DE3015266A1

DE3015266A1 - Transformator fuer spannungsregler

Info

Publication number: DE3015266A1
Application number: DE19803015266
Authority: DE
Inventors: Masayuki Yasumura
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1979-04-20
Filing date: 1980-04-21
Publication date: 1980-10-30
Also published as: GB2048576B; JPS6013288B2; AU5752780A; AU536329B2; GB2048576A; CA1145822A; US4308495A; JPS55141718A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator für Spannungsregler zur Verwendung in einem Konstantspannungskreis, der durch die Kombination eines Sättigungstransformators und eines Schaltreglers gebildet ist.

Anhand der Fig. 1 der anliegenden Zeichnungen wird nun ein bekannter Transformator erläutert, der insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Der Transformator 10 hat zwei Magnetkerne 11 und 12 aus Ferrit,von denen jedes ein Grundteil 10E in Form z.B. einer quadratischen Platte und Schenkeln 10A bis 1OD hat, die vertikal von den vier Ecken des Grundteils 10E ausgehen. Die Schenkel 10A bis 1OD haben die gleiche Querschnittsfläche. Der Kern 11 ist gegenüber einem Kern 12 so angeordnet, daß jeder Schenkel des einen am Ende die des anderen berührt. Die Kerne 11 und 12 sind daher zu einem Kubus bzw. einem Quader zusammengesetzt.

Eine Primärwicklung (Erregungswicklung) N1 ist über die Schenkel 10B und 10D des Kerns 11 und eine Sekundärwicklung N2 über die Schenkel 10A und 1OC des Kerns 11 gewickelt, während eine Steuerwicklung Nc über die Schenkel 1OA und 1OD des Kerns 12 gewickelt ist. Die Wicklungen N1 und N2 bilden eine Transformatorkopplung mit einem Kopplungsfaktor von etwa 0_y5 bis 0,6, während die Wicklungen N1, N2 und die Wicklung Nc eine orthogonale Kopplung bilden. Die Steuerwicklung Nc ist an eine Spannungsquelle Ec angeschlossen.

Der Transformator 10 hat z.B. eine Magnetflußverteilung, wie sie die Fig. 2A und 2B zeigen, Es sei angenommen, daß ein Erregerstrom der Wicklung N1 und deren Windungszahl und N1, ein Strom der Wicklung N2 und ihre Windungszahl 12 und N2, ein Laststrom, der von der Wicklung N2 erhalten wird, L2, und der Gesamterregerstrom I sind. Die gesamtmagnetomotorische Kraft NI des Transformators 10 kann dann wie folgt ausgedrückt werden;

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NI -N₁I₁ +N₂I_{2 +}N₂I_L

Es sei ferner angenommen, daß diese magnetomotorische Kraft NI einen Magnetfluß +0s während der Periode des positiven Halbzyklus der Ausgangsspannung Eo (Fig. 2A),dagegen den Magnetfluß -0s während der Periode des negativen Halbzyklus (Fig. 2B), und die Steuerwicklung Nc und der durch sie fließende Steuerstrom Ic einen Magnetfluß 0c erzeugen. Dabei subtrahieren sich die Magnetflüsse jzSs und joc an den Schenkeln 10A und 1OD voneinander, addieren sich jedoch an den Schenkeln 10B und 10C während der Periode des positiven Halbzyklus (Fig. 2A), während die entgegengesetzte Beziehung während der Periode des negativen Halbzyklus (Fig. 2B) erhalten wird.

