DE2030547A1

DE2030547A1 - Gleichspannungsregler mit mehreren Ausgangen

Info

Publication number: DE2030547A1
Application number: DE19702030547
Authority: DE
Inventors: Canoga Park Farnsworth Robert P Los Angeles Cahf Dahhnger Rodney J (VStA)
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1969-07-22
Filing date: 1970-06-20
Publication date: 1971-02-11
Also published as: IL34693A; SE357633B; US3569818A; NL7009838A; IL34693A0

Description

Anmelderin: Stuttgart, den 18. Juni 1970

Hughes Aircraft Company P 2148 Z/kg

Centinela Avenue and

Teale Street . . ■

Culver City, Calif,, V.St.A. . _;

Gleichspannungsregler mit mehreren Ausgängen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungsregler mit mehreren geregelten Ausgängen und einer mit seinem Eingang verbundenen, ungeregelten Gleichspannungsquelle.

Bei einem herkömmlichen Gleichspannungsregler, der im allgemeinen als pulsdauer-modulierter Regler bezeichnet wird, arbeitet ein Schalter in Abhängigkeit von dem

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Vergleich einer gesiebten Ausgangsspannung mit einer Bezugsspannung· Die den Schalter betätigenden Impulse sind periodisch und hinsichtlich ihrer Breite oder Dauer (Tastverhältnis) proportional zur Differenz zwischen Ausgangs- und Bezugsspannung moduliert.

Während solche pulsdauer-modulierten Regler zur Erzeugung einzelner Ausgangsspannungen in großem Umfange verwendet werden, konnte ein einziger impulsdauer-modulierter Regler bisher nicht dazu verwendet werden, eine ungeregelte Spannung in eine Vielzahl verschiedener Ausgangsspannungen gleicher oder verschiedener Polarität umzuformen, von denen jede über einen großen Variationsbereich der Eingangsspannung stabil ist· Statt dessen wurden Schalter mit festen Tastverhältnissen benutzt, um die Eingangsspannung unter Verwendung eines Transformators mit einer Vielzahl von Sekundärwicklungen, nämlich je einer mit einem geeigneten Gleichrichter und Sieb für jede Ausgangsspannung, in eine Vielzahl von ungeregelten Spannungen umzuformen.

Die Pulsdauer-Modulation wurde auch schon zum Regeln einer Vielzahl von Ausgangsspannungen benutzt, und zwar unter Verwendung eines magnetischen Verstärkers zur Modulation, des Taktverhältnisses eines stabilen Oszillators, der die Eingangsschalter eines Transformators treibt, in Abhängigkeit vom Vergleich einer Ausgangsspannung mit einer Bezugsspannung. Jedoch ist der Wirkungsgrad solch eines Reglers sowohl im Hinblick auf die Herstellungskosten als auch hinsichtlich der Arbeitsweise gering, weil ein stabiler Oszillator und Einrichtungen zur Modulation des Tastverhältnisses bei jeder Halbwelle des Ausgangssignales des Oszillators benötigt werden·

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Demßemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bekannten Regler zu vermeiden und einen Gleichspannungsregler zu schaffen, der mit einfachen Mitteln eine wirkungsvolle Regelung einer Vielzahl von Ausgangs-Gleichspannungen in einem weiten Änderungsbereich der Eingangs-Gleichspannung ermöglicht. ·

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß er einen eine Primärwicklung und mehrere Sekundärwicklungen aufweisenden Transformator, einen Schalter, | der mit der ungeregelten Gleichspannungsquelle und der Primärwicklung in Reihe liegt, Gleichrichter und Siebe, ' . ' die mit den Wicklungen verbunden sind, und ferner eine Vorrichtung zum Vergleichen einer der geregelten Spannungen mit einer Bezugsspannung umfaßt, die ein Schließen des Schalters bewirkt, wenn diese eine der geregelten Spannungen unter die Bezugsspannung fällt. ^

