DE2232625C3

DE2232625C3 - Geregelter Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE2232625C3
Application number: DE2232625A
Authority: DE
Inventors: Harry Patrick Whippany Hart; Robert John Madison Kakalec; Ralph Parsippany Walk
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-07-06
Filing date: 1972-07-03
Publication date: 1975-08-14
Also published as: NL7209178A; DE2232625B2; BE785813R; NL158334B; FR2144789B2; CA953782A; JPS5746303B1; JP48016123A; FR2144789A2; GB1377777A; US3699424A; DE2232625A1

Description

I.

ni mit einem Eisenresonanz-Spannungskonstantup fine konstante Ausgangsspannung zu erzielen, normalerweise bestrebt, die Frequenz .ier Ein- * nannunE konstant zu halten, um die Frequenzab^ian8K der Ausgangsspannung auszuschalten. Erfin^han8Tprnäß wird demgegenüber die Frequenzcha^dU,ⁿ,⁸S von Eisenresonanz-Spannungsko-.stanthal- ** S« herangezogen, um die an einen G.eichspan- «Wandler angeschlossene Last gegen Überspan-η hei Versagen des Regelkreises des Gleichspan^nUng inälers zu schützen.

r Frequenzcharaktenstik eines Eisenresonanzngskonstanthalters ist in F i g. 2 dargestellt, wo-Ke Frequenz mit /und die Ausgangsspannung mit ν £zeSet ist. Der normale Betrieb des E.senreso-Spannungskonstanthalters wird durch die Kurve ^na." c'; <t ? beschrieben, wobei jedoch normr'erweise '"der als S A« gekennzeichnete Bereich der Γ 0 ausgenutzt wird. In dem durch die Kurve 20 ^ih besteht eine lineare Beziehung rückzuführen, muß die Frequenz bis zu dem Punkt 24 verringert werden, bei dem sich der Eisenkern wieder sättigt und die Ausgangsspannung auf den höheren Wert der Kurve 20 springt Der Betrieb zwischen den Kurven 20 und 23 ist stabil und zuverlässig.

Die vorstehend erläuterte Spannungs-Frequenzcharakteristik eines Eisenresonanz-Spannungskonstanttal· ters wird erfindungsgemäß so ausgenutzt, daß bei einem Versagen des Umsetzers 13, bei dem ansonsten die Gefahr eines Anstiegs der Ausgangsspannung auf einen unzulässigen Maximalwert besteht, der bisenresonanz-Spannungskonstanthalter sofort in die ungesattigte Betriebsweise geht, wodurch die Auwng«p-nnung verringert wird. D.es ™^ri _t^₃^i*^* geeignete Bemessung des Umsetzers 13erzielt,,was an Hand des in F i g. 3 näher dargestellten bekannten Gleichspannungswandlers nach F. g. 1 erläutert wer-

den soll. . . ,

Die in F i g. 3 mit strichpunktierten Limenangedeuteten Funktionsblöcke des Blockschaltbildes nach F i g. 1 betreffen den Wechselnder 10 d.e aus einem

.5

der Eisenkern auf eine konstante Regelspannung auf-

«_eg mi. geringer Impedanz vorhanden ■* " Umm.gn«i»ening des Enenkom ermögliche Die in

wThrend jeder Spannungshalb- sp.nnuni-ZeilfBch* eauigl l dem Kondensor

verbunden

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einer geringen Ausgangsspannung einstellt.

Wenn der Eisenresonanz-Spannungskonstanthalter die kritische Frequenz bei dem Sprungpunkt 21 überschritten hat, arbeitet er in einem stabilen, ungesättigten Betriebszustand längs der Kurve 23. In diesem Betriebszustand führt ein Frequenzabfall zu einem geringfügigen Anstieg der Ausgangsspannung. Um die Betriebsweise in den normalen Zustand (Kurve 20) zuf°_nl Kf Transformators 30 angeordnet ist Die Frelung; 46 des «^r _enlhä^ _{ferner eine} Reihen-

^^^ZerL^nz in Form einer Drossel ^™!^^^ _welche ebenfalls parallel zu der und einesjnac ^ . Die Steuerelek-

^^^^₄8 ist über ein Schwellwertglied in Form von zwei reihengeschalteten, entgegengesetzt

gepolten Zenerdioden 49 und 51 mit dem Kondensator

45 verbunden.

