DE2447968C3 - Gleichspannungswandler zur Abgabe zweier einzeln steuerbarer stabilisierter Gleichspannungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungswandler der Art, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieber, ist Ein solcher Gleichspannungswandler ist bekannt (GB-PS 11 23 010).

Dieser bekannte Gleichspannungswandler erzeugt 6c mindestens zwei unabhängig voneinander variierbare, stabilisierte Gleichspannungen, welche mittels je einer zugeordneten Regelschaltung gesteuert werden. Bei dem bekannten Gleichspannungswandler sind für die Abgabe der stabilisierten Gleichspannungen mittels einer Phasenanschnittssteuerung gesteuerte Gleichrichter auf der Sekundärseite des Transformators vorgesehen, wodurch der Oberwellengehalt jeder stabilisierten Gleichspannung abhängig von dem jeweiligen Steuerwinkel der Phasenanschnittssteuerung ist und erheblich sein kann. Der Aufwand zur Ausfilterung der Oberwellen ist daher ebenfalls erheblich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungswandler der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die beiden Ausgangsspannungen einen möglichst geringen und konstanten Oberwellengehalt aufweisen, so daß der Filteraufwand wesentlich verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler liefert zwei voneinander unabhängig gesteuerte und stabilisierte Gleichspannungen unter Verwendung eines Gleichspannungswandlers, in welchem die dem Transformator nachgeschalteten Gleichrichteranordnungen nichtgesteuerte Gleichrichterelemente ohne besondere Steuerschaltungen enthalten, während die Steuerung aut der Primärseite des Transformators erfolgt Der Oberwellengehalt der Ausgangsspanrungen ist damit gering und ändert sich praktisch nicht mit der Aussteuerung der Anordnung.

Ausrührungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer selbstschwingenden Gegentaktanordnung (Oszillator), welche als Teil in dem erfindungsgemäßen Wandler enthalten ist,

Fig.2 bis 4 die Eigenschaften der Ausgangsspannung des Oszillators gemäß Fig. 1,

Fig.5 ein Blockschaltbild des Gleichspannungswandlers gemäß der Erfindung,

F i g. 6 bis 9 verschiedene Ausführungsformen von in dem Wandler gemäß der Erfindung enthaltenen Gleichrichteranordnungen, und

Fig. 10 Wellenformen verschiedener Spannungen, welche in den Gleichrichteranordnungen nach Fig.9 auftreten.

Der Oszillator gemäß F i g. 1 ist als ein wesentlicher Teil in dem Gleichspannungswandler gemäß der Erfindung enthalten. Dieser Oszillator ist ausgelegt und arbeitet grundsätzlich entsprechend einer üblichen Inverterschaltung mit der Ausnahme, daß der Mittelpunkt des vorgesehenen, einen Sättigungsknick in der Magnetisierungskennünie aufweisenden Transformators Tr auf der Primärseite so aufgespalten worden ist, daß zwei getrennte Teilwicklungen /34 und /56 entstanden sind. Diese Teilwicklungen sind mit einer Gleichspannung Ui bzw. einer Gleichspannung i/2 verbunden. Wicklungen /12 und /78 bilden zwei Rückkopplungswicklungen und sind auf bekannte Weise mit einem Leistungstransistor Ti bzw. T2 verbunden. Der Transformator Tr hat eine Sekundärwicklung /910, von welcher ein Endpunkt geerdet ist und über welcher die Ausgangsspannung i/3 auftritt. Wenn die Spannungen Ui und i/2 gleich sind, ergibt sich eine Ausgangsspannung, welche eine symmetrische Wechselspannung mit Rechteckwellenform ist, vergleiche F i g. 2. Wenn im Gegensatz hierzu die Spannungen Ui und U2 nicht gleich sind, ergibt sich eine Ausgangsspannung i/3, welche immer noch Rechteckwellenform hat, deren Form jedoch nicht mehr symmetrisch ist. Abhängig von der Größe der Gleichspannungen Ui

and Ul haben die positive und die negative Halbwelle der Ausgangsspannung t/3 verschiedene Zeitdauer, die Ausgangsspacnung hat jedoch immer noch Rechteckwellenform, vergleiche F i g. 3 und 4. Unabhängig von dem Wert der Gleichspannungen U1 und Ul folgt, daß das Zeitintegral der Spannung während der positiven Halbwelle gleich dem Zeitintegral der Spannung während der negativen Halbwelle der Ausgangsspannung t/3 ist Hieraus ergibt sich, daß in dem Fall, daß das Impulszeitverhältnis von 1 verschieden ist, die ι ο positive und die negative Halbzelle verschiedene Amplitudenwerte annehmen. Der magnetische Fluß im Kern des Transformators Tr ist unabhängig von dem Verhältnis zwischen den Werten der Gleichspannungen U1 und t/2, während die Impulszeit für die positive und die negative Halbwelle der Ausgangsspannung t/3 von diesem Verhältnis abhängig ist.

