DE2050783B2

DE2050783B2 - Transformatorloser Spannungswandler

Info

Publication number: DE2050783B2
Application number: DE702050783A
Authority: DE
Inventors: John Battiscombe Mount Kisco N.Y. Gunn (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-10-16
Filing date: 1970-10-15
Publication date: 1979-03-01
Also published as: DE2050783A1; GB1291330A; JPS519455B1; FR2085563B1; CA918749A; DE2050783C3; US3602795A; FR2085563A1

Description

Die Erfindung betrifft einen transformatorlosen so Spannungswandler zur Umformung einer höheren Eingangswechselspannung in eine niedrigere Ausgangsgleichspannung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige transformatorlose Spannungswandlerschaltung ist bereits aus der DE-OS 19 45 628 bekannt.

Eine ähnliche transformatorlose Spannungswandlerschaltung ist auch aus der GB-PS 11 82 689 bekannt, /obei dort im Entladestromkreis anstelle von einzelnen, jedem Kondensator zugeordneten Transistorschaltern ein einziger Transistorschalter vorgesehen ist, der mit «> den parallelgeschalteten Entladeleitungen der Kondensatoren in Reihe liegt.

Bei den beiden eben erwähnten bekannten transformatorlosen Spannungswandlerschaltungen werden die Transistorschalter jeweils durch die Eingangswechselspannung derart gesteuert, daß sie während jeweils derjenigen Halbwelle der Eingangswechselspannung, während welcher die Kondensatoren aufgeladen werden, gesperrt und während der jeweils anderen Halbwelle der Eingangswechselspannung leitend sind, so daß während dieser letzteren Halbwelle der Eingangswechselspannung die Entladung der Kondensatoren stattfindet Der Entladevorgang der Kondensatoren erstreckt sich also bei den beiden bekannten Schaltungen jeweils über genau eine volle Hdbwelle der Eingangswechselspannung.

Der Aufladevorgang der Kondensatoren erstreckt sich aber bekanntermaßen nicht über die volle Länge der betreffenden Halbwelle der Eingangswechselspannung, sondern beginnt erst, wenn die Spannungskurve der aufladenden Halbwelle die nach dem Entladen noch über den Kondensatoren stehende Reslspannung übersteigt, und endet bereits kurz nach dem Durchgang der Spannungskurve dieser Halbwelle durch den Scheitelwert in dem Zeitpunkt, in welchem die nunmehr wieder abfallende Spannungskurve auf die Höhe der in den Kondensatoren erzeugten Kondensatorspannung abgesunken ist Der tatsächliche Aufladevorgang umfaßt also nur einen Bruchteil der Dauer der aufladenden Halbwelle, und während des übrigen Teils der Dauer dieser aufladenden Halbwelle findet weder eine Aufladung noch eine Entladung der Kondensatoren statt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen transformatorlosen Spannungswandler der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß man eine Verlängerung des Entladevorgangs der Kondensatoren über die Dauer der nichtaufladenden Halbwelle der Eingangswechselspannung hinaus und dadurch eine glattere und leichter zu regelnde Ausgangsgleichspannung erhält

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Schaltungsanordnung gelöst

Durch die erfindungsgemäße Schaltung wird erreicht, daß die Transistorschalter im Gegensatz zu den oben erwähnten bekannten Anordnungen nicht durch den Verlauf der Eingangswechselspannung, sondern durch den Verlauf der Ober der jeweils zugehörigen, als gleichrichtendes Bauelement mit dem betreffenden Kondensator in Reihe geschalteten Diode stehenden Spannung gesteuert wird Dadurch ergibt sich die angestrebte Wirkung, daß der Entladevorgang der Kondensatoren jeweils länger als die volle, nichtaufladende Halbwelle der Eingangswechselspannung dauert, nämlich vom Ende des tatsächlichen Ladevorgangs während der aufladenden Halbwelle bis zum tatsächlichen Einsetzen des nächsten Ladevorgangs während der nächsten aufladenden Halbwelle. Demgemäß erstreckt sich der Entladevorgang bei der erfindungsgemäßen Schaltung von dem Zeitpunkt, in welchem die Spannungskurve der vorangehenden aufladenden HaIbvrelle nach dem Durchgang durch den Scheitelwert auf diie Höhe der erzeugten Kondensatorspannung abgesunken ist, bis zu dem Zeitpunkt, in welchem die ansteigende Spannungskurve der nächsten aufladenden Hlalbwelle die in den Kondensatoren noch vorhandene Restspannung übersteigt Der Entladevorgang erstreckt sich also über die gesamte, nicht zum Laden verwendete Dauer der Schwingungsperiode der Eingangswechselspannung und umfaßt demzufolge außer der Dauer der nichtaufladenden Halbwelle auch noch den anfänglichen Teil und den größten Teil der zweiten Hälfte der Dauer der aufladenden Halbwelle. Aufgrund der verlängerten Entladedauer und der verkürzten zeitlichen Zwischenräume zwischen den einzelnen Entladevorgängen erhält

