DE2100806A1

DE2100806A1 - Gleichspannungs-Mikroumformer mit automatischer Einstellung und automatischem Anlauf

Info

Publication number: DE2100806A1
Application number: DE19712100806
Authority: DE
Inventors: Guy de Sceaux; Fontaine Jean Montrouge; Bergh (Frankreich)
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1970-01-09
Filing date: 1971-01-08
Publication date: 1971-07-15
Also published as: FR2077478A1; NL7100144A; CH530113A; GB1340791A; BE761024A; JPS4666A

Description

EOCIEIT? ALSAOIEiiHE DE COIiSTRUOSIONS ATOMIQUES DE TELECOMMUNICATIONS FT D'FLECTRONIQUE (ALCATEL), Paris/ Prankreich

GIe iehspannungs-MIkro umformer· in.vt automatischer Einstellung und automatischem Anlauf

Die Erfindung betrifft einen Mifcroumformer, der einen Gleichstrom unter einet· Spannung von ungefähr 10 FoIt aus einer Gleichstromquelle abgibt, wobei der Gleichstrom unter einer unter einem Volt liegenden Spannung entnommen wird, und zwar efolgt die Regelung ier an den Verbraucherstrorakreis abgegebenen Spannung und der Anlauf automatisch.

Seit langen' sind Vorrichtungen bekannt, die eine Leistung von einigen hundert Mikrowatt in Eorm von Gleichstrom erzeugen, der von einer im allgemeinen aus einer eine Gleichspannung von einigen Volt abgebenden kleinen Batterie bestehenden Stromquelle abgegeben wird.

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OfIIQlNAL

Derartige Vorrichtungen weisen im allgemeinen an den Kleamen der Quelle die Primärwicklung eines Transformators auf. Mit eier Primärwicklung wird eine Vorrichtung in Reihe geschaltet, ede den Stromkreis bei einer bestimmten Frequenz ausschaltet,, An den Klemmen der Sekundärwicklung wird hinter einer Diode der Verbraucherstromkreis angeschlossen. Die den Stromkreis ausschaltende Vorrichtung, die in regelmäßigen Abständen angetrieben wird, war zunächst ein Mikrovibrator, und in dieser Form sind besonders die ersten Hochspannungsquellen der verwendeten Infrarot-Bildwandlerröhren hergestellt worden.

Im laufe der letzten Jahre ist diese Schaltung dadurch verbessert worden, daß der Umschalter durch eine Transistorschaltung ersetzt wurde. In diesem Falle wird die StromstärkeSchwankung in der Primärwicklung des Transformators dadurch erzielt, daß mittels eines Polarisationaspannungskreises der Transistorbasis auf die Leitfähigkeit zwischen dem Kollektor und dem Emitter eingewirkt wird.

Diese Schaltungen sind einfach und stabil; sie gewährleisten jedoch nichtfdie Spannungsregelung, wenn die Last variiert» Es muß dann eine Zusatzvorrichtung von recht erheblichem Verbrauch und folglich einem stets nachteiligen Wirkungsgradverlust hinzugefügt werden, wenn die Leistung auf einige hundert Mikrowatt begrenzt ist.

Für den Anlauf erfordern diese Schaltungen ein Anlaufnetz, das ebenfalls einen Abgabeleistungsverlust bewirkt. Aus Sparsamkeitsgründen muß daher dieses Hetz nach jedem erneuten Anlauf abgeschaltet werden; schließlich muß die Inbetriebnahme einer solchen

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Schaltung von Hand kontrolliert werden.

Außerdem sind diese Vorrichtungen hei Beibehaltung aller Abmessungen ziemlich umfangreich* und ihr Volumen sinkt selten unter 10 cm (1 el) ab.

Die Gesamt3.eistun.gder besten bekannten Schaltungen übersteigt auf Grund der oben dargelegten "Einschränkungen kaum 50 $.

Nach Kenntnis des Erfinders gibt es keine Mikrouniformer der beschriebenen Art, die ihre Energie aus einer Quelle von einigen Zehnteln Volijbeziehen und zuverlässig und über einen längeren Zeitraum eine vollkommen regelmäßige Ausgangsspannung von ungefähr zehn "Volt an einen Verbraucherkreis abgeben, der eine Energie von mehreren hundert Mikrowatt verbraucht.

Um an einen Verbraucherpreis eine sehr gleichmäßige Ausgangsspannung von ungefähr zehn Volt mit einer durch eine Gleichspannungsquelle von einigen Zehnteln Volt verbesserten Leistung abzugeben, sind die bestehenden Mikroumformer vervollkommnet worden, in denen die Spannungsquelle die Primärwicklung eines Transformators zur Fpannungserhöhung speist, der mit einem Transistor in Reihe geschaltet ist.