Die zwei Transistoren Tl und Tl sind abwechselnd während jedes Teils der Gesamtperiode der Ausgangsspannung t/3 leitend. Aus diesem Grund sind die Gleichspannungen t/l und Ul jeweils während ihres positiven bzw. negativen Teils der Gesamtperiode angelegt. Mit den Polaritätsbezeichnungen nach F i g. 1 ergibt sich, daß während der ersten Halbwelle der Transistor Ti leitend ist und die Gleichspannung t/l über der Teilwicklung /34 auftritt, und daß während der negativen Halbwelle der Transistor Tl leitend ist ur.d die Gleichspannung t/2 über der Teilwicklung /56 auftritt. Wenn die Spannung t/l während der Zeit Tp i und die Spannung Ul während der Zeit Tp 1 anliegt, zeigt das Lenzsche Gesetz, daß

„... „ 2 · /1 · A ■ ß,„„_v

Ll

2 · η · .4 ■ B₁, 1/2

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wobei η das Übersetzungsverhältnis zwischen den Teilwicklungen /34, /56 und der Primärwicklung /910, A die Fläche des Transformatorkerns und Bmn die maximale Feldstärke in dem Kern ist, welche konstant ist. So gilt TpI = K · l/t/l und 7p2 = K ■ 1/1/2, wobei K eine Konstante ist. Durch Ändern des Pegels der Gleichspannungen t/l und Ul können so die Amplituden der positiven und negativen Halbwelle der Ausgangsspannung t/3 unabhängig voneinander variiert werden. Die Impulsdauer für die entsprechende Halbwelle wird dann umgekehrt proportional der entsprechenden Gleichspannung t/l, Ul sein. Mit dem Ausgang des Wandlers sind Gleichrichteranordnungen zum Gleichrichten der rechteckwellenförmigen Ausgangsspannung t/3 verbunden. Fig.5 zeigt ein Blockschaltbild des Gleichspannungswandlers gemäß der Erfindung. Der oben beschriebene Oszillator ist mit OSC bezeichnet, und dem Oszillator OSC werden, wie oben beschrieben, zwei Gleichspannungen t/l und Ul zugeführt. Mit dem Oszillator OSC sind einerseits eine erste Gleichrichteranordnung RL1 und andererseits eine zweite Gleichrichteranordnung RLl verbunden, und die erhaltenen gleichgerichteten Spannungen sind mit Us bzw. LVbezeichnet.

Verschiedene Arten von Gleichrichteranordnungen RLl, RLl können mit dem Ausgang des Oszillators OSC verbunden werden. Entsprechend einer Ausführunesform der Erfindung besteht die Gleichrichteranordnung RL1 aus einem Haibwellengleichrichter für die positive Halbwelle der Ausgangsspannung t/3 und die Gleichrichteranordnung RL2 aus einem Haibwellengleichrichter für die negative Halbwelle der Ausgangsspannung t/3. Die Amplituden der zwei gleichgerichteten Spannungen Us und Uf können dadurch variiert werden, daß die Gleichspannungen Ui bzw. U2 variiert werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers besteht die Gleichrichteranordnung AL 1 aus einem Einweg-Halbwellengleichrichter und die Gleichrichteranordnung RL 2 aus einem Spitze-Spitze-Gleichrichter. Hiermit ergibt sich eine Ausgangsspannung Uf, welche proportional der Summe Ui + Ul der beiden Halbwellen in der Ausgangsspannung t/3 ist Weiter ergibt sich eine Ausgangsspannung Us, welche entweder der Spannung t/l oder der Spannung t/2 proportional ist, abhängig davon, welche der beiden Halbwellen in der Ausgangsspannung t/3 für die Halbwellengleichrichtung gewähli worden ist. Wenn die positive Halbwelle gleichgerichtet wird, so daß sich eine Spannung Us proportional der Spannung U1 ergibt, kann die Spitze-zu-Spitze-gleichgerichtete Spannung Uf (proportional t/l + Ul) mit Hilfe der Spannung Ul geändert werden, ohne die halbwellengleichgerichtete Spannung Uf (proportional U1) zu ändern.