man eine glattere und leichter zu regelnde Ausgangsgleichspannung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, deren Vorteile tür den Fachmann auf der Hand liegen, sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einer transformatorlosen Spannungswandler mit Ein weggleichrichtung, ι ο

Fig. IA ein die Funktion der Schaltung nach Fig. 1 erläuterndes Spannungs-Zeit-Diagramm,

F i g. 1B die den Entladestromkreis bildenden Bauelemente der Schaltung nach F i g. 1 in zur Verdeutlichung des Entladestromkreises etwas umgezeichneter Anordnung,

F i g. 2 eine verbesserte Ausführungsform des transformatorlosen Spannungswandlers, und

Fig.3 eine noch weiter ausgestaltete Ausführungsform des transformatorlosen Spannungswandlers mit Ausgangsspannungsregeiung.

F i g. 1 zeigt einen transformatorlosen frpannungswandler zur Umformung einer Eingangswechselspannung in eine niedrigere Ausgangsgleichspannung, wobei eine Einweggleichrichtung stattfindet

Der Spannungswandler 13 ist über Anschlußleitungen 13,4 und 13B mit den beiden Klemmen 12Λ und 125 einer Wechselspannungsquelle 12 verbunden. An die Ausgangsleitungen 13C und 13D des Spannungswandlers 13 sind die beiden Anschlüsse 14,4 und 145 einer als Block dargestellten Belastung 14 angeschlossen.

Der Spannungswandler weist eine Anzahl von Kondensatoren 15-1, 15-2 und 15-3 auf, die von der Wechselspannungsquelle 12 jeweils in Reihenschaltung aufgeladen und über die Belastung 14 jeweils in Parallelschaltung entladen werden. Im Ladestromkreis ist jedem der drei Kondensatoren eine Diode 16-1,16-2 und 16-3 vorgeschaltet Demgemäß werden die im Ladestromkreis in Reihe geschalteten Kondensatoren 15-1, 15-2 _nd 15-3 jeweils während der positiven Halbwelle (in dem Diagramm nach Fig. IA im Verlauf der Zeitspanne fo bis t\ der von der Wechselspannungsquelle 12 kommenden Eingangswechselspannung aufgeladen. Der Ladestrom setzt dabei jeweils ein, sobald die Spannung nach dem Zeitpunkt ίο der noch vorhandenen restlichen Kondensatorspannungen p.'us die Schwellenspannungen der genannten Dioden übersteigt

Im Entladestromkreis, in welchem die drei Kondensatoren 15-1, 15-2 und 15-3 parallel geschaltet sind, ist jedem Kondensator 11. seiner Entladeleitung ein so Transistorschalter 18-1, 18-2 bzw. 18-3 zugeordnet Während öer jeweils positiven Halbwelle der Eingangswechselspannung werden die Basen dieser Transistoren durch die Spannungsabfälle an den Dioden 16-1, 16-2 und 16-3 positiv vorgespannt so daß die Transistoren gesperrt sind.

Im Entladestromkreis, der in Fig. IB besonders dargestellt ist und in welchem die drei Kondensatoren 15-1, 15-2, und 15-3 parallel geschaltet sind, ist außerdem den Kondensatoren 15-1 und 15-2 jeweils eine Diode 20-1 und 20-2 zugeordnet, die in der Rückleitung zwischen der Belastung· 14 und den Kondensatoren liegt.

