DE3019876A1 - Stromversorgungsschaltungen - Google Patents

Description

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StromversorgungsSchaltungen

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrische Stromversorgungsschaltungen und insbesondere Schaltungen, die geeignet sind zum Laden von Sammlern (Akkumulatoren).

Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist die Hauptfunktion eines Gegentaktwandlers,eine Eingangsgleichspannung zu einer Ausgangswechselspannung umzuwandeln. Beispiele derartiger Wandlersctialtungen sind in den US-PS 2 809 303, 2 997 664, 3 119 058, 3 172 060, 3 219 906, 3 248 640, 3 265 953, 3 297 959, 3 324 411, 3 348 12-0, 3 350 661,3 351 840, 3 461 405, 3 467 852, 3 579 026, 3 624 481, 3 663 994, 3 691 450, 3-831 078, 3 913 036, 3 927 363, 4 016 475, 4 016 477 und 4 047 089 offenbart.

Obgleich aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Wandlerschaltungen bekannt ist, hat man sie nach bestem Wissen des Anmelders bisher nicht in Stromversorgungsschaltungen wie beispielsweise Ladegeräten eingesetzt, um die Ausgangsspannung mit einer Rückkoppel über die Schwingfrequenz des Wandlers zu regeln - insbesondere mit einer aus Sicherheitsgründen erforderlichen Trennung zwischen dem Ausgangssignal der Einheit und den Rückkoppelsignalen für den Wandler.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, elektrische Energiewandlungs- und Stromversorgungsvorrichtungen anzugeben, die

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vorzugsweise als Ladegerät anwendbar sind und Mittel aufweisen, um die Ausgangsgröße auf wirkungsvolle Weise zu regeln.

Die vorliegende Erfindung schafft zu diesem Zweck eine an eine Eingangsgleichspannung zu legende Wandlerschaltung, die eine Ausgangsspannung an eine Last liefern kann und Transistorschalter enthält, wobei die Schaltung eine Ansteuereinrichtung, die einen Strom an die Transistorschalter liefert, damit die Wandlerschaltung schwingt, und eine Regeleinrichtung aufweist, um die Schwingfrequenz des Wandlers entsprechend der Höhe der Ausgangsgröße der Stromversorgungseinheit zu verändern.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ausführlich erläutert werden.

Fig. 1 ist ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Wandlerschaltung nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt kennzeichnende Wellenformen der Kollektorspannung, der Basisspannung und des Kollektorstroms für die in Fig. 1 gezeigten Schalttransistoren und bestimmte Arbeitsbedingungen;

Fig. 3 ist ein Schaltbild einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die als Ladegerät eingesetzt werden kann;

Fig. 4 zeigt einen bevorzugten Haupttransformator für die Schaltung der Fig. 3;

Fig. 5 zeigt das Ersatzschaltbild für den in Fig. 4 gezeigten Transformator; und

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Fig. 6 zeigt eine alternative Ausführungsform einer eine variable Impedanz darstellenden Schaltung ähnlich der der Fig. 3.

Die Figr. T zeigt schematisiert eine Hochleistungswandlerschaltung .10 nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Die Schaltung 10 weist einen Haupttransformator 11, zwei Leistungstransistoren 12, 13, einen sättigbaren Stromtransformator 14 und einen nichtsättigbaren Stromtransformator 15 auf. Der Haupttransformator 11 hat die Primärwicklung 11p und die Sekundärwicklung 11s. Die Sekundärwicklung 11s liefert eine hochfrequente Ausgangswechselspannung an zwei Anschlüsse 17, 18. Der Transistor 12 hat die Basis 12b, den Kollektor 12c und den Emitter 12e; entsprechend hat der Transistor 13 die Basis 13b, den Kollektor 13c und den Emitter 13e. ; -'■■■.■-:■; ^; .