Die erhaltenen Gleichspannungen Us und Uf werden auf geeignete Weise jeweils einem der Eingänge von jeweils zwei Reglern RS i und Äs 2 in F i g. 5 zugeführt. Der zweite Eingang des entsprechenden Reglers ist mit einer variablen Bezugsspannung Ur 1 bzw. Ur 1 verbunden, mit deren Hilfe die gewünschten Werte der Ausgangsspannungen Us bzw. Uf eingestellt werden können. Beispielsweise wird in dem Regler RSi ein Vergleich zwischen den Werten Ur i und Us durchgeführt, wobei die Differenz zwischen diesen beiden Werten einen positiven oder negativen Beitrag zu der Gleichspannung t/l liefert. Wenn z.B. die Ausgangsspannung Us etwas größer als die Bezugsspannung Ur i ist, findet eine Verringerung der Spannung t/1 statt, so daß die Spannung Us den mit Hilfe der Bezugsspannung Ur 1 eingestellten Sollwert annimmt. Jeder der Regler RSi, RSl kann dann aus einer integrierenden Summierschaltung bekannter Art bestehen.

Die F i g. 6,7 und 8 zeigen verschiedene Ausführungsformen Gleichrichteranordnungen RLi, RLl für den Fall, daß eine Halbwellengleichrichtung der Ausgangsspannung t/3 des Oszillators OSC ausgeführt werden soll. F i g. 6 zeigt die in dem Oszillator OSC enthaltene Sekundärwicklung /910, deren Anschluß 10 dann geerdet ist. Die Gleichrichteranordnung RL 1 besteht aus einer Diode D1, Kondensatoren Cl, C2 und einem Widerrtand Ri. Die Gleichrichteranordnung RLl besteht aus einer Diode Dl, Kondensatoren C3, C 4 und einem Widerstand Ä2. Die Kondensatoren Cl, CI und C3, C4 sowie die Widerstände R1, R 2 sind alle mit Erde verbunden. Hierdurch ergibt sich eine Ausgangsspannung Us aus der Halbwellengleichrichteranord· nung RL1, welche positiv ist und den halbwellengleich gerichteten Wert der positiven Impulshälfte in dei Spannung t/3 darstellt. Weiter ergibt sich ein: Ausgangsspannung Uf, welche negativ ist und dei halbwellengleichgerichteten Wert der negativen Im pulshälfte in der Spannung t/3 darstellt.

F i g. 7 zeigt den Fall, in welchem sich zwei positivi Spannungen erzielen lassen. Der Mittelpunkt de Sekundärwicklung /910 ist dort geerdet, wodurch zwe Spannungen i/4 und t/5 in Gegenphase erhalte!

werden. Eine Diode D 3 ist leitend für die positive Halbwelle in der Spannung t/4, während eine Diode D4 für die negative Halbwelle in der Spannung t/5 leitend ist.

F i g. 8 zeigt den Fall, in welchem sich zwei negative Spannungen erzielen lassen. Verglichen mit F i g. 7 sind die beiden Dioden D 3 und D 4 umgekehrt gepolt.

Wie oben erwähnt, ist es auch möglich, eine Spitze-Spitze-Gleichrichtung der positiven und negativen Impulshälfte in der Sekundärspannung t/3 und eine to Halbwellengleichrichtung einer Impulshälfte (z. B. der positiven) durchzuführen, um zwei voneinander unabhängige Gleichspannungen zu erhalten. Dies ist dann geeignet, wenn eine höhere Gleichspannung erwünscht ist. Als Beispiel hierfür wird auf die F i g. 9 und 10 Bezug genommen, von welchen Fig.9 die Gleichrichteranordnung RL 2 als Halbwellengleichrichter und die Gleichrichteranordnung RL1 als Spitze-Spitze-Gleichrichter zeigt F i g. 10 zeigt die Wellen formen, welche in der Schaltung gemäß Fig.9 auftreten. Die Gleichrichteranordnung RL 2 besteht aus einer Diode D 7 und die Gleichrichteranordnung RL1 besteht aus Dioden D 8, Z? 9, Kondensatoren CS, C 6 und einem Widerstand R 5. Die Ausgangsspannung Uf des Halbwellengleichrichters RL2 stellt eine Spannung dar, welche proportional der positiven Impulshälfte in der Ausgangsspannung i/3 ist, und die Ausgangsspannung Uf des Spitze-Spitze-Gleichrichters RL1 stellt eine positive Spannung proportional der Summe der Absolutwerte der positiven und negativen Impulshälfte dar, vergleiche Fig. 10. Ausgedrückt in Abhängigkeit von den Steuerspannungen i/l und t/2 gilt folgendes:

