DE2250795A1

DE2250795A1 - Gleichspannungs/gleichspannungs-wandler mit einem geschlossenen spannungsregelkreis zur erzielung einer isolation zwischen dem eingang und ausgang mittels zeitbereichsmethoden

Info

Publication number: DE2250795A1
Application number: DE2250795A
Authority: DE
Inventors: Billy Harold Hamilton; Helmut Wilhart
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-10-19
Filing date: 1972-10-17
Publication date: 1973-04-26
Also published as: FR2156803A1; JPS4848917A; NL7214096A; FR2156803B1; CA969608A; IT975282B; GB1411115A; US3735235A; BE790134A; AU4780272A

Description

Pafentartwatt . .

Western Electric Company Inc.

195 Broadway -

tfew York, M.J. 1OOO? / USAi .." ; ■ . A 33 2

Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandler mit einem

mittels Zeltbereiehsniethoden

Die Erfindting betrifft einen geregelten Gleiclisparuiungs/Gleick"'-spanniings-Wandler mit einer Gleichspannungsisolation zwisahei} Eingang und Ausgang, einem Invertierer zur ¥andlung einer Eingangsgleichspannung in eine WechselspannungS'-Ausgangsgröße, einem (Transformator, dessen Eingang mit dem Ausgang des Invertierers verbunden ist, einem Gleichrichter, welcher mit dem Transformator verbunden ist, um die Ausgangsgröße des. !Pransformators gleichzu«- richten, und einem geschlossenen Regelkreis zur Regelung des Invertierers in Abhängigkeit von der Größe des Ausgangs"des Wandlers.

Bie Ausnutzung der Technologie für integrierte Schaltungen ist günstig bei der Herstellung von in großen Mengen hergestellten Schaltungsanordnungen» Burch Einfügung der Stromkreise in. eine integrierte Schaltung können viele Produktionskosteneinsparungen erzielt werden« Die integrierte Sphaltungsform ergibt in vielen iällen: eine Schaltung von kleineren Abmessungen urid zuverlässigeren Eigenschaften als eiiie vergleichbare Schaltung unter An-

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- 2 wendung üblicherweise zusammengefügter Bauelemente.

Die Genauigkeit der Spannungsregelung einer typischen Wandlerschaltung ist begrenzt. Daher muß in Fällen, wo eine sehr genau geregelte Spannung erforderlich ist, eine Hilfsspannungs-Regelßchaltung mit dem Wandler gekoppelt werden. Eine typische Spannungsreglerschaltung zur Anwendung bei der Regelung der Ausgängsspannung von Wandlerschaltungen überwacht die Wandlerausgangsspannung und erzeugt ein Rückkopplungssignal.

Es ist günstig, ein vollständiges Steuersignal an der Ausgangsseite des Wandlers zu erzeugen, so daß dieser unmittelbar auf die Spannung'anspricht, welche geregelt wird. Jedoch entstehen hierdurch Schwierigkeiten in Bezug auf die Energieversorgung der Regelschaltung an der Ausgangsseite des Wandlers. Daher besteht ein ziemlich geradliniger Weg darin, analoge Signale abzunehmen und zu dem Eingang des Wandlers zurückzuführen, jedoch kann der Leistungsbedarf zur Übertragung der Analogsignale eine unbequeme Isoliereinrichtung erfordern, um die Eingangs- und Ausgangssexte des Wandlers zu koppeln«. Im Falle der Verv/endung eines Transformators als Isoliereinrichtung kann ein großer Magnetkern erforderlich sein. Digital verschlüsselte Signale haben andererseits einen wesentlich geringeren Leistungsbedarf, jedoch erfordert die Erzeugung dieser Signale eine komplizierte Schaltungsanordnung.

Die Niederspannung an der Ausgangsseite eines Wandlers zur Aufgebe sehr geringer Spannungen von 5 Volt oder darunter ist zu gering, um übliche gleichrichtende Diocm mit vernünftigem Wirkungsgrad zu betätigen. Es ist wirksamer, gesteuert© Schalttransistoren als Gleichrichter zu verwenden. Jedoch kann die Schaltung der Transistoren eine komplizierte Steueranordnung mit einem Leistungsbedarf erfordern, welcher den Be trieb wirkungsgrad, des Wandlers verschlechtert. Die Schaltung kann durch Anwendung eines Transformators gesteuert werden, um den Kollektorstrom de» gleichrichtenden Transistors in einen Basistroiberetrom zu transformieren. Eine solche _ι Anordnung ,ergibt ..eich, mns -.der US-PS 3 582 ?5β. Die dort veröffentlicht® Schaltung ist auf Nieder-

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frequenzbetrieb von 60 Hz wegen der großen Speicherzeit zur Ab-^ gäbe gespeicherter Ladung in den Niedervolt-Transistoren beschränkt » .

Diese Schwierigkeiten werden nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Eückkopplungsschaltung, welche die Gleichspannungsisolierschaltung einschließt, den Arbeitszyklus des Invertierers in Abhängigkeit von der Ausgangsgröße des Wandlers steuert.

Eine Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf eine Rückkopplungsschaltung einschließlich eines Impulsgenerators- zur Erzeugung eines Pulses, dessen Zeitdauer in Zuordnung zu der Ausgangsgröße des Wandlers steht; der Wandler umfaßt eine Schaltsteuerschaltung in Verbindung mit dem Impulsgenerator und dem Wandler zur Steuerung der Zeitdauer des Leitzustandes des Invertierers durch Beendigung des Leitzustandes in Abhängigkeit von der nachlaufenden Kante der Impulse des Impul©generators*

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich darauf, daß die Impulsdauer der Ausgangsgröße des Impulsgenerators durch eine Fehlerspannung gesteuert wird, welche durch eine Vergleicherschaltung erzeugt wird, die einen ersten Bezugsspannungseingang und einen zweiten Eingang in Zuordnung zu der Größe der Ausgangsspannung des Wandlers aufweist»

Erfindungsgemäß wird demgemäß¹ die Ausgangsspannung eines Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandlers mittels eines Impuls-Rückkopplungssignals geregelt, welches den Arbeitszyklus der Transistorschalter des Wandlers moduliert» Dieses Impulssignal wird gegenüber einer Zeitbezugsgröße in Abhängigkeit von einem Spannungsfehlersignal verzögerte Dieses Pehlersignal wird in Abhängigkeit von einem Vergleich der Ausgangsspannung des Wandlers mit einer Bezugsspannung erzeugt. Eine Isolation wird erzielt, indem ein Impulstransformator in den raickkopplungsweg der Spannungsregelschaltung eingefügt wird. Die Regelfunktionen sind in zv/ei funktionello Einheiten unterteilt, welche sich auf zwei integrierton Schaltungßplättchen befinden, die für Eingangs- bzw.

