DE2347483A1

DE2347483A1 - Sperrschwinger

Info

Publication number: DE2347483A1
Application number: DE19732347483
Authority: DE
Inventors: Hans Mogens Beierholm
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1972-10-24
Filing date: 1973-09-21
Publication date: 1974-05-09
Also published as: US3909747A; FR2204080B1; GB1452764A; SE388519B; FR2204080A1; JPS4977558A; CA984922A; NL7314182A; CH576729A5; DE2347483C3; JPS5547490B2; DE2347483B2

Description

Sperrschwinger

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sperrschwinger mit einem über einen Rückkopplungstransformator mit einer Haupt- und einer Rückkopplungswicklung zurüekgekoppelten Verstärkerelement.

Das Problem bei den meisten bekannten Sperrschwingern ist deren Stabilität, niedriger Wirkungsgrad und die "Wirkungsgradabhängigkeit von der Betriebsspannung. Ein anderer Nachteil ist, daß die Kollektor-Emitter-Spannung infolge der im Transformator gespeicherten magnetischen Energie auf sehr hohe Werte ansteigen kann. Bei einem Sperrschwinger mit einem Transistor als Verstärkelelement ist es bekannt, die Energie dadurch zu übertragen, daß der Transistor leitend gesteuert wird, und die Überspannungen mittels Dioden zu begrenzen, die auch zur Auflösung der magnetischen Energie dienen, z. B. dadurch, daß sie parallel zur Primärwicklung des Transformators geschaltet werden.

Es ist auch bekannt, unmittelbar an die Ausgangswicklung des Transformators einen Kondensator im Nebenschluß anzuschließen, wobei die im leitenden Zustand des Verstärkerelements im Kondensator gespeicherte elektrische Energie dazu verwendet wird, eine Gegen-Magnetisierung zu erzeugen, die. der/iransformator gespei-, cherten magnetischen Energie entgegengerichtet ist. Diese Anordnung ist unvorteilhaft, da sie eine Verringerung des Wirkungsgrades bewirkt. _{40ββ1β/1001}

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energierückgewinnung bei.einem Sperrschwinger zu ermöglichen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Rückkopplungstransformator eine Energierückleitungswicklung hat, die mit einer Diode in Reihe geschaltet ist, und daß diese Reihenschaltung von Diode und Rückleitungswicklung derart gepolt an der Betriebsspannungsquelle liegt, daß die im Transformator gespeicherte magnetische Energie im nichtleitenden Zustand des Verstärkerelements in die Betriebsspannungsquelle zurückgeleitet wird.

Auf diese einfache Weise wird erreicht, daß die im Transformator gespeicherte Energie nun infolge des Polaritätswechsels eine solche Polarität hat, daß die Diode leitend wird und der Strom in die Betriebsspannungsquelle zurückfließt. Dadurch wird eine Begrenzung der Spannung am Verstärkerelement erreicht, so daß man freier in der Wahl des Verstärkerelements ist. Ferner lassen sich die Energieverluste niedriger halten.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Energierückleitungswicklung die Rückkopplungswicklung ist. Dadurch kann man bei passendem Aufbau der Schaltungsanordnung eine zusätzliche Wicklung am Transformator einsparen.

Dies läßt sich z. B. dadurch erreichen, daß das Verstärkerelement ein Transistor ist, dessen Kollektor über die Primärwicklung des Rückkopplungstransformators mit dem einen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden ist, während dessen Emitter mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden ist, daß das eine Ende der Rückkopplungswicklung mit demselben Pol wie der Kollektor und das andere Ende mit der Basis des Transistors verbunden ist, und daß zwischen dem anderen Ende der Rückkopplungswicklung und der Basis des Transistors ein Widerstand eingeschaltet ist und daß an diesem Verbindungspunkt von Rückkopplungswicklung und Widerstand das eine Ende der Diode angeschlossen ist, deren anderes Ende mit dem anderen Pol der Be-

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triebsspaimungsquelle und &it zur Durchlaßrichtung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors entgegengesetzter Polarität angeschlossen ist.

Dadurch wird erreicht, daß die Diode nur leitend ist, wenn der Transistor nicht leitend ist, während gleichzeitig der Widerstand in der Basis-Strecke den Basisstrom im Transistor und die gewünschte Energierückleitung.bestimmt.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn parallel zum Widerstand in der Baäszuleitung des Transistors ein Kondensator liegt.

