DE2915218A1

DE2915218A1 - Einstellbarer geregelter gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE2915218A1
Application number: DE19792915218
Authority: DE
Inventors: Leland W Ford; Alberto M Ramirez; Gerald L Smith
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1978-04-19
Filing date: 1979-04-14
Publication date: 1979-10-31
Also published as: GB2019655B; FR2423813A1; CA1135337A; JPS54140127A; IT1166719B; US4210858A; FR2423813B1; GB2019655A; IT7921361A0

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk N.Y., 10504

ar/zi Einstellbarer geregelter Gleichspannungswandler

Diese Erfindung betrifft einen einstellbaren, sich selbst regelnden Gleichspannungswandler, der gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs in hochfrequenter Betriebsart arbeitend aus einer diesen Wandler eingangsseitig speisenden Stromversorgungsquelle niedriger Gleichspannung an seinem Ausgang ein stabilisiertes Gleichspannungssignal relativ sehr hoher Spannung liefert, dessen Spannungswert durch die Spannungsgröße einer eingangsseitig angeordneten Bezugsspannung einstellbar und schnell änderbar ist.

Derartige Gleichspannungswandler, welche von einer Stromversorgungsquelle niedriger Gleichspannnung gespeist werden beispielsweise von einer Batterie - finden vorwiegend in Geräten Verwendung, die zu ihrer Funktion eine sehr hohe Gleichspannung erfordern, die beispielsweise im Bereich von 1000 V bis 10 000 V liegen kann. Bei solchen Geräten ist die speisende Gleichstromquelle meistens während der Betriebszeit stetig angeschaltet, die benötigte hohe Gleichspannung hingegen folgend auch als Hochspannungssignal - bezeichnet, kann je nach der Betriebsart des Gerätes stetig oder nur kurzzeitig vorhanden sein, je nachdem, wie es die Betriebsverhältnisse erfordern.

in solches Signal hoher Gleichspannung wird beispielsweise in Kopiergeräten, die auf dem elektrophotographischen Prin-* zip basieren, für verschiedene Zwecke benötigt. Eine erste Anwendung besteht darin, daß die gereinigte elektrophotographische Schicht, welche als Zwischenträger für das latente

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Bild dient, vor der Aufbelichtung des Kopierbildes in einer bestimmten elektrischen Polarität mittels einer Koronaeinrichtung auf ein elektrisches Potential im Bereich von 1 KV bis etwa 10 KV aufgeladen wird. Nach der Aufbelichtung des zu kopierenden Bildes wird das latente elektrische Ladungsbild in einer Entwicklungsstation mit Hilfe eines Toners zu einem sichtbaren Bild entwickelt. Auch in der Entwicklerstation wird bei manchen Kopiergeräten eine hohe Gleichspannung, entweder als Vorspannung oder zur Reinigung des Bildhintergrundes benötigt. Eine andere Anwendung, bei der nur kurzzeitig ein elektrisches Signal hoher Gleichspannung erforderlich ist, ergibt sich in einer Einrichtung, die den Anteil des Toners im Entwicklergemisch feststellt und die Zufuhr von Toner steuert. Bei dieser Einrichtung wird mittels einer kurzzeitig auf den Photoleiter einwirkenden hohen Gleichspannung und durch die Aufbelichtung eines schmalen Streifens ein Testbild erzeugt. Weitere Anwendungsfälle für kurzzeitig oder taktweise einwirkende Hochspannungspotentiale in Kopiergeräten ergeben sich in der Übertragungsstation, in der das Tonerbild vom Photoleiter auf das Kopierblatt übertragen wird und außerdem das am Photoleiter haftende Papierblatt durch die Einwirkung.eines anderen Hochspannungspotentials vom Photoleiter abgetrennt wird. Auch zur Lockerung des auf dem Photoleiter nach der Bildübertragung haftenden Resttoners wird kurzzeitig in einer Reinigungstation des Kopiergerätes ein hohes Gleichspannungspotential verwendet.

In einigen Anwendungsfällen der Elektrophotographie ist es erwünscht bzw. sehr zweckmäßig, daß sehr schnell der Wert der hohen Gleichspannung geändert werden kann, um sich bestimmten Betriebszuständen anzupassen, damit sich Kopien ergeben, deren Bildqualität immer zufriedenstellend ist. Es ist dabei wesentlich und für einen Fachmann selbstverständlich, daß bei einer solchen erforderlichen Änderung der Hochspannung die Umschaltung von einem ersten Spannungswert auf einen zweiten

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oder dritten Spannungswert nicht auf der Hochspannungsseite des Gleichspannungswandlers durchgeführt wird, sondern auf der Niederspannungsseite, wobei der Schaltungsaufwand geringer ist.

Außer den vorstehend erwähnten verschiedenen Anwendungsfällen in Kopiergeräten bestehen noch weitere Anwendungsmöglichkeiten für einstellbare, von einem Stromversorgungsgerät niedriger Gleichspannung gespeisten Gleichspannungswandler, die an ihren Ausgang ein stabilisiertes Signal hoher Gleichspannung an eine Last abgeben, beispielsweise in Belichtungsgeräten, Lichtblitzgeräten, Stroboskopen, Ionisationsgeräten oder in Prüfgeräten.

