DE2345097B2 - Fremdgesteuerter gleichspannungswandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen fremdgesteuerten Gleichspannungswandler, bei dem ein Steuergenerator für rechteckförmige Steuersignale mit von dessen Versorgungsgleichspannung unabhängigen elektrischen Parametern auf einen durch eine umzusetzende Versorgungsgleichspannung gespeisten, im Schaltbetrieb arbeitenden Gegentaktverstärker mit zwei Transistoren einwirkt, deren Schaltstrecken in Reihenschaltung an die Versorgungsgleichspannung — gegenüber dieser in Durchlaßrichtung gepolt — angeschlossen sind, und mit einem Ausgangsübertrager, dessen Primärwicklung in Reihe mit einem Koppelkondensator parallel zur Schaltstrecke des einen Transistors geschaltet ist und der sekundärseitig eine Gleichrichterschaltung sowie einen Siebkondensator für die Ausgangsspannung aufweist. Ein solcher Gleichspannungswandler ist bekannt (CH-PS 5 38 782).

Der bekannte Gleichspannungswandler enthält eine Anzahl mit Halbleiterschaltelementen bestückte Wechselrichter. Im einzelnen sind die Wechselrichter aus je einem Gegentaktverstärker aufgebaut, an den ein Serienschwingkreis angeschlossen ist. Die Frequenz

-ίο

eines die Wechsolrichter synchron steuernden Generators für rechteckförmige Signale stimmt beim Beineb mit voller Ausgangsspannung mit der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises überein. Dabei ist der Innenwiderstand des GegentaktverstiSrkers in Verbindung mit dem Serienschwingkreis minimal. Da der Innenwiderstand frequenzahhängig ist. kann die Ausgangsspannung durch Verändern der Frequenz des Generators, verringert werden. Dies wird zu einer Regelung der Ausgangsspannung durch einen geschlossenen Regelkreis ausgenutzt. Mit einem geschlossenen Regelkreis läßt sich zwar eine gute Regelgenauigkeit erreichen-, er weist aber aus Stabilitätsgründen eine gewisse Regelträgheil auf. Soll in erster Linie eine Stabilisierung der Ausgangsspannung gegen Schwankungen der Eingangsspannung des Gleichspannungswandler erfolgen, so eignet sich hierzu eine Störgrößenaufschaltung der Eingangsspannung, bei der keine Siabilitiitsprobleme auftreten.

Eine solche Störgrößenaufschaltung der Eingangsspannung ist bei einem fremdgesteuerten Gleichspannungswandler beispielsweise durch die US-PS 32 27 942 an sich bekannt. Bei diesem Gleichspannungswandler wird ein Steuergenerator in seiner Frequenz in Abhängigkeit von der Eingangsspannuiig des Wandlers derait gesteuert, daß im Endeffekt die Ausgangsspannung des Wandlers trotz schwankender Eingangsspannung konstant bleibt. Dieser Wandler weist als Leistungsschalter in seinem Wechselrichterteil Thyristoren auf. Der Steuergenerator liefert kurze Zündimpulse für die Thyristoren. Der Wechselrichterteil speist die nachgeschaltete Gleichrichter und Filteranordnung mit Rechteckimpulsen konstanter Dauer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem fremdgesteuerten Gleichspannungswandler der eingangs genannten Art mit verhältnismäßig wenig Schaltungsaufwand eine Störgrößenaufschaltung der Versorgungsgleichspannung vorzusehen.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß der Gegentaktverstärker mit dem Steuergenerator transformatorisch über einen Steuerverstärker verbunden ist. dessen Steuereingang über einen Widerstand in aufsteuerndem Sinne an der Versorgungsgleichspannung liegt und mi. dem Steuergenerator über einen die Steuersignale des Steuergenerators differenzierenden Kondensator verbunden ist. und daß der Siebkondensator an die Sekundärseite des Ausgangsübertragers über eine Diode angeschlossen ist, die gegenüber der Sekundärspannung des Ausgangsübertragers derart gepolt ist, daß sie bei zugesteuertem Steuerverstiirker stromdurchlässig ist.