Dadurch erhält man im Augenblick des Wechsels, wenn z. B. der Transistor leitend wird, einen großen Stromimpuls, der den Transistor voll durchsteuert, und hierdurch wird ein schneller Wechsel sowie ein hoher Wirkungsgrad erzielt.

Die Erfindung ergibt somit einen hohen Wirkungsgrad, eine Begrenzung der Kollektor-Emitter-Spannung, annähernde Temperaturunabhängigkeit in einem sehr großen Bereich, z. B. -25° C bis +85°C, und der Wirkungsgrad ist von der Betriebsspannung unabhängig.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigenσ

Fig. 1 einen bekannten Sperrschwinger,

Fig. 2 den Sperrschwinger nach der Erfindung und

Fig. 3 verschiedene Strom- und Spannungsdiagramme.

Nach Fig. 1 ist eine Leitung 1 mit dem einen Pol und eine Leitung 2 mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden. Eine Leitung 3 verbindet eine Vorspannungsquelle über einen mechanischen oder elektronischen Schalter mit der Basis eines Transistors 5, so daß man mittels des Schalters bestimmen kann, ob der Sperrschwinger ausgelöst wird oder nicht

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Das eine Ende der Primärwicklung 9 eines Transformators 7 ist am Kollektor 6 des Transistors und das andere Ende an der Leitung 1 angeschlossen. Der Transformator ist mit einer Ausgangswicklung 10 versehen, die von einem Kondensator 11 überbrückt ist. Dieser Kondensator wird im leitenden Zustand des Transistors 5 aufgeladen, und die im Kondensator gespeicherte Energie verursacht in dem anderen, nicht leitenden Zustand des Transistors eine Auflösung der im Transformator vorhandenen elektrischen Energie,, Das heißt, daß sowohl zum Aufladen des Kondensators als auch die im Transformator verbliebene Energie gebraucht wird« Der Transformator 7 besitzt außerdem eine Rückkopplungswicklung 12, die eine Mitkopplung bewirkt. Ihr eines Ende 13 ist an der Basis 4 des Transistors 5 und ihr anderes Ende 14 an einem Widerstand 15 angeschlossen, der an dem Ausgang eines aus Widerständen 16, 17 bestehenden, über die Leitungen 1, 2 an der Betriebsgleichspannung liegenden

Spannungsteilers angeschlossen^

geändert

-Dieser Sperrschwinger hat die bereits erwähnten Nachteile, insbesonderekann die Spannung an der Kollektor-Emitter-Strecke tU-g auf sehr hohe Werte ansteigen, so daß man einen Transistor benötigt, dessen Kollektor-Emitter-Strecke eine sehr hohe Durchschlags spannung aufweist. Zum Beispiel kann U«_E bei einer Betriebsgleichspannung von 18 Volt und der hier angegebenen Kopplung auf ca. 1OG V ansteigen, weshalb man aus Sicherheitsgründen einen 140-V-Transistör verwenden muß.

Der Wirkungsgrad und damit die Ausgangsleistung sind stark von Änderungen der Betriebsspannung, der Temperatur sowie der Stromverstärkung des Transistors abhängig.

Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Die Betriebsgleichspannung Ug liegt an Leitungen 18 und 19. Eine Steuerspannung Ug kann über Leitungen 19, 20 und einen Schalter 21 der Basis 22 und dem Emitter 24 zugeführt werden und dadurch den Transistor 23 sperren. Der Kollektor 25 ist an dem einen Ende der Primärwicklung 27"des Transformators 26 angeschlossen,

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während das andere Ende der Wicklung 27 mit der Leitung 18 verbunden ist. Die Ausgangswicklung 29 ist über eine Diode gP mit dem Lastwiderstand R, verbunden. Das eine Ende der Rückkopplungswicklung 28 des Transformators 26 ist mit der Leitung 18 und das andere Ende über eine Diode D₁ mit der anderen Leitung 19 verbunden. Zwischen dem Verbindungspunkt von Diode D. und Rückkopplungswicklung/und der Basis 22 des Transistors 23 liegt ein Widerstand Rg. Der Widerstand Rg ist von einem Kondensator C überbrückt.