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Ausgangsseite des Wandlers gemeinsam vorgesehen sind. Die Unterteilung dieser Funktionen ist in vorteilhafter Weise so ausgebildet, daß die Schaltsteuerung an der Eingangsseite des Wandlers unabhängig von den Eückkopplungssignalen zu arbeiten vermag, welche an der Ausgangsseite erzeugt werden. Dies stellt ein rositivffi Anlaufenlassen der Vandlerschaltung zu jedem Zeitpunkt sicher.

Die Spannungsregelschaltung umfaßt eine Impulsbreiten-Modulationsschaltung zur Erzeugung eines breitenmodulierten Impulses, dessen Dauer von der Ausgangsgröße einer Fehlerfühlschaltung abhängt, v/elche die Wandlerausgangsspannung mit einer Bezugsspannung vergleicht. Dieser breitenmodulierte Impuls wird eingeleitet in Abhängigkeit von einem Sychronisatiönsimpuls, welcher an der Ausgangsseite des an der Eingangsseite befindlichen Schalttransistors abgenommen wird. Ein Zeitgeberimpuls wird in Koinzidenz mit der Beendigung des breitonmodulierten Impulses erzeugt. Diese Seitgeberimpulse werden mit der Schaltsteuerung an der Eingangsseite des Wandlers durch einen Impulstransformator gekoppelt.

Ein Merkmal der Erfindung liegt in einer proportionalen Basistreiberanordnung zum Antrieb der synchronen Transistoren in dem Gleichrichter an der Ausgangsseite des Wandlers bei höheren Frequenzen, als dies bisher möglich war. Die Basistreibersignale zur Vorspannung der synchronen gleichrichtenden Transistoren in einen gesättigten Leitzustand werden durch Transformierung des Ausgangsstromes des nämlichen gleichrichtenden Transistors in einen Basistreiberstrom mittels eines Stromtransistors erzeugt, v/elcher in der Kollektorschaltung des gleichrichtenden Transistors enthalten ist. Dieser Transformator umfaßt eine Zusatzwicklung, welche in vorteilhafter V/eise Abschaltsteuersignale auf ein Signal zum Ableiten gespeicherter Laduiqg in den synchronen gleichrichtenden Transistoren transformiert. Dieses Signal kann von der Eingangsseite des Wandlers aufgegeben werden, ohne in ungünstiger Weise die Isolierung zwischen der Eingangs· und Ausgangsseito dos Wandlers zu beeinflussen» Eine Diode, welche

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don gleichrichtenden Transistor nebenschließt und in Vorwärtsstromrichtung des Transistors gepolt ist, verwendet den anfänglichen augenblicklichen Gegens ¹JrOm des Wandlers, um die Einschaltung des gleichrichtenden Transistors vorzubereiten und den Betrieb bei höheren Frequenzen zu ermöglichen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert« Es zeigen;

Fig.A ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandlers einschließlich einer Spannungsregelschaltung, teils in Schaltbild-, teils in Blockschaltbilddarstcllung,

Fig. 2 Spannungswellenfor'men auf einer Zeitbasis zur Erläuterung der Betriebsweise der in dem Wandler enthaltenen synchron gleichrichtenden Transistoren,

Fig. 3 eine in dem erfindungsgemäßen Wandler enthaltene digitale Spannungsregelschaltung in ausführlicher Blockschaltbilddarstellung,

Fig. 4· Spannungswellenformen auf einer Zeitbasis zur Erläuterung der Wirkungsweise der Spannungsregelschaltung.

Ein Niederspannungs-Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandler mit Hochstromausgang gemäß Fig. 1 umfaßt eine Spannungsregelschaltung zur genauen Regulierung der Ausgangsspannung des Wandlers. Der Wandler ist so ausgebildet, daß die Eingangs- und Ausgangsseite völlig voneinander galvanisch getrennt sind» Der Gleichspannungs/Gleichspannungs-VJandler umfaßt drei Hauptstufen, nämlich eine Invertierstufe 1, eine Gleichrichterstufe 2 und eine Spannungsregelstufe 5- Die Schaltung kann in integrierter Form ausgebildet sein. In der Schaltung gemäß Fig. 1 ist die Invertiererstufe und ein Teil der Spannungsregelstufe auf einem integrierten Schaltungsplättchen A an der EingangsSeite des Wandlers enthalten. Der Gleichrichter und der Ausgleich der Spannungsregeü-

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stufe ist auf einein zweiten integrierten Schaltungsplättchen B an der Ausgangsseite des Wandlers enthalten. ,

Die Invertiererstufe des Wandlers umfaßt zwei Haupt-Schaltransistoren 10, 20, deren Emitter 11, 21 gemasst und deren Kollektoren 12, 22 mit den gegenüberliegenden Anschlüssen der Transformatorwicklung 14 des Invertiertransformators 15 verbunden sind. Die Schaltung der Transistoren 10, 12 wird gesteuert durch eine Schaltsteuerschaltung 50, v/elche mit den Basen 13, 23 verbunden ist»

Die Schaltsteuerschaltung 50 ist an der Eingangsseite des Wandlers angeordnet und auf dem gleichen integrierten Schaltungsplättchen wie die Schalttransistoren 10, 20 enthalten. Die Schaltsignal-Ausgangsgröße der schaltenden Steuerschaltung 50 ist mit einem Zeitimpulsgeber 51 synchronisiert. Beim Nichtvorliegen von die Spannung regelnden Signalen dient die Schaltsteuerschaltung zur Betätigung der Schalttransistoren 10, 20 bei irgendeinem maximalen willkürlichen Arbeitszyklus. Dieser maximale Arbeitszyklus wird auf irgendeinen Wert unter 50 % eingestellt, um den gleichzeitigen Stromleitzustand in den schaltenden Transistoren 10, 20 infolge darin gespeicherter Ladung zu verhindern. Die Dioden 25» 24 bewirken einen Nebenschluß der Kollektor/Emitter-Strecken der schaltenden Transistoren 10, 20 und sind so gepolt, daß Umkehrspannungs-Nadelimpulse über diese Transistoren an dem Ende von deren Stromleitintervallen verhindert werden.

