DE1276181B - Gleichspannungswandler - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4J07WW PATENTAMT Int. CL:

AUSLEGESCHRIFT

H02p

Deutsche Kl.: 21c -67/10

Nummer: 1276181

Aktenzeichen: P 12 76 181.8-32 (T 25681)

Anmeldetag: 25. Februar 1964

Auslegetag: 29. August 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungswandler, der nach üblichem Sprachgebrauch eine Schaltungsanordnung darstellt, die eine Versorgungsgleichspannung durch Umformen in eine Wechselspannung, durch Transformation dieser Wechselspannung und durch deren anschließende Wiedergleichrichtung in ihrer Höhe in vorgegebenem Maße ändert. Ein bekannter Gleichspannungswandler dieser Art enthält zum Stabilisieren seiner Ausgangsgleichspannung gegenüber Schwankungen seines Belastungswiderstandes und seiner Versorgungsgleichspannung erstens einen Transistorzerhacker, der der Umformung der Versorgungsgleichspannung in eine Wechselspannung dient und dessen Zerhackerfrequenz gleich der Frequenz der Wechselspannung ist. Die Zerhackerfrequenz dieses Zerhackers ist hierbei durch einen Steuerstrom steuerbar. Zweitens enthält dieser bekannte Gleichspannungswandler zum automatischen Beeinflussen der Höhe der Wechselspannung einen frequenzabhängigen Blindwiderstand fest ao vorgegebener Größe in Form einer Drosselspulenschaltung und drittens zum Gewinnen einer den Steuerstrom bestimmenden Fehlerspannung eine Brückschaltung mit einer Zenerdiode als Bezugsspannungsgenerator. Es ist naheliegend, diese Brückenschaltung wie die Brückenschaltung in einem weiterhin bekannten elektronisch stabilisierten Hochspannungsnetzgerät auszubilden und hierzu in den einander gegenüberliegenden Zweigen der Brückenschaltung etwa gleich große ohmsche Widerstände bzw. gleichsinnig gepolte Zenerdioden mit annähernd gleichen Kennlinien vorzusehen und den einen Diagonalzweig der Brückenschaltung über eine Siebschaltung an die Ausgangsgleichspannung des Gleichspannungswandlers anzuschließen.

F i g. 1 und 2 dienen der Erläuterung dieses in seinen wesentlichen Merkmalen bekannten bzw. naheliegenden Gleichspannungswandlers.

In F i g. 1 ist mit 1 eine Batterie für die Versorgungsgleichspannung U_v bezeichnet, die selbstverständlich auch als Gleichspannungsgenerator ausgebildet sein kann. An diese Batterie ist ein selbstschwingender Transistorzerhacker 2 zur Erzeugung einer Wechselspannung aus der Versorgungsgleichspannung angeschlossen, der vorzugsweise in Gegentaktschaltung aufgebaut ist; selbstverständlich kann er jedoch auch aus einem eigenen Zerhackerfrequenzgenerator fremd gesteuert werden. Die Ausgangsspannung dieses Zerhackers wird mittels eines Transformators 3, der ein vorgegebenes Übersetzungsverhältnis aufweist, auf eine entsprechende Wechselspannung transformiert und dann über eine Drossel 4 Gleichspannungswandler

Anmelder:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
7900 Ulm, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:
Klaus-Dietrich Moser, 7900 Ulm;
Dipl.-Phys. Hans-Jürgen Loose, 2402 Kücknitz;
Gerd Meyerdierks, 7913 Senden

