DE1613338A1 - Gleichspannungswandler - Google Patents

Description

Patentanwalt Di.-Ing. Wilhelm Reicliel

Frcmkfurt/Maiii-1 Paik*üaß»13

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Olivetti atneral Electric, Pregnane Milanese, Italien Gleichspannungswandler

Die Erfindung 'besieht sich auf einen Gleichspannungswandler d.h. auf Einrichtungen, welche gewöhnlich von einer nicht stabilisierten Gleichstromquelle gespeist werden und eine von der Speieingsspannung verschiedene Auegangsspannung liefern, die im allgemeinen auf bestimmte Werte stabilisiert ist.

Bei bekannten Einrichtungen dieser Art wird die Spannung einer Gleichstromquelle von einem gegebenen Wert in einen davon verschiedenen im allgemeinen dadurch umgewandelt, daß der Gleichstrom zur Umwandlung mit Hilfe eines Zerhaokers, eines Wechselrichters oder dgl. in einen pulsierenden Strom oder Wechselstrom umgeformt wird, und dieser pulsierende Strom oder Wechselstrom an die Primärwicklung eines Transformators angelegt wird, so daß am Ausgang der Sekundärwicklung ein Wechselstrom vorge-

gebener Spannung abgreifbar ist. Dieser Wechselstrom wi*d gleichgerichtet und geglättet, ao daß er an einem Gleichstromauagang mit der gewtinachten Spannung zur Verfugung steht. In dem Wandler können Stabilisierungeeinrichtungen in form einer Rückkopplung Torgeaehen sein, die auf die Differenz der effektiven und der gewünachten Ausgangaapannung ansprechen.

Bei derartigen Binrichtungen ist der Wert der Ausgangsspannung abhängig von dem VindungaYerhältnis zwischen der Primär* und Sekundärwicklung des Transformators. Kleinere Spannungswerte können auch durch die Verwendung von Energie verbrauchenden Einrichtungen erhalten werden. Bei Einrichtungen dieser Art muß die stabilisierte Ausgangsspannung wertmäßig bereite beim Entwurf der Einrichtung festgelegt werden und iat apäter nur noch in sehr beschränktem Umfang änderbar.

Durch die Verwendung einea Transformators wird überdies der Wirkungsgrad verringert und Bauschen erzeugt auf Grund der vom wechselnden Magnetfluß verursachten Hystereseverluste im Eisenkern.

Bei einer anderen Art stabilisierter Wandler,, welche keine Transformatoren verwenden, ist die Ausgangsspannung notwendigerweise niedriger oder höchstens gleich der Spannung des eingespeisten' Gleichstroms. Derartige Wandlertypen aind bezüglich der möglichen Werte der Ausgangsspannung wesentlich beschränkt und haben eir·,;.: beachtlichen Energieverbrauch.

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Durch di· vorliegend· Erfindung werden derartige frachteil· vermieden. Ihr Ziel 1st die Schaffung eine· Gleichspannungswandler·, bei dem ohne Verwendung eines Xraneformatora die Ausgangsepannung innerhalb weiter Grensen τοη der Spannung der speisenden Gleichstromquelle völlig unabhängig ist. Insbesondere soll es möglich •ein, daB die Auagangaepannung tot ein mehrfaches größer als die

Der Wandler gemlA der Erfindung besteht aus einer Induktivität, durch die mit Hilfe einer Steuereinrichtung ein im wesentlichen konstanter Stromflttl aufrechterhalten wird, wobei die Steuerein richtung in Abhängigkeit τοη Hefidaten eine Vlelsahl von Schalter steuert und dadurch in verschiedenen ineinander übergehenden Zeit intervallen eine wahlweise Verbindung der al· Energiespeicher wirksamen Induktivität mit entweder der stabilisierten Stromquelle allein, der stabilisierten Stromquelle und dem Itaetkreia, dem Lastkreis allein oder auch mit einem die Induktivität kurxschliefienden Schaltkreis bewirkt.

Für den Fall, daB die Induktivität mit dem Lastkreis verbunden ist, wirkt sie wie ein nahesu idealer Stromgenerator, wobei die Induktivität den Lastkreis mit einer Spannung versorgt, welcher nur von der Charakteristik des Ausgangskreises abhängt und unabhängig von der Spannung der Gleichstromquelle ist.

Daher ermöglicht der Wandler gemäß der Erfindung die Umwandlung der Spannung einer nicht stabilisierten Gleichstromquelle in

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•in· Spannung Mit «in·» den Erfordernissen dee Lastkreises entsprechenden Wertes, wobei kein Transformator benötigt wird «md der Strom in der Induktivität weder umgewandelt noch unterbrochen wird.

r«rn«r kenn di· Einrichtung geaMi Atrirfindung iur •in«r Yieleahl ron Spannungen alt r*r*«ki*d#n*n 0yammiins«w«rt«n ; verwendet werden, die an rereoniedene Leetkreiee angelegt werden♦ wobei nur eine eineige nicht »tabiliiierte 01eicn«tre«<ittelle und eine einsig· Induktivität benitigt wird»

Sine beiepieleweiee Auefttnrungeferm der Erfindung 1st in der Zeichnung dargestellt} ·■ »eigent

Tig.1 ein prineipiellee Schaltecheea einer linrichtung

g«näJB der Erfindung} fig·2a und 2b graphische Darstellungen der Ströme und der

Spannungen während verschiedener Betriebszustand·} Fig. 5 ein vereinfachtes Schaltscheaa einer besonderen

Aasfttbrungsforsi der Erfindung}

flg.4a und 4b die graphische Darstellung der Ströme und Spannungen bei einer Aubführung·form gem&B Hg· 3} Hg. 5 das prinzipielle Schaltschema einer Einrichtung

gemäß der Erfindung für eine Vielzahl von Leet-

kreisen} fig.6 das prinzipielle Schaltschema einer weiteren

Aueführungeform der Erfindung; flg.? und 8 Schaltbilder zweier vereinfachter Ausführungs-

formen der Erfindung.

