DE1763820A1 - Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler - Google Patents

Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler

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DE1763820A1
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Hua-Tung Lee
Cielo John Robert
Hoffmann Jun Harr Swartzlander
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Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Geaelhchafl mbH
Böblingen, 14. August 1968 bg-sch
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N. Y. 10 504
Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenz. der Anmelderin: Docket KI 966 013/014
Gleichspannung s-Gleichspannungs-Wandler
Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler mit einem Schalter, der die Energiequelle intermittierend mit der Primärwicklung eines Transformators verbindet, mit einer Stromumkehrschaltung, die die Stromrichtung in der Primärwicklung des Transformators umkehrt und Gleichrichtern zwischen der Sekundärseite des Transformators und der Last.
Elektronische Geräte erfordern eine geregelte Gleichspannung für ihren Betrieb. Typische Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler enthalten fünf Elemente, nämlich einen Zerhacker, einen Transformator, einen Gleichrichter, ein Gleichstromfilter und ein Steuerteil. Der Zerhacker besteht aus einem Schalttransistor oder einem anderen Schalter, der dazu dient, um die eingegebene Gleichspannung in eine Rechteck-Wechsel spannung umzuwandeln,
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die über einen Transformator auf eine andere Spannung gebracht, gleichgerichtet und gefiltert wird, so daß schließlich am Ausgang eine Gleichspannung erhalten wird.
Durch bekannte Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandle, wird also eine Gleichspannungsquelle, abwechselnd über einen Schalter (z. B. einen Transistor) an die Primärwicklung eines Transformators an- und abgeschaltet.
W Wenn der Schalter eingeschaltet ist, überträgt der Transformator direkt
Energie von der Energiequelle auf die Sekundärseite, wo diese gleichgerichtet, gefiltert und dem Verbraucher zugeführt wird. Außerdem sind Stromumkehrschaltungen vorgesehen, durch welche die Richtung des Stromes in der Primärwicklung des Transformators umgekehrt wird. Die Stromumkehrschaltung besteht z. B. aus einem Kondensator und einem Transistorschalter, der eingeschaltet wird, während der Perioden, während der der Schalter für die Energiequelle abgeschaltet ist und dadurch bewirkt, daß ein Spei-
k cherkondensator sich über die Primärwicklung des Transformators unter
Umkehrung der Stromrichtung entladen kann. Der Strom in der Primärwicklung liefert auch nach der Umkehr Energie an den Verbraucher, da die Sekundärwicklung des Transformators durch eine Mittelanzapfung in der Wicklung aufgespalten ist, wobei jeder äußere Anschluß eine Gleichrichterdiode enthält, die jeweils den Verbraucher über den gleichen Verbraucheranschluß speist.
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Eine Steuerschaltung fühlt die Ausgangs spannung ab und bewirkt die Ein- und Ausschaltung des Energiequellenschalters und des Stromumkehr schalters, so daß durch das Verhältnis der Ein- und Ausschaltzeiten der Energiequelle die Ausgangs spannung geregelt wird.
Diese bekannten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler werfen mehrere Probleme auf, da die meisten bekannten Wandler dieser Art einen niedrigen Λ
Eingang swider stand aufweisen. Bei einem solchen niedrigen Eingangs widerstand kann der Ausfall eines Teiles z. B. ein Kurzschluß im Gleichrichter, ein gesättigter Transformator oder eine kurzgeschlossene Wicklung zur Folge haben, daß der Primärstrom so schnell ansteigt, daß die teuren Schalttransistoren zerstört werden.
Bei den bekannten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlern treten außerdem in der Ausgangsspannung V beträchtliche Schwankungen auf, insbesondere, wenn die Eingangs spannung E gegenüber der Eingangs spannung V besonders stark erniedrigt werden soll, d. h. wenn das Verhältnis E/V groß ist.
Zweck der Erfindung ist es, einen verbesserten Spannungswandler zu schaffen, der eine gleichmäßigere Aus gangs spannung abgibt und gegen Fehler nicht so anfällig ist.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zu dem Stromquellenschalter und der Primärwicklung des Transformators eine Speicherinduktivität eingeschaltet ist, daß daran eine Sekundärwicklung angekoppelt ist, die über einen Gleichrichter zu Zeiten, zu denen der Stromquellenschalter und der Stromumkehrschalter geöffnet sind, Energie an die Last abgibt.
Nachstehend sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeich-™ nungen näher erläutert werden.
Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichspannungs-Gleichspannung s -Wandlers,
In den Fig. 2a bis 2j und 3a bis 3j sind verschiedene Wellenformen dargestellt, die charakteristisch für die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 1 sind.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers zeigt die Fig. 4.
