DE2325266A1

DE2325266A1 - Schaltungsanordnung zur regelung der leistungsabgabe einer gleichspannungsquelle an eine last

Info

Publication number: DE2325266A1
Application number: DE2325266A
Authority: DE
Inventors: Donal E Baker
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1972-05-23
Filing date: 1973-05-18
Publication date: 1973-12-06
Also published as: CA986584A; US3793580A; IT987958B; FR2192408B1; FR2192408A1; NL7307122A; JPS4950445A; GB1417888A

Description

DlPL-ING. KLAUS NEUBECKER 2325266

Patentanwalt 4-" Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

• Düsseldorf, 17. Mai 1973

Westinghouse Electric Corporation
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

:P a t e a t a ia 1S. φ j I c

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»

KW/jn 3-

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