DE2445316A1

DE2445316A1 - Wandlerschaltung mit ueberstromschutzschaltung

Info

Publication number: DE2445316A1
Application number: DE19742445316
Authority: DE
Inventors: James Carroll Wadlington
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1973-09-26
Filing date: 1974-09-23
Publication date: 1975-04-03
Also published as: GB1473592A; FR2245120B1; SE389431B; NL7412461A; JPS5059724A; SE7411741L; US3859586A; FR2245120A1; JPS5852430B2; DE2445316C2

Description

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DiPL-IKG. P. G. bUJMBACH · DIPI.-FiIiS. DR. W. WFS'.rt · DIFL.-'.NG. DR. JU.!. P. BERGEN DIPL-ING. R KRAMFR

62 WIESBnDtH · SON¹NENBERGtR STRASSE 43 · TEL (06121) 562943, 561V58 MONCHLN

Western Electric Company Incorporated Wadlington, J.C.2 New York, N. Y. 10007 / USA

y/andlerschaltung mit Überstromschutζschaltung

Die Erfindung betrifft eine Wandlerschaltung mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Signals, das.einen Stromwert in der Wandlerschaltung darstellt, und mit einer Uberstromschutzschaltung.

Die bisher in Stromversorgungen verwendeten Überstromschutzschaltungen stellen einen Kompromiß zwischen schnellem, sofortigem Ansprechen auf eine Überlastung durch einen Spitzenstrom und langsamerem Ansprechen auf Grund eines Mittelwertes der Stromüberlastung dar. Ein langsames Ansprechen der Schutzschaltung auf der Grundlage des Mittelwertes der Stromüberlastung hat den Vorteil einer stabilen Betriebsweise, kann aber nicht für eine sofortige Schutswirkung gegen kurzzeitige Überströme sorgen, die die Schaltungsbauteile zerstören können. Überstromschutzschaltungen auf der Grundlage eines Spitzendetektors sprechen auf kurzzeitige Ströme an, besitzen aber im allgemeinen eine große Zeitkonstante, die zu einem langsamen Ansprechen auf die festgestellten Spitzenströme führt.

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Eine typische Überstromschutzschaltung unter Verwendung einec Spitzendetektors ist in der US-Patentachrift Kr₉ 3 660 750 beschrieben. Sie enthält einen in die Primärwicklung des Wandlertransformators eingeschalteten Stromfühlwiderstand. Ein Spitzendetektor ist über den Widerstand geschaltet und spricht auf die an ihm abfallende Spannung an. Die festgestellte Spitzenspannung wird verdoppelt und in einem Speicherkondensator gespeichert. Sie v/ird dann an einen Komparator angelegt, der das Tastverhältnis der Wandler-Schaltelemente steuert. Übliche Spitzendetektoren weisen Jedoch eine große Zeitkonstante auf und sprechen daher langsam auf kurzzeitige Überlastungen an. Das dynamische Ansprechen der Überstromschutzschaltung ist langsam und plötzliche kurzzeitige Überlastungen können für eine ausreichend große Zeitdauer bestehen, um eine Zerstörung der Schalttransistoren des Wandlers zu bewirken» Das Ansprechen des Spitzendetektors könnte durch eine Verringerung seiner Zeitkonstante beschleunigt werden, aber dadurch können Instabilitäten durch eine Schwingneigung in die Uberstromschutzschaltung eingeführt werden.

Die Erfindung hat zum Ziel, einen Wandler mit einer verbesserten Uberstromschutzschaltung zu schaffen. Die Erfindung geht dazu aus von einer Wandlerschaltung mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Signals, das einen Stromwert in der Wandlerschaltung darstellt, und mit einer Uberstromschutzschaltung, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Uberstromschutzschalti· . an-

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spricht, v/enn das Signal einen vorbestimmten Schwellenwert übers boigt, daß die Ansprechgeschwindigkeit von der Größe des Signals abhängt, daß die Überstromschutsschaltung eine BezugsSpannungsquelle zur Herstellung des Schwellenwertes, eine Knmparatorschaltung zum Vergleich des Signals mit der Bezugsspannung, eine Ladungsspeichereinrichtung, eine Einrichtung zur Aufladung der Ladungsspeichereinrichtung und eine Einrichtung zur Ableitung eines Strombegrenzungssteuersignals aus dem Ladezustand der Ladungsspeichereinrichtung aufweist, und daß die Komparatorschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Entladung der Ladungsspeichereinrichtung dann veranlaßt, wenn das Signal den Schwellenwert übersteigt.

Die Komparatorschaltung kann in Weiterbildung der Erfindung einen ersten und zweiten Tranaistor, die als ernittergokoppelter Differenzverstärker geschaltet sind, und eine Einrichtung zur Ankopplung des Signals an die Basis des ersten Transistors aufweisen, wobei die Bezugsspannungsquelle an die Basis des zweiten Transistors angeschaltet ist und die Emitter-Kollektorstrecke des ersten Transistors einen Entladungsweg für die Ladungsspeichereinrichtung vervollständigt, wenn der erste Transistor durch das den Schwellenwert übersteigende Signal leitend gehalten wird.