Die Frequenzverstelleinrichtung 41 arbeitet wie folgt: Der Kondensator 45 lädt sich mit einer Geschwindigkeit auf, welche durch den Betrag der Spannungszeitfläche der Spannung an der Sekundärwicklung 46 bestimmt ist. Bei Erreichen einer bestimmten Ladung des Kondensators 45 überschreitet die Kondensatorspannung den Schwellwert der in Gegenrichtung zu der betreffenden Kondensatorspannung gepolten Zenerdioden 49, 51, wodurch im vorliegenden Fall die Zenerdiode 49 leitend wird und die Kondensatorspannung der Steuerelektrode des Triacs 48 zuführt. Der Triac 48 zündet und schließt die Drossel 47 parallel zu der Sekundärwicklung 46. Die Drossel 47 weist eine geringe Impedanz auf, so daß die Sekundärwicklung 46 praktisch kurzgeschlossen ist und die Spannung an der Sekundärwicklung 46 sehr schnell auf einen vernachlässigbar kleinen Wert abnimmt. Da die Drossel 47 trotz der Klemmenspannung Null an der Sekundärwicklung

46 ihren Strom zunächst weitertreibt, wird in der Sekundärwicklung 46 eine Gegenspannung induziert, welche über die Teilwicklung 27 des Transformators 30 an die Basiselektrode des leitenden Schalttransistors gelangt und diesen rasch in seinen nichtleitenden Zustand umschaltet. Gleichzeitig wird auch in der Teilwicklung 28 des Transformators 30 eine Spannung induziert, die auf die Basiselektrode des gesperrten Schalttransistors gelangt und diesen in den leitenden Zustand schaltet. Wenn sich der Drosselstrom auf den Wert Null abgebaut hat, erlischt der Triac 48 und befindet sich damit wieder im Sperrzustand.

Durch die Gegentaktumschaltung der Schalttransistoren des Wechselrichters 10 wird die Polarität der Wechselrichter-Ausgangsspannung umgekehrt, so daß die eine Spannungshalbwelle endet und die andere Spannungshalbwelle beginnt. Die Frequenz des Wechselrichters IC¹ wird daher durch die Zeitdauer bestimmt, welche die Spannung an dem Kondensator 45 benötigt, um den Schwellwert der Zenerdioden 49 und 51 zu erreichen. Diese Zeitdauer ist abhängig von dem Sperrpotential der Zenerdioden 49, 51, der Kapazität des Kondensators 45, den Widerstandswerten der Widerstände 43, 44 und der Spannung an der Sekundärwicklung 46.

Die Rückkopplungseinrichtung 42 beeinflußt die Schaltfrequenz des Wechselrichters 10 dadurch, daß der Widerstandswert des Widerstandes 43 durch die Einrichtung 42 veränderbar ist. Die Einrichtung 42 enthäU einen Schalttransistor 54, dessen Emitter über eine Zenerdiode 52 mit dem Ausgangsanschluß 36 und über einen Widerstand 53 mit dem Ausgangsanschluß 37 verbunden ist wodurch ein konstantes Bezugspotential an dem Emitter des Transistors 54 liegt. Parallel zu den Ausgangsanschlüss.en 36, 37 ist ein Potentiometer 56 angeordnet, dessen Abgriff mit der Basis des Schalttransistors 54 verbunden ist. Die Einrichtung 42 enthält ferner eine Gleichrichterbrücke 57, zwischen deren Gleichstromanschlüssen der Emitter und Kollektor des Schalttransistors 54 und zwischen deren Wechselstromanschlüssen der Widerstand 43 angeordnet ist.

