DE1763114A1 - Geregelter Gleichspannungswandler - Google Patents

Description

HELMUT GÖRTZ

6 Frankfurt am Main 70 ^ A iQfifi

SdHwdcenhofsfr. 27-Tel.41 7079 ³^¹'¹""

Özl/Os.

Motorola Inc., franklin Park, Illinois (TJSA)

Geregelter Gleichspannungswandler

Bis Erfindung 'betrifft Gleichspannungswandler, welche ihre ^ Ausgangsspannung bei Schwankungen der Singaugespannung konstant halten. ·

Motorfahrzeuge können ait Batterien verschiedener Spannung ausgerüstet sein, wohingegen bsstioate Teile ihrer elektronischen Ausrüstung für einen einwandfreien Betrieb eine bestiismte feste Spannung benötigen« Auch kann sieh die Ausgangaspannung der Batterie ändern, beispielsweise .je nach iiiraß Ladungszustand, durch Alterung oder durch vsrsoliioflenartige Belastungen infolge anderer Verbraucher»

Bekannte Gleichspannungswandler,, welche eine gewUnachte feste » Spannung liefern sollen, sind nicht in der lage, einen Spannungsbereich zu verarbeiten, dar ausreicht, um die Vielzahl der gegenwärtig benutzten Batteriespannungen eu verarbeiten, ohne dass dadurch suaäteliche Kosten bedingt wären, die sich durch die Aueweehelung von Teilen und/oder die Verwendung mehrfach angezapfter Transformatoren ergeben· Auch arbeiten die Regler dieser Wandler nicht völlig zufriedenatellönd über die gesamte ausnirfczbars lebensdauer der Batterie.

Beatiaarfce elektronische Geräte, beispiolßwölae Funkgeräte,. be·* lasten die Batterie böla Sandsn stark, bei» Empfang dagegen , Mt? schwach» Bekannte Kegler halten ihre Aiujgawgsopannung nicht; über einen genügend weiten Luofcbereich konQtfjnfc, so -dass

BADORtGlNAL 10983Ö/0514

Ausgangsspannung beim Senden abfällt« Audi verschlechtert sich bei den gegenwärtig bakatmten Reglern der Wirkungsgrad» wenn die ungeregelte Eingaugsspannung ansteigt, so dass die nutzbare Batterie-Lebensdauer eich verringert. Sehliesalioh bestehen bei einigen der bekannten Hegler bleichet rosrrerbindüngen zwischen Eingang und Ausgang» so dass sie für bestimmte elektronische Ausrüstungen, «eiche einen geerdeten Minuspol oder auch i» Gegensatz dasu einen geerdeten Pluspol benötigen, Dicht verwendbar sind«

Die Aufgabe der Erfindung liegt daher in der Schaff lang einer Schaltung, wel die eine über einen weiten Bereich ungeregelte Gleichspannung in eine geregelte Gleichspannung -umwandelt. Ferner soll die geregelte Ausgangsspannung über einen weiten Lastberel oh. konstant bleiben. A^ch soll die Schaltung innerhalb des gesamten Regelbereiches einen hohen Wirkungsgrad haben. Der Regler soll Bioh ferner bei geerdetem Pluspol und bei geerdetem Minuspol verwenden lassen. Ausserdem soll er preiswart und in den Abaessungen klein sein, so dass er sich bei tragbaran Funkgeräten benutsen lässt«

Diese Aufgaben werden gesäee der Erfindung dadurch gelöst, dass der Gleichspannungswandler eine Steuerschaltung mit einer Spule mit sättigbares Kern *ur Erzeugung eines Steuersignals aufweist, welches zwischen xwei Spannungepegeln wechseln kann, wobei der erste Pegel wthrend einer ersten Seitdauer herrscht, welche umgekehrt proportional der ungeregelten, sich verändernde» Singangsgleichapannung ist, und der zweite Pegel während einer zweiten, iis wesentlichen konstanten Zeitdauer herrscht, welche von einer Beaugespannung abhängt· In Reihe rait einer weiteren Induktivität und der ungeregelten Eingangsspannung ist ein elektronischer Schalter angeordnet. Br wird durch den ersten Spannungspegel geschlossen und durch den zweiten SparanuisgepegeJ. gaUffnat, sp dass er abwechselnd die Bingfingsgleiohapnzmttng sur. zweiten Induktivität gelangen lasst, so daso ein tabulaeIgnal

^r 108838/OSU

17631U

ihr entsteht, welches während der offenen bzw, geschlossenen Zustände öes Schalters zwischen einer ersten baw. weiten Polarität abwechselnde Abschnitte hat, wobei die Amplitude des ersten Abschnittes* proportional der Blegangsapannung ist. Die weitere Induktivität bildet den zeitlichen Mittelwert aus der in diesen Abschnitten enthaltenen Snutrgio, wobei die Amplitude der zweiten Abschnitte im wesentlichen konstant und unabhängig von der Amplitude uqv' Singangospannung ist. Zwischen die weitere Induktivität und eine Filterschaltung, welche die goregelte Auegfjngsgleichspannung abgibt, ist ein Gleichrichter geschaltet» lter Gleichrichter ist bezüglich der Polarität der zweiten.Induktivität und äev 'jSingangsepannun^ so gepolt, daan or nur während des zweiten Abschnittes leitet» so dass der PiIt era ehalt ung nur während des offenen Zustanden oies Schalters eine Spannung zugeführt wird. Damit hat die Ausgangsapannung eine ia weBentlichea konstante Amplitude, welche gleich der Amplitude des zweiten Abschnittes ist*