Die Ausgangswicklung 16 des Invertiertransfprmators 15 ist mit dem Gleichrichter 2 verbunden, welcher zwei synchrone gleichrichtende Transistoren 30, 40 umfaßt, die mit den entgegengesetzten Anschlüssen der Ausgangswicklung 16 gekoppelt sind. Die Wicklung 16 weist einen Mittelabgriff 10 auf, welcher mit dom Ausgangsverbraucher 90 über die Ausgangsfilterdrossel 49 verbunden ist. Die l/ellenformen der gleichgerichteten Ströme I^ und Iq, welche durch die Transistoren 30, 40 verlaufen, Bind in Fig. 2 veranschaulicht»

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Die Kollektor/Emitter-Wege der synchronen gleichrichtenden Transistoren 30, 40 sind jeweils durch die Diode 9 "bzw« 19 nebengeschlossen. Die Dioden 9> 19 sind in der gleichen Richtung wie die Vorwärtsleitrichtung der gleichrichtenden Transistoren 50, gepoltο Die Dioden 9, 19 sind in dieser Richtung gepolt, um einen augenblicklichen Weg für den Gegenstrom zu schaffen, welcher durch die Drossel 49 induziert wird. Der augenblickliche Gegenstrom schaltet den synchronen gleichrichtenden Transistor ein, welcher danach den Ausgleich des Gegenstroms leitet. Der durch die Transistoren JO, 40 geleitete Gegenstrom ergibt sich aus Fig. 2 während der Zeitperioden T_f<, und T^o· Dieser Gegenstrom wird gleichmäßig zwischen jeder Hälfte der mit Mittelabgriff versehenen Wicklung 16 aufgeteilt und strömt durch jeden der synchronen gleichrichtenden Transistoren 30, 40. Der Gegenstrom wird an dem Mittelabgriff 18 vereinigt und strömt durch die Filterdrossel 49 zu dem ausgangsseitigen Verbraucher 90. Der kommutierte Hauptstrom während der Zeitperioden T^ und T^ fließt durch lediglich einen der synchronen gleichrichtenden Transistoren» Der nichtleitende Transistor während dieser Periode wird gemäß Fig» 2 abgeschaltet.

Die gleichrichtenden Transistoren 30, 40 sind mit solchen Kennwerten ausgewählt, daß der Transistor bei einer sehr niedrigen Spannung einen Sättigungswert aufweist. Die gleichrichtenden Transistoren werden in dem Niederspannungs-Hochstrom-Ausgangsgleichrichtex verwendet, weil die Leitverluste bei der Verwendung üblicher Dioden an dem ITiederspannungs-Hochstrom-Ausgang den Betrieb des Gleichrichters äußerst unwirksam machen vrärden»

Stromtransformatoren 33, 38 sind in den Kollektorschaltungen des gleichrichtenden Transistors 30 bzw. 40 enthalten. Diese Transformatoren sind identisch aufgebaut und umfassen jeweils eine · Wicklung in Verbindung mit der Basis des gleichrichtenden Transistors, so daß der synchrone gleichrichtende Transistor eingeschaltet werden kann, ohne daß ein von außen aufgegebenes Basistroiborsignal erforderlich istο Diese Stromtransformatoren 33, Jo sind vorzugnwoise so ausgebildet, daß die Spannung, welche

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über die Wicklung induziert wird, die an den Kollektoren liegt, sehr klein im Vergleich zu der Spannung über die Ausgangswicklung 16 ist. Der Transformator 33 weist eine erste Wicklung 6 auf, welche den Kollektor 31 des Transistors 30 mit der Wicklung 16 verbindet. Eine zweite Wicklung 7 verbindet die Basis 32 des Transistors 30 mit der Wicklung 16. Die Wicklung 6 und die Wicklung 7 sind magnetisch gekoppelt und ausgerichtet, wie dies durch die Strichelung von Fig. 1 angegeben ist. Eine dritte Wicklung 8 wird zur Aufgabe der Abschaltsignale zu dem Transistor 30 von der Eingangsseite des Wandlere verwendet. Die dritte Wicklung 8 ermöglicht, wie nachfolgend beschrieben wild, daß der Gleichrichter bei hohen Frequenzen arbeitet.

Die Verwendung dieser Transfοrmator-Basistreiberanordnung ergibt in vorteilhafter Weise einen Basistreiberstrom für den synchronen gleichrichtenden Transistor 30, welcher ein konstanter Bruchteil von dessen Kollektorstrom ist. Daher wird der Basistreiberstrom automatisch so gesteuert, daß er dem durch den synchronen gleichrichtenden Transistor benötigten genauen Betrag entspricht. Zum Zeitpunkt Tq fließt ein augenblicklicher Gegenstrom durch die Diode 9. Der augenblickliche Gegenstrom, welcher die Diode 9 durchsetzt, fließt durch die Transformatorwicklung 6. Der durch die Wicklung 6 fließende Gegenstrom induziert einen Basistreiberstrom in der Wicklung 7· In Abhängigkeit zu dem induzierten Basistreiberstrom in der Wicklung 7 wird der nichtleitende synchrone gleichrichtende Transistor in einen leitenden Zustand vorgespannt, wobei er den Gegenstrom 1/2 I* während der Zeitperiode T^ und nachfolgend den Strom I^ während der Zeitperiode T_c^| leitet.