Wenn die Ausgangsgleichspannung des Gleichspannungswandler an den Ausgangsanschlüssen 36. 37 ansteigt, so steigt auch der von dem Abgriff auf dem Potentiometer 56 erfaßte Teil der Ausgangsgleichspan nung. wodurch die Spannungsdifferenz zwischen der Basis und dem Emitter des Schalttransistors 54 verringert wird. Die Leitfähigkeit des Schalttransistors 54 nimmt daraufhin ab, so daß die parallel zu dem Widerstand 43 liegende Impedanz der Kolleklor-Emitterstrecke des Schalttransistors 54 zunimmt. Dies hat wiederum die Wirkung, daß die Zeitkonstante des Verzögerungsgliedes 43, 44, 45 und damit die Ladedauer des Kondensators 45 erhöht wird, wodurch der Triac 48 später zündet bzw. die Schaltfrequenz des Wechselrichters 10 verringert wird. Diese Verringerung bewirkt eine Verringerung der Ausgangsgleichspannung an den

ίο Ausgangsanschlüssen 36,37 auf den gewünschten geregelten Wert.

Wenn der bekannte Gleichspannungswandler mit dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutz ausgestattet werden soll, so muß die Frequenzverstelleinrichtung 41 so bemessen werden, daß bei einem Versagen der Rückkopplungseinrichtung 42, welches zu einem Anstieg der Ausgangsgleichspannung führen würde, die Schaltfrequenz des Wechselrichters 10 bzw. die Frequenz der Eingangsspannung des Eisenresonanz-Spannungskonstanthalters über den Punkt 21, d. h. die kritische Sprungfrequenz der Kurve 20 nach F i g. 2 ansteigt. Die häufigste Fehlerquelle für ein Versagen der Rückkopplungseinrichtung 42 ist ein Defekt des Schalttransistors 54, wobei zwei Fälle zu unterscheiden sind:

Wird durch den Defekt des Schalttransistors 54 dessen Kollektor-Emitterstrecke unterbrochen, so ist die Kollektor-Emitterimpedanz des Schalttransistors 54 parallel zu dem Widerstand 43 beseitigt, wodurch die Schaltfrequenz des Wechselrichters 10 auf ihren minimalen Wert abfällt Die Ausgangsgleichspannung des Gleichspannungswandlers steigt daher nicht an. Wird durch den Defekt des Schalttransistors 54 dessen Kollektor-Emitterstrecke kurzgeschlossen, so stellt dies einen Kurzschluß des Widerstandes 43 dar, wodurch die Schaltfrequenz des Wechselrichters 10 auf ihren durch den Widerstand 43 gegebenen maximalen Wert ansteigt und damit ohne die Erfindung auch die Ausgangsspannung auf einen maximalen Wert ansteigen würde. Der Widerstand 43 ist jedoch erfindungsgemäß so bemessen, daß in diesem Fall die Frequenz des Wechselrichters (Leistungsoszillators) über die kritische Sprungfrequenz des Eisenresonanz-Spannungskonstanthalters angehoben und dadurch entsprechend der Charakteristik nach F i g. 2 dessen Ausgangsspannung verringert wird.

Die kritische Sprungfrequenz eines beliebigen, vorgegebenen Eisenresonanz-Spannungskonstanthal ters kann durch einfache Messung bestimmt werden. Hierzu wird die Frequenz der Eingangsspannung des Eisenresonanz-Spannungskonstanthalters langsam gesteigert, bis ein plötzlicher Sprung der Ausgangsspannung beobachtet wird. Da sich bei einer höheren Eingangsspannung der Eisenkern des Eisenresonanz-Spannungskonstanthalters schneller sättigt, ist auch eine höhere Frequenz erforderlich, um den Sprungpunkt 21 gemäß F i g. 2 zu erreichen.

Die kritische Sprungfrequenz sollte daher sowohl bei minimaler als auch bei maximaler Eingangsspannung bestimmt werden.

