DE2050783C3 - Transformatorloser Spannungswandler - Google Patents

Transformatorloser Spannungswandler

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Description

Die Erfindung betrifft einen transformatorlosen so Spannungswandler zur Umformung einer höheren Eingangswechselspannung in eine niedrigere Ausgangsgleichspannung nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.
Eine derartige transformatorlose Spannungswandlerschaltung ist bereits aus der DE-OS 19 45 628 bekannt.
Ei.Te ähnliche transformatorlose Spannungswandlerschaltung ist auch aus der GB-PS Il 82 689 bekannt, wobei dort im Entladestromkreis anstelle von einzelnen, jedem Kondensator zugeordneten Transistorschaltern ein einziger Transistorschalter vorgesehen ist, der mit den narallclgeschalteten Entladcleitungen der Kondensatoren in Reihe lieg!.
11 ti den beiden eben erwähnten bekannten transfor nialorifiscn Nnannungswandlerschaltungtri werden die Ί r<insi>torschalter jeweils durch die Eingangswechsel- 6r> spannung derart gesteuert, daß sie während jeweils derjenigen Halbwelle der Eingangswcchsclspannung, wahrend wcIlI*·.·!' 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 Halbwelle 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 Restspannung 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 Hohe 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 Eingangswcchselspannung 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 Anordnung·» r nicht durch den Verlauf der Eingangswechselspannung, sondern durch den Verlauf der über 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 langer 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 cfindungsgemäßen Schaltung von dem Zeitpunkt, in welchem die Spannungskurve der vorangehenden aufladenden Halbwelle nach dem Durchgang durch den Scheitelwert auf die Höhe der erzeugten Kondensatorspannung abgesunken ist, bis zu dem Zeitpunkt, in welchem die ansteigende Spannungskurve der nächsten aufladenden Halbwelle 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 Halbwolle auch noch den anfängliehen Teil und den größten Teil der /weiten Hälfte der Dauer der aufladenden Halbwolle. Aufgrund der verlängerten Entladcdauer und der verkürzten zeitlichen Zwischenräume /wischen den einzelnen Entladevorgängen erhält
man eine glattere und leichter zu regelnde Ausgangsgleichspannung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, deren Vorteile für 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
F i g. 1 einer, transformatorlosen Spannungswandler mit Einweggleichrichtung,
F i g. 1A ein die Funktion der Schaltung nach F i g. 1 erläuterndes Spannungs-Zeit-Diagramm,
Fig. 1B die den Entladestromkreis bildenden Bauelemente der Schaltung nach Fig. 1 in zur Verdeutlichung des Entladestromkreises etwas umgezeichneter Anord- is nung,
F i g. 2 eine verbesserte Ausführungsform des transformatorlosen Spannungswandlers, und
F i g. 3 eine noch weiter ausgestaltete Ausführungsform des transformatorlosen Spannungswandlers mit Ausgangsspannungsregeiung.
F i g. 1 zeigt einen transformatorlosen spannungswandler zur Umformung einer Eingangswechselspannung in eine niedrigere Ausgangsgleichspannung, wobei eine Einweggleichrichtung stattfindet.
Der Spannungswandler 13 ist über Anschlußleitungen 13/4 und 13ß mit den beiden Klemmen 12/4 und 12ß einer Wechselspannungsquelle 12 verbunden. An die Ausgangsleitungen 13Cund 13Ddes Spannrngswandlers 13 sind die beiden Anschlüsse 14/4 und 14Ö 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 und 15-3 jeweils während der positiven Halbwelle (in dem Diagramm nach Fig. IA im Verlauf der Zeitspanne fo bis fi) der von der Wechselspannungsquelle 12 kommenden Eingangswechselspannung aufgeladen. Der Ladestrom setzt dabei jeweils ein, sobald die Spannung nach dem Zeitpunkt /oder noch vorhandenen restlichen Kondensatorspannungen plus die Schwellenspanr.ungen der genannten Dioden übersteigt.