Bei vielen Stromversorgungsgeräten, die an ihrem Ausgang eine hohe Gleichspannung dauernd, nur kurzzeitig oder in Form von Impulsen liefern, wird auf bekannte Weise die hohe Gleichspannung meistens aus der allgemeinen Netz-Wechsel-

pannung, beispielsweise 220 V, 50 Hz erzeugt. Diese Netzspannung speist primärseitig einen Transformator, dessen Sekundärwicklung mit einem Gleichrichter verbunden ist. Dieser Gleichrichter ist meistens eine bekannte Spannungsvervielfacher-Schaltung, an deren Ausgang die hohe Gleichspannung zur Verfügung steht. Solche bekannte Spannungswandler, die eingangsseitig von der Netzspannung niedriger Frequenz beispielsweise 50 Hz gespeist werden, benötigen Transformatoren mit kräftigen Magnetkernen und großen Kondensatoren. Deshalb sind diese Spannungswandler ziemlich voluminös, haben ein großes Gewicht und sie sind somit in Folge des großen Materialaufwandes verhältnismäßig teuer. Netzgespeiste Spannungswandler sind insbesondere bei tragbaren Geräten, oder in Anlagen, wo das Gewicht und der Raumbedarf wesentlich ist, nicht besonders günstig. Um Spannungswandler, bzw. Stromversorgungsgeräte mit günstigeren Eigenschaften zu bekommen, ist es bekannt diese mit einer Arbeitsfrequenz zu betreiben, die ein

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Vielfaches der üblichen Netzfrequenz beträgt. Gleichspannungswandler, Wechselrichter oder andere Stromversorgungsgeräte, welche mit einer höheren Frequenz arbeiten, benötigen ein kleineres Volumen; sie sind im Gewicht auch beachtlich leichter und kostengünstiger herstellbar.

Durch die US-PS 3 986 085 wurde die Schaltungsandordnung für ein Stromversorgungsgerät bekannt, das an seinem Ausgang eine hohe Gleichspannung im Bereich von 1000 V bis 6000 V als Koronaspannung eines Kopiergerätes liefert. Diese bekannte Schaltungsanordnung wird von einer Batterie, niedriger Gleichspannung (13 V) gespeist und sie enthält einen Gleichspannungswandler, der mit einer Arbeitsfrequenz von 5 KHz betrieben wird. Der Gleichspannungswandler enthält einen Oszillator, der aus der niedrigen Gleichspannung eine Reihenfolge von Signalen erzeugt, die in einem Schaltkreis eine vorbestimmte Impulsform erhalten und zur taktweisen Speisung der Primärwicklung eines Aufwärts-Transformators dienen. Die Sekundärwicklung dieses Aufwärts-Transformators ist mit einer die Spannungsimpulse gleichrichtenden Spannungsvielfacherschaltung verbunden, an deren Ausgang die hohe Gleichspannung zur Verfügung steht. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung eines Gleichspannungswandlers ist es jedoch nicht möglich auf deren Niederspannungsseite einen gewünschten Wert der ausgangsseitig benötigten hohen Gleichspannung einzustellen. Außerdem enthält diese bekannte Schaltungsanordnung keinen Regelungsschaltkreis, der gewährleistet, daß am Ausgang eine hohe Gleichspannung zur Verfügung steht, deren Spannungswert stabilisiert ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung einen neuen, verbesserten Gleichspannungswandler gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches zu schaffen, den eingangsseitig eine Stromversorgungsquelle niedriger Gleichspannung speist und der ausgangsseitig .ein Signal einer stabilisierten hohen Gleichspannung liefert, deren Spannungswert durch eine Einstelleinrichtung

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auf der Niederspannungsseite wählbar ist. Dieser neue Gleichspannungswandler soll außerdem die Forderungen erfüllen, daß er möglichst ein geringes Gewicht aufweist, ein kleines Raumvolumen beansprucht und in kompakter Bauweise preisgünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem einstellbaren, geregelten Gleichspannungswandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen dieses erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der neue Gleichspannungswandler dient zusammen mit seiner ihn speisenden Gleichstromquelle niedriger Gleichspannung als elektrisches Stromversorgungsgerät, das an seinem Ausgang eine stabilisierte hohe Gleichspannung oder einen geregelten Strom an eine Last liefert. Dieser Gleichspannungswandler ist so ausgelegt, daß seine hohe Ausgangs-Gleichspannung oder sein Ausgangsstrom auf einen gewünschten Wert schnell einstellbar ist, wobei Pendelschwingungen vermieden werden und eine große Betriebssicherheit besteht.

In dem Betriebsfall wo der Spannungswandler eine vorbestimmte stabilisierte hohe Ausgangsgleichspannung liefern soll, wird diese Ausgangsspannung indirekt über eine Rückkoppelungsschaltung auf der Niederspannungsseite des Wandlers in einer Vergleichsschaltung mit einer Bezugsspannung verglichen, deren Spannungswert einstellbar ist und der in einem linearen Verhältnis zur hohen Ausgangs-Gleichspannung steht. Die in der /ergleichsschaltung erhaltene Differenzspannung wird einer Integrationsschaltung zugeführt. Diese Integrationsschaltung steuert in Abhängigkeit der Differenzspannung die zeitliche änge von Gleichspannungsimpulsen, gleicher Amplitude, welche

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ein Impulsgenerator erzeugt. Dieser Impulsgenerator besteht aus einem Taktgenerator und einer Schaltungsanordnung, welche die Gleichspannungsimpulse verschiedener Länge an eine sogenannte Kommutatorschaltung liefert. Diese Kommutatorschaltung - welche als.Umschalter dient - schaltet wechselweise, also im Gegentaktbetrieb die Gleichspannungsimpulse verschiedener Länge als Torsignale nacheinander an zwei Schalttransistoren von denen jeweils einer mit seinem Kollektor mit einem Ende der Primärwicklung eines Aufwärts-Transformators verbunden ist. Die Emitter dieser beiden Schalttransistoren sind mit einem Pol der den Gleichspannungswandler speisenden Stromquelle niedriger Spannung (+24 V) verbunden, welcher vorzugsweise auf Massepotential liegt. Die Schalttransistoren werden im Gegentaktbetrieb durch die Torimpulse - welche verschieden lang sein können - in den Leitzustand geschaltet. Die Primärwicklung des Aufwärts-Transformators ist durch eine Mittenanzapfung in zwei Hälften unterteilt. Die Mittenanzapfung ist in Reihenschaltung mit einem Widerstand mit dem anderen Pol der Stromversorgungsquelle niedriger Gleichspannung verbunden.

