DE2344382A1 - Gleichspannungswandler - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weick^ann,

Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr.K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÖNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

<983921/22>

Sachs Systemtechnik GmbH, Schweinfurt,

Gle ichspannungswandler

Die Erfindung betrifft einen abwärtstransformierenden Gleichspannungswandler, insbesondere für Beleuchtungseinrichtungen an batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen.

Um die Lärm- und Abgasbelästigung durch benzinmotorbetriebene Fahrzeuge, wie z. B. Mopeds, einzuschränken, ist man dazu übergegangen, Fahrräder mit einem Elektromotorantrieb, sogenannte Elektromofas, zu kontruieren. Energiequelle dieser Elektromofas ist aus antriebstechnischen Gründen üblicherweise eine 24 Volt-Batterie. Um die Batterie auch zur Beleuchtung des Elektromofas ausnutzen zu können, müßte man Glühlampen mit einer Betriebsspannung mit 24 Volt verwenden. Diese sind aber im Handel nicht eingeführt; erhältlich sind lediglich Glühlampen mit einer Betriebsspannung von z. B. 6 Volt oder 12 Volt. Der Fahrer eines Elektromofas hätte also große Schwierigkeiten in der NachbeSchaffung derartiger Glühlampen.

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Zwar ist es denkbar, die Betriebsspannung der Batterie durch Vorschalten eines Widerstands zu verringern; die in diesem Widerstand verbrauchte Verlustleistung würde aber in Anbetracht des nicht unerheblichen Energiebedarfs der Beleuchtungsanlage die Batterie spürbar belasten. Geeignete Widerstände wären in ihren Abmessungen groß und es müßten Vorkehrungen zur Wärmeabfuhr getroffen werden. Zum Einschalten der Beleuchtungseinrichtung vorgesehene Schalter müßten überdimensioniert werden, um auch die im Widerstand verbrauchte Verlustleistung schalten zu können.

Es wäre weiterhin denkbar zum Betrieb der Beleuchtungsanlage einen vom Elektromotor angetriebenen Generator mit geeigneter Ausgangsspannung vorzusehen. Zwar wäre die Verlustleistung geringer, dies müßte jedoch mit einem hohen technischen Aufwand erkauft werden. Der Generator wäre teuer, schwer und verschleißanfällig. Die gleichen Nachteile hätte ein herkömmlicher Spannungswandler, der eine Gleichspannung mit einem Zerhacker zerhackt und in eine Wechselspannung überführt, die Wechselspannung in einem Transformator in die gewünschte Spannung transformiert und die transformierte Spannung wieder gleichrichtet.

Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe einen einfachen und betriebssicheren abwärtstransformierenden Gleichspannungswandler mit geringer Verlustleistung aufzuzeigen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen in Serie zu einem Verbraucher mit einer Gleichspannungsquelle verbindbaren, als steuerbarer Schalter dienenden Schalttransistor und einen den Schalttransistor periodisch durchschaltenden und sperrenden bistabilen Multivibrator. Die von der Gleichspannungsquelle abgegebene Gleichspannung wird damit dem Verbraucher als periodische Folge von Gleichspannungsimpulsen zugeführt.

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Der Gleichspannungswandler eignet sich damit insbesondere für Glühlampen, die aufgrund der Y/ärmeträgheit ihrer Glühwendel einen zeitlichen Mittelwert der Gleichspannungsimpulse bilden. Der zeitliche Mittelwert der GIeichspannungsimpulse wird nun so gewählt, daß die zulässige Leistung der Glühlampe im zeitlichen Mittel nicht überschritten wird. Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler hat den Vorteil sehr geringer Verlustleistung; ein Wirkungsgrad über 90 $ kann ohne weiteres erzielt werden. Er zeichnet sich durch einfachen Aufbau und hohe Betriebssicherheit aus. Er ist leicht und klein und kann billig hergestellt, wie auch problemlos angeschlossen und eingebaut werden. Zum Ein- und Ausschalten des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers genügt es auch bei größeren durch den Gleichspannungswandler zu verarbeitenden Leistungen, lediglich den geringen Betriebsstrom des bistabilen Multivibrators abzuschalten. Hierfür könnten einfache und billige Schalter verwendet werden.

In einer Ausführungsform weist der bistabile Multivibrator in an sich bekannter Weise zwei wechselseitig vom Ausgang auf den Eingang über je einen Kondensator gekoppelte Stufen auf. Vorzugsweise sind in dieser Ausführungsform der Sehalttransistor und ein weiterer Transistor in einer das verstärkende Element der Stufe bildenden Darlingtonschaltung miteinander verbunden. Auf diese V/eise ist es möglich., den Schalttransistor in den bistabilen Multivibrator mit einzubeziehen und den Bauelementeaufwand besonders gering zu halten.