In der B/H-Kennlinie (Magnetisierungskurve) der Fig. 3 ist am Spitzenwert-Zeitpunkt während der Periode des positiven Halbzyklus der Arbeitspunkt der Schenkel 1OA, 1OB durch 1 und der der Schenkel 10B_r 1OC durch 2 ausgedrückt, während am Spitzenwert-Zeitpunkt während der Periode des negativen Halbzyklus der Arbeitspunkt der Schenkel 10B, 10C durch 3 und der der Schenkel 10A, 10D durch 4 ausgedrückt ist. Der Arbeitsbereich der Schenkel 1OA, 1OD entspricht daher dem durch den Pfeil A angegebenen Abschnitt, und der Arbeitsbereich der Schenkel 10D, 10C entspricht dem durch den Pfeil 1B angegebenen Abschnitt. Die Ausgangsspannung Eo während der Periode des positiven Halbzyklus ist durch die Magnetflußdichte +Bs der Schenkel 10A, 1OD am Punkt 1 und die Ausgangsspannung Eo während der Periode des negativen Halbzyklus ist durch die Magnetflußdichte -Bs der Schenkel 1OB, 10C am Punkt 3 bestimmt.

Die Lage der Punkte 1 und 3 wird durch den Magnetfluß /6c geändert, der wiederum entsprechend dem Steuerstrom Ic geändert wird, so daß, wenn der Strom Ic gesteuert wird, auch die Ausgangsspannung Eo gesteuert werden kann.

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Fig. 4 zeigt das Ersatzschaltbild des Transformators 10. In diesem Schaltbild wird die Ausgangsspannung Eo(t) wie folgt ausgedrückt:

(t)

wobei L2-i(t) = N2'j6 und L2 die Induktivität von N2 ist. In der obigen Gleichung stellt das erste Glied eine Spannung dar, die durch die Transformatorkopplung induziert wird, und das zweite Glied eine Spannung, die durch parametrische Kopplung induziert wird. Dies bedeutet, daß die Ausgangsspannung Eo(t) die Spannung enthält, die durch die Transformatorkopplung hervorgerufen wird, und die Spannung, die durch die parametrische Kopplung hervorgerufen wird. Das Verhältnis zwischen beiden Spannungen hängt vom Kopplungsfaktor der Wicklungen N1 und N2 bzw. der Form des Kerns und der Wicklungsmethode der Wicklungen ab.

Wenn unter Bezugnahme auf Fig. 5 der Magnetfluß bei Ic = ίό1 ist, der Magnetfluß, wenn ?Ss und joc addiert werden, (62 ist, der Magnetfluß, wenn sie subtrahiert werden, j63 ist, und die Abweichungen von φ2 und {63 von (61 Λ φ2 und Αφ3 sind, ist die Ausgangsspannung eo bei Ic = O durch die folgende Gleichung gegeben:

dL

N.

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Wenn der Magnetfluß j63 im nicht linearen Bereich bei Ic f ist, ist die Ausgangsspannung eos wie folgt gegeben:

os"^N2 + L^+Vft

[2Φ_χ - (ΔΦ₃ - ΔΦ₂)](ΚΝ₂£

Wegen der Nichtlinearität der B/H-Kurve erhält man A 03 f52. Es wird daher die folgende Beziehung erhalten:

^eo - ^eos - <^Δ* - ^Δ*> <^{KNf +}

Wenn ein Punkt 5 entsprechend (61 und ein Punkt 2 entsprechend f52 als im Sättigungsbereich liegend angenommen werden, erhält man /\ jz52 ^ O, so daß sich die folgende Gleichung ergibt:

Wenn entsprechend der obigen Gleichung die Flußänderung Λ jo3 durch den Steuerstrom Ic gesteuert wird, wird die Magnetflußdichte Bs des Transformators 10 gesteuert, so daß die Ausgangsspannung Eo gesteuert werden kann. Wenn der Einfluß der Temperaturänderung der maximalen Magnetflußdichte Bs, die Änderung der Eingangsspannung, eine Laständerung oder dergleichen durch den Steuerstrom Ic kompensiert werden, kann die Ausgangsspannung Eo stabilisiert werden.

Im allgemeinen ist jedoch der Eisenverlust eines Transformators proportional dem Volumen des Magnetkerns, der Er-

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regungsfrequenz und der Magnetflußdichte, während sein Kupferverlust der Windungszahl der Wicklungen und dem Volumen des Kerns proportional ist, so daß der Gesamtverlust Wt wie folgt gegeben ist:

Wt = Wf + Wc
wobei Wf der Eisen- und Wc der Kupferverlust ist.