Die Frequenzverstelleinrichtung 41 des Gleichspannungswandlers wird dann so eingestellt daß untei Niederspannungsbedingungen, die zu der niedrigsten Sprungfrequenz führen, der volle Laststrom gezoger werden kann, ohne daß die Sprungfrequenz überschritten wird. Gleichzeitig muß unter Hochspannungsbedin gungen und geringer Last eine kurzgeschlossene Rück kopplungseinrichtung 42 die Frequenz über der Sprungpunkt treiben, der unter diesen Bedingungen au

dem höchsten Wert liegt.

Der Widerstand 44 bestimmt dünn die Schaltfrequenz des Wechselrichters 11, wenn der Widerstand 43 durch den SchalUransistor 54 kurzgeschlossen ist. Der Wen des; Widerstandes 44 muß dabei genügend klein sein, damit bei hoher Spannung und hoher Last die Schaltfrequenz über die Sprungfrequenz getrieben wird. Er muß jedoch auch genügend groll sein, um den Wechselrichter 10 im Schwingungszustand /ti halten, und damit eine Schädigung des Wechselrichters zu vermeiden. Der Widerstand 43 wird so gewählt, daß finden Fall, daß beide Widerstände 43 und 44 wirksam sind, die Schaltfrequenz bei voller Last und niedriger Spannung den Sprungpunkt nicht übersteigt. Es hat sich gezeigt, daß Eisenrcsonanz-Spannuiigskonstani halter, deren Resonanzfrequenz etwa 15% oberhalb der normalen Betriebsfrequenz liegt, im Leerlauf eine Sprungfrequenz von etwa der doppelten Betriebsfrc quenz besitzen. Bei voller Last ist dagegen die -Sprung frequenz erheblich kleiner. Ein Frequenzanstieg von dem Drei- oder Vierfachen bei einem Versagen der Rückkopplungseinrichtung 42 sichert daher die Vorteile der Erfindung. Da die Widerstände 43 und 44 nicht nur die Schaltfrequenz des Wechselrichters 10, sondern auch die Ausgangsgleichspannung bestimmen, muß die Windungszahl der Wicklung 29 möglicherweise so verändert bzw. nachgestellt werden, daß die gewünschte Ausgangsgleichspannung bei einem befriedigenden Wert der Widerstände 43 und 44 erreicht wird.

Obwohl die maximale Ausgangsgleichspannung durch Bestimmen des Sprungpunktes ermittelt werden kann, ist es für den erfindungsgemäßen Überspannungsschutz nicht unbedingt erforderlich, daß die Spannung des Sprungpunktes 21 (F i g. 2) tatsächlich erreicht wird. Wenn nämlich ein Defekt auftritt, der eine Spannungshalbwelle der Eingangsspannung des Eisenresonanz-Spannungskonstanihalters beendet, bevor sich dessen Eisenkern zu sättigen vermag, so fällt die Ausgangsgleichspannung sofort ab und der Eisenrcso nanz-Spannungskonstanthalter stellt sich auf den unge sättigten Betriebszustand gemäß Kurve 23 der Charakteristik nach F i g. 2 ein, ohne daß er sich der Spannung am Sprungpunkt 21 nähert.

Durch die Erfindung wird ein wirksamer Schutz Riegen Überspannung am Ausgang des bekannten Clleichspannungswandler* ermöglicht, ohne daß hierfür Mehraufwendungen für Bauelemente erforderlich sind.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Gleichspannungswandler ist in I'ig. 4 dargestellt, welcher sich von dem Ausführungsbeispie! nach F i g. 3 durch

iS eine unterschiedliche Frequenzverstelleinrichtung 41 unterscheidet. Bei der Frequen/versielleinrichtung nach Fig. 4 ist an Steile der Drossel 47 eine Streuinduktivität zwischen den Windungen 46 und 58 angeordnet. Der Triac 48 ist direkt mit der Sekundärwicklung

ao 46 verbunden, so daß diese unmittelbar nach Zünden des Triacs 48 kurzgeschlossen wird. Entsprechend dem bekannten Transformatorersiitzschaltbild wirkt ein Kurzschlußkreis durch den Tritr.sfonviat'ii" wie ein Kurzschlußkreis in Reihe zu der Streuinduktivitäl. F«·