Die Aufladung der Kondensatoren während der positiven Halbwelte der Eingangswechselspannung hört auf, wenn die Spannung kurz nach dem Durchgang durch ihren Maximalwert V^wiederauf den Wert der in den Kondensatoren erzeugten Gesamtkondensatorspannung plus den Schwellenspannungen der Dioden abgesunken ist In diesem Augenblick fließt kein Ladestrom mehr, weshalb auch kein positiver Spannungsabfall mehr an den Dioden entsteht Durch das weitere Absinken der Eingangswechselspannung während der zweiten Hälfte der positiven Halbwelle entsteht zunächst über der Diode 16-1 eine Spannungsdifferenz in Sperrichtung, wodurch nunmehr die Emitter-Basis-Strecke des Transistorschalter 18-1 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird und dadurch ein Strom über den Basiswiderstand 22-1 dieses Transistors fließt der einen stärkeren Stromfluß durch die Emitter-Kollektor-Strecke dieses Transistors zur Folge hat Dadurch wird wiederum ein Stromfluß durch den Basiswiderstand 22-2 des Transistorschalters 18-2 und ein größerer StromfluB durch dessen Emitter-Kollektor-Strecke und dadurch wiederum ein Stromfluß durch den Basiswiderstand 22-3 des Transistorschalters 18-3 hervorgerufen. Auf diese Weise steuern sich die Transistorschalter 18-1, 18-2 und H-3 einander in der angegebenen Reihenfolge derart, daß der dritte Transistorschalter 18-3 als erster schart einschaltet und den zugehörigen Kondensator 15-3 mit der Belastung 14 verbindet, so daß dieser sich als erster im Zeitpunkt r_a zu entladen beginnt

Bei weiterem Absinken der Eingangswechselspannung wird die Diode 20-2 leitend, und die Entladung des Kondensators 15-2 beginnt im Zeitpunkt tb. Bei noch weiterem Absinken der Eingangswechselspannung wird im Zeitpunkt <_cdie Diode 20-1 leitend, und die Entladung des Kondensators 15-1 beginnt ebenfalls.

Die Entladung der drei Kondensatoren setzt sich während der negativen Halbwelle (Zeitspanne t\ bis (2) in F i g. IA der Eingangswechselspannung fort

Wenn die Eingangswechselspannung während der nächstfolgenden positiven Halbwelle wieder ansteigt, schalten die Transistorschalter 18-1, 18-2 und 18-3 der Reihe nach ab und trennen die Kondensatoren wieder von der Belastung 14, und, wenn die Eingangswechselspannung die Summe der noch vorhandenen restlichen Kf-ndensatorspannungen plus die Schwellenspannungen der Dioden 16-1 bis 16-3 übersteigt setzt die Aufladung der Kondensatoren wieder ein.

F i g. 2 zeigt eine erweiterte Spannungswandlerschaltung der in F i g. 1 dargestellten Art. Zur Erzielung einer Zweiweggleichrichtung kann eine identische zweite Wandlerschaltung Anwendung finden, von der in F i g. 2 nur die Anschlußklemmen 13,4', 13ß', 13C und 13D' gezeigt sind.

Die Schaltung nach F i g. 2 weist gegenüber derjenigen nach Fig. 1 zusätzlich drei Transistorschalter 30-1, 30-2 und 30-3 mit jeweils zugehörigem Basiswiderstand 31-1, 31-2 und 31-3 sowie eine Diode 20-3, weiter drei den Transistorschaltern 18-1 bis 18-3 zugeordnete Dioden 32-1, 32-2 'lnd 32-3 sowie eine Diode 40 in der ersten Schaltungsstufe und zwei Dioden 36 und 38 in der letzten Schaltungsstufe auf. Außerdem ist der Basiswiderstand 22-1 des Transistorschalters 18-1 gegenüber Fig. 1 abweichen α geschaltet Die in F ig. 2 vorhandenen zusätzlichen Bauelemente dienen im wesentlichen dazu, die Belastung 14 unabhängig von der jeweiligen Polarität der Eingangswechselspannung von der Wechselspannungsquelle 12 getrennt zu halten. Dadurch kann beispielsweise wegen der mit den Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren in Reihe geschalteten Dioden nur bei leitend geschaltetem Transistor ein Strom durch die jeweilige Kollektor-Emitter-Strecke fließen, unabhängig von der Polarität der Kollektor-Basis-Spannung.

F i g. 3 zeigt eine noch weiter entwickelte Spannungswandlerschaltung.