Wenn der Temperaturanstieg des Transformators Λ Τ und dessen Ausgangsleistung Po ist, ergeben sich folgende Beziehungen:

Po = ßSN fB FJ
a ss

Dabei ist: o( eine Konstante auf der Grundlage des Wärmeübertragungskoeffizienten,

A die Gesamtabstrahlfläche des Transformators,

ß eine Konstante aufgrund des Formfaktors,

S die effektive Kernquerschnittsfläche,

N die effektive Wicklungsquerschnittsfläche,

f die Erregungsfrequenz,

Bs die maximale Magnetflußdichte,

Fs der Wicklungsraumfaktor und

J die Wicklungsstromdichte.

Wenn die Ausgangsleistung Po des Transformators 10 konstant ist, und die Magnetflußdichte Bs erhöht wird, wird (SNa) klein und damit kann der Transformator 10 kompakt gemacht werden. Wenn der Transformator 10 kompakt gemacht wird, wird die Querschnittsfläche S klein, so daß der TemperaturanstiegATinfolge des Verlustes Wt zunimmt. Solch eine Zunahme des Temperaturanstiegs /\T führt zu einer unerwünschten Zuverlässigkeitsverringerung. Beim Stand der Technik tritt daher der Nachteil auf, daß ein Spannungsquellensystem im Hinblick auf die Abstrahlung groß und schwer wird.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Transformator für Spannungsregler zu schaffen, bei dem Größe, Gewicht, Temperaturanstieg und Herstellungskosten gering sind.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen .

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 6 bis beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 6 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels des Transformators der Erfindung,

Figur 7 ein Schaltbild eines Beispiels eines Spannungsreglers unter Verwendung des Transformators der Fig. 6,

Figur 8 eine perspektivische Darstellung, aus der die magnetischen Pfade des Transformators der Fig. hervorgehen,

Figur 9 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Beispiels des Transformators,

Figur 10 ein Schaltbild eines weiteren Beispiels eines Spannungsreglers unter Verwendung des Transformators der Fig. 9,

Figur 11 und 12 Diagramme zur Erläuterung eines weiteren Beispiels, und

Figur 13 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Beispiels von Kernen für den Transformator.

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In Fig. 6 bezeichnet 20 einen Transformator, der Magnetkerne 21, 22 und 23 hat. Der Kern 21 besteht aus einem Grundteil 2U in Form z.B. einer quadratischen Platte, magnetischen Schenkeln 21A bis 21D, die senkrecht von den vier Ecken an einer Fläche des Grundteils 2U ausgehen, und magnetischen Schenkeln 21E bis 21H, die senkrecht von den vier Ecken an der anderen Fläche des Grundteils 21J ausgehen. Die Schenkel 21A bis 21H haben alle die gleiche Querschnittsfläche. Die Kerne 22 und 23 haben die gleiche Form wie das Grundteil 2U des Kerns 21. Der Kern 22 ist gegenüber den Stirnflächen der Schenkel 21A bis 21D angeordnet und hat einen bestimmten Spalt zur Oberfläche des Kerns 22, während der Kern 23 die Stirnflächen der Schenkel 21E bis 21H berührt. Die Kerne 21,

22 und 23 sind somit so zusammengesetzt, daß sie ingesamt einen Kubus oder einen Quader bilden. Die Kerne 21 bis

23 bestehen z.B. aus Ferrit.

Bei solch einer Kernstruktur ist eine Wicklung Ls, die als stabilisierende Drosselwirkung wirkt, und später beschrieben wird, über die Schenkel 21A und 21B gewickelt, während eine Eingangs- bzw. Primärwicklung N1 und eine Ausgangs- bzw. Sekundärwicklung N2 über die Schenkel 21F und 21H gewickelt und eine Steuerwicklung Nc über die Schenkel 21E und 21F gewickelt ist.

Ein Beispiel der Schaltung eines Spannungsreglers unter Verwendung des Transformators 20 zeigt Fig. 7. Bei diesem Beispiel wird die Ausgangsspannung Eo jedoch nur durch Transformatorkopplung erzeugt.