in Serienschaltung auf eine beliebige Gleichrichterschaltung 5 gegeben, die beispielsweise in Graetzschaltung aufgebaut ist. Die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 5 stellt nach gegebenenfalls mittels nichtgezeigter Siebglieder erfolgter Glättung die Ausgangsspannung des gezeigten Gleichspannungswandlers, d. h. die Spannung XJ_B für den Belastungswiderstand 6 dar. In einer Vergleichsschaltung 7 wird die Spannung U_B mit einer konstanten Vergleichsspannung aus dem Konstantspannungsgenerator 8 verglichen. Die Differenzspannung in der Vergleichsschaltung 7 wird, falls erforderlich, mittels des Verstärkers 9 verstärkt und daraufhin zur Steuerung der Zerhackerfrequenz des Zerhackers 2 verwendet. Diese Steuerung erfolgt beim Gleichspannungswandler nach F i g. 1 in dem Sinne, daß bei einer ihren Sollwert überschreitenden Spannung U_B die Zerhackerfrequenz derart erhöht wird, daß infolge der durch ihre Frequenzabhängigkeit ansteigenden Reaktenz der Drossel 4 die der Gleichrichterschaltung S zugeführte Wechselspannung so weit abnimmt, daß die Spannung U_B ihren Sollwert annimmt. Unterschreitet die Spannung U_B ihren Sollwert, so wird dementsprechend die Zerhackerfrequenz vermindert. Die Regelungsgenauigkeit hängt von den bekannten Gesetzen ab, nach denen eine Rückwärtsregelung erfolgt. Verwendet man an Stelle der Drossel 4 in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 eine Kapazität, so muß lediglich eine Umgestaltung des Regelsinnes zur Berücksichtigung der Tatsache erfolgen, daß die Reaktanz einer Induktivität direkt und die Reaktanz einer Kapazität umgekehrt proportional zur Frequenz sind.

In Fig. 1 ist die Bausteingruppe 10 aus dem Transformator 3, der Drossel 4 und der Gleichrich-

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terschaltung 5 hervorgehoben. Diese Bausteingruppe

10 kann selbstverständlich durch die in Fig.2 gezeigte Anordnung ersetzt werden, bei der sich parallel zur Gleichrichterschaltung 5 eine Induktivität

11 befindet, die in Verbindung mit dem ohmschen Widerstand 12 einen frequenzabhängigen Spannungsteiler darstellt. Die Regelung der der Gleichrichterschaltung 5 zugeführten Spannung in Abhängigkeit von der Spannung JJ_B erfolgt sinngemäß nach den an Hand der F i g. 1 oben angegebenen Lehren zum technischen Handeln. In analoger Weise wie oben beschrieben, ist auch bei der Anordnung nach F i g. 2 die Induktivität 11 durch eine Kapazität ersetzbar.

Nachteilig an dem bisher beschriebenen Gleichspannungswandler ist die Tatsache, daß als Fehlerspannung eine Gleichspannung erzeugt wird, die bekanntlich driftfrei nur mit erheblichem Aufwand in ausreichendem Maße verstärkbar ist und deren Höhe Alterungserscheinungen der verwendeten Schaltungselemente und Temperatureinflüssen abhängt. Diese Abhängigkeit ist unerwünscht, da sie eine nichtgewollte Verstimmung der Zerhackerfrequenz von ihrer der gewünschten Ausgangsgleichspannung des Gleichspannungswandlers abhängigen Sollfrequenz zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Temperaturstabilität des bisher beschriebenen Gleichspannungswandlers zu verbessern und bei ihm eine Gleichspannungsverstärkung der Fehlerspannung zu vermeiden.

Die Erfindung geht somit aus von einem Gleichspannungswandler mit einer dadurch gegen Schwankungen seines Belastungswiderstandes und seiner Versorgungsgleichspannung stabilisierten Ausgangsgleichspannung, daß erstens zum Umformen der Versorgungsgleichspannung in eine Wechselspannung ein Zerhacker vorgesehen ist, dessen Zerhackerfrequenz gleich der Frequenz der Wechselspannung ist und durch einen Steuerstrom steuerbar ist, daß zweitens zum automatischen Beeinflussen der Höhe der Wechselspannung ein frequenzabhängiger Blindwiderstand fest vorgegebener Größe vorgesehen ist und daß drittens zum Gewinnen einer den Steuerstrom bestimmenden Fehlerspannung eine Brückenschaltung vorgesehen ist, die in ihren einander gegenüberliegenden Zweigen etwa gleich große ohmsche Widerstände bzw. gleichsinnig gepolte Zenerdioden mit annähernd gleichen Kennlinien besitzt und deren einer Diagonalzweig über eine Siebschaltung an die Ausgangsgleichspannung des Gleichspannungswandlers angeschlossen ist.

Bei diesem Gleichspannungswandler besteht die Erfindung darin, daß in dem anderen Diagonalzweig der Brückenschaltung die Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand und einer Diode vorgesehen ist und daß zwischen dem Verbindungspunkt dieser Reihenschaltung und einem Endpunkt des einen Diagonalzweiges der Brückenschaltung die Wechselspannung in einer Höhe zugeführt ist, die klein gegen die Zenerspannung der einzelnen Zenerdioden ist.

An Hand der F i g. 3 wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beschrieben.

