DE2900622A1

DE2900622A1 - Spannungswandler fuer geringe eingangsspannungen

Info

Publication number: DE2900622A1
Application number: DE19792900622
Authority: DE
Inventors: Nothart Dipl Phys Rohde
Original assignee: Individual
Current assignee: Rohde Nothart Dipl-Phys 7801 March De
Priority date: 1979-01-09
Filing date: 1979-01-09
Publication date: 1980-07-17

Description

Beschreibung zu Spannungswandler für geringe Eingangsspannungen Spannungswandler für geringe Eingangsspannungen Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler für geringe Eingangs spannungen, der vorallem für die Wandlung von Spannungen Verwendung findet, welche von Generatoren wie zum Beispiel Solarelementen oder Thermoelementen, die nichtelektrische in elektrische Energie umsetzen, erzeugt werden, und der nach dem Prinzip der Sperrwandlung arbeitet, bei der während der Flußphase die Eingangsspannung ein Magnetfeld aufbaut und während der Sperrphase die im Magnetfeld gespeicherte Energie an den am Ausgang des Spannungswandlers angeschlossenen Verbraucher abgegeben wird.
Die Grundzüge der Erfindung wurden bereits veröffentlicht (Literaturstelle 1).
Der Zweck eines solchen Wandlers besteht darin, Eingangsspanuungen im Millivolt-Bereich so zu transformieren, daß sie für den angeschlossenen Verbraucher als Versorgungsspannung verwendungsfähig sind. Das geforderte Transformationsverhältnis liegt etwa zwischen 1:10 und 1:1000 . Wichtig ist ein hoher Wirkungsgrad, da die Generatoren bei der Umsetzung der Energie einen geringen Wirkungsgrad aufweisen und weitere Verluste möglichst vermieden werden müssen.
Zur Spannungstransformation sind verschiedene Verfahren bekannt (Literaturstelle 2 und 3). Wenn ein variables Transformationsverhältnis gewünscht wird, ist der Sperrwandler besonders geeignet. Mit ihm ist es möglich, ohne Änderungen in der Dimensionierung mit wechselnden Eingangs- und Ausgangsspannungen zu arbeiten. Durch die Zwischenspeicherung der Energie im Magnetfeld ist dabei eine Entkopplung zwischen Eingang und Ausgang möglich. Bekanntestes Beispiel eines Sperrwandlers ist der Sperrschwinger (Literaturstelle 4).
Der mittlere Eingangswiderstand eines Sperrwandlers, bei dem die Sperrphasen gegenüber den Flußphasen kurz sind, was bei den betrachteten Transformationsverhältnissen gegeben ist, ist umgekehrt proportional zur Dauer der Flußphase bzw. proportional zur Frequenz des Schaltvorganges. Durch die Entkopplung zwischen Eingang und Ausgang des Wandlers wird der Generator mit einem Widerstand - dem Eingangswiderstand des Wandlers - belastet, der von der Art des am Ausgang angeschlossenen Verbrauchers unabhängig ist.
Die bisher bekannten Konstruktionen zeigen für die vorgesehene Anwendung keinen ausreichenden Wirkungsgrad. Beendet man nämlich die Flußphase in der üblichen Weise bei dem Eintritt von Sättigungseffekten in der Induktivität oder den Schalternd.h. beim Überschreiten eines bestimmten maximalen Stromes am Eingang, so ist der mittlere Strom am Eingang in allen Situationen konstant. Dies ist gleichbedeutend damit, daß sich der Eingangswiderstand bei Erhöhung der Eingangsspannung vergrößert. Für Solargeneratoren ist der Effekt höchst unerwünscht, da dort bei Verstärkung der Beleuchtung die Generatorspannung ansteigt, während der Innenwiderstand des Generators und damit der optimale Lastwiderstand sinkt.