In Fig. 7 bezeichnet 31 eine übliche Wechselspannungsquelle von z.B. 100 V und 32 einen Gleichrichter zur Gleichrichtung der Wechselspannung. Der Ausgang des Gleichrichters 32 ist mit der Reihenschaltung der Wicklungen Ls und N1 des Transformators 20 und der Kollektor-

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Emitter-Strecke eines Schalttransistors Qd verbunden, während die Parallelschaltung einer Schaltdiode Dd und eines Resonanzkondensators Cd parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Qd geschaltet ist.

Die Transistoren Qa und Qb bilden einen astabilen Multivibrator 33, der einen Impuls mit einer Frequenz von etwa 15 bis 20 kHz erzeugt. Dieser Impuls wird über einen Treibertransistor Qc auf die Basis des Transistors Qd gegeben.

Die Wicklung 2 des Transformators 20 ist mit einem Gleichrichter 34 verbunden, der wiederum an seinem Ausgang mit einer Last RL verbunden ist.

40 bezeichnet einen Steuerkreis, in dem der Pegel der Ausgangsspannung Eo ermittelt wird, um einen Steuerstrom Ic zu erzeugen. Die Ausgangsspannung Eo des Gleichrichters 34 wird einem Steuerkreis 40 als Betriebsspannung und auch einem Einstellwiderstand Ra zugeführt. Eine von einer Konstantspannungsdiode Dz abgegriffene Bezugsspannung wird dem Emitter eines Transistors Qe zugeführt, während eine vom Einsteilwiderstand Ra abgegriffene geteilte Ausgangsspannung dessen Basis zum Vergleich mit der Bezugsspannung der Diode Dz zugeführt wird. Die Vergleichsausgangsspannung wird vom Kollektor des Transistors Qe über einen Transistor Qf der Basis eines Transistors Qg zugeführt» Der Kollektor des Transistors Qg ist mit der Steuerwicklung Nc des Transformators 20 verbunden.

Bei dem zuvor beschriebenen Schaltungsaufbau wird der Ausgangsimpuls des Multivibrators 33 dem Transistor Qd zugeführt, um diesen zu schalten, so daß eine Arbeitsweise ähnlich dem Horizontalablenkkreis eines Fernsehempfängers durchgeführt wird, und ein Erregerstrom durch die Wicklung N1 des Transformators 20 fließt. Dabei fließt durch die

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Wicklung Ls ein Strom, um den Kollektorstrom des Transistors Qd im eingeschalteten Zustand zu begrenzen und seinen Schaltvorgang zu stabilisieren. Wie Fig. 8 zeigt, treffen die Magnetflüsse, die von der Wicklung Ls erzeugt werden und durch unterbrochene Linien angegeben sind, rechtwinklig auf die Magnetflüsse, die von den Wicklungen N1, N2 erzeugt werden und durch durchgehende Linien angegeben sind, so daß keine Störung zwischen den Wicklungen Ls und N1, N2 auftreten. Die Wicklung N2 erzeugt daher ein Ausgangssignal, das dem Gleichrichter 3 4 zugeführt wird, und die Last RL erhält daher eine Gleichspannung Eo von z.B. 115 V.

Die Änderung der Ausgangsspanung Eo wird vom Transistor Qe ermittelt, dessen Ausgangssignal der Wicklung Nc des Transformators 20 zugeführt wird, so daß der Steuerstrom Ic durch diese fließt. Wenn die Ausgangsspannung Eo zunimmt, nimmt der Kollektorstrom des Transistors Qe zu, so daß der Kollektorstrom des Transistors Qf erhöht wird. Der Steuerstrom Ic, der durch die Wicklung Nc fließt, wird daher erhöht, um die maximale Magnetflußdichte Bs zu verringern, so daß die Ausgangsspannung Eo niedrig wird. Wenn dagegen die Ausgangsspannung Eo niedrig wird, nimmt der Steuerstrom Ic ab, um die Magnetflußdichte Bs zu erhöhen, so daß die Ausgangsspannung Eo hoch wird. Die Ausgangsspannung Eo wird daher geregelt und konstant gehalten.