F i g. 3 zeigt in einem detaillierten Prinzipschaltbild einen Gleichspannungswandler nach der Erfindung. Die Versorgungsgleichspannung U_v wird bei dem Gleichspannungswandler nach F i g. 3 mittels eines in Gegentaktschaltung betriebenen Transistorzerhackers in eine Wechselspannung umgeformt, der zwei Transistoren 13 und 14 und die miteinander gekoppelten Wicklungen IS und 16 eines Transformators 17 enthält. Die Wicklung 16 ist hierbei die Rückkopplungswicklung. Der Transformator 17 unterscheidet sich vom Transformator3 (Fig. 1, 2) im wesentlichen durch eine zusätzliche Sekundärwicklung 18, während die Sekundärwicklung 19 prinzipiell der Sekundärwicklung des Transformators 3 entspricht. Die von der Sekundärwicklung 19 abgegebene Spannung gelangt über die Drossel 4 auf die in Brückenschaltung betriebeneGleichrichterschaltung 5, an deren Ausgang eine Siebschaltung angeschlossen ist, welche zwei Kondesnatoren 20 und 21 sowie einen Siebwiderstand 22 enthält. Im Gleichspannungswandler nach Fig. 3 wird die Spannung U_B nicht entsprechend Fig. 1 in einer einfachen Vergleichsschaltung? mit einer konstanten Spannung verglichen, sondern in einer Brückenschaltung 23. Außer einer von der Spannung U_B abhängigen Spannung, die ihr über Widerstände 24, 25 und 26 zugeführt wird, gelangt auf die Brückenschaltung 23 über einen Kondensator 27 eine Wechselspannung von der Sekundärwicklung 18 des Transformators 17, deren Höhe mittels eines Potentiometers 28, das in Serie mit einem Widerstand 29 liegt, veränderbar ist. Zwei Widerstände 30 und 31 wirken als Spannungsteiler, ein Kondensator 32 als Parallelkondensator zur Vermeidung von Störungen. In der Brückenschaltung 23 befinden sich in zwei gegenüberliegenden Zweigen gleichsinnig geschaltete Zenerdioden 33 und 34 mit annähernd gleichen Charakteristiken. Die in den beiden Zweigen mit den Zenerdioden liegenden Widerstände 35 und 36 besitzen zweckmäßig annähernd gleiche Größen. Im Diagonalzweig der Brücke sind eine übliche Diode 37 und ein weiterer Widerstand 38 in Reihe vorgesehen. Der veränderbare Widerstand 25 wird nun zweckmäßig derart eingestellt, daß im Fall der Übereinstimmung des Istwertes der Spannung Uß mit ihrem Sollwert über der Reihenschaltung aus dem Widerstand 36 mit der Zenerdiode 34 einerseits bzw. dem Widerstand 35 und der Zenerdiode 33 andererseits annähernd die doppelte Zenerspannung liegt. Ein mit seinem einen Pol zwischen den Widerständen 25, 26 angeschlossener Kondensator 39 ist derart bemessen, daß die aus ihm in Verbindung mit seinen zugehörigen Widerständen gebildete Siebschaltung eine derartige Zeitkonstante aufweist, daß die Restwelligkeit der Zerhackerfrequenz auf der Spannung U_B im wesentlichen von der Brükkenschaltung 23 ferngehalten wird, Störungen niedrigerer Frequenz jedoch zur Brücke hindurchgelassen werden. Überschreitet der Istwert der Spannung TJ_B nunmehr ihren Sollwert, so kann die Wechselspannung von der Sekundärwicklung 18, die der Brückenschaltung 23 zugeführt wird und deren Größe auf einen sehr kleinen Wert im Vergleich zur Zenerspannung der Dioden 33 oder 34 eingeregelt ist, die Diode 37, deren Arbeitspunkt dann im Durchlaßbereich liegt und deren Widerstand dann sehr gering ist, in Richtung zu einem Kondensator 40 passieren, der als Koppelkondensator für einen Emitterverstärker mit einem Transistor 41 und Widerständen 42 bis 44 dient. Unterschreitet hingegen der Istwert von U_B wesentlich den Sollwert, so stellt sich infolge der Wirkung der Zenerdioden 33 und 34 in Verbindung mit den Widerständen 35 und 36 der Arbeitspunkt der Diode 37 im Sperrbereich ein, in welchem die

Diode einen im Vergleich zu den übrigen Widerständen der Brückenschaltung 23 sehr hohen Widerstand aufweist. In diesem Fall gelangt auf den Emitterverstärker mit dem Transistor 41 keine Signalspannung. Stimmt jedoch der Istwert mit dem Sollwert der Spannung U_B überein, so gelangen im wesentlichen lediglich die negativen Halbwellen auf die Basis des Transistors 41. Somit ist die über den Kondensator 40 entnehmbare Fehlerspannung der Brückenschaltung 23 ein Maß für die Abweichung der Istspannung U_B von ihrer Sollspannung.

