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Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer konstanten
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Gleichspannung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur
Erzeugung einer konstanten Gleichspannung durch Gleichrichtung einer Wechselspannung,
Siebung, Vergleich der Gleichspannung mit einer Sollspannung und Steuerung eines
Transistors mit der durch den Vergleich gewonnenen Steuergröße.
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Bei einer bekannten Schaltungsanordnung liegt die Emitter-Kollektor-Strecke
dieses Transistors a.ls Längsregler im Gleichstromkreis. Nachteilig ist die hohe
Verlustleistung in diesem Stelltransistor, die durch den an ihm auftretenden, durch
den beim Betrieb als statischer Längsregler notwendigen hohen Spannungsabfall hervorgerufen
wird, wodurch Schaltungsanordnungen dieser Art besonders bei niedrigen Ausgangs
spannungen einen.niedrigen Wirkungsgrad aufweisen.
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Ein weiterer Nachteil ist, daß wegen der vorwiegend bei geringen Ausgangsspannungen
vorkommenden hohen Ströme ein großer und teurer Leistungstransistor mit einem der
hohen
Verlustleistung entsprechenden großen Kühlkörper verwendet
werden muß. E-inen höheren Wirkungsgrad haben die ebenfalls bekannten Schaltregler.
Ihre Nachteile sind der hohe Aufwand an Schaltmitteln und die hochfrequente Störstrahlung,
die durch aufwendige Abschirm- und Siebmittel unwirksam gemacht werden muß.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung
einer konstanten Gleichspannung nach obiger Art uanzugeben., die die hohen Verluste
des Längsreglers vermeidet, ohne mit den Nachteilen der Schaltregler behaftet zu
sein. Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung entsprechend den Patentansprüchen
gelöst.
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Aus der deutschen Auslegeschrift 1 079 730 ist es zwar bekant,;eine
Drossel mit einer zweiten Wicklung zu versehen und diese über eine Gleichrichteranordnung
mit der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors zu beschalten, jedoch enthält
diese Auslegeschrift keine Lehre zur Lösung der vorgenannten Aufgabe.
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Der Vorteil der Erfindung ist, daß durch geeignete Wahi des Übersetzungsverhältnisses
des Stromwandlers der notwendige hohe Spannungsabfall am Transistor auf einen niedrigeren
Wert an der Primärwicklung des Stromwandlers herabgesetzt wird bei gleichzeitiger
Verkleinerung des Kollektorstromes des Transistors. Dies hat eine Verminderung der
auftretenden Verlustleistung, also eine Wirkungsgraderhöhung zur Folge und ermöglicht
die Verwendung kleinerer-und billigerer Transistoren sowie den Verzicht auf Kühlkörper.
Trotz des Mehraufwandes für den Stromwandler und der zusätzlichen Gleichrichteranordnung
ist der Platzbedarf der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kleiner als bei der
bekannten Schaltungsanordnung mit statischem Längsregler im Gleichstromkreis.
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Ein weiterer Vor-teil besteht in der durch den Stromwandler
bewirkten
galvanischen Trennung im Stellglied.
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Viele elektronische Geräte benötigen mehrere Betriebsspannungen. Wenn
nur eine davon in engen Grenzen konstant gehalten werden muß, sind Stromversorgungsgeräte
mit einer konstanten Hauptausgangsspannung und einer oder mehreren weniger konstanten
Ausgangsspannungen, den sogenannten mitlaufenden Spannungen, gebräuchlich. Diese
Art Geräte besteht aus einem Transformator mit mehreren Sekundärwicklungen, wobei
jeder Sekundärwicklung eine Gleichrichteranordnung und evtl.
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Siebmittel nachgeschaltet sind. Nur eine der so gewonnenen Ausgangsspannungen,
die .Hauptausgangsspannung , wird mit einem Sollwert verglichen. Mit der so erzeugten
Steuergröße wird ein primärseitig angeordnetes Stellglied beaufschlagt.
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Wegen dieser Regelung wirken sich Schwankungen der Eingangsspannung
nur schwach auf die mitlaufenden Spannungen aus.
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Andererseits bewirkt eine Belastungsänderung eines Ausganges wegen
der Verkoppelung über die gemeinsame Primärwicklung und über das gemeinsame St-ellglied
auch eine Änderung der anderen mitlaufenden Spannungen. Die mitlaufenden Spannungen
schwanken zwar nicht so stark wie die Eingangsspannung, sind aber auch nicht so
konstant wie die Hauptausgangsspannung.
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Wenn das zu speisende Gerät mehrere konstante Spannungen benötigt,
können die mitlaufenden Spannungen durch nachgeschaltete statische Längs- (oder
Quer")regler konstant gehalten werden, wobei der bekannte Nachteil der hohen Verlustleistung
in Kauf genommen werden muß. Werden stattdessen nachgeschaltete Schaltregler der
bekannten Art verwendet, so hat dies den Nachteil des höheren Bauelementeaufwandes
und der hohen Störstrahlung.
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Wegen der Hintereinanderschaltung von zwei Reglern er gibt sich -
auch bei Verwendung eines Schaltreglers der bekannten Art - durch die Multip-likation
-der Einzelwirkungsgrade ein geringer Gesamtwirkungsgrad.
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Mehrere konstante Betriebsspannungen können auch durch entsprechend
viele Stromversorgungsgeräte mit jeweils einer Ausgangsspannung bereitgestellt werden.
Jedoch ist diese Lösung wegen des hohen Geräteaufwandes unvorteilhaft.