Der Aufwärts-Transformator enthält einen magnetisch gut leitenden Kern, welcher drei Schenkel aufweist, die durch Joche miteinander verbunden sind. Dieser Kern ist mit einem schmalen Luftspalt versehen, der erstens die Stärke eines eventuell möglichen Kurzschlußstromes im Belastungskreis begrenzt und der zweitens die lineare Abhängigkeit der hohen Gleichspannung von der Länge der im Impulsgenerator erzeugten Gleichspannungsimpulse verbessert. Die Sekundärwicklung des Transformators ist eine Spezialausführung und in Wicklungssektionen unterteilt, welche verhindern, daß sich zwischen benachbarten Wicklungslagen oder an deren Enden unzulässig hohe Spannungen ergeben, die zu einem Überschlag oder zu einem Lichtbogen führen können.

In einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers wird die Sekundärwicklung des Trans-

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formators aus mehreren hohlzylindrischen Wicklungssektionen gebildet, die an ihren Oberflächen mit einem Isoliermaterial umgeben sind. Diese Wicklungssektionen, welche mehrere Lagen von Windungen enthalten, sind koaxial übereinander angeordnet, wobei jede Wicklungssektion einen größeren Radius zum Kern hin aufweist. Die sich in axialer Richtung zum Kern erstreckenden Wicklungssektionen haben unterschiedliche Längen, die im umgekehrten Verhältnis zu ihrem Radius sind und sie sind auch so angeordnet, daß sich ihre Enden jeweils beidseitig überlappen, so daß sich große Kriechstrecken ergeben. Die Windungsenden der verschieden langen Wicklungssektionen sind reihenförmig miteinander verbunden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieses ersten Ausführungsbeispiels hat die Sekundärspule im

ängsschnitt eine etwa pyramidenförmige Gestalt, die sich von innen nach außen stufenförmig verjüngt, weil die innerste Wicklungssektion am längsten und die äußerste Wicklungssektion am kürzesten ist.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel hingegen, wird die Sekundärwicklung aus vorzugsweise kreisringförmigen Wicklungssektionen gebildet, die alle den gleichen Radius aufweisen und die in axialer Richtung isoliert nebeneinander angeordnet sind. Diese Wicklungssektionen sind zum Kern hin und voneinander durch Isoliermaterial getrennt. Jede dieser WicklungsSektionen enthält in radialer Richtung mehrere übereinander angeordnete schmale Windunglagen. Zur Bildung der Sekundärwicklung sind die Enden dieser Wicklungssektionen ebenfalls in Reihe miteinander verbunden.

Bei den beiden Ausführungsbeispielen ist jeweils die Sekundärwicklung des Transformators verschieden gestaltet und weist eine andere Konstruktion auf. Gemeinsam ist jedoch bei den beiden verschiedenen Wicklungssektionen aus denen die Sekundärwicklung besteht, daß jede Wicklungssektion nur eine begrenzte Anzahl von Windungen, also einen Teilbetrag der Gesamtwindun-

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gen enthält. Durch diese Unterteilung der Sekundärwicklung wird jede WicklungsSektion nur mit einer Teilspannung der Sekundärspannung beansprucht, so daß die Gefahr eines Spannungsüberschlages, einer Ionisationsbrücke, oder eines Lichtbogens, insbesondere an den Endbereichen der Windungslagen nicht vorhanden' ist. Dadurch wird die Betriebssicherheit des Gleichspannungswandlers, der an seinem Ausgang einen sehr hohe Gleichspannung liefert, beachtlich erhöht.

Die Sekundärwicklung des Transformators ist mit einer bekannten Spannungs-Vervielfacherschaltung verbunden, welche den Spannungswert der von der Sekundärwicklung gelieferten Spannungssignale weiter erhöht und diese Spannungssignale gleichrichtet, so daß am Ausgang dieser gleichrichtenden Vervielfacherschaltung ein Signal hoher Gleichspannung zur Verfügung steht.

Zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers werden nachstehend anhand von Zeichnungen und Schaltbildern-Fign. 1 bis 4 ausführlicher beschrieben. Von den Figuren stellen dar:

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer vorzugsweisen Ausführung des neuen Gleichspannungswandlers.

Fig. 2 das vereinfachte Schaltungsschema des Aufwärts-Transformators und seine ihm benachbarten mit ihm zusammenwirkenden Schaltkreise im Gleichspannungswandler gemäß dem Blockschaltbild Fig. 1.

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Konstruktion des in Fig. 1 und Fig. 2 bereits erwähnten Aufwärts-Transformators in einer Perspektiv-Abbildung.

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Fign. 3A als erstes Ausführungsbeispiel, die Sekundärseite und 3B des Aufwärts-Transformators Fig. 3 in Detail- und Querschnittansichten.

Fign. 4A ein zweites Ausführungsbeispiel der Sekundärseite und 4B des Aufwärts-Transformators der Fig. 3 ebenfalls in einer Detail- und in einer Querschnittsansicht.

Im Blockschaltbild Fig. 1 ist ein Taktgenerator 1 vorgesehen, der in periodischer Folge eine Serie von gleichlangen Taktimpulsen eines vorbestimmten Taktverhältnisses erzeugt und diese Impulse an eine Regelungsschaltung 2 - Regler für Impulsbreite -liefert. Diese Regelungschaltung für die Impulsbreite wird außer von den vorstehend erwähnten Taktsignalen noch von einer Differenzspannung beeinflußt, welche eine Integrationsschaltung 17 über die Leitung 4 in die Regelungschaltung 2 eingibt. Die von den Taktimpulsen und der Differenzspannung gesteuerte Regelungsschaltung 2 - Regler für Impulsbreite - ändert in Abhängigkeit von der einwirkenden Differenzspannung die zeitliche Länge der Taktimpulse, so daß am Ausgang der Regelungsschaltung 2 auf einer Leitung 3 Taktimpulse verfügbar sind, deren zeitliche Länge eine Funktion der angelegten Differenzspannung ist. In der Regelungschaltung 2 erfolgt somit eine Impulsbreiten-Modulation. Der Taktgenerator 1, welcher beispielsweise ein Oszillator sein kann und die Regelungsschaltung 2 bilden somit einen Impulsgenerator, der an seinem Ausgang eine Folge von gleichen, oder verschieden langen Impulsen gleicher Spannungshöhe liefern kann. Schaltungsanordnungen und Einzelheiten über solche Impulsgeneratoren sind dem Fachmann bekannt, so daß eine ausführliche Beschreibung hier nicht erforderlich ist.

