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Stabilisierter, von einem Taktgeber gesteuerter Gleickspannungswandler
Die Erfindung bezieht sich auf einen stabilisierten, von einem Taktgeber gesteuerten
Transistor-Gleichspannungswandler mit Regelschaltung zur Steuerung des Tastverhältnisses
eines oder mehrerer Steiltransistoren, dessen Ein- und Ausgang spannungsfest galvanisch
getrennt sind.
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Gleichspannungswandler mit galvanisch getrennten Ein- und Ausgängen
benötigen neben einem Leistungsübertrager mit von einander isolierten Primär- und
Sekundärwicklungen auch im Regelkreis mindestens einen spannungsfesten Übertrager.
Der Meßwert oder die Regelabweichung muß in diesem Pille in eine Wechselspannung
umgeformt, übertragen und wieder gleichgerichtet werden, da m Abhängigkeit vom Meßwert
oder von der Regelabweichung der Widerstand eines Transistors gesteuert wird, der
von einer HilSswechselspannungsquelle mit Innenwiderstand über einen Übertrager
gespeist wird. Die galvanische Trennung im Regelkreis kann auch durch Verwendung
je eines Ubertragers in der Hilfsspsnnungsquelle und im Steuerkreis des oder der
Stelltransistoren erfolgen. Derartige Schaltungen sind aufwendig oder legen die
galvanische Trennung in Übertrager, die ihrer Wirkung nach besonders enge Kopplung
besitzen müssen, also nicht sehr spannungsfest hergestellt werden können.
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Wird dem Gleichspannungs-Istwert am Ausgang eines Spannungsreglers
eine bestimmte kleine Wechselspannung überlagert, dann kann die verstärkte Regelabweichung
mit verringertem
Aufwänd für die galvanisch getrennte Übertragung
von Schaltbefehlen ausgenützt werden. Eine solche Ausführung hat den Nachteil, daß
sich bei inkonstans der überlagerten Wechselspannung zwangsläufig auch die geregelte
Ausgangsspannung ändern würde.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die galvanische Entkopplung
in Gleichspannungswandlern unter Vermeidung eines größeren Aufwandes und ohne Verschlechterung
der Regeleigenschaften zu ermöglichen Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß die von der Ausgangsgleichspannung abgeleitete Regelabwei chung nach
Vergleich mit einer der Aufschaltung der Störgröße "Eingangsspannung" dienenden
periodischen dreieckförneigen Spannung mit einem der Eingangsspannung des Transistor-Gleichspannungswandlers
proportionalen Steigungswinkel in einem Differenzverstärker transformatorisch übertragbare
Sperrimpulse erzeugt, welche die Steuerung des Tastverhältnisses der Steuersignale
bestimmen.
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Die mit der erfindungsgemäßen Schaltung erzielbaren Vorteile bestehen
deren, daß die Umsetzung der Meßgröße bzw. der Regelabweichung in eine Steuerspannung
(Sperrsignal), die transformatorisch übertragen werden kann, keine Hilfsspannung
erfordert und daß ferner die der Ausgangsleichspannung über lagerte Wechselspannung
beliebig klein sein kann. Außerdem werden gleichzeitig Änderungen der Eingaiigsglelchspannung
durch die Störgrößenaufschaltung unverzögert erfaßt und durch Verkürzen der Stromflußzeit
der Schalttransistoren ohne zusätzliche Totzeit ausgeglichen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Fig.
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1 und 2 näher erläutert.
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Die Pig. 1 stellt ein Ausführungsbeispiel für einen geregelten Gleichspannungswandler
mit galvanisch getrenntem Ein-und Ausgang dar.
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In der Fig. 2 ist der Verlauf und die Umformung der Spannung für die
Störgrößenaufschaltung angedeutet.