Dabei kann vorgesehen sein, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Signals einen Gleicbstrom-Sperrkonderisaior zur Abtrennung der Gleichstromkomponente des Signals enthält und

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daß die überstromschutgschaltung einen an die Bezugsspannungsquelle und die Basis des ersten Transistors angeschalteten Spannungsteiler aufweist^ um eine Gleichspannung an die Basis des ersten Transistors anzulegen» Weiterhin kann vorgesehen sein, daß der Entladungsweg ein Ausgangsfilter und einen Widerstand enthält, und daß die Entladungs-Zeitkonstante der Ladungsspeichereinrichtung und des Widerstandes kleiner als die Zeitkonstante des Ausgangsfilters ist.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß eine Einrichtung zur Lieferung eines Spannungsregelsignals vorgesehen ist, das die Abweichung der Wandlerausgangsspannung von einem geregelten Wert darstellt, und daß die überstromschutzschaltung mit der Einrichtung zur Lieferung des Spannungsregelsignals gekoppelt ist, um dieses Signal zur Begrenzung des Stromes abzuändern. Zweckmäßig können zwei abwechselnd geschaltete Schaltelemente vorgesehen sein, deren Leitdauer durch das Spannungsregelsignal gesteuert wird, und eine Einrichtung, die auf das den Stromwert darstellende Signal anspricht, um den Stromfluß in den Schaltelementen zu syrometrieren.

Durch die Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß die Überstromschutzechaltung im Betrieb stabil ist und trotzdem schnell auf starke Überlastungen anspricht.

Bei einem noch zu beschreibenden Ausführungsbeispiel besteht ein Vorteil darin, daß beim anfänglichen Einschalten des Wand-

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lers das Ansprechen der Uberstromschutzschaltung die Belastung des Wandlers auf einen kleinen Wert begrenzt. Demgemäß läuft der Wandler langsam an, wodurch ein überschießen der Ausgansspannung zu Beginn vermieden wird. Ein weiteres Merkmal ist ein Schutz gegen eine Sättigung des Leistungstransformators im Wandler. Dieser Transformator kann gesättigt werden auf Grund ungleicher Verzögerungswerte und Spannungsabfälle von zwei mit entgegengesetzter Phase betriebenen Schaltelementen des Wandlers. Eine Unsymmetrie der über die Schaltelemente fließenden Ströme wird dadurch korrigiert, daß die periodischen Treibimpulee ungleich gemacht werden, um der Unsymmetrie der Schaltelemente entgegenzuwirken. Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß die Überstromschutzschaltung auch einen Schutz bei mehreren Ausgängen durch Anwendung von "Umklapp"-Verfahren bewirke^ kann. Wenn der Wandler mehr als eine sekundäre Ausgangswicklung besitzt und der Strom von der Primärseite des Wandler-Transformators aus überwacht wird, besteht normalerweise nicht die Möglichkeit, die einzelnen Ausgangsströme individuell zu begrenzen. Bei mehreren identischen Ausgangswicklungen kann ein Kurzschluß bei einer der Ausgangswicklungen zu einem Strom führen, der gleich dem maximalen Gesamtstrom für alle Ausgänge gemeinsam ist. Die Stromschutzkennlinien der Überstrombegrenzungsschaltung sorgen mit Vorteil für eine Begrenzung des maximalen Kurzschlußstroms an jedem Ausgang

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auf einen.Wert kleiner als der für diesen Ausgang zugelassene Maximalwert mit Hilfe einer ^wUmklapp^>8-Kennlinie, die den maximalen Gesamtstrom auf weniger als den an irgendeinem Ausgang zulässigen Maximalstrom begrenzte

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Gleichspannungswandlers, nach der Erfindung!

Fig_e 2 das Blockschaltbild der Schaltersteuerung mit einer Stromsteuersehaltung und einer

Fig. 3 Spannungskurvenformen zur Erläuterung der Betriebsweise der Symmetrie^Korrekturschaltung;

Fig_e 4 das Blockschaltbild eines Gleichspannungswandlers mit mehreren Ausgängen?

Fig» 5 das Strom-Spannungsdiagramm der gewünschten Stromschutzkennliaie für die Schaltung nach Fig. 4»

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Gemäß Fig. 1 weist die Wandlerschaltung 10 einen Leistungstransformator 20 auf, der an eine Last 35 angekoppelt ist. Eine Abtastschaltung 40 überwacht die Ausgangslastspannung und beaufschlagt einen Pegeldetektor 50, der wiederum eine Pulslängenmodulations-Steuerschaltung 60 steuert. Deren Ausgangssignal wird an eine Schaltertreibschaltung 70 angelegt, um das Umschalten der Schaltelemente in der Wandlerschaltung 10 zu steuern.

