DE2325266A1 - Schaltungsanordnung zur regelung der leistungsabgabe einer gleichspannungsquelle an eine last - Google Patents
Schaltungsanordnung zur regelung der leistungsabgabe einer gleichspannungsquelle an eine lastInfo
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Description
DlPL-ING. KLAUS NEUBECKER 2325266
Patentanwalt 4-" Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9
• Düsseldorf, 17. Mai 1973
Westinghouse Electric Corporation
Piftsburgh, Pa., V. St. A.
Piftsburgh, Pa., V. St. A.
Schaltungsanordnung zur Regelung der Leistungsabgabe einer Gleichspannungsquelle an eine Last
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zur Regelung der Leistungsabgabe einer Gleichspannungsquelle an eine Last, insbesondere auf Schaltungsanordnungen mit
statischen Gleichspannungsschaltkreisen für die Leistungsregelung in elektrischen Systemen.
Die vorliegende Erfindung steht mit der älteren deutschen Patentanmeldung P 22 11 828.1 im Zusammenhang, die ebenfalls
statische Gleichspannungsschaltkreise betrifft, die einen Leistungsteiler für die Aufteilung der Verlustleistung der
Hauptschalteinrichtung umfassen.
In der speziellen Ausführungsform der Erfindung, wie sie in
der vorgenannten älteren Patentanmeldung beschrieben ist, weist der Leistungsteiler zwei Transistoren auf, die nach Art
eines Darlington-Verstärkers geschaltet sind. Der Darlington-Verstärker wird durch Vorspannungssignale gespeist, die von
einer Sekundärwicklung des Transformators des Oszillators in der Treiberstufe für den Haupt-Transistorschalter abgeleitet
werden. Diese Ausführung hat sich bewährt und führt zu
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Telefon (0211) 32O858 Telegramme Custopat
bedeutenden Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik.
Bei dem zuvor erwähnten Schaltungsaufbau wird der Speisestrom
(Treiberstrom) den Transistoren (Q3 und Q2, wobei die Bezugszeichen sich auf Fig. 6 der älteren Patentanmeldung beziehen)
des Leistungstellers über einen Widerstand (R6) von einer
Sekundärwicklung des Treiberstufen-Transformators (Tl) zugeführt, wobei zwei Dioden (CR6 und CR7) als Vollw.gteichrichter geschaltet
sind. Der Wert des Treiber- oder Speisestroms beaufschlagt die Primärwicklung des Treiberstufen-Transformators
(Tl) und erscheint als Gleichspannungskomponente des Primärstroms. Der Leistungsverlust aufgrund des Treiberstroms für den
Leistungsteiler ist annähernd
wobei I der Treiberstrom für den Leistungsteiler, N /N das
P s
Primär-ysekundärwindungsverhältnis des Transformators und V
die Speisespannung ist. Für einen typischen IO A/28 V-Gleich—
energieregler ist I ungefähr 0,14 A, das Windungsverhältnis 4
und V 28 V. Die Leistung P hat demnach den Wert 0,98 W. Da
CC
die Gesamtverlustleistung des Leistungsregler - ohne den
Leistungsteiler - typischerweise etwa 10 W beträgt, ist ersichtlich,
daß sich eine erhebliche Zunahme der Verlustleistung bzw. ein erheblicher Wirkungsgradverlust ergibt, wenn mit der Ausführung
nach der vorerwähnten älteren Patentanmeldung gearbeitet wird. Der elektrische Wirkungsgrad ist ein wichtiges Merkmal
für Festkörper-Leistungsregler, und infolge der verhältnismäßig niedrigen Gesamtverlustleistung vergleichbarer mechanischer
Schalteinrichtungen wird fortlaufend eine weitere Verbesserung angestrebt.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung
zur Regelung der Leistungsabgabe von einer Gleichspannungsquelle an eine Last zu schaffen, die einen gegenüber den bisher bekannt-
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gewordenen Lösungen weiter erniedrigten Leistungsverlust auf-=
weist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Schaltungsanordnung zur
Regelung der Leistungsabgabe einer Gleichspannungsquelle an eine Last erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine erste