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In der Schaltung nach Fig. 1 ist der Leistungskreis des Gleichspannungswandlers
vereinfacht dargestellt. Vor der Gleichspannungsquelle 1 fließt der Strom während
der Stromflußzeit Leistungsschalttransistors 2 in die Primärwicklung 31 des Leistungsübertragers
3 und übersetzt von der Sekundärwicklung 32 über die Leistungsdiode 41 die Speicher
drossel 5 und über die Siebdrosseln 6 zum Lastwiderstand 7.
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Während der Sperrzeit des Schalttransistors 2 hält die Drossel 5 den
Strom im Lastwiderstand 7 über die Freilaufdiode 42 ci evul»- -recht; die Diode
41 entkoppelt den Transformator 3 tind den stromdurchflossenen Ausgangskreis. An
der Drossel 5 liegt eine Rechteckwechselspannung, deren positive Amplitude gleich
der Differenz zwischen Sekundärspannung einer Wicklung 32 und der Spannung am Kondensator
61 und deren negative Amplitude etwa gleich der Spannung am Kondensator 61 sind.
Die Einschalterdauer des Schalttransistors ist dabei umgekehrt proportional der
Differenz zwischen Sekundärspannung und Spannung am Kondensator 61. Die Steuerung
des Scbalttransistors 2 erfolgt durch einen Taktgeber in der Steuerschaltung 8 mit
einer Steuerspannung konstanter Periode. Das Tastverhältnis der Steuerspannung wird
durch die nachfolgend beschriebene Regelschaltung gesteuert. In Fig. 2a ist die
Rechteckwechselspannung U5 an der Drossel 5 für zwei verschieden hohe Eingangsspannungen
dargestellt.
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Für die Messung und den Vergleich der Ausgangsgleichspannung wird
in der Regelschaltung eine Meßbrückenschaltung benutzt, die aus den Widerständen
101 und 102 der Zenerdiode 103 und
dem Transistor 105 besteht. Der
Kollektor des Transistors 105 ist üb eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode 106
mit einem der beiden Eingänge (3asis des Transistors 110) eines Differenzverstärkers
verbunden, der von den Transistoren 110 und 112 sowie den Widerständen 109 und 111
gebildet wird. Das Basispotential des Transistors 110 wird durch den Spannungsteiler
107 und 108 bestimmt. Die Speisung des Differenzverstärkers erfolgt über eine Konstantstromquelle,
die im weetliche von einem Transistor 113 gebildet wird. An der Basis des Transistors
112 erfolgt die Störgrößenaufschaltung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung
des Gleichspannungswandlers. Das Basispotential steigt mit zunehmender Stromflußzeit
des ieistungstransistors 2 an. Die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit ist proportional
der Spannung an der Drossel 5. Dazu wird parallel zur Drossel 5 die Reihenschaltung
einer induktivität 116 mit Widerständen 117 und 118 geschaltet (Integrierschaltung).
Die Widerstande 117 und 118 dienen als Spannungsteiler und verringen zugleich die
Zeitkonstante der Integrierschaltung. Die Spannung am Widerstand 118 ist der. Spannung
am Siebkondensator 61 in Reihe geschaltet. Diese Summenspannung wird durch die Widerstände
114 und 115 geteilt.
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In der Fig. 2b ist die am Widerstand 118 abgegriffene, durch Integration
aus der Spannung U5 erhaltene dreieckförmige Spannung und in Fig. 2c die Spannung
am Widerstand 115, die sich aus der Summe von Dreieckspannung und Spannung am Kondensator
61 ergibt, dargestellt.
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Die Wirkungsweise des Differenzverstärkers ist folgende. Die beiden
Eingänge des Differenzverstärkers sind unabhängig voneinander mit einer der Regelabweichung
entsprechenden Gleichspannung und einer in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz des
Schalttransistors und der Eingangs spannung periodisch schwaSSenden GleichspannunZ
beaufschlagt. Mit zunehmendem Istwert der Äusleichsspannuiig führt der Transistor
105
einen zunehmenden Strom über den Widerstand 104 und damit einen
abnehmenden Stroin in die Basis des Transistors 11O, der Differenzverstärkerschaltung.