Zur Erzielung einer guten Regelsteilheit ist meist die Verstärkung dieser Fehlerspannung in mehreren Stufen erforderlich. Hierzu verwendet man vorteilhaft einen Transistoreintaktverstärker in B-Schaltung, der beispielsweise in der in F i g. 3 gezeigten Zusammenschaltung einen Transistor 45, Widerstände 46 und 47 und zur Aussteuerungssymmetrierung eine Diode 48 enthält und der über einen Koppelkondensator 49 mit der Signalspannung beaufschlagt wird. Auf diese Verstärkung, die infolge der Übersteuerung auf Grund des B-Betriebes eine im wesentlichen rechteckförmige Ausgangsspannung zur Folge hat, folgt zweckmäßig eine Gleichrichtung mittels eines Gleichrichters 50, eine Siebung mittels eines Kondensators 51 und eine Gleichstromverstärkung mittels eines im vorliegenden Beispiel zweistufigen Gleichstromverstärkers mit Transistoren 52 und 53 sowie Widerständen 54 bis 57. Dieses verstärkte Signal, dessen Größe somit von der Differenz zwisehen Istwert und Sollwert der Spannung U_B abhängig ist, wird dem Zerhacker mit den Transistoren 13 und 14 über einen Widerstand 58 und die Rückkopplungswicklung 16 an einer zentralen Anzapfung zur Beeinflussung des Basisstromes der beiden Transistoren des Zerhackers im Sinne einer derartigen Frequenzregelung des Zerhackers zugeführt, daß sich der Istwert der Spannung U_B dem Sollwert nähert.

Zur Erzielung eines größeren Regelbereichs und stabilerer Schwingbedingungen als beim bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung hat es sich in manchen Fällen als zweckmäßig herausgestellt, die Zerhackertransistoren 13 und 14 (Fig. 3) fremdgesteuert als Endstufen eines freischwingenden Oszillators zu schalten, dessen Frequenz durch die Ausgangsspannung der Stufe mit dem Transistor 53 steuerbar ist.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gleichspannungswandler, der eine Versorgungsgleichspannung durch Umformen in eine Wechselspannung, durch Transformation dieser Wechselspannung und durch deren anschließende Wiedergleichrichtung in ihrer Höhe in vorgegebenem Maße ändert, mit einer dadurch gegen Schwankungen seines Belastungswiderstandes und der Versorgungsgleichspannung stabilisierten Ausgangsgleichspannung, daß erstens zum Umformen der Versorgungsgleichspannung in eine Wechselspannung ein Zerhacker vorgesehen ist, dessen Zerhackerfrequenz gleich der Frequenz der Wechselspannung ist und durch einen Steuerstrom steuerbar ist, daß zweitens zum automatischen Beeinflussen der Höhe der Wechselspannung ein frequenzabhängiger Blindwiderstand fest vorgegebener Größe vorgesehen ist und daß drittens zum Gewinnen einer den Steuerstrom bestimmenden Fehlerspannung eine Brückenschaltung vorgesehen ist, die in ihren einander gegenüberliegenden Zweigen etwa gleich große ohmsche Widerstände bzw. gleichsinnig gepolte Zenerdioden mit annähernd gleichen Kennlinien besitzt und deren einer Diagonalzweig über eine Siebschaltung an die Ausgangsgleichspannung des Gleichspannungswandlers angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem anderen Diagonalzweig der Brückenschaltung (23) die Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand (38) und einer Diode (37) vorgesehen ist und daß zwischen dem Verbindungspunkt dieser Reihenschaltung und einem Endpunkt des einen Diagonalzweiges der Brückenschaltung die Wechselspannung in einer Höhe zugeführt ist, die klein gegen die Zenerspannung der einzelnen Zenerdioden (33, 34) ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   »L'Onde ßlectrique«, t. XXXIX, Oktober 1959, S. 795 bis 801;

   »Funk-Technik«, 1963, S. 568.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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