Weitere iäinzelheit en und Ausgestaltungen der Erfindung ο ^geben si ca awe der folgende:! Beschreibung in Verbindung mit iren eines

Bs zeigt

Pig. 1 ein Blockschaltbild des erfinöungsgemässea geregelten ([ Wandlers mit einem elelctronischan Schalter und einer diesen betätigenden Steuerschaltung,

Pig. 2 die von dem elektronischen Schalter erzeugten Impulssignale und die an der Filterschaltung anliegenden Signale,

Pig. 3 die Steuerschaltung aus Fig. 1»

?ig. 4 die von der Steuerschaltung nach Pig. 3 erzeugten Steuersignale,

Pig. 5 ein Schaltbild des gesamten Reglers einechliesslich eine:.* Bückkopplungasclaleif e, und

109838/05U

17631H

Fig. 6 die Ausgangsepanmmgen und die Steuer- und Impuls« signale, welche von der Schaltung nach Pig· 5 erzeugt werden.

In der Schaltung nach Fig. 1 soll zwischen den Klemmen Io und 12 eine geregelte Auegangsgleiohspannung entstehen, welche aus der ungeregelten und veränderlichen Eingangsgleichepannung, die von der Batterie 14 geliefert wird, abgeleitet wird. Der beschriebene geregelte Wandler liefert auch eine konetante Ausgangsapannung bei einer Vielzahl verschiedener Bingangsapannungen, selbst wenn deren Verhältnis 6 t 1 überschreitet. So wird beispielsweise die Ausgangspannung konstant auf Io Volt gehalten, wenn die Bingangsspannung irgendeinen Wert zwischen Io und 6o Volt hat« Der geregelte Wandler enthält einen Le isturigstrans format or 16 mit-einer P_rixuärwi cklung 18 und einer Sekundärwicklung 2o. Die Primärwicklung 18, ein elektronischer Schalter 22 und die Spannungsqwelle 14 bilden eine Reihenschaltung, bei der bei geschlossenes Schalter 22 ein Strom fliasnt, i/sicher an der Wicklung 18 eine Spannung Yy* (Eingangsspannung von der Spanmmgequelle 14) antateher» läoat_E welche für die Seit des Öeeohlossenaelns dos Schalter Wert aufweist* Dieser Zeitabschnitt wird ±ra folgenden als echaltzeit'·* (t_ein) bezeichnet. Wenn der Selialter 22 wird, beginn«; das von der Wicklung 18 aufgebaute Feld ssuaaiauonzubrechen, und die Spannung an der Wicklung kehrt sich um« Es entsteht eine in der Polarität umgekehrte Spannung V_x, welche so lange diesen Wert hat, wie der Schalter geöffnet ist; die entsprechende Zeit wird im folgenden als "A-Usschaltasit" (*_aMS) be Belohnet. Der Schalter wechselt swischen Beinen o.ffenon und geschlossenen Zustand und erzeugt das pulsierende Signal 23 dor Fig. 2, dessen Abschnitte abwechselnder Polarität ober- bzwc unterhalb der Null-Baaugslinie 24 verlaufen. Da eine Induktivität die an ihr liegende, sich verändernde Spannung seitlich nittelt,«sind die Flächen der Spannungs-Zeit~Abechnitte oberhalb und unterhalb der Hull-Bezugslinie 24

10S838/05U bM>^oFUG

aus

Sind die Wicklungen 18 und 2 σ in dem durch Punkte angedeuteten Sinn gepolt und "betragt das Windungsverhältnia des Iransformat ors 1 ι 1, so erscheint das gleiche Iiapuleeignal 23 an der Sekundärwicklung 2o« Hat der !Transformator ein anderes Wiri~ dungsverhältnis, dann sind diö entsprechenden Abschnitt β des Impulsaignales an .der Sekundärwicklung 2o proportional grSseer oder kleiner. In Reihe mit der Wicklung 2o liegt ei» Oleiohrichter, "beispielsweise in Fora einer Diode 25* und ein»· FiI-* terschaltung mit einem Kondensator 26 _o Der positive 3*eil des Impulseignales 23 sperrt die "Diode 25 und aein negativer feil macht sie leitend5 so dass Energie in den Kondensator 26 und . zur last 28 fliessen kann. Am Soaäensator entstellt clie Wellenform 2?» äeTan Spitaenamplitude gleich V» ist»'ttexm Äer Sranstonaator 16 das Winduagsverhältnis 1:1 hat* Wenn der Schalter schlisset, flieset die Energie des Kondensators &vw Last 28, Ist der Kondensator im \^reriiältnis sur 1-ast 28 jien%€iBd grosa, so wired die Spannung gesiebt, wie ea die gestrichelte Linie 29 in äev Wellenform 27 zeigt, so das» eine Auegangegleiohspannuiig awisehen den fcnschltissen Io und 12 entsteht, deren Wert etwa gleich ?_x ißt und die eine kleine Restwelligkeit aufweist»