statische Schalteinrichtung,, die mit einer ersten und einer
zweiten Elektrode in eineP Stromzweig zwischen der Gleichspannungsquelle
und der zu speisenden Last geschaltet ist? ferner eine dritte Elektrode aufweist? sowie durch einen
parallel zu der Schalteinrichtung zwischen die Gleichspannungsquelle
und die· Last geschalteten Leistungsteiler mit zwei nach Art eines White-Verstärkers geschalteten Transistoren entgegen*=
gesetzter Polarität? wobei der White-Verstärker seine Eingangsspannung von der Mitte!anzapfung einer ■ Transforaatorwicklung
einer der Schalteinrichtung zugeordneten Treiberstufe erhält»
Zweckmäßigerweise sind die nach Art eines White-Verstärkers geschalteten Transistoren des Leistungsteilers als npn-Transistor
bzw. pnp-Transistor geschaltete
Die vorliegende Erfindung stellt eine einfachere Schaltungs-=
anordnung mit weniger Bauteilen und niederigeren Fertigungskosten als die vorerwähnte ältere Patentanmeldung und damit
eine weitere Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar» Der elektrische Wirkungsgrad wird weiter verbesserte da die
durch den Einsatz der Vorspannungsschaltung für den Leistungsteiler bedingte Verlustleistung/Null haben kann? gegenüber einem
Wert von ungefähr I W Leistung? die benötigt wird? um den
Leistungsteiler der vorerwähnten älteren Patentanmeldung zu speisen«,
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert, die
schematisch den Schaltungsaufbau der Schaltungsanordnung nach
der Erfindung wiedergibt.
Die mit der Zeichnung veranschaulichte Schaltungsanordnung hat
eine statische Schalt- und Verstärkungseinrichtung mit einem im beschriebenen Ausführungsbeispiel als npn-Transistor ausgebildeten
Transistor Ql, der als Haupt-Leistungsschaiter zwischen
einer Gleichspannungsquelle 12 und einer Last 14 liegt. Der Transistor Ql ist mit seinem Kollektor über eine Leitung 16 an "-.
einen Vorwiderstand Rl angeschlossen, der seinerseits mit der Gleichspannungsquelle 12 in Verbindung steht. Der Emitter des
Transistors Ql steht mit der Last 14 über eine Leitung 18 in Verbindung. Zwischen die Leitungen 16 und 18 ist ferner, parallel
zu dem Transistor Ql, ein Leistungsteiler 20 geschaltet, der nachstehend weiter ins einzelne gehend erläutert wird.
Die Zeichnung zaigt ferner eine Treiberstufe 22 mit einer als Verstärker und Strombegrenzer wirksamen Regelstufe 24, einem
Treiberoszillator 26 sowie einem Ein-/Aussteuerkreis 27. Die Elemente der Treiberstufe 22 können weitgehend als die Elemente
der Schaltungsanordnung angesehen werden, die in der vorgenannten älteren Patentanmeldung beschrieben wurde, wobei insbesondere
auf Fig. 6 dieser älteren Patentanmeldung und die Elemente in den Schaltungsteilen 15, 16 und 28 der Schaltungsanordnung bezug
genommen wird. Die Verbindungen des Treiberoszillators 26 nach der vorliegenden Erfindung sind jedoch gegenüber denjenigen bei
der älteren Patentanmeldung etwas abgewandelt. Der Treiberoszillator
26 weist einen freilaufenden Oszillator auf', der gelegentlich auch als Royer-Oszillator bezeichnet wird und einen
Transformator Tl enthält. Entsprechend der vorliegenden Erfindung
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ist ©ine Mittelähgäpfuhg 2§ deir Primärwicklung 18 des Train's^
formators Tl über eine Leitung 30 mit dem Eingang des Leistüngsteilers
20 verbundenο
Im Gegensatz zu der Speisung des Leisttingstellers 20 seitens
des Treiberoszillators 26 kann der $relberos-2illatör 26 sel=bst
wie in der vorerwähnten älteren Patentanmeldung ausgebildet söin,
so daß darauf nicht näher eingegangen wird«, Der Leistungsteiler
20 enthält zwei Transistoren Q2 und.Q3 entgegengesetzter Polari~
tat, die in bekannter Weise als White-Veestanker geschältet sind.