Bei dem erfindungsgemäßen Regler erzeugt die Vielzahl von Sekundärwicklungen eine Vielzahl von verschiedenen, geregelten Ausgangsspannungen. Der mit der Primärwicklung, der ungeregelten Spannungsquelle und der ausgewählten geregelten Ausgangsspannung in Reihe angeordnete Schalter I wird mit Hilfe der Vergleichsvorrichtung geschlossen, um die ausgewählte Ausgangsspannung immer dann zu erhöhen, wenn sie unter die Bezugsspannung abfällt. Wird die ausgewählte Ausgangsspannung über die Bezugsspannung erhöht, veranlaßt die Schaltvorrichtung, daß der vorzugsweise von einem Transistor gebildete Schalter wieder geöffnet wird. Dioden richten die Ströme in den Sekundärwicklungen, die

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beim öffnen des Schalters auftreten, gleich, damit mit diesen Strömen Siebschaltungen aufgeladen werden· Die Primärwicklung oder eine der Sekundärwicklungen, je nachdem, welche für die Regelung der ausgewählten Ausgangs spannung vorgesehen ist, wird bei offenem Schalter an den vorhergehend erhöhten Wert der ausgewählten Ausgangsspannung festgeklemmt. Dieses Festklemmen erzeugt an jeder Siebschaltung, die mit einer Sekundärwicklung verbunden ist, eine geregelte oder stabilisierte Span-_Ä nung, die zu der Klemmspannung in einem durch das Win- ^ dungsverhältnis gegebenen Verhältnis steht und verhilft dazu, die ausgewählte Ausgangsspannung während desjenigen Abschnittes der Schaltperiode aufrecht zu erhalten, während der der Schalter offen ist.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in befe liebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Pig. 1 das schematische Schaltbild einer ersteh Äusführungsform und .--.-ir..-^.

• *

Fig. 2 das schematische Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

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Bei dem Gleichspannungsregler nach Fig. 1 ist ein NPN-Transistor CL· als Serienschalter zwischen eine Quelle 10 einer ungeregelten GleichspannunE E. und die Primärwicklung P,. eines Transformators T,. geschaltet. Solange der Transistor CL· eingeschaltet ist, fließt Strom durch die Primärwicklung zum Kondensator 11, der aufgeladen wird, und zu einem Punkt E^ angeschlossene-Verbraucher· Gleichzeitig besitzen die Spannungen, die in den Sekundärwicklungen S^ bis S^ induziert werden, eine Polarität, bei der die Dioden D^ bis D^ gesperrt sind. Da die Sekundärwicklungen keinen Strom liefern, ist der Strom in der Primärwicklung induktiv, d.h., er ist durch die Selbstinduktivität der Primärwicklung bestimmt, und es liefern Kondensatoren 12, 13 und 14-Ströme an Verbraucher, die an den entsprechenden Spannungen Eg, E^ und E^ anliegen.

Wenn der induktive Strom in der Primärwicklung die Spannung E^. an dem Kondensator 11 in genügendem Maße erhöht hat, schaltet ein Spannungsvergleicher 15 über einen PNP-Transistor Qg den Transistor 'Q^ ab. Der Rückstrom, der in der Primärwicklung durch den zusammenbrechenden Fluß induziert wird, treibt die Spannung E„ an der Diode Dr in negative Richtung. Da diese Spannung Ε_χ die Spannung E/j unterschreitet, wird die Polarität der Spannungen an den Sekundärwicklungen umgekehrt· Die Rückspannungen werden aufgebaut, bis eine oder mehrere der Dioden J)*, Dp und D^ in Durchlaßrichtung beaufschlagt sind und die Kondensatoren 12, 13 und 14 aufgeladen werden. Auch die Diode Dr wird dann in Durchlaßrichtung beaufschlagt und bildet einen Strompfad für den induktiv erzeugten Strom in der Primärwicklung.

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Zu dem Zeitpunkt, in dem der Transistor Q,. abgeschaltet ist, gilt für die Primärwicklung des Transformators T_-1 die folgende Strombeziehung:

Vp - Vp ⁺ Vä-i ⁺ N₈₂ ¹S₂ ⁺ N₃₃ ¹S₅.

