DE2345097C3 - Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen fremdgcsteuerten Gleichspannungswandler, bei dem ein Steuergeneralor 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 Schaltstrerke des einen Transistors geschaltet ist und der sekundärseitig eine Gleichrichter- <«■ schaltung sowie einen Siebkondensator für die Ausgangsspannung aufweist. Ein solcher Gleichspannungswandler ist bekannt(CH-PS 5 3H 782).

Der bekannte Gleichspannungswandler enthält eine Anzahl mit llalbleiterschaltelemcnten bestückle Wech- '■■ selrichler. Im ein/einen sind die Wechselrichter aus je einem Gegentaktverstärker aufgebaut, an den ein Serienschwingkreis angeschlossen ist. Die Frequenz eines die Wechselrichter synchron steuernden Generators für rechteckförmige Signale stimmt beim Betrieb mit voller Ausgangsspannung mit der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreise·, überein. Dabei ist der Innenwiderstand des Gegentaktverstärker in Verbindung mit dem Serienschwingkreis minimal. Da der Innenwidersiand frequenzabhängig ist. kann die Ausgangsspannung durch Verändern der Frequenz des Generators verringert werden. Dies wird zu einer Regelung der Ausgangsspanming durch einen geschlossenen Regelkreis ausgenutzt. Mit einem geschlossenen Regelkreis läßt sich /war 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 Stabililälsprobleme auftreten.

Eine solche Störgrößenaufschaltung der Eingangsspannung ist bei einem fremdgesieuerten 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 Eingangsspannung des Wandlers derart gesteuert, daß im Eiidcffeki die Ausgangsspannung des Wandlers trotz schwankender tingangsspannung konstant bleibt. Dieser Wandler weist als Leistungsschalter in seinem Wechselrichterteil Thyristoren auf. Der Steuergenerator liefert kurze Zündimpulse für die Thyristoren. Der Wechselrichierteil speist die nachgeschaltete Gleichrichter- und Filteranordnung mit Rechteckinipulsen konstanter Dauer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem fremdgesieuerten Gleichspannungswandler der eingangs genannten Art mit verhältnismäßig wenig Schallungsaufwand eine Störgrößenaufschaltung der Versorgungsglcichspannung 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 ansteuerndem Sinne an der Versorgungsglcichspannung liegt und mit dem Steuergenerator über einen die Steuersignale des Steuergenerators differenzierenden Kondensator verbunden ist, und daß der .Siebkondensator an die Sekundärseite des Ausgangsüberiragers über eine Diode angeschlossen ist, die gegenüber der Sekundärspannung des Ausgangsübertragers derart gepolt ist, daß sie bei zugesteuertem Steuerverstärker stromdurchlässig ist.

Da die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zwischem 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 /war durch Veränderung des Tastverhältnisses der Steuersignale des Steuergeneraiors. Die Änderung des Tastverhältnisses und eine damit verbundene Steuerung des Stromflußwinkels des Sieuerverstiirkers erfolgt über das üiesem vorgeschaltete Differenzierglied derart, daß bei hoher Vervntiiingsgleichspannung eine kurze und bei niedri gcr Versorgungsgleichspannung eine lange Sperrphase

vorliegt. Dies wirki sich auf den an die Sekundärseite des Ausgangsübertragers angeschlossenen Siebkondensalor so aus. daB über die betreffende Diode bei hoher Versorgungsgleii.hspannung ein kurz andauernder und bc; niedriger Versorgungsglcichspannung ein langer iindauernder Ladestrom fließt.

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

Es gibt Anwendungsfälle, bei denen der Fremdgesteuerte Gleichspannungswandler nicht imrv.T denselben Verbraucher mit Strom versorgt Da bei l.asianderungen eine gewisse Schwankung der Ausgangsgleichspannung unabhängig von der Versorgungsgleichspannung eintritt, kann es für manche Anwendungsfälle von Vorteil sein, daß die Ausgungsgleichspannung zusätzlich auch noch lasHinabhängig auf dem gewünschten konstanten Wert gehalten wird. Dies kann in vorteilhafter Weise bei der vorliegenden Schaltungsanordnung dadurch erreichi werden. Mali der Steuereingang des Verstärkers außerdem über die Reihenschaltung einer Zencrdiode mit einem Widerstand an die Primärwicklung des Ausgangsübertragers angeschlossen ist. Durch eine derartige Rückführung ist der Innenwiderstand des (ileichspannungsvv .Midlers kompensierbar, wi durch in vorteilhafter Weise Lastschwankungen nich, zu entsprechenden Schwankungen der Ausgangsspariming führen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert, Ls zeigt

Fig. 1 die Schaltung eines frenidgesteuerten Gleichspannungswandlers und

Ii g. 2 in mehreren Diagrammlinien verschiedene Signulverläufe.