Es SQi nun angenoisffien, dass eich die Eingangsspannimg Tg verdoppelt und die Ausgangsspannung den Wert V^ beibehalten soll«. Es sei ferner aageiioismen, dass der öassillator oder .'-die Steuersohaltmig 3o* welche die Bin- und Aussohaltseiten öee" Schalters' 22 steuert;, a ο aufgebaut ist_? dass die Bins ehalt seit t_eiia uagekehrt proportional dar Spannung Tg ist und die Atisaohaltseit t_&u unverändert bleibt» %n diesem fall halbiert sich ^_β^_η» wenn V33 sich verdoppelt, Der Transforaator 16 mittelt die Impuls spannung 36 der Fig* 2, welche ihm ssugeführt -wird» so dasö·

109I3Ö/0S14

ist 12nd daher die Ausgangsepannung gleich T^ bleibt, wie die Wellenform 38 zeigt. Es ist wichtig, da·« bei geschlossenes Schalter 22, während das Iapuleaignal au der Sekundärwicklung 2o die Bingangsapannung widerspiegelt, keine Kgergie sum Kondensator 26 übertragen wird. Diese Tatsache ist grundlegend für den Betrieb der erfindungsgemässen Sohaltung, damit die Schaltung V_B nicht zur Laot 28 gelangt.

Die Induktivität der Primärwicklung 18 des Transformators 16 muss genügend gross sein, daae ihr Magnetieieru&gsetrom klein gegenüber dem Lastetro» ist. Die Induktivität der Sekundärwicklung 2o raus3 auereichend gross sein, eo das« bei schwacher Belastung der Strom während der Auasohaltzeit aufrechterhalten bleibt. Die Grösae der diesbezüglichemInduktivitäten bestimmt sich nach den Erforderniesen für die St..suerecjßaltung 3o.

Wenn der Anschlusa 12 für die Last 28 geerdet iat, dann liegt die Polarität der !Diode 25 fest, so öaas dir» gevünsohte Polarität der Ausgangsspannung entsteht. Die Polung des fraasforxoators 16 ist durch Funkte angedeutet, und die Verbindung der Spannungsquelle 14 ist so gevrählt, dass der ABeohnitt Y^ deo Impuleslgnalee 2? nach Fig, 2 die Diode 25 sum Leiten bringt. Se ist wichtig, dass dea Kondensator 26 nur während der Ausschalt ze it des elektronischen Schalters 2? Energie zugeführt wird, da, wenn dia Sinsohalteeit umgekehrt proportional der Eingangsspannung und die Au9sc!ialtseit korjstant ist, eine Regelung ohne Hückkopplung (wie es in fig«, 6 der ?all ist) eintritt. Psrner tedeutat eine übertragung von Snargio wöhrend dor Aus8chalt2olt, daee ein zua^t^licho» Si>eioh€?relement, otwa eine weitere Induktivität, la üar Auö|j«n^e.iohaltung nicht notwendig ist, da der Transformator selbst die Energie speichert. Bei bekannten Schaltungen wlru Energie von der Eingangsspannung^squelle w^;üirend der Einschaltzeit auf die filterschaltung gegeben, so dass weitere Kittel, wie eine Btiokkopplung, für dia Regelung notwendig alnd. Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung ba not Igt auch keinerlei Äittel, um den Iieistunga-

109838/0514

BAD

transformator 16 in «einen Auagangszustand zurückzubringen, da die Energie 1» Transformator während der Einsehalteeit gespeichert wird und während der Aueschaltseit von ihn abgenoamen wird, während im gegenteiligen fall Hilfsmittel, wie eine zusätzliche Wicklung des Transformators 16, vorgesehen sein müssten, um die Energie heim Zusammenbrechen dee Feldes während der Ahschaltzeit aufzunehmen.

3ur Beschreibung der Steuerschaltung 3o» welche die beiden Kriterien der konot anteil Abschalt zeit und dei* umgekehrtan. Proportionalität zwischen der Singangsspannung und der Eins ehalt zeit erfüllt, sei Bezug auf ?ig* 3 genommen, in der gleiche Bauelemente mit den gleichen Bezugeziffern bezeichnet sind. Die Treiberstufe 4o des Oeaillator« oder der Steuerschaltung 5o enthalte eine Yorspamnungeeehaltung 4-2» welche über die Basis-Suitterstrecke eines Transietors 44 geschaltet 1st und eine Vorspannung liefert, welche denTransistor einschaltet und damit die Steuerschaltung in Betrieh nianrfc. Die Spantmngsquelle 14 ist in Reihe nit der Kollektor-Baitt erst recke des Transistors 44 und einer ersten Priaärwicklung 46 eines franofonaatorB 48 mit gesättigtem Kern geschaltet« Eine erste RUckkopplungBwiclclung 5o des Trausforaators 48 koppelt einen 5eil_#dea wechselnden Signales surttck auf die Baeis-Emitterstrecke des Transistors 44. Wenn der Hegler durch Schlieseen des handbetätigten Schalters 52 eingeschaltet wird, flieset ein Strom von der Spannungequelle 14 durch die Primärwicklung 46 und die Kollektor-Eoitterstrecke des Transistors 44 in einer solchen Eiohtung, dass das Kernmaterial in positiver Richtung gesättigt wird und dass eine negative Spannung an der Wicklung 44 enteteht. Wegen der durch die Lage der Punkte angedeuteten Polarität der Wicklungen wird in der RÜckkopplungowicklung 5o eine in gleicher Richtung gepolte Spannung induziert, welche der Basis-Eaitterstrecke des Transistors 44 zugeführt wird und die von der Schaltung 42 stammend© Vorspannung unterstützt/Wenn das Kernmaterial weiter in,Richtung der Sättigung angesteuert wird und Bchlieeslich in positiver Richtung gesättigt ist, dann hält die in der Wicklung

109838/05U

BAD ORIGINAL

17631H

5ο induzierte Spannung den Transistor 44 im gesättigten Zustand.