Gemäß Fig. 3 können, falls Transistoren mit der erforderlichen Kombination von Stromverstärkung und Kollektordurchbrucrtspannung, hauptsächlich in der ersten und letzten Schaltungsstufe, nicht zur Verfügung stehen, anstelle von einzelnen Transistoren Emitterfolgerschaltungen Anwendung finden.

Außerdem weist die Schaltung nach Fig. 3 eine Ausgangsspannungsregelung auf.

Gegenüber der Schaltung nach Fig. 2 weist die Schaltung nach F i g. 3 mit den Transistorschaltern 18-1 bis 18-3 verbundene weitere Transistoren 41-1,41-2 und 41-3 mit diesen zugeordneten Dioden 42-1, 42-2 und 42-3 auf. über welch letztere die Kollektoranschlüsse der zusätzlichen Transistoren mit einer Steuerleitung 13E verbunden sind. In der ersten Schaltungsstufe ist außerdem zur Vergrößerung der Stromverstärkung noch ein zusätzlicher Transistor 44 vorgesehen. Der Transistorschalter 30-3 in F i g. 2 ist in F i g. 3 durch eine Emitterfolgerschaltung von drei Transistoren 30-3/4, 30-33 und 30-3C ersetzt. Außerdem sind zur Erzielung eines größeren Spannungsabfalls bei der Schaltung nach F i g. 3 die in F i g. 2 gezeigten Dioden 40 und 38 durch jeweils eine Diodenreihenschaltung 4OA 40ß, 4OCbzw. 38Λ 38fl, 38C ersetzt, und der Basiswiderstand 31-3 ist durch drei Widerstände 31-3A31-3ßund31-3Cersetzt.

ίο Bei der Schaltung nach F i g. 3 werden die Transistorschalter 18-1 bis 18-3 nicht unbedingt im Sättigungsbereich betrieben, denn sie steuern die Ausgangsspannung. Die Steuerung der Transistorschalter 18-1 bis 18-3 zu diesem Zweck erfolgt über die Transistoren 41-1 bis 41-3, die Steuerleitung 13Eund einen in dieser liegenden Transistor 50, dessen Basis über eine Leitung 52A mit einem Ausgangsspannungsregler 52 verbunden ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Transformaiorloser Spannungswandler zur Umformung einer höheren Eingangswechselspannung in eine niedrigere Ausgangsgleichspannung, mit Kondensatoren, die in einem von der Eingangswechselspannung gespeisten Ladestromkreis in Reihenschaltung und in einem die Ausgangsgleichspannung abgebendem Entladestromkreis in Parallelschaltung liegen, wobei im Ladestromkreis mit jedem Kondensator ein gleichrichtendes Bauelement und im Endladestromkreis mit jedem Kondensator ein Transistorschalter in Reihe geschaltet ist, dessen Emitter an die Verbindung zwischen dem betreffenden Kondensator und dem zugehörigen gleichrichtenden Bauelement angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis jedes Transistorschalters (18-1, 18-2, 18-3) mit dem vom zugehörigen Kondensator (15-1, 15-2, 15-3) abgewannen Pol des zugeordneten, als Diode (16-1, 16-2, 16-3) ausgebildeten gleichrichtenden Bauelements verbunden ist

2. Transformatorloser Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Entladestromkreis mit jedem Kondensator (15-1, 15-2, 15-3) ein weiterer Transistorschalter (30-1, 30-2, 30-3) in Reihe geschaltet ist, der, bezogen auf den erstgenannten Transistorschalter (18-1, 18-2, 18-3), auf der gegenpoligen Seite des Kondensators (15-1, 15-2, 15-3) liegt und der ebenso wie der erstgenannte Transistorschalter (18-1,18-2,18-3) mit seinem Emitter zwischen den Kondensator (15-1, 15-2,15-3) und eine dazu im Ladestromkreis in Reihe geschaltete Diode (16-2, l€-3,36\ geschaltet und mit seiner Basis mit dem anderen r öl der Diode (16-2, 16-3,36) verbunden ist

3. Transformatorloser Spannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Transistorschalter (18-1, 18-2, 18-3) ein Emitterfolger (41-1,41-2,41-3) vorgeschaltet ist *o

4. Transformatorloser Spannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren der Emitterfolger über eine gemeinsame Steuerleitung (13E) mit einem Ausgangsspannungsregler (50,52) verbunden sind.