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Eintakt-Gleichspannungswandler mit stabilisierter Ausgangsspannung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Eintakt-Gleichspannungswandler, insbesondere
zur Verwendung in Geräten der Nachrichtentechnik, mit einem Wandlertransformator,
einem Gleichrichter und einem den Strom in der Primärwicklung des Wandlertransformators
zerhackenden Schalttransistor, wobei die gleichgerichtete Sekundärspannung dieses
Transformators die Eingangsdiagonale einer parallel zur Last liegenden Brücke speist,
die aus drei Widerständen und einer Zenerdiode besteht und deren Ausgangsspannung
einen Regeltransistor steuert, der durch Änderung des Tastverhältnisses und der
Impulsfrequenz des Schaltbetriebes des Wandlers dessen Ausgangsspannung stabilisiert.
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Ein bekannter, als frei laufender Sperrschwinger ausgebildeter Eintakt-Gleichspannungswandler
dieser Art (USA.-Patentschrift 3 072 837) verwendet einen Transformator mit einem
Magnetkern aus einem Material mit rechteckförmiger Hysterese. Dieser Transformator
zeigt im Schaltbetrieb des Wandlers beim Umklappen des Kernes von einer Remanenzlage
in die andere einen ohmschen Widerstand. Dies hat den Nachteil, daß im Transformator
eine große Verlustleistung verbraucht wird und damit der Wirkungsgrad des Wandlers
schlecht ist.
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Dieser Nachteil wird bei einem Eintakt-Gleichspannungswandler der
eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß als Wandlertransformator
ein solcher mit annähernd linearer Magnetisierungskennlinie verwendet ist, daß zur
Steuerung des Schalttransistors ein transistorisierter Schmitt-Trigger dient, der
dadurch zu einem astabilen Multivibrator umgewandelt ist, daß zwischen den Kollektoranschluß
und den Basisanschluß des ersten Transistors ein Widerstand und zwischen letzteren
Basisanschluß und Massepotential ein Speicherkondensator eingeschaltet ist, und
daß die Emitter-Kollektor-Strecke des basisseitig angesteuerten Regeltransistors
diesem Speicherkondensator parallel liegt.
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Es ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer stabilisierten
Impulsspannung durch Auftransformieren der niedrigen Gleichspannung einer Speisequelle
mit Hilfe eines durch aperiodische Transformator-Rückkopplung zum Schwingen gebrachten
Transistors bekannt, bei der als Wandlertransformator ein solcher mit annähernd
linearer Magnetisierungskennlinie verwendet ist und bei der mittels eines Kreises
mit der Reihenschaltung eines Gleichrichters, eines Glättungskondensators, einer
Wicklung des Transformators und einer Schwellenspannungsquelle die diese Schwellenspannung
überschreitenden Spitzen der Impulsspannung über die Wicklung des Kreises gleichgerichtet
werden und die gleichgerichtete Spannung als Regelspannung in Sperrichtung der Emitter-Basis-Elektrodenstrecke
des Transistors zugeführt wird (deutsche Auslegeschrift 1023 082). Diese
Schaltung hat den Nachteil, daß die Impulsspannung am Ausgang nur so lange durch
die Regelung auf einen konstanten Wert gehalten wird, solange die Gleichspannung
der Betriebsspannungsquelle konstant ist, da diese Gleichspannung als Schwellwertspannung
bzw. Bezugsspannung für die Regelung dient. Wenn sich also diese Schwellwertspannung,
was in der Praxis bekanntlich z. B. durch Batterieentladung oder Netzspannungsschwankungen
vorkommt, verändert, ergibt sich eine entsprechende Änderung der Impuls-Ausgangsspannung.
Demgegenüber ist die Ausgangsspannung beim Eintakt-Gleichspannungswandler nach der
Erfindung von Änderungen der Betriebsgleichspannung unabhängig.
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Eintakt-Gleichspannungswandler sind in den Fällen, wo es auf eine
nicht allzu große Ausgangsleistung ankommt, Zweitakt-Gleichspannungswandlern vorzuziehen,
da bei letzteren der Aufwand an Bauteilen größer ist als bei Eintakt-Gleichspannungswandlern.
Dazu kommt, daß die Regelung derAusgangsspannung bei Eintakt-Gleichspannungswandlern
leichter zu beherrschen ist und wesentlich weniger Bauelemente für den Regelungsteil
erforderlich sind als bei Zweitakt-Gleichspannungswandlern.