Die Wellenformen dieser Schaltung sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Die Fig. 7, 8 und 9 zeigen Weiterbildungen der Schaltung gemäß Fig. 4. Docket KI 966 013/014
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In Fig. 1 ist die Eingangs spannung mit E bezeichnet. Sie wird von einer Energiequelle 1 über die Eingangsklemmen 2, 2' eingegeben. Die Ausgangsspannung V wird über die Ausgangsklemmen 4, 4' einem Verbraucher 3 zugeführt.
Der Betrieb des Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers gemäß Fig. 1 gliedert sich in vier Zeitabschnitte. Diese vier Zeitabschnitte Tl, T2, T3 und T4 entsprechen den öffnungs- und Schließungszeiten der Schalter Sl und S2. Die Fig. 2a bis 2j zeigen die verschiedenen Ströme, die in den Zeitabschnitten Tl, T2, T3 und T4 durch die verschiedenen Teile der Anordnung gemäß Fig. 1 fließen. Die Ströme sind im Index durch die Bezugszeichen der Teile gekennzeichnet, durch die sie fließen. So ist z. B. der Strom, der während der Periode Tl durch den Energiequellenschalter Sl fließt, mit i bezeichnet (s. Fig. 2a). Der Strom i ist in Fig. 2b dargestellt, er Sl SZ
fließt nur während der Periode T 3.
Die Spannungen V sind in Fig. 3 dargestellt. Auch hier sind wieder die Zeitabschnitte Tl bis T4 dargestellt und die Spannungen V tragen im Index ebenfalls die Bezugszeichen der Teile der Schaltung, an denen diese Spannungen auftreten.
In der Schaltung gemäß Fig. 1 sind die Schalter Sl und S2 als Transistoren Docket KI 966 013/014
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dargestellt. An ihrer Stelle können natürlich auch andere bekannte Schalter Verwendung finden. Der Schalter Sl ist als Energiequellenschalter bezeichnet. Er verbindet die Energiequelle 1 über eine Speicherinduktivität Ll mit der Primärwicklung 7 eines Transformators T. Der Schalter S2 ist als Stromumkehr schalter bezeichnet und bildet einen Teil der Stromumkehrschaltung. Wenn der Schalter S2 leitet, kehrt er die Richtung des Stromes ^ in der Primärwicklung 7 des Transformators T um.
Wirkungsweise
Der erste Betriebsabschnitt Tl beginnt, wenn der Schalter Sl eingeschaltet wird, während der Schalter S2 ausgeschaltet bleibt. Unter diesen Bedingungen wird die Spannung E der Energiequelle 1 über die Serienschaltung, bestehend aus der Spei eher induktivität Ll, der Primärwicklung 7 des Transformators T und einem Speicherkondensator C angelegt. Wie durch die Punkte gekennzeichnet, induziert der in der Primärwicklung 7 fließende Strom in der Sekundärwicklung 8 eine Spannung, deren Polarität so ist, daß die Diode D2 leitend wird und einen Strom zur Last 3 hindurchläßt. Wenn die Diode D2 leitet, ist die andere Gleichrichterdiode Dl gesperrt. Die auf die Wicklung L2 von der Speicherinduktivität Ll entsprechend der Punktkennzeichnung übertragene Spannung spannt die Diode D3 in Sperrichtung vor. Wenn die Diode D3 gesperrt ist, liegt die Sekundärwicklung L2 der Speicherinduktivität Ll in einem offenen Kreis und deshalb wirkt die Wicklung Ll lediglich
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als Induktivität. Während des Zeitabschnittes Tl speichern die Induktivität Ll wie auch der Speicherkondensator C Energie, die in der nachfolgenden Zeit an den Verbraucher abgeführt wird. Gleichzeitig mit dieser Energiespeicherung in Ll und C gibt der Transformator T Energie über die auf Durchlaß geschaltete Diode D2 an die Last 3 ab. Abgesehen von der vorteilhaften Wirkung der Energiespeicherung für den nachfolgenden Verbrauch dienen Ll und C außerdem dazu, den Spannungsabfall über die Primärwicklung 7 infolge der Spannungsteilung an der Serienschaltung von Ll, der Primärwicklung 7 des Transistors T und des Kondensators C zu vermindern. Wenn eine starke Spannungsverminderung der Gleichspannung erwünscht ist, d. h. wenn das Verhältnis E/V groß ist, trägt die Spannungsverminderung infolge des Spannungsabfalles an Ll und C wesentlich zur Gesamtverminderung von E auf V bei. Diese Spannungsverminderung infolge des Spannungsabfalles an Ll und C stellt einen Verlust dar, weil die gespeicherte Energie später wieder ausgenutzt wird. Da keine Verluste auftreten, wird auch eine Erwärmung vermieden. f
In Fig. 2a sieht man, daß der Strom durch den Energiequellenschalter Sl etwa linear ansteigt. Der Anstieg für I1 und alle anderen Ströme kann als linear angenommen werden, da die Zeitkonstanten wesentlich größer sind als die Zeitabschnitte Tl bis T4. Die Grundbetriebsfrequenz (das ist l/(Tl + T2 + T3 + T4)) liegt im allgemeinen zwischen 30 und 100 kHz und hängt ab von
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den Schaltgeschwindigkeiten der Transistoren und der Gleichrichterdioden. Theoretisch gibt es jedoch keine Begrenzung für die Frequenz.