Die Transistorbasis ist in einer Gegenkopplungsschleife mit | veränderlichem Widerstand untergebracht, dessen Wert unmittelbar von der Ausgangsspannung abhängt, wodurch eine Spannungsstabilisierung und eine hohe Leistung erzielt und ein besonders sparsamer Anlauf des Umformeis gewährleistet wird.

Gegenstand der Erfindung ist ein Umformer von Gleichstrom in 'Wechselstrom unter Spannungserhöhung, der durch eine Gleichspannungsquelle eine regelmäßige Gleichspannung abgibt und im wesentlichen einen mit der Quelle verbundenen Eingangskreis

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und einen mit dem Verbraucherkreis verbundenen Ausgangekreis aufweist, wobei der Eingangskreis die Primärwicklung eines Transformators mit drei Wicklungen umfaßt, der mit dem Kollektor-Emitter-Übergang eines Transistors in Reihe geschaltet ißt, während der Ausgangskreiß im wesentlichen die HoohspannungeSekundärwicklung des Transformators und eine Diode aufweist, und zwar ist der Umformer dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorbasis durch einen mit der Quelle verbundenen Rückkopplungskreis polarisiert wird, der die dritte Wicklung des mit einem elektronischen Bauelement mit veränderlichem Widerstand in Reihe geschalteten Transformators aufweist, wobei das elektronische Bauelement im übrigen mit dem Ausgangskreis verbunden ist.

Nach einem besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel besteht das elektronische Bauelement mit veränderlichem Widerstand aus einem Transistor mit Feldeffekt, in dem das Tor (Gate) die Ausgangsspannung besitzt, während der Drain und die Quelle in den Rückkopplungskreis eingeschlossen sind.

Nach einem anderen Ausführungsbeispiel besteht das elektronische Bauelement mit veränderlichem Widerstand aus einem Transistor, in dem der veränderliche Widerstand vom Emitter-Kollektor-Übergang des Transistors gebildet wird, während die Basis von einer der AuBgangsspannung nahezu proportionalen Spannung gespeist wird.

Nach einem anderen Ausführungsbeispiel, das dann Anwendung findet, wenn der Verbraueherkreis eine Lichtquelle aufweist, enthält das elektronische Bauelementmit veränderlichem Widerstand im wesentlichen einenfür die Beleuchtung der Quelle lichtempfindlichen Fotowiderstand.

Ee fo3# die Beschreibung des Arbeitsprinzips einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie zweier Auführungsbeispiele.

— Ο ""

Die Beschreibung unter Bezugnahme auf die "beigefügten Zeichnungen läßt andere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervortreten.

In den Zeichnungen stellen

die ?ig. 1 eine Schemazeichnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

die Fig. 2 eine fchemazeichnung eines ersten Ausführungsbeispiels,

die Pig. 3 eine Schemazeichnung eines zweiten Ausführungsbeispiels dar.

Die das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellende Fig. 1 zeigt, daß der Eingangskreis in Reihenschaltung die Primärwicklung. 2' eines Transformators 2 mit drei Wicklungen und den Emitter-Kollektor-ftbergang eines Transistors 3 aufweist.

Der Ausgangskreis weist die Sekundärwicklung 2^W deB Transformators 2, eine Diode 4 und einen Kondensator 5 auf. Der Ausgangskreis mündet in eine Last RL.

Der die Basis 3¹ des Transistors 3 speisende RÜekkopplungskreis vd.st in Serienschaltung die dritte Wicklung 2"¹ des Transformators 2 und das elektronische Bauelement mit veränderlichem Widerstand 6 auf, dessen Klemme 6^f mit dem Ausgangskreis verbunden ist.

Die Arbeitsweise einer derartigen Vorrichtung ist leicht verständlich:
Wenn die Basis 3* des Transistors 3 am positiven Pol liegt,

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leitet der Kollektor-Emitter-fibergang, wächst der Kollektorstrora linear zur Zeit, da die an die Klemmen der Primärspule 2^f des Transistors 2 gelegte Spannung konstant ist.