Die Wandlerschaltung 10 enthält zwei abwechselnd betriebene Schalttransistoren 11 und 12, deren Emitter verbunden sind und deren Kollektoren an den entgegengesetzten Anschlüssen der Primärwicklung 21 des Leistungstransformators 20 liegen. Die Gleichstrom-Eingangsquelle ist an die·Anschlüsse 15 und 16 angelegt. Der Anschluß 15 ist mit der Mittelanzapfung der Primärwicklung 21 des Leistungstransformators 20 verbunden und der Anschluß 16 liegt über einen .Stromfühlwiderstand 17 am gemeinsamen Emitteranschluß der Schalttransistoren 11 und 12. Die Ausgangswicklung 22 des Transformators 20 speist einen Vollweggleichrichter 25 mit den Gleichrichterdioden 26 und 27. Der Ausgang des Gleichrichters 25 ist über ein Ausgangsfilter 30 mit der Last 35 gekoppelt. Da die Betriebsweise von Wandlerschaltungen allgemein bekannt ist, soll sie hier nicht im einzelnen beschrieben werden.

Die Abtastschaltung 40 liegt-über der Last 35, um die Ausgangslastspannung zu überwachen. Die Abtastfrequenz wird durch einen

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Taktgeber 48 in der Impulslängenr.odulations-Steuer.'icbcltun.j 60 bestimmt. Das Ausgangssignal des Taktgebers 48 liegt über die Leitung 41 an der Abtastschaltung 40, deren Ausgangssignal über die Ader 44 einem Pegeldetektor 50 zugeführt wird. Der Pegeldetektor 50 enthält ein intern erzeugtes Bezugssignal und einen Komparator., Das Ausgangssignal der Abtastschaltung 40 wird mittels des !Comparators im Pegeldetektor mit dem Bezugssignal verglichen, und das sich ergebende Fehlersignal an die Impulslängenmodulations-Steuerschaltung 60 angelegt, die eine auf das Fehlersignal ansprechende Zeitsteuerungsschaltung beinhaltet. Diese Zeitsteuerungsschaltung regelt das Tastverhältnis eines von ihr erzeugten Impulssignals.

Der Stromfühlwiderstand 17 ermöglicht eine Überwachung des Über die Schalttransistoren 11 und 12 und die Primärwicklung 21 fließenden Stromes. Der Spannungsabfall über dem Widerstand 17 wird mittels der Leitungen 98 und 99 der Impulslängenmodulations-Steuerschaltung 60 zugeführt. Der Spannungsabfall wird benutzt, um die Zeitsteuerungsschaltung zu beeinflussen und demgemäß das Tastverhältnis des an die Treibschaltung 70 angelegten Impulsausgangssignals der Steuerschaltung 60 zu ändern und damit einen überstromschutz und eine Symmetriekorrektur zu bewirken. Einzelheiten dazu werden nachfolgend mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben.

Die Schaltertreibschaltung 70 liefert Treibsignale, die die Transistoren 11 und 12 während abwechselnder Halbperioden leitend und nichtleitend schalten. Die Impulslänge dieser Treibsignale wird durch das Ausgangssignal der Impulslängen-

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modulationS"Steuerschaltung 60 gesteuert.

Gemäß Fig. 2 enthält die Schaltsteuerung, die das Tastverhältnis der Schaltelemente des Wandlers 10 nach Fig. 1 steuert, eine Spannungsregelschaltung zur Regelung der Ausgangsspannung des V/andlers, eine Uberstrorabegrenzungsschaltung zur Verhinderung von anhaltenden Uberstromzuständen und eine Symmetrie-Korrekturschaltung zur Symmetrierung der Stromleitung der mit entgegengesetzter Phase betriebenen Elemente des Wandlers.

Der Spannungsriegelteil der Steuerschaltung fühlt die Ausgangsspannung des Wandlers über Leitungen 42 und 43 ab, die mit den beiden Ausgangsanschlüssen des Wandlers verbunden sind, Die Leitungen 42 und 43 legen die Ausgangsspannung an die Abtastschaltung 40, die die Ausgangsspannung periodisch in Abhängigkeit von periodischen Taktimpulsen abtastet, welche über die Leitung 41 von einem Taktgeber 48 zugeführt werden. Die abgetastete Ausgangsspannung wird periodisch über die Leitung 44 einem Fehlerverstärker 51 im Pegeldetektor 50 zugeführt. Eine Bezugsspannungsquelle 52 ist über die Ader 53 mit dem anderen Eingang des Fehlerverstärkers 51 gekoppelt. Das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers 51 ist proportional der Abweichung der Ausgangsspannung des Wandlers von seinem geregelten Wert und wird über die Leitung 54 der Impulslängenmodulations-Steuerschaltung 60 zugeführt.

