DE1279819B - Spannungsgeregelter Gleichspannungswandler - Google Patents

Description

• Spannungsgeregelter Gleichspannungswandler Die Erfindung bezieht sich auf einen spannungsgeregelten Gleichspannungswandler mit einem übertrager, einem mit dessen Primärwicklung und der Eingangsgleichspannung in Reihe geschalteten elektronischen Schalter, dessen Einschalthäufigkeit in Abhängigkeit von der Ausgangsgleichspannung im Sinn von deren Konstanthaltung mittels einer Steuereinrichtung gesteuert wird, und einem Ausgangskondensator, der über ein erstes Gleichrichterelement an die Sekundärwicklung des Übertragers angeschlossen ist und an dem die Ausgangsgleichspannung abnehmbar ist.
• Es ist eine derartige Gleichspannungswandlerschaltung bekannt, bei der die Primärwicklung eines übertragers mit einer Gleichspannungsquelle und einem Thyristorschalter, der in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung gezündet wird, in Reihe geschaltet sind. Die Zündung erfolgt über einen elektronischen Impulsgenerator, dessen Frequenz durch die Regelabweichung der Ausgangsspannung im Sinn von deren Konstanthaltung verändert wird. Die Löschschaltung für den Thyristor besteht aus einem Sättigungsübertrager und einem dazu in Reihe geschalteten Kondensator. Diese Schaltung hat den Nachteil, daß sie unerwünschte, mit der Schaltfrequenz stark ansteigende Verluste verursacht, die durch die Sättigungssteuerung bedingt sind, und daß außerdem ebenfalls mit der Schaltfrequenz anwachsende Umschaltverluste im Thyristor unvermeidbar sind.
• Es sind auch andere nach dem Sperrwand lerprinzäp arbeitende Gleichspannungswandler bekannt, die eingangsseitig mit einem Transistor in Oszillatorschaltung und einem Übertrager mit einer Rückkopplungswicklung arbeiten, der die Steuerspannung für den Transistor entnommen wird. Die Schwingungen des Oszillators werden bei Erreichen eines bestimmten Ladezustandes eines am Ausgang des Gleichspannungswandlers angeordneten Speicherkondensators durch eine an den Transistor zurückgeführte Sperrspannung unterbrochen und bei einer niedrigeren Ladespannung des Speicherkondensators wieder freigegeben. Diese Schaltungen sind für eine genaue und schnelle Regelung der Ausgangsspannung nicht geeignet. Auch ist die starke Frequenzabhängigkeit von der Belastung oft sehr nachteilig.
• Aufgabe der Erfindung ist .es, einen einfach aufgebauten Gleichspannungswandler zu schaffen, der durch Verringerung aller mit der Steuerung eines elektronischen Schalters auftretenden Verluste einen besonders guten Wirkungsgrad aufweist und eine genaue und schnelle Regelung ermöglicht.
• Gemäß der Erfindung wird zu diesem Zweck ein Gleichspannungswandler der eingangs genannten Art so ausgebildet, daß in Reihe mit der Primärwicklung des übertragers ein zweites Gleiehrichterelement, parallel zu dieser Reihenschaltung ein Kondensator und in Reihe mit dieser Parallelschaltung und dem elektronischen Schalter eine mit dem Kondensator einen Reihensdhwingkreis bildende Induktivität geschaltet ist, daß das erste Gleichrichterelement bezüglich der bei abnehmendem magnetischem Fluß im Übertrager auftretenden Sekundärspannungsrichtung und das zweite Gleichrichterelement bezüglich der Eingangsgleichspannung in Durchlaßrichtung gepolt sind und daß die Steuereinrichtung und gegebenenfalls der elektronische Schalter so ausgebildet ist, daß der elektronische Schalter jeweils bei Unterschreiten einer bestimmten Ausgangsgleichspannung eingeschaltet und beim Strom-Nulldurchgang der daraufhin erfolgenden Schwingung des eingangsseitigen Reihenschwingkreises ausgeschaltet wird.
• Der Gleichspannungswandler nach der Erfindung ist vorzugsweise so ausgestaltet, daß die Steuereinrichtung ein parallel zum Ausgangskondensator liegendes Spannungsvergleichsglied mit einer vorgegebenen Sollspannung und einen mit dem Spannungsvergleichsglied verbundenen Impulsgenerator aufweist, der bei überschreiten der Sollspannung anschwingt und den elektronischen Schalter schließt.
• Für den Fall, daß der Gleichspannungswandler aus einer Wechselspannungsquelle gespeist werden soll, kann ihm in bekannter Weise ein Gleichrichter vorgeschaltet werden.