Die vom Taktgenerator 1 erzeugten Taktsignale gleicher Länge wirken auch auf eine Kommutatorschaltung 5, die einen elektronischen Umschalter darstellt der zwei Ausgangsleitungen 7 und

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8 aufweist und der im Rhythmus der Taktsignale in stetiger Folge die auf der Eingangsleitung 3 ankommenden Taktimpulse wechselweise auf die Ausgangsleitungen 7 und 8 schaltet. Die beiden Leitungen 7 und 8 sind die Eingänge zu einer im Gegentaktschaltbetrieb arbeitenden Treiberschaltung 6, deren Schaltbild auf der linken Seite der Fig. 2 dargestellt ist, welche später noch ausführlicher beschrieben wird. An die Treiberschaltung 6 ist ausgangsseitig die Primärwicklung 20 eines Aufwärts-Transformators 10 angeschlossen, welche durch eine Mitten-Anzapfung in zwei primäre Windungshälften P₁, P₂ unterteilt ist, deren äußere Wicklungsenden jeweils in Reihe mit einem Schalttransistor T₁, T„ verbunden sind. Beide Schalttransistoren T₁, T„ sind mit ihrem Kollektor jeweils an ein Ende der Primärwicklung angeschlossen und ihr Emitter liegt auf Massepotential, bzw. ist mit dem einen Pol der Stromversorgungsquelle, niedriger Gleichspannung verbunden. Die Basis des einen Schalttransistors T₁ empfängt Takt- bzw. -Torsignale die auf der Leitung 7 erscheinen, und der andere Schalttransistor T₂ wird von den Taktbzw. Torsignalen geschaltet, die auf der Leitung 8 ankommen.

Der Aufwärtstransformator 10 ist speziell so konstruiert, daß er im Gegentaktbetrieb arbeitend, gesteuert von den Taktimpulsen der Regelungschaltung für die Impulslängen 2, die von einer speisenden Stromversorgungsquelle niedriger Gleichspannung (+24 V) gelieferte elektrische Energie auf die Sekundärwicklung S₁ des Transformators 10 überträgt, wie dies später noch bei der Beschreibung der Fign. 3, 3A, 3B, 4A und 4B noch ausführlicher erklärt wird.

Wie aus den Fign. 1 und 2 ersichtlich ist, gelangen die in der Sekundärwicklung S₁ des Transformators 10 induzierten Spannungs- bzw. Stromimpulse, (welche eine relativ hohe Amplitude aufweisen) zum Eingang einer kombinierten Spannungsvervielfacher-Schaltung 11 mit Gleichrichtereffekt. In der Spannungsvervielfacher-Schaltung 11 werden die Sekundärimpulse in ihrer

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Amplitude noch weiter erhöht, bzw. verstärkt und außerdem werden sie gleichgerichtet, so daß der Ausgang 12 der kombinierten Spannungsvervielfacher-Schaltung 11 mit Gleichrichtereffekt letztlich die Anschlußklemmen 12 einer Stromversorgungsquelle sind, die ein Spannungssignal beliebiger Dauer von sehr hoher Gleichspannung liefert.

Die vorstehend kurz beschriebene Stromversorgungsquelle mit Spannungswandler, welche an ihrem Ausgang 12 eine voreinstellbare hohe Gleichspannung oder einen Strom liefert, enthält zusätzlich noch eine Regelungseinrichtung die bewirkt, daß die hohe Ausgangs-Gleichspannung, bzw. der Ausgangsstrom in ihrem Wert stabilisiert sind.

In dem Betriebsfall, wo der Ausgang 12 ein voreinstellbares präzises Signal hohe Gleichspannung liefern soll, wird diese hohe Ausgangs-Gleichspannung in einer Rückkoppelungsschaltung 13 in ihrem Spannungswert reduziert und auf den ersten Eingang der Spannungs-Vergleichsschaltung 14 zurückgekoppelt. An den zweiten Eingang dieser Spannungs-Vergleichsschaltung 14 ist als Bezugsspannung eine Gleichspannungsquelle 15 angeschlossen, deren Bezugswert einstellbar ist und der in einem linearen Verhältnis zur gewünschten hohen Ausgangs-Gleichspannung steht. Wie aus dem Blockschaltbild Fig. 1 ersichtlich ist, liefert die Spannungs-Vergleichsschaltung 14 auf ihrer Ausgangsleitung 16 durch den Vergleich der eingestellten Bezugsspannung 15 und der rückgekoppelten Spannung eine Spannungsdifferenz, die dem Unterschied zwischen den zwei Vergleichsspannungen entspricht. Die auf der Leitung 16 vorhandenen Differenz-Spannungssignale gelangen in die Integrationsschaltung 17, welche aus diesen Differenz-Spannungssignalen eine Differenz-Spannung bildet, die über die Leitung 4 zur Regelungschaltung 2 gelangt und in dieser die Länge der Taktimpulse steuert. Die über die Leitung 4 ■ auf die Regelungschaltung 2 einwirkenden Differenzspannung entspricht in ihrer Größe dem Fehler, welcher momentan zwischen

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der voreingestellten Bezugsspannung 15 und der normierten hohen Gleichspannung am Ausgang 15 des Spannungswandlers besteht. Die se vorstehend kurz beschriebene Regelungseinrichtung bestehend aus der Rückkoppelungsschaltung 13, der einstellbaren Bezugsgleichspannung 15, der Spannungs-Vergleichsschaltung 14, dem Integrator 17 und der Regelungsschaltung 2 für die Länge der Taktimpulse, ist so ausgelegt und angepaßt, daß sie den Spannungsfehler zwischen der Ausgangsspannung und der voreingestell ten Bezugsspannung auf den Wert Null reduziert.