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Die Impulslängenmodulations-Steuerschaltung 60 enthält eine Zeitsteuerungsschaltung 55» eine tfoerstrombegrenzungsschaltung 57 und eine Symmetrie-Steuerschaltung 59. Die Zeitsteuerungsschal tung 55 spricht auf die Ausgangsfehlerspannung des Fehlerverstärkers 51 an, um einen impulslängenmodulierten Impuls zu erzeugen, der die Treibschaltung 70 steuert. Die Fehlerausyangsspannung des Fehlerverstärkers 51 lädt über die Leitung 54 einen Ladungsspeicherkondensator 61 auf. Der Kondensator 61 wird entsprechend der nachfolgenden Erläuterung außerdem durch die Ausgangssignale der Überstrombegrenzungsschaltung 57 und der Symmetrie-Steuerschaltung 59 aufgeladen. Zunächst soll Jedoch nur das durch den Fehlerverstärker 51 gelieferte Spannungsregelsignal betrachtet werden.

Der Transistor 47 der Zeitsteuerungsschaltung 55 ist normalerweise leitend vorgespannt. Seine Kollektor-Emitterstrecke stellt einen Entladungsweg für den Kondensator 61 dar, so daß der Kondensator 61 normalerweise entladen ist. Das negativ gerichtete periodische Ausgangsimpulssignal des Taktgebers 48 liegt über die Leitung 46 an der Basis des Transistors 47 und sperrt den Transistor periodisch, so daß das Ausganssignal des Fehlerverstärkers 51 und die weiteren Signale den Kondensator 61 periodisch aufladen können. Der Kondensator 61 ist weiterhin mit der Basis des Transistors 63 verbunden, dessen Kollektor über die Leitung 49 an der Treibschaltung 70 liegt. Der Leitungszustand des Transistors 63 wird durch die Ladespannung des Kondensators 61 gesteuert· Wenn der Tranaistor 47 leitet und der Kondensator 61

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entladen ist, wird, der Transistor 63 nichtleitend vorgespannt und sein Ausgangssignal auf der Leitung 49 ist positiv.

Wenn der Taktgeber 48 die Abtastschaltung 40 beaufschlagt liefert er auch einen negativen Ausgangsimpuls auf der Leitung 46, der den Transistor 47 sperrt. Dann kann das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers 51 den Kondensator 61 aufladen. Die Ladespannung des Kondensators 61 wird der Basis des Transistors 63 zugeführt, der auf Grund dieses Fehlersignals nichtleitend vorgespannt wird. Am Ende des Taktimpulses wird der Transistor 47 wieder leitend und entlädt den Kondensator 61. Der Transistor 63 bleibt gesperrt, bis der Kondensator 61 so weit entladen ist, daß der Transistor 63 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Wenn der Transistor 63 wieder leitet, fällt die Spannung auf der Leitung 49 auf Erdpotential ab. Dadurch wird der Ausgangsimpuls der Impulslängenmodulations-Steuerschaltung 60 beendet. Dieser impulslängenmodulierte Ausgangsimpuls wird der Treibschaltung 70 zugeführt.

Die Treibschaltung 70 enthält einen Multivibrator 71 und eine Umschaltlogikschaltung 72. Das impulslängenmodulierte Signal auf der Leitung 49 steuert das Umschalten des Multivibrators 71 und folglich das Tastverhältnis der Ausgangsspannung des Multivibrators. Die Umschaltlogikschaltung 72 beeinflußt das Impulssignal derart, daß ein Treibimpuls mit den richtigen

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Eigenschaften zum Treiben der Schaltelelemente der Uandlerschaltung abgegeben wird. Die obige Erläuterung zeigt, daß die im Kondensator 61 gespeicherte Ladung das Tastverhältnis des Ausgangssignals der Steuerschaltung 60 und demgemäß das Tastverhältnis der Schaltelemente des Wandlers steuert.

Diö überstrombegrenzungsschaltung 57 ändert das Ansprechen der Zeitsteuerungsschaltung 55 so ab, daß sich ein Schutz des Wandlers gegen Stromüberlastungen ergibt. Die überstrombegrenzungsschaltung 57 regelt direkt den Spitzenpriraärstrom in den Schaltelementen des Wandlers und in der Primärwicklung des Transformators. Dieser Spitzenprimärstrom wird durch überwachen des Spannungsabfalls am Widerstand 17 abgefühlt. Dieser Spannungsabfall ist der Amplitude des Wandlerausgangsstroms direkt proportional. Die Strombegrenzungsschaltung 57 weist mit Vorteil ein variables Ansprechverhalten auf, das vom Wert des festgestellten Überlastungsstromes abhängt. Wenn der Überlastungsstrom groß ist, spricht die Strombegrenzungsschaltung zur Erzielung eines maximalen Schutzes schnell an. Wenn der Überlastungsstrom klein ist, spricht die Strombegrenzungsschaltung langsam an, um im eingeschwungenen Zustand der überstrombegrenzungsschutzschaltung einen stabilen Betrieb sicherzustellen.