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In Iif.1 1st dm· priniipielle Schaltschema einer Einrichtung gemgf der Erfindung dargestellt. Sin· nioht stabilisierte Gleich-■tromquelle 1 mit «in·» Innenwideretand H₁ liefert «ine Gleichspannung» di· «wischen der Eingangsklemme 2 und Hssie d«n Vert T₁ hat.

in die Singangskiemme 2 ist «in« Induktivität 5 angeschlossen, xu. d«r «in Stroam«£g«rät 4 nit kltint» Inntnwideretand eeriengeaonaXttt ist. Dieses StronteSgerftt 4 liefert ein dem gemessenen Stromwert entsprechendes Signal an die Eingangsklemme 14 einer iteuereinrichtung 19. 9er Vert L der Induktivität 3 ist iweckdienlicherweise grofl_t wogegen deren Widerstand B im Vergleich sum Widerstand des gtrommeSgerltes 4 klein ist. Sin Schalter 3» der vom Signal an der Ausgangsklemme 16 der Steuereinrichtung gesteuert wird» 1st «wischen die Singangeklemme 2 und die Ausgangsklemme 6 geschaltet. Bei geschlossenem Schalter wird die Induktivität 3 kursgeschlossen·

Sin zweiter von dem Signal an der Ausgangsklemme 17 der Steuereinrichtung 19 gesteuerter Schalter verbindet die Ausgangsklemme 6 mit Hasse. In diesem Schalt zustand besteht der wirksame Stromkreis aus der Gleichstromquelle 1, der Induktivität 3» &** Strommeßgerät 4 und dem Schalter 7.

Bin dritter Schalter 8 wird von dem Signal an der Ausgangsklemme 18 der Steuereinrichtung 19 gesteuert« Im geschlossenen Zustand verbindet dieser Schalter die Ausgangsklemme 6 mit der Klemme 20

BAD ORIGINAL

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des Lastkreises, «α welche folgende Elemente in Parallelschaltung angeschlossen eindt die Last 11, für die angenommen wird, dafi sie im wesentlichen aus einem Widerstand R_c besteht, einem Kondensator 10 mit der Kapazität C und einem Spannungameßgerät 9 mit hohem Widerstand, mit dem die Ausgangsspannung V gemessen werden kann, und welches ein entsprechendes Signal an die Eingang β klemme 15 der Steuereinrichtung 19 liefert.

Es wird angenommen, daß die Schalter 5, 7 und 8 von der Steuereinrichtung 19 praktisch ohne Verzögerung betrieben werden können, und daß die Schalter im geschlossenen Zustand praktisch widerstandslos sind und im geöffneten Zustand die Stromführung unterbrechen. Dies trifft für die Spannungs- und Stromwerte zu, in deren Bereich sie betrieben werden.

Sine mögliche Betriebsfolge dieser Einrichtung gemäß der Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren 2a und 2b beschrieben, welche die Änderung des Stromes I in der Induktivität und die Änderung der Spannung V_u an der Last darstellen.

Es sei angenommen, daß zur Anfangszelt t_Q der Schalter 7 geschlossen, die Schalter 5 und 8 dagegen geöffnet sind. Damit wird ein Stromkreis von der positiven Klemme 2 der Gleichstromquelle 1 mit dem Innenwiderstand IL über die Induktivität 3 mit dem Widerstand B und dem Induktivitätswert L, das Strommeßgerät 4- und den Schalter 7 nach Hasse geschlossen. Der Strom in diesem Kreis wächst entsprechend einer exponentiellen Gesetzmäßigkeit an, die die

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Zeltkonstante L/fc -ι- H_± hat. Venn das berücksichtigte Zeitintervall beeüglich dieser Zeitkonatante genügend klein ist, kann der Stromanstieg in Abhingi glreit von der Zeit ale linear betrachtet "wellen, «ie Ale· durch dl· Lini· OA gemlfl Hg.2a dargestellt let. VeMi sur Zeit t^ der Strom einen bestimmten oberen Grenswert I^ erreicht, werden die Schalter 5 und 7 von der Steuereinrichtung 49 geeohloaeen. Die Induktiirität wird damit über den flchalter 5 kurigeeohloeeen. Der Strom Ib der Induktiritlt ftllt nun enteprechend der groBen Zeitkonatante L/R ab, wie die· durch die Linie AB dargestellt ist.

Venn mur Xeit t_£ der abfallende Strom den untersten Gienewert I₁ erreicht hat» wird der Scfes&ter ψ geechloeeen und der Schalter 5 geöffnet, wodurch dl· Terhfiltnisse wiederhergestellt werden, wie sie wfthrend dem Zeitinterrall tQ-t^ geherrsoht haben. Somit steigt der Strom wieder an «ad sobald sum Zeltpunkt t, der oberste Qrenswert I_A erreicht ist, wird der Schalter 5 geschlossen und der Schalter ? geöffnet. Damit kann durch die Funktion der Steuereinrichtung 19 in der InduktiTitftt 3 ein Strom In einer Sichtung aufrechterhalten werden, dessen wert «wischen den Grensen I^ und I_ß liegt. Da der unterschied «wischen den beiden Grenzwerten sehr klein gemacht werden kann, fließt ein Gleichstrom durch die Induktivität der im wesentlichen einen konstanten Wert I_m ^m(Ij+I%)/2 beeitst.