Dabei ist I der Primärstrom zum Zeitpunkt vor und I der Primärstrom zum Zeitpunkt nach dem Abschalten des Transistors (L·· Die Ausgangsspannung, die um den größten Prozentsatz gegenüber dem Nennbetrag der stabilisierten Spannung abgefallen ist, wird zunächst den gesamten Strom ziehen, bis sie soweit angewachsen ist, daß einer oder mehrerer der anderen in Durchlaßrichtung beaufschlagt werden. Wenn alle Dioden in Durchlaßrichtung beaufschlagt sind, ergeben sich die folgenden Spannungsbeziehungen:

Aus diesen Spannungsbezxehungen ist zu ersehen, daß die Spannungen E₂, E, und E^, indirekt stabilisiert werden, wenn die Spannung E_x. direkt stabilisiert wird, und zwar auf einen Wert, der ihrem Windungsverhältnis in bezug auf die Primärwicklung abzüglich des Spannungsabfalls an der Diode entspricht. Wenn der induktive Strom in der Primärwicklung P^ unter einen Wert abgefallen ist, bei dem er die Ausgangsspannung E auf dem Niveau der Bezugsspannung hält, wird der Transistor Q_x, geschlossen und der Zyklus wiederholt. Die Bezugsspannung kann z.3.

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+6 V betragen und mit Hilfe einer Zener-Diode Dg, die über einen Widerstand 16 mit der ungeregelten Spannung von +24 V verbunden ist, erzeugt werden.

Die gewünschte Spannungsregelung kann aufrechterhalten werden, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

P₁- E₁I₁; P₂ - E₂I₂-, P₃ - E₃I₃; P₄ - E₄I₄ P_T - P₁ +P₂₊P₃₊P₄ P₀-P_{2 +} P_{3 +} P₄ d τ_Λ. ^₂

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Dabei ist Ρ« die Gesamtleistung der an die Spannungen E,. "bis E^, angeschlossenen Verbraucher, P_Q-die an .Verbraucher gelieferte Ausgangsleistung ohne die an den Spannungsvergleicher gelieferte, F, das Tastverhältnis des Schalters, ausgedrückt als das Verhältnis der Zeit t,., während der der Transistors Q,- leitend ist, zu der Gesamtzeit, zu der der Transistor leitend und gesperrt ist, wobei^2 die Zeit ist, zu der der Transistor Q^ gesperrt ist, und I^ der durch den leitenden Transistor CL fließende Strom· Die Anzahl der Sekundärwicklungen und der zusätzlichen Ausgangsspannungen ist lediglich durch die oben genannten Leistungsbeziehungen und durch die im herkömmlichen Transformatorbau bekannten Beschränkungen begrenzt.

Wenn der Transistor CL leitend ist, sollte er, damit er mit dem größten Wirkungsgrad arbeitet, gesättigt seiji, jedoch ist dann das₍ Basispotential höher als das Kollektorpotential. Um das Steuern des Transistors CL bis- «ur Sät^i-gung.

ein Differenzverstärker mit einem Ausgang sein kann, zu erleichtern, ist der Emitter des komplementären Transistors Qg mit einem Siebkondensator 17 verbunden, der mit einer Diode D^ in Reihe parallel zur Wicklung S^ liegt und so eine Zusatzspannung schafft, die dann, wenn sie zu der Eingangsspannung E. hinzugefügt wird, der Basis des Transistors CL eine genügend hohe Spannung über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors Qp zuführt· Ein Widerstand 18, der beispielsweise 1 kil sein kann, erleichtert das Schalten des Transistors Q~· Wenn dieser leitend ist, bilden Widerstände 19 und 20 einen Spannungs

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teiler, mit dessen Hilfe die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q>. in Durchlaßrichtung vorgespannt wird· Im Hinblick auf den Wirkungsgrad werden diese Widerstände relativ klein gewählt, beispielsweise 10 bzw. 20 Ohm·