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Bei Anwendung der erfindungsgemäßen S.cha-ltungsanordnungen zur Konstanthaltung
mitlaufender Spannungen zur Bereitstellung mehrerer konstanter Spannungen werden
die vorstehenden-Nachteile vermieden. Obwohl hierbei auch zwei Regler hinwtereinander
geschaltet sind, ergibt sich trotz der Multiplikation der Einzelwirkungsgrade ein
hoher Gesamtwirkungsgrad, da der erfindungsgemäße nachgeschaltete Regler, der nur
geringe Spannungsschwankungen auszuregeln hat, einen wesentlich höheren Wirkungsgrad
als der vorgeschaltete Regler aufweist.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben.
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Als Beispiel ist in Fig. 1 ein Gleichspannungswandler mit einer Hauptausgangsspannung
und einer mitlaufenden Spannung gezeichnet. An die Klemmen 1 und 2 wird eine Gleichspannung
gelegt, die in dem-Wechselrichter 3 in eine Wechselspannung umgeformt wird. Diese
Wechselspannung wird über die Wicklungen will, wIV und wV des Transformators Tr2
an die Gleichrichteranordnungen Gr5 und Gr6 übertragen und dort gleichgerichtet.
Die so gewonnenen Gleichspannungen werden durch die Kondensatoren C1 und C2 gesiebt
und über die Klemmen 6 und 7 bzw. 9 und 10 den Verbrauchern zugeführt.. Die Spannung
an den Klemmen 9 und 10 ist die Hauptausgangsspannung, -sie wird mit Hilfe des Soll-
Is twer t- Verg leichers 11 und Steuerung des Wechselrichters 3, z.B. durch Beeinflussung
des Impulsverhältnisses, konstant gehalten. Die Spannung an den Klemmen 6 und 7
ist die mitlaufende Spannung, zu ihrer Konstanthaltung sind erfindungsgemäß der
Soll-Istwert-Vergleicher 8, der Transistor Ts1, die Gleichrichteranordnung Gr1 bis
Gr4 und der Stromwandler Tr1 vorgesehen.
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In der Leitung 4,5 von der Wicklung wV zur Gleichrichteranordnung
Gr5 ist die Primärwicklung wI des Stromwandlers Tr1 eingeschleift. An den Gleichspannungsausgang
der Gleichrichteranordnung Gr5 sind der Eingang des Soll-Istwert-Vergleichers 8,
zur Siebung der Kondensator.C1 sowie die Ausgangsklemmen 6 und 7 angeschlossen.
Der Soll-Istwert-Vergleicher 8 vergleicht die Gleichspannung mit einer Sollspannung
und li.efert an seinem Ausgang einen umso größeren Steuerstrom, je kleiner die Gleichspannung
gegenüber der Sollspannung ist.
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Durch den Steuerstrom wird seiner Stärke entsprechend der Transistor
Ts1 leitend gesteuert und damit der Spannungsabfall an der Primärwicklung wI des
Stromwandlers Trl beeinfluß, wobei zunehmender Steuerstrom eine Verringerung des
Spannungsabfalles und damit ein Ansteigen der Gleichspannung bewirkt.
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Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf die Konstanthaltung mitlaufender
Spannungen wie im Beispiel nach Fig. 1 beschränkt, sondern sie kann zum Konstanthalten
einer beliebigen, durch Gleichrichtung eine Wechselspannung gewonnenen Gleichspannung
angewendet werden. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 2 zusammen mit einigen vorteilhaften
Weiterbildungen gezeigt. An den Klemmen 13 und 14 wird die Wechselspannung zugeführt.
Der Stromwandler Tr1, die Gleichrichteranordnung Gr5, der Kondensator C1, der Soll-Istwert-Vergleicher
8 und die Klemmen 6 und 7 haben die gleichen Funktionen wie die gleichlautend bezeichneten
Schaltmittel in Fig. 1.
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Als eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem
Ausgang des Soll-Istwert-Vergleichers 8 und dem Transistor Ts1 ein Analog-Digital-Wandler
12 eingefügt, der an seinem Ausgang Impulse zum Leitendsteuern des Transistors Ts1
liefert, wobei mit zunehmendem Steuerstrom das Verhältnis Einschaltzeit zu Ausschaltzeit
größer wird. Der Transistor Ts1 wird also als Schalter betrieben. Dadurch ist eine
weitere Verringerung der Verlustleistung und damit eine Er-
höhung
des Wirkungsgrades möglich. Die durch den Schaltbetrieb hervorgerufene hochfrequente
Störspannung macht sich hier nicht nachteilig bemerkbar wie bei den bekannten Schaltreglern,
da ihr Austreten über die Eingangs- und Ausgangsklemmen durch die Streuinduktivität
des Stromwandlers Tr1 weitgehend verhindert wird. Durch Einlegen einer Schirmfolie
zwischen der Primärwicklung wI und der- Sekundärwicklung wII wird eine zusätzliche
Schirmung erzielt. Als zweite Gleichrichteranordnung ist hier der Einweggleichrichter
Grl' eingezeichnet.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht in der
Anordnung -von spannungsbegrenzenden Schaltmitteln parallel zu der Sekundärwicklung
wII, um auftretende überspannungen auf für die anderen Schaltmittel ungefährliche
Werte zu begrenzen. Hierfür ist in Fig. 2 die Gegenreihenschaltung einer Zenerdiode
Gr7 mit einer weiteren Diode Gr8 vorgesehen, die während der Sperrzeit des Transistors
Ts die Abgabe der magnetischen Energie des Stromwandlers Tr1 ermöglicht.