Die Schaltung ist derart ausgelegt, daß der Vert I^ im wesentlichen höher als der Wert des Stromes liegt, der von der Last auf-

BAD ÖftlGfNAL 009B34/0-tOO

genommen wird. Die Induktlrität L wirkt als Stromspeioher, der periodisch von der Gleichstromquelle 1 aufgeladen wird» 2)1· Energieverluste sind vernaohlässigbar kitin, da die Widerstände H₁ und B sehr klein sind*

Ss sei nun der Tall betrachtet, da* eine Last 11, Mit dar eine Kapasltät 10 verbunden ist, von dar Klemme 20 aus gespeist wird. Der Kondensator 10 wird auf «ine veränderbar* Spannung Y_u aufgeladen, welche innerhalb tveler festgelegter Gremwerte Y^ und Yg aufrechterhalten werden mti*

Es sei angenommen, daß diese beiden Grenswerte eine höhere Spannung als die Eingangsspannung V₁ aufweisen, und dal sie sich nur um einen geringfügigen Wert voneinander unterscheiden· In diese« Fall ist die Spannung Υ_Β"(Υ|+Υ£)/2 naherungswalse konstant und entspricht der Spannung, die an der Ausgangskleaae SO anliegt·

Der Kondensator 10 wird derart aufgeladen, daß die Ausgangsspannung Y₁₁ entsprechend einer Gesetzmäßigkeit abnimmt, die durch die Linie HV gemäß flg.2b beschrieben wird. Der Augenblickewort dieser Spannung wird von de« Spannungsmefiger&t 9 gemessen und ein entsprechendes Signal an die Eingangeklemme 15 der Steuereinrichtung 19 geliefert. Venn but Zeit t^ die Spannung Y_u ihren untersten Grenzwert V_ erreicht, schließt die Steuereinrichtung

Schalter β und Öffnet den Schalter 7 oder 5, Je nachdem welcher der beiden vorher geschlossen war. Im vorliegenden Beispiel ist dies der Schalter5.

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laduroh wir* «in etromkrei· -von dtp AuegangefcUmme 2 dtr Gleichstromquelle 1 ft·* dl· Induktivität 3, da· 0tromm«ig«rät 4, den '•titelt·* · umA di· fest 11 jMrtk Ha··· g«sohloM«n.

X» AiH Ι·ϋ di···· Stromkr·!···, welcher iwisohta der Hemm· 2 mnd A** Gea*· 20 lieft« herreoht elm· 8pannung«diff*r«ns «» V^»^ Λτ T₁ > T_m p«eiWY IM» d.k. d»«*l^«ix Hichiwi· d«r itrc» aufw«i«t_f «a* w«lo**r fttr l# Fall negatlT i*t. Ia d*m 1νι*·§|·» Teil d··

··· 1·% di· inloMlT· ·Χ·Μν·«ο%·Υΐ··»« Kraft (WSO L dl/dt alrtiT. ••r JUi* t₄, WMUi d«r f^pltet § ρ···ΐαο···Μ Ist, ist mm fm Viderrtand a.

Ael«itmag dl/dt Ae* Strome» aat Aasseite Torieichen wie A T. »esaale steift Air Strom alt einer Aasgaagsspannung, die niedriger «1s die lingangsvpaanung ist, aa und fallt mit einer Ausgangsspannung, adher als die 11 ngangsspannuag, ab. Ia Jedem »all flieBt der Strom, »umindest für ein oegrenstee Zeitintervall, ia derselben Sichtung wie xuror weiter und ItAt dadurch den Kondensator 10 auf, wodurch ein Anstieg der Spannung 7 rerursacht wird.

Venn, wie angenommen, die Ausgangsspannung V_u grSler al· V^ ist, wird AV negatir, und der Strom aiaai entsprechend der ausgesog·- nen Linie Dl geaäii Tig.2a ab. Entsprechend steigt die Ausgangs-•pannune V^ an, wi· durch di· ausgesogene Linie IO dargestellt wird.

BAD ORiGiNAL .

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Is kann sein, daß, wie In der figur dargestellt, zur Zeit te, Tor die Spannung ?_u den obersten Grenzwert T^ erreicht, der Strom •inen zweiten unteren Grenzwert Iq erreicht, unter welchen er nicht abfallen soll. In diesem lall schlielt die Steuereinrichtung 19 den Schalter 7 und öffnet den Schalter 8 und stallt dadurch die Bedingungen für das .Ansteigen des Stromes in der Induktivität her. Der Strom steigt bis sur Zeit t«, wie durch die Linie SV dargestellt, an und erreicht in diesem Augenblick seinen obersten Grenzwert I., wahrend die Spannung entsprechend der Linie QP ab fill t. Zur Zeit t» ist der Schalter 8 geschlossen und der Behälter 7 geöffnet, so dal der Strom den Kondensator auflldt, und dadurch einen Spannungsanstieg so lang· verursacht, bis der obere Grenzwert T^ erreicht ist, wie durch die Linie FQ dargestellt wird. In dieeem Betriebszustand wird der Schalter 8 geöffnet und der Schalter 7 oder der Schalter 5 geschlossen, de nachmem, ob der Stromwert niedriger oaer höher als der Wert I_ß ist. . .

für den VaIl, daß der Spannungswert V_u am Ausgang niedriger als der Spannungawert T^ am Eingang ist, ist die Spannungsdifferenz V positiv, und damit auch die Ableitung dl/dt positiv.

Venn der Schalter 8 geschlossen wird, steigt der Strom an, wie dies durch die gestrichelte Linie DI gemäß Pig. 2a abgestellt wird.