Durch Verwendung der Gegenstromdioden 9, 19 in der beschriebenen Weise wird die Einschaltgeschwindigkeit der gleichrichtenden Transistoren 30, 40 stark gesteigert, so daß entsprechend der Gleichrichter bei wesentlich höheren Frequenzen arbeiten kann. Der Wert des Basistreiberstromes ändert sich automatisch, um die augenblicklichen Antriebserfordernisse des synchronen gleichrichtenden Transistors zu erfüllen ο Da der Basistreiberstrom in eier

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Wicklung 7 mit der Transformatorwicklung 16 gekoppelt ist, tritt eine Verteilung dieses Basistreiberstromes in der Ausgangsleitung 90 auf und bildet einen Teil des geregelten Ausgangssignals des Wandlers= Der Ausgangsverbraucher 90 wirkt wiederum in vorteilhafter Weise als strombegrenzender Widerstand zur Begrenzung des Basistreiberstromes der synchronen gleichrichtenden Transistorenο

Ein positives Abschaltsignal wird über die Wicklung 8 zu der Basis 32 <les synchronen gleichrichtenden Transistors geführt., um die darin gespeicherte Ladung schnell zu löschen, wodurch ein Betrieb bei hoher Frequenz ermöglicht wird« Das Abschaltsignal wird in Abhängigkeit von der Schaltsteuerschaltung an der Eingangsseite des Wandlers erzeugt» Dieses Abschaltsignal spannt den gleichrichtenden Transistor 30 in umgekehrter Richtung vor, um dessen Ab schaltzustand während des Zeitintervall s ¹E^ aufrecht zu erhalten. Die Anlegung dieses Signals durch die Wick-, lung 8 ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Isolation zwischen der Schaltsteuerschaltung an der Eingangsseite des Wandlers und dem gleichrichtenden Transistor an der Ausgangsseite des Zeitgebers O

Die Schaltsteuerschaltung 50 leitet die Abschaltung des gleichrichtenden Transistors 30 ein, indem ein Steuersignal auf die Basis 36 des Transistors 35 gegeben wird, um diesen in einen leitenden Zustand vorzuspannen= Bei leitendem Transistor 35 fließt Strom von Masse zu der negativen Spannungsquelle an dem Anschluß 37. Der Stromfluß durch, die 'Transformatorwicklung 8 induziert einen Strom in der Wicklung 7» Dieser in der Wicklung 7 induzierte Strom spannt den gleichrichtenden Transistor 30 in einen nichtleitenden Zustand vor. Das Windungsverhältnis der Wicklungen 7, 8 ist so gewählt, daß der Abschaltstrom in der Wicklung 7 ausreicht, um die Wirkung des Gegenstromes in der Wicklung 6 zu überwinden und zusätzlich einen genügend hohen Strom zu liefern, so daß die gespeicherte Ladung in dem synchronen gleichrichtenden Transistoi* 30 während des Abschaltvorganges schnell verteilt wird. Bei Betriebsfrequenzen oberhalb 60 Hz

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ist es erforderlich, die gespeicherte Ladung in dem eine niedrige Sättigung aufweisenden Spannungstransistor positiv zu verteilen. Ohne die positive Verteilung ist der Transistor 30 bezüglich des Abschaltens langsam, so daß der Umkehrstrom infolge der gespeicherten Ladung den Verbraucher kurzschließen kann, was unerwünschte hohe Ströme in dem Wandler bedingt. Der Transformator 33 wirkt während des Abschaltvorgangs als Spannungstransformator und liefert eine ausreichende Vorspannung über die Kollektor/ Basis-Grenzfläche des Transistors 30, um diesen abgeschaltet zu halten.

Die Schaltsteuerschaltung 50, welche die primären Schalttransistoren 10, 20 antreibt, nimmt das Abschaltsignal von dem Transistor 35 gleichzeitig mit dem Ende der Leitperiode des schaltenden Transistors 10 entsprechend dem gleichrichtenden Transistor 30 weg. Wenn kein Strom durch die Wicklung 8 fließt, spannt der durch die Wicklung fließende Gegenstrom den synchronen gleichrichtenden Transistor 30 in den Leitzustand vor, wobei der Leitzyklus in der vorangehend beschriebenen Weise wiederholt wird. Der Leitstrom Io des synchronen gleichrichtenden Transistors 40 wirkt in identischer Weise, so daß dieser Vorgang nicht in Einzelheiten erläutert ist.

Die Steuerung 3 zur Spannungsregelung regelt die an dem aasgangsseitigen Verbraucher auftretende Spannung durch Modulation des Arbeitszyklus dor primären schaltenden Transistoren 10, 20. Wie vorangehend erwähnt wurde, arbeitet die schaltende Steuerschaltung 50 beim Nichtvorliegen von Spannungsregelsignalen im Sinne einer Schaltung der Transistoren 10, 20 bei einem gewissen festen maximalen Arbeitszyklus. Die Schaltsteuerschaltung 50 spricht vermöge entsprechender Auslegung auf Überlauf-Steuersignale an, welche durch die Spannungsregelschaltung an der Ausgangsseite des Wandlers erzeugt v/erden. Die Überlauf-Steuersignale werden· der Schaltsteuerschaltung über eine Impulskopplungseinrichtung 55 zugeführt. Die Kopplungseinrichtung 55 kann irgendein Signalkopplungs-Übertragungsmedium umfassen, welches die Ausgangsseite des Wandlers von dessen Eingangsseite völlig isoliert.

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Eine zur Anwendung dortselbst geeignete Kopplungseinrichtung ist ein Impulstransformator«,

Die Spannungsregelung an der Ausgangsseite umfaßt einen modulierten Impulsgenerator 60, einen Vergleicher 65 und eine Bezugsspannungsquelle 70» welche alle durch eine Energie beaufschlagt sind, die von der Hilfsenergieversorgung 27 über die Leitung 28 geliefert wird« Die Hilfsenergiequelle 27 nimmt diese Energie von der Wicklung 17 ab, die auf dem Kern des Wandlertransformators 15 enthalten ist» Diese Energie steht stets zur Verfügung, um die Spannungsregelung zu beaufschlagenj weil, wie dies vorangehend ausgeführt wurde, die primären schaltenden Transistoren anfänglich bei einem gewissen maximalen Arbeitszyklus arbeiten, bevor die Spannungsregelung eine Wirkung zeigt» Ein Eingang des Vergleichers 65 ist über die Leitung 66 zur Überwachung der Spannung an dem Ausgangsverbraucher 90 geschaltet» Die Bezugsspannungsquelle 70 ist mit dem anderen Eingang verbunden« Der Vergleicher 65 erzeugt ein Spannungsfehlersignal, welches proportional der Differenz zwischen der Bezugsspannung und der Au s gangs spannung ist«. Diese Fehlerspannung liegt an dem modulierten Impulsgenerator 6Oo