• Der Gleichspannungswandler nach der Erfindung arbeitet mit einem wesentlich höheren Wirkungsgrad als der eingangs zuerst erläuterte bekannte Gleichspannungswandler, da der Reihenschwingkreis zur Löschung des steuerbaren Gleichrichters praktisch keine Verluste verursacht. Durch eine bestimmte Bemessung des Reihenschwingkreises kann erreicht werden, daß das Maximum der negativen Halbwelle des Stromes im Reihenschwingkreis gerade den Wert Null erreicht. Wegen der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung im Schwingkreis wird der elektronische Schalter unter dieser Voraussetzung im strom- und spannungslosen Zustand geschaltet. Es werden somit Umschaltverluste völlig vermieden. Dieser Vorteil wirkt sich besonders bei hohen Schaltfrequenzen günstig auf den Wirkungsgrad der Schaltung aus, und zwar nicht nur bei Verwendung von steuerbaren Gleichrichtern, sondern auch bei Verwendung von Transistoren oder äquivalenten Bauelementen als elektronische Schalter.
• An Hand der schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele nach- den F i g: 1 und 2 und des Diagramms nach F i g. 3 wird die Erfindung näher erläutert.
• F i g.1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem als elektronischer Schalter ein steuerbarer Halbleitergleichrichter verwendet ist; F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem als elektronischer Schalter ein Transistor verwendet ist; F i g. 3 zeigt ein Diagramm, das für die Ausführungsbeispiele nach F i g. 1 und 2 gültig ist.
• Bei dem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 wird die umzurichtende Eingangsspannung UE an eine Reihenschaltung, bestehend aus der Schaltstrecke des elektronischen Schalters 1, der Induktivität 2 und der Kapazität 3, angelegt. Parallel zur Kapazität 3 liegt eine Reihenschaltung, bestehend aus einer ersten Halbleiterdiode 4 und der Primärwicklung 5 des Übertragers 6. Die Gleichrichterdiode 4 ist dabei so eingeschaltet, daß sich die Kapazität 3 über die Primärwicklung 5 und die erste Gleichrichterdiode 4 entladen kann. Parallel zur Sekundärwicklung 7 des Übertragers 6 liegt eine weitere Reihenschaltung, die aus einer zweiten Gleichrichterdiode 8 und ,der als Ausgangskondensator dienenden Kapazität 9 besteht. Parallel zum Ausgangskondensator 9 liegt das Spannungsvergleichsglied 10, das über den Impulsgenerator 12 mit dem steuerbaren Halbleitergleichrichter verbunden ist.
• Ist der steuerbare Gleichrichter geöffnet, so schwingt der aus Induktivität 2 und Kapazität 3 bestehende Reihenschwingkreis an, und die Kapazität 3 wird aufgeladen. Der zeitliche Verlauf des Reihenschwingkreisstromes i, ist im Diagramm nach F i g. 3 dargestellt. Wenn sich .der Strom ü dem Nulldurchgang nähert, ist die Schwingkreiskapazität 3 auf die maximale Spannung aufgeladen. Der zeitliche Verlauf der Spannung u, an der Schwingkreiskapazität 3 ist ebenfalls aus dem Diagramm nach F i g. 3 ersichtlich. Bereits während des Aufladevorgangs der Schwingkreiskapazität 3 beginnt in dem aus Schwingkreiskapazität 3, Primärwicklung 5 und primärseitiger Gleichrichterdiode 4 bestehenden Stromkreis ein Entladestrom 1, zu fließen. Nach der Zeit t1 geht der Schwingkreisstrom i, durch Null und schaltet dadurch den steuerbaren Gleichrichter 1 ab. Der übertrager 6 hat während der Stromfiußzeit t1 und der Zeit t2 magnetisch Energie gespeichert, da die Diode 8 während dieser Zeit gesperrt ist. Die .nach öffnen des Schalters 1 an der Induktivität des übertragers 6 entstehende Gegenspannung läßt den Strom 12 in gleicher Richtung über die Diode 4 in den Kondensator 3 fließen und lädt diesen auf eine Spannung entgegengesetzter Polarität auf, die durch die Spannung am Kondensator 9 bzw. durch den Lastwiderstand 11 bestimmt wird; denn die Entladung der magnetischen Energie dies Übertragers 6 erfolgt gleichzeitig auch über die Diode 8 auf den Kondensator 9. Durch Aufladung der relativ kleinen Kapazität 3 klingt der Strom i2 schnell bis auf Null ab. Die Spannungen an den beiden Kondensatoren 3 und 9 werden so lange auf dem gleichen Wert Uci gehalten - ein. Übersetzungsverhältnis 1:1 vorausgesetzt -, bis der Strom i2 nach einer Zeit t3, in der die magnetische Energie an den Kondensator 9 abgegeben wird, auf Null abgeklungen ist. Auf der Eingangsseite treten während des Abbaues der magnetischen Energie im Übertrager keine Verluste auf, da die Spannung des umgeladenen Kondensators 3 die Diode 4 sperrt und daher ein Hin- und Herpendeln der Energie zwischen Kondensator 3 und Induktivität 5 unterbunden ist.