Die gestrichelte Linie im unteren Teil der Fig.2b veranschaulicht die Variation der ausgangaspannung für den VaIl, daß die Spannung

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BAD

!wischen den Grenzwerten Vq. und V_ß gehalten werden nuß, welche beide kleiner als die Eingangespannung V^ sind.

V on sur Zelt t^, die entsprechend der Linie H¹K¹ abfallende Auagangsepannung den untersten Grenzwert V_D erreicht, schließt die Steuereinrichtung den Schalter 8 und öffnet den Schalter 7 •der 5. Von. diesem Augenblick an steigt der Strom in der Induktivität, wie bereite erwähnt, entsprechend der gestrichelten Linie DI an, wodurch entsprechend die Spannung Y„ entsprechend der Linie *·Ο· ansteigt. ' " " ^ '■''" r ' ^:J

It kann der Tall sein, daß, bevor die Spannung Y_ den oberen Greniwert Vq erreicht, der Strom in der Induktivität einen »weiten oberen Greniwert" I^ erreicht, Über den diese nicht ansteigen •Oll· Unter diesen Umständen schließt die Steuereinrichtung den Behälter $ und öffnet den Schalter 8. Der Strom fällt entspre- = ohend der Linie IL so lange ab, bis die Spannung V_u den unteren Greniwert V_D sum Zeitpunkt t_Q erreicht* Dieser Abfall verläuft entlang der gestrichelten Linie O¹P¹. Dieser Vorgang wird wiederholt , und die .Ausgangsspannung wird somit immer «wischen den Grenswerten Vq und Vp gehalten.

Durch die geeignete Auswahl der charakteristischen Werte der Induktivität 3> und des Kondensators 10, wobei der von der Last 11 aufgenommene Strom und der von der Gleichstromquelle 1 gelieferte Strom berücksichtigt wird, kann man erreichen, daß die von der Gleichstromquelle an die Induktivität 3 während der Zeit des ge-

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schlossenen Schalters 7 gelieferte Energie ausreicht, um die von der Induktivität an den Kondensator 10 über den geschlossenen Schalter 8 gelieferte Energie zu kompensieren.

Die Funktion der Einrichtung gemäß der Erfindung kann sehr viel genauer beschrieben werden, wenn man berücksichtigt, dal mit einem geschlossenen Schalter β und den übrigen Schaltern geebnet , die Induktivität zumindest für einen begrenzten Zeitabschnitt wie ein idealer Stromgenerator wirkt und deshalb in 4er.. Lage ist, unabhängig von der an dar Last wirksamen Speisespannung einen bestimmten Strom an die Last zu liefern·

Es ist selbstverständlich, daß die beschriebene wirkungsweise in vieler Hinsicht verändert werden kann, einmal auf Grund verschiedener Schalterpositienen und der verschiedenen lnschlulmtfglichkeiten der Heßeinrichtungen oder bezüglich der öffnungs- und Schließfolgen der Schalter bzw. des Betriebeverhaltene der Steuereinrichtung.

Im besonderen kann es vorteilhaft sein, einen Taktgeber zu verwenden, damit das Schließen und Offnen der verschiedenen Schalter nicht ausschließlich von dem Erreichen vorbestimmter Grenzwerte sowohl für die Spannung als auch für den Strom abhängig 1st, sondern zumindest teilweise nach einer bestimmten zeitlichen folg® '/erläuft, die von dem !Taktgeber gesteuert wird.

Eine li#vorxugte lusfüiiruageform der Erfindung dieses erwähnten 2yps, bei welchem die Schalter aus Halbleiterelementen bestehen

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BAD

mad 41· folg· der öffnung·- und Schließvorgänge von «in·· Taktg«ber und «la·* logischen Schaltung gemeinsam bestimmt wird, wird la folgenden beschrieben.

Der faktgeber und dl· Logiksohaltung lind la der Bteuereinrichtumg vorgesehen, la »ig. 3 mit d·» Ie »ugs «eichen 20 bezeichnet. « 11· Iteuereinrioatung wird Ib folgenden nicht ·1η«·1η beschrieben, dft dl· vereohiedenem ilögliohkeiten der Aixeführung dereelb«m für den mit der llektronlk rertrauten Imoimmaa bekannt sind, umd die iekalirrojrgäag· leioht duroä «la· lolg· τοη ßteuenigna-Xm aiuig«liit werden kSaata, welche Ton der Steuereinrichtung dem Schaltelementen la Abhängigkeit Tea durch dl· MeBeinrichtungeliefertem Ilagangedaten »u«efümrt warden.

Xa »iner praktieehen Aueführungiferm der Erfindung bestehen dl· •ehalt er au· Ealbleiter-Schalt element en, wie x.B. Dioden, ge-•teuerten Silioiumdioden oder Tranaietoren und dergleichen.

In fig, j let da« Schema einer Schaltung dargestellt, bei welcher Traniiitoren al» Schalter verwendet werden und welch· besonders vorteilhaft ist, wenn die Auagangeepannung höher als dl· Einganga-■pannung iet.

Wandler enthält eine nicht stabilisierte Gleichstromquelle 21, dl· mit einem Anschluß an Hasse liegt und deren anderer Anschluß an die Induktivität 22 und an einen PHP-Transistor 23 angeschlossen lit, dessen Emitter mit der Klemme 33» dessen KoIlθk-

BAD ORIGiNAL

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to* «it; dor Klemme 32 der Induktivität, und dessen Basis* über einen Widerstand 24 Mit dem Emitter und außerdem mit der Hemme 37 der Steuereinrichtung 20 verbunden ist. Sine nicht dargestel·- te Befehlsschaltung ist Teil der Steuereinrichtung und ebenfalls mit der Klemme 37 verbunden. Diese Befehlsschaltung kann den Transistor an-und abschalten, welcher daher die Funktion des Schalters 5 gemäß 7ig.1 ausführt.