*$ hat sich gezeigt, daß der Betrieb des Wechselrichter¹· 10 unterdrückt werden kann, wenn die Sekundärwicklung 46 zu fest mit den übrigen Wicklungen 27. 28 odei 58 des Transformators 30 gekoppelt ist. Zur Entkopp lung der Sekundärwicklung 46 können dann inagneti sehe Nebenschlüsse verwendet werden. Eine optimal· Kopplung wurde dadurch erreicht, daß die Sekundär wicklung 46 neben den anderen Wicklungen auf dem selben Kernschenkel liegt. Dadurch ergibt sich ein kur zer. steiler Impuls des Zündstroms für den Triac, eil guter Betrieb des Wechselrichters und ein hoher Wir kungsgrad.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Gleichspannungswandler zur Lieferung einer geregelten Gleichspannung mit einem Leistungsoszillator, der über einen Transformator magnetisch mit einem Eisenresonanz-Spannungskonstanthalter gekoppelt ist, und mit einer in Abhängigkeit von der Ausgangsgieichspannung selbsttätig gesteuerten Einrichtung zur Verstellung der Frequenz des Leistungsoszillators, die aus einer parallel zum Ausgang des Leistungsoszillators liegenden Reihenschaltung einer niedrigen Impedanz und eines steuerbaren Schalters sowie aus einer ein Zeitverzögerungsglied aufweisenden Steuervorrichtung für den Schalter besteht, wobei das Zeitverzögerungsglied aus einem Kondensator und zwei festen Widerständen sowie einer zu einem dieser Widerstände über eine Gleichrichterbrückenschaltung parallelgeschalteten Emitter-Kollektorstrecke eines Transistors besteht, wobei ferner der Schalter verzögert nach Beginn je«.'jr Halbwelle des Leisiungsos/illators von der Steuervorrichtung mit einem Einschaltsignal beaufschlagbar ist und wobei die Verzögerung des Zeitverzögerungsgliedes in Abhangigkeit von der Ausgangsgleichspannung mittels des Transistors selbsttätig verstellbar ist, nach DTPS 2046462, dadurch gekennzeich net. daß der eine feste Widerstand (44) des Zeit Verzögerungsgliedes einen solchen Wert besitzt, daß in dem Falle, daß der andere feste Widerstand (43) durch den zu ihm parallelgeschalteten Transistor (54) infolge eines Versagens der Frequenzverstelleinrichtung (13) kurzgeschlossen wird, die Frequenz des Leistungsoszillators (10) über die kritisehe Sprungfrequenz des Eisenresonan/Spannungskonstanthalters angehoben wird.

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungswandler zur Lieferung einer geregelten Gleichspannung mit einem Leistungsoszillator, der über einen Transformator magnetisch mit einem Eisenresonan/ Spannungskonstanthalter gekoppelt ist, und mit einer in Abhängigkeit von der Ausgangsgleichspannung selbsttätig gesteuerten Einrichtung zur Verstellung der Frequenz des Leislungsoszillators, die aus einer parallel zum Ausgang des Leistungsoszillators liegenden Reihenschaltung einer niedrigen Impedanz und eines steuerbaren Schalters sowie aus einer ein Zeitverzögerungsglied aufweisenden Steuervorrichtung für den Schalter besteht, wobei das Zeitverzögerungsglied aus einem Kondensator und zwei festen Widerständen sowie einer zu einem dieser Widerstände über eine Gleichrichterbrückenschaltung parallelgeschalteten Emitter-Kollektorstrecke eines Transistors besteht, wobei ferner der Schalter verzögert nach Beginn jeder Halbwelle des Leistungsoszillators von der Steuervorrichtung mit einem Einschaltsignal beaufschlagbar ist und wobei die Verzögerung des Zeitverzögerungsgliedes in Abhängigkeit von der Ausgangsgleichspannung selbsttätig mittels des Transistors verstellbar ist, nach dem deutschen Patent 2 046 462.