('ig. I zeigt die Schaltungsanordnung eines frenidgesteuerten Gleichspannungswandlers mit einem Steuer generator G für rechteckförmige Steuersignale HST. vgl. ¥ i g. 2, Diagrammlinie I. Durch die Wahl eines Blockschaltbildes für den Steuergenerator G soll angedeutet werden, daß hierfür keine spezielle Schaltung verwendet weiden muli. Ks 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 Ci die Basiselektrode eines Transistors Ti in Emitterschaltung angeschlossen, dessen Kollektorelektrode über die Primärwicklung (711 eines Übertragers Ul in Reihe mit einem Widerstand R I an der Versorgungsgleichspannung + UB liegt. Diese gelangt ferner über den Widerstand R 2 auf die Basiselektrode des Transistors Ti. Der Widerstand R2 ist so bemessen, daß der Transistor Ti unter Berücksichtigung aller möglichen Amplitudenschwankungen der Versorgungsgleichspannung + UB jeweils bei hohem Potential der Steuersignale (/ST vom Generator G durchgeschaltet ist. Der Widerstand R 1 dient zur Strombegrenzung im Primär und Sekundärkreis des Übertragers (/1. Die Sekundärwicklung Il 12 des 1 Iberiragers I' 1 ist einerseits mit den beicien Basiselektroden zweier komplementärer Transistoren 72 und /"3 und andererseits mit deren Emitterelektroden verbunden. Die Kollektorelektrode des transistors 7 2 hegt an '!er Versorgungsgleichspannung t UB. Dagegen fuhrt die Kollektorelektrode des

Transistors 73 Nullpotential. Die beiden komplementären Transistoren 7~2 und Ti ergeben einen Gegentaktverstärker, dessen Ausgang die beiden zusatrimengeschalteten Emitterelektroden bilden. Diese sind über einen Koppelkondensator C'2 und die Primärwicklung i'?l eines Ausgangsübertragers U2 auf Nullpotential gelegt. Die Kapazität des Koppelkondensators C 2 im so bemessen, daß sich für die Frequenz der Steuersignale i AST ei η relativ geringer Blindwiderstand im Hinblick auf den auf die Primärseite des Übertragers U2 transformierten festwiderstand an den Klemmen K 1 und K 2 ergibt. Die Sekundärwicklung (722 des Ausgangsübertrager U2 kann über eine Leitung /. 1 ebenfalls auf Nullpotential gelegt werden. Bei aufgetrennter Leitung /. 1 ist die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandler erdfrei. Andererseits ist an die Sekundärwicklung (722 eine Diode D 1 angeschlossen mit einer derartigen Polung, daß über die Diode D 1 immer dann ein Strom in einen .Siebkondensator ( i fließt, wenn der Transistor 72 leitend ist. An den Klemmen K I und K 2 steht die Ausgangsspaniung des Gleichspannungswandler + UA zur Verfugung.

Ls ist für die richtige Funktion des fremdgesteuerten fjleichspannungswandlers von Bedeutung, daß der (jenerator G rechleckförmige Steuersignale (7.S7 abgibt.die in ihrer Frequenz und Amplitude unabhängig von der Versorgungsglcichspannung des Generators (J konstant sind. Bevorzugt wirj cmc Amplitude der Steuersignale (¹ST, die etwa 10% der Versorgungsgleichspannung + UBisx. Die rechteckformigcn Steuersignale (7.S7' werden über den Kondensator (I differenziert. Lm diesbezüglicher Signalverlauf an der Basiselek'rode des Transistors 71 ist in der Diagrammlinie 2 in F i g. 2 in Abhängigkeit von der /.en / dargestellt. Die Bezugszeichen der Diagrammlinien sind ebenfalls — jedoch in jeweils einem Kreis — an den die betreffenden .Signalverläufe aufweisenden Schaltungsteilen eingetragen.