Die Leistungsanpassung ist daher nur bei einer genau festgelegten Betriebsbedingung des Generators möglich. Dies ist ebenso der Fall, wenn man überhaupt auf einen Wandler verzichtet und eine entsprechende Anzahl von Solargeneratoren in Reihe schaltet und durch einen Akkumulator puffert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannungstransformation durchzuführen, wobei zwischen Generator und Verbraucher bei allen Betriebbedingungen eine Leistungsanpassung vorliegen soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei dem an sich bekannten Prinzip des Sperrwandlers, wegen der geringen Eingangsspannungen zur Umschaltung mit Leistungs-Feldeffekttransistoren ausgerüstet, die Dauer der Flußphase durch einen separaten Zeitkreis, insbesondere ein Monoflop festgelegt ist, der zum Ende der Sperrphase angestoßen wird.
Die Sperrphase dauert dabei solange, bis das Magnetfeld abgebaut ist. Weiterhin wird die auf den Generator einwirkende Energie mit einem Sensor gemessen und in Abhängigkeit davon die Dauer der Flußphase beeinflußt, gegebenenfalls unter genauer Berücksichtigung der Kennlinie des Generators, Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen darin, daß der Eingangswiderstand des Wandlers unabhängig von den Betriebsbedingungen wird, sich sehr leicht - im allgemeinen durch ein RC - Glied - festlegen läßt und Sattigungseffekte, die zusätzliche Verluste bedeuten, vermieden werden können. Bei variablen Betriebsbedingungen des General tors läßt sich durch den Sensor der Abschlußwiderstand leicht verändern und optimieren. Die Art der Ansteuerung des Zeitkreises gewährleistet vollständige Energieübertragung an den Verbraucher.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschriebene Der Sperrwandler, bestehend aus einer Induktivität (1), einem Feldeffekttransistor als Schalter (2) und einer Diode (3), transformiert die von einem Solarelement (4) abgegebene Energie und überträgt sie an den Verbraucher, hier einen Akkumulator (5) Der Kondensator (6) dient zur Glättung und damit zu einer über die Fluß- und Sperrphase konstanten Belastung des Solarelementes. Das Monoflop (7) wird von der Rückflanke der Sperrphase gekippt und schaltet während des gekippten Zustandes den Schalter ein0 Ein Fotowiderstand (8) als Sensor mißt die Helligkeit9 der das Solarelement ausgesetzt ist, und vergrößert bei steigender helligkeit die Zeitkonstante des Monoflop, was zu dem gewünschten Absinken des Lastwiderstandes des Solarelementes führt0 Literaturstellen 1 N.Rohde, 11Spannungswandler für Solarelemente", Elektronik 1978, Heft 7, Seite 76, Franzis-Verlag, München.
2 Funktechnische Arbeitsblätter Nr. Stv 71 "Schaltnetzteile", in Funkschau 1975, Heft 19 Franzis-Verlag, München.
3 J.Wüstenhube, "Gleichspannungswandler für Schaltnetzteile Elektronik 1978, Heft 4, Seite 102, Franzis-Verlag, München.
4 Schaltbeispiel Nr. 44 "Sperrschwinger", entnommen aus "100 typische Schaltungen mit Halbleiterbauelementen", Publikation der Fa. Intermetall, Freiburg, 1967 Legende : Ausführungsbeispiel der Erfindung Leerseite

Claims

Anspruch Spannungswandler für geringe Eingangsspannungen, der vorallem für die Wandlung von Spannungen Verwendung findet, welche von Generatoren wie zum Beispiel Solarelementen oder Thermoelementen, die nicht elektrische in elektrische Energie umsetzen, erzeugt werden, und der nach dem Prinzip der Sperrwandlung arbeitet, bei der während der Flußphase die Eingangsspannung ein Magnetfeld aufbaut und während der Sperrphase die im Magnetfeld gespeicherte Energie an den am Ausgang des Spannungswandlers angeschlossenen Verbraucher abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Flußphase durch einen Zeitkreis, insbesondere durch ein Monoflop festgelegt ist der zum Ende der Sperrphase angestoßen wird und daß die Dauer der Flußphase und/oder die Arbeitsdauer des Zeitkreises von einem Sensor beeinflußt ist, der die Stärke der auf den Generator einwirkenden Energie mißt