Eine Rüokstelletufe 54, welche dazu dient, den Kern dee Transformat ore 48 in seinen magnetischen Ausgangszustand zurückzubringen, enthält eine zweite Hückkopplungswicklung 56, die zwischen der Bssis-Smitterstreako eines Rückst e Ut ransistoj-s 58 geschaltet iat. Bei leitendem !Transistor 44 induziert die an der ersten Primärwicklung 46 liegende negative Spannung eine positive Spannung in der RückkopplungswickluRg 56, wßlohe den$ Hücketelltransistor 58 gesperrt hält«. Wenn der Strom in der eraten Priaärwicklung 46 das Kernmaterial des Transformators 48 in positiver Sichtung gesättigt hat, dann ist die Impedanz der Wicklung 46 bedeutend verringert, so dass ein Entnehmender Teil der Spannung der Spannungequell« 14 am Kollektor-Bmitter-Obergang des Transietore 44 erscheint und eine geringere Spannung Über der Wicklung 46 auftritt. Es wird dann eine geringere Spannung in der.Ruckkopplungswicklung 5o induziert, welche die Grösse der am Basis-Sraitter-übeTgang des Transistors 44 liegenden Spannung verringert. Damit beginnt der XoHüktor-Eraitterwideretand zu steigen, und es entsteht ein Lawineneffekt, «welcher dem durch die Wicklung 46 fliessenden Strom schnell verringert* Die infolge dieses Flusszusaamenbruchs in der Wicklung 5o induzierte Spannung hat die entgegengesetzte Polarität und wirkt dar von der Schaltung 42 gelieferten Torspannung entgegen, so dass der Kollektor-Emitterwiderstand,seinen, höchsten Ή ort erreicht.

Infolge des flusszufiammenbruche wird in der RUckkopplvagswiellung 56 eine entgegangesetzt gepoltθ aagative Spannung induziert, welche eine solche Richtung hat_? dass der Rückstellt^ansiator i>8 eingeschaltet wirdo Nun flieset von der Bezugsspannuriganuelle 6ο ein Strom durch die «weite Primärwicklung 62 des !Transformators 48 und durch die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 58, so dass eine*Spannung an der Wicklung 62 entsteht. Diese Spannung induziert in der ersten Rückkopplungewicklung 5o eine Spannung,

109Ö38/0514 bad original

17631U

—■ Q —

welche den fransistor 44 sperrt, und in der »weiten Rttekkopplungswicklung 56-eine Spannung, welche den fransietor 58 leitend hält. Der vom Eransietor 58 geführte Strom treibt den Kern dee Transformator 48 in Richtung negativer Sättigung₀ Ist die Sättigung erreicht, dann bricht der Fluss wiederum zusammen, und es wird durch die Hilckkopplungewick^ung 56 eine umgekehrte Spannung auf den Emitter dos !Transistors 58 gekoppelt, welche ihn spsrrt* Eine in Burahlaserichtung gepolt β Spannung wird zurück auf die erste Htlckkopplungewicklung 5o gekoppelt» welche die Basia-Iäiaitterstreoke des Tranaistors 44 leitend -vorspannt, teeh die Eollsktor-laiitteretreok© des franeistors 44 und die Wicklung 46 beginnt ein Strom sta fliessen, und es beginnt ein neuer Zyklus.

Bas hei dem vorbeschriebenen Betrieh entstehende Steuersignal erscheint über der Sekundärwicklung 66 d«s Tranafonaatora 48 und ist in fig. 4 dargestellt. Das Steuersignal 64 enthält Abschnitte 68, die unter der Annahme, dass die Windungsverhältttissö des Transformators zwischen den ¥ickl\mfⁿ4<$». "2 und 66 Ijlt.! 3inn, unter die Bssragsaehse 7o .reichen, imH" awar iVii i>i.~ neu Betrag, der gl«ioh dar. Baiterieapanmmg V^ istt fexni-sr λ-Ι-hält das -Steuersignal Abschaittö 72» welche met ai'ae«i über die Bezugeachse 7o hinausragen, der gleich der (V_R) äar 33ejsug3q.uellö 60 ,sind· In der Praxis kSnnen a-ach

andere WindungsVerhältnisse gewählt werdrm, jedoch bleiben die Verhältnisse dor Amplituden der Spannungeabsehnitte die gleichen. Bas Steuersignal 64 wird dann über den Widerstand 7o su dem elektronischen Schalter*'22 gekoppelt, walchcr in der dar^e·^ stellten AuaführuTagsforia einen Sransietoi· 80 usifagsöu kann, fieeeen Kollekuor- und Emitter-Elektroden die Anßclilüsse des Schalters ΜΜοϊΐ» Die Basis- oder die Stöuer-Blektrods erhält das Steuersignal, Die Diode 81 echnoidet die oberen Abschnitte 72 ab, so dass, ein-Durchbrach'der Basie-Emitteretreoke dea Transistors 80 bei anliegender Sperrspannung verhindert wird· Während der obereii'Abaöhnitte 72 ist der Sraneformatoi* 3o geoperrt, und