D=I die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung z.wischem dem Steuergenerator und dem Gegentaktverstärker nur ein einziges zusätzliches aktives Bauteil, z. B. einen Transistor oder integrierten Schaltkreis, erfordert, ist der Aufwand besonder gering. Mit Hilfe des zusätzlichen aktiven Bauteiles kann in vorteilhafter Weise eine Störgrößenaufschaltung in Abhängigkeit von der in der Größe schwankenden Versorgungsgleichspannung im Hinblick auf eine konstante Ausgangsgleichspannung erfolgen, und zwar durch Veränderung deü Tastverhältnisses der Steuersignale des Steuergenerators. Die Änderung des Tastverhältnisses und eine damit verbundene Steuerung des Stromflußwinkels des. Steuerverstärkers erfolgt über das diesem vorgeschaltete Differenzierglied derart, daß bei hoher Versorgunflsgleichspannung eine kurze und bei niedriger Versorgungsgleichspannung eine lange Sperrphase

vorliegt. Dies wirkt sich auf den an die Sekundärseite des Ausgangsübertrager^ ungeschlossenen Siehkondensator so aus, daß über die betreffende Diode bei hoher Versorgungsgleichspannung ein kurz andauernder und bei niedriger Versorgungsgleichspannung ein langer andauernder Ladestrom fließt.

Wenn für den Gleichspannungswandler ein Steuergenerator verwendet wird, der in seiner Frequenz von Hand einstellbar ist. kann die Ausgangsgleichspannung in vorgegebenen Grenzen leicht von Hand eingestellt werden.

Es gibt Anwendungsiälle, bei denen der Fremdgesteuerte Gleichspannungswandler nicht immer denselben Verbraucher mit Strom versorgt. Da bei Laständerungen eine gewisse Schwankung der Ausgangsgleichspannung unabhängig von der Versorgungsgleichspannung eintritt, kann es für manche Anwendungställe von Vorteil sein, daß die Ausgangsgleichspannung zusätzlich auch noch lastunabhängig auf dem gewünschten konstanten Wert gehalten wird. Dies kann in vorteilhaf ter Weise bei der vorliegenden Schaltungsanordnung dadurch erreicht werden, daß der Steuereingang des Verstärkers außerdem über die Reihenschaltung einer Zenerdiode mit einem Widerstand an die Primärwicklung des Ausgangsübertragers angeschlossen ist. Durch eine derartige Rückführung ist der Innenwiderstand des Gleichspannungswandlers kompensierbar, wodurch in vorteilhafter Weise Lastschwankungen nicht zu entsprechenden Schwankungen der Ausgangsspannung führen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Schaltung eines fremdgesteuerten Gleichspannungswandlers und

F i g. 2 in mehreren Diagrammlinien verschiedene Signalverläufe.

F i g. 1 zeigt die Schaltungsanordnung eines fremdgesteuerten Gleichspannungswandlers mit einem Steuergenerator G für rechteckförmige Steuersignale UST. vgl. Fig. 2, Diagrammlinie I. Durch die Wahl eines Blockschaltbildes für den Steuergenerator G soll angedeutet werden, daß hierfür keine spezielle Schaltung verwendet werden muß. Es ist jedoch Voraussetzung, daß der durch die Versorgungsgleichspannung + UB gespeiste Steuergenerator G Steuersignale ausgibt, deren Frequenz und Amplitude unabhängig von den zu erwartenden Amplitudenschwankungen der Versorgungsgleichspannung + UB konstant sind. An den Steuergenerator G ist über einen Kondensator £1 die Basiselektrode eines Transistors Π in Emitterschaltung angeschlossen, dessen Kollektorelektrode über die Primärwicklung U 11 eines Übertragers U\ in Reihe mit einem Widerstand Rl an der Versorgungsgleichspannung + UB liegt. Diese gelangt ferner über den Widerstand R 2 auf die Basiselektrode des Transistors 71. Der Widerstand R 2 ist so bemessen, daß der Transistor Tl unter Berücksichtigung aller möglichen Amplitudenschwankungen der Versorgungsgleichspannung -1- UB jeweils bei hohem Potential der Steuersignale UST vom Generator C durchgeschaltet ist. Der Widerstand R 1 dient zur Strombegrenzung im Primär- und Sekundärkreis des Übertragers U1. Die Sekundärv/icklung U12 des Übertragers U1 ist einerseits mit den beiden Basiselektroden zweier komplementärer Transistoren 72 und 73 und andererseits mit deren Emitterelektroden verbunden. Die Kollektorelektrode des Transistors 72 liegt an der Versorgungsgleichspannuns: + UB. Dagegen führt die Kollektorelektrode des