Der pnp-Transistor Q2 liegt mit seinem Emitter, an einem Ver*=
bindungspunkt 32-, zu dem der Kollektor des npn-Transistors Q3
geführt ist. Der- Kollektor des pnp-Transistors Q2 ist an einen
Verbindungspünkt 33 geführt^ an dem auch die Basis des npn-Transistors
Q3 liegt« Der Verbindungspunkt 32 ist ferner über
einen.Widerstand R3 an einen Verbindungspunkt 34 angeschlossen/
an dem das eine Ende des den Strom erfassenden*-Vorwiderstanäes
Rl liegt» Zwischen die "Basis und· den. Emitter des Transistors Q2
ist ein Widerstand R4 geschaltet, und ein weiterer Widerstand R5
liegt zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q3--Ein
vieiterer Widerstand R2 ist zwischen den Emitter des
Transistors Q3 und die Last 14 geschaltet= Ferner weist der
Leistungsteiler '20 eine Gleiishrichter-Diode CRl sowie eine.
Zener-Diode CR2 auf t die in entgegengesetzter Pοlung -in Reihe
mit der ,Gleichrichter=Diode CRl geschaltet ist» Die beiden
Dioden liegen in einem Stromzweig zwischen der Leifeung. 16 und
der Basis des Transistors Q2o
Entsprechend der Erfindung wird von dem Össillator-Eingangsstrom
zu der Mittelahzäpfuhg 29 in die Leitung 30 Vörspannungsstrom
eingespeist, um die Transistoren Q2 und Q3 des Leistungsteilers zu sättigen.» Der Wert dieses Stromes setzt sich aus dem in der
Sekundärwicklung 31 des Transformators Tl erfaßten Wert des Stroms und den Oszillatorverlüsten zusammen» Dieser Wert des
Q§:ziiiatorstroffis reicht aus, um die Transistoren Q2 und Q3 zu
speisen und erfordert keine Erhöhung seiner Amplitude. Weiter
ist der Spannungsabfall Zwischen dem Widerstand R3 und dem
Bäsis-yEMitterübergäng des Transistors Q2 unter Nennbedingungen
geringer als l V* Dieser Spannungsabfall ist niedrig genug, um
ohne Auswirkung auf das Leistungsvermögen öder die Auslegung
des übrigen Schaltungsaüfbaus 2u bleiben* Infolgedessen kann
durch Verwendung des beschriebenen Schaitungsaufbaus eine
Leistungsteilüng mit dem als Hauptschalter wirksamen Transistor
Ql ohne Inkaufnahme von Verlustleistung erzielt werden. Ferner
können gegenüber der Ausführung nach der vorerwähnten älteren deutschen Patentanmeldung P 22 11 .828 vier Bauteile sowie eine
Transformatorwieklung eingespart werden.
Die Zener "-Diode CR2 und der Widerstand R3 des Leistungsteilers
dienen dazu, den Strombegrenzungswert des Leistungsteilers in der gleichen Weise zu überwachen, wie das bei der Schaltungsanordnung
nach der älteren Patentanmeldung P 22 11 828 geschieht. Die Gleichrichterdiode CRl dient zur Temperaturstabilisierung
des Leistungsteiler^Strombegrenzungswertes durch Kompensation des Basis-/Emitterspannungsabfalls des Transistors Ql. Geeignete
Werte für R2 und R3 werden in der gleichen Weise bestimmt, wie das für die entsprechenden Bauteile der Schaltungsanordnung der
vorgenannten älteren Patentanmeldung beschrieben.wurde.
Damit ist eine verbesserte Leistungsteiler^Schaltungsanordnung
beschrieben worden, die einerseits keine Opfer hinsichtlich elektrischem Wirkungsgrad bzw» Leistungsverlust erfordert, andererseits
weniger verwickelt und kostspielig als bisher ist.
Nachstehend werden beispielsweise Werte angegeben, die die Bauteile des Leistungsteiiers 20 der vorliegenden Erfindung
haben können, wobei die Werte weiterer Bauteile des Leistungsteilers mit den entsprechenden Werten der Fig. 6 der vorgenannten
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älteren Patentanmeldung entsprechend einem 10 Abschalter, der
mit einer Nenn-Speisegleichspannung von 28 ¥ arbeitet, übereinstimmen
können.