Der Impulsgenerator 60 erzeugt einen Impuls, dessen Dauer eine Funktion der Fehlerspannung ist» Die nichtgefilterte Impulsausgangsgröße der Wicklung 16 wird verwendet, um den Impulsgenerator 60 zu synchronisieren, so daß dessen Impulsausgangsgröße in einer- definierten Zeitbeziehung zu der Schaltung der primären schaltenden Transistoren 10, 20 festgelegt wird«, Die Zeitdauer jedes modulierten Impulses, welcher durch den Impulsgenerator 60 erzeugt wird, beginnt mit dem Synchronisationsimpuls, welcher von der Transformatorwicklung 16 des Wandlers abgenommen und über die Leitung 61 dem Impulsgenerator zugeführt wird«. Die Impulskopplungseinrichtung wandelt diesen modulierten Impuls in ein zeitlich abgestimmtes Intervall um; an dem Ende des Intervalls erfolgt die Übertragung eincjs kurzen Zeitgeber-Impulses«, Dieser Zeitgeberimpuls wird dem Überlauf-Steuereingang 5? der Schalt steuerschaltung 50 zugeführt,. Dieser Zeitgeberimpuls

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wird dem Überlauf-Steuereingang 52 der Schaltsteuerschaltung 50 zugeführt und überläuft die nicht geregelte Antriebsbetriebsart der Schaltsteuerschaltung 50, wie dies oben erwähnt wurle., wobei eine Anwendung zur Reduzierung des Arbeitszyklus der schaltenden Transistoren 10, 20 auf einen notwendigen Wert zur Steuerung der Ausgangsspannung des Wandlers bei seinem geregelten Wert erfolgte

Die Steuerschaltung zur Regelung der Ausgangsspannung des Wandlers ergibt sich im einzelnen aus Fig. 3· Spannungswellenformen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Spannungsregelschal tung sind in Figo 4- veranschaulicht. Bio Spannungsregelung dient zur Schaffung eines geschlossenen Spannungsregelkreises ohne Beeinflussung der Isolation zwischen der Eingangs- und Ausgangsseite der Wandlerschaltung. Wie vorangehend erläutert wurde, kann die Schaltsteuerschaltung des Wandlers ungeregelt betrieben werden, unabhängig von der Spannungsregel schaltung. Die tiberlauf signal-Ausgangsgröße der Regelschaltung an der Ausgangsseite des Wandlers ist mit der Schaltung der primären Schalttransistoren an der Eingangsseite des Wandlers synchronisiert. Die Regelschaltung umfaßt einen modulierten Impulsgenerator 130, welcher ein Impulssignal erzeugt, dessen Dauer eine Funktion der Abweichung der Ausgangsspannung gegenüber dem geregelten Wert darstellt. Ein Synchronisationsimpulssignal, das eingeleitet wurde, wenn der Leistungsschalttransistor eingeschaltet wird, leitet die Impulsausgangsgröße des modulierten Impulsgenerators 130 ein. Die Länge des Impulses wird durch ein Fehlersignal geregelt, das durch eine Fehlerdetektorschaltung 139 erzeugt wird. Das modulierte Impulssignal wird über einen Impulstransformator 155 mit der Eingangsseite des Wandlers gekoppelt und durch die darin vorgesehene Schaltsteuerschaltung verwendet, um die darin enthaltene Schaltung zwecks Steuerung der Schaltung der primären schaltenden Transistoren zu steuern.

Die Fchlerdetektorschaltung 139 vergleicht die Ausgangsspannung des Wandlers mit einer Bozugsspannung. In Abhängigkeit hiervon wird ein Fchlcrspannungssignal erzeugt, welches der Differenz zwischen der Bozugsspannung und dor Wandlerausgangsspannung_ ^*

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entspricht., Die Bezugsspannung wird durch eine Spannungsdurchbruchsdiode 144 erzeugt, welche durch die Ausgangsspannung des mit dem Anschluß 143 verbundenen Wandlers beaufschlagt wird. Die Fehlerdetektorschaltung 1;9 umfaßt einen Differentialverstärker einschließlich emittergekoppelter Transistoren 140, 145» Die Ausgangsspannung des Wandlers an dem Anschluß 143 ist über den Widerstand 141 mit der gemeinsamen Emitter-Verbindungsstelle 137 des Differentialverstärkers gekoppelt. Die Basis 146 des Transistors 140 ist mit einem Potentiometer 136 verbunden, welches durch die Spannungsdurchbruchsdiode 144 nebengeschloss.en ist» Die Basis 148 des anderen Transistors liegt an dem Masseanschluß 138 der Ausgangsschaltung» Änderungen der Ausgangsspannung verursachen Änderungen der entsprechenden Ströme, welche durch die Transistoren 140, 145 geleitet werden; diese Änderungen sind direkt proportional dem Fehler der Ausgangsspannung gegenüber diesem geregelten Wert=

Der Kollektor 149 des Transistors 145 ist mit dem modulierten Impulsgenerator 130 verbunden, welcher einen monostabilen Logikschal tungs-Multivibrator umfaßt» Die Spannung des Kollektors bestimmt die Impulsbreite des monostabilen Multivibrators, welcher zwei "Nichtoder"-Stufen 131, 132 in Kreuzkopplung umfaßt» Einer der Eingänge 102 zu der "Nichtoder"-Stufe 131 ist mit dem nichtgefilterten Ausgang des Wandlergleichrichters an einem Verbindungspunkt 133 neben der Ausgangsfilterdrossel 49 verbunden» Dor Ausgang der "Nichtoder"-Stufe 131 liegt in Kreuzkopplung über eine Leitung 151 an einem Eingang 103 der ''Nichtoder"-Stufe 132. Der Ausgang der "Nichtoder"-Stufe 132 liegt in Kreuzkopplung mit dem parallelgeschalteten Widerstand 152 sowie dem Kondensator 153 an dem anderen Eingang 104 der "Nichtoder"-Stufe 131„ Der zweite Eingang 105 der "Nichtoder"-Stufe 132 liegt an der Hilfsenergiequelle an dem Anschluß 107, wie dies in Verbindung mit Fig„ 1 erläutert wurde. Der Betrieb der kreuzgekoppelten "Nichtoder"-Hultivibratorschaltungen ist an sich bekannt, so daß feine ins einzelne gehende Erläuterung gegeben ist»