Der. Wert des Stromfühlwiderstandes 17 ist sehr klein, so daß Fühlspannungen im Millivoltbereich erzeugt werden, die einem Potentiometer 18 zugeführt werden. Dessen Ausgangsspannung liegt an einem Pegelschiebeverstärker 19, der die Amplitude

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des üuerstromsicnals ausreichend verstärkt, um die nachfolgende Vergleichs- und Schutzschaltung betreiben zu können.

Das Ausgangssignal des Pegelschiebeverstärkers 19 wird über einen Gleichstrom-Sperrkondensator 91 und einen Fiiterkondensator 64 einem Differenz-Komparatorverstärker 76 zugeführt. Ein Widerstand 92 liegt parallel zum Kondensator 91. Diese Parallelschaltung mit dem Kondensator 91 und dem Widerstand 92 führt zu der "Umklapp"-Kennlinie des überstromschutzes, die den maximalen Kurzschlußstrom des .Wandlers selbst dann begrenzt, wenn dieser mehrere Ausgänge besitzt. Das Ausgangssignal des Pegelschiebeverstärkers weist eine Kurvenforra auf, die der Kurvenform B in Fig. 3 ähnlich ist, wobei die Grenze des Maximalstroms durch die gestrichelte Linie L in Fig. 3 dargestellt ist. Wenn der überwachte Strom diesen Wert übersteigt, wird die Überstromschutzschaltung in Tätigkeit gesetzt* Der Sperrkondensator 91 filtert die Gleichstromkomponente auss, und die überstromschutzschaltung spricht nur auf die durchgelassene Wechselstromkomponent© an. Der Widerstand 92 bestimmt entsprechend der nachfolgen» den Erläuterung den jeweils zugelassenem Kiirzschlußstrom·

Der Filterkondensator 64 ist an üen Ausgang des Pegelschiebe-Verstärkers 19 angeschlossen^ um die Spitzen an der Vorderflanke des dem Überlaststrom entsprechenden Spannungssignals auszufiltern· Die'gefilterte Spannung wird den Verstärker

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zugeführt, der zwei am Emitter zusammengeschaltete Transistoren 75 und 78 aufweist. Die dem abgefühlten Strom entsprechende Spannung wird der Basis des Transistors 75 zugeführt. Die Basis des Transistors 78 liegt an einer Bezugsspännungsquelle 95.

Ein Widerstand 94 verbindet die Basis des Transistors 75 mit der Bezugsspannungsquelle 95 und ein Widerstand 93 legt die Basis des Transistors 75 an Masse. Die in Reihe geschalteten Widerstände 93 und 94 stellen einen Spannungsteiler dar, um einen festen Gleichspannungsarbeitspunkt am Eingang des Differenzverstärker 76 herzustellen.

Der Dlfferenz-Komparatorverstärker 76 vergleicht die StromfÜhl-Signalspanmmg mit der Bezugsspannung ,· Wenn die Signalspannung die Bezugsspannung übersteigt_s wird der Transistor 75 leitend. Die leitende Kollaktor» Emitterstrecke des Transistors 75 schließt ©inen Stromkreis voss Kondensator 89 Über den Widerstand 79 nach ErAe₆ Dadurch wird der Kondensator 89 über den Widerstand 79 gegen Erci© entladen»

Der ■■ Kondensator 89 wird zu Anfang durch cite Spamwigsquelle Y_m über den Widerstand 81 aufgeladen* Dadureii wird der Inverter-VeretSrkertranöistor 82 ttoireslerwetß© leitend vorgespannt. Wenn eia"tfber8troa!signal den Transistor 73 leiten läßt ₉ wird der Kondensator'89 entladen«* Me Laetespinsnmig des Kondensators es liegt am Iiiverter-feFStiAertrtasl.etos¹' 8Z_S der &ie abnehmende Signaispannwig an foatesator 89 invertiert und eine

in positiver Richtung ansteigende Spannung über die jetzt in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode 83 und die Leitung 45 an den Fehlerverstärker 51 gibt. Diese positive Spannung schaltet die Ausgangsstufe des Fehlerverstärkers 51 ab und verringert das Fehlersignal an seinem Ausgang· Wenn die Spannung des Kondensators 89 weiter abfällt, wird eine ansteigende positive Spannung über die Diode 83 zugeführt, die die Ausgangsfehlerspannung des Fehlerverstärkers 51 verringert und demgemäß die im Kondensator 61 gespeicherte Ladung reduziert. Durch den verringerten Wert des Fehlersignals nimmt die Impulsbreite am Ausgang der Impulslängensteuerschal tung 60 ab. Dadurph wird der Ausgangsstrom des Wandlers begrenzt, indem seine Ausgangsspannung absinkt, wenn ein bestimmter Schwellenwert des Ausgangsstromes erreicht ist.