Der zweite Zeitabschnitt T2 beginnt, wenn die Steuerschaltung 11 den Energiequellenschalter Sl ausschaltet (der Schalter S2 bleibt noch ausgeschaltet). Wenn beide Schalter Sl und S2 offen sind und die Speicherinduktivität Ll und
fc der Speicherkondensator Cl Energie gespeichert haben, sind beide bestrebt,
ihre Energie abzugeben. Wenn die Schalter Sl und S2 offen sind, kann der Kondensator C nicht entladen werden, weil die Diode D4 nur in der Richtung entgegengesetzt zur Entladungsrichtung von C leitet. Die in der Speicherinduktivität Ll gespeicherte Energie kann entladen werden, jedoch nur über die angekoppelte Wicklung L2 und die Diode D3, da die Polarität auf der Wicklung L2 während des Zeitabschnittes T2 Stromfluß über D3 zum Verbraucher 3 bewirkt. Die Speicherinduktivität Ll und die an sie angekoppelte Wicklung L2
ι wirken auch während des Zeitabschnittes T2 immer noch als Induktivität, obr
wohl jetzt der Strom durch die Wicklung L2 statt durch die Primärwicklung Ll fließt. Die übertragung der Energie von der Speicherinduktivität Ll über die Diode D3 sperrt die Gleichrichterdioden Dl und D2 außer, wenn die Ausgangs spannung sehr klein ist, weil dann die Spannung an der Wicklung 7 ausreichen kann, um einen kleinen Strom durch die Diode D2 zu treiben.
Während des Zeitabschnittes T2 erzeugt der Magneti sie rungs strom, der in Docket KI 966 013/014
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der Wicklung 7 gespeichert ist, ein Potential, das einen Strom hervorruft, der frei durch die Serienschaltung des Kondensators C, der Diode D4, der Induktivität Ll und der Wicklung 7 fließt. Dieser Strom ist sehr klein, wie die in den Figuren 2c, 2e und 2g dargestellten Ströme i ., i7 und i zeigen. Daß ein kleiner Strom noch fließt hat seine Ursache darin, daß die Induktivität eine gewisse Trägheit hat. Der während des Zeitabschnittes Tl durch die Induktivität Ll und die Wicklung 7 fließende Strom kann also nicht ^
sofort beendet werden, wenn der Zeitabschnitt T2 durch die öffnung des Schalters Sl beginnt. Der Strom in der Speicherinduktivität Ll findet über die Kopplung einen Weg über L2 und D3. Der Magnetisierungsstrom in Wicklung 7 jedoch kann nur über die Diode D4 fließen. Wenn der Weg über die Diode D4 nicht möglich wäre, würde an der Wicklung 7 ein großer Spannungsabfall erzeugt werden, der die Ausgangsspannung stören würde. Der dritte Zeitabschnitt T3 beginnt, wenn die Regelschaltung 11 den Stromumkehr schalter Si einschaltet (Sl bleibt offen). Dadurch kann der Speicherkondensator C seine Energie über die Primärwicklung 7 des Transformators und über den Schalter S2 entladen, wodurch diese Energie zur Sekundärwicklung 8 übertragen und über die Diode Dl zum Verbraucher abgeführt wird. Da der Schalter S2 nahezu ein Kurzschluß über die speichernde Induktivität Ll und die Diode D4 ist, fließt in dem Stromkreis D4, H, S2 ein starker ungedämpfter Strom. Die Diode D3 ist durch die Wirkung des Stromes der über die Diode DE sum Verbraucher fließt, abgeschaltet.
