DE2554825A1 - Schaltungsanordnung zur abgabe einer ausgangsspannung abhaengig von einer eingangsgleichspannung und einer vorgegebenen sollspannung - Google Patents

Schaltungsanordnung zur abgabe einer ausgangsspannung abhaengig von einer eingangsgleichspannung und einer vorgegebenen sollspannung

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Description

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Schaltungsanordnung zur Abgabe einer Ausgangsspannung abhängig von einer Eingangsgleichspannung und einer vorgegebenen Sollspannung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Abgabe einer Ausgangsspannung abhängig von einer Eingangsgleichspannung und einer vorgegebenen Sollspannung, mit einer aus einem Längsregelglied, einer Induktanz sowie einem die Ausgangsspannung abgebenden Gegentakt-Stromwandler gebildeten, mit der Eingangsgleichspannung gespeisten Reihenschaltung, bei der die Induktanz und der Gegentakt-Stromwandler durch eine bei induktiven Abschaltespannungen in Durchlaßrichtung beanspruchten Diode überbrückt sind.
Eine Schaltungsanordnung dieser Art kann beispielsweise in Stromversorgungsgeräten Anwendung finden und ermöglicht die Abgabe stabilisierter Ausgangsspannungen, die durch die Verwendung eines Gegentakt-Stromwandlers gegenüber der Eingangsgleichspannung galvanisch entkoppelt sind. Es ist nun möglich, eine derartige Schaltungsanordnung so zu betreiben, daß die Einspeisung der von dem Längsregelglied abgegebenen elektrischen Leistung in den Gegentakt-Stromwandler nach dem Prinzip einer Stromquelleneinspeisung erfolgt. Dies bedeutet, daß am Einspeisungspunkt des Gegentakt-Stromwandlers keine kapazitive Energiespeicherung erfolgt, so daß das Längsregelglied gegen-
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über dem Gegentakt-Stromwandler nicht die Eigenschaften einer Spannungsquelle, sondern diejenigen einer StromquäLle hat. Durch dieses Prinzip wird erreicht, daß die in dem Gegentakt-Stromwandler vorhandenen Schalterelemente durch unkontrollierte Spitzenströme bei Kurzschlüssen, Sättigung des Gegentakt-Übertragers oder überlappenden Betrieb nicht mehr zerstört werden können. Es ist jedoch trotzdem noch eine gewisse Gefahr der Zerstörung der Schalterelemente im Gegentakt-Stromwandler dann gegeben, wenn durch die stromquellenartige Einspeisung am Gegentakt?Stromwandler induktive Abschaltespannungen unbestimmten Wertes, verursacht durch die Streuinduktivität eines im Stromwandler vorgesehenen Übertragers, entstehen können, die so hoch sind, daß sie zur Zerstörung der Schalterelemente. , beispielsweise der Transistorschalter, führen.
Es ist nun möglich, zur Vermeidung auch dieser Nachteile dem Gegentakt-Stromwandler ein RC-Glied in Verbindung mit einer Diode parallel zu schalten, um eine Begrenzung eventuell auftretender Überspannungen auf unschädliche Werte durchzuführen. Dabei wird ein durch derartige Spannungen erzeugter Strom über das RC-Glied abgeführt. Es hat sich aber gezeigt, daß in dem ohm1sehen Widerstand des RC-Gliedes eine sehr hohe Leistung verbraucht wird, die besonders bei großer Streuinduktivität des Gegentakt-Übertragers in Erscheinung tritt. Besonders die Streuinduktivität des Gegentakt-Übertragers bestimmt diese Verlustleistung sehr wesentlich, da die Zeit, in der eine Spannungsüberhöhung am Gegentakt-Übertrager auftreten kann, durch diese Streuinduktivität bestimmt wird und diese Zeit ihrerseits wieder den mittleren Stromfluß im ohm1sehen Widerstand des RC-Gliedes bestimmt. Wird eine derartige Schaltungsanordnung beispielsweise bei einer getakteten Stromquelle eingesetzt, bei der eine unstabilisierte Gleichspannung von 200 Volt, eine Taktfrequenz von 30 kHz, ein Schaltstrom von 4 Ampere und eine Streuinduktivität des Gegentakt-Übertragers von 40 Mikro-H vorliegen, so kann schon bei einer noch zugelassenen Überspannung von 10 % der genannten Gleichspannung die Verlustleistung in dem
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ohm*sehen Widerstand des RC-Gliedes einen Wert von mehr als 200 Watt erreichen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Lösung zum Schutz des Gegentakt-Stromwandlers gegenüber unkontrollierten Überspannungen anzugeben, durch die die Verlustleistung an zusätzlich einzufügenden Schaltelementen wesentlich herab gesetzt wird.
Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart ausgebildet, , « „ r. λ. π j. j. ßgi.gemeinsam mit der Induktanz daß der Gegentakt-Stromwandler/durch die Reihenschaltung einer Drosselspule und eines Kondensators überbrückt ist und daß von seinem Gegentakt-Übertrager symmetrisch abgeleitete Spannungen jeweils über eine Diode an den Kondensator geführt sind.
Durch die Erfindung ergibt sich die Möglichkeit, die vom Gegentakt-Übertrager symmetrisch abgeleiteten Spannungen so zu dimensionieren, daß bei Auftreten einer Überspannung am Gegentakt-Übertrager die jeweilige Diode eine Änderung ihres Schaltzustandes erfährt, die zu einem Stromfluß zu dem Verbindungspunkt von Kondensator und Drosselspule führt. Dadurch wird aber wiederum eine Spannungsbegrenzung hervorgerufen, denn über die jeweils leitende Diode herrscht an den Punkten des. Gegentakt-Übertragers, an denen die Hilfsspannungen symmetrisch abgeleitet werden, praktisch diejenige Spannung, die auch am Verbindungspunkt von Kondensator und Drosselspule vorliegt. Da diese beiden Elemente dem Gegentakt-Stromwandler parallel geschaltet sind, kann in sehr einfacher Weise dieser Verbindungspunkt die Spannung des Einspeisepunktes des Gegentakt-Stromwandlers führen, so daß am Gegentakt-Übertrager eine überhöhte Spannung praktisch nicht mehr auftreten kann. Außerdem ist damit der Vorteil verbunden, daß die über die beiden Dioden fließenden pulsierenden Ströme durch den Kon-
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densator geglättet werden und infolge der Verbindung mit dem Einspeisungspunkt zu diesem zurückgeführt werden, so daß eine Verlustleistung praktisch nicht mehr auftritt.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Gegentakt-Übertrager mit einer zusätzlichen Gegentakt-Wicklung vorzugsweise in fester Kopplung versehen ist, deren Enden über die Dioden mit dem Verbindungspunkt des Kondensators und der an die Induktanz angeschalteten Drosselspule verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform können die beiden Teilwicklungen der zusätzlichen Gegentakt-Wicklung so dimensioniert werden, daß die an ihnen auftretende Spannung genau der mittleren Spannung entspricht, die am Einspeisungspunkt des Gegentakt-Stromwandlers auftritt. Wenn die Drosselspule direkt mit der dem Gegentakt-Stromwandler vorgeschalteten Induktanz verbunden ist, so herrscht diese mittlere Einspeisespannung über die Drosselspule auch am Kondensator, so daß bei Spannungsüberhöhungen über die Dioden und die Drosselspule die beschriebene Rückspeisung der durch die Spannungsüberhöhungen verursachten Ströme möglich ist. Die feste Kopplung wird zweckmäßig deshalb vorgesehen, um mit der zusätzlichen Gegentakt-Wicklung möglichst die gesamte Streuinduktivität des Gegentakt-Übertragers zu erfassen.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist es zweckmäßig, die Drosselspule mit dem mit dem Gegentakt-Übertrager verbundenen Anschluß der Induktanz zu verbinden, wodurch sich eine besonders geringe Welligkeit des Stroms in der Drosselspule ergibt. Es ist aber auch möglich, die Drosselspule an den anderen Anschluß der Induktanz zu legen, hierbei ist dann allerdings die Stromwelligkeit in der Drosselspule größer.
