DE1563682C - Schaltungsanordnung zur Stabilisierung einer Gleichspannung mit einem Schalttransistor als Stellglied - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung einer Gleichspannung mit einem im Längszweig der Stabilisierungsschaltung liegenden Schalttransistor als Stellglied, einer als Energiespeicher dienenden Drossel und einer im Querzweig angeordneten Freilaufdiode, unter Verwendung einer Steuerschaltung mit einem Transistor-Wechselrichter als Taktgeber, die durch Überlagerung einer dreieckförmigen Hilfsspannung mit einer der Ausgangsspannung proportionalen Meßspannung eine rechteckförmige Steuerschwingung konstanter Periodendauer und mit in Abhängigkeit von Schwankungen der Ausgangsspannung veränderbarem Tastverhältnis erzeugt.

Die Erfindung geht von einer Schaltung gemäß Patentanmeldung P 14 63 553.1-32 aus, wonach zur Erzeugung der dreieckförmigen Spannung eine Mittelpunktschaltung aus zwei i?C-Gliedern an den Ausgang des Taktgenerators angeschlossen ist und die Steuerstrecke des Schalttransistors über eine von einer verstärkten Summenspannung aus der dreieckförmigen Hilfsspannung und der Meßspannung gesteuerte bistabile Kippstufe abwechselnd in einem von der Ausgangsspannung abhängigen Tastverhältnis galvanisch mit einer von zwei gleich großen Gleich-Spannungsquellen entgegengesetzter Polarität zusammengeschaltet ist.

In dieser Schaltung kann jedoch in Abhängigkeit vom jeweils verwendeten Transistortyp für das Stellglied (npn- oder pnp-Transistor) entweder nur die Minus- oder die Plusleitung der Schaltung durchgehend geerdet werden. Beim Wechsel der Erdung ist ein Austausch des Transistors gegen einen entsprechenden komplementären Typ und die Verwendung einer Hilfswicklung in der Drosselspule erforderlich.

Es ist bereits eine geregelte Stromversorgungsanlage bekannt, in welcher der als Stellglied arbeitende Schalttransistor über einen Hilfstransistor mittels • eines Übertragers von einem Taktgeber umgesteuert wird. Der Schalttransistor bildet hier zusammen mit dem Hilfstransistor eine bistabile Kippschaltung, der vom Übertrager lediglich kurze Spannungsimpulse zur Umschaltung zugeführt werden (österreichische Patentschrift 201 726).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die galvanische Trennung zwischen dem Stellglied und der Regeleinrichtung auch dann zu ermöglichen, wenn die gesamte Steuerleistung für das Stellglied von der Regeleinrichtung aufgebracht werden muß.

Gemäß der Erfindung wird das bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß ein Arbeitswiderstand einer Transistorstufe für die Verstärkung der in einer Brückenschaltung gewonnenen Meßspannung mit in Reihe geschalteten Steuerwicklungen eines Transduktors verbunden ist, daß ebenfalls in Reihe liegende Arbeitswicklungen des Transduktors an eine ausgangsseitig mit dem Stellglied der Stabilisierungsschaltung verbundene Transistor-Schaltstufe geführt sind und daß je eine Sekundärwicklung eines Übertragers des Taktgebers über Gleichrichterdioden in den Steuer- und Arbeitskreis mit den Steuerwicklungen und den Arbeitswicklungen des Transduktors angeschlossen sind.

