DE1613979B2 - Gleichspannungswandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungswandler zur Gewinnung einer in ihrer Größe Steuer- oder regelbaren Gleichspannung aus einer vorhandenen konstanten Gleichspannung, bei dem eine erste Vierschichtentriode, die ausschließlich der Laststromführung dient, mit ihrer Anode an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle und mit ihrer Kathode an das eine Ende einer Umschaltdrossel angeschlossen ist und eine zweite Vierschichtentriode, die ausschließlich der Löschung der ersten Vierschichtentriode dient, mit ihrer Anode an das andere Ende der Umschaltdrossel und mit ihrer Kathode an einen zum negativen Pol der Gleichspannungsquelle führenden Strompfad angeschlossen ist, bei dem die Last zwischen der Mittelanzapfung der Umschaltdrossel und dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, bei dem ferner parallel zur Mittelanzapfung der Umschaltdrossel und den beiden Vierschichtentrioden je ein Kommutierungskondensator geschaltet ist und bei dem zwei in Reihe liegende Dioden in Sperrichtung an der Gleichspannungsquelle liegen und mit ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt an die Mittelanzapfung der Umschal tdrossel angeschlossen sind.

Eine solche Schaltung ist bekannt. Wenn bei ihr S die erste Vierschichtentriode durchgeschaltet ist und Strom führt und die zweite Vierschichtentriode gezündet wird, entlädt sich der der zweiten Vierschichtentriode zugeordnete und auf die vorhandene Gleichspannung aufladbare Kommutierungskondensator über eine der Teilwicklungen der Umschaltdrossel und über die Last. Der über die Last fließende Strom geht für den Kommutierungsvorgang verloren. Der Kommutierungsstrom wird also zum einen durch den Wert der vorhandenen Gleichspannung und zum anderen durch das Teilungsverhältnis zwischen Last und Teilwicklung bestimmt (USA.-Patentschrift 3 250 978).

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Gleichspannungswandler der obengenannten Art zu schaffen, bei dem während der Kommutierung ein erhöhter Strom durch die Umschaltdrossel fließt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kathode der zweiten Vierschichtentriode und der Anschluß des parallelliegenden Kondensators über eine Diode an den negativen Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.

Damit wird verhindert, daß beim Durchschalten der zweiten Vierschichtentriode ein Teil des Entladungsstromes über die Last fließen kann; vielmehr fließt der gesamte Entladungsstrom über die Umschaltdrossel, so daß bei gegebener Kapazität und vorhandener Gleichspannung ein größerer Strom kommutiert werden kann. Die Kommutierung wird aber noch weiter verbessert, da sich der der zweiten Vierschichtentriode parallelliegende Kondensator nicht nur auf die vorhandene Gleichspannung, sondern auf eine höhere Spannung aufladen kann, die durch den während des Kommutiervorgangs in der Umschaltdrossel auftretenden Spannungsstoß hervorgerufen wird, der sich zu der vorgegebenen Gleichspannung addiert.

Es ist zwar ein Wechselrichter mit je zwei hintereinandergeschalteten Vierschichtentrioden pro Phase und mit Fremdaufladung bekannt, bei dem die Anode der ersten der beiden Vierschichtentrioden und der Anschluß des zu der Triode parallelliegenden Kommutierungskondensators über eine erste Diode an den positiven Pol der Eingangsgleichrichterbrücke des Wechseltrichters angeschlossen ist und die Kathode der ersten Triode elektrisch mit der Anode einer zweiten Vierschichtentriode verbunden ist, deren Kathode und der Anschlußpunkt des der zweiten Vierschichtentriode parallelliegenden Kommutierungskondensators über eine zweite Diode an den negativen Pol des Gleichrichters angeschlossen sind. Die beiden Verbindungspunkte von Vierschichtentriode-Elektrode, Diode und Kommutierungskondensator sind aber mit den Ausgängen eines der Fremdaufladung dienenden Gleichrichters verbunden, der von einer Phase der Eingangswechselspannung gespeist wird. Die Dioden verhindern, daß die Fremdaufladungsspannung der Eingangsgleichrichterbrücke aufgeprägt wird bzw. sich die auf die Fremdaufladungsspannung aufgeladenen Kondensatoren sich zur Brücke hin entladen, wenn die Fremdaufladungsspannung größer ist als die Ausgangsspannung der Brücke, welche Ausgangsspannung über einen weiten Bereich variieren soll (bri-