Ist der Verbraucher eine Glühlampe, so treten bei Inbetriebnahme sehr hohe Einschaltströme durch den Schalttransistor auf. Dies würde in der letztgenannten Ausführungsform zu einer Frequenzänderung des bistabilen Multivibrators führen. Zweckmäßigerweise ist deshalb vorgesehen, daß in Serie zu dem Kondensator, welcher mit dem Ausgang der den Schalt transistor aufweisenden Stufe verbunden ist, ein Widerstand geschaltet ist. 509812/0484

Zur Verringerung der Verluste des Gleiehspannungswandlers kann vorgesehen sein, daß der Kollektor und der Emitter des Schalt transistors unmittelbar mit dem Ausgang der Stufe "bzw. einem der Spannungsversorgungsanschlusse des bistabilen Multivibrators verbunden sind.

In einer bevorzugten Verwendungsart ist der Verbraucher zwischen den Ausgang der den Schalttransistor aufweisenden Stufe und einem Pol der Gleichspannungsquelle schaltbar. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß der Ausgang der den Sehalttransistor aufweisenden Stufe über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator mit dem nicht Bezugspotential führenden Spannungsversorgungsanschluß des bistabilen Multivibrators verbunden ist und daß der bistabile Multivibrator mit seinen Spannungsversorgungsanschlüssen in Serie zum Verbraucher an die Gleichspannungsquelle schaltbar ist. In diesem Pail vereinfeht sich die Verwendungsweise des Gleiehspannungswandlers, da er nach Art eines Sreipols in Serie zum Verbraucher geschaltet werden kann.

Obwohl sich die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Gleiehspannungswandlers insbesondere bei Beleuchtungsanlagen zeigen, können auch anders geartete Gleichspannungsverbraucher angeschlossen werden, wenn zwischen den Schalttransistor und den Verbraucher ein Glättungsglied geschaltet ist.

Im folgenden soll ein Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungs gemäß en Gleiehspannungswandlers ;

Fig. 2 den Spannungsverlauf an einem Verbraucher;

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Pig. 3 ein detailliertes Schaltbild des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers;

Pig. 4 den Gleichspannungswandler nach Pig. 3 in einer ersten Verwendungsart; und

Pig. 5 den Gleichspannungswandler nach Pig. 3 in einer' zweiten Verwendungsart.

Pig. 1 zeigt einen steuerbaren Schalter 1, der in Serie zu einem durch eine Glühlampe gebildeten Verbraucher 3 an eine Gleichspannungsquelle 5 geschaltet ist. Der steuerbare Schalter 1 wird durch einen bistabilen Multivibrator 7 periodisch geöffnet und geschlossen. Am Verbraucher 3 liegen damit periodisch wiederkehrende Spannungsimpulse U₇ mit der Amplitude U-g der Gleichspannungsquelle 5. Das Tastverhältnis der Schließzeit t „ zur Öffnungszeit t_. - wird durch die frequenz-

ZU cLiXX

bestimmenden Elemente des·bistabilen Multivibrators 7 bestimmt und kann, falls diese variabel ausgeführt sind, in weiten Grenzen verändert werden. Die vom Verbraucher 3 aufgenommene Leistung bestimmt sich nun aus dem zeitlichen Mittelwert ü der Spannungsimpulse. Durch geeignete Wahl des Tastverhältnisses des bistabilen Multivibrators 7 kann der zeitliche Mittelwert Ü auf einfache Weise verändert werden.

Pig. 3 zeigt ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Gleichspannungswandlers 9. Grundlage dieser Schaltung ist ein bistabiler Multivibrator, dessen erste einen Transistor T1 aufweisende Stufe herkömmlich ausgebildet ist. Der Kollektor und die Basis des Transistors T1 sind über Widerstände R1 bzw. R2 mit einem ersten SpeiseSpannungsanschluß E1 verbunden; während der Emitter des Transistors T1 unmittelbar an einen zweiten Speisespannungsanschluß E2 geschaltet ist. Als verstärkendes Element V der zweiten Stufe des bistabilen Multivibrators dient ein.Schalttransistor T2,

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der über Widerstände R3, R4 mit einem weiteren Transistor T3 in Darlingtonschaltung verbunden ist. Die Basis des weiteren Transistors T3 ist über einen V/iderstand R5 mit dem ersten Speisespannungsanschluß E1 verbunden, und der Emitter des Schalttransistors T2 ist unmittelbar an den zweiten Speisespannungsanschluß E2 angeschlossen. Die Ausgänge der beiden Stufen sind wechselseitig über je einen Kondensator C1 bzw. C2 mit dem Eingang der anderen Stufe verbunden. Die Kapazitätswerte der Kondensatoren C1 und C2 legen zusammen mit den Werten der Widerstände R2 und R5 herkömmlich das Tastverhältnis t /t « fest. Während