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird der Schalter wie in der Ausführungsform nach Fig. 1 von seinem NPN-Transistor Q, gebildet und ist in Reihe zwischen die Primärwicklung P₂,. eines Transformators T2 und eine Aus gangs spannung E_2>. geschaltet, deren Größe durch das I Windungsverhältnis einer Sekundärwicklung 82* zur Primärwicklung P₂i "bestimmt ist. Ein Spannungsvergleicher 25 vergleicht die Spannung E₂,. mit einer Bezugsspannung, die von einer Zener-Diode D₂^ erzeugt wird, welche über einen Widerstand 26 mit einer ungeregelten Gleichspannungsquelle 27 verbunden ist. Ein Gegentaktverstärker 28 bewirkt dann das Schalten des Transistors Q^, Auf diese Weise ist die Sekundärwicklung S₂,. des Transformators T₂ auf der vorher stabilisierten Spannung E₂,. festgeklemmt, die dazu dient, eine Vielzahl von Spannungen E^ bis E₂^ zu.stabilisieren, ohne daß· eine Zusatzwicklung verwendet werden muß, da der Emitter des Transistors Q^ an einer λ Von einem Siebkondensator 29 gespeicherten Spannung von beispielsweise +6 V angebunden ist·

Eine Sekundärwicklung S₂₂» die die gleiche Windungszahl aufweist wie die Wicklung S₂.-, ist mit einer Diode D₂,, in Reihe geschaltet, so daß die Spannung an der Sekundärwicklung Sg₂ ^mi* ^der geregelten Spannung E_2<1 in Reihe geschaltet wird und die Ausgangsspannung E₂₂ an der Sekundärwicklung S₂₂ einen Wert von +12 V hat· Es können

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ferner geregelte Spannungen von -6 V und -12 V mit in ähnlicher Weise in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen— S05 und S24. erzeugt werden.

Aus den vorstehend beschriebenen, bevorzugten Ausi'ührungsformen der Erfindung ist es ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung einen leistungsfähigen Stabilisator für eine Vielzahl von Gleichspannungen schafft, indem sie eine der Ausgangsspannungen zum Vorspannen und damit zum An- und Abschalten eines Reglerschalters verwendet, und daß der Reglerschalter ohne einen Verlust an Wirkungsgrad bei höheren Frequenzen betrieben werden kann. Jede erzeugte Gleichspannung ist über einen großen Änderungsbereich der Eingangsspannung konstant.

Wenn auch spezielle Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beschrieben wurden, versteht es.sich, daß zahlreiche Abwandlungen gegenüber den dargestellten Ausführungsbeispielen möglich sind, ohne den durch die Ansprüche gesteckten Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims

Patentansprüche

Y1.)Gleichspannungsregler mit mehreren geregelten Ausgangen und einer mit seinem Eingang verbundenen, ungeregelten Gleichspannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß er einen eine Primärwicklung (P₁; P^) und mehrere Sekundärwicklungen (S,. bis S^; S₂₁ bis ß₂^) aufweisenden Transformator (T₁; T₂) einen Schalter (Q₁»' Qx) ι ^{dor ni-t der} ungeregelten Gleichspannungsquelle (10; 27) und der Primärwicklung (P₁; P₂₁) in f

Reihe liegt, Gleichrichter (D^ bis D^; D₂₁) und Siebe (11 bis 14·; 29), die mit den Y/icklungen verbunden . sind, und ferner eine Vorrichtung (15; 25) zum Vergleichen einer der geregelten Spannungen mit einer Bezugsspannung umfaßt, die ein Schließen des Schalters (Q^i Qx) bewirkt, wenn diese eine der geregelten Spannungen unter die Bezugsspannung fällt.
2. Gleichspannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein die eine der ^eTes^^^^^-^r^^" nungen erzeugendes Sieb (11; 29), dem bei geschlossenem Schalter (Q^; Q^) über die Primärwicklung (P^; P₂₁) ein Ladestrom zugeführt wird, mit der Primär- |

wicklung (P^; P₂₁) in Reihe geschaltet ist und daß die weiteren Siebe, denen bei offenem Schalter (Q₁; Qv) ein induktiver Strom über die Sekundärwicklungen zugeführt wird, mit den Sekundärwicklungen (S_x. bis S^; S₂^) verbunden sind.
3. Gleichspannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen (S_x. bis S.) mit der Primärwicklung (P₁) in Reihe geschaltet sind