tische Patentschrift 1 047 916). Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler ein mit zwei gleichsinnig in Reihe geschalteten Wicklungen versehener Rückspeisungstransformator vorhanden, dessen eines Ende an die Mittelanzapfung der Umschaltdrossel angeschlossen ist, dessen Verbindungspunkt zwischen den Wicklungen an den Verbindungspunkt der beiden Dioden angeschlossen ist und dessen anderes Ende über zwei weitere Dioden, die in bezug auf die Pole der Gleich-Spannungsquelle im gleichen Sinne wie die beiden ersten Dioden gepolt sind, an die Pole der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Hierdurch wird ein Teil des Kommutierstromes über den Rückspeisungstransformator an die Gleichspannungsquelle zurückgeführt. Diese Maßnahmen sind bei einem Wechselrichter bereits bekannt (französische Patentschrift 1467 639).

Die Erfindung soll nun an Hand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden. Von den Figuren zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers und die

F i g. 2 A bis 5 B die graphische Darstellung von Zeit-Spannungsfunktionen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung.

Als Gleichspannungsquelle wird bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform eine Batterie 40 verwendet, deren positiver Pol mit 17 und deren negativer Pol mit 18 bezeichnet. Andere Gleichspannungsquellen können natürlich auch verwendet werden. Über eine Eingangsleitung 10, in die ein Ein-Aus-Schalter 20 und eine Sicherung 41 eingeschaltet sind, ist der positive Pol der Batterie 40 mit der Anode 12 α einer ersten Vierschichtentriode 12 verbunden. Die Kathode 12 c der ersten Vierschichtentriode ist mit dem ersten Wicklungsende 24 einer Umschaltdrossel 23 verbunden. Zwischen dem ersten Wicklungsende und einer Mittelabzapfung 26 erstreckt sich die erste Teilwicklung 25 der Umschaltdrossel, während sich die zweite Teilwicklung 27 von der Mittelanzapfung 26 zum zweiten Wicklungsende 28 hin erstreckt. Mit dem zweiten Wicklungsende 28 ist die Anode 30 α einer zweiten Vierschichtentriode

30 verbunden. Die Kathode 30 c dieser Triode ist mit der Anode einer Diode 56 verbunden, deren Kathode über eine Rückleitung mit dem negativen Pol 18 der Batterie 40 verbunden ist. Zwischen der Eingangsleitung 10 und der Rückleitung 10 a liegen zwei in Reihe geschaltete Dioden 21 und 22 in Sperrichtung an der Batterie 40. Der Verbindungspunkt der beiden Dioden ist in weiter unten beschriebener Weise elektrisch mit der Mittelanzapfung 26 der Umschaltdrossel 23 verbunden.

Parallel zur Mittelanzapfung 26 der Umschaltdrossei und den beiden Vierschichtentrioden 12 und 30 ist je ein Kommutierungskondensator 32 bzw. 33 geschaltet. Der Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren ist mit der Mittelanzapfung über eine Leitung

31 verbunden. Der Verbindungspunkt der beiden Kommutierungskondensatoren ist mit der Rückführleitung 10 a über eine Reihenschaltung aus einer Drossel 14 a, einem Kondensator 15 b und einem Widerstand 66 verbunden, die die zwischen der Leitung 31 und der Rückführleitung 10 α anstehende pulsierende Gleichspannung glättet, so daß einer Last 16 über eine mit dem Verbindungspunkt zwischen Drossel 14 α und Kondensator 14 b verbundene Ausgangsleitung 15 eine verhältnismäßig konstante Spannung zugeführt werden kann.

Die Steuerelektroden 12 b bzw. 30 b sind über Steuerleitungen 58 bzw. 61 und die Kathoden 12 c und 30 c sind über Steuerleitungen 60 bzw. 62 mit einer Steuereinheit 57 verbunden, wobei die Leitungen 60 und 58 bzw. 61 und 62 paarweise zu Leitungen 34 bzw. 35 zusammengefaßt sind. Mit Hilfe eines an der Steuereinheit 57 ausgebildeten Einstellknopfes 57 b können auf die Leitungen 34 und 35 Steuersignale gegeben werden, um die Durchschaltzeiten der steuerbaren Vierschichtentrioden 12 und 30 zu steuern.

Zwischen der Eingangsleitung 10 und der Rückleitung 10 α liegt eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 42 und einer Zenerdiode 43; weiterhin ist zwischen die Leitungen 10 und 10 α ein Eingangsfilterkondensator 44 gelegt.

Der Verbindungspunkt der beiden Dioden 21 und 22 ist durch die Primärwicklung 48 eines Rückspeisungstransformators 47 mit der Mittelanzapfung 26 der Umschaltdrossel 23 verbunden. Die Sekundärwicklung 50 des Rückspeisungstransformators 47 ist einerseits mit dem Verbindungspunkt der beiden Dioden 21 und 22 und andererseits mit dem Verbindungspunkt zweier weiterer Dioden 45 und 46 verbunden, die in Reihe zwischen der Eingangsleitung 10 und der Rückleitung 10 α liegen und in bezug auf die Pole der Batterie im gleichen Sinne wie die beiden ersten Dioden 21 und 22 gepolt sind. Parallel zur Sekundärwicklung liegt ein Filterkondensator 51. Der Rückspeisungstransformator ermöglicht die Rückführung von Energie während des Kommutierintervalls, wenn die Last eine Energie liefert, die größer als die von der Batterie an die Last abgegebene Energie ist.

Der ersten Vierschichtentriode 12 ist ein Übergangssperrkreis zugeordnet, der aus einem mit der Eingangsleitung 10 verbundenen Kondensator 52 und einem Widerstand 53 besteht, welcher zwischen dem Kondensator und der Kathode 12 c der ersten Vierschichtentriode liegt. Ein ählicher Kreis bestehend aus einem Kondensator 54 und einem Widerstand 55 ist zwischen der Anode 30 α der Vierschichtentriode 30 und der Rückleitung 10 α geschaltet.

Der Verbindungspunkt der beiden Dioden 21 und 22 und der Verbindungspunkt des Widerstandes 42 und der Zenerdiode 43 sind über Steuerleitungen 71 und 72, die zu einer Leitung 73 zusammengefaßt sind, mit dem Eingang der Steuereinheit verbunden. Über Leitungen 67 und 68 wird die über dem Widerstand 66 anstehende Spannung abgegriffen und über eine Leitung 70 ebenfalls dem Eingang der Steuereinheit zugeführt. Desgleichen wird die zwischen der Ausgangsleitung 15 und der Lastrückleitung 15 α liegene Spannung, d.h. die Spannung über dem Kondensator 14 b über Leitungen 63 und 64 abgegriffen, die als gemeinsame Leitung 65 zur Eingangsseite der Steuereinheit 57 zurückgeführt sind.

Während des Betriebs des Gleichspannungswandlers wird zunächst über die Leitung 34 ein Steuerimpuls an die Steuerelektrode der Vierschichtentriode 12 gegeben, um diese durchzuschalten. Bei durchgeschalteter Vierschichtentriode 12 fließt ein Strom von der positiven Klemme 17 über den Schalter 20, die Vierschichtentriode 12, die Teilwicklung 25 der Umschaltdrossel, den Leiter 31, die Last 16, die Rückleitung 10 a zum negativen Pol der Batterie 40.

"Während dieser Strom fließt, wird der Kommutierungskondensator 33, der der zweiten Vierschichtentriode 30 parallel geschaltet ist, über die Leitung 31 und die in Ladestromrichtung gepolte Diode 56 aufgeladen.

In Abhängigkeit von der Stellung des Einstellknopf es 57 α der Steuereinheit 57 wird zu einem späteren Zeitpunkt ein Steuerimpuls über die Leitung 35 bzw. die Steuerleitungen 61, 62 an die zweite Vierschichtentriode 30 gelegt, wodurch diese in bekannter Weise an- und die erste Vierschichtentriode 12 abgeschaltet wird. Der Kondensator 33 entlädt sich dabei über die zweite Teilwicklung 27 der Umschaltdrossel 23 und die zweite Vierschichtentriode 30. Infolge der Transformatorwirkung der Umschaltdrossel 23 wird damit die für ein Abschalten erforderliche Spannung an die Vierschichtentriode 12 angelegt, wodurch diese abgeschaltet wird und für das erforderliche Zeitintervall abgeschaltet bleibt, so daß demnach nur die Vierschichtentriode 30 im durchgeschalteten Zustand verbleibt. Ein Entladen über die Last 16 kann nicht stattfinden, da die Diode 56 in Gegenrichtung des Entladungsstromes gepolt ist.

Für die Steuereinheit kann eine Multivibratorschaltung verwendet werden, die zwei stabile Zustände besitzt, wobei der Multivibrator zu Beginn der Bezugszeit stets durch einen Impuls, der von einem Bezugsoszillator abgegeben wird, in den ersten Zustand eingestellt ist und nach Ablauf eines Zeitintervalls, dessen Länge durch die Einstellung des Einstellknopfes 57 α bestimmbar ist, in den zweiten Zustand eingestellt werden kann. Beispielsweise, kann der Einstellknopf den effektiven Wert eines Wider-Standes verändern, der in einem Ladestromkreis mit einem Kondensator in Reihe geschaltet ist und dazu dient, das Zeitintervall zu regeln, welches der Kondensator zur Aufladung auf eine bestimmte Spannung benötigt, die ihrerseits die Arbeitsweise des Multivibrators regelt.

An Hand der F i g. 2 A bis 5 B soll nun der Schaltungsablauf noch einmal genauer erläutert werden. Zunächst sei der Einstellknopf 57 a so eingestellt, daß der Gleichspannungswandler an die Last 16 eine Ausgangsspannung abgibt, die etwa 3/8 oder 0,375 der Eingangs- oder Speisespannung £ beträgt, die zwischen den Polen 17 und 18 ansteht. Es wird dann ein erster Steuerimpuls über die Leitung 34 abgegeben, welche die Vierschichtentriode 12 im Zeitpunkt Null anschaltet. Gemäß der Darstellung in F i g. 2 A bleibt die Triode 12 für etwa 3/8 des Bezugszeitintervalls zwischen O und T angeschaltet. Im Zeitpunkt t_t wird über die Leitung 35 ein Steuerimpuls abgegeben, welcher die Triode 30 an- und die Triode 12 abschaltet. Es wird deshalb zwischen den Zeitpunkten t_t und T keine Energie von der Gleichspannungsquelle an die Last abgegeben.

Wegen der Reihenschaltung bestehend aus Drossel 14 α und Kondensator 14 b wird an die Last 16 zwisehen den Zeitpunkten O und T eine im wesentlichen konstante Ausgangsspannung abgegeben, wie es in der F i g. 2 B dargestellt ist. Es wird in dieser Darstellung 2 B angenommen, daß die Ausgangsspannung vom Werte 0 ausgeht, dann aber auf der Höhe von etwa 3/8 der Eingangsspannung E verbleibt. Auch nachdem die Triode 12 im Zeitpunkt ^₁ abgeschaltet worden ist, bleibt ein Strompfad über Diode 22, Primärwicklung 48, Drossel 14 a, Last 16 und Rückleitung 10 α aufrechterhalten, so daß der Durchschnittswert erhalten bleibt. Drossel 14 a und Kondensator 14 b müssen demnach so dimensioniert werden, daß zwischen den Zeitpunkten t_± und T ein Strom in dem eben beschriebenen Stromkreis aufrechterhalten bleibt. Es ist ersichtlich, daß auch der nach dem Abschalten der Triode 12 durch die Last 16 längs des eben beschriebenen Strompfades fließende Laststrom nicht durch die Triode 30 fließt.

Wenn die Einstellung der Steuereinheit 57 durch Betätigung des Einstellknopfes 57 a verändert wird, um eine etwa 3/16 oder 0,187 der Eingangsspannung£" entsprechende Ausgangsspannung zu erzielen, wird die Anschaltzeit der Triode 12 gemäß F i g. 3 A verringert; damit wird die abgegebene durchschnittliche Ausgangsspannung in der in der F i g. 3 B gezeigten Weise herabgesetzt. Die F i g. 4 A und 4 B zeigen die Betriebsweise, wenn eine Ausgangsspannung in Höhe von etwa 3/4 oder 0,75 der Speisespannung E abgegeben wird, während die F i g. 5 A und 5 B die Betriebsweise zeigen, wenn die Ausgangsspannung nur 5O°/o der Speisespannung E betragen soll.

Die Abgabe der Steuerimpulse über die Leitungen 34 und 35 wird durch die eingangsseitig über die Leitungen 65, 70 und 73 zugeführten Steuersignale gesteuert. Die am Widerstand 66 abgegriffene Spannung stellt ein Maß für die Größe des Laststroms dar. Aus diesem Grund hat der Widerstand 66 nur einen Wert von wenigen Ohm, um eine zusätzliche Belastung des Gleichspannungswandlers zu vermeiden. Als weiteres Signal wird über die Leitung 65 die mittels der Leitungen 63 und 64 abgegriffene Spannung an der Last der Steuereinheit zugeführt.

Das über die Leitung 73 zugeführte dritte Signal ist ein Maß für die Batteriespannung. Wenn die Höhe der Speisespannung abfällt, kann dies durch die Steuereinheit 57 selbsttätig dadurch kompensiert werden, daß die Anschaltzeit der Triode 12 in jeder vollständigen Zeitperiode um einen entsprechenden Betrag verlängert wird, der die Ausgangsspannung im wesentlichen konstant und auf Höhe des durch den Einstellknopf 57 a eingestellten Wertes hält. Sollte die Spannung an der Last ansteigen, so wird durch das über die Leitung 65 zugeführte Signal bewirkt, daß die Anschaltzeit der Triode 12 innerhalb einer jeden vollständigen Zeitperiode verringert wird und damit in entsprechender Weise die von dem Gleichspannungswandler abgegebene Energie gesenkt wird, so daß in Verbindung mit der höheren an der Belastung anstehenden Spannung die gewünschte konstante Ausgangsspannung zwischen der Ausgangsleitung 15 und der zugeordneten Rückleitung 15 α aufrechterhalten bleibt. Wenn an der Last ein Kurzschluß auftritt, so ergibt der große durch den Widerstand 66 fließende Strom ein Signal, das die Steuereinheit 57 dazu veranlaßt, die Triode 12 so lange abgeschaltet zu halten, bis der Kurzschluß in der Last aufgehoben ist. Auf diese Weise wird eine übermäßige Entladung der Batterie 40 vermieden.

Beim Betrieb der Anordnung kann sich der der zweiten Vierschichtentriode 30 zugeordnete Kommutierungskondensator auf eine Spannung aufladen, die größer ist als die zwischen der Eingangsleitung 10 und der Rückleitung 10 α liegende Speisespannung. Diese Spannungserhöhung wird durch den während des Kommutiervorganges in der Umschaltdrossel 23 auftretenden Spannungsstoß hervorgerufen, der dieselbe Polarität aufweist wie die Speisespannung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gleichspannungswandler zur Gewinnung einer in ihrer Größe Steuer- oder regelbaren Gleichspannung aus einer vorhandenen konstanten Gleichspannung, bei dem eine erste Vierschichtentriode, die ausschließlich der Laststromführung dient, mit ihrer Anode an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle und mit ihrer Kathode an das eine Ende einer Umschaltdrossel angeschlossen ist und eine zweite Vierschichtentriode, die ausschließlich der Löschung der ersten Vierschichtentriode dient, mit ihrer Anode an das andere Ende der Umschaltdrossel und mit ihrer Kathode an einen zum negativen Pol der Gleichspannungsquelle führenden Strompfad angeschlossen ist, bei dem die Last zwischen der Mittelanzapfung der Umschaltdrossel und dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, bei dem ferner parallel zur Mittelanzapfung der Umschaltdrossel und den beiden Vierschichtentrioden je ein Kommutierungskondensator geschaltet ist und bei dem zwei in Reihe liegende Dioden in Sperrichtung an der Gleichspannungsquelle liegen und mit ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt an die Mittelanzapfung der Umschaltdrossel angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode der zweiten Vierschichtentriode (30) und der Anschluß des parallelliegenden Kondensators (33) über eine Diode (56) an den negativen Pol (18) der Gleichspannungsquelle (40) angeschlossen sind.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit zwei gleichsinnig in Reihe geschalteten Wicklungen (48, 50) versehener Rückspeisungstransformator (47) vorhanden ist, dessen eines Ende an die Mittelanzapfung (26) der Umschaltdrossel (23) angeschlossen ist, dessen Verbindungspunkt zwischen den Wicklungen (48, 50) an den Verbindungspunkt der beiden Dioden (21, 22) angeschlossen ist und dessen anderes Ende über zwei weitere Dioden (45, 46), die in bezug auf die Pole der Gleichspannungsquelle (40) im gleichen Sinne wie die beiden ersten Dioden (21, 22) gepolt sind, an die Pole der Gleichspannungsquelle (40) angeschlossen ist.