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Es ist bei einem spannungsgeregelten Gleichspannungswandler mit einem
Schalttransistor und einer Drossel, aber ohne Wandlertransformator, an sich bereits
bekannt, die Änderung des Tastverhältnisses und der Impulsfrequenz durch Steuerung
eines seinerseits den Schalttransistor steuernden, frei laufenden, astabilen Multivibrators
mittels eines Regeltransistors zu bewirken (»Elektronik«, 1961, Nr.6, S.177/178).
Diese
Schaltung hat aber den Nachteil, daß infolge der Stromsteuerung der Transistoren
über eine zusätzliche Wicklung der Drossel eine Rückkopplung zur Versteilerung der
Flanken der Schaltspannung eingeführt werden muB. Beim Erfindungsgegenstand ist
eine solche zusätzliche Versteilerungsmaßnahme nicht erforderlich, da sowohl die
Anstiegsflanke als auch die Abfallflanke des vom Schmitt-Trigger abgegebenen Steuerimpulses
genügend steil ist.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der F i g. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels und eines in F i g. 2 gezeigten Spannungs(U)-Zeit(t)-Diagramms
näher erläutert.
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In F i g. 1 besteht der an der Spannung - U, liegende
Schmitt-Trigger aus zwei Transistoren Tsl, Ts2, Widerständen R,., R2 (mit Parallelkondensator
C,), R3 und R4. An Stelle des üblichen festen Basiswiderstandes des ersten Transistors
ist die Kollektor-Emitter-Strecke eines Regeltransistors Ts3 vorgesehen. Der Schmitt-Trigger
ist in an sich bereits vorgeschlagener Weise (deutsche Patentschrift 1175
734) durch ein Integrationsglied, bestehend aus einem Widerstand R5 und einem Speicherkondensator
C2, zu einer schwingfähigen Anordnung, d. h. zu einem astabilen Multivibrator, erweitert,
der rechteckförmige Impulsspannungen liefert. Diese werden an einem Ausgangstransformator
Tr,, der an Stelle des üblichen Kollektorwiderstandes des Transistors Ts2 vorhanden
ist, abgenommen und zur periodischen Ein- und Ausschaltung eines Schalttransistors
Ts4 verwendet, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe mit der Primärwicklung
des Wandlertransformators Trz und eines Schutztransformators Tr, zwischen dem Massepotential
O und der in eine höhere Gleichspannung umzuwandelnden Betriebsspannung - Uo (z.
B. 24 V) liegt, von der die Spannung -U1 (z. B. 10 V) über einen Vorwiderstand R6
abgeleitet ist. Der Schalttransistor Ts4 bewirkt eine Zerhackung des durch die Primärwicklungen
der Transformatoren Tr2 und Tr3 fließenden Stromes. Die dabei in der Sekundärwicklung
des Transformators Tr2 induzierte Spannung wird in einer Greinacher-Schaltung mit
zwei Dioden D,, D2 und zwei Elektrolytkondensatoren C3, C4 gleichgerichtet. Die
erhaltene Ausgangsspannung -U" speist die Eingangsdiagonale einer aus drei Widerständen
R7, Re, Rg und einer Zenerdiode D3 bestehenden Brücke B; deren andere Diagonale
mit der Basis des Regeltransistors Ts3 verbunden ist. Als Zenerdiode dientzweckmäßigerweise
eine Diode mit einer gleichen, dem Transistor Ts3 entgegengesetzten Temperaturabhängigkeit
(Referenzverstärker). Die Durchbruchsspannung der Diode dient als Vergleichsspannung.
Die Sekundärwicklung des Transformators Trs ist in Reihe mit einer DiodeD4 parallel
zu den Klemmen der Betriebsspannungsquelle geschaltet. Die Diode D4 ist dabei so
gepolt, daß sie durch die Betriebsspannung in Sperrichtung vorgespannt wird.
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Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der beschriebenen Schaltung
sei zunächst nur auf den Schmitt-Trigger-Multivibrator unter Bezugnahme auf die
F i g. 2 näher eingegangen.
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Die über den Spannungsteiler, der aus den Widerständen R,_ und R5
sowie dem Widerstand R' der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Ts3 besteht
und zwischen die Potentiale -U, und O geschaltet ist, eingestellte Basisspannung
U' des Transistors Tsl liegt über dem oberen Schwellwert UP des Schmitt-Triggers.