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und daß die mit der Sekundärwicklung verbundenen Gleichrichter (D,. bis D^) zwischen jeder der Sekundärwicklungen und dem an ihrem der Primärwicklung abgewandten Ende angeschalteten Sieb angeordnet sind.
4·. Gleichspannungsregler nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß einige der Sekundärwicklungen (S,]) mit dem einen Ende und einige der Sekundärwicklungen (S^, S,) mit dem anderen Ende der Primärwicklung (P^) in Reihe geschaltet sind.
5· Gleichspännungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er eine mit dem Schalter (Q^ % Qx) verbundene Steuervorrichtung (Q£> 28) aufweist.
6. Gleichspannungsregler nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung eine Zusatz-Sekundärwicklung (S^.) des Transformators (T^.) deren eines Ende mit der ungeregelten Spannungsquelle (10) verbunden ist, und einen Zusatzgleichrichter (D^) und ein Sieb (17) umfaßt, deren Reihenschaltung parallel zur Zusatz-Sekundärwicklung (S^) liegt.
7· Gleichspannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter von einem Schalttransistor (Q₁) gebildet wird, dessen Kollektor mit der ungeregelten Spannungsquelle (1O), dessen Emitter mit dem dem Sieb (H) entfernt liegenden Ende der Primärwicklung (P/i) und dessen Basis mit der Vergleichsvorrichtung (15) verbunden ist.

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8. Gleichspannungsregler nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Schalttransistor (Qv) ein weiterer, komplementärer Transistor (Qo) verbunden ist, dessen Kollektor über einen ersten Widerstand (20) mit der Basis des Schalttransistors (Q/,), dessen Emitter mit dem Ausgang des Zusatzgleichrichters (D.) und dem Sieb (17) und dessen Basis mit der Vergleichsvorrichtung (15) und mit einem zweiten Widerstand (18) verbunden ist, der die Basis des weiteren Transistors (Qo) mit dem Ausgang des Zusatzgleichrichters (D^) und dem Sieb (17) verbindet.
9· Gleichspannungsregler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er einen dritten Widerstand (19) aufweist, der zwischen die Basis und den Emitter des Schalttransistors (Q_x.) geschaltet ist.
10. Gleichspannungsregler nach einem der Ansprüche 7 bis 9» dadurch gekennzeichnet, dag der mit der Primärwicklung (P,.) verbundene Gleichrichter (D₁-) zwischen dem Emitter des .Schalttransistors (Q^) und Erde geschaltet ist, um den in der Primärwicklung fließenden induktiven Strom zu leiten, wenn der Schalttransistor in nicht leitendem Zustand ist.
11. Gleichspannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der Sekundärwicklungen (Sp/p S~o bzw. So*» S2/j,)-. über ihnen zugeordnete Gleichrichter (D2/]) in Reihe geschaltet sind.

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12. Gleichspannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet;, daß der Schalter von einen Schalttransistor (Q,) gebildet wirdf. desisßn Kollektor mit der Primärwicklung (Ρ^,ι), dessen Emitter mit dem die eine geregelte Spannung .erzeugenden Sieb (29) und dessen Basis mit der Vergleichsvorrichtung (25) verbunden ist.

15· Gleichspannungsregler nach den Ansprüchen5 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung einen Gegentakt-Verstärker (28) umfaßt, der zwischen die Basis des Schalttransistors (Q^) und die Vergleichsvorrichtung (25) geschaltet ist.

Gleichspannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Vergleichsvorrichtung (15; 25) eine die Bezugsspannung liefernde Zener-Diode (D^; D^g) angeschlossen ist.

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