Beim Betrieb des im Blockschaltbild Fig. 1 dargestellten Gleichspannungswandlers ist die Amplitude des stabilisierten Ausgangssignals hoher Gleichspannung an der Ausgangsklemme durch die Rückkoppelungseinrichtung 13 selbsttätig so geregelt, daß sich der gewünschte Spannungswert ergibt, welcher auf der Niederspannungsseite des Spannungswandlers indirekt durch die Größe der Bezugsspannung 15 eingestellt wurde. Soll der Gleichspannungswandler an seinem Ausgang 15 einen anderen Spannungswert der hohen Gleichspannung liefern, der von dem voreingestellten Wert verschieden ist, so ist diese Änderung sehr schnell durchführbar, in dem lediglich die Größe der Bezugsspannung 15 auf der Niederspannungsseite des Gleichspannungswandlers entsprechend zu ändern ist. Von der Ausgangsklemme des Gleichspannungswandlers kann auch ein geregelter Gleichstrom bezogen werden, dessen Stromstärke ebenfalls durch die Bezugsspannung 15 einstellbar ist, jedoch wird in diesem Belastungsfall eine spezielle Rückkoppelungsschaltung 13 für Gleichstrom benötigt. Solche vorstehend erwähnten Änderungen der hohen Gleichspannung bzw. des Gleichstromes werden beispielsweise in Kopiergeräten gefordert. Diese Änderungen sind schnell durchzuführen, damit das Betriebssystem des Kopiergerätes sich auf die jeweiligen Betriebsverhältnisse einstellen kann, wenn beispielsweise bei den zu kopierenden Originalen der Bildkontrast nicht gleich ist, eine intensivere Blitzbelichtung zweckmäßig ist, oder die Tonerkonzentration zu ändern ist. ·

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Das Prinzip-Schaltbild Fig. 2 des Gleichspannungswandlers zeigt auf welche Art und Weise in der Gegentakttreiberschaltung 2 die über die beiden Leitungen 7 und 8 auf die Eingänge gelieferten Taktsignale, die Stromimpulse in der Primärwicklung des Transformators 10 steuern. Es wurde bereits kurz erwähnt und es ist aus dem Schaltbild Fig. 2 ersichtlich, daß die Primärwicklung eine Mitten-Anzapfung aufweist, welche die Primärwicklung in zwei Hälften P₁, P₂ teilt und daß diese Mitten-Anzapfung in Reihe mit einem Widerstand R_ß verbunden an den Pluspol einer Stromversorgungsquelle niedriger Gleichspannung (+24 V) angeschlossen ist. Das äußere Ende der Primärwicklung ist jeweils mit dem Kollektor eines Schalttransistors T₁, T₂ verbunden, deren Emitter an den anderen Pol der Stromversorgungsquelle niedriger Gleichspannung (24 V) angeschlossen ist. Die Steueranschlüsse (Basis) der beiden Schalttransistoren T₁, T₂ sind mit den Leitungen 7 und 8 verbunden, welche die Taktimpulse liefern, deren zeitliche Länge vom Fehler der Ausgangs-Gleichspannung abhängig ist. Es wurde bereits erwähnt, daß die Kommutatorschaltung 5 diese Taktimpulse wechselweise auf die Leitungen 7 und 8 umschaltet bzw. verteilt und damit die Schalttransistoren T₁, T₂ im Gegentaktbetrieb in den Leit- und Sperrzustand schaltet. Wenn beispielsweise der Schalttransistor T₁ durch einen Taktimpuls, der über die Leitung 7 an seine Basis gelangt in den Leitzustand schaltet, dann fließt während diesel Zeit ein Strom, von dem mit der Mitten-Anzapfung verbundenen Kondensator C₁ über die Windungshälfte P₁ der Primärwicklung und durch den Schalttransistor T₁ zum anderen Pol des Kondensators C₁, bzw. zur Stromversorgungsquelle niedriger Gleichspannung (+24 V). Dieser Kondensator C₁ ist mit einem Belag an die Mitten-Anzapfung der Primärwicklung des Transformators 10 und über den Widerstand R, an den Pluspol der Stromversorgungs-

quelle niederer Gleichspannung (+24 V) angeschlossen, während sein anderer Belag mit dem auf Massepotential liegenden Minuspol dieser Stromversorgungsquelle verbunden ist.

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Die beiden Schalttransistoren T₁, T„ in der Gegentaktschaltung 5 sind Tore zum Durchlaß der Primärströme des Transformators und sie sind wechselweise offen, wenn an ihrem zugeordneten Steuerungsanschluß ein vom Impulsgenerator erzeugter Taktimpul anliegt.

Der Kondensator C, wird über den Widerstand R, stetig von der

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Stromversorgungsquelle niederer Gleichspannung (+24 V) aufgeladen. Wird beispielsweise der Schalttransistor C,.durch das Ende des Taktimpulses auf der Leitung 7 in den Sperrzustand geschaltet und der folgende Taktimpuls, der auf der Leitung 8 erscheinen soll ist noch nicht vorhanden, so daß der Schalttransistor T„ noch gesperrt ist, dann wird in der Primärwicklung des Transformators 10 keine schädliche hohe Induktionsspan nung erzeugt. Obwohl durch die Sperrung des Schalttransistors

der primäre Stromkreis in der Gegentaktschaltung, welcher diesen Schalttransistor T- und die primäre Wicklungshälfte P.. des Transformators 10 enthält, fließt zunächst in der Primärwicklung der Strom in der gleichen Richtung weiter über einen Ausgleichstromkreis, wobei sich die im Transformator 10 gespeicherte Energie allmählich verringert. Auf der Niederspannungsseite fließt in diesem Fall der Primärstrom nicht mehr durch P und T₁ zur Masse, sondern über den Ausgleichschaltkreis, - welcher die Diode D₂, die primäre Wicklungshälfte P₂ enthält, zurück zum Kondensator C₁. Bei der nächst folgenden Taktzeit in der zunächst der Schalttransistor T₂ durch den an seinem Steuer anschluß 8 angelegten Taktimpuls leitet und nach dessen Ende sperrt, fließt der Primärstrom im Transformator 10 auch nach der Sperrung des Schalttransistors T₂ weiter über einen Ausgleichstromkreis, der die Diode D₁ und die halbe Primärwicklung P. enthält. Zur schnellen Dämpfung des Primärstromes am Ende einer Taktzeit und um Pendelschwingungen des Primärstromes in den Ausgleichstromkreisen zu verhindern, ist parallel zur Primärwicklung ein Dämpfungszweig angeschlossen, der aus der Reihenschaltung eines Widerstandes R₂ und eines Kondensators C~ besteht.

