DE1438378C - Stabilisierter Eintaktgleichspannungswandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen stabilisierten Eintaktgleichspannungswandler nach dem Sperrwandlerprinzip mit einem Zerhackertransistor; dessen Emitter-Kollektor-Strecke in Reihe mit der Primärwicklung eines Transformators geschaltet ist und an dessen Basis-Emitter-Strecke die Reihenschaltung einer pulsierenden Mitkopplungsspannung, die von einer Sekundärwicklung des Transformators abgeleitet ist, und einer der pulsierenden Spannung in der Einschaltphase des Transistors entgegengerichteten Gleichspannung gelegt ist, die von einer weiteren Sekundärwicklung des Transformators über einen Einweggleichrichter und eine Glättungseinrichtung abgenommen ist.

Ein solcher Gleichspannungswandler ist bekannt (USA.-Patentschrift 2 920 258). Bei diesem bekannten Wandler ist der Einweggleichrichter in bezug auf die weitere Sekundärwicklung so gepolt, daß er jeweils in der Sperrphase des Transistors stromdurchlässig ist. Dabei wird von einer konstanten Eingangsspannung ausgegangen, und es werden bei der Kompensation die Schwankungen der Last und die Schwankung der Eigenschaften des Transistors berücksichtigt. Der Nachteil der vorbekannten Anordnung besteht darin, daß Schwankungen der Eingangsspannung als Schwankungen der im Transformator gespeicherten Energie und somit als Schwankungen in der Ausgangsspannung auftreten. Da Schwankungen in der Ausgangsspannung aber gleichsinnig wirken wie Lastschwankungen, sind somit Schwankungen der Eingangsspannung erst auf dem Umweg über die dadurch hervorgerufenen Schwankungen der Ausgangsspannung zu kompensieren. Es treten somit selbst bei gleichbleibender Last und konstanten Transistordaten an der Last Schwankungen der Ausgangsspannung auf, die von der Eingangsspannung verursacht werden. Dabei besteht die Gefahr, in den gesättigten Bereich des Transformators zu kommen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Mängel eines Gleichspannungswandlers zu beheben und einerTßol-. chen Wandler anzugeben, der mit geringem Aufwand bei stark veränderlicher Eingangsspannung eine hochkonstante Ausgangsspannung bei bestmöglichem Wirkungsgrad erzielt.

Diese Aufgabe wird bei einem Gleichspannungswandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zur Begrenzung der pulsierenden Mttkopplufigsspärtfmhg auf einen konstanten Wert vorgesehen und der Einweggleichrichter in bezug auf die weitere Sekundärwicklung so gepolt ist, daß er jeweils in der Einschaltphase des Transistors stromdurchlässig ist.

Der Vorteil des" Wandlers" nach der Erfindung ge*_; genüber den Wandlern, bei denen die Kömpensation der Eingangsschwankungen über die Ausgangsschwankungen erfolgt, ist darin zu Sehen, däß mit der beim Erfindungsgegenstand vorgesehenen,- itis reine Steuerung (Störgrößenschallung) wirkenden Kompensation von Ausgangsspannungsänderangen, die durch Eingangsspannungsänderungen verursacht werden, in dem Fall, wo es nur auf eine Stabilisierung der Ausgangsspannung gegenüber Eingangsspannungsschwankungen ankommt, eine höhere Genauigkeit dadurch erzielt werden kann, daß eine statische Regelabweichung entfällt.

Der Eintaktgleichspannungswandler nach der Erfindung eignet sich besonders für Niederspannungsänlägeh Von Schienenfahrzeugen, wo Stärke Änderungen der Eingangsspänhung (16 bis 30 V) aufreten.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist als Einrichtung zur Begrenzung der pulsierenden Mitkopplungsspannung auf einen konstanten Wert ein Glied mit nichtlinearer Strom-Spannungskennlinie verwendet. Dieses Glied kann aus ein oder mehreren Dioden, gegebenenfalls mit dazu in Reihe liegenden Zenerdioden, oder, bei geringen Ansprüchen, aus

ίο einem in Flußrichtung geschalteten Selengleichrichter bestehend

Es ist ferner aus der USA.-Patentschrift 2 997 664, die einen Wechselrichter zum Gegenstand hat, an sich bekannt, eine der Basis-Emitterstrecke des Zerhackertransistors zugeführte pulsierende Mitkopplungsspannung durch Zenerdioden auf einen konstanten Wert zu begrenzen.

Zur Ausschaltung der Serienstreuung der Gleichstromverstärkung der Transistoren ist zweckmäßig in Reihe mit der Basis des Transistors ein einstellbarer Vorwiderstand gelegt.

Aus der DT-Zeitschrift »radio mentor«, 1958, Heft I₁ S. 027 bis 029, ist es bei einem Eintaktgleichspannungswandler nach dem Sperrwandlerprinzip mit einem Zerhacker-Transistor an sich bekannt, in Reihe mit der Basis des Transistors einen einstellbaren Vorwiderstand vorzusehen.