Transistors 73 Nullpotenttal, Die beiden komplementären Transistoren 72 und 73 ergeben einen Gegentaktverstärker, dessen Ausgang die beiden zusammengeschalteten Emitterelektroden bilden. Diese sind über einen Koppelkondensator C2 und die Primärwicklung L/21 eines Ausgangsübertragers L/2 auf Nullpotential gelegt. Die Kapazität des Koppelkondensators Cl ist so bemessen, daß sich für die Frequenz der Steuersignale UST tm relativ geringer Blindwiderstand im Hinblick auf den auf die Primärseite des Übertragers U 2 transformierten Lastwiderstand an den Klemmen K 1 und K 2 ergibt. Die Sekundärwicklung U 22 des Ausgangsübertragers L/2 kann über eine Leitung Ll ebenfalls auf Nullpotential gelegt werden. Bei aufgetrennter Leitung L1 ist die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandler erdfrei. Andererseits ist an die Sekundärwicklung U 22 eine Diode Dl angeschlossen mit einer derartigen Polung, daß über die Diode D1 immer dann ein Strom in einen Siebkondensator C3 fließt, wenn der Transistor 72 leitend ist. An den Klemmen K 1 und K 2 steht die Ausgangsspanrmng des Gleichspannungswandlers + UA zur Verfügung.

Es ist für di? richtige Funktion des fremdgesteuerten Gleichspannungswandlers von Bedeutung, daß der Generator G rechteckförmige Steuersignale i/57 abgibt, die in ihrer Frequenz und Amplitude unabhängig von der Versorgungsgleichspannung des Generators C konstant sind. Bevorzugt wird eine Amplitude der Steuersignale /Λ57, die etwa 10% der Versorgungsgleichspannung + UB ist. Die rechteckförmigen Steuersignale UST werden über den Kondensator Cl differenziert. Ein diesbezüglicher Signalverlauf an der Basiselektrode des Transistors 71 ist in der Diagrammlinie 2 in F i g. 2 in Abhängigkeit von der Zeit ί dargestellt. Die Bezugszeichen der Diagrammlinien sind ebenfalls — jedoch in jeweils einem Kreis — an den die betreffenden Signalverläufe aufweisenden Schaliungsteilen eingetragen.

Im Zusammenhang mit dem Signalverlauf in der Diagrammlinit 2 ist vergleichsweise die Versorgungsspannung + UB eingetragen, die im Verhältnis zum Steuersignal UST durch das genannte Amplitudenverhältnis etwa zehnmal so groß ist. Vor jeder Halbperiode der Steuersignale UST. bei der die Signalamplitude noch nicht mit dem Nullpotential identisch ist, liegt die Basiselektrode des Transistors 71 auf einem positiven Potential, das der Schwellspannung der Steuerstrecke des Transistors 71 entspricht, vgl. auch Diagrammlinie 2. Kurventeil 21. Sobald das Steuersignal UST Nullpotential erreicht hat, vgl. /1 in Diagrammlinie 1, springt das Potential an der Basiselektrode des Transistors 71 auf einen negativen Wert, der gleich der um die Basis-Emitterspannung des Transistors 71 verminderten Amplitude des Steuersignals LIST ist. Während der Zeitdauer 22 des Impulses 23 ist der Transistor 71 gesperrt. Die Zeitdauer 22. also die Impulsbreite des Impulses 23, richtet sich nach der Kapazität des Kondensators Cl und dem Wert des Widerstandes R 2 und ist ebenfalls abhängig von der jeweiligen Höhe der Versorgungsgleichspannung + UB. Es läßt sich mathematisch nachweisen, daß die Impulsbreite annähernd proportional IIUB ist. Die Zeitdauer 22. die verstreicht, bis der Impuls 23 abgeklungen ist und der Transistor 71 nach dem Erreichen des Kurventeiles 24 wieder dürchgeschaltet ist, ist damit umgekehrt proportional zur Versorgungsgleichspannung + UB. Das bedeutet, daß die Sperrphase des Transistors 1 um so langer wird, je kleiner die