Im Zusammenhang mit dem Signalserlauf in der Diagrammlinie 2 ist vergleichsweise die Versorgungsspannung + UB eingetrager;, die im Verhältnis zum Steuersignal (AST durch das genannte Amplituden verhältnis etwa zehnmal so groß ist. Vor jeder Halbperiode der Steuersignale (7.ST 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 (AS"/' Nullpotential erreicht hat, vgl. t 1 in Diugrammlinie I. springt das Potential an der Basiselektrode des Trans.stors 71 auf einen negativen Wert, der gleich der um die Basis-Emitterspannung des Transistors 71 verminderten Amplitude des Steuersignals (7.ST 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 Ci und dem Wert des Widerstandes R 2 und ist ebenfalls abhängig von der jeweiligen Höhe der Versorgungsgleichspannung + UB. Ls läßt sich mathematisch nachweisen, daß die Impulsbreite annähernd proportional 1/(7/5 ist. Die Zeildauer 22. die verstreicht, bis der Impuls 2i abgeklungen ist und der Transistor 71 nach dem Erreichen des Kurventeiles 24 wieder durchgeschaltet ist, ist damit umgekehrt proportional zur Versorgungsgleichspannung + ί ¹B Das bedeutet, daß die Sperrphase des Transistors 1 um so langer wird, je kleiner die

Versorgungsgleichspanniing + UB ist. Andererseits ist die Impulsbreite danach um so kleiner je höher die Versorgungsgleiehspannung + IJB \s\

Die in der Diagrammlinie \, 4 dargestelhen reehteckförmigen Impulse entsprechen den .Signalverlaufen an dem mit denselben Bezugs/eichen versehenen .Schaltungsteilen. Da nur grundsätzliche Zusammenhänge gezeigt werden sollen, sind bei der Darslellungsweise .Spannungsabfälle am Widerstand R 1. der Primärwicklung UW des Übertragers i/l bzw. die Restspannung der Schaltstrecke vom durchgeschalteten Transistor 72 nicht berücksichtigt. Solange der Transistor 71 gesperrt ist. ist der Transistor 72 des Gegentaktverstärker durchgeschaltel und der Transistor 73 gesperrt. In der übrigen Zeit kehren sich die beschriebenen '■ Verhältnisse um. so daß die Transistoren 71 und 73 leitend, dagegen der Transistor 7"2 gesperrt ist. Die Diode D 1 ist nun so geschaltet, daß sie während der Zeit, in welcher der Transistor 72 leitend ist. einen Stromimpuls, vgl. Diagrammlinie 5. auf den Siebkönden- ^' sator C"3 überträgt. Da der Ausgangsübertrager i/2 vom Gegentaktverstärker mit den Transistoren 72 und 73 durch den koppclkondensator C"2glcichspannungsmäUig abgetrennt ist. erhält der Ausgangsübertrager 112 Gleichstromvormagnctisierung. Hieraus resultiert eine geringe Grolle im Verhältnis zur übertragenen Leistung. L^:in 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 Versorgungsgleich- >' spannung + UB ist, weil in dem !"all die Zeitdauer 22 größer ist.

Wenn der fremdgesteuerte Gleichspannungswandler als Stromversorgungseinrichtung für wechselnde Lasten eingesetzt werden soll, kann es von Vorteil sein, die ;* Atisgangsspannung +IJA an den Klemmen Ki. K 2 nicht nur unabhängig von der Versorgungsgleiehspannung + UB auf einem konstanten Wert zu halten, sondern zusätzlich noeh eine Unabhängigkeit von der jeweiligen Last zu schaffen. Dies kann in vorteilhafter A" Weise dadurch erreicht werden, daß die Basiselektrode des Transistors 71 über die gestrichelt dargestellte Leitung, eine Zencrdiode D 2 in Reihe mit einem Widerstand /?3 mit dem Verbindungspunkt des Koppelkondensaiors C2 und der Primärwicklung i/21 des Übertragers U2 verbunden ist.