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Der letzte Zeitabschnitt T4 ist analog dem zweiten Zeitabschnitt. Er beginnt, wenn die Steuerschaltung 11 den Schalter S2 ausschaltet (Sl bleibt offen). Wie in dem Zeitabschnitt T2 fließt unter diesen Bedingungen die Energie in der Speicherinduktivität Ll wieder über die Wicklung L2 und die Koppeldiode D3 zum Verbraucher 3 zurück, während die Energie in dem Kondensator C weiter gehalten wird. Der Strom in dem Kreis Primärwicklung 7, Kondensator C, Diode D4 ist nahezu null während des vierten Zeitabschnittes, da der Rückstrom durch die Wicklung während des dritten Zeitabschnittes den Strom im Transformator auf null oder einen kleinen negativen Wert reduziert hat. Nach dem Ende des vierten Zeitabschnittes wird der Energiequellenschalter Sl wieder leitend, so daß er eine Stromleitung von der Energiequelle 1 ermöglicht. Die Zeitabschnitte Tl bis T4 wiederholen sich in der oben beschriebenen Weise.
Die Ausgangsspannung wird auf die übliche Weise geregelt, d. h. die Dauer ψ der Energieabgabe der Energiequelle 1 unter der Steuerung der Schalter Sl
und S2, die durch die Steuerschaltung 11 eingestellt werden, bestimmt die Ausgangsspannung. Anders ausgedrückt, das Verhältnis der Perioden Tl (T2 + T3 + T4) bestimmt die Ausgangsspannung. Kompliziertere Regelungen können benutzt werden, die Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung kommt aber auch mit dieser einfachen Regelung ohne weiteres aus. Darüberhinaus kann in der Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung auch ein ein-
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fächer Begrenzungsschalter vorgesehen sein. Ein solcher Begrenzungsschalter bewirkt, daß die Schaltung im Tl-Zustand bleibt, bis ein oberer Ausgangsspannungs-Grenzwert erreicht ist. Der Zeitabschnitt Tl beginnt, wenn die Ausgangsspannung unter einen unteren Grenzwert abgesunken ist. Der Zyklus mit den Zeiten Tl, T2, T3 würde natürlich in der gleichen Weise, wie oben beschrieben, beendet werden.
Da es erwünscht ist, daß der Strom, der in den Verbraucher fließt, so gleichmäßig wie möglich ist, wird in einem vorzugsweisen Ausführungsbeiepiel das Windungsverhältnis N zwischen Ll und L2 gleich dem Windungsverhältnis der Primärwicklung 7 des Transformators T zu der halben Sekundärwicklung 8 sein. Bei dieser Auslegung wird der Strom, der von der Induktivität Ll zu dem Kreis LZ, D3 Last 3 übergekoppelt wird, der gleiche sein, wie der Strom, der der Last 3 über den Transformator zugeführt wird.
Bei der anhand der Fig. 1 beschriebenen Schaltung sind die Schalttransisto- I
ren nicht immer voll geschützt , da die primäre Speicherinduktivität Ll nicht immer in Serie mit der Primärwicklung des Transformators und dem jeweils leitenden Schalter, dem Stromquellenschalter oder dem Stromumkehrschalter liegt. Dieser Nachteil wird bei den nachfolgend beschriebenen, in den Figuren 4, 7, 8 und 9 dargestellten Schaltungen vermieden. In den Fig. 4, 7, 8 und 9 wurden für Teile, die bereits in der Schaltung nach Fig.
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vorkommen die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 1.
Die Fig. 5a bis 5j zeigen die verschiedenen Ströme, die durch die verschiedenen Teile der Schaltung gemäß Fig. 4 fließen. Im Index sind diese Ströme mit den Bezugs zeichen der zugeordneten Teile kenntlich gemacht.
Für die nachfolgende Beschreibung soll auf die Figuren 4 und 5 Bezug ge- * nommen werden. Der erste Zeitabschnitt Tl beginnt, wenn der Schalter Sl
eingeschaltet wird, während der Schalter S2 offen bleibt. Unter diesen Bedingungen wird die Spannung E der Energiequelle 1 der Serienschaltung, bestehend aus der Teilwicklung LIa, der Speicherinduktivität, der Primärwicklung 7 des Transformators T und dem Speicherkondensator C zugeführt. Wie durch die Punkte gekennzeichnet, induziert der Strom in der Primärwicklung 7 des Transformators T in der Sekundärwicklung 8 eine Spannung, die so gerichtet ist, daß die Diode D2 einen Strom durch die Klemme 4 zur Last 3 fließen . läßt. Der Strom der durch die aus dem Schalter Sl, der Spei eher induktivität LIa, der Wicklung 7 und dem Kondensator C bestehenden Schleife fließt, ist in den Fig. 2a, 2c und 2f, der Strom, der durch die Sekundärwicklung des Transformators T und die Diode D2 fließt, ist in Fig. 2 und der Strom I in der Last 3 in Fig. 2j dargestellt.
Wenn die Diode D2 leitet, ist die andere Diode Dl gesperrt. Entsprechend Docket KI 966 013/014
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wird durch die Spannung in der Sekundärwicklung L2 die der Speicherinduktivität LIa und Lib in der durch Punkte gekennzeichneten Weise zugeordnet ist, die Koppeldiode D3 gesperrt. Durch die Sperrung der Diode D3 ist die Sekundärwicklung L2 ein offener Kreis, und deshalb wirkt die Teilwicklung LIa der Speicherinduktivität als reine Induktivität. Daß in L2 und D3 kein Strom in dieser Phase fließt, ist in Fig. 5edargestellt, Während des Zeitabschnittes Tl speichern die Speicherinduktivität LIa und der Speicherkondensator C Enei'gie, die im nachfolgenden Zeitabschnitt an die Last 3 abgegeben wird. Gleichzeitig mit dieser Speicherung in LIa und C gibt der Transformator T Energie über die auf Durchlaß geschaltete Diode D2 au den Verbraucher 3 ab, wie in den Fig. 2h und 2j dargestellt.
Während des Zeitabschnittes Tl leitet der Transistor Sl zu dem die Induktivität LIa in Serie liegt. Damit wird dieser Transistor vor Überlastung geschützt. Während des Zeitabschnittes Tl liegt die Induktivität LIa außerdem in Serie zur Primärwicklung 7, durch welche Energie zur Last 3 gebracht '
wird. Die Induktivität LIa hat außerdem noch die Wirkung, daß die Energie bei der Übertragung über den Transformator T zur Last 3 gefiltert wird.
Der zweite Zeitabschnitt T2 beginnt, wenn die Steuerschaltung 1] den Energiequellenschalter Sl ausschaltet (der Schalter S2 bleibt noch ausgeschaltet). Wenn beide Schalter Sl und S2 ausgeschaltet sind und die Speicherinduktivi-
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tat Ll und der Speicherkondensator C Energie gespeichert haben, versuchen beide ihre Energie zu entladen. Da kein Entlade strom durch C fließt, wenn Sl und S2 offen sind, kann der Kondensator C nicht entladen werden, weil die Diode D4 nur in der Richtung entgegengesetzt der Entladungs richtung des Kondensators C leitend ist. Die in der Induktivität Ll enthaltene Energie kann entladen werden, jedoch nur über die Kopplungswicklung L2 und die Diode D3, da die Polarität während des Zeitabschnittes T2 an der Wicklung L2 so gerichtet ist, daß ein Strom durch die Diode D3 zur Last 3 fließen kann. Die Speicherinduktivität Ll und die an sie angekoppelte Wicklung L2 wirken auch während des Zeitabschnittes T2 immer noch nur als Induktivität, obwohl der Strom nun vom Primärkreis (nämlich Sl, LIa, 7 und C) zum Sekundärkreis besteht aus der Wicklung L2, der Diode D3, der Klemme 4 und der Last 3 übergekoppelt wird. Der Übergang vom Primärkreis zum angekoppelten Kreis ist relativ sanft, da der Strom, wenn er im Primärkreis durch Sl abgeschaltet wird, sofort auf den Sekundärkreis übergeht.
Die Übertragung der Energie von der Speicherinduktivität Ll durch die Koppeldiode D3 sperrt normalerweise die Gleichrichterdioden Dl und D2 außer, wenn eine geringe Ausgangs spannung vorhanden ist, weil dann die an der Wicklung 7 entstehende Spannung ausreichen kann, um einen kleinen Strom durch die Diode Dl zu leiten. Im Zeitabschnitt T2 erzeugt der in der Wicklung 7 und der Induktivität Ll gespeicherte Magnetisierungsstrom ein Poten-
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tial, das einen Strom hervorruft, der frei durch die Serienschaltung C, D4, LIa und 7 laufen kann. Dieser Strom ist klein, wie die Fig. 5c, 5e und 5f zeigen.
Der dritte Zeitabschnitt T3 beginnt, wenn die Steuerschaltung 11 den Stromumkehrschalter S2 (Sl bleibt offen) schließt, wodurch der Kondensator C seine Energie an den Verbraucher 3 über die Primärwicklung 7 des Transformators T, die daran angekoppelte Sekundärwicklung 8 und die Diode Dl entladen kann. Der Entladestrom des Kondensators C fließt über die Primärwicklung 7 des Transformators T, die Induktivität LIb, über den Schalter S2 und zurück zu C. Die Induktivität Lib liegt in Serie zu dem Schalter S2 und der Primärwicklung 7 des Transformators T. Die Induktivität LIb wirkt einer Überlastung des Schalters S2 entgegen und bewirkt eine Filterung der Ausgangs spannung wie vorher die Induktivität LIa.
Bei der anhand der Fig. 1 beschriebenen Schaltung liegt keine Induktivität ™
in Serie zu S2 und dem Kondensator C wenn S2 leitend ist. Der Schalter S2 bildet keinen Kurzschluß über die Speicherinduktivität LIa und die Diode D4, so daß kein großer Strom durch S2 fließen kann. Man erkennt diesen Unterschied bei einem Vergleich der Ströme durch S2 in Fig. 2b und 5b.
Die Wirkungsweise im Zeitabschnitt T4 ist analog der im zweiten Zeitab-Docket KI 966 013/014
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schnitt. Der Zeitabschnitt T4 beginnt, wenn die Steuerschaltung 11 den Schalter S2 ausschaltet (Sl bleibt weiterhin ausgeschaltet). Unter diesen Bedingungen wird der Strom durch LIb durch das Abschalten des Schalters S2 plötzlich beendet und dieser Strom fließt dem Verbraucher 3 nicht mehr über den Transformator T sondern über die Wicklung L2 und die Diode D3 zu. Am Ende des Zeitabschnittes T4 wird der Energiequellenschalter Sl wieder geöffnet, so daß der Strom weiter aus der Energiequelle 1 fließen kann. Die Zeitabschnitte Tl bis T4 wiederholen sich in der oben beschriebenen Weise.
Die Ströme, die in der Schaltung gemäß Fig. 4 fließen und in der Fig. 5 dargestellt sind, sind symmetrisch-im Gegensatz zu den unsymmetrischen Strömen der Schaltung gemäß Fig. 1, die in Fig. 2 dargestellt sind. Da es wünschenswert ist, daß der Strom im Verbraucher so gleichmäßig wie möglich bleibt, empfiehlt es sich, das Verhältnis der Windungszahlen einer Teilwicklung der Speicherinduktivität zu der an sie angekoppelten Sekundärwicklung gleich dem Windungsverhältnis des Transformators T zu wählen. Bei dieser Bemessung bleibt der Strom der zum Verbraucher übertragen wird, weitgehend konstant.
Zusätzlich können auch noch Fehlerdetektoren eingebaut werden, die eine überlastung verhindern, indem sie die Schaltung abschalten, wenn ein Fehler
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auftritt. So kann ein stromabhängiger Fehlerdetektor 20 zwischen den Schalter Sl und die Induktivität LIa eingesetzt werden. Ein ähnlicher Fehlerdetektor El ist in der Schaltung nach Fig. 4 in Serie zu dem Kondensator C vorgesehen. Beim normalen Betrieb haben die Fehlerdetektoren 20 und 21 keine Wirkung auf die Umwandlung und können ignoriert werden. Wenn ein Fehler festgestellt wird, unterbrechen die Fehlerdetektoren den Stromfluß.
Die Diode D4 in der Schaltung nach Fig. 4 ist im Gegensatz zu der Diode D4 der Schaltung nach Fig. 1 nicht wesentlich. In der Schaltung gemäß Fig. 4 wirken die Dioden D4 und D5 lediglich als Spannungskonstanthalter, um sicherzugehen, daß die Spannungen, an den Schalter S2 und Sl einen bestimmten Wert nicht überschreiten. Auf diese Weise werden die Schalter zusätzlich vor hohen Spannungen geschützt. Mit Beginn des Zeitabschnittes T2 wird beispielsweise Sl abgeschaltet, aber der Strom durch LIa und die Wicklung 7 kann nicht plötzlich abgeschaltet werden. Demzufolge wird an diesen Induktivitäten eine Spannung erzeugt, die einen Strom aufrechtzuerhalten versucht, der während der Periode Tl bestand. Da ohne die Die:*;'. rV: kfcin Siromfiuß in der Primärwicklung vorhanden wäre (der +ü oei ;.;."■:;; ;-/>: .L>2 ist schnell aber nicht plötzlich) hält die Diode D4 diese plötzlich·-· S1.Innung auf dem Wert E oder einem niedrigeren Wert. Die Diode D:> wirkt auf ähnliche Weise, wenn der Schalter S2 abgeschaltet wird und dadurch der Zeitabschnitt T4 beginnt. Die Dioden D4 und D5 verringern die Welligkeit der AusgangSr spannung.
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In Fig. 7 ist eine Halbbrückenschaltung dargestellt, deren Betrieb ähnlich der der Schaltung gemäß Fig. 4 ist. Der wesentliche Unterschied besteht in der Hinzufügung des Kondensators Cl, über den ungefähr die Hälfte des Stromes fließt, während die andere Hälfte über den Kondensator C fließt. In der Schaltung nach Fig. 4 wird dem Kondensator C der ganze Strom zugeführt. Wie in der Schaltung gemäß Fig. 4, liegt auch in der Schaltung gemäß F*g· 7 die halbe Spannung E an der Serienschaltung der Speicherinduktivität und der Primärwicklung 7 des Transformators T. An den Transistorschaltungen Sl und SZ liegt, wie in der Schaltung gemäß Fig. 4 eine maximale Spannung von der ungefähren Größe E. In der Schaltung gemäß Fig. 7 wird, obwohl das nicht direkt gezeigt ist, eine Steuerschaltung verwendet und in der gleichen Weise verbunden, wie in der Schaltung gemäß Fig. 4. Die Leitungen von den Emittern und Basen der Schalter Sl und S2 sind natürlich wie in der Schaltung nach Fig. 4 mit einer Regelschaltung verbunden.
^ In Fig. 8 ist ein Brücken-Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler gemäß
einer Weiterbildung der Erfindung dargestellt. Wie in den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Teilwicklungen LIa und LIb der Speiche rinduktivität magnetisch mit der Sekundärwicklung L2 gekoppelt. Beim Betrieb werden die Schalter Sl und S4 zusammen und die Schalter S2 und S3 ebenfalls zusammen ein- und ausgeschaltet. Während des Zeitabschnittes Tl leiten die Schalter Sl und S4 während die Schalter S2 und S3 abgeschaltet
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sind, Im Zeitabschnitt T2 sind alle Schalter offen und der Strom wird über die Induktivität L2 und die Diode D3 nach Überkopplung von LIa wie anhand der Fig. 4 beschrieben zugeführt. Während die Diode D3 und die Schalter S2 und S3 leiten, wird in der Induktivität LIb Energie gespeichert und während des Zeitabschnittes T4 über die Sekundärwicklung L2 und die Diode D3 an die Last 3 abgegeben. Die Schaltung gemäß Fig. 8 unterscheidet sich von der Schaltung gemäß Fig. 4 und der Schaltung gemäß Fig. 5 dadurch, daß die volle Eingangsspannung E über den Serientransformator und die Speicher- j
induktivität zugeführt wird, während die Schalter Sl, S3 und S4 ebenfalls nur an der gleichen Spannung E liegen. Es sei daran erinnert, daß in den Schaltungen gemäß Fig. 4 und Fig. 7 die beiden Schalter Sl und S2 an der vollen Eingangs spannung E liegen, "Ährend sie nur die Hälfte von E über den Serientransformator und die Primärwicklung der Induktivität abgeben.
In Fig. 9 ist eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers, ein Parallelwandler, dargestellt. Diese Schaltung unterscheidet sich dadurch geringfügig von der Serienschaltung, daß die Primärwicklung des Transformators in zwei T eil wicklungen 7a und 7b aufgespalten ist. Zusätzlich wird die Spannung an den Schaltern Sl und S2 auf 2E durch die Dioden D5 und D4 festgehalten. In dieser Schaltung werden nur zwei Transistorschalter verwendet, trotzdem wird die volle Spannung E an der Serienschaltung der Primärwicklung 7 des Transformators T und
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der Spei eher induktivität erhalten. Allerdings werden beide Transistoren einer maximalen Spannung von 2E statt E bei der Brückenschaltung unterworfen, die vier Transistoren verwendet.
Die Schaltungen gemäß der Figuren 7, 8 und 9 arbeiten alle nach dem Prinzip der Schaltung gemäß Fig. 4. Dieses Prinzip besteht darin, daß zu jedem leitenden Transistor immer eine Induktivität und eine Primärwicklung des Transformators in Serie liegt. Alle diese Ausführungsbeispiele haben daher eine erhöhte Fehlersicherheit, liefern eine glattere Ausgangs spannung und bewirken eine Glättung der Ausgangs spannung.
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Claims (8)

  1. Patentansprüche
    J Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler mit einem Schalter, der die Energiequelle intermittierend mit der Primärwicklung eines Transformators verbindet, mit einer Stromumkehr schaltung, die die Stromrichtung in der Primärwicklung des Transformators umkehrt und Gleichrichtern zwischen der Sekundärseite des Transformators und der Last, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zu dem Stromquellenschalter (Sl) M
    und der Primärwicklung (7) des Transformators (T) eine Speicherinduktivität (Ll) eingeschaltet ist, daß daran eine Sekundärwicklung (L2) angekoppelt ist, die über einen Gleichrichter (D3) zu Zeiten (T2, T4), zu denen der Stromquellenschalter (Sl) und der Stromumkehr schalter geöffnet sind, Energie an die Last (3) abgibt.
  2. 2. Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler nach Anspruch 1, bei dem der Transformator (T) eine in zwei Teilwicklungen unterteilte Sekundärwicklung (8) aufweist, deren Mittelanzapfung mit dem ersten Anschluß (4') der Last (3) verbunden ist und deren andere Anschlüsse über je eine Diode (Dl, D2) mit dem zweiten Anschluß (4) der Last (3) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der an die Speicherinduktivität (21) angekoppelten Wicklung (22) mit dem ersten Anschluß (4') und das andere Ende über eine Diode (D3) mit dem zweiten Anschluß der Last (3) verbunden ist.
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  3. 3. Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler mit einer Steuerschaltung zum Umschalten des Energiequellenschalters und der Stromumkehrschaltung nach eie da Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung den Stromquellenschalter (Sl) einschaltet, wenn die Aus gang sgleichspannung (£) unter einen unteren Grenzwert abgefallen ist und ausschaltet, wenn sie einen oberen Grenzwert überschreitet.
  4. 4. Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherinduktivität in zwei Teilwicklungen (LIa, LIb) aufgeteilt ist, daß die erste Teilwicklung (LIa) in Serie zu dem Stromquellenschalter (Sl) und der Primärwicklung (7) des Transformators (T) und die zweite Teilwicklung (LIb) in Serie zu der Stromumkehr schaltung (S2, C) und der Primärwicklung (7) des Transformators (T) geschaltet ist.
  5. 5. Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler, dessen Stromumkehr schaltung aus einem Kondensator in Serie zur Primärwicklung des Transformators und einem Stromumkehrschalter besteht, der den Entladekreis des Kondensators mit der Primärwicklung des Transformators schließt, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verbindungspunkt des Kondensators (C) mit der Primärwicklung (7) des Transformators (T) und den einen Anschluß der Energiequelle (1)
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    ein zweiter Kondensator so eingeschaltet ist, daß beide Kondensatoren
    liegen in Serie parallel zur Energiequelle (l)/und daß die Kapazitäten der beiden Kondensatoren (C, Cl) gleich sind.
  6. 6. Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen brückenartigen Aufbau derart, daß der Stromquellenschalter (Sl) und der Stromrichtungsumkehr schalter (S2) in zwei parallelen Zweigen, die Primärwicklung (7), den Transformator (T) im Querzweig und je eine Teilwicklung (LIa, LIb) der Speicherinduktivität in Serie mit je einem weiteren Schalter (S3, S4) in den übrigen zwei Zweigen liegen und daß jeweils die zwei-4e» in gegenüberliegenden Zweigen der Brücke liegenden Schalter (Sl, S4 oder S2, S3) gleichzeitig geöffnet werden, so daß der Strom von der Energiequelle (1) je nachdem welches Schalterpaar (Sl, S4 oder S2, S3) geöffnet ist, in der einen oder der anderen Richtung durch die Primärwicklung (7) des Transformators (T) fließt. i
  7. 7. Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler bei der die Primärwicklung des Transformators (T) in zwei Teilwicklungen (7a, 7b) aufgespalten ist, die über je einen Schalter wechselweise an die Energiequelle angeschaltet werden, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Teilwicklungen (7a, 7b) der Primärwicklung des Transformators (T) mit je
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    einer Teilwicklung (LIa, Lib) der Spei eher induktivität in Serie liegt.
  8. 8. Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Windungsverhältnis (N) zwischen den jeweils wirksamen Wicklungen (Ll, L2) oder T eil wicklungen (LIa, Lib) von Speicherinduktivität (Ll) und angekoppelter Wicklung (L2) gleich dem Windungsverhältnis (N) zwischen den jeweils wirksamen Wicklungen (7, 8) oder Teilwicklungen (7a, 7b, 8a, 8b) des Transformators (T) ist.
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