Die Spannung des Kondensators 89 steht in Beziehung zum Spitzenstrom in der Primärwicklung des Wandlertransformators und seine Entladezeit hängt von der Größe des Uberlastungsstromes ab. Die Ladezeitkonstante des Kondensators 89 ist wesentlich größer als die Entladezeitkonstante. Im eingeschwungenen Betrieb des Wandlers wirkt bei sehr kleinen Uberlastungsströmen das Ausgangssignal der Strombegrenzungsschaltung 57 auf der Leitung 45 im wesentlichen als Fehlereignal. Dieses Ausgangssignal ändert die Ausgangsspannung des Wandlers zwecks Begrenzung seines Ausgangsstromes. Bei großen Signalabweichungen, wenn der Ausgangsstrom den Strom-

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begrenzungsschwellenwert stark übersteigt, wird der Kondensator 89 v/ährend einer großen Zeitspanne, die den größeren Teil der Halbperiode des Wandlers umfaßt, entladen. Dann geht die Ladung des Kondensators 89 schnell zurück, was zu einer schnellen Verringerung des Tastverhältnisses für das Impulssignal am Ausgang der Zeitsteuerungsschaltung 55 führt und eine schnelle Erniedrigung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstromes bewirkt.

Zwei Merkmale der überstromschutzschaltung sind ihr langsames Anlaufen und ihre Umklapp-Kennlinie, die einen Kurzschlußschut2 ermöglicht, wenn der Wandlertransformator mehrere Ausgangssekundärwicklungen besitzt. Beim Einschalten des Wandlers ist der Kondensator 89 entladen. Demgemäß leitet der Transistor 82 nicht, so daß entsprechend der obigen Erläuterung eine positive Spannung über die Leitung 45 an den Fehlerverstärker 51 gegeben und damit dessen Fehlersignal am Ausgang begrenzt wird. Folglich wird das Tastverhältnis des Impulsförmigen Ausgangssignals der Impulslängensteuerschaltung 60 begrenzt und ein sanftes Anlaufen ermöglicht.

Die Umklapp-Kennlinie wird durch den Gleichstroia-Sperrkondensator 91» den dazu parallel geschalteten Widerstand 92 und den Spannungsteiler mit den Widerständen 93 und 94 erzeugt. Die Widerstände 93 und 94 liegen in Reihe zwischen der Bezugsspannungsquelle 95 und Erde, wobei der Verbindungspunkt der Widerstände 93 und 94 mit dem Eingangsanschluß des Differenz-

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Komparatorverstärkers 76 verbunden ist. Das Umklappen (Foldback) läßt sich so beeinflussen, daß Jeder gewünschte Kurzschlußstrom erzielt werden kann. Im Fall eines Wandlers mit mehreren Ausgängen, bei dem der Strom auf der Primärseite überwacht wird, würde der Kurzschlußstrom zweckmäßig gleich dem maximal zulässigen Kurzschlußstrom an demjenigen Ausgang sein, der die kleinste Leistung besitzt.

Wegen des Gleichstrom-Sperrkondensators 91 spricht die überstrombegrenzungsschaltung auf die Wechselstromkomponente des Primärstromes an. Die Differenz zwischen der Gleichstromkomponente und dem Spitzenwert des Primärstromes wird dadurch auf einem konstanten Wert gehalten, daß das Tastverhältnis der Schaltelemente des Wandlers geändert wird. Wenn also das Tastverhältnis des Primärstromimpulses auf Grund einer Überlastung verringert wird, werden sowohl der Spitzenstrom als auch der Gleichstrom herabgesetzt, wobei aber ein konstanter Differenzwert zwischen diesen beiden Werten beibehalten wird. Auf Grund dieser konstanten Differenz ergibt sich eine Umklapp-Kennlinie, wenn die Ausgangsspannung abnimmt. Der Umklappwert wird durch den Wert des Widerstandes 92 bestimmt. Der Spannungsteiler mit den Widerständen 93 und 94 ergibt eine feste Gleichspannung am Eingang des Differenz-Komparatorverstärkers 76„

In Fig. 4 ist ein Wandler mit mehreren identischen Ausgangswicklungen und einer Stromüberwachung des Primärstromes dargestellt. Der maximale Ausgangsgrenzstrom der Sekundärwicklung

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96 ist der Strom L· und der maximale Ausgangsgrenzstroin der Sekundärwicklung 97 ist der Strom T₂. Es ist zu erkennen, daß, da die Strombegrenzung durch Überwachung des Primärstromes mittels des Widerstandes 17 vorgenommen wird, ein Kurzschluß an einem der Ausgänge zu einem Strom führen könnte, der wesentlich größer als einer der beiden Ströme I₁ und I₂ ist. Die Schutzkennlinie zeigt das.Strom-Spannungsdiagramm in Fig. 5. Das Umklappen ist so gelegt, daß bei Feststellen eines Kurzschlußstromes in der Primärwicklung proportional zu I_mnv der gesamte Ausgangsstrom auf einen Wert kleiner als L· oder I₂, dem maximal zulässigen Strom an einem der Ausgänge, verringert wird.