BAD ORiGiNAU 109-838/OB H

- to -

während der unteren Abschnitte 68 ist er gesättigt, so dass er als Schalter wirkt, der durch die Spomumgeabeohaitte 68 •geschlossen und durch die Spannungeabschnitte 72 geöffnet wird.

Bekannterweise braucht der Flussaufhau bei eines gesättigten !transformator eine best inarte Zeit und hängt von der an den !transformator angelegten Spannung umgekehrt proportional ab nach der Gleichung

wobei t die Zeit ist, in der sich der Fluss bis zur Sättigung aufbaut, K eine Zeltkonstante« welche vo^ den physikalischen Blgeneehaften des Kemaaterial* und der Windungszahl abhängt. BIe Zeltdauer t_eiu der Abschnitte 68 ist umgekehrt proportioned, der Batterieeingangsspaniutag» Aas bedeutet t_#in » ^p- .

Sie Zeitdauer t_aue der Abschnitt« : IZ ist entsprechend uiagekehrt proportional der Besugsspannung, welche mit der Bückstellstufe verbunden ist, das heisst t_aus » ψ~ · Wenn nur Y_R konstant und unabhängig von Vg ist und Y-g das Steuersignal 82 der Vig« 4 verdoppelt, dann wird ^^_n halbiert und t_&tm bleibt konstant wie bei des Steuersignal 64· Baxit sind die beiden Forderungen erfüllt, we lohe sua Betrieb €·& Schalters 22 nach fig. 1 notwendig sind sur Srsengung einer geregelten Ausgangsspannung «wischen den Anschlüssen Io und 3.2» nä*lich dass die Einschalt seit »gekehrt proportional Yg unit die Ausachaltzeit konstant und unabhängig τοη Y_ß ist.

Der Spannungsregler nach Fig. 3 liefert für sehr verschiedene Ausgangsspannungon und Laetveiüältnisse mit idealen Koaponeuton «ine gute geregelte Ausgangsspannung; jeä^ofc W&n^n infolge dor

und der Verwendung eines gesättigten Trane-%

109838/0814

format ore 48» dessen Charakteristik nicht ideal sind, einige Abwandlungen eweakmäesig sein· Wenn beiapiel»weise mit Besug auf Flg. 1 die Eingangaapannung eich verdoppelt, hat das Impulssignal 64 der Fig. 6, welches an der Sekundärwicklung 2ο dös Leietungstraneformators 16 entsteht, eine posit ir geriohtete Spitaenamplitude, die doppelt so gross wie das Signal 23 nach Fig. 2 ist,.jedoch ist seine Einsehaltzeit anstatt 5o #» wie es "beim Signal.23 der Fall ist,- beispielsweise 75 #. Die Abweichung vom Jdealgustand in einem praktischen Fall ist awar nioht gan« so gross, jedoch werden die vorgenannten Verhältnisse zur Erleichterung eines Vergleiche angenommen« %

Wenn die Abechaltaeit konstant gehalten wird,' dann bleibt dio 3piteO"Spitr.e-A»pli1iude dee Iiapulselgnals 34 gleich 2 V_B..+ Y_xt wie bei den Signal 36 der Yig· 2, jedoch vergrSseert eich die Lage der Beaugaache« 24 hinsichtlich des: tSpitisenwertes infolge der spannungsmittelnden Wirkung des fransfonoators 16, so dass nach Gleichrichtung durch die Diode 25 au Kondensator 26 die Wellenform 66 entsteht. Hun ist die Ausgangsspannung nicht die gleiche wie V_x der Wellenfons 27 (Flg. 2), so dass eine perfekt© Regelung nicht eintritt.

Um alt realen Bauteilen eine gute Regelung zu erhalten, muss eines der Kriterien der Steuerschaltung 3o verändert werden, " d.h. die Ausechaltaeit soll nioht konstant sein, sondern sich in der folgenden Veiae verändern· Ia Impulasignal 88 der Figo ist die Binschaltseit t_ein gleich 75 % von der des Signalös 2J in Fig. 2, und die Aueachaltaeit beträgt 15o 5* dovon^ Die Be-Eugeaciiae 24 befinclet sich xtegsn der ^patmuagsiaivtelncien Wirkung des fransformators 16 in derselben Lage besii^lich der Spitzen wie die Besugsachse der Wellenform 36 in Fig* 2« Hun ist nach uleichriohtung durch die Mode 25 die Ausgangespannung «wischen den Anschlüssen Io und 12 gleich Vj, wie es die Wellenform *9o zeigt, und gleich Vj der Wellenform 27 der Fig. 2. Daher muse die Besugsspannucgeschaltung 6o der Fig. 5 so ausgelegt werden, dass die Ausschaltzeit gleich derjenigen de«

109838/0514 ^ _0RraiNAL

17631H

lopulftsignales 88 ist.

