DE1242742B - Gleichspannungswandler - Google Patents
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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.)
Armonk, N.Y. (V.St.A.)
Vertreter:
Dr. B. Quarder, Patentanwalt,
Stuttgart O, Richard-Wagner-Str. 16
Stuttgart O, Richard-Wagner-Str. 16
Als Erfinder benannt:
Andre M. Tailleur, Paris
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)
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;
und 322 bis 324;
Zeitschrift »Proceedings JEE«, 1955, S. 781, 782;
»Valvo Berichte«, Bd. III, H. 3, Oktober 1957,
S. 146;
S. 146;
Zeitschrift »Funkschau«, 1958, S. 519;
Zeitschrift »ETZ-A«, 1958, S. 495, 496.
Zeitschrift »ETZ-A«, 1958, S. 495, 496.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 607/408 6.67 © Bundesdnickerei Berlin
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- 1959-10-08 US US845209A patent/US3117270A/en not_active Expired - Lifetime
- 1959-10-14 JP JP32289259A patent/JPS377509B1/ja active Pending
- 1959-10-24 DE DEJ17148A patent/DE1242742B/de not_active Withdrawn
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Also Published As
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
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