Gemäß einer vorteilhaften-Weiterbildung der Erfindung besteht der Transduktor aus zwei in Gegentaktschaltung; angeordneten Schaltdrosseln. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß sich durch gleichzeitige Auf- bzw. Abmagnetisierung der Transduktoren die Frequenz der Impulsfolge zur Steuerung des Stelltransistors verdoppelt. Die Verdopplung der Steuerfrequenz hat eine Vergrößerung des Regelbereiches zur Folge. An der unteren Regelbereichsgrenze ist der Stelltransistor ohne Unterbrechung geöffnet.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Der fremdgesteuerte Schaltregler besteht aus einer Regelstrecke, einer Regeleinrichtung mit Meßschaltung und Transduktorumsetzer und einem Umrichter als Taktgeber und Hilfsenergiequelle. Die Regelstrecke, an deren Eingang Ue die zu stabilisierende Gleichspannung zugeführt und an deren Ausgang Ua die geregelte Gleichspannung abgenommen wird, enthält im wesentlichen den Stelltransistor Ts 10 und die Speicherdrossel Ds im Längszweig und die Diode Gr 7 sowie den Siebkondensator C 7 im Querzweig der Schaltung. Zur Verringerung der Steuerleistung für den Stelltransistor Ts 10 ist ein Verbundtransistor Ti 9 vorgesehen. Ist der Stelltransistor Ts 10 leitend (Durchlaßzeit), so fließt über diesen Transistor und die Speicherdrossel Ds ein linear ansteigender Strom zum Kondensator C 7 und zum Ausgang Ua. Beim Sperren des Stelltransistors fließt der Strom in der Speicherdrossel linear abnehmend über die Diode Gr 7 und den Verbraucher weiter (Sperrzeit). Die Stromänderung beträgt dabei etwa 20 % vom Nenngleichstrom. Das Verhältnis Durchlaßzeit zu Sperrzeit (Tastverhältnis) wird von der Größe der Ausgangsspannung bestimmt. Eine Abweichung der Ausgangsspannung vom Sollwert bewirkt über Meßschaltung und Transduktorumsetzer eine Änderung des Tastverhältnisses, die der Spannungsabweichung entgegenwirkt. Die Meßschaltung ist als Brückenschaltung ausgebildet und besteht aus einem Spannungsteiler R5,P2,R6, der an der zu regelnden Ausgangsspannung am Ausgang Ua liegt, und einer Reihenschaltung, bestehend aus dem Widerstand R 4 und der Z-DiodeZZ)l, die den Sollwert liefert. Das Potentiometer P 2 im Spannungsteiler dient der Soll-Wertfeineinstellung. In der Brückendiagonale dieser Meßschaltung befindet sich ein Differenzverstärker aus den Transistoren Ts 7 und Ts 8, der die Regelabweichung verstärkt. Für hohe Konstanzanforderungen sind noch zwei nachgeschaltete Transistorstufen Ti 3 und Ts 4 vorgesehen.

Die verstärkte Regelabweichung wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel am Arbeitswiderstand R1 des Transistors Ts 3 abgenommen und in den Schaltdrosseln DrI und Dr 2 in Gleichspannungsimpulse umgesetzt. Die verstärkte Regelabweichung könnte ebenso als Emitter-Kollektorspannung des Transistors Ts 4 abgenommen werden. Die Transistorstufe mit dem Transistor Ts 3 würde dann entfallen. Die Schaltdrosseln DrI und Dr 2 bestehen aus je einer Steuerwicklung I und je einer Arbeitswicklung II. Die Steuerwicklungen I und die Arbeitswicklungen II werden aus getrennten Übertragerwicklungen eines Umrichters über Gleitrichter Gr 3 bis Gr 6 mit Gleichspannungsimpulsen konstanter Frequenz gespeist (Taktgeber). Die Übertragerwicklungen b und c bilden mit den Mittelanzapfungen und den Gleichrichtern Gr 3, Gr 4 bzw. Gr S, Gr 6 je eine Mittelpunktschaltung, die im Gegentakt auf die Steuer- bzw. Arbeitswicklungen der beiden Schaltdrosseln arbeiten.