In 7ig* 5 sind die den Pig· 1 und 5 entsprechenden Bauelemente mit den gleichen Bezugsziffem bezeichnet. Während bei Yig· 3 die BeBugsspannungsquelle 6o eine konstante Beeugaspannung liefert, liefert die Schaltung 6o in Figo 5 eine Spannung V^, welche der Ausgangespannung «wischen den Anschlüssen Io und 12 entspricht« Dia Sohaltung 6o kann als Rückkopplungsschaltung angesehen werden, welche zwischen die Ausgangsanschlüsse Io und 12 und die Rüokstellstufe 54 geschaltet 1st und einen Widerstand 92, ein Potentiometer 94, die zusammen einen Spannungsteiler bilden, und eine Temperaturkompsnsationediode 96 enthält, welche «wischen zwei Leiter.98 bsw. loo geschaltet ist, die mit den Ausgangsansehlüssen Io und 12 verbunden sind. Der Schleifer de« Potentiometers 94 ist an die Baoia des Spannungsabführtransiettfrs Io2 angeschlossen. Die Auegangselektrode, der Kollektor, des Transistors Io2 ist an die Basis eines in der Rückkopplungseehleife liegenden Transistors Io4 angeschlossen. Eis sei daran erinnert, dass bei einer Verdoppelung der Singangsepannung und fehlender Steuerung der Ausschaltzeit die Ausgangsspannung stärker negativ wird, wie die Wellenform 86 in Fig. 6 zeigt. Dieses Anwachsen der Ausgangsspannung vergrössert die Vorspannung des Transistors Io2, was dazu beiträgt, dass sich sein Kollektor-Bmitterwiderstand verringert· Dadurch wiederum wird die Vorspannung des Tranaistore Io4, welche vom Widerstand Io5 geliefert wird, verkleinert. Die sich daraus ergebende Verringerung der Spannung zwischen dem Emitter Io6 und ' dem Leiter loo wird von einem Kondensator Io8 zur Bildung einer Beaugsspannung für die Rücksteilstufe 54 geglättet. Da die Abschaltzeit des über der Sekundärwicklung 66 des Transforma- ". tors 48 entstehenden Steuerspannung umgekehrt proportional der i durch die Schaltung 6ö gelieferten Beaugsspannung ist, erhöht \ der Abfall der Bezugsspannung die Abschaltzeit. \

Das Potentiometer 94 ist so eingestellt, dass die Ausgange- ' spannung, bei welcher sich die Aueschaltzeit zur Kompensierung

nmnniu

der Binschaltsseit zu ändern beginnt, nicht genau umgekehrt proportional der Eingangsspannung ist. Venn sich beispielsweise dann die EingangsBpanmmg verdoppelt und das Steuersignal Ho gemäes fig. 61 weiches an der Sekundärwicklung 66 dee Traneforaatos 48 entsteht» eine Einsohaltseit hat, welch« 75 /C fön der des Steuersignals 64 nach ?ig. 4 entspricht» dann sollte es eina Ausschalt zeit haben, welche 15o $ von der des Steuersignals 64 ist, welches durch das Potentiometer 64 eingestellt ist· Wie ersichtlich ist, sind die Bin- und Ausschaltzeiten dieses Signals genau gleich denjenigen! welche sur Erzeugung des Impulssignala 88 über der Sekundärwicklung 2ο des Transformators 16 zur Eraeiagung der Ausgangs spannung der Wellenform Bo erf order- ^ lieh. Bei der S&^liarag nach Flg. 5 lässt sich ein Spannungsfee- ™ reich von 7:1 realisiarsn, der je nach dor ßrösae der Last 28 noch erheblich erweitert werden kann«

Der Torteil der erfindungsgeoässen Schaltung, ob mit oder ohne Kittel zur Variienrag der AuaechaltBeit, liegt darin, dass ihr Wirkungsgrad» d.h. das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Bingangslaistung, hoeh und relativ konstant bleibt, v/enn sich dio Eiiigangsepannung verändert, W8il die Regelung durch eine Enargiespeicherung und Zeitmittelung erreicht wird anstatt durch Ternichtung überschüssiger Spannung in 7erlustelementen<>

Bie Vorspannungsschaltung·42 nach Pig. 5 enthält einen Wider- ä stand HQ und eine Diode 12o, die in Reihe swischen die Ansohlüsee der Spanmmgaquelle 14 geschaltet sind und eine feste Spannung an der Diode als Torspannung für den transistor 44 liefern. tJm einen Strompfad für den Bests-Eiflitteretrom zu bilden_s ißt eins aweite Diode 122 antiparallel zxvr Diode 12o goschalt et. Wenn die Eingangespannung von der Spannungsquello 14 einen miniaalan Wearfc hat, dann muss dio Torspannun^ssohaltung eine genügend hohe <11θ!abspannung zur Vorspannung dos Tranaistors 44 in den leitenden Zust&nd liefern* Hat die Eingangespannung dagegen innerhalb des Schwatikun^sbereiohös der Spannungaiuoll» einen maxiaalan Wort, amai soll die Öloichopaminüg an der

d## Tran·! et ore 44 genügend klein sein, so daes bei» Hitizuaddieren de* Absehaltsignales τοη der ersten HSckkopplungs~ wicklung 5o des Ireneformatore 28 der Transietor 44 nichtleitend bleibt. Der relativ konstante Spamttmgeabfall an der in fturehlaesrlohtung vorgespannten Diode Über einen weiten Stroabereich ermSglicht, dass die Yorspsjitnmgesohaltung 42 die notwendigen Vorspannungen liefert» gleichgültig ob die Eingangs spannung einen ainiaalen oder einen aaxiaalon Wert hat.

_ Wenn die Belastung, welche an die Anschlüsse Io und 12 ange-™ sohl Oasen ist« abniaaat, dann nimmt auch die der Rücket elletufe Bngeführt« Bsztig^spannung ab₅ um die geringeren Verluste auszugleichen. Bei sehr kleinen Belastungen kann jedoch die Beeugsspanmrag so stark absinken, dass die HQckrtellstufe wegen nicht mehr ausreichender Kollektorepanmrag betri«bafunfähig wird und daher ein Ansteigen der Spannung swiechan den Anschlüssen 3.0 und 12 keinen Kompensätioneeffekt söhi' hat, Vm dies su Teraeiden, ist ein Überbrüokungsregeltransißtor 124 BWisehen die Leitungen 98 vmä loo geschaltet, s&iachen dessen Basis und den Leiter loo eine Äeuerdiode geschattet ist, welche eine feste Besagespannung für den Transistor liefert. Wenn nun dl* Spannung «vieolien den Anschlüseen loo und 112 über el-L· nen Wert aneusteigen rersttcfet, der sub Betrieb der Rückstellstufe 54 notwendig ist, dann leitet ύβτ Transistor 124 und stellt eine zusätzliche Belastung dar, so dass die Bezugaspannung innerhalb (imm gewünschten Betrlebsbereiches gehalten wird. Diese Anordnung erlaubt den Anschluss von Belastungen innerhalb eines auseerordentlich, weiten Bereiches. Bei einer praktisch ausgeführten Schaltung wurden die Lae£widerstand© von 4 1/2 Ohn bis unendlich verändert, wobei der Regelaeehaniäauß auegeeeiohne t arbeitete*

Bei der ecfindungsgemäasen Schaltung besteht keine (Ueiahstroaverbindung »wischen der Spajinun^ecitielle 14 und dia

BADORlGiNAL

ansohltissen Io und 12, da die Besugs&panmtngsquelle fio liber einen fransf&raator an die 7relber«tuf« angekoppelt i»t, wae auch für die Rüoketellstufe 54 und die Ausgangsschaltung gilt» welche aus der Diode 25 und den Kondensator 26 besteht. Bio» ist ein bedeutender Vorteil, wenn der Regler bei einer Schaltung verwendet werden soll, bei der die ßpannuagsquell« 14 einen geerdeten Minuspol hat oder im anderen ?all einen geerdeten Pluspol hat. Der erfindungegemässe Regler kann ohne Rücksicht auf das-Basugspotential der Eingangsspannungequelle verwendet werden, ohne dass die Polarität der Ausgangsschaltung (Diode 251 Kondensator 26) geändert werden mUßöte, Wenn dies nicht 6er Fall wäre und "beispielsweise die positive AusgangeklesQne 12 gleichstroaaäselg an den negativen Pol einer Spannungequelle nit geerdeten Hinuspöl angeschlossen wäre, dann würde nur eine Ausgangsapanttüng mit geerdeten Pluspol «wischen &QU Anschlüssen Io und %2 sur Terfttgung stehen. Wenn in einem solchen Fall eine Ausgangsapannung nit geerdeten Kinuspol verlangt würde, dann würde eine Ift&kehrschaltung benötigt, welche zusätzliche Kosten verursachen würde.

109838/05U

Claims (1)

1. Patentansprüche

   Geregelter Gleichspannungswandler »tu? Umwandlung einer Eingangegleiohspanmmg in eine geregelte Ausgangsgleichepannung, mit einer InduirtiTität, einem in Eeihe mit der Induktivität geschalteten elektronischen Schalter, welcher die Eingangeepannung auf die Induktivität schaltet, einer den Leitungszustand des Schalters bestimmenden Steuerschaltung, einer im Ausgang liegenden Filtersclialtung und «inem «wiaohen der Induktivität und der Filtersohaltung lieganden Gleichrichter, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (3o) Schaltungsbausteine(4o, 54) enthält, welche den Schalter (22) für eine der Bingangsepanntrng umgekehrt I

   proportionale Dauer abwechselnd leitend und für eine im wesentlichen konstante Seitdauer nichtleitend machen derart, I dass die Eingangsspannung irapulsweise der Induktivität (16) zugeführt wird und an der Induktivität eine Impulsspanning ' Bit »wischen einer ersfen und einer zweiten Polarität während des Leitone bzw. Fichtleitene des Schalters abwechselnden '

   Abschnitten entsteht, wobei die Amplitude des ersten Ab- J

   schnittes proportional der Binglgespannung ist, die Indukti- ι vität (16) die Bereiche der Spannungedauer der Abschnitte \ aittelt und die Amplitude der «weiten Abschnitte im wesent- ' liehen konstant und unabhängig von der Amplitude der Ein- \ gangsspannung ist, und dass der Gleichrichter (25) gegenüber der Induktivität (16) und der Eingangsepannung so geschaltet \ ist, dass er nur während der zweite«. Abschnitte der Impulsspannung einen leitenden Weg jbu der Filterschaltung (26) darstellt, eo dass die Spannung der ?ilterachaltung nur während des nichtleitenden Zustande» des Schalters (22) sugefuhrt wird, so dass die Amplitude der Auagangespanmmg gleich der Amplitude des zweiten Spannungsabschnittes ist.