Die Figur zeigt in z. T. schematischer Darstellung ein Beispiel einer Schaltung elftes Gleichspafinungswandlers nach der Vorliegenden Erfindung. Alle Wicklungen eines Transformators liegen auf einem Kern. Ihr Anfang ist jeweils mit A, ihr Ende mit E

- ■ -bezeichnet. An der Eingangsspannung CZ₁ liegt ein von den herkömmlichen Sperrwandlern bekannter und zum Anschwingen des Wandlers erforderlicher Spannungsteiler aus Widerständen JR₁ und R₁. Der Widerstand R₁ dient gleichzeitig als Strombegrenzungswiderstand für die in einer Sekundärwicklung W_v von einer Primärwicklung W_x induzierte Span-

nung U₂. Diese Spännung wird in einer Diode D₁

.. . gleichgerichtet und an einer ZenerdiodeZj auf eine bestimmte Höhe begrenzt. Man erhält somit während der Einschaltphase r_t auch bei stark ansteigender Spannung U₁ eine annähernd konstante Spannung U₃.

Die in einer weiteren Sekundärwicklung W₃ induzierte Spannung wird in der Form eines herkömmlichen Durchflußwandlers mittels einer in den Einschaltphasen des Transistors stromdurchlässigen Diode

·' ·■ (Rriweggleichfiehief) Z)₂ gleichgerichtet, Oi einem Kondensator K₁ gefiltert und steht am Schleifer eines Potentiometers P₂ sowohl während der Einschaltphase I₁ als auch während der Ausschaltphase (Sperrphase) I₂ als Spannung Ü\ zur Verfügung, welche sich

; :. fjföpottiönal zur Eingartgsspaniiting U₁ verhält.

Die während der Einschaltphase I₁ wirkende konstante Steuerspäfittüng C/_g wird also um die am Potentiometer P₂ abgegriffene, der Eingangsspannung U₁ proportionalen Spannung CZ₄ verringert. Die resultierende Spannung wird über einen einstellbaren Widerstand P₁ als Emitter-Basis-Spannung U_BE an einen Transistor T gelegt, der als Zerhacker-Transistor arbeitet.

Der Basisstrom des Transistors ist auf den Kollektorspitzenstrom derart abgestimmt, daß der Magnetkern des Wandlers stets im ungesättigten Bereich bleibt. Wird über den ganzen Arbeitsbereich der Kollektorspitzenstrom durch den Basisstrom bestimmt, was bei ungesättigtem Magnetkern der Fall ist, so

wird bei steigender Eingangsspannung der Kollektorspitzenstrom soweit absinken, daß die Ausgangsleistung konstant bleibt.

Der Ausgang der weiteren Sekundärwicklungen entspricht dem eines herkömmlichen Sperrwandlers mit Stabilisierung. Von ihm können — gleichgerichtet von Dioden D₃ und D₄ und stabilisiert von Kondensatoren K₂ und K₃ sowie von Zenerdioden Z₂ — Ausgangsspannungen U₅ und U₆ an Lasten L₁ und L₂ gelegt werden.

Mit einer solchen Schaltung wird erreicht, daß bei steigender Eingangsspannung CZ₁ die Emitter-Basis-Spannung U_B des Transistors T gleichmäßig abnimmt. Wird der Kollektorspitzenstrom durch den Basisstrom begrenzt, wie dies bei einem ungesättigten Magnetkern der Fall ist, so wird bei steigender Eingangsspannung U₁ der Kollektorspitzenstrom soweit absinken, daß die Ausgangsleistung konstant bleibt. Diese Bedingung ist zwar nur für zwei am Potentiometer P₂ einstellbare Werte der Spannung U_x exakt erfüllbar; die Abweichung der Ausgangsleistung bei Zwischenwerten von U₁ ist jedoch so gering, daß sie vernachlässigt werden kann.

Der Wert, um den der Kollektorspitzenstrom absinken soll, richtet sich nach dem Anfangstastverhältnis ij/ig, das zwar prinzipiell frei wählbar ist, praktisch aber von dem Maximalwert der Spannung U₁ und der Sperrspannung des Transistors T abhängt. So muß z. B. bei einem Anfangstastverhältnis X₁It₂ = 1/1, wenn U₁ auf den doppelten Wert ansteigt, der Kollektorspitzenstrom auf etwa 75% seines Ausgangswertes sinken, damit bei dem geänderten Tastverhältnis t'j/t'g=0,5/1 die Ausgangsleistung konstant bleibt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Stabilisierter Eintaktgleichspannungswandler nach dem Sperrwandlerprinzip mit einem Zer-

35 hacker-Transistor, dessen Emitter-Kollektor-Strecke in Reihe mit der Primärwicklung eines Transformators geschaltet ist und an dessen Basis-Emitter-Strecke die Reihenschaltung einer pulsierenden Mitkopplungsspannung, die von einer Sekundärwicklung des Transformators abgeleitet ist, und einer der pulsierenden Spannung in der Einschaltphase des Transistors entgegengerichteten Gleichspannung gelegt ist, die von einer weiteren Sekundärwicklung des Transformators über einen Einweggleichrichter und eine Glättungseinrichtung abgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Begrenzung der pulsierenden Mitkopplungsspannung auf einen konstanten Wert vorgesehen und der Einweggleichrichter in bezug auf die weitere Sekundärwicklung so gepolt ist, daß er jeweils in der Einschaltphase des Transistors stromdurchlässig ist.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zur Begrenzung der pulsierenden Mitkopplungsspannung auf einen konstanten Wert ein Glied mit nichtlinearer Strom-Spannungskennlinie verwendet ist.

3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied mit nichtlinearer Stromspannungskennlinie eine Zenerdiode (Z₁) ist.

4. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen einstellbaren Potentiometerwiderstand (P₁), an dem die der pulsierenden Spannung entgegengerichtete Spannung abgegriffen ist.

5. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Basis des Transistors (T) ein einstellbarer Vorwiderstand (P₂) gelegt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen