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Die
Erfindung betrifft einen Spannungswandler mit einer selbstschwingenden
Brückenschaltung aus
mindestens zwei in mindestens einem Brückenzweig angeordneten im Gegentakt
gesteuerten Halbleiterschaltern, einem Lasttransformator und einem
Steuertransformator, dessen Primärwicklung
in Reihe mit der Primärwicklung
des Lasttransformators geschaltet ist und dessen Sekundärwicklungen
mit Steuereingängen
der Brückenschaltung
verbunden sind, wobei der Steuertransformator eine weitere Wicklung
aufweist, die an eine Sekundärwicklung des
Lasttransformators angeschlossen ist, und wobei ein Stromsensor
zur Erfassung eines Kurzschlusses und/oder einer Überlastung
vorgesehen ist, dessen Ausgang mit einer Schaltung zum Kurzschließen einer
Sekundärwicklung
eines der Steuertransformatoren verbunden ist (
GB 2 154 386 A ).
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Derartige
Spannungswandler sind beispielsweise bekannt aus
DE 26 24 566 C2 . Die selbstschwingende
Brückenschaltung
wird dabei als sogenannte Halbbrücke
ausgeführt,
bei der zwei Halbleiterschalter, vorzugsweise Transistoren, im Gegentakt angesteuert
werden. Ein weiterer nicht geschalteter Brückenzweig wird dann von zwei
Kondensatoren mit parallelgeschalteten Dioden gebildet.
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Bei
den bekannten erfindungsgemäßen Spannungswandlern
ist zwar ein sicheres Schwingen bei gutem Wirkungsgrad weitgehend
unabhängig von
der Art der Last – ob
beispielsweise Glühlampen mit
Wechselspannung oder elektronische Schaltungen mit Gleichspannung
versorgt werden. Die Leistung dieser bekannten Spannungswandler
ist jedoch, insbesondere durch die Belastbarkeit der Halbleiterschalter,
begrenzt.
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Ferner
sind Wandler mit zwei geschalteten Brückenzweigen bekannt, wobei
der Wandler gemäß der gattungsbildenden
US 4,908,754 zwei Steuertransformatoren
aufweist, deren Primärwicklungen
in Reihe mit der Primärwicklung
des Lasttransformators geschaltet sind. Dieser Wandler ist dazu
ausgelegt, die ungeglättete
Ausgangsspannung eines Vollwellengleichrichters in Spannungsimpuls
umzuwandeln, wobei der Wandler nicht selbsttätig bei jeder Halbwelle anschwingt,
sondern durch einen zugeführten Impuls
getriggert wird, so daß durch
Verschieben des Impulses der Mittelwert der Ausgangsspannung gesteuert
werden kann.
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Beim
Betrieb von Spannungswandlern der bekannten Art sind jedoch Überlastungen
durch eine zu hohe Stromentnahme nicht auszuschließen, die selbst
bei nur kurzzeitigem Auftreten zu Beschädigungen oder Zerstörung des
Spannungswandlers führen
können.
Es ist daher beispielsweise durch
GB 2 154 386 A eine Schutzschaltung bekanntgeworden,
bei der eine direkt mit der Basis-Emitterstrecke eines der Leistungstransistoren
verbundene Sekundärwicklung
eines Steuertransformators eines Halbbrückenwandlers im Überlastungsfall
kurzgeschlossen wird. Dabei sind relativ hohe Ströme bei geringen Spannungen
zu schalten, beispielsweise 0,3A bei 0,6V. Dies erfordert zwei Transistoren
mit relativ hohem zulässigen
Strom und birgt die Gefahr, daß der Leistungstransistor
im Kurzschluß- und Überlastungsfall
nicht schlagartig abgeschaltet wird, wodurch der Leistungstransistor
zerstört
werden kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Abschaltung in sehr kurzer Zeit zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß beide
Enden der einen Sekundärwicklung über je eine
Diode, vorzugsweise eine Schottky-Diode, und über einen weiteren Halbleiterschalter
mit einer Mittelanzapfung der einen Sekundärwicklung verbindbar sind,
wobei der weitere Halbleiterschalter von dem Stromsensor steuerbar
ist, und daß eine
weitere Anzapfung der einen Sekundärwicklung an einen Steuereingang
der Brückenschaltung
angeschlossen ist.
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Der
erfindungsgemäße Spannungswandler läßt sich
mit Erfolg für
verschiedene Anwendungsgebiete einsetzen, beispielsweise als Netzgerät für Computer.
Dabei macht sich in vorteilhafter Weise der kostengünstige und
raumsparende Aufbau des erfindungsgemäßen Spannungswandlers bemerkbar,
wobei die wenigen erforderlichen Bauteile überwiegend aufgrund ihrer Massenproduktion
preiswerte Standardbauteile sind.
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Da
die Transistoren im erfindungsgemäßen Spannungswandler im nahezu
verlustlosen Zustand geschaltet werden, besitzt der erfindungsgemäße Spannungswandler
einen sehr hohen Wirkungsgrad, der im allgemeinen weit über 90%
liegt. Somit treten keine wärmetechnischen
Probleme auf, so daß bei kleinen
Leistungen auf Kühlkörper ganz
verzichtet werden kann.
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Ferner
können
durch die verhältnismäßig geringe
Netzrückwirkung
eingangsseitige Filter sowohl billiger als auch kleiner ausgeführt werden.
Schließlich
kommt der erfindungsgemäße Spannungswandler
durch die Kompaktheit und die geringe Netzrückwirkung den mit der Zeit
strenger werdenden Vorschriften bezüglich der elektromagnetischen
Verträglichkeit
entgegen.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der zweite Brückenzweig
mindestens zwei im Gegentakt über
einen weiteren Steuertransformator gesteuerten Halbleiterschalter
aufweist, dessen Primärwicklung
mit der Primärwicklung
des Lasttransformators in Reihe geschaltet ist und der eine weitere Wicklung
aufweist, die in Reihe mit der weiteren Wicklung des Steuertransformators
und der einen Sekundärwicklung
des Lasttransformators geschaltet ist.
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Bei
einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung ist vorgesehen, daß die weiteren
Wicklungen der Steuertransformatoren über einen Widerstand an die
eine Sekundärwicklung
des Lasttransformators angeschlossen sind. Diese Maßnahme dient
zur Begrenzung der Wirksamkeit der weiteren Wicklung, so daß bei höheren Belastungen
die Rückkoppelung wie
bei den bekannten Spannungswandlern erfolgt. Dabei wird durch den
Widerstand zwar eine zusätzliche
Verlustleistung umgesetzt, was bei vielen Anwendungsfällen wegen
des geringen Preises des Widerstandes in Kauf genommen werden kann.
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Demgegenüber besteht
eine andere Ausgestaltung darin, daß die weiteren Wicklungen der Steuertransformatoren über eine
Drosselspule an die eine Sekundärwicklung
des Lasttransformators angeschlossen sind. Dem höheren Preis der Drosselspule
im Vergleich zu einem Widerstand ist der Vorteil eines etwas höheren Wirkungsgrades
entgegenzusetzen. Außerdem
erhält
bei der Verwendung einer Drosselspule die durch die zusätzliche
Wicklung bewirkte Rückkoppelung
eine günstigere
Phasenlage.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung des weitergebildeten Spannungswandlers
ist vorgesehen, daß die
weiteren Wicklungen, die eine Sekundärwicklung und ein dazwischen
geschalteter Widerstand oder eine dazwischen geschaltete Drosselspule
derart bemessen sind, daß die
zum Schwingen benötigte Rückkopplung
bei geringer Last im wesentlichen über die weiteren Wicklungen,
bei großer
Last über die
Primärwicklungen
erfolgt. Dabei hat es sich für die
meisten Anwendungsfälle
als vorteilhaft herausgestellt, wenn ein Übergang der Rückkopplung
von den weiteren Wicklungen auf die Primärwicklungen zwischen 10% und
30% der Nennlast erfolgt.
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Zur
Erzielung eines bei verschiedenen Lastfällen sicheren Schwingens sind
bei einem anderen bekannten Wandler (
DE 28 29 546 A1 ) sowohl eine Strom- als auch
eine Spannungsrückkopplung über einen
Steuertransformator vorgesehen. Dieser Wandler ist jedoch völlig symmetrisch
aufgebaut, so daß Schwierigkeiten
beim Anschwingen nicht auszuschließen sind.
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Eine
andere Weiterbildung behebt diesen Nachteil dadurch, daß zum Anschwingen
nach dem Anlegen der Betriebsspannung jeweils eine Reihenschaltung
aus einem Kondensator und einer bezüglich der Betriebsspannung
in Durchlaßrichtung
gepolten Diode parallel zu zwei diagonal gegenüberliegenden Halbleiterschaltern
angeordnet ist.
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Diese
Weiterbildung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, daß mit den
Kondensatoren ferner jeweils ein Widerstand in Reihe geschaltet
ist und daß diesen
Reihenschaltungen je ein Entladewiderstand parallelgeschaltet ist.
Dabei begrenzen die in Reihe geschalteten Widerstände den
Stromfluß beim
Einschalten, während
die parallelgeschalteten Widerstände
die Kondensatoren nach dem Ausschalten entladen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers
und
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2 ein Schaltbild eines weiteren
erfindungsgemäßen Spannungswandlers.
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Beiden
Schaltungen ist über
Eingangsklemmen 1, 2 Netzspannung zuführbar, die
mit Hilfe eines Graetz-Gleichrichters 3 gleichgerichtet
wird und über eine
Sicherung 4 und über
einen Strommeßwiderstand 5 der
Brückenschaltung
zuführbar
ist.
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Die
Brückenzweige
bestehen aus jeweils zwei Transistoren 10, 11 bzw. 6, 7 und
diesen parallel geschalteten Dioden 12, 13 bzw. 8, 9.
In der Brückendiagonale
liegt eine Reihenschaltung aus der Primärwicklung 14.1 eines
Lasttransformators 14, der Primärwicklung 15.1 eines
ersten Steuertransformators 15, der ferner über zwei
Sekundärwicklungen 15.2, 15.3 verfügt und der
Primärwicklung 36.1 eines
zweiten Steuertransformators mit Sekundärwicklungen 36.2 und 36.3.
Die Sekundärwicklungen 15.2, 15.3 sind
mit je einem Widerstand 16, 17 sowie den Basisanschlüssen der
Transistoren 10, 11 verbunden. Parallel zur Basis-Emitter-Strecke
des Transistors 11 befindet sich eine Reihenschaltung aus
einem Diac 22 und einem Kondensator 23, die zusammen
mit einer Diode 24 und einem Widerstand 25 ein
Anschwingen nach dem Einschalten bewirkt. Über einen Widerstand 21 wird
der Anschwingschaltung Strom zugeführt. Die Sekundärwicklungen 36.2, 36.3 sind
mit je einem Widerstand 42, 43 sowie den Basisanschlüssen der
Transistoren 7, 6 verbunden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Spannungswandler
gemäß 1 weist der Steuertransformator 15 eine
weitere Primärwicklung 15.4 auf.
Diese und eine weitere Primärwicklung 36.4 des
Steuertransformators 36 sind über einen Widerstand 30 mit
einer zusätzlichen
Sekundärwicklung 14.3 des
Lasttransformators 14 verbunden. Ausgangsseitig ist der Spannungswandler
mit einer symmetrischen Sekundärwicklung 14.2,
Gleichrichterdioden 31, 32 und einem Ladekondensator 33 versehen,
von denen Gleichspannung einer Last, die schematisch als Widerstand 34 dargestellt
ist, zugeführt
werden kann.