Wenn der Transistor 23 leitend wird, steigt der Kollektorstrom I_c an, bis der Basisstrom Ig beginnt, den Transistor zu sperren. U_CE steigt dann an, und infolge der Mitkopplung nimmt Ig ab. Der Transistor wird dadurch völlig gesperrt. Es ist nun im Transformator 26 eine magnetische Energie gespeichert. Diese Energie wird jetzt durch die Wicklung 28 und die Diode D^ als Strom Lq zur Betriebsspannungsquelle zurückgeleitet. Wenn dieser Strom I_n auf Null abgefallen ist, steigt die Spannung U^ an der Diode D^wieder an. Es beginnt dann ein Basisstrom Ig zu fließen, und infolge der Mitkopplung wird der Transistor 23 wieder voll leitend. Der Kondensator G dient dazu; einen großen Stromstoß zu bewirken, wenn IL-. anzusteigen beginnt, wodurch ein schnellerer Wechsel und damit niedrigerer Wechselverlus,t erzielt wird. Wenn der Transistor gesperrt wird, (in seinen nichtleitenden Zustand zurückkehrt), entsteht an der Transformatorwicklung 28 aufgrund des gewählten Windungszahlenverhältnisses und Wickelsinns eine Spannung mit einer solchen Größe und Polarität, daß die Diode D. leitend wird und in die Betriebsspannungsquelle ein Strom zurückfließt.

Ist der Transistor 23 leitend, so ist der Kondensator C aufgeladen, und wenn der Transistor 23 gesperrt wird, fällt das Potential der linken Seite des Kondensators C an der Kathode von D₁ auf ca. -0,5 V ab. Das Potential der rechten Seite des Kondensators wird ebenso weit negativ, wie die Aufladung des Kondensators C dies bedingt. Bei Ug_E = -6 bis 7 V fließt ein Rückstrom über die Basis, und der Kondensator C entlädt sich

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dabei teilweise. Dia weitere Entladung des Kondensators C erfolgt über Rg. Nicht dieser Entladungsverlauf bestimmt, wann der Transistor 23 wieder leitend wird. Der Transistor 23 wird leitend, wenn die gespeicherte Energie in die Betriebsspannungsquelle zurückgeleitet worden und der Strom L₀ dabei auf Null abgefallen ist. Die Spannung an der linken Seite des Kondensators C steigt danach an, und selbst wenn gegebenenfalls im Kondensator C eine Restladung enthalten sein sollte, steigt auch an, bis der Transistor 23 voll leitend ist.

Fig. 3 zeigt u. a. die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE, die beginnt, wenn der Transistor gesperrt wird, um danach auf das Sättigungsniveau, d. h. fast Null, abzufallen und darauf wieder anzusteigen usw. Die Basis-Emitter-Spannung υ_βΕ ist in dem anschließenden Zeitdiagramm dargestellt. Wenn der Transistor gesperrt ist, hat der Kondensator C, da die Diode D^ leitend ist, eine negative Spannung, so daß die Baas 22 negativ vorgespannt ist. Diese Ladung wird teils über den Widerstand R_ß und teils über die Basis-Emitter-Strecke entladen, ehe der Transistor wieder leitend wird, wonach die Basis-Emitter-Spannung steigt und konstant bleibt, bis der Transistor wieder gesperrt ist₀ Die Diodenspannung U_D ist in dem nächsten Diagramm gezeigt. Der erste Teil ist. infolge des Stroms, der durch die Wicklung 28 und die Diode D₁ fließt, im Verhältnis zum Bezugspotential der Leitung 19 etwas negativ. Dabei bleibt sie konstant, bis der Transistor wieder leitend wird. In diesem Augenblick steigt sie auf ihren vollen Wert an und bleibt konstant.

Die Ausgangsspannung U. ist mit einer der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE entgegengesetzten Polarität dargestellt. Der Kollektoretrom I„ hat den normalen, typischen Verlauf« Nachdem er auf Null abgefallen ist bleibt er bei Null, abgesehen von einem Reststrom, steigt danach sprungartig auf einen bestimmten Wert und von dort infolge der Selbstindukation linear weiter an, bis der TransistSrfiß^rden nichtleitenden Zustand übergeht. Dies wiederholt sich.