Der Umrichter erzeugt gleichzeitig die nötigen Hilfsspannungen für die Transistorstufen Ti 3 und Ts 4 sowie für eine dem Transduktor nachgeschaltete Schaltstufe Ts 6. Die Speisung des Umrichters erfolgt aus einer Hilfsspannungsquelle. Der Umrichter arbeitet mit zwei in Gegentakt geschalteten Transistoren TiI und Ti 2, dem Rückkopplungsübertrager TrI und dem Übertrager Tr 2 mit den Sekundärwicklungen a bis d. An die Sekundärwicklung α ist eine Gleichrichterbrücke Gl und der Glättungskondensator C1 angeschlossen, aus welchem die Stromversorgung der Transistorstufen Tj 3 und Ti 4 erfolgt. An den Sekundärwicklungen b und c werden über Gleichrichter Gr 3, Gr 4 bzw. Gr 5, Gr 6 Gleichspannungsimpulse zur Speisung der Steuer- und Arbeitswicklungen der Schaltdrosseln Dr 1 und Dr 2 entnommen. Mittels der Gleichrichterbrücke G2 und der Kondensatoren C 2 und C 3 wird aus der Sekundärwicklung d die Versorgungsspannung für die Schaltstufe Ts 6 gewonnen. Von den beiden Kondensatorspannungen wird außerdem die rechteckf örmige Wechselspannung mit veränderlichem Tastverhältnis zur Steuerung des Stelltransistors Ts 10 abgeleitet.

Um im Transduktor die vom Taktgeber über die Gleichrichter Gr 5, Gr 6 gelieferten Gleichspannungsimpulse in Steuerimpulse umsetzen zu können, die der Regelabweichung proportional sind, wird die am Arbeitswiderstand R1 des Transistors Ti 3 abgegriffene Spannung, die der Regelabweichung entspricht, den Gleichspannungsimpulsen überlagert, die den Steuerwicklungen über die Gleichrichter Gr 3, Gr 4 zugeführt werden.

Damit zwischen Steuer- und Arbeitswicklung der Transduktoren keine Transformatorwirkung entsteht, ist das Übersetzungsverhältnis dieser Wicklungen so gewählt, daß es glejch ist dem Verhältnis der an der Steuer- und Arbeitswicklung anliegenden Spannung aus dem Taktgeber. Die transformierten Spannungen werden somit kompensiert.

Die Transduktoren bestehen aus Ringbandkernen mit rechteckiger Hystereseschleife. Die in der positiven Phase an der Arbeitswicklung II der Schaltdrossel DrI liegende Spannungshalbwelle bringt den Kern in einer bestimmten, vom Magnetisierungszustand des Kerns zu Beginn der positiven Phase abhängigen Zeit in die Sättigung. In diesem Zustand verschwindet die Induktivität, und der Transduktor schaltet die angelegte Spannungshalbwelle an den Arbeitswiderstand R 8 durch, der Transistor der Schaltstufe Ts 6 sperrt, und der Stelltransistor TiIO erhält über Rl eine öffnende Steuerspannung. Die Flankensteilheit hängt dabei von der Magnetisierungskennlinie des verwendeten Kernmaterials ab. Die Einstellung des bei Beginn der positiven Phase vorhandenen Magnetisierungszustandes erfolgte in der vorhergegangenen negativen Phase durch die Steuerwicklung I, und zwar durch Gegenschalten einer abmagnetisierenden Spannung mit einer der Regelabweichung proportionalen, am Kollektorwiderstand R1 des Transistors Ts 3 gewonnenen Spannung. Durch gleichzeitiges Auf- bzw. Abmagnetisieren der Schaltdrossel DrI bzw. Dr2, und umgekehrt, wird die Frequenz der Impulsfolge doppelt so groß wie die Umrichterfrequenz.

Der Regelbereich der Schaltung erstreckt sich von t = 0 bis t = T, wobei t die Impulsbreite und T die Periodendauer bedeutet. Die Frequenz der Impulsfolge liegt in der Größenordnung von einigen kHz. Schwankungen der Versorgungsspannung aus dem Umrichter beeinflussen das Verhältnis von Impulsbreite zu Impulslücke nicht, da bei einer Spannungsänderung die Umrichterfrequenz und die Ummagnetisierungszeit des Transduktors gleichzeitig verändert werden.