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Die Sekundärwicklung S₁ vom Transformator' 10 ist mit einer bekannten Spannungsvervielfacher-Schaltung 11 verbunden, die aus den Kondensatoren C₀ bis C_Q und den Dioden D₀ bis D₀ besteht.

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Diese Spannungsvervielfacher-Schaltung 11 bewirkt eine Vervielfachung der Sekundärspannung und eine Gleichrichtung der von der Sekundärwicklung gelieferten Spannungs- bzw. Stromimpulse. Auf der Hochspannungsseite des Gleichspannungswandlers ist am Ausgang noch ein Vorlastwiderstand R₃ und ein Strombegrenzungswiderstand R. angeordnet. Der Gleichspannungswandler gemäß dem Schaltbild Fig. 2 ist mit einer Ausgangsklemme 12 versehen, an der in Bezug zu Masse die hohe Gleichspannung zur Verfügung steht. Die Rückkoppelung der Ausgangs-Gleichspannung zur Spannungs-Vergleichsschaltung 14, welche im Niederspannungsschaltkreis Fig. 1 angeordnet ist, erfolgt über einen Widerstand R₅. Wenn statt der Spannungsrückkoppelung eine Stromrückkoppelung gewünscht wird, dann kann in diesem Betriebsfall der Widerstand R₅ entfallen. Stattdessen ist in der Spannungs-Vergleichsschaltung 14 eine Vergleichsspannung zu erzeugen, die dem Laststrom proportional oder von diesem abgeleitet ist.

Die Zeichnung Fig. 3 zeigt in perspektivischer Ansicht ein Konstruktionsbeispiel des Transformators 10. Für den magnetischen Fluß ist dieser Transformator 10 mit zwei E-Ferritkernen 18 und 19 bestückt, die in einer Ebene einander gegenüberliegen, drei Schenkel aufweisen, welche durch Joche miteinander verbunden sind. Die E-förmigen Kerne 18, 19 ermöglichen den magnetischen Fluß, bzw. die magnetische Kopplung der Primärwicl·! lung 20 und der Sekundärwicklung 21, die beide jeweils einen Außenschenkel konzentrisch umgeben. Die mittleren Schenkel E-Kerne 18, 19 sind etwas kürzer als deren Außenschenkel, so daß ' sich ein schmaler Luftspalt 22 im mittleren Schenkel der zusammengefügten Kerne 18, 19 ergibt. Dieser Luftspalt 22 erzeugt einen magnetischen Nebenschluß zwischen der Primärwicklung 20 und der Sekundärwicklung 21 und er wirkt ähnlich wie eine Drossel bzw. Induktivität die in Reihe mit der Sekundärwicklung 21

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verbunden ist. Der Luftspalt 22 im Kern 18, 19 ist für zwei Zwecke besonders nützlich bzw. von Vorteil: Erstens begrenzt er die Stärke eines eventuell möglichen Kurzschlußstromes im Lastkreis und damit in der Sekundärwicklung 21 und zweitens verbessert er wesentlich die Linearität des Funktionsverhältnisses zwischen der veränderlichen Länge der Taktimpulse und der hohen Gleichspannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers. Außerdem wird auch der Wirkungsgrad des Transformators 10 durch den Luftspalt 22 verbessert. Durch die getrennt Anordnung der Primärwicklung 20 und der Sekundärwicklung 21 als Spulen auf jeweils einem Außenschenkel des Kernes 18, 19 ergibt sich eine sichere Isolation zwischen dem Hochspannungstei und dem Niederspannungsteil des Gleichspannungswandlers. Wie aus der Zeichnung' Fig. 3 erkennbar ist, sind am Kern 18, 19 zwei Anschlußleisten angeordnet, welche Anschlußstifte 23 aufweisen, die mit den Transformatorwicklungen verbunden sind und welche in korrespondierende Buchsen einer nicht dargestell· ten Schalttafel einsteckbar sind um die verschiedenen Anschlußpunkte zu der Schaltungsanordnung wie sie im Schaltbild Fig. 2 dargestellt ist, herzustellen.

Die Sekundärwicklung 21 vom Transformator 10, welche eine hohe Spannung erzeugt, ist zur· Erhöhung der Betriebssicherheit mit einer speziellen Wicklung versehen, die in Wicklungssektionen unterteilt ist, um zu verhüten, daß sich zwischen den äußeren und inneren Lagen der Windungen, insbesondere an den Enden der Windungslagen durch Koronaeffekte Spannungsüberschläge oder Lichtbögen ergeben. Zur Verbesserung der elektrischen Isolation zwischen den Windungslagen, von denen einige zu Wicklungs· Sektionen zusammengefaßt sind, werden als Trennschicht zwiichen diese Windungssektionen Isolierschichten eingefügt, die beispielsweise aus einem hochwertigen Isolierband oder einer entsprechende Kunststoffolie bestehen können.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel einer Sekundärwicklung