Der Strom im Rüekkopplungskreis wird durch die nahezu konstante, an die Klemmen der Wicklung 2ⁿⁱ angelegt Spannung erzeugt. Dieser Strom wird "begrenzt durch den Wert der Summe dee Widerstands 6 und-das Basis-TSmitter-Widerstandes dee TraneistorB 3. Nach einem bestimmten, sehr kurzen Zeitraum, der vom Wert des Widerstandes 6 bestimmt wird, wird der Basisstroin unzureichend, um die Sättigung des Transistors zu gewährleisten. Die vom Transistor 2 tolerierte KollektorStromstärke wird dann gleich dem mit dem Verstärkungsfaktor multiplizierten Basistrom. Der Strom in der Primärwicklung 2^f ist auf diesen Wert begrenzt. Die Spannung an den Klemmen der Primärwicklung nimmt ab, folglich vermindert sich die Stromstärke im Rüekkopplungskreis sowie die Polarisation der Basis 3^f des Transistors, der Transistor sperrt. Die in der Primärwicklung gespeicherte Energie gelangt in die Sekundärwicklung 2", über die Diode in das aus dem Kondensator 5 und der Last RL bestehende Hetz und gibt an die Klemmen der Last RL eine Spannung Y2 ab. Dann nimmt der Strom in der Diode 4 ab und nähert eich dem Bullwert. Wenn er den Nullwert erreicht hat, tritt in der Wicklung 2" ein auereichender Fluß auf, um einen Strom in die Wicklung 2^Bfeu geben und die Basis 3^f des Transistors 3 erneut zu polarisieren. Der Arbeitszyklus beginnt von neuem.

Die Spannungsregelung an den Klemmen der Last RL wird durch das elektroniscbsBauelement mit veränderlichem, durch die Ausgangsepannung ^2 gesteuerten Wideretand 6 gewährleistet. Wenn der Widerstand der Last RL abnimmt, hat die Ausgangsspannung V2 die Neigung abzusinken, der Rückkopplung effekt wird durch den Eingang 6¹ an den veränderlichen Widerstand 6 Übertragen, Dieser Widerstand 6 nimmt ab, das Potential der Basir ?^f dee

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Transistors 3 steigt an, und der Höchstwert des Kollektoretroms erhöht sich; folglich hat die Ausgangsspannung V2 die Neigung anzusteigen. Es ergibt sich daraus, daß erfindungsgemäß jeder Atfall der Spannung V2 eine Verminderung des Widerstandes 6 herbeiführt, die Dauer des Stromanstiegs in der Primärwicklung 2¹ verlängert, die an den Verbraucherkreis übertragene Energie erhöht unä schließlich die Spannung V2 an den Klemmen der Last RL erhöht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist daher einen selbstregelnden Stromkreis auf, der ohne nennenswerten Energieverlust arbeitet, während das betätigte elektronische Bauelement 6 nur sehr wenig Energie verbraucht. Der Anlauf des Stromkreises geschieht automatisch \ unter denselben Bedingungen, und zwar jedesmal dann, wenn die Spannung V2 an den Klemmen der Last NuIl beträgt.

Je nach dem dem Widerstand 6 erteilten Wert werden Schwingkreise mit Frequenzen zwischen 10 Hz und 5OKHz erhalten, wobei die eine ausreichende Kopplung zwischen den Wicklungen ergebenden Werte zwischen 1KHz und 30 KHz liegen.

Pig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, in dem das elektronische Bauelement 6 aus einem Transistor mit Peldeffekt des Typs mit Übergang oder des "Mose"-Typs besteht.

An den Klemmen der Gleichspannungsquelle 11 wird wie vorher die Primärwicklung 12· eines Transformators mit drei Wicklungen angeordnet .Die Wicklung 12' iet mit de« Kollektor-Bai tter-Ülier· gang eines Transistors 13 in Reihe geschaltet, dessen Basis 13* mit der Quelle Über die Wicklung 12¹¹¹ desselben Transformators und Über den Quellen-Drain-Kreie eines Transsisters 16 mit Peldeffekt verbunden. Das Tor (Gate) 16» des Transistors 16 iet an den Ausgang 17 des Mikroumformers angeschlossen.

Der Ausgangskreis umfaßt die Sekundärwicklung 12" dee Transformators mit drei Wicklungen, eine Diode 14 und den Kondensator

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mit hohem Wert. Es ist ebenfalls die Anwesenheit einen Polarisationswiderstandes 18 und eines FiIterwiderstandes 19 festaistellen, wobei die Werte dieser Widerstände ziemlich niedrig liegen, damit ein zum Kachteil ge-reichender Energieverbrauch vermieden wird. Ein Kondensator 20 von hohem Wert ist an die Klemmen der Quelle angeschlossen« Ein Entkopplungskondensator ist zwischen der Quelle und dem Ausgang der Wicklung 12^UI des Transformators angebracht.

Die Arbeitsweise dieser Torrichtung ist in allen Punkten gleich derjenigen des Prinzipschaltbilds der Fig. 1. Es ist nur zu bemerken, daß die Energieverluste auf ein Minimum beschränkt sind, da der Steuerkreis des Tors des Transistors mit Feldeffekt nur wenig Energie verbraucht.

Es wird somit eine Vorrichtung erhalten, »deren Leistung sehr hoch liegt, und zwar um 80# für eine Eingangsspannung von 0,5 V.