Es ist somit ein geschlossener Regelkreis geschaffen, welcher die Regelung der Ausgangsgleichspannung unabhängig von Veränderungen der Eingangsgleichspannung und der Last auf einen konstanten Wert ermöglicht Ein solcher geregelter Gleichspannungswandler nach dem Hauptpatent ist bekannt (US-PS 3 590 362).

Wenn die von einer geregelten Gleichspannungsquelle gespeiste Last komplizierte und empfindliche integrierte Schaltkreise aufweist, so darf die Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle einen verhältnismäßig niedrigen Maximalwert selbst dann nicht überschreiten, wenn die Regelung der Gleichspannungsquelle versagt, da bereits eine einzige Spannungsspitze die spannungsempfindliche Last zerstören kann. Bei dem Gleichspannungswandler nach dem Hauptpatent kann in dem Falle, daß infolge eines Versagens der Frequenzverstelleinrichtung der Transistor den zu ihm parallelgeschalteten Widerstand des Zeitverzögerungsgliedes kurzschließt, die Frequenz des Wechselrichters und damit die Ausgangsspannung des Eisenresonanz-Spannungskonstanthalters über den zulässigen Grenzwert ansteigen, so daß der Gleichspannungswandler nach dem Hauptpatent für spannungsempfindliche Lasten nicht verwendet werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einem Gleichspannungswandler der eingangs genannten Art einen Schutz gegen Überspannungen für den vorgenannten FaI¹ des Versagens der Frequen/verstelleinrichtung zu schaffen.

Die Aufgabe wird bei einem solchen Gleichspannungswandler erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten Gleichspannungswandlers nach der US-PS 3 590 362 mit einem Eisenresonanz-Spannungskonstanthalter,

Fig.2 ein Spannungs-Frequenzdiagramm der Ausgangsspannung eines Eisenresonanz-Spannungskonstanthalter*,

F i g. 3 ein elektrisches Schaltbild des geregelten Gleichspannungswandlers nach F i g. t und

F i g. 4 ein elektrisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen geregelten Gleichspannungswandlers.

Die vorliegende Erfindung macht sich den Umstand zunutze, daß ein Eisenresonanz-Spannungskonstanthalter bei einer bestimmten kritischen Frequenz, der sogenannten Sprungfrequen/. vom gesättigten in den ungesättigten Betriebszustand übergeht, wodurch die Ausgangsspannung erheblich abfällt. Diese Sprungfrequenz liegt zumeist bei dem zwei- oder mehrfachen der gewöhnlichen Betriebsfrequenz.

F i g. 1 zeigt ein einfaches Blockschaltbild eines bekannten geregelten Gleichspannungswandlers nach der US-PS 3 590 362. Ein mit der ungeregelten Eingangsgleichspannung beaufschlagter Wechselrichter (Leistungsoszillator) 10 speist eine aus einem Eisenresonanz-Spannungskonstanthalter und einem Gleichrichter bestehende Einrichtung ti, welche an ihrem Aus gangsanschluß 12 eine geregelte Ausgangsgleichspan nung erzeugt. Zwischen dem Ausgangsanschluß 12 unc einem Steueranschluß des Wechselrichters 10 ist eir Umsetzer 13 angeordnet, welcher in Abhängigkeit vor der Gleichspannung am Ausgangsanschluß 12 die Fre quenz des Wechselrichters 10 verstellt. Um die für di( Regelung erforderliche negative Rückkopplung zi schaffen, ist der Umsetzer 13 so ausgebildet, daß eil Ansteigen der Gleichspannung am Ausgangsanschlul 12 einen Frequenzabfull des Wechselrichters 10 verur