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für die als Träger eine Isolierspule 24 dient, wie dies die Fig. 3 zeigt, sind die Windungslagen nicht alle bis zu den beiden seitlichen Begrenzungswänden der Isolierspule 24 gewickelt. Die Windungslagen der Wicklungssektionen, welche sich in axialer Richtung längs des Kern-Außenschenkels erstrecken und diesen koaxial umgeben, überlappen sich in den Endbereichen so, daß sich möglichst große Luft- bzw. Kriechwegstrecken ergeben; oder in anderen Worten erläutert, die Windungslagen der Wicklungssektionen, welche in radialer Richtung übereinander angeordnet sind, haben im Innenbereich der Sekundärwicklung die größte Länge. Die darüber liegende Wicklungssektion enthält Windungslagen, welche in axialer Richtung kürzer sind. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel hat somit die äußerste Wicklungssektion die kürzeste Windungslänge. Das Querschnittsprofil einer solchen Sekundärwicklung 21 ist aus der Schnittansicht Fig. 3B erkennbar, die zeigt, daß die Endbereiche der Windungssektion stufenförmig nach außen hin zurückgesetzt sind. Aus den Fign. 3A und 3B ist ersichtlich, daß die Sekundärwicklung 21 durch das schichtförmig angeordnete Isolierband 26 in iiicklungsSektionen unterteilt ist. Jede Wicklungssektion enthält nur einen Anteil von Windungen aus der Gesamtzahl der Windungen, aus denen die Sekundärwicklung 21 besteht, um die geforderte Hochspannung zu liefern. Durch diese Unterteilung der Sekundärwicklung 21 in mehrere reihenförmig miteinander elektrisch verbundene WicklungsSektionen werden Spannungsüberschläge zwischen den Windungen bzw. den Anschlüssen verhindert.

Nachstehend werden kurz die Zeichnungen Fign. 3A und 3B erläutert, welche dem ersten Ausführungsbeispiel einer Sekundärwicklung 21 zugeordnet sind. Die Sekundärwicklung 21 ist in den Hohlraum einer Isolierspule 24 gewickelt, wobei die einzel-i nen Leiterwindungen 25 in axialer Richtung dicht nebeneinander liegen, dabei sind einige übereinander liegende Windungslagen /on der bereits erwähnten Isolierstoffschicht 26 allseitig umschlossen, wie dies aus der Fig. 3B ersichtlich ist. Die unter-

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ste Wicklungsektion der Sekundärwicklung 21, die in der Fig. 3B nicht dargestellt ist, erstreckt sich, bzw. ihre Windungslagen erstrecken sich im wesentlichen über die gesamte axiale Länge der Isolierspule 24. Diese untersten Windungslagen enden jedoch beiseitig in einem kurzen Abstand vor den Seitenwänden der Isolierspule 24. Dieser Abstand ist mit Isoliermaterial aus gefüllt. Die Windungslagen in den oberen Windungsbereichen, von denen die zwei obersten in der Schnittzeichnung Fig. 3B dargestellt sind, haben von ihren Enden einen wesentlichen größeren Abstand zu den Seitenwänden der Isolierspule 24 als die unteren Windungslagen bzw. Windungssektionen. Im Querschnitt hat die Sekundärwicklung 21 die Form einer stufenförmig abgesetzten Pyramide. Die übereinander angeordneten Wicklungssektionen sind reihenförmig miteinander zur Sekundärwicklung 21 verbunden, wie dies die Linien 27 in der Fig. 3B zeigen

Ein zweites Ausführungsbeispiel über die Unterteilung der Sekundärwicklung 21 in Wicklungssektionen zum Zweck der Erhöhung der Betriebssicherheit, - wie dies bereits vorausgehend erläutert wurde -, ist in den Zeichnungen Fign. 4A und 4B dargestellt und wird im folgenden kurz beschrieben. Bei diesem zweiten Ausführungsbeipiel sind die WicklungsSektionen 30, 31 usw. in axialer Richtung nebeneinander als hohlzylindrische Scheiben innerhalb der Isolierspule 24 angeordnet und sie umgeben koaxial den Kernschenkel. Diese schmalen kreisringförmigen Wicklungssektionen 30, 31, ... sind durch zwischengefügte ebenfalls kreisringförmige Isolierscheiben voneinander getrennt Die freie Länge der Isolierspule 24, welche an beiden Endseiter durch zwei Isolierwände begrenzt ist, wird durch die zwischengefügten Isolierscheiben in mehrere Wicklungssektionen 30, 31, ... aufgeteilt, in denen relativ schmale Windungslagen gewikkelt werden von denen jedoch mehrere übereinander liegen. Die so gebildeten WicklungsSektionen 30, 31, ... werden mit ihren Eingangs- und Ausgangsenden der Wicklung in Reihe miteinander zur vollständigen Sekundärwicklung 21 verbunden.

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_ TO _

Die Fig. 4A zeigt die Draufsicht auf den Hochspannungsteil des Transformators IO in der Ausführung des zweiten Beispiels des konstruktiven Aufbaus der Sekundärwicklung 21. Die Zeichnung Fig. 4B zeigt ausschnittsweise in vergrößerter Darstellung die Ansicht eines Querschnittes durch die Sekundärwicklung 21 und die Gestaltung - bzw. die Anordnung der Wicklungssektionen 30, 31, ... über der zylindrischen Isolierröhre 29 der Isolierspule 24. Während in der Fig. 4 lediglich nur drei einander benachbarte Wicklungssektionen 30, 31, ... abgebildet sind, kann in Wirklichkeit die Isolierspule 24 in ihrem Wickelraum selbstverständlich mehrere WicklungsSektionen enthalten. Diese Wicklungssektionen 30, 31, ... können in radialer Richtung mehrere übereinander liegende schmale Windungslagen enthalten, derart daß die Wicklungssektionen zweckmäßiger Weise alle den gleichen Außendurchmesser aufweisen. In jeder Wicklungssektion, beispielsweise der Wicklungssektion 30 ist die Anzahl der Windungen 32 in der innersten, bzw. der unteren Windungslage und die Anzahl der Windungen 33 in der äußersten bzw. der oberen Windungslage so gewählt, daß sich in der Wicklungssektion eine für den Langzeitbetrieb ungefährliche Spannung bildet/so daß Spannungsüberschläge, oder Koronaeffekte mit Sicherheit vermieden werden. Unter dem Gesichtspunkt einer guten Betriebssicherheit ist dementsprechend die für die Sekundärwicklung 21 rforderliehe Gesamtzahl der Sekundärwindungen unterteilt und in die voneinander isolierten Wicklungssektionen 30, 31, ... verteilt.