In einer Reihe von Vorrichtungen dieses Typs_y die mit Siliziumtransistoren hergestellt werden, sind folgende mittlere Merkmale bestimmt worden:

- Volumen der Vorrichtung : 4 cm (0,4 el)

- abgegebene Leistung : 400 Mikrowatt,

- Eingangsspannung : von 0,3 Y bis 1 V,

- Ausgangsspannung s einstellbar von 5 V auf 7V;

- Regelung der Ausgangspannung: eine Le is tungs erhöhung von 25 ^r/« bringt eine Veränderung der Ausgangsspannung von ungefähr 1 f> mit eich; ν

- die Vorrichtung läuft ohne Bdätigung von außen an;

- die Arbeitsfrequenz liegt bei 20 KHz.

Die Vorrichtung erträgt Kurzschlüsse mit automatischem Anlauf der Rückführung zu den Ausgangsbedingungen.

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Pig. 3 ist eine Schemazeichnung eines Ausftthrungsbei spiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in dem wie vorher ein Eingangskreis mit der Quelle 31, der Primärwicklung 32· eines mit dem Kollektor-Emitter-Übergang eines Transistors 33 in Reihe geschalteten Transformators 32 mit drei Wicklungen. Der Ausgangskreis weist wie vorher die Sekundärwicklung 32" des Transformators 32₉ eine Diode 34 und einen Kondensator 35 auf.

Der die Basis 33* des Transistors 33 speisende Rückkopplungstoreis weist die Wicklung 32 ^l!l des Transformators 32 mit drei Wicklungen sowie eiaen Transistor 36 auf, dessen Widerstand zwischen Kollektor und Knitter von der an die Basis 36* ange- f legten Spannung gesteuert wird. Diese Spannung wird zwischen den Klemmen des Ausgangskreises zwischen zwei Widerständen 37 und 38 angegriffen, die schematisch eine Torrichtung darstellen, die an die Basis 33* des Transistors 33 eine proportional zu der am Ausgang des Mikroumformers abzugebenen Spannung verlaufende Spannung liefert.

Derartige Umformer finden Verwendung in allen Vorrichtungen, die eine Versorgungsquelle von kleinen Abmessungen und geringe® Gewicht unter Abgabe einer sehr regelmäßigen Spannung erfordern. Die Vorrichtung kann die Spannungen umformen, die von beispielsweise von ein3r nuclearen Wärmequelle oder durch Sonnenlicht % gespeisten Thermoelementen oder von lichtempfindlichen Elementen ' abgegeben werden.,

Die Verwendung eines solchen Umformers ist für die Versorgung von Herzschrittmachern und für verschiedene Anwendungsgebiete in der Raumfahrt sehr empfehlenswert»

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Mikroumformer zur Spannungserhöhung, der eine von einer Gleichspannungsquelle geregelten Gleichspannung abgibt, bestehend im wesentlichen aus einem mit der Quelle verbundenen Eingangskreis und einem mit dem Verbraucherkreis verbundenen Ausgangskreis, wobei der Eingangskreis die Primärwicklung eines Transformators mit drei Wicklungen aufweist, die mit dem Kollektor-Emitter-Übergang eines Traneistors verbunden sind, während der Auagangskreis im wesentlichen die Sekundärwicklung des Transformators und eine Diode aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (3*) des Transistors (3) durch einen mit der Quelle verbundenen Rückkopplungskreis polarisiert wird, wobei er die dritte Wicklung (2^Bt)des mit einem elektronischen Bauelement mit verändernehe» Widerstand (6 )in Reihe geschalteten Transformators (2) aufweist _y und zwar ist das elektrische Bauelement im übrigen an den Ausgangskreis angeschlossen.

2ο Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ₉ daß das elektronische Bauelement mit veränderlichem Widerstand (β) aus einem Transistor (I6)mit Feldeffekt besteht, in dem das üor (Gate) (16») an die Ausgangsspannung gelegt ist, während der Obergang zwischen dem Drain und der Quelle in den Rückkopplungskreis eingeschlossen ist.

3.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Bauelement mit veränderlichem Widerstand aus einem Transistor (36)besteht, in dem das den veränderlichen Widerstand bildende Teil von dem Emitter-Kollektor-Übergang des Transistors gebildet wird, während die Basis(36 ♦) auf einem im wesentlichen proportional zur Ausgangspannung verlaufenden Potential gehalten wird.

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4. Vorrichtung nach Ansprucli 1,, anwendbar, wenn der Yerbraucherkreis eine Lichtquelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Bauelement mit veränderlichem Widerstand im wesentlichen einen Fotowiderstand aufweist, de*· lichtempfindlich auf die Beleuchtung durch die Quelle reagierte

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