Line weitere Abwandlung der vorliegenden Schal uingsanordnung kann in vorteilhafter Weise dadurcl erzielt werden, daß der .Steuergenerator G nicht dirck aus der Versorgungsgleiehspannung +Uli gespeis vvird. Zu diesem Zweck wird die Leitung /. 2 aufgeircnii und der Steuergenerator G in bevorzugter Weise übet eine Widerstand-Kondensatorschaltung R 5. C4 durcl die Aiisgangsspannung + UA gespeist. Da der iremdge steuerte Gleichspannungswandler in der dann vorliegenden Schaltung nicht selbsttätig beim Vorhandenseil der Versorgungsgleiehspannung +UB anläuft, win. zum Starten ein zusätzlicher Stromkreis vorgesehen der aus der Versorgungsgleiehspannung + i//igespeist wird. Zu diesem Zweck ist der Widerstand R 4 ir Verbindung mit dem Tastenkontakt TK vorgesehen Die in diesem Zusammenhang vorzusehenden Leitungen sind ebenfalls striehliert dargestellt. Beim kurzzeitigen Schließen des Tastcnkontaktes TK beginnt der ι Sieuergenerator G Steuersignale UST abzugeben wodurch sich der Siebkondensator C3 schließlich nach einigen Perioden auf die gewünschte Ausgangsspannung + UA aufgeladen hat. Von diesem Zeitpunkt an steht für den Steuergenerator G auch bei geöffneten Tastcr.kontakt TK eine ausreichende Versorgungs gleichspannung zur Verfugung, so daß der Gleichspan nungswandlcr mit der vorgesehenen F'rcmdsteuerunj: selbsttätig arbeiten kann. Bei einem etwaigen kurzzeni gen Kurzschluß der Ausgangsspannung + UA wird der Gleichspannungswandler erst nach einer durch die Bemessung der Bauteile C4 und R 5 vorgegebenen Zeilkonstanten abgeschaltet, weil die für den Steuergcnerator G erforderliche Versorgnungsgleichspannung erst nach der genannten Zeitdauer auf ein Minimum abgesunken ist. Ein selbsttätiges Anlaufen der Schaltungsanordnung ist nach den vorangegangenen Lrläuterungen nicht möglich und erfolgt erst durch eine Bedienung des Tastenkontaktes 7AJ.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

23 45 Patentansprüche:

1. Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler, bei dem ein Steuergenerator für rechteckförmigc Steuersignale mit von dessen Versorgungsgleichspannung unabhängigen elektrischen Parametern auf einen durch eine umzusetzende Versorgungsgleichspannung gespeisten, im Schaltbetrieb arbeilenden Gegentaktverstärker mil zwei Transistoren κ 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 Koppelkonden- is sator parallel zur Schaltstrecke des einen Transistors geschaltet ist und der sekundärseitig eine Glcichrichterschaltung sowie einen Siebkondensalor für die Ausgangsspannung aufweist, dadurch gekenn / e ic h η e t. daß der Gegentaktverstärker (T 2. T3) mit dem Steuergeneralor (G) transformatorisch (f /1) über einen Steuerverstärker (Transistor T I) verbunden ist. dessen Steuereingang über einen Widerstand (R 2) in aufsteuerndem Sinne an der Versorgungsgleichspannung (+UB) liegt und mit j~ dem Stcuergenerator (C) über einen die Steuersignale des Steuergenerators (G) differenzierenden Kondensator (C I) verbunden ist. und daß der Siebkondensator (Ci) an die Sekundärseite des Ausgangsübertrager (LI2) über eine Diode (D 1) ν angeschlossen ist, die gegenüber der Sekundärspannung des Ausgangsübertragers (1)2) derart gepolt ist. daß sie bei zugesteuriem Steuerverstärker (Transistor 7"1) stromdurchlässig ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang des Verstärkers /Tl) außerdem über die Reihenschaltung einer Zenerdiode (D2) mit einem Widerstand (R 3) an die Primärwicklung (U2\) des Ausgangsübertragers (i/2)angeschlossen ist. a<->

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2. gekennzeichnet durch die Verwendung eines in der Frequenz einstellbaren Stcuergenerators (G).