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Der Verlauf de? BasisStroms Ig wei£t zu Beginn jeder Periode eine negative Stromspitze auf. Diese Stromspitze ist auf die Entladung des Kondensators C über die Basis-Emitter-Strecke und über den Widerstand Rg zurückzuführen. Wenn diese Entladung ganz oder teilweise erfolgt ist und der Transistor infolge der positiven Spannung an der Diode D^ wieder leitend zu werden beginnt, fließt ein großer Strom durch den Kondensator C, der seine Ladung über die Rückkopplungswicklung 28 erhält, und dieser Strom nimmt dann bis auf den Basisstrom I_ß ab, der in dem verbleibenden Zeitabschnitt, in dem der Transistor leitend ist, konstant bleibt. Dies wiederholt sich dann wie dargestellt.

In dem vorletzten Bild ist der durch die Diode D^ fließende Strom I₀ dargestellt. In dem ersten Zeitabschnitt, in dem der Transistor gesperrt ist, steigt er auf einen hohen Wert an, der infolge der Selbstinduktion im Transformator 26 abnimmt, bis die gespeicherte magnetische Energie im Transformator verbraucht ist. Danach, wenn der Transistor leitend wird, ist der Strom durch die Diode D^ gleich Null. Im nächsten Zeitabschnitt, in dem der Transistor gesperrt ist, steigt er wieder sprungartig an und nimmt infolge der Selbstinduktion im Transformator 26 wieder linear ab. Der Strom I^ wird in die Betriebsspannungsquelle zurückgeleitet, was anhand des Verlaufs des von der Betriebsspannungsquelle abgegebenen Stroms I™ zu erkennen ist. Wie man sieht, fließt während der Zeit, in der der Transistor gesperrt ist, Energie in die Betriebsspannungsquelle zurück, und danach entspricht der Verlauf des Stromes I_cc dem Verlauf des KollektorStroms L·,.

Dieses Ausführungsbeispiel läßt sich auch mit einer zusätzlichen Wicklung ausführen. Dabei liegt dann die Diode 29 in Reihe mit der zusätzlichen von der Rückkopplungswicklung getrennten Wicklung bei gleicher Polarität, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, damit die Energie zurückgeleitet wird, jedoch ist die Zusammenfassung von Rückleit- und Rückkopplungswicklung, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, vorteilhaft, da

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man hierbei eine zusätzliche Wicklung am Transformator einspart. Es wird somit eine Begrenzung der Kollektor-Emitter-Spannung, ein hoher Wirkungsgrad und fast Temperaturunabhängigkeit erreicht sowie daß der Wirkungsgrad von der Betriebsspannung fast unabhängig und weniger abhängig ist, weil lediglich vorausgesetzt wird, daß die Sättigungsspannung an der Kollektor-Emitter-Strecke niedrig und vorzugsweise geringer als 1 V ist, bis der Kollektorstrom gleich dem mit dem Stromverstärkungsfaktor multiplizierten Basisstrom ist.

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Claims

- 9 Patentansprüche

Sperrschwinger mit einem über einen Rückkopplungstransformator mit einer Haupt- und einer Rückkopplungswicklung zurückgekoppelten Verstärkerelement, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungstransformator eine Energierückleitungswicklung (28) hat, die mit einer Diode (D^) in Reihe geschaltet ist, und daß diese Reihenschaltung von Diode (D^) und Rückleitungswicklung (28) derart gepolt an der Betriebsspannungsquelle liegt, daß die im Transformator (26) gespeicherte magnetische Energie im nichtleitenden Zustand des Verstärkerelements (23) in die Betriebsspannungsquelle zurückgeleitet wird.
2. Sperrschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energierückleitungswicklung die Rückkopplungswicklung (28) ist.
3. Sperrschwinger nach Anspruch 1 und 2, bei dem das Verstärkerelement ein Transistor ist, dessen Kollektor über die Primärwicklung des Rückkopplungstransformators mit dem einen· Pol der Betriebsspannungsquelle und dessen Emitter mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden ist, und das eine Ende der Rückkopplungswicklung mit demselben Pol wie der Kollektor und das andere Ende mit der Basis des Transistors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem anderen Ende der Rückkopplungswicklung (28) und der Basis (22) des Transistors (23) ein Widerstand (Rg) eingeschaltet ist und daß an diesem Verbindungspunkt von Rückkopplungswicklung (28) und Widerstand (Rg) das eine Ende der Diode (D^) angeschlossen ist, deren anderes Ende mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle und mit zur Durchlaßrichtung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors entgegengesetzter Polarität angeschlossen ist.
4. Sperrschwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Widerstand (Rg) in der Bsäszuleitung des Transistors ein Kondensator (C) liegt.

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