Transistor Q2 2N379O Transistor Q3 2N3773
Widerstand R2 4,5 Ohm Widerstand R3 0„4 Ohm
Widerstand R4 500 Ohm Widerstands , 100 0hm
Diode CRl 1N4001
Zener-Diode CR2 5„6 V Durchbruchsspannung»
Um insgesamt eine zusätzliche Verlustleistung Null durch den Leistungsteiler 20 zu erhalten „ kann der Wert ders Widerstands R6
in der Treiberstufe 22 entsprechend eingestellt werden» Für das spezielle Ausführungsbeispiel' mit den vorstehenden zusammengestellten
Werten kann R6 geeigneterweise einen Wert von 60 Ohm anstelle eines Wertes von lOOO Ohm wie der Widerstand R23 des
Aüsführungsbeispiels der erwähnten älteren Patentanmeldung
haben.
Patentansprüche;
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Claims (7)
1. JSÄaltungsanDrJnung zur Regelung -der Leisfcuags^bgjabe einer
O -"-"■■"■"
GIteiclaspaiariiiuagsgiaeiiLe an eine Last,, gekennzeichnet
eine erste statis-che Stelleinrichtung, die mit elaer
•und einex rzweiteti Elekl:;ED.<äe in einen eisten
zwlsctten der Sitelctospaniiungsquelle (12) und der zu
Last '(14.) -gesehaltet jLst, ferner eine dritte Elektrode -aufweist;,
sowie einen parallel zn der -Schalteinrichtung
■die Gleichspannungsquelle unS dieLast geschalteten
teuer i(20) mit zwei nach Art eines White-^erstarkecs gescäaalteten
Transistoren f,Q2-, Q3) entgegengesetzter Pol-aritiäit
wobei der Khite-Verstärker seine Eingangsspannung von der
Mittel anzapfung {Z9D einer Trans formatorwicklung (28;) einer
der Sehalteinrientlang zugeordneten Treiberstufe (22) erhält,.
2. Schaltungsanordnung nach (Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet:,
daß die Transistoren (Q2, Q3) von einem pnp-Transistör einer
seits und einem npn-Transistor andererseits gebildet sind,, wobei der Emitter des pnp-Transistor (Q2) und der .Kollektor
des rtpn-Transistors (Q3) miteinander verbunden sind und der
Kollektor des pnp-Transistors (Q2) und die Basis des npn-Transistors
(Q3) ebenfalls miteinander verbunden sind.
3. SchaltungsanOrdnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die gemeinsame Verbindung des Emitters des pnp-Transistors und des Kollektors des npn-Transistors über
einen Widerstand (R3, Rl) mit der Gleichspannungsquelle und der Emitter des npn-Transistors (Q3) über einen Widerstand
(R2) mit der Last (14) verbunden sind.
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4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Widerstand (R4) zwischen den Emitter und die Basis des pnp-Transistors (Q2) und ein v/eiterer Widerstand (R5)
zwischen den Emitter und die Basis des npn~Transi-stors (Q3)
geschaltet ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche „
1-4, wobei die Treiberstufe eine erste Einrichtung zur Speisung der ersten statischen Schalteinrichtung in Übereinstimmung
mit Schwankungen des Stroms zwischen der Spannungsquelle und der Last und eine aweite Einrichtung zur Speisung
des Leistung?teilers aufweist,, dadurch gekennzeichnet, daß
die Treiberstufe (22) einen Treiberossiilator (26) mit einem
Transformator (Tl) umfaßte der eine Primärwicklung (28) mit
einer Mittelanzapfung (29) und eine Sekundärwicklung (31) hat,
daß die erste Einrichtung zur Speisung der ersten Schalteinrichtung
die Sekundärwicklung (31.) umfaßt unä daß die zweite
Einrichtung zur Speisung des Leistungsteilers (20) eine Leitung umfaßt, die von der Mittelanzapfung (29) der Primärwicklung
(28) zu der Basis des einen der beiden Transistoren (Q2, 3) des Leistungsteilers (20) führte
6. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche
1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsteiler (20)
eine weitere Einrichtung aufweist,- die zwischen die Spannungsquelle und den Eingang der Transistoren geschaltet ist, um so
den Strombegrenzungswert des Leistungsteilers zu überwachen.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die weitere Einrichtung eine in bezug auf Strom von der Gleichspannungsquelle in Vorwärtsrichtung gepolte Gleichrichterdiode
(CRl) und eine in entgegengesetzter Polarität zu der Gleichrichterdiode (CRl) in Reihe mit dieser geschaltete
Zener-Diode (CR2) aufweist»
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