Im Entladestromkreis, in welchem die drei Kondensatoren 15-1, 15-2 und 15-3 parallel geschaltet sind, ist jedem Kondensator 111 seiner Entladeleitung ein Transistorschalter 18-1, 18-2 bzw. 18-3 zugeordnet. Während eier 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 &o 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 Halbwelie der Eingangswcchsclspaniiiing hört f>"> auf, wenn die Spannung kurz nach dem Durchgang durch ihren Maximalwert Vm wieder auf den Wert der in den Kondensatoren erzeugten Gesamtkondensatorspannung plus den Schwellenspannungen der Dioden abgesunken ist In diesem Augenblick fließt krin 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 Transistorschalters 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 Stromfluß durch dessen Emitter-Kollektor-Strecke und dadurch wiederum ein Siromfluß durch den Basiswiderstand 22-3 des Transistorschalters 18-3 hervorgerufen. Auf diese Weise steuern sich die Transistorschalter 18-1, 18-2 und '.-3 einander in der sngegcucnen Reihenfolge dcrari, t' ".B der urine Transistorschalter 18-3 als erster scharf einschaltet und den zugehörigen Kondensator 15-3 mit der Belastung 14 verbindet, so daß dieser sich als erster im Zeitpunkt id zu entladen beginnt.
Bei weiterem Absinken der Eingangswechselspannung wird die Diode 20-2 leitend, und die Entladung des Kondensators 15-2 beginnt im Zeitpunkt lh. Bei noch weiterem Absinken der Eingangswechjelspannung wird im Zeitpunkt ft.die 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 ?i 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 mieder von der Belastung 14, und, wenn die Eingangswechielspannung die Summe der noch vorhandenen restlichen Kondensatorspannungen 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. I dargestellten Art. Zur Erzielung einer Zweiweggleiciirichtung kann eine identische zweite Wandlerschaltung Anwendung finden, von der in F i g. 2 nur die Anschlußklemmen 13/T, 13Ö' 13C und 13D' gezeigt sind.
Die Schaltung nach F i g. 2 weist gegenüber derjenigen nach F i g. 1 zusätzlich drei Transistorschalter 30-1, 30-2 und 30-3 mit jeweils zugehörigem Basiswiderstand 31-1 35-2 und 31-3 sowie eine Diode 20-3, weiter drei den Transistorschaltern 18-1 bis 18-3 zugeordnete Dioden 32-1, 32-2 i,nd 32-3 sowie eine Diode 40 in der ersten Schaltungsstufe und zwei Dioden 36 und 38 in de: letzten Schaltungsstufe auf. Außerdem ist der Basiswiderstand 22-1 des Transistorschalters 18-1 gegenübe! F i g. 1 abweichend geschaltet. Die in F i g. 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· Emiltcr-Strcckc fließen, unabhängig von der Polarität der Kollektor-Basis-Spannun^.
!■ i g. 3 zeigt eine noch weiter entwickelte Spannungswandlerschaltung.
Gemäß F-'ig. 3 können, falls Transistoren mit der erforderlichen Kombination von Stromverstärkung und Kollektordurchbruchspannung, hauptsächlich in der Ί ersten und letzten Schaltungsstufe, nicht zur Verfugung stehen, anstelle von einzelnen Transistoren Flmiticrfolgcrschaltungen Anwendung finden.
Außerdem weist die Schaltung nach F-" i g. J eine Ausgangsspannungsregelung auf.
Gegenüber der Schaltung nach F-" i g. 2 weist die Schaltung nach F i g. 3 mit den Transistorschalter!! 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 13/Γ verbunden sind. In der ersten Schaltungsstufe ist außerdem zur Vergrößerung der Stromverstärkung noch ein zusätzlicher Transistor 44 vorgesehen. Der Transistorschalter 30-3 in Γ i g. 2 ist in F-" i g. 3 durch eine Fjnittcriolgerschaltung von drei Transistoren 30-3/V 30-35 und 30-3CeTSCtZt. Außerdem sind zur Rr/.iclung eines größeren Spannungsabfalls bei der Schaltung nach !·" i g. 3 die in F" i g. 2 gezeigten Dioden 40 und 38 durch jeweils eine Diodenreihenschallung 404, 40Ö, 4OC bzw. 38,4, 38Ü, 38Ccrsetzt, und der Basiswiderstand 31-3 ist durch drei Widerstände 31 -3/1,31 -30und 31 -3CCrSCtZt. Bei der Schaltung nach F-" i g. 3 werden die Transistor schalter 18-1 bis 18-3 nicht unbedingt im Sältigungsbereich 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 Slcucrlcitung l3/:und einen in dieser liegenden Transistor 50, dessen Basis über eine Leitung 524 mit einem Ausgangsspannungsrcgler 52 verbunden ist.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Transformatorloser Spannungswandler zur Umformung einer höheren Eingangswechselspannung in eine niedrigere Ausgarigsgleichspannung, 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) abgewan&'cn 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, 16-3, 36) geschaltet und mit seiner Basis mit dem anderen . 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.
4. Transformatorloser Spannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren der Emitterfolger über eine gemeinsame Steuerleitung (t3E) mit einem Ausgangsspannungsregler (50,52) verbunden sind.
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