß mit der Periodendauer des Oszillators sich das Tastverhältnis der Ausgangsimpulsspannung des Leistungsverstärkers ändert.
2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem Transistorgegentaktoszillator (5, 6) in Emitterschaltung ein Regeltransistor (9) in Kollektorschaltung derart zugeordnet ist, daß dessen mit steigender Belastung des Wandlerausganges anwachsender Kollektorstrom den Sättigungsstrom des Oszillators im Sinn einer Verlängerung seiner Periodendauer ändert und daß die nachgeschaltete Transistorgegentaktverstärkerstufe (7, 8) in Kollektorschaltung über einen Transformator (15), der einen Kern mit rechteckförmiger Hysteresisschleife aufweist, rückgekoppelt ist, dessen Ausgangsimpulsspannung (V1 nach Fig. 2b) über einen Vollweggleichrichter mit nachgeschaltetem Siebglied gleichgerichtet wird.
3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Regeltransistors (9) mit dem Abgriff eines die Ausgangsklemmen (3, 4) des Gleichspannungswandlers überbrückenden Potentiometers verbunden ist, während sowohl der Emitter des Regeltransistors als auch die Basiselektroden der Oszillatortransistoren (5, 6) jeweils über die Rückkopplungswicklungen (18, 19) an eine feste Bezugsspannung (U0) gelegt sind.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1032 375;
britische Patentschrift Nr. 771451;
USA.-Patentschrift Nr. 2 852 730;
Zeitschrift »AJEE Transactions«, 1955, S. 121
und 322 bis 324;
Zeitschrift »Proceedings JEE«, 1955, S. 781, 782;
»Valvo Berichte«, Bd. III, H. 3, Oktober 1957,
S. 146;
Zeitschrift »Funkschau«, 1958, S. 519;
Zeitschrift »ETZ-A«, 1958, S. 495, 496.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 607/408 6.67 © Bundesdnickerei Berlin
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