Solange das Potential an der Basis des Transistors 110 größer ist als wander Basis
des Transistors 112, bleibt der erstgenannte Transistor im leitenden und der andere
Transistor des Differenzverstärkers im gesperrten Zustand. Wird das Basispotential
des Transistors 112 etwas größer als das Basispotential des Transistors 110, dann
übernimmt der Transistor 112 den Emitterstrom vom Transistor 110. Am Kollektorwiderstand
111 wird ein Steuersignal gebildet, das den Transistor 122 über den Spannungsteiler
119, 120 und die Diode 121 stromüihrend steuert. Dabei wirkt der Spannungsabfall
des über den Widerstand 102 und die Zenerdiode 103 fließenden Stromes an der Diode
121 als Gegenspannung, verbessert dadurch die Störsicherheit und beschleunigt den
Schaltvorgang im Transistor 122.
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Der leitend gesteuerte Transistor 122 löst einen Strom aus dem Kondensator
123 über den Widerstand 126 durch die Erimarwicklung 127 eines spannungsfesten Übertragers
12 aufs, der die Regelschaltung von dör Steuerschaltung und damit vom ein gangsseitigen
Leistungskreis galvanisch trennt. Gleichzeitig fließt ein Strom aus dem Kondensator
61 über die Diode 121 und den Widerstand 125 in den Übertrager. Übersetzt fließt
der Strom von der Sekundärwicklung 128 über die Diode 129, den Spannungsteiler 130
und 131 in die Basis des Steuertransistors 132. Dieser legt die Steuerschaltung
an den -/Pol der Eingangsspannungsquelle 1. Die Steuerschaltung hält sich selbst
und sperrt über den Taktgeber zugleich den Leistungsschalttransistor 2.
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Die Widerstände 126 und 130 verkleinern die Zeitkonstante des Übertragers
12 für das Steuersignal; die mit dem Isolationsabstand der Primär- gegen die Sekundärwicklung
steigende Steulnduktivität würde ohne Vorwiderstand eine zu große
Zeitverzögerung
für die Steuersignalübertragung und eine zu große Totzeit im Regelkreis, ergeben.
Hinsichtlich der Impuls form werden keine besonderen Anforderungen an den übertrager
gestellt. Statt des Widerstandes 131 kann zur Erhöhung der Störsicherheit ein #-Glied
aus einer Längsdiode und zwei Querwiderständen eingesetzt werden.
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Durch das Sperren des Leistungschalttransistors 2 wird die Spannung
an der Drossel 5 umgepolt; der Transistor 112 gibt während der Sperrzeit den Strom
wieder an den Transistor 110 zurück; der Transistor 122 sperrt; der Übertrager 12
magnets siert-sich über die Widerstände 126 und 124 ab und wartet au den Strom zum
nächststen Abschalten des Leistungstransistors 2, dessen Stromfluß stets-von der
Steuerschaltung 8 eingeleitet wird.
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Dadurch, daß der Regler das Sperrsignal gibt, wird eine schnelle Änderung
der Eingangsspannung unverzögert erfaßt und ohne zusätzliche Totzeit durch Verkürzen
der Stromflußzeit ausgeglichen.
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Die Diode 106 stellt die minimale Einschaltdauer sicher, die notwendig
ist, um die Sperrsignale über den Übertrager 12 ZU bringen. Steigt z.B. die Ausgangsspaniiuiig
durch Entlastung an, dann steigt der Strom im Transistor 105 und die Spannung am
Widerstand 104; die Basisemitterspannung des Transistors 110 würde ohne die entkoppelnde
Wirkung der Diode 106 so verkleinert, daß die Transistoren 112 und 122 Dauerstrom
führen würden, der vom Übertrager 12 nicht weitergegeben werden könnte. Führt die
Diode 106 keinen Strom, dann liefert der Spannungsteiler 107, 108 das Basispotential
für den Transistor 110, mit dem die minimale Stromführungszeit des Leistungstransistors
2 erreicht wird.
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ß Patentansprüche 2 Figuren