Sie Klemme 33 ist außerdem mit dem Slitter des Transistors 25 verbunden, dessen Kollektor über einen Widerstand 31 mit kleinem Viderstandswert an Hasse liegt. Der dem Widerstand 31 und Kollektor des Transistors 25 gemeinsame Anschluß 40 ist mit der Klemme 35 der Steuereinrichtung 20 verbunden. Die Basis des Transistors 25, die über den Widerstand 26 mit dem Kollektor verbunden ist, ist außerdem an die Klemme 36 der Steuereinrichtung angeschlos sen. Die nicht dargestellte Befehlsschaltung, die ein Teil der Steuereinrichtung 20 ist und welche mit der Klemme 36 verbunden ist, kann den Transistor 25 an- und abschalten. Dieser führt damit die Funktion des Schalters 7 gemäß Fig.1 aus. Der eingeschaltete Transistor schließt den Stromkreis von der Gleichstromquelle 21 über die Induktivität 22, den Transistor 25 und den Widerstand 31 nach Hasse.

In diesem Stromkreis fließt ein Strom I, wobei am Anschluß 40 eine Spannung gegenüber Hasse entsteht, die diesem Strom proportional ist. Damit erfüllt der Widerstand 21 dieselbe Aufgabe wie das Strommeßgerät 4 gemäß Fig.1. Ein Unterschied besteht nur

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darin, daß derWiderstand nur dann in Serie zu der Induktivität geschaltet iat, wenn die Klemme 33 mit Hasse verbunden ist« Diese Anordnung hat den Torteil, daß, wenn die Induktivität durch d'U Transistor 23 kurzgeschlossen wird, der Widerstand 31 nicht davon betroffen ist. I

Di· Hemme 35 1»* überdies mit dem Emitter de» Transistors 2? verbunden, dessen Kollektor Mit der Ausgangeklemse 34 in Tor- ] bindung steht. Dl* Basis dieses Traneistore ist mit den Emitter j über din. Widerstand 2· verbunden und überdies an die Klemme 38 der Steuereinrichtung £0 angeschlossen. Sine nicht dargestellte Befehlesohaltung, welche in der Steuereinrichtung vorhanden und mit der Klemme 3β verbunden ist, schaltet den Traneietor 27 an

Damit erfüllt der Sranastor 27 dieselbe Auf gäbe wie der Schalter -

8 gemäB 7ig.1. Die Last 30 und der Kondensator 29 sind an die !

Klemme 34· angeschlossen, welche außerdem mit der Klemme 39 in j

Verbindung steht, die ihrerseitB die Eingangeklemme einer In \ der Steuereinrichtung 20 vorhandenen Spannungemeßeinrichtung ist.

Die Wirkungsweise der Schaltung, die durch die verschiedenen von der Steuereinrichtung 20 abgegebenen Befehlssignale in Abhängigkeit von den Eingangsdaten gesteuert wird, wird im folgenden mit BeAUg auf die Diagramme gemäß Fig. 4 beschrieben. Das Diagramm a) gibt den Strom I wieder, der durch die Induktivität fließt. Das Diagramm b) gibt die Spannung V_u wieder. Die Diagramme c), d)

......_ BAD ORfGINAL

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und e) zeigen die An- und Abschält zustände der Transistoren 25, 23 und 27, wobei die auf dem Niveau 1 verlaufende Linie anzeigt, daß in dem entsprechenden Zeitintervall der Transistor eingeschaltet und die auf dem Hive au 0 verlaufende MnIe anzeigt, daß der Transistor in dem entsprechenden Zeitintervall abgeschaltet ist.

Das Betriebsverhalten umfaßt zwei sich wahrend der Periode T wiederholende Zyklen, wobei die Periode T in zwei Unterperioden T. und Τ« unterteilt ist, Der Strom I, welcher in die Induktivität fließt, wird während einer der Unterperioden, z.B. der Periode T^., und die Ausgangsspannung V wird während der anderen Unterperiode, z.B. der Periode Tg gesteuert.

Zur Zeit t_Q beginnt die Unterperiode T^. Von der Steuereinrichtung wird ein Befehl zum Einschalten des Transistors 25 gegeben, womit der Stromkreis von der nicht stabilisierten Gleichstromquelle 21 über die Induktivität 22 und den widerstand 31 geschlossen wird. Es sei angenommen, daß zur Zeit t_Q der Vert des in der Induktivität fließenden Strome« kleiner als ein vorher festgelegter Wert I₁ ist. Ale folge daraus ergibt sich, daß auch die Spannung an der Klemme 35 kleiner als ein gegebener Wert ist, und unter diesen Bedingungen die Steuereinrichtung den Transistor 25 im eingeschalteten Zustand beläßt. Saher steigt der Strom in diesem Stromkreis entsprechend dor Zeitkonstante des Kreises an, wobei angenommen werden kaon, daß der Anstieg entsprechend der Linie AB linear ist, da die Unterperiode hinsiahtlich dor

Zeitkonstante klein sein soll. . _A_._cn ORIGINAL INSPECTED

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Zvar Seit t^ ©stiebt der Strom d©n ©Tberen Qrejaswest X,.. üs Pol· S© äsros 8©&ο3,1?@ΐ5 die Steuer©iB3?ichtt!ng el©a

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sprechend der Linie CD abfällt. Sobald die Spannung V den obersten Grenzwert V^ erreicht, schaltet die Steuereinrichtung den Transistor 25 an und den Transistor 27 ab. Der Stromfluß in dem Schaltkreis erfolgt nur über die Induktivität 22 und den Transistor 23 und verändert sich soEit entsprechend der Neigung der Linie DE₈ während die Spannung entsprechend der Linie B'E¹ abnimmt.