Die Symmetriekorrekturschaltung 59 in Fig. 2 benutzt das über' dem Stromfühlwiderstand 17 festgestellte Spannungssignal, um die Stromleitung über die abwechselnd leitenden Schaltelemente des Wandlers zu symmetrieren. Der Primärstrom wird mit Bezug auf Symmetriekorrektursignale symmetriert oder ausgeglichen. Der symmetrierte Strom verhindert, daß der Kern des Transformators 20 (Fig. 1) gesättigt wird und dadurch zu hohe Primärströme während einer der Halbperioden fließen. Die Unsymmetrie_f die zn einer solchen Sättigung führt, beruht auf ungleicher Impulsdauer und unterschiedlichen Spannungsabfällen an den· abwechselnd leitenden Setialttransisto- ren dee'Wandlers, In Pig* 5 zeigt Zeile B eine typische Primäretrom-Kurvenform. Die liimrenfonaen in Fig_e 3 sind in 'Synchronismus nlt dem inpwlsf önaigen Atssgangssignal 'des Taktgebers 48 dargestellt (Kurvänf ons - A) · Diese linsymmetrie kann

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durch Einstellen der Ausgangsimpulse der Zeitsteuerungsschal tun-s ^ (Kurvenform D) korrigiert werden. Dazu werden die Impulse während abwechselnder Halbperioden entsprechend der Kurvenform D ungleich gemacht, um den Unsymmetrien der Schaltelemente des Wandlers'entgegenzuwirken. Diese Unsymmetrie wird durch Überwachen der.Differenzen des Primärstromes mit Hilfe des Stromfühlwiderstandes 17 entsprechend der. Kurvenform B in Fig. 3 während benachbarter Halbperioden des Wandlers festgestellt. Die Korrektur des Tastverhältnisses erfolgt durch Steuerung des Spannungsanstiegs beim Laden des Kondensators 61 der Zeitsteuerungsschaltung direkt proportional zum jeweiligen Primärstrom, der im Stromfühlwiderstand 17 festgestellt wird. Die benachbarten Halbperioden sind an Hand der Zeitabschnitte t.j und t₂ in den Kurvenformen der Fig. 3 angegeben. Ein erster Leitfähigkeitsabschnitt ist für den Zeitabschnitt t„| dargestellt, in welchem der Primärstrom entsprechend der Kurvenform B.einen bestimmten Wert besitzt. Die Kurvenform für das Aufladen des Kondensators 61 ist die Kurvenform C in Fig. 3. Wenn der Primärstrom (Kurvenform B) auf Grund der Sättigung in einer Halbperiode entsprechend der Darstellung im nachfolgenden Zeitabschnitt tp ansteigt, so wird die Breite &g des Zeitsteuerungsirapulses (Kurvenform D) für diese Halbperiode auf einen Wert kleiner als die Breite f>^ des Zeitsteuerungsimpulses für den Zeitabschnitt t^ herabgesetzt. Dieser Zeitunterschied (ό* - fco) ^wird durch .änderung der Aufladungsgeschv/indigkeit des Kondensators 61 während des zweiten Zeitabschnittes bewirkt. Die Kurvenform

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des Stromausgangssignals (Kurvenform B) des Pegelschiebeverstärkers 19 ist identisch mit der Kurvenform des Primärstroms. Dieses Signal wird über einen Gleichstromsperrkondensator 85 an einen Symmetrierverstärker 86 angelegt. Die Eingangsschaltung des Symmetrierverstärkers 86 enthält einen Spannungsteiler 84 zwischen den Eingangsanschlüssen und eine Bezugsspannungsquelle 90, die mit der Mittelanzapfung des Teilers 84 verbunden ist. Die Bezugsspannungsquelle 90 liefert einen Bezugsmeßwert, um das Stromausgangssignal des Pegelschiebeverstärkers 19 mit dem Ausgangssignal des Symmetrierverstärkers 86 zu vergleichen und für diesen einen Grundsignalpegel herzustellen. Das Ausgangssignal des Symmetrierverstärkers 86 wird über eine Leitung 87 und einen Widerstand 88 an den Kondensator 61 der Zeitsteuerungsschaltung 55 angelegt.

Wie oben erläutert, wird der Transistor 47 periodisch durch die Ausgangsimpulse (Kurvenform A in Fig. 3) des Taktgebers 48 ausgeschaltet. Während dieser Zeit wird der Kondensator 61 entsprechend der Kurvenform C auf die Fehlerausgangsspannung des Fehlerverstärkers 51 aufgeladen. Am Ende des Taktimpulses wird der Transistor 47 leitend, und der Kondensator 61 wird über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 47 gegen Erde sowie über den Widerstand 62 gegen die Spannungsquelle V_ entladen. Die Symmetriekorrekturschaltung legt eine Hilf eentladungespannuiig über den Widerstand 88 vom Ausgang des Symmetrierverstärkers 86 an, um den Primärstrom während

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benachbarter Halbperiodeii auszugleichen. Dadurch wird die Steigimg der Ladespannung für den Kondensator 61 und folg lich die Zeitdauer geändert, während der der Transistor 63 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist.