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Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Gegentakt-Übertrager an seiner die zugeordneten Schalterelemente speisenden Primärwicklung Abgriffe aufweist, die über die Dioden mit dem Verbindungspunkt des an die Induktanz angeschalteten Kondensators und der Drosselspule verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform ist also keine zusätzliche Gegentakt-Wicklung erforderlich, sondern die Abgriffe der Sekundärwicklung des Gegentakt-Übertragers sind so gelegt, daß an ihnen die mittlere Einspeisespannung auftritt. Wenn hierbei der Kondensator mit der dem Gegentakt-Stromwandler vorgeschalteten Induktanz verbunden ist, so fließen bei Spannungsüberhöhungen über die beiden Dioden gleichfalls pulsierende Ströme, die auf den Einspeisungspunkt des Gegentakt-Stromwandlers zurückgeführt werden und
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durch, die Reihenschaltung des Kondensators mit der Drosselspule geglättet werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Abgabe einer Ausgangsspannung abhängig von einer Eingangsgleichspannung, die im wesentlichen aus einem Längsregelglied und einem damit in Reihe geschalteten Gegentakt-Stromwandler besteht,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung an dem in Fig. 1 gezeigten Gegentakt-Stromwandler und
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung an dem in Fig. 1 gezeigten Gegentakt-Stromwandler.
In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung zur Abgabe einer Ausgangsspannung abhängig von einer Eingangsgleichspannung und einer vorgegebenen Sollspannung dargestellt. Diese Schaltungs anordnung enthält zwischen der positiven Betriebsspannungsklemme 1 und Massepotential 5 die Reihenschaltung eines Längs regelgliedes 2 in Form eines Transistors, einer Induktanz 3 und eines Gegentakt-Stromwandlers 4. Ferner ist der Reihenschaltung aus Induktanz 3 und Gegentakt-Stromwandler 4 eine Diode 6 parallel geschaltet, die so gepolt ist, daß sie die Induktanz 3 in den Schaltpausen der Anordnung entlädt und an dieser Induktanz 3 auftretende induktive Absehaltespannungen ableitet, so daß durch sie der Transistor 2 geschützt wird. Der Gegentakt-Stromwandler 4 enthält einen Gegentakt-Übertrager 43 mit einer Gegentakt-Primärwicklung 41 und einer Sekundärwicklung 42, an deren Anschlüssen 47 eine Sekundärspannung abgenommen werden kann, die gegebenenfalls nach Gleichrichtung als gegenüber der Eingangsspannung galvanisch entkoppelte Versorgungsspannung den verschiedensten Verbrauchern zuge-
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führt werden kann. Ein Anschluß der Sekundärwicklung 42 ist mit einer Vergleichsschaltung 7 verbunden, der eine Referenzspannung an einem weiteren Steuereingang 8 zugeführt wird. Abhängig von der Abweichung der Sekundärspannung des Anschlusses 47 von der Referenzspannung am Steuereingang 8 gibt die Vergleichsspannung 7 ein Steuersignal an den Transistor 2 ab, der den Stromfluß zur Induktanz 3 dann so steuert, daß sich an den Ausgangsanschlussen 47 des Gegentakt-Stromwandlers eine konstante Ausgangsspannung ergibt.
Der Gegentakt-Stromwandler 4 enthält als Schalterelemente Schalttransistoren 44 und 45, die im Gegentakt mittels einer Steuerschaltung 46 ein- und ausgeschaltet werden, hierzu liefert die Steuerschaltung 46 ein geeignetes, taktweise wechselndes Steuersignal an die beiden Schalttransistoren 44 und 45.
Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung enthält als Stromquelle für den Gegentakt-Stromwandler 4 die aus dem Transistor 2 und der Induktanz 3 gebildete Anordnung, welche am Einspeisungspunkt des Gegentakt-Stromwandlers die Wirkung einer Stromquelle zeigt. Bei diesem Prinzip können Jedoch sehr hohe Spannungen am Gegentakt-Übertrager 43 auftreten, die durch die Streuinduktivität der Übertragerwicklungen 41/42 beim Umschalten der beiden Schalttransistoren 44 und 45 verursacht werden. Es ist deshalb erforderlich, derartige, am Gegentakt-Übertrager 43 auftretende Überspannungen auf einen Wert zu begrenzen, der für die Schalttransistoren 44 und 45 unschädlich ist.
Eine hierzu geeignete Schaltungsanordnung zeigt Fig. 2, in der lediglich die Primärwicklung 41 des Gegentakt-Übertragers 43 (Fig· 1) mit den zugeordneten Schalttransistoren 44 und sowie der Steuerschaltung 46 und der Induktanz 3 dargestellt ist. Zusätzlich ist eine Gegentakt-Sekundärwicklung 50 vorgesehen, deren Mittelabgriff mit Massepotential 5 verbunden ist, während ihre beiden Wicklungsenden über Dioden 48 und 49 mit
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dem Verbindungspunkt eines Kondensators 51 und einer Drosselspule 52 verbunden sind, die ihrerseits eine dem Gegentakt-Stromwandler parallel geschaltete Reihenschaltung bilden. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei die Drosselspule 52 mit dem Einspeisungspunkt 53 des Gegentakt-Stromwandlers bzw. mit dem Mittelabgriff der Primärwicklung 41 verbunden.
Wenn an dem Gegentakt-Übertrager unkontrollierte Überspannungen auftreten, so erfolgt eine entsprechende Spannungsänderung an der Sekundärwicklung 50. Wenn diese so dimensioniert ist, daß die an ihr auftretenden Spannungen —»
'—genau der am Einspeisungspunkt 53 auftretenden mittleren Einspeisespannung entsprechen, so erfolgt kein Stromfluß über die Dioden 48 und 49, da der mit ihnen verbundene Anschluß des Kondensators 51 über die Drosselspule 52 genau diese mittlere Einspeisespannung des Einspeisungspunktes 53 führt. Treten an der Gegentakt-Wicklung 50 jedoch Überspannungen auf, so werden die Dioden 48 und 49 leitend, und es erfolgt ein Stromfluß von den beiden Anschlüssen der Gegentakt-Wioklung 50 zum Verbindungspunkt von Kondensator 51 und Drosselspule 52. Dieser Stromfluß wird über die Drosselspule 52 zum Einspeisungspunkt zurückgeführt, und zwar infolge der Reihenschaltung von Kondensator 51 und Drosselspule 52 in geglätteter Form. Auf diese Weise erfolgt also eine Rückspeisung der durch. Überspannungen auftretenden elektrischen Energie auf den Einspeisungspunkt 53 des Gegentakt-Stromwandlers, so daß die Zusatzschaltung praktisch verlustleistungsfrei arbeitet. Dadurch, daß die Gegentakt-Wioklung 50 durch ihre Windungszahl leicht so dimensioniert werden kann, daß die an ihr auftretende Spannung der am Einspeisungspunkt 53 auftretenden mittleren Einspeisungsspannung entspricht, erfolgt eine Spannungsbegrenzung auf diesen Wert, da alle Spannungen, die diese mittlere Spannung übersteigen, durch die Zusatzbeschaltung unschädlich gemacht werden.