   BAD ORIGINAL

   509838/061-4.

   * Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (30) eine eättigbare Induktivität (48) zur Erzeugung eines Steuersignals mit einem ersten Pegel für eine erste Zeitdauer, welche umgekehrt proportional der Eingangsspanmmg ist, und mit eines zweiten Pegel während einer zweiten Seit dauer, vrelohe von der Bezugaspannung abhängt und im weBQ'ätliehen konstant ist, aufweist.

   3. Sleicaspatimingsxfandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Pilterschaltung (26) und die Steuerschaltung-'(30) isur Veränderung der Beaugaapannung mit de;? Ai^gangsspanmmg eine Hückkoppltmgaschaltung (60) eingeschaltet iet«, ,

   4. ö-leichspannungswandlsr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (30) ein erstes 'mid ein aweiteβ Steuerelement (44 bzw. 5Q) enthält, daß die sättigbar© Induktivität (48) eine erste und eine zweite Priiaäywickluug (411 62)ι die mit den Ausgangselektroden verbunden sind, sowie eine erste und eine zweite Rückkopplungswicklvmg (505 56), welche die Auagangeelektroden zur Rückkopplung iait dsn Eingangselektroden verbinden, aufweist, daß das erste Steuerelement -(44) auf die Eingangsepannung zur Veränderung dar Sättigung der, ersten Wicklung (41) zur Steuerung der Länge des ersten Spamaungsabschnittes anspricht,und daß das zweite Steuerelement (58) auf die Bezugsspannung zur Veränderung der Sättigung der aweiten Wicklung (62) aur Steuerung der Länge des zweiten Spannungeabschnittes anspricht,

   3» iJXelchspanmmgßwandler nach Anspruch 4> dadurch gekennaeicrm&t, daß die sättigbar* Induktivität einen Transformator (48) Eilt elfter eratan, und einsr await en Primär'.ick Uh ig (41, 62), dl·) alt den Ausgangoalektroaen der Stouerolöffi.riit« (44» tiß| gö -

   109838/06H

   17631H « te -

   koppelt Bind, sowie ait einer ersten and einer zweiten Rück» kopplungswicklung (50, 56), welche-die Auegangeelektroden mit den entsprechenden Bingangselektroden srar Bildung von Rückkopplungspfaden koppeln, und mit einer Sekundärwicklung (66), welche mit dem elektronischen Schalter (22) gekoppelt ist,' aufweist«

   Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 3-5» dadurch gekennzeichnet, daß die eättigbare Induktivität einen fransfonaator mit einer Primärwicklung (18) und einer Sekundärwicklung (20) umfaßt, dessen Primärwicklung »it dem elektronischen Schalter (22) verbunden ist uni dessen Sekundärwicklung (20) über eine ύύη Gleichrichter darstellende Diode (25) mit einem die Filterschaltung darstellenden Kondensator (26) verbunden ist.

   Gleichspannungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kondensator (26) eine Last (27) so niedriger Impedanz anschlieöbar ist, daß die Bezugsspannung unter den zur Steuerung der Dauer des sweita» Abschnittes dea Steuersignals benötigten Betriebspegel absinkt, und daß die Rückkopplungssehaltung (60) einen regelbaren tJberbrückungswideratand (124) aufweist, der parallel zur Kapazität (26) zur Erhöhung der an den Hegler angeschlossenen effektiven Last geschaltet ist, wenn die Last unter einen bee ti mart en Wert absinkt, so daß die Bssugsspannung oberhalb des erforderlichen Betriebspegels gehalten wird«

   ÖlaichspannungswaMler nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der regelbare Parallelwideretand einen Transistor (124) umfaßt, dessen Ausgangselektroden parallel zu der Kapazität geschaltet sind und dessen Steuerelektrode mlfc eitler Zdnerdiode (126) sur Lieferung aiaex festen Be- £tigs8j?&smung verbunden ist»

   109838/05U bad ordinal

   Gleichspannungswandler nach einen der AneprUch· 4*8» dadurch gekennzeichnet, daß das erste Steuerelement ein Transistor (44) iat, daß die Steuerschaltung (30) für den Transistor ('44) eine Vorspannungsechaltung (42) enthält« die ein Paar antiparallel geschalteter Dioden (120, 122) und einen mit diesen verbundenen Widerstand (118) enthält, welche in Reihe über die Bingangeepannung geschaltet sind und wobei der Verbindungepunkt des Widerstandes (118) mit den Dioden (120, 122) mit der Singangselektrode des Traneistors (44) verbunden sind und die eine Diode so gepolt 1st, daS sie eine konstante Vorspannung für den Transistor liefert, während die andere Diode so gepolt ist, daß sie einen Vorstrospfad für den Transistor, darstellt.

   109838/05U