Die Zeitdauer, während der der Transistor 63 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, beeinflußt das Taktverhältnis für das pulslängenmodulierte Ausgangssignal der Zeitsteuerungsschaltung 55 und folglich das Tastverhältnis der Schaltelemente des Wandlers. Diese Symmetrierung läßt sich leicht an Hand der Kurvenformen in Fig. 3 erkennen. Die beiden Zeitabschnitte t,j und t₂ stellen benachbarte Halbperioden der Wandlerschaltung dar. Der Primärstrom gemäß Kurvenform B übersteigt während der Zeit t₂ den Primärstrom während der Zeit t^. Demgemäß ist der Anstieg der Ladespannung gemäß Kurvenform C während des Zeitabschnittes t₂ am steilsten. Daraus ergibt sich, daß das Tastverhältnis des impulsförmigen Ausgangssignals des Pulslängenmodulators entsprechend der Kurvenform D während des Zeitabschnittes t₂ verringert ist, um die Symmetrie des Primärstroms wieder herzustellen. Aus der obigen Erläuterung ergibt sich, daß dieses Tastverhältnis in erster Linie von der Spannungsregelschaltung sowie der Strombegrenzungsschaltung abhängt und mittels der Symmetriekorrekturschaltung zur Aufrechterhaltung eines Stromausgleichs abgeändert wird. '

BO98U/O30O BAD ORlGlNAV.

Claims

BLUMBACH ■ WESEr? · BiHRGIiN & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN 2 A A 5 3 1

DIfL-ING. P. G. HUMtACH · DIPL-PHYS. DR. W. WESEK · DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

Ά WlESlADEN · SONNENIERGER STRASSE 43 ■ TEL (M121) SiV)Ai, 5619?» MÖNCHEN

Patentansprüche

[ 1. jWandlerschaltung mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Signals, das einen Stromwert in der Wandlerschaltung darstellt, und mit einer Überstromschutzschaltung,

dadurch gekennzeichnet, daß die Überstromschutzschaltung (57) anspricht, wenn das Signal einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt,

daß die Ansprechgeschwindigkeit von der Größe des Signals abhängt,

daß die überstromsehutzschaltung eine Bezugsspannungsquelle (95) zur Herstellung des Schwellenwertes, eine Komparatorschaltung (76) zum Vergleich des Signals mit der Bezugsspannung, eine Ladungsspeichereinrichtung (89), eine Einrichtung (Υ_ε, 81) zur Aufladung der Ladungsspeichereinrichtung und eine Einrichtung (82, 51) zur Ableitung eines Strombegrenzungssteuersignals aus de« Ladezustand der Ladungsspeichereinrichtung aufweist, und daß die Komparatorschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Entladung (über 75$ 79) der Ladungsspeichereinrichtung dann veranlaßt, mim das Signal den Schwellen-

wert übersteigt.

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2. Wandlerschaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Koraparatorschaltung einen ersten und zweiten Transistor (75» 78), die als emittergekoppeltejr Differenzverstärker geschaltet sind, und einer Einrichtung zur Ankopplung des Signals an die Basis des ersten Transistors aufweist, daß die BezugsSpannungsquelle an die Basis des-zweiten Transistors angeschaltet ist,

und daß die Emitter-Kollektorstrecke des ersten Transistors einen Entladungsweg für die Ladungsspeichereinrichtung vervollständigt, wenn der erste Transistor durch das den Schwellenwert übersteigende Signal leitend gehalten ist.
3. Wandlerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (17, 18, 19, 91, 92) zur Erzeugung des Signals einen Gleichstrom-Sperrkondensator (91) zur Abtrennung der Gleichstromkomponente des Signals enthält, und daß die überstromschutzschaltung einen an die Bezugsspannungsquelle und die Basis des ersten Transistors angeschalteten Spannungsteiler (93, 94) aufweist, um eine Gleichspannung an die Basis des ersten Transistors anzulegen. ,
4. Wandlerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsweg ein Ausgangsfilter (30)

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und einen Widerstand (79) enthält und daß die Entladungs-Zeitkonstante der Ladungsspeichereinrichtung und des Widerstandes kleiner als die Zeitkonstante des Ausgangsfilters ist.
5. Wandlerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (40, 50) zur Lieferung eines Spannungsregelsignals vorgesehen ist, das die Abweichung der Wandlerausgangsspannung von einem geregelten Wert darstellt, und daß die Überstromschutzschaltung mit der Einrichtung zur Lieferung des Spannungsregelsignals gekoppelt ist, um dieses Signal zur Begrenzun des Stromes abzuändern.
6. Wandlerschaltung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch zwei abwechselnd geschaltete Schaltelemente (11, 12), deren Leitdauer durch das Spannungsregelsignal gesteuert wird, und eine Einrichtung, die auf das den Stromwert darstellende Signal anspricht, um den Stromfluß in den Schaltelelementen zu symmetrieren.

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