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In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem eine zusätzliche Sekundärwicklung für den Gegentakt-Übertrager 43 (Fig. 1) nicht erforderlich ist. Hier sind hingegen an der Primärwicklung 41 Abgriffe 54 und 55 vorgesehen, mit denen die beiden Dioden 48 und 49 direkt verbunden sind. Die Abgriffe 54 und 55 sind so gelegt, daß die an ihnen auftretende Spannung, bezogen auf den Einspeisungspunkt 53 des Gegentakt-Stromwandlers, der mittleren Einspeisespannung entspricht. Ferner ist hier die Reihenschaltung von Kondensator 51 und Drosselspule 52 so vorgesäien, daß der Kondensator 51 mit dem Einspei sungspunkt 53 verbunden ist. Die übrigen Elemente entsprechen wie bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der in Fig. 1 gezeigten Schaltung, d.h. der Gegentakt-Stromwandler 4 (Fig. 1) enthält eine Primärwicklung 41, die zwei Schalttransistoren 44 und 45 speist, welche ihrerseits durch eine Steuerschaltung 46 im Gegentakt wirksam geschaltet werden. Dem Einspeisungspunkt 53 ist die Induktanz 3 vorgeschaltet, welche ihrerseits von dem in Fig. 3 nicht dargestellten Transistor 2 gespeist wird.
Wenn bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eine die mittlere Einspeisespannung übersteigende Überspannung auftritt, die durch die eingangs beschriebenen Wirkungen der Streuinduktivität des Gegentakt-Übertragers beim Umschalten der Schalttransistoren 44 und 45 verursacht sein kann, so tritt über die Dioden 48 und 49 ein pulsierender Gleichstrom durch den Kondensator 51 auf, der in Verbindung mit der Drosselspule 52 geglättet und zum Einspeisungspunkt 53 zurückgeführt wird.
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Claims (6)

Patentansprüche
1.j Schaltungsanordnimg zur Abgabe einer Ausgangsspannung abhängig von einer Eingangsgleichspannung und einer vorgegebenen Sollspannung, mit einer aus einem Längsregelglied, einer Induktanz sowie einem die Ausgangsspannung abgebenden Gegentakt-Stromwandler gebildeten, mit der Eingangsgleichspannung gespeisten Reihenschaltung, bei der die Induktanz und der Gegentakt-Stromwandler durch eine bei induktiven Abschaltespannungen in Durchlaßrichtung beanspruchte Diode überbrückt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegentaktstromwandler (4) ggf. gemeinsam mit der Induktanz durch die Reihenschaltung einer Drosselspule (52) und eines Kondensators (51) überbrückt ist und daß von seinem Gegentakt-Übertrager (43) symmetrisch abgeleitete Spannungen jeweils über eine Diode (48, 49) an den Kondensator (51) geführt sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegentakt-Übertrager (43) mit einer zusätzlichen Gegentakt-WidsLung (50) vorzugsweise in fester Kopplung versehen ist, deren Enden über die Dioden (48, 49) mit dem Verbindungspunkt des Kondensators (51) und der an die Induktanz (3) angeschalteten Drosselspule (52) verbunden sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule (52) mit dem mit dem Gegentakt-Übertrager (43) verbundenen Anschluß der Induktanz (3) verbunden ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegentakt-Übertrager (43) an seiner die zugeordneten Schaltelemente (44, 45) speisenden Primärwick-
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ORIGINAL INSPECTED
lung (41) Abgriffe (54, 55) aufweist, die über die Dioden (48, 49) mit dem Verbindungspunkt des an die Induktanz (3) angeschalteten Kondensators (51) und der Drosselspule (52) verbunden sind.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Gegentakt-Übertrager (43) abgeleiteten Spannungen zu der an dessen Primärwicklung auftretenden Spannung das Verhältnis dieser Spannung zu einer vorgegebenen Überspannung bilden.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der vom Gegentakt-Übertrager (43) abgeleiteten Spannung jeweils vorgesehene Windungszahl zu der Windungszahl der zugeordneten Primärwicklung (41) des Gegentakt-Übertragers (43) das Verhältnis der mittleren Einspeisespannung des Gegentakt-Übertragers (43) zu einer vorgegebenen, durch die Streuinduktivität des Gegentakt-Übertragers (43) beim Abschalten seiner Schalterelemente (44, 45) verursachten Spannungsüberhöhung bildet.
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