Wenn zur Zeit t^ die Spannung V den rorgsgebenen unteren Grenzwert Y« erreichts schaltet die Steuereinrichtung !en Transistor 2? an und den Transistor 23 ab. DaE^t- steigt die Spannung entsprechend der Linie E¹F' aa_; während der Strom entsprechend der Linie E2? abfällt. Während der verblc-"-Dander. Intervalle der Unterperiode T₀ wird die Spannung Y zw:^;" :Iien den Grenzwerten V_-1 und Yo gehalten9 wäteand der Strom ansprechend der Linie ODEFG abfällt.

Zur Zeit tg ist die Unterperiode T^ beendet und die Unterperiode T_x. beginnt von neuem, während welcher der Strom sr.roächst ansteigt und dann abfällt, und die Spannung «te^J *g abnimmt

Die Spannungsstabilisierimg erfolgt deshalb nicliv zwischen deu Grenzen Y,, und Y- sondern swiseiion den reiter au-^c--vi.nanderliegen-

den äreagon 7,, χλΊ Y₇-, bg^öI Y^ Ίίβ 3p..._:?iiung dar· - - ^[ ··, die am Ende ugi¹ lJuAiu£g3^±Gü,& ΐ,| ώΓ2?©Ιο?Γϋ ^ird :-,γϊ.,π ev. ι.· geeignete Auswahl der lapaaitäi; 29 fcaas der v;v.vb3x-e ■■■*-" Y, g^^ _;^end nahe bei dem Wert Y^ gohalten werden.

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Eb können mehrere änderungen des Betriebsverhaltens vorgesehen werden, z.B. kann die Bauer der Unterperioden HL und T« wechselweise geändert werden. Dies ist z.B. der Fall, wenn die Abschaltung des Transistors 23 zur Zeit t^ am Anfang der zweiten tTnterperiode erfolgt und nicht zur Zeit tg. Die Änderung des Stromes und der Spannung wird dann durch die punktierten Linien BHLMNOPQ und B¹H¹Ii¹M¹IfO¹P¹Q¹ gemäß Bg. 4 dargestellt. Um dies zu erhalten, genügt es, daß die gemeinsame Steuerung der transistoren 23 und 2? von der Spannung V übernommen wird, unmittelbar nachdem der Transistor 25 ab- und der Transistor 23 angeschaltet wurde.

Die Strom- und Spannungsmeßeinrichtungen, welche in der Steuereinrichtung 20 vorgesehen sind und die Eingangsklemmen 35 und 29 besitzen, können, obwohl nicht dargestellt, abstimmbar sein, so daß alt Hilfe allgemein bekannter Einrichtungen die Grenzwerte I₁, V^ und V₂ veränderbar sind. Dadurch ergibt sich eine sehr flexible Punktionsweise. Insbesondere wenn der obere und untere Grenzwert V^ und V₂ ^der Spannung V_u in derselben Richtung und um denselben Wert geändert wird, und zwar entweder durch Handeinstellung oder durch eine programmierte Veränderung, erhält man eine Einrichtung, weiche in der Lage ist, Gleichstrom mit einer Spannung zu liefern, welche kontinuierlich zwischen weit auseinanderliegenden Grenzwerten entweder von Hand oder ait Mil» f· eint· Programme einstellbar ist.

In vielen fällen kann ein» Anordnung gemäß Fig. 5 verwendet werden., wenn nämlich der Wandler mehrere verschiedene auf verschie-

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dene Hiveaus stabilisierte Gleichspannungen von einer einzigen Gleichstromquelle aus abgeben soll. Sine Versorgungeeinrichtung 77 umfaßt die nicht stabilisierte Gleichstromquelle 1, die Induktivität 3, das Stroameßgerät 4 und die steuerbaren Schalter 5 und 7 In- einer Anordnung, wie sie gemäß Hg.1 vorgesehen ist. Das Strommeßgerät kann zwischen den Schalter 7 und Hasse geschaltet sein, wie dies gemäß Fig. J vorgesehen ist. Sie !Leitungen zur Steuerung der Schalter 5 und 7 und des Ausgangs des Strommelgerätes 4 sind mit entsprechenden Klemmen 79* 80 und 81 der Steuereinrichtung 78 verbunden«

Die Ausgangsklemme der gemeinsamen Speisung ist an die Eingangsklemme der η Schalter 8^» Sg.....«8_n angeschlossen, welche η

Lastkreise 11,-, 11p "W_n speist, die mit η Kondensatoren

10^» 1Og......1O_n zusammenwirken. Die Steuerleitungen der η

Schalter 8^ 8_n sind mit entsprechenden Klemmen ^_n

der Steuereinrichtung 78 verbunden. Sie Spannungen, welche an den Eingingen der Lastkreise liegen sind in ähnlicher Weise an die Anschlüsse 84.......8^_n der Steuereinrichtung angeschlossen.

Diese Steuereinrichtung bewirkt entsprechend der verschiedenen geforderten Werte für die verschiedenen Ausgangespannungen Ale wahlweise aufeinanderfolgende Einspeisung der verschiedenen Lastkrelse durch das Schließen der entsprechenden Schalter 8^·.·..·β_η Zusätzlich bewirkt die Steuereinrichtung die periodische Schließung des Schalters 5 oder 7 entsprechend der Stabilisierungeforderungen für den in der Induktivität 3 fließenden Strom.