Es kann daher unter Verwendung des Transistors 20 ein Konstantspannungsregler aufgebaut werden. Der Transformator 20 ist dabei mit der Wicklung Ls versehen, so daß das Gerät nach Größe und Gewicht kleiner und seine Gesamtaußenfläche zur Verbesserung seines Abstrahlungswirkungsgrads im Vergleich zu dem Beispiel, bei dem die Wicklung Ls gesondert vorgesehen ist, erhöht wird. Die Gesamtkonstruktion kann daher kompakt sein und hat eine wirksame Abstrahlung. Entsprechend experimentellen Ergebnissen mit einem Transfor-

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mator unter Verwendung der Magnetkerne der Fig. 1 betrug, wenn Eo zu 115 Volt gewählt wird, und der Leistungsverbrauch PL der Last RL 70 W beträgt, der Temperaturanstieg 70°C, selbst bei Verwendung einer Kühlplatte. Bei dem Transformator 20 unter Verwendung der Magnetkerne in Fig. 13, der später beschrieben wird, beträgt der Temperaturanstieg 37⁰C und liegt damit weit unter dem Stand der Technik. Der Transformator mit dem Magnetkern der Fig. 1 hat eine elektrische Eingangsleistung von 90 W, während der Transformator 20 eine verringerte Eingangsleistung von 89 W hat, da kein Wirbelstromverlust durch die Kühlplatte hervorgerufen wird.

Die Schenkel 21A bis 21D des Transformators 20 und die Kernplatte 22 strahlen Wärme ab, selbst wenn jedoch die Temperaturen dieser Teile erhöht werden, ändert sich deren Permeabilität nicht. Die Induktivität der Wicklung Ls wird daher konstant gehalten und zeigt, daß die Schenkel 21A bis 21D und der Kern 22 richtig ausgenutzt werden. Selbst wenn die Last RL z.B. kurzgeschlossen wird, dient die Wicklung Ls als Last des Transformators Qd, so daß dieser automatisch gegen überlastung geschützt ist. Die Wicklung Ls wirktdaher stabilisierend und schützend.

Aufgrund der Verkleinerung des Transformators 20 werden die Wicklungen kurz und die Anzahl der Bauteile nimmt ab. Eine Kühlplatte ist nicht erforderlich, so daß die Verkleinerung auch eine Kostenverringerung bewirkt.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem die Elemente entsprechend Fig. 6 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei diesem Beispiel sind ein Rücklauftransformator, ein Horizonta!ausgangstransformator, ein Transformator zur Korrektur der linken und rechten Kissenverzerrung eines Fernsehempfängers einstückig ausgebildet. Ein Kern gleicht dem Kern 21 des zwischen den Kernen 21 und 23 ange-

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ordneten. Auf dem Kern 21 sind die Eingangswicklung Nh des Horizontalausgangstransformators und eine stabilisierende Wicklung Ls orthogonal gewickelt, und auf die Kerne 21 und 24 sind Wicklungen N1, N2 und eine Hochspannungswicklung Nf des Rücklauftransformators gewickelt. Eine Steuerwicklung Nc ist ebenfalls auf den Kern 24 mit orthogonaler Kopplung zu den Wicklungen N1, N2 und Nf gewickelt. Auf den Kern 24 ist die Eingangswicklung Nq des Korrekturtransformators und dessen Ausgangswicklung Np mit orthogonaler Kopplung gewickelt.

Figur 10 zeigt das Schaltbild eines Spannungsreglers unter Verwendung des obigen Transformators 20. 41 bezeichnet einen Horizontaloszillator, 42 einen Horizontaltreiberkreis, De eine Dämpfungsdiode, Ce einen Resonanzkondensator, Lh eine Horizontalablenkspule und 43 einen Kreis zur Erzeugung einer Vertikalfrequenten parabolischen Spannung.

Bei den oben beschriebenen Beispielen kann die Arbeitsweise des Transformators 20 anhand der Fig. 3 erläutert werden. Die Arbeitspunkte können jedoch in der folgenden Weise geändert werden.