Die im Transduktor erzeugten Gleichspannungsimpulse werden mit Hilfe des Transistors der Schalt-

stufe Ts 6 unter Beibehaltung des Tastverhältnisses in eine Wechselspannung gleicher Frequenz umgesetzt und als Steuerspannung an den Stelltransistor Ts 10 geliefert. Die Schaltstufe Ts 6 dient außerdem der Flakenversteüerung der Steuerspannung. Je nach Belastung und nach Größe der Eingangsspannung Ue wird im LC-Sieb Ds, C 7 der Regelstrecke ein Mittel-■\vert aus verschieden breiten Gleichspannungsimpulsen gebildet, der der geregelten Ausgangsspannung an Ua entspricht.

Zur Kurzschlußüberwachung der Regelstrecke dient der an der Basis des Transistors Ts 4 über den

Widerstand R 3 und die Diode Gr 8 bei Überstrom angreifende Transistor Ts 5. Der Ansprechwert kann mit dem Potentiometer P 1 eingestellt werden.

Um bei hohem Verstärkungsgrad Regelschwingungen im Regler zu vermeiden, kann mit Hilfe einer ÄC-Rückführung R 2, C 4 im Regelverstärker eine Frequenzkorrektur vorgenommen werden, indem die Verstärkung für bestimmte kritische Frequenzen herabgesetzt wird.

Zur Stabilisierung des Regelverhaltens im Leerlauf und bei Laständerungen dienen die Widerstände R 9, R10 und die Kondensatoren C 5, C 6. .,

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Stabilisierung einer Gleichspannung mit einem im Längszweig der Stabilisierungsschaltung liegenden Schalttransistor als Stellglied, einer als Energiespeicher dienenden Drossel und einer im Querzweig angeordneten Freilaufdiode, unter Verwendung einer Steuerschaltung mit einem Transistor-Wechselrichter als Taktgeber, die durch Überlagerung einer dreieckförmigen Hilfsspannung mit einer der Ausgangsspannung proportionalen .Meßspannung eine rechteckförmige Steuerschwingung konstanter Periodendauer und mit in Abhängigkeit von Schwankungen der Ausgangsspannung veränderbarem Tastverhältnis erzeugt, wobei zur Erzeugung der dreieckförmigen Spannung eine Mittelpunktschaltung aus zwei jRC-Gliedern an den Ausgang des Taktgenerators angschlossen ist und die Steuerstrecke des Schalttransistors über eine von einer verstärkten Summenspannung· aus der dreieckförmigen Hilfsspannung und der Meßspannung gesteuerte bistabile Kippstufe abwechselnd in einem von der Ausgangsspannung abhängigen Tastverhältnis galvanisch mit einer von zwei gleich großen Gleichspannungsquellen entgegengesetzter Polarität zusammengeschaltet ist, nach Patentanmeldung P 14 63 553.1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Arbeitswiderstand (R 1) einer Transistorstufe (Ts 3) für die Verstärkung der in einer Brückenschaltung gewonnenen Meßspannung mit in Reihe geschalteten Steuerwicklungen (I) eines Transduktors (DrI, Dl) verbunden ist, daß ebenfalls in Reihe liegende Arbeitswicklungen (II) des Transduktors (Dr 1, Dr 2) an eine ausgangsseitig mit dem Stellglied (Ts 10) der Stabilisierungsschaltung verbundene Transistor-Schaltstufe (Ts 6) geführt sind und daß je eine Sekundärwicklung (b, c) eines Übertrages (Tr 2) des Taktgebers über Gleichrichterdioden (Gr 3 bis Gr 6) an den Steuer- und Arbeitskreis mit den Steuerwicklungen (I) und den Arbeitswicklungen (II) des Transduktors (Dr 1, Dr 2) angeschlossen sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transduktor (DrI, Dr 2) aus zwei in Gegentaktschaltung angeordneten Schaltdrosseln besteht.

3. Schaltungsanordnung. nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis von Steuer- (I) zu Arbeitswicklung (II) des Transduktors (Dr 1, Dr 2) gleich ist dem Verhältnis der an Steuer- und Arbeitswicklung anliegenden r Spannung aus den Sekundärwicklungen (ft, cXdes .Übertragers (Tr 2) im Taktgeber. ·- ^;<-^r-> · ■■'· ■