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Schaltung gemäß iig.1 und die entsprechende Schaltung ge- ?ig. 3 sind besonders vorteilhaft, wenn eine Gleichspannung überwiegend in einen höheren Wert umgewandelt werden soll, d.h. wenn die Ausgange spannung ?_u überwiegend über der Eingangs spannung V₁ liegt. Venn diese Bedingung nicht erfüllt ist, d.h. wenn für ein genügend langes Zeitintervall die Ausgangs spannung grundsätzlich, unter der Eingangsspannung liegt» kann es möglich sein, daß der in der Indukoivität fließende Strom auf Qrund der Bemessung der Elemente Wöbt die (Jreaae I₀ gemäß Fig.2a ansteigt. Venn die Einrichtung unter diesen Bedingungen arbeiten soll, ist es vorteilhaft, dem Schaltkreis gemäß tig.1 zwei Schalter 70 und 71 gemäß Pig.6 hinzuzufügen. Der Schalter ?0 wird in Serie »wischen die positive Klemme der Gleichstromquelle 1 und die Eingangsklemme 2 der Induktivität 3 geschaltet, wogegen der Schalter 71 zwischen die Klemme 2 und Masse geschaltet wird. Beide Schalter werden von der SteuereinrichtUBS 19 von entsprechenden Klemmen 72 und 73 aus gesteuert. Venn während der Zeit, während welcher der Schalter θ geschlossen ist, der Strom in der Induktivität 3 eine bestimmte Grenze übersteigt, wird der Schalter 70 geschlossen und der Schalter 71 geöffnet.

Dadurch wird der Stromfluß über folgende Elemente aufgebaut; von Kasse über Schalter 71* Induktivität 3, Strommeßgerät 4, Schalter 8 und Last 11 nach Hasse. In diesem Stromkreis ist die SHK entsprechend der Selbstinduktivität der Induktivität 3 der Spannung V entgegengerichtet· Daher fließt der Strom unter Auf ladung des Kondensators 10 beim Ansteigen der Ausgangsspannung Y_u,

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wie von der Steuereinrichtung gefordert, Jedoch nimmt der Vert de» Stromes schnell ab, so daß er einen Vert innerhall) der zulässigen Grenzen annimmt. Sobald der Strom unter die untere Grenze Ig (Fig.2a) abfällt, wird der Schalter 71 geöffnet und der Schalter 70 geschlossen, wodurch die Situation hergestellt wird, die durch die Schaltung gemäß Fig.1 dargestellt ist.

Tür den Fall, daß die Spannungsumwandlung immer von einem niedrigen zu einem höheren Vert erfolgen soll, kann die Einrichtung gemäß Fig.4 vereinfacht werden, indem der Schalter 7 durch eine Diode ersetzt wird.

Bei der der Darstellung gemäß Fig. 4 entsprechenden Ausführungsform kann dies, wie in Fig.7 dargestellt, durch die Ersetzung des !transistors 27 durch eine Diode 75 ausgeführt werden. Infolgedessen kann auf die Ausgangsklemme 38 der Steuereinrichtung verzichtet werden.

Die Betriebsweise ist dann folgende. Während der ersten Unterperiode T^ verhält sich die Schaltung wie mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben. Die Ausgangsspannung V ist konstant größer als die Spannung an der Klemme 33» da bei eingeschaltetem Transistor die Spannung in der Nähe der Masse liegt und bei ausgeschaltetem Iransistor 23 dessen Spannung etwas niedriger als die Spannung V_i ist. Die Diode 75 ist damit immer in Sperrichtung vorgespannt und leitet nicht. Zur Zeit tp, wenn die Spannung V kleiner als der untere Grenzwert VV, ist, wird ein Unterbrechungssignal an

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den Traneistor 25 gegeben, welcher damit abgeschaltet wird. Sobald der Stromfluß von der Gleichstromquelle 21 durch die Induktivität 22, den iCransistor 25 und den Widerstand 31 unterbrochen wird, verursacht die Selbstinduktivität der Induktivität 22 ein nahezu augenblickliches Ansteigen der Spannung an der Klemme 33, bis die Spannung größer als die Ausgangs spannung V ist. In diesem Zustand leitet die Diode 75 und baut einen Stromfluß durch den Schaltkreis von der Stromversorgung 21 über die Induktivität 22, die Diode 75 zum Lastkreis auf. Der Kondensator 29 wird aufgeladen und die Spannung V_u wächst an. Entsprechend steigt die Spannung an der Hemme 33 an und bleibt auf einem Wert, der um den Betrag des Spannungsabfalles an der Diode 75 höher als die Spannung V liegt.

Sobald die Spannung T größer als der vorgegebene Wert T^ wird, wird der Transistor 23 angeschaltet.

Di· Induktivität 22 wird durch den leitenden Transistor 23 kurzgeschlossen und an der Klemme 23 liegt im wesentlichen die Spannung V^. Die Diode 75 wird damit gesperrt.

Somit wird durch die Steuerung der Transistoren 23 und 25 die Diode 75 in den leitenden oder nichtleitenden Zustand gebracht, wobei diese Diode die Aufgabe des Schalters 8 gemäß lig.1 ausfährt.

Wenn die Spannungswandlung immer in der Weise verläuft» daß eine höhere in eine niedrigere Spannung iMgewandelt werden soll, kann

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vorteilhafterweise eine Anordnung gemäfi Hg· 8 Verwendung finden, welche aus einer Anordnung gemäß Hg. 3 durch das Ersetzen des Transistors 23 durch eine Diode 76 erhalten wird. Bei dieser Schaltung kann auf die Auegangsklemme 37 der Steuereinrichtung verzichtet werden. Die !Funktionsweise dieser Schaltung ist wie folgt.