Die Ausgangsgröße des modulierten Impulsgenerators 130 wird

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von dem Ausgang der "Nichtoder" -Stufe 152 abgenommen und über die Leitung 154 auf die Primärwicklung 156 des Impulstransformators 155 gegeben. Die Sekundärwicklung 157 liegt an einem bistabilen Multivibrator 125, v/elcher an der Eingangsseite des Wandlers angeordnet ist. Der bistabile Multivibrator 125 wirkt in der nachstehend beschriebenen Weise als Zwischenfläche zwischen der Eingangs- und Ausgangsseite des Wandlers. Der Multivibrator wird über die Leitung 126 in Abhängigkeit von der Zeitgeberquelle 10 periodisch eingestellt, welche als SchaltsteueruELg an der Eingangsseite des Wandlers wirksam ist. Nachfolgend wird eine Rückstellung in Abhängigkeit von einem Nadelimpuls durchgeführt, welcher durch den Impulstransformator 155 abgenommen wird, indem die nachlaufende Kante des Ausgangsimpulses des modulierten Impulsgenerator s 130 differenziert wird. Demgemäß rekonstruiert der bistable Multivibrator 125 die modulierte Impulsdauer und überträgt diese auf die Schaltsteuerung an der Eingangsseite des Wandlers, um die Schaltung der primären Leistungsschalter zu modulieren.

Die Schaltsteuerschaltung an der Eingangsseite des Wandlers umfaßt einen Zeitgeber 110, welcher einen Puls erzeugt. Dor Zeitgeber 110 kann einen Einverbindungs-Relaxationsoszillator oder eine andere Frequenzquelle umfassen, welche ein frequenzstabiles Signal zu erzeugen vermag. Deren Impuls-Ausgangsgröße liegt an drei in Kaskade geschalteten J-K-Flipflops 111, 112» 113, die zum Betrieb nach Art eines Kippschalters verbunden sind. Der ■^-Ausgang jedes J-K-Flipflop liegt an dem Kippschaltereingang des folgenden J-K-Flipflop der Kaskadenanordnung. Die Q-Außgänge aller Kippschalter-J-K-Flipflops liegen parallel zu einer "Nichtoder"-Stufo

Das Q-Ausgangssignal jedes der J-K-Flipflops wird durch eingeringelte Bezugsbuchstaben A, B, C angedeutet; die durch diese Buchstaben veranschaulichten Wellenformen sind in Fig. 4 gezeigt, welche Betriebsspannungs-Wellenformen ifiedergibt. Diese Impulserzeugungsanordnung erzeugt einen Verzögerungsimpuls von kurzer Dauer an dem Ausgang der "Nichtoder"-Stufe 114, der durch die

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Wellenform D in Fig. 4 veranschaulicht ist« Dieser Verzögerungsimpuls ergibt sich zweimal innerhalb jedes Betriebszyklus des Wandlers, um zu ermöglichen, daß die sychron gleichrichtenden Transistoren, welche in Verbindung mit Fig. 1 vorangehend erläutert wurden, in ihren Blockierungszustand zurückkehren, bevor ein Primärschalter eingeschaltet wird»

Die Ausgangsgröße der "Nichtoder"-Stuf e 114 liegt an einem Signal-Polungsinvertierer 115° Dessen Ausgang ist mit dem Kippschaltereingang des J-K-Flipflop 116 verbunden. Der Signal-Polungsinveftierer 115 hält die Ausgangsgröße der "Fichtoder"-Stufe 114 auf einem 1-Pegel zwischen Impulsen und erzeugt eine O--Pegel-Ausgangsgröße in genau definierten Intervallen zwecks Sicherstellung der genauen Zeitgebung der Kippschalterimpulse, die dem J-K-Flipflop 116 zugeführt werden. Der J-K-Flipflop 116 führt in Abhängigkeit hiervon wechselnd zu den "Nichtoder"-Stufen 117, 118 sowie 119, 12Öo Die Ausgangsgröße der Impulsquelle an der "Nichtoder"-Stufe 114 ist auchdirekt mit den "Nichtoder"-Stufen 117, 120 verbundene Die Ausgänge der ⁿNichtoder"-Stufen· 117, 120 sind mit Treiberschaltungen verbunden, welche die Schaltung der primären Schalttransistoren gemäß Fig. 1 steuern. Die Ausgänge der "Nichtoder"-Stufen 118, 119 sind mit den Stromtransformatorwicklungen verbunden, die vorangehend in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurden, um die Blockierungssignale den synchronen gleichrichtenden Transitoren zuzuführen. '

Der Fehlerdetektor 139 überwacht die Größe der Ausgangsspannung des Wandlers, indem die Basen der Transistoren 140, 145 mit einer Bezugsspannung bzw. mit dem Massepotential der Ausgangsspannung verbunden werden. Die gemeinsame Emitterverbindung 137 des ^ifferential'Verstärkers wird mit der geregelten Ausgangsspannung des Wandlers an dem Anschluß 143 verbunden_a Der Kollektor 147 des Transistors 140 wird mit der Hilfsspannungsquelle verbunden, welche zur Beaufschlagt der RegelSchaltung an dem Anschluß 107 dient. Der Kollekto::- 149 des Transistors 145 liegt über die Leitung 170 sowie den Widerstand I7I an dem Zeitgeberkondensator

des monostabilen Multivibrators, welcher den modulierten Imr I3Ö umfaßt,, Die Ausgangsgröße des modulierten _Λ(-

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bad original

Impulßgenerators I30 stellt einen Impuls mit einer geregelten Dauer dar, bei welcher die voreilende υχΆ nacheilende Kante dee Impulses durch den Impulstransformator 155 differenziert und hierbei mit der Eingangsseite des Wandlers gekoppelt werden.