und Uf = Jt- t/l Us= k- (U 1 + t/2),

wobei /reine Konstante ist.

Die Ausgangsspannung Uf kann variiert werden durch Variieren der Bezugsspannung Ur 2 am Regler RS2 gemäß Fig.5. Wenn die Spannung Ur2 derart variiert wird, daß U1 abnimmt, bedeutet dies, daß auch die Spannung Uf abnimmt Zusammen hiermit wird jedoch der Wert der Spannung Us = k ■ (U 1 + t/2) ebenfalls abnehmen. Dieser neue Wert der Spannung Us wird in dem Regler ÄS 1 mit der Bezugsspannung Ur \ verglichen, und die Differenzspannung wird der Steuerspannung t/2 zugeführt so daß diese Spannung zunimmt. Hierdurch wird die Spannung Us auf ihren ursprünglichen Wert zunehmen. Die Regelung erfolgt automatisch in dem Regler RS1, und die Ausgangsspannung Us wird schnell auf ihren ursprünglichen Wert zurückgebracht. Für den Fall, daß die Bezugsspannung variiert wird, wodurch sich die Ausgangsspannung Us ändert, wird die Ausgangsspannung Uf entsprechend der obigen Beschreibung nicht beeinflußt

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gleichspannungswandler zur Abgabe zweier einzeln steuerbarer stabilisierter Gleichspannungen mit einer einen Leistungstransformator enthaltenden Gegentaktanordnung im Leistungskreis, bei der die Primärwicklung des Transformators in zwei Hälften aufgespalten ist und auf der Sekundärseite eine erste Gleichrichteranordnung zur Abgabe der ersten stabilisierten Gleichspannung und eine zweite Gleichrichteranordnung zur Abgabe der zweiten stabilisierten Gleichspannung vorgesehen sind und bei der für jede der beiden stabilisierten Gleichspannungen ein Regler vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegentaktanordnung (OSC) selbstschwingend ausgebildet ist, daß die beiden Gleichrichteranordnungen (RLi, RL 2) in solcher Polung an eine Sekundärwicklung (/910) des Leistungstransformators (Tr) angeschlossen sind, daß die erste Gleichrichteranordnung für Spannungshalbwellen nur der einen Richtung und die zweite Gleichrichteranordnung für Spannungshalbwellen nur der anderen Richtung oder beider Richtungen durchlässig ist, und daß jeder Gegentaktzweig der Gegentaktanordnung gesondert mit je einer unabhängig gesteuerten Gleichspannung (Ui, t/2) gespeist ist, die zugleich als Stellgröße für die Ausgangsspannung (Us, Uf) der dem betreffenden Gegentaktzweig der Polung nach zugehörigen Gleichrichteranordnung (RL 1, RL 2) wirksam ist und deren Größe durch denjenigen der beiden Regler (RSi, RS2) gesteuert wird, der den Istwert von der dem betreffenden Gegentaktzweig zugeordneten Gleichrichteranordnung erhält.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Gleichrichteranordnungen (RLi, RL2) Eirweg-Halbwellengleichrichter sind.

3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gleichrichteranordnung (RIi) ein Einweg-Halbwellengleichrichter und die zweite Gleichrichteranordnung (RL 2) ein Spitze-Spitze-Gleichrichter ist.

4. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Regler (RSi, RS2) eingangsseitig außer dem Istwert (Us, Uf) ein Sollwert (Ur i, Ur2) für die stabilisierte Gleichspannung zugeführt ist und der Regler ausgangsseitig mit der zugehörigen Hälfte der Primärwicklung (734, /56) verbunden ist.