Zu allen Zeitabschnitten, in welchen bei der Schaltung gemäß Fig. 3 entweder der Transie tor 25 oder der Transistor 27 angeschaltet ist, fließt ein Strom in den entsprechenden Zweigen und die Spannung an der Heue 33 ist etwas höher als das Ifassepotential oder die iusgangsspannung V_u· In beiden Fällen ist die Diode 76 in Sperrichtung vorgespannt und nicht leitend.

Venn wahrend der ersten Unterperiode der Transistor 27 durchgehend abgeschaltet ist, wird sur Zeit t~ auch der Transistor 25 abgeschaltet und der Stroa unterbrochen. Sie Spannung an der Klemme 33 steigt augenblicklich an, bis sie einen Wert annimmt, der großer als die Xingangsepannung V^ ist. Die Diode 76 wird leitend und schließt die Induktivität 22 kurz.

Dasselbe ereignet sich während der,zweiten Unterperiode, wenn su dem durchgehend abgeschalteten Transistor 25 auch der Transistor 27 abgeschaltet wird. Dadurch kann durch die Steuerung der Transistoren 25 und 25 die Diode 76 in den leitenden bsw. nichtleitenden Zustand überführt werden. Dabei übt die Diode 76 dieselbe Funktion wie der Schalter 5 gemäß Fig.1 aus. ■

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Claims (3)

1. Patent anaprftche

   Gleichspannungswandler, der von einer Gleichstromquelle gespeist wird und der Speisung zumindest eines Lastkreises dient, dadurch, gekennzeichnet _s daß zumindest ein mit Eingangsund Ausgangsklemmen versehenes induktives Element und Meßeinrichtungen zur Spannungs- und Strommessung vorgesehen sind, wobei die Meßeinrichtungen von den Strom- und Spannungswerten abhängige Signale liefern, daS Steuereinrichtungen vorhanden sind, die auf die Meßsignale ansprechen und Befehlseignale liefern, und daß auf die Befehlesignale ansprechende Schalteinrichtungen vorhanden sind, welche wahlweise einerseits die Eingangsklemme des induktiven Elementes an die Gleichstromquelle oder an Masse anlegen und andererseits die Ausgangsklemme des induktiven Elementes zu verschiedenen wahlweise miteinander verknüpften Zeitintervallen entweder an die Eingangsklemme, an Masse oder an die Last anlegen.
2. 2. Gleichspannungswandler, der von einer Gleichstromquelle gespeist und zumindest einen Lastkreis versorgt, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest ein mit der Eingangsklemme an di· Stromquelle angeschlossenes und mit einer Auegangsklemm* versehenes induktives Element vorgesehen ist, daß Meßeinrichtungen

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   zur Spannungs- und Strommessung vorgesehen sind, wobei die Meßeinrichtungen von den Strom- und Spannungswerten abhängige Signale liefern, daß Steuereinrichtungen vorhanden sind, die auf die Heßsignale ansprechen und Befehlssignale liefern, und daß auf die Befehlssignale ansprechende Schalteinrichtungen vorhanden sind, welche wahlweise die Ausgangsklemme des induktiven Elementes zu verschiedenen wahlweise miteinander verknüpften Zeitintervallen entweder an die Eingangsklemme, an Masse oder an den Lastkreis anlegen.
3. 3. Gleichspannungswandler nach inspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daS der Gleichspannungswandler mit ersten auf den Stromfluß in dem induktiven Element ansprechende Meßeinrichtungen sowie mit zweiten auf die Spannung an dem Lastkreis ansprechende Meßeinrichtungen versehen ist, daß ein Taktgeber vorhanden ist, der Zeitperioden gleicher Dauer unmittelbar aufeinanderfolgend bestimmt, daß die erste Zeitperiode aus einem ersten und einem zweiten Teil besteht, und daß Steuereinrichtungen vorgesehen sind, die ausschließlich auf die von der ersten Meßeinrichtung während dem ersten Teil der Zeitperiode gelieferten Meßsignale ansprechen und ferner ausschließlich auf die von der zweiten Meßeinrichtung während dem zweiten Teil der

   Zeitperiode gelieferten Meßsignale ansprechen,

   4·. Gleichspannungswandler nach Inspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Gleichspannungswandler mit Schalteinrichtungen versehen ist, die eine Eingangs- und Aus-

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   gangselektrode und eine mit einer Steuereinrichtung verbundene Steuerelektrode umfassen, um wahlweise die AuBgangsklemme des induktiven Elements entweder mit der Eingangeklemme des induktiven Elemente oder mit Hasse zu verbinden, und daß ein Gleichrichterelement in Serie sswischen die Ausgangsklemme des induktiven Elements und den Lastkreis geschaltet ist.

   5» Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schalteinrichtungen die Ausgangsklemme des induktiven Elementes entweder mit dem Lastkreis oder mit Hasse verbinden, und daß ein Gleichrichterelement in Serie zwischen die Eingangs- und Ausgangsklenme des induktiven Elements geschaltet 1st»

   6· Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Gleichspannungswandler eine Vielzahl von Lastkreisen mit im wesentlichen verschiedener Spannung speist, daß eine entsprechende Vielzahl von Heßeinrichtungen vorhanden ist, die auf die verschiedenen Spannungen an den verschiedenen Laetkreisen ansprechen, daß eine Steuereinrichtung auf die von den Heßeinrichtungen gelieferten Heßeignale anspricht, und daß eine entsprechende Vielzahl von Schalteinrichtungen in Serie mit entsprechenden Lastkreisen geschaltet ist und auf von der Steuereinrichtung gelieferte Befehlssignale anspricht.

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