Der monoßtabile Multivibrator in dem modulierten Impulsgenerator 150 wird anfänglich durch ein Signal getriggert, welches von der Ausgangswicklung 16 des Wandler-Leistungetransformators abgenommen wird. Dieser Impuls wird in der Ausgangswicklung des Wandlertransformators eingeleitet, wenn immer einer der primären Leistungsschalter in einen leitenden Zustand geschaltet wird. Dieser Impuls wird über den Verbindungspunkt 133 dem Eingangsanschluß 102 der "Nichtoder"-Stufe I3I zugeführt_β 3)iese Behaltet den monostabilen Multivibrator in seinen quasi-stabilen Zustand-Die Ausgangsgröße des monostabilen Multivibrators an der Leitung 1.54 in dessen quasi-stabilem Zustand nimmt einen 1-Wert en» Die Ausgangsgröße des monostabilen Multivibrators ergibt sich durch die Wellenform H in Fig. 4.

Die Wellenform H in Fig. 4- umfaßt einen ausgezogenen und einen gestrichelten Teil ο Die ausgezogene Linie zeigt die Impulsdauer unter normal geregeltem Betrieb des Wandlers_β Die maximale Impulsdauer, welche durch die gestrichelte Linie veranschaulicht ist, stellt die Anfangsbetriebsart dar, bevor das Fehlerfühlsignal, welches dem Eingang des monostabilen Multivibrators zugeführt wird, dessen quasi-etabile Zustandszeit reduziert«

Die Dauer des modulierten Impulses» welcher in der Wellenform H veranschaulicht ist, wird durch die Geschwindigkeit bestimmt, bei welcher der Kondensator 151 durch den Stromflufl durch den Transistor 145 geladen wird. Dieser Stromfluß wiederum hängt direkt von dem Fehler der Ausgangsspannung ab. Wenn die Spannung an dem Ausgangsanschluß den geregelten Wort übersteigt, lädt sich der Kondensator 151 schneller als. normal, wobei die Douer der modulierten Impulsausgangsgröße des modulierten.Impulsgenerators 130 reduziert wird. Wem die ßpannungeauagmueegröße dec Wandlers unter deflsen Regelwert fällt, lädt sieb der Kondensator 151 'wesentlich langsamer auf, wobei die Dauer der „.«

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modulierten Impul sausgang-sgröße des modulierten Impuls generators 130 gesteigert wird» '-- - - ' ^{: :>} '

Die durch die Wellenform H veranschaulichte modulierte Impulsausgangsgröße wird über die Leitung 154 der Primärwicklung 156 des Impulskopplungstransformätors ■ 1'55" zugeführt, welcher: die Eingangs- und Ausgangsseite des Wandlers verbindet. Der Transformator 155 differenziert den modulierten Impuls, welcher zwei ITadelimpulse an der Sekundärwicklung 157 von entgegengesetzter Polung erzeugt,· die an der vorlaufenden bzw, nachlaufenden Kante der modulierten Impulsausgangsgröße' des modulierten Impulsgenerators 130 auftreten» Diese als Wellenform J"in Fig« 4 veranschaulichten Nadelimpulse sind'die Überlaufsignale, welche die Spannungsregelung bewirken wenn eine Kopplung mit der Schaltsteuerung an der Eingangsseite des Wandlers erfolgte Die ausgezogenen und gestrichelten Linien der Wellenform J zeigen die' Antwort auf die ausgezogenen bzw«, gestrichelten Linien der'-Wellenform Eo · ' - ^: ' '

Dor 'Zeitgeber 110 sowie die in Kaskade geschalteten J-K-Füpfiops 111, 112, 113 gemäß der vorangehenden Boschreibung erzeugen kurzdauernde Impulse bei' einer Frequenz, welche ein Sübvielfaches der GrundfrequGnz des Zeitgebers 110 ist* Diese besondere Eeihensöiialtüng wird verwendet, da diese eine geringere Fchleranfälligkeit gegenüber anderen Frequenzerzeugern aufweist und zusätzlich einen Puls mit besseren Anstiegs- und Abfallzeiten als die Impulsausgangsgröße beispielsweise eines monostabilen Multivibrators erzeugt. ■

tM£~Flipflop 'fie, welcher atsl Kippschalter arbeitet/ wird , umLögikschaltuiigen zu steuern, welche die,Treiber·* und Blockiersignale steuern, die den primären schaltenden Transistoren und den sjnchroiien gleichrichtenden Transistoren züge- , Ϊükrt werdeE. Die gegedphasigen Ausgangsgrößen der J-K~FlipflppjB 116 ergeben sich durchT<iie WellenfOrmen.:F und G in Fig., 4» Dii? _;. f' vixd: ^A^Aiohtoder^-Btufen 117, 118 .^geführ fliegt aii den "Ifichtoder''-Stufen 1^9,.-.120-«.,Aus

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- Λβ ~

vorangehenden Beschreibung ergibt sich, daß die "ÜFichtoder'-r Stufen 117» 118 für die Übertragung von Signalen durch die r . Wellenform F instandgesetzt werden, die gegenphasijg zu der Einschaltung der "Nichtoder"-Stufen 119, 120 ist, welche für ,die Wellenform G betätigt werden« :

Jede der "Nichtoder"-Stufen 117, 113, 119, 120 ist mit dem Ausgang der "Nichtoder"--Stufe 123 gekoppelt, wel«he in de» bistabilen Jlultiv-ibrator ,125 enthalten ist» Der bistabile tiuit±TriJbra*o3? 125, welcher die kreuzgekoppelten "Nichtoder"-Stufen 123» 124 umfaßt, wirkt als Zwischenflache zwischen der Eingangs- und Ausgangsseite der Wandler-Steuerschaltung. Jede Xrapulsausgangsgröße der "Nichtoder"-Stufe 114, welche auf der Eingangsleitung 126 der "Nichtoder"-Stufe 123 liegt, triggert den Multivibrator¹ 125 in seinen Einschaltaustand„ Der Multivibrator 125 wird in seinen Einsclialtzustand beim Beginn des LeitintervalJ.s eines . primären Schalttransistors während jedes Bttriebshalbzyklue getriggert= Wenn sich der Multivibrator 125 in einem Einstellzustand befindet, wird das Ausgangssignal der "Nichtoder"-Stufc 123 über die Leitung 12? den Eingängen der "Nichtoder"-Stufen 117, 118, 119, 120 zugeführtο Dieses Signal, welches duixsh die Wellenform K in Fio 4 dargestellt ist» entspricht einem O-Pegel. Dieser O-Signalpegel beläßt alle der Ausgangs-"lichtöder"-Stuf en 117, 110, 119, 120 transparent für die Übertragung dör %3?eii)^r- und Blockiersignale zu den entsprechenden Transistorsteuerungen.