Versorgungsgleichspannung + LIB ist. Andererseits ist die Impulsbreite danach um so kleiner je höher die Vcrsorgungsglcichspannung + iVflisi.

Die in der Diagrammlinic 3, 4 diirgestcllicn rcchteekförmigen Impulse entsprechen den Signalverläufen an dem mit denselben Bezugszeichen versehenen Schaltungsteilen. Da nur grundsätzliche Zusammenhänge gezeigt werden sollen, sind bei der Darsicllungswcise Spannungsabfälle am Widerstand R 1, der Primärwicklung LIW des Übertragers (/1 bzw. die Restspannung der Schallsireckc vom durchgeschaltcten Transistor 7~2 nicht berücksichtigt. Solange der Transistor Π gesperrt ist, ist der Transistor 72 des Gegentakt Verstärkers durchgeschaltet und der Transistor 7"3 gesperrt. In der übrigen Zeil kehren sich die beschriebenen Verhältnisse um. so daß die Transistoren 7"! und Ti leitend, dagegen der Transistor Γ2 gesperrt ist. Die Diode D 1 ist nun so geschaltet, dall sie während der Zeit, in welcher der Transistor Γ2 leitend ist, einen Stromimpuls, vgl. Diagrammlinie 5, auf den Sicbkondcnsator C'3 überträgt. Da der Ausgangsübertrager U2 vom Gegentaktverstärker mit den Transistoren 7 2 und 7"3 durch den Koppelkondensator ("2 glcichspannungsmäßig abgetrennt ist, erhält der Ausgangsübertrager Ll 2 Gleichstromvormagnctisierung. Hieraus resultiert eine geringe Größe im Verhältnis zur übertragenen Leistung. Min nachträglicher Vergleich der in den Diagrammlinicn 2 und 5 dargestellten Signalverläufe zeigt, daß der Ladestrom des Siebkondensators ("3 um so langer andauert, je kleiner die Versorgungsgieichspannung + LIB ist. weil in dem Fall die Zeitdauer 22 größer ist.

Wenn der fremdgesteuerie Gleichspannungswandler als Stromversorgungseinrichtung für wechselnde Lasten eingesetzt werden soll, kann es von Vorteil sein, die Ausgangsspanntmg + HA an den Klemmen Kl. K 2 nicht nur unabhängig von der Vcrsorgungsgleichspanllung +C/i auf einem konstanten Wert /u halten, sondern zusätzlich noch eine Unabhängigkeit von der jeweiligen l.asi /u schaffen. Dies kann in vorteilhafter Weise dadurch erreicht werden, daß die Basiselektrode des Transistors 71 über die gestrichelt dargestellte Leitung, eine Zenerdiode 1)2 in Reihe mil einem Widersland W1 mit dem Verbindungspunkt des Koppelkondensators ("2 und der Primärwicklung ('21

des Übertragers [12 verbunden ist.