Wenn die Sekundärwicklung 21, S₁ des Transformators 10 nach ei-j

¹ ι

nem der vorstehend kurz beschriebenen Ausführungsbeipiele aufgebaut und gestaltet ist, wird für die komplette Sekundärwicklung 21 noch eine andere elektrische Isolation benötigt, welche jedoch in der Zeichnung Fig. 3 nicht dargestellt ist. Diese Isolation ist erforderlich um einen Spannungsüberschlag, der hohen Sekundärspannung zu verhindern, welche zwischen dem Kern 8, 19 des Transformators 10 und der Oberfläche der Sekundärwicklung 21 besteht. Diese verstärkte Isolation ist deshalb

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zweckmäßig in dem freien Raum anzubringen, der zwischen der Oberfläche der Sekundärwicklung 21 und dem mittleren Kernschenkel vorhanden ist.

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, -54-.

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

\1J Einstellbarer geregelter Gleichspannungswandler, der in hochfrequenter Betriebsart arbeitend aus einer diesen Wandler eingangsseitig speisenden Stromversorgungsquelle niedriger Gleichspannung (+24V) an seinem Ausgang ein stabilisiertes Gleichspannungssignal relativ sehr hoher Spannung liefert, dessen Spannungswert durch die Spannungsgröße einer eingangsseitig angeordneten Bezugsspannung (15) einstellbar und schnell änderbar ist, gekennzeichnet durch

a) eine Spannungsvergleichsschaltung (14), die aus einen von dem Ausgangssignal - hoher Gleichspannung - abgeleiteten Rückkopplungssignal (13) niedriger Gleichspannung und der eingestellten Bezugsspannung (15) eine Differenzspannung bildet,

b) einen von der Differenzspannung gesteuerten Impulsgenerator (1-5, 17), dessen Ausgangsimpulse in ihrer Länge von der Größe der Differenzspannung abhängig sind,

c) einen von diesen Impulsen aktivierte Gegentaktschaltung (6), die im Takt dieser Impulse die niedrige Speise-Gleichspannung (+24V) wechselweise jeweils an eine Hälfte (P1, P2) der Primärwicklung (20) eines Aufwärts-Transformators (10) schaltet, dessen . Sekundärwicklung (S1, 21) in Bezug zur Primärwicklung (P1, P2, 20) ein sehr großes Windungsverhältnis aufweist,

d) eine Sekundärwicklung (S1, 21), die in mehrere reihenförmig miteinander verbundene zylindrische odei scheibenförmige Wicklungsektionen (30, 31) unterteilt ist, von denen jede eine vorbestimmte Anzahl von Windungen (25) aufweist, wobei die einander benachbarten Windungen von aneinandergrenzenden Wicklungsektionen (30, 31) durch zwischengefügte Isolier-· mittel (26,28) elektrisch voneinander isoliert sind,

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e) eine an die Sekundärwicklung (S1, 21) angeschlossene kombinierte Spannungsvervielfachungs- und Gleichrichterschaltung (11), die das Ausgangssignal hoher Gleichspannung an die Last und gegebenenfalls an eine Rückkopplungsschaltung (13) liefert.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang der Spannungsvergleichsschaltung (14) und dem Eingang des Impulsgeneratorε (1, 2, 5) eine Integrationsschaltung (17) vorgesehen ist, die aus den eingangsseitig gelieferten Vergleichsspannungssignalen durch Integration die den Impulsgenerator.(1, 2, 5) steuernde Differenzspannung bildet.

Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (10) einen magnetisierbaren Kern (18, 19) enthält, der vorzugsweise drei Schenkel und zwei die Schenkel verbindende Joche (18, 19) aufweist, daß die Primärspule (20) und die Sekundärspule (21) auf den Kern-Außenschenkeln angeordnet sind und daß der mittlere Schenkel einen Luftspalt (22) aufweist.

Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (20) des Transformators (10)

a) eine Mittenanzapfung aufweist, die die Primärwicklung in zwei Hälften (P-, P₂) teilt und die in Reihe mit einem Widerstand (R6) an den ersten Pol der niedrigen Speise-Gleichspannung (+24V) und in Reihe mit einem Kondensator (C1) an den zweiten Pol dieser Speise-Gleichspannung angeschlossen ist,

b) mit ihren äußeren Enden jeweils in Reihe mit einem Schalttransistor (T1, T2) der Gegentakt-Treiberschaltung (6) mit dem zweiten Pol der Speise-Gleich-

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Spannung (+24V) verbunden ist, wobei antiparallel zu jedem Schalttransistor (T1, T2) eine Diode (D1, D2) angeordnet ist,

c) an ihren beiden äußeren Enden durch einen aus einem Widerstand (R2) und damit in Reihe verbundenen Kondensator (C2) gebildeten Dämpfungszweig überbrückt ist.

5. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (S1, 21) aus mehreren übereinander angeordneten hohlzylindrischen WicklungsSektionen gebildet ist, die konzentrisch den ■ magnetisierbaren Kernschenkel in verschieden großen radialen Abständen umgeben, daß die Umfangsflachen der Wicklungsektionen mit Isolierfolien (26) bedeckt sind und daß die Enden bzw. Stirnseiten der schichtförmig übereinander angeordneten Wieklungssektionen sich überlappen.

6. Gleichspannungswandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der hohlzylindrischen Wicklungsektionen sich im umgekehrten Verhältnis zu deren radialen Abstand ändert.

7. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Senkundärwicklung (21, S1) aus scheibenförmigen, vorzugsweise hohlzylindrischen Wicklungsektionen (30, 31) besteht, die den gleichen Radius aufweisen, daß diese Wicklungsektionen (30, 31) wenigstens auf ihrer inneren Zylinderfläche (29) und an den Stirnseiten mit einem elektrischen Isoliermaterial (28, 29) versehen sind und daß sie nebeneinander angeordent koaxial den magnetischen Kernschenkel umgeben.

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