zu auf

der Kondensator C1 unmittelbar zwischen dem Kollektor des Transistors T1 und der Basis des weiteren Transistors T3 angeschlossen ist, verbindet der Kondensator C2 die Basis des Transistors T1 über einen hierzu in Serie geschalteten Widerstand R6 mit dem Kollektor des Schalttransistors T2. Ein dem Widerstand R1 entsprechender Kollektorwiderstand der zweiten Stufe ist nicht vorgesehen, an seine Stelle tritt, wie untenstehend noch näher erläutert wird, der Verbraucher 3. Der Widerstand R6 stabilisiert, falls der Verbraucher 3 eine Glühlampe ist, die Frequenz des bistabilen Multivibrators. Die Frequenz würde sich anderenfalls aufgrund des hohen EinsehaltStroms einer kalten Glühlampe ändern. Der Kollektor des Schalttransistors T2 ist unmittelbar mit einem Ausgangsanschluß A verbunden.

Anhand der Fig. 4 soll im folgenden die Verwendungsweise des Gleichspannungswandlers 9 aus Fig. 3 näher erläutert werden. Der Schalttransistor T2 dient als Schalter und ist über den zweiten Speisespannungsanschluß E2 mit einem Pol der Gleichspannungsquelle 5 verbunden. Der mit dem Ausgangsanschluß A verbundene Kollektor des SchaIttransistors T2 ist über den Verbraucher 3 an den anderen Pol der Gleich-

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Spannungsquelle 5 angeschlossen. Der erste Speisespannungsanschluß E1 ist über einen Schalter 11 ebenfalls mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle 5 verbindbar. Der Schalter 11 muß lediglich für den verglichen mit dem Strom durch den Verbraucher 3 geringen Betriebsstrom des Multivibrators ausgelegt sein.

Eine weitere Yerwendungsweise ist in Fig. 5 dargestellt. Der Gleichspannungswandler 9 kann hinsichtlich der Schaltungspunkte 13 und 15 als Zweipol aufgefasst werden, der, ähnlich einem Widerstand einer Spannungsteilerschalter in Serie zum Verbraucher 3 an die Gleichspannungsquelle 5 geschaltet werden kann. In diesem Pail ist es jedoch erforderlich, zwischen dem Ausgangsanschluß A und dem ersten Speisespannungsanschluß E1 ■ parallel einen Widerstand R7 und einen Kondensator C3 anzuschließen. Diese Maßnahme stellt einwandfreies Arbeiten des Gleichspannungswandlers 9 bei durchgeschaltetem Schalttransistor T2 sicher. Es soll hervorgehoben werden, daß die Verluste im Widerstand R7, obwohl dieser in Serie zum Verbraucher 3 geschaltet ist, verglichen mit einer Potentiometerschaltung aus einem Vorschaltwiderstand und einem Verbraucher, gering sind.

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Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE

1. Abwärtstransformierender Gleichspannungswandler, insbesondere für Beleuchtungseinrichtungen an batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen, gekennzeichnet durch einen in Serie zu einem Verbraucher (3) mit einer Gleichspannungsquelle (5) verbindbaren, als steuerbarer Schalter (1) dienenden Schalttransistor (T2) und einem den Schalttransistor (T2) periodisch durchschaltenden und sperrenden bistabilen Multivibrator (7).

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dessen bistabiler Multivibrator zwei wechselseitig vom Ausgang auf den Eingang über je einen Kondensator gekoppelte Stufen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (T2) und ein weiterer Transistor (T3) in einer das verstärkende Element (V) der Stufe bildenden Darlingtonschaltung miteinander verbunden sind.

3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zu dem Kondensator (C2), welcher mit dem Ausgang der den Schalttransistor (T2) aufweisenden Stufe verbunden ist, ein Widerstand (R6) geschaltet ist.

4. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 2

oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor und der Emitter des Schalttransistors (T2) unmittelbar mit dem Ausgang (A) der Stufe bzw. einem der Spannungsversorgungsanschlüsse (E2) dee bistabilen Multivibrators verbunden sind.

5. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 2 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (3) zwischen den Ausgang der den Schalt transistor (T2) aufweisenden Stufe und

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- 9 einem Pol der Gleiehspannungsquelle (5) schaltbar ist.

6. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (A) der den Schalttransistor aufweisenden Stufe über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand (R7) und einem Kondensator (C3) mit dem nicht Bezugspotential führenden Spannungsversorgungsanschluß (E1) des bistabilen Multivibrators verbunden ist und daß der bistabile Multivibrator mit seinen Spannungsversorgungsanschlüssen (E1, E2) in Serie zum Verbraucher (3) an, die Gleichspannungsquelle (5) schaltbar ist.

7. Gleichspannungswandler nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schalttransistor (T2) und den Verbraucher (3) ein Glättungsglied geschaltet ist.

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