Eine weitere Abwandlung der vorliegenden Schaltungsanordnung kann in vorteilhafter Weise dadurch erzielt werden, daß der Steucrgcneraior C nicht direkt aus der Versorgungsgleichspannung + HB gespeist wird. Zu diesem Zweck wird die Leitung I. 2 aufgetrennt und der Steuergeneraior G in bevorzugter Weise über eine Widerstand-Kondensalorschaltung R 5. C'4 durch die Ausgangsspannung + LJA gespeist. Da der fremdgesteuerte Gleichspannungswandler in der dann vorliegenden Schaltung nicht selbsttätig beim Vorhandensein der Versorgungsgleichspannung +LIB anläuft, wird zum Starten ein zusätzlicher Stromkreis vorgesehen, der aus der Versorgungsgleichspanniing + LIB gespeist wird. Zu diesem Zweck ist der Widerstand R 4 in Verbindung mit dem Tastenkonlakt TK vorgesehen. Die in diesem Zusammenhang vorzusehenden Leitungen sind ebenfalls strichlieri dargestellt. Beim kurzzeitigen Schließen des Tastenkontaktes TK beginnt der Steuergenerator G Steuersignale LIST abzugeben, wodurch sich der Siebkondensator ('3 schließlich nach einigen Periode! auf die gewünschte Ausgangsspannung + LIA aufgeladen hat. Von diesem Zeitpunkt an steht für den Steucrgcneraior G auch bei geöffnetem Tastenkonlakt TK eine ausreichende Vcrsorgungsglcichspannung zur Verfügung, so daß der Gleichspannungswandler mil der vorgesehenen Kremdsieuerung selbsttätig arbeiten kann. Bei einem etwaigen kurzzeitigen Kurzschluß der Ausgangsspannung + /M wird der Gleichspannungswandler erst nach einer durch die Bemessung der Bauteile C "4 und RS vorgegebenen Zellkonstanten abgeschaltet, weil die für den Sicucrgcneralor G erforderliche Versorgnungsgleichspannung eisi nach der genannten Zeitdauer auf ein Minimum abgesunken ist. Min selbsttätiges Anlaufen der Schal uingsanordiHing ist nach den vorangegangenen l.rlauic rungen nicht möglich und erfolgt ersi durch eine Bedienung des lasienkoniaktes TK.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann in vorteilhafter Weise so abgeändert werden, daß gleichzeitig mehrere, verschiedene Ausgangsspannungen erzeugt werden. Hierzu wird die Sekundärwicklung /'22 mn mehreren Anzapfungen versehen, an die ie eine Diode und ein Siebkoiidensalor angeschlossen werden

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Fremdgesteuerier Gleichspannungswandler, bei dem ein Steuergenerator für rechteckförmige Steuersignale mit von dessen Versorgfungsgleichspannung unabhängigen elektrischen Parametern auf einen durch eine umzusetzende Versorgungsgleichspannung gespeisten, im Schaltbetrieb arbeilenden Gegentaktverstärker mit zwei Transistoren einwirkt, deren Schaltstrecken in Reihenschaltung an die Versorgungsgleichspannung — gegenüber dieser in Durchlaßrichtung gepolt — angeschlossen sind, und mit einem Ausgangsübertrager, dessen Primärwicklung in Reihe mit einem Koppelkondensator parallel zur Schaltstrecke des einen Transistors geschaltet ist und der sekundärseitig eine Gleich richterschaltung sowie einen Siebkondensaior für die Ausgangsspannung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegentaktverstärker (T2. T3) mit dem Steuergenerator (G) transformatorisch (V 1) über einen Sieuerverstärker (Transistor Tl) verbunden ist. dessen Steuereingang über einen Widerstand (R 2) in aufsteuerndem Sinne an der Versorgungsgleichspannung (+UB) liegt und mit dem Steuergenerator (G) über einen die Steuersignale des Steuergenerators (G) differenzierenden Kondensator (C^-I) verbunden ist. und daß der Siebkondensator (C^- i) an die Sekundärseite des Ausgangsübertragers /(/2) über eine Diode (Dl) angeschlossen ist. die gegenüber der Sekundärspannung des Ausgangsübertragers ((/2) derart gepolt ist, daß sie bei zugesteurtem Steuerverstärker (Transistor Tl) stromdurchlässig ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Sieuereingang des Verstärkers (7~1) außerdem über die Reihenschaltung einer Zenerdiode (D 2) mit einem Widerstand (R 3) an die Primärwicklung (f/21) des Ausgangsübertragers (tV2) angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch I oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung eines in der Frequenz, einstellbaren Steuergenerators (G).