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Beim
Einschalten des Spannungswandlers nach 1 wird der Transistor 11 über die
Anlaufschaltung 21 bis 25 durchgeschaltet. Dabei
fließt
ein hoher Strom durch die Primärwicklungen 15.1 und 36.1 der
Steuertransformatoren 15 und 36. Dieser Strom
induziert in den Sekundärwicklungen 15.2 bzw. 36.2 eine
Spannung, die die Transistoren 10 und 7 in den
leitenden Zustand schaltet und die Transistoren 11 und 6 sperrt.
Zur weiteren Unterstützung des
Anschwingens ist eine aus einem Kondensator 48, zwei Widerständen 49, 51 und
einer Diode 50 bestehende Schaltung vorgesehen, die im
Zusammenhang mit 2 noch
näher erläutert wird.
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Durch
den ersten durch das Leitendwerden des Transistors 11 bedingten
Strom wird in der zusätzlichen
Sekundärwicklung 14.3 eine
Spannung induziert, die über
den Widerstand 30 einen Strom in den Wicklungen 15.4 und 36.4 der
Steuertransformatoren 15, 36 zur Folge hat. Da
die Brückenschaltung während des
folgenden Betriebes nun spannungsgesteuert ist und somit erhöhte Verluste
aufweist, ist der Widerstand 30 so dimensioniert, daß beim kleinstmöglichen
Strom durch die Wicklungen 15.4 und 36.4 der Spannungswandler
im Leerlauf noch anläuft.
Bei Belastung des Spannungswandlers ist der Strom durch die Wicklungen 15.1 und 36.1 der
Steuertransformatoren 15, 36 wesentlich höher als
der Strom durch die Wicklungen 15.4 und 36.4,
so daß dieser dann
für die
Steuerung der Brückenschaltung
maßgebend
ist. Somit entstehen unter Last die bei selbstschwingenden Spannungswandlern
dieser Art üblichen
geringen Verluste.
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Zur
Realisierung der Kurzschlußfestigkeit
ist bei dem Spannungswandler ein Stromsensor 35 vorgesehen,
der einen Transistor 36 in den leitenden Zustand steuert,
wenn der Spannungsabfall über
dem Strommeßwiderstand 5 eine
vorgegebene Größe überschreitet.
Die Sekundärwicklung 15.3 weist
eine Mittelanzapfung auf, die mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle
verbunden ist. Die Enden der symmetrisch ausgebildeten Wicklung 15.3 sind über je eine
Schottky-Diode 37, 38 mit dem Kollektor des Transistors 36 verbunden.
Wird dieser leitend, so wird die Wicklung 15.3 praktisch
kurzgeschlossen, wobei dieses für
jeweils eine Halbwelle über
die obere und über
die untere Hälfte
der Wicklung 15.3 erfolgt. Eine Anzapfung der Wicklung 15.3,
die so viele Windungen von der Mittelanzapfung "entfernt" ist, wie die Wicklung 15.2 Windungen
aufweist, ist mit dem Basisanschluß 19 des Transistors 11 verbunden.
Durch den Kurzschluß der
Wicklung 15.3 unterbleibt die Ansteuerung der Transistoren 10, 11,
so daß im
Kurzschlußfall
weder durch den Lasttransformator 14 noch durch die Transistoren 10, 11, 6, 7 Strom
fließt.
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Zum
Anschwingen nach dem Einschalten sind bei der Schaltungsanordnung
nach 2 die Transistoren 6, 11 von
jeweils einer Schaltung überbrückt, die
je einen Kondensator 44, 48 und eine Diode 46, 50 enthält. Beim
Einschalten werden über
die Dioden 46, 50 die Kondensatoren 44, 48 aufgeladen. Der
dabei entstehende Stromstoß bewirkt
wie bei der Schaltungsanordnung nach 1 das
Anschwingen. Dabei dienen Widerstände 45, 49 zur
Begrenzung des Stroms. Damit die Kondensatoren nach dem Ausschalten
des Spannungswandlers wieder entladen werden, sind Entladewiderstände 47, 51 vorgesehen,
die derart große
Werte aufweisen – beispielsweise
1 MΩ –, daß der Wirkungsgrad
des Spannungswandlers dadurch nicht beeinträchtigt wird.