• Während der Zeit t4 .erfolgt aus dem Übertrager keine Energielieferung mehr. Die Ausgangsspannung UA ist am Ende dieser Zeit auf einen Wert abgesunken, der zur Speisung des Lastwiderstandes 11 nicht mehr ausreicht. Das Spannungsvergleichsglied 10 läßt jetzt den Impulsgenerator 12 anschwiegen, dessen erster positiver Impuls wieder den steuerbaren Gleichrichter zündet, d. h. den elektronischen Schalter schließt, so daß der gesamte Vorgang von neuem beginnt und schließlich der Ausgangskondensator auf die vorher bestimmte Sollspannung aufgeladen wird. Daraus ergibt sieh, daß die Impulsfolgefrequenz um so höher ist, je rascher die Spannung am Ausgangskondensator unter die Sollwertspannung absinkt. Durch Verstellen der Vergleichsspannung ist es möglich, unterschiedliche Ausgangsgleichspannungen zu erzielen. Durch einfache Umschaltung der Schwingkreiskapazität läßt sich außerdem der Spannungswandler auch für verschieden große Eingangsspannungen verwenden.
• Verwendet man an Stelle eines steuerbaren Halbleitergleichrichters einen Transistor, so erhält man das in F i g. 2 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel. Diese Schaltung ist besonders zur Umrichtung kleiner Leistungen geeignet, da die Umschaltverluste beim Transistor geringer sind als bei einem steuerbaren Halbleitergleichrichter. Als Schaltstrecke wird die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 13 verwendet. Der Reihenschwingkreis kann Zweckmäßig so ausgebildet sein, daß das negative Maximum des Schwingkreisstromes il gerade den Wert Null erreicht. Die Zeitdauer des Steuerimpulses soll hierbei gleich oder größer als die Zeit t1 sein.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Spannungsgeregelter Gleichspannungswandler mit einem Übertrager, einem mit dessen Primärwicklung und der Eingangsgleichspannung in Reihe geschalteten elektronischen Schalter, dessen Einschalthäufigkeit in Abhängigkeit von der Ausgangsgleichspannung im Sinn von deren Konstanthaltung mittels einer Steuereinrichtung gesteuert wird, und einem Ausgangskondensator, der über ein erstes Gleichrichterelement an die Sekundärwicklung des Übertragers angeschlossen ist und an dem die Ausgangsgleichspannung abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Primärwicklung (5) des Übertragers ein zweites Gleiehrichterelement (4), parallel zu dieser Reihenschaltung ein Kondensator (3) und in Reihe mit dieser Parallelschaltung und dem elektronischen Schalter eine mit dem Kondensator (3) einen Reihenschwingkreis bildende Induktivität (2) geschaltet ist, daß das erste Gleichrichterelement (8) bezüglich der bei abnehmenden magnetischem Fluß im übertrager (6) auftretenden Sekundärspannungsrichtung und das zweite Gleichrichterelement (4) bezüglich der Eingangsgleichspannung in Durchlaßrichtung gepolt sind und daß die Steuereinrichtung (10, 12) und gegebenenfalls der .elektronische Schalter (1, 13) so ausgebildet ist, daß der elektronische Schalter jeweils bei Unterschreiten einer bestimmten Ausgangsgleichspannung eingeschaltet und beim Strom-Nulldurchgang der daraufhin erfolgenden Schwingung des eingangsseitigen Reihenschwingkreises (2, 3) ausgeschaltet wird.
2. 2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ein parallel zum Ausgangskondensator liegendes Spannungsvergleichsglied (10) mit einer vorgegebenen Sollspannung und einen mit dem Spannungsvergleichsglied verbundenen Impulsgenerator (12) aufweist, der beim Unterschreiten der Sollspannung anschwiegt und den elektronischen Schalter (1) schließt.
3. 3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (1) ein steuerbarer Gleichrichter ist.
4. 4. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ,gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (1) ein Transistor ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1084 838, 1124 152, 1147 679; »Silicon Controlled Rectifer Manual«, Second Edition, 1961, der General Electric Company, S.176 bis 178; Technische Rundschau, Nr. 20 vom 5. Mai 1961, S.11; ETZ-B, Heft 14 vom 9. Juli 1962, S. 373; Funk-Technik, 1962, Nr. 22, S. 754, 755; Electronics, Heft vom 4. Januar 1963, S. 80, 81.