Da der Speicherkondensator C2 beim Einschalten der Betriebsspannung zunächst einen
Kurzschluß darstellt, wird die Basis des Transistors Tsl auf das Potential O gebracht,
dieser Transistor also gesperrt und der Transistor Ts2 leitend, d. h. der Schmitt-Trigger
in die Kipplage I gebracht. Dann lädt sich der Speicherkondensator C2 auf. Bevor
er jedoch auf den möglichen Höchstwert U' der Ladespannung U aufgeladen
ist, erreicht die Ladespannung den oberen Schwellwert UP. Dadurch wird der
Transistor Tsl leitend und der Transistor Ts2 gesperrt, d. h. die Kipplage II herbeigeführt.
Die Spannung an der Basis des Transistors Tsl strebt dabei infolge der Entladung
des Speicherkondensators C2 über die nun leitende Basis-Emitter-Strecke einer Spannung
U" zu, die unterhalb des unteren Schwellwertes UQ liegt. Wenn die Ladespannung U
des Speicherkondensators dabei den Wert UQ erreicht, wird der Transistor Ts
1 wieder gesperrt und der Transistor Ts2 wieder leitend, d. h. der Trigger
in die Kipplage I zurückgeführt. Der Kondensator C2 beginnt wieder sich aufzuladen.
Wenn dabei die Ladespannung den oberen Schwellwert UP
erreicht, wird der Trigger
wieder in die Kipplage 1I umgesteuert. In dieser Weise wiederholt sich der Vorgang
fortlaufend, wie bei einem astabilen Multivibrator. Durch richtige Wahl des Kondensators
C2 und der Widerstände R,, RS und R' läßt sich erreichen, daß die beiden Schwellwerte
UP und UQ von der sich ändernden Ladespannung U mit Sicherheit erreicht und
daher laufend Rechteckschwingungen am Ausgangstransformator Trl des Schmitt-Triggers
erzeugt werden. Das Impuls- bzw. Tastverhältnis und die Impulsfrequenz dieser Rechteckspannungen
entspricht dem Zeitdauerverhältnis t,. : t2 der beiden Kipplagen des Triggers.
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Das Tastverhältnis und die Impulsfrequenz der Rechteckspannungen am
Ausgang des Schmitt-Triggers lassen sich durch Änderung des Widerstandes R' ändern.
Diese Tatsache wird ausgenutzt, um die Ausgangsspannung des Wandlers zu stabilisieren.
Eine Änderung von R' bewirkt nämlich eine Änderung von U' und U",
und damit werden die beiden Schwellwerte UP bzw. UQ von der Kondensatorspannung
schneller bzw. langsamer erreicht. Zu diesem Zweck wird die Spannung am Ausgang
der Brücke B der Basiselektrode des Regeltransistors Ts3 zugeführt. Wenn die Ausgangsspannung
U" sich beispielsweise vergrößert, wird die Ausgangsspannung der Brücke größer,
wodurch der Regeltransistor Ts3 leitender, d. h. der Widerstand R' und damit die
Einschaltzeit (Dauer des leitenden Zustandes) des Schalttransistors Ts4 kleiner
wird, Damit wird aber die am Wandlertransformator Tr2 übertragene Leistung kleiner
und eine Stabilisierung der Ausgangsspannung erreicht.
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Die Brücke B wird zweckmäßigerweise so bemessen, daß beim Sollwert
der Ausgangsspannung Ua das Impulsverhältnis der Rechteckspannungen am Ausgang des
Schmitt-Triggers etwa 1:1 ist.
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Der Schutztransformator Tr3 verhindert, daß über die Primärwicklungen
der Transformatoren Tr, und Tr3 unzulässig hohe Ströme fließen, wenn die Differenz
zwischen der in der Sekundärwicklung des Transformators Tr, induzierten EMK und
der an den Kondensatoren C3 und C4 vorhandenen, entgegengerichteten Summenspannung
zu groß ist. Die Primärwicklung des Schutztransformators begrenzt zumindest während
der Einschaltzeit des Schalttransistors diese hohen Ströme infolge der Speicherwirkung
seines Magnetkernes. Die dabei an der Sekundärwicklung des Schutztransformators
auftretende
Spannung ist so gepolt, daß die Diode D4 weiter in Sperrichtung vorgespannt wird.
Während der Sperrzeit des Schalttransistors Ts4 dreht sich die Polarität der Spannung
an der Sekundärwicklung um, wodurch die Diode D4 leitend gemacht und die im Magnetkern
gespeicherte Energie an die Betriebsspannungsquelle zurückgegeben wird. Dadurch
wird eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt.