DE1613979C - Gleichspannungswandler - Google Patents

Description

35

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 Vierschichtentriodc 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 boi dem zwei in Reihe licgende Dioden in Sperrichtung an der Gleichspannungsquelle liegen und mit ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt an die Mittelanzapfung der Umschaltdrossel angeschlossen sind.

Eine solche Schaltung ist bekannt. Wenn bei ihr 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 Kommutierungskondcnsator über eine der Teilwicklungen der Umschaltdrosscl 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 da« 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.

Der der zweiten Vierschichtentriode parallelliegende Kondensator wird auf eine höhere Gleichspannung als die vorgesehene Gleichspannung aufgeladen, da sich der während des Kommutierungsvorganges in der Umschaltdrossel auftretende Spannungsstoß zu der vorgegebenen Gleichspannung addiert. Solange diese Spannung noch höher ist als die Spannung an Last, verhindert die Diode einen Abbau dieser höheren Spannung. Zusätzlich verhindert die Diode auch, daß beim Durchschalten der zweiten Vierschichtentriode zu Beginn des Kommutierunpsvcjganges ein Teil des Kommutierungsstromes über Last fließen kann; vielmehr fließt der gesamte durch die höhere Spannung bestimmte Entladungsstrom über die Umschaltdrossel.

Es ist zwar ein Wechselrichter mit je zwei hinterinnandergeschalteten Vierschichtentrioden pro Phase and 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 Verbindung;punkte von Vierschichlentriode-Elektrodc, 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 Eingangsgleichrichtcrbrücke 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, weiche Ausgangsspannung über einen weiten Bereich variieren soll (britische Patentschrift 1 047 916).

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

F i g. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgcmäßen Glcichspannungswaiidlers 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 F i £,. 1 gezeigten Ausführungsform eine Batterie 40 verwendet, deren positiver Pol mit 17 und deren nc-

gativer 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 eLier 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 Mittelanzapfun* 26 zum zweiten Wicklungsende 28 hin erstreckt. Mit dem zweiten Wicklungsende 28 ist die Anode 30 a 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 Umschaltdrossel 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 Kommutierungskondensaloren ist mit der Rückführleitung 10 a über eine Reihenschaltung aus einer Drossel 14 a, einem Kondensator 14 b und einem Widerstand 66 verbunden, die die zwischen der Leitung 31 und der Rückführleitung 10« anstehende pulsierende Gleichspannung glättet, so daß einer Last 16 über eine mit dem Verbindungspunkt zwischen Drossel 14 a und Kondensator XAb verbundene Ausgangsleitung 15 eine verhältnismäßig konstante Spannung zugeführt werden kann.

Die Steuerelektroden 12 g bzw. 30 g 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« 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 a liegt eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 42 und einer Zenerdiode 43; weiterhin ist zwischen die Leitungen 10 und 10 a 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 vcrbunden, die in Reihe zwischen der Eingangsleitung 10 und der Rückleitung 10a 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 Rückspeisungstransformatoi 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 i2 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 ähl icher Kreis bestehend aus einem Kondensator 54 und einem Widerstand 55 ist zwischen der Anode 30 α der Vierschichtentriode 30 und der Rückleitung 10 a geschaltet.

Der Verbindungspunkt der beiden Dioden 21 und 22 und der Verbindungspunkt des Widerstandes 42 und der Zenerdiode 43 sind über Steuerleifungen 71 und 72, die zu einer Leitung 73 zusammengefaßt sind, mit dem Eingang der Steuereinheit verbünden. 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 J Sa 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 Glcichspannungswandlers wird zunächst über die Leitung 34 ein Steuerimpuls an die Steuerelektrode der Vierschichtentnode 12 gegeben, um diese durchzuschallen. Bei durchgeschülteter 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 10α /.um negativen Pol der Batterie 40. Während dieser Strom fließt, wird der Kommuticrungskondensator 33, der der zweiten Vierschiehtentriode30 parallel geschaltet ist, über die Leitung 31 und die in Ladestromrichtung gepolte Diode 56 aufgeladen.

In Abhängigkeit von der Stellung des Einstellknopfes 57« der Steuereinheil 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 Vierschichienlriode 12 abgeschaltet wird. Der Kondensator 33 entlädt sich dabei über die zweite Teilwicklung 27 der Umschalldrossel 23 und die zweite Vierschichtentriode 30. Infolge der Transformatorwirkung der Umschaltdrossel 23 wird damit die für e^:n Abschalten erforderliche Spannung an die Viersdiichienlriode 12 angelegt. wodurch diese abgeschaltet wird und für das erforderliche Zeitintervall abgeschaltet bleibt, so daß (.'.:.innach nur die Vierschichteniriode 30 im durcligcschalteten Zustand verbleibt. Ein Entladen über die Last 16 kann nicht stattfinden, da die Diode 56 in Gegenrichtung des iintladimgsstromes gepolt isi.

Für die Steuereinheit kann eine Mulm ibralorschaltung verwendet werden, die zwei stabile Zustande besitzt, wobei der Multivibrator :n\ Beginn der Bezugszeit stets durch einen Impuls, der von einem Bezugsoszillator abgegeben wird, in den ersten Zustand eingestellt ist und nach Ablauf eines Zeil inter-

valls, 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 Widerstandes 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 ο so eingestellt, daß der Gleichspannungswandler an die Last 16 eine Ausgangsspannung abgibt, die etwa 3/8 oder 0,375 »5 der Eingangs- oder Speisespannung E 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 <, wird über die Leitung 35 ein Steuerimpuls abgegeben, welcher die Triode 30 an- und die Triode 12 abschallet. Es wird deshalb zwischen den Zeitpunkten /, und T keine Energie von der Gleichspannungsquelle an die Last abgegeben.

Wegen der Reihenschaltung bestehend aus Drossel 14 a und Kondensator 14 b wird an die Last 16 zwischen 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 t_x 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 Λ müssen demnach so dimensioniert werden, daß zwischen den Zeitpunkten t_l 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 EingangsspannungE 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 Fig. 3 B gezeigten Weise herabgesetzt. Die Fig. 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 Fig. 5 A und 5 B die Betriebsweise zeigen, wenn die Ausgangsspannung nur 50°/« der Speisespannung E betragen soll.

Die Abgabe der Steuerimpulse über die Leitungen 34 und 35 wird durch die cingangsseitig 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 57a eingestellten Weites 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 Rüc'dcitung 15 a aufrechterhalten bleibt. Wenn an der Lust 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 iii der Uimschaltdrossel 23 auftretenden Spannungsstoß hervorgerufen, der dieselbe Polarität aufweist wie die Speisespannung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen '

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   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 Gleich-Spannungsquelle führenden istrompfad 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 G'eichspannungsquelle 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) derGleichspannungsquelle(4G)angeschlossensind.