Die durch die "NichtOder"-Stufen 117, 118, 119, ISO übertragenen Signale sind durch die Wellenformen L, P, K bäw. M in Fig. M- veranschaulicht. Die ausgezogenen und geetricbisiteii Maieii der WeI-lonformen zeigen das Ansprechen auf die entsprechenden ausgezogenen und gestrichelten Kurventeile der Weileaföait H«

Wie vorangehend erwähnt »rurde, wird an dem Begiijja^ intervalla dir moduliertet Impulsgenerator 130 getriggart und <?r»eugt einen breitenmodulierten Impuls, dex''"&■ * tekl©r der gangespannung entspricht. Dieser Impuls wird durch den Kopplungetransfor-raator 155 differenziert, wodurch 8fis.delimpulee entgegenge-

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- 19 ~

setzter Polung erzeugt werden, wie dies durch die Wellenform J veranschaulicht ist„ Die an der Ausgangswicklung 157 erscheinenden Nadelimpurse werden mit der nückstell-Eingangsieitung 121 der "Nichtoder"-Stufe 124 des Multivibrators 125 verbunden,," Der Multivibrator 125 spricht lediglich auf positive Nadelimpulssignale an. Der positive Nadelimpuls ist derjenige Nadelimpuls, welcher der nachlaufenden Kante des "breitenmodulierten Impulses

entspricht ο Dieser/nachlaufenden Kante entsprechende ^r 'Nadelimpuls stellt den Multivibrator 125 zurück und ändert das über die Leitung 12? an den 'mchtoder'^-Stufe-n-i^yi^ii-S·, 119, 120 liegende? Signal auf einen representation -Wert entsprechend einem ^:1-Pegel«, Dieses 1-Pegel-Signal, das durch die Wollenform K veranschaulicht wird, beendigt die Signalfortpflanzung durch die Stufen 117? 113, 119, 12OV - -■ ' ^{; :}

Aus den vorangehenden Erläuterungen ergibt sich,- daß die Treibersignale der primären schaltenden Transistoren,, welche durch die "Nichtoder"-Stufen 117» 120 gesteuert worden-, zu einem Zeitintervall proportional der Dauer der breitenmodulierten Impulsausgangsgröße des modulierten Impulsgenerators 1JO beendet werden,, Die Ausgangsgröße des Multivibrators 125 führt das Überlaufsignäl zu, welches die primären schaltenden Transistoren moduliert» Beim Nichtvörliegen dieses Überlaufsignals arbeiten die primären schaltenden Transistoren bei irgendeinem^maximalen · ' Arbeitszyklus. Die- getriggerte Ausgangsgröße des Multivibrators 125 blockiert die Signalübergabe durch die "Nichtoder"-Stufex 117k 118, 119, 120 und moduliert den ArbeitEayklus der schaltenden Transistoren durch Beendigung der Treibersignalei "Dieser Arbeitszyklus-Modulationsbetrieb kann leicht sichergestellt werden, indem die Wollenformen L, M, N, P in 3?igo Λ beachtet werden,· welche die Ausgangsgröße der "Nichtoder"-.Stufen 117, a120, 1,19 bzw. 118 darstelleno Die Ausgangsgrößen, welche durch die Wellenformen N, P veranschaulicht sind, befinden sich außer Phase mit den Ausgängen L, 11,- da diese Signale abwechselnd in Abhängigkeit von der Ausgangsgröße dos J-K-Flipfloplie übertragen werden, um dio abwechselnde Phase ns chaltunt; des Wandlers zu beyjirken. :

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Die Wandler-Spannungsausgangsgröße wird demgemäß durch eine digitale Spannungsregelung geregelt, welche einfach den nicht geregelten Betrieb des Wandlers überläuft. Sie Isolation zwischen dem Eingang und dem Ausgang wird durch eine Impuls-Transformator/ Multivibrator-Zwischenf lache in 'geschlossenen Spannuftgs.regelkreis aufrechterhalten. Besondere Merkmale der Schaltung ermöglichen die Anwendung von eine niedrige Sättigung aufweisenden spannungsgleichrichtenden Transistoren bei hohen Frequenzen,

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Claims

f 1. j Geregelter Gleichspannungs/Gleiehspannungs-Wandler mit galvanischer ■ Isolierung zwischen Eingang und Ausgang, einem Invertierer zur Umwandlung einer Gleichspännungs-Eingangsgröße in eine Weehselspannungs-AusgangsgrQße, einem Transformator, dessen Eingang mit dem Ausgang des Invertierers verbunden ist, einem Gleichrichter, welcher mit-dem Transformator verbunden ist, um die Ausgangsgröße äeß Transformators gleichzurichten, und einer Rückkopplungsschaltung zur Steuerung des Invertierers in Abhängigkeit von der Größe des Ausgangs des Wandlers, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung (65, 60, 55? 52), welche eine gal~ⁱ vanische Isolationsschaltung (55) umfaßt, zur Steuerung des Arbeitszyklus des Invertierers (50, 10, 20/24-, 25) in Abhängigkeit von der Ausgangsgröße (66) des Wandlers ausgebildet ist* .
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eückkopplungsschaltung (651 66, 55 * 52) einen Impulsgenerator (60) zur Erzeugung eines Pultes umfaßt, dessen Zeitdauer in Zuordnung zu der Ausgangsgröße des Wandlers steht, und daß der Wandler eine Schaltsteuerschaltung (50) in Verbindung mit dem Impulsgenerator sowie dem Invertier er (10, 2Q₃₁ 24, 25) umfaßt, um die-Zeitdauer des Laitzustandes des Invertierers (10, 20, 24, 25) zu steuern, indem der Leitzustand in Abhängigkeit von der nachlaufenden Eante des Impulses des Impulsgenerators (60) beendigt wird.
3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer der Ausgangsgröße des Impulsgenera-* tors (60) durch eine Fehlerspannung gesteuert ist, die durch eine Vergleichsschaltung (65) erzeugt wird, welche einen ersten Bezügspannungseingang (70) und einen zweiten Eingang (66) in Zuordnung zu der Größe der Ausgangsspannung des Wandlers aufweist· 309817/0814

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