Wie die Fig. 11 und 12 zeigen, kann, wenn die Arbeitspunkte 1 und 3 mit den Magnetflüssen jz$s und joc im linearen Bereich voneinander subtrahiert werden, und die Arbeitspunkte 2 und 3 im nicht linearen Bereich addiert werden, die parametrische Kopplung vernachlässigt werden, so daß die Ausgangsspannung eo bei Ic = 0 wie folgt ausgedrückt wird:

e » N —-Ii + a ) ο 2dt* 1 ⁹I'

Die Ausgangsspannung eos bei Id = 0 und φ2 im nicht linearen Bereich wird wie folgt ausgedrückt:

e = Ν_-τγ-(Φί ⁺ *-j)
os 2at 2. -i

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Daher gilt:

- ^eos

Wenn Δ {63 ^ Α,φ2 angenommen wird, erhält man die folgende Beziehung:

ο os

/\.j63 wird somit entsprechend dem Steuerstrom Ic geändert, um die Ausgangsspannung Eo zu ändern, so daß eine konstante Ausgangsspannung erhalten werden kann.

Da die Magnetflußdichte Bs klein wird, kann der Erregerstrom 11 verringert werden, und damit können der Eisenverlust der Kerne 11 und 12 und der Kupferverlust der Wicklung N1 verringert werden, so daß die Wärmeerzeugung selbst bei Verwendung eines billigen Ferritkerns verringert wird.

Bei dem Transformator 20 kann die parametrische Schwingung mit einem über die Wicklung N2 geschalteten Resonanzkondensator C durchgeführt werden. Wenn dabei zur Resonanz mit der Erregerfrequenz ein Kondensator parallel zur Wicklung Ls geschaltet ist, beeinfluß die Komponente der Kollektorspannung des Transistors Qd die Ausgangsspannung Eo nicht.

Im Falle der Erzeugung der parametrischen Schwingung kann die Wicklung N2 auch über die Schenkel 21E und 21G des Transformators 20 der Fig. 6 in der gleichen Weise wie beim Transformator 10 der Fig. 1 gewickelt werden.

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Claims

It 47^0 SONY CORPORATION TOKYO / JAPAN Transformator für Spannungsregler Ansprüche

1.)Transformator für Spannungsregler, bestehend aus einem ersten Kern mit einem ersten bis vierten Schenkel, Verbindungsteilen, die mit den vier Schenkeln magnetisch gekoppelt sind, einer Primärwicklung, die auf den ersten und zweiten Schenkel gewickelt ist, einer Sekundärwicklung, die derart auf die Schenkel gewickelt ist, daß ein alternierender Magnetfluß von der Primärauf die Sekundärwicklung übertragen wird, und einer Steuerwicklung, die auf den ersten und zweiten Schenkel derart gewickelt ist, daß kein alternierender Fluß von der Primärwicklung auf die Steuerwicklung übertragen wird, gekennzeichnet durch einen zweiten Kern, der mit dem einen Verbindungsteil (21J) des ersten Kerns verbunden ist, um einen Magnetkreis zu bilden, und eine auf den Magnetkreis des zweiten Kerns gewickelte Wicklung (Ls).

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kern vier Schenkel (21A bis 21D) und eine Seitenplatte (22) hat, die mit

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den vier Schenkeln des zweiten Kerns magnetisch verbunden ist, und daß die vier Schenkel des zweiten Kern mit dem einen Verbindungsteil (21J) des ersten Kerns verbunden sind.

3. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärwicklung von einem Wandler mit einem Schaltelement (Qd) und einem Oszillator (33) ein Wechselstrom zugeführt wird, und daß der Steuerwicklung ein Steuergleichstrom von einem Steuerkreis

(40) zugeführt wird/ um die Amplitude der Ausgangsspannung der Sekundärwicklung konstant zu halten.

4. Transformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Wicklung (Ls) auf dem zweiten Kern elektrisch zwischen die Primärwicklung und eine Quelle (32) einer sich ändernden Gleichspannung geschaltet ist.

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