Weiterhin enthält die Wandlerschaltung 10 einen Widerstand 19, einen Kondensator 20 und die Dioden 22, 23, 24, 25. Der Transformator 14 hat die Wicklungen 26, 27, 28, die auf einen magnetischen Toroi.dkern 29 gewickelt sind, entsprechend hat der Transformator 15 die auf einen magnetischen Toroidkern 33 gewickelten Windungen 30, 31, 32. Die Mittenanzapfung 34 der Primärwicklung 11p ist an einen Anschluß 35 gelegt, der zum positiven Pol B+ der Versorgungsspannung führt; entsprechend ist die Mittenanzapfung 36 der Wicklung 32 des Transformators Λ5 an den Anschluß 37 zum negativen Pol B- der Versorgungsspannung gelegt. Die Mittenanzapfung 34 des Transformators 11 ist mit der Leitung 38 an einen Anschluß des Widerstands 19 gelegt/dessen anderer Anschluß mit der Leitung 39 zur Basis 12b des Transistors 12 führt. Die Leitung 39 ist auch an die Kathode. 22c der Diode 22, an die Anode 24a der Diode 24 und an einen Anschluß der Wicklung 28 des Transformators 15 über eine allgemein mit dem Bezugszeichen Z bezeichnete Einrichtung gelegt, die unten ausführlicher erläutert ist. Das

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andere Ende der Wicklung 28 führt mit der Leitung 40 zur Basis 13b, der Kathode 23c der Diode 23 und zur Anode 25a der Diode 25. Die beiden Enden der Wicklung 32 des Transformators 15 sind an die Kathoden 24c und 25c gelegt. Der Emitter 12e des Transistors 12 ist mit der Leitung 42 zur Anode 22a der Diode 22 und zum (B-)-Anschluß 37 geführt, entsprechend der Emitter 13e des Transistors 13 mit der Leitung 43 zur Anode 23a der Diode 23 und zum (B-)-Anschluß 37.

Ein Ende der Primärwicklung 11p des Transformators 11 ist mit einer Leitung 44 an ein Ende der Wicklung 26 des Transformators 11 mit der Leitung 45 an ein Ende der Wicklung des Transformators 14 gelegt. Die anderen Enden der Wicklungen 26, 27 führen über die Leitungen 46, 47 zu den Wicklungen 30 bzw. 31 des Transformators 15. Der andere Anschluß der Wicklung 30 geht über die Leitung 48 an den Kollektor 12c des Transistors 12, das andere Ende der Wicklung 31 über die Leitung 49 zum Kollektor 13c des Transistors 13. Der Kondensator 20 liegt zwischen den Leitungen 48, 49.

Läßt man zunächst die Funktionsweise der Einrichtung Z außer Betracht, läßt sich die grundsätzliche Arbeitsweise der Wandlerschaltung der Fig. 1 anhand der Wellenformdiagramme der Fig. 2 erläutern. Über den Widerstand 19 und die Leitung gelangt ein positives Anlaßsignal von B+ auf die Basis 12b und über die Einrichtung Z, die Wicklung 28 und die Leitung 40 zur Basis 13b. Dieser Vorstrom bringt den einen oder den anderen der Transistoren 12, 13 in den Durchschaltzustand. Es sei nun angenommen, daß zur Zeit t. der Transistor 12 durchgeschaltet ist; die Basisspannung E, ist positiv und der Kollektorstrom I steigt. Die Kollektorspannung E ist im wesentlichen gleich null oder nur geringfügig positiv, während der Transistor 12 durchgeschaltet ist. Strom vom

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Anschluß B+ fließt durch die Haupttransformatorwicklung 11p, die Leitung 44, die Wicklung 26 des Transformators 14, die Wicklung 30 des Transformators 15, die Leitung 48, und dann über den Kollektor 12c, den Emitter 12e und die Leitung 42 zum Anschluß B-. Der durch die Wicklung 26 fließende Strom erzeugt im Kern 29 des Transformators 14 einen veränderlichen Magnetfluß. Solange dieser Kern 29 nicht gesättigt ist, liefert die Wicklung 28 ein positives Rückkoppelsignal an die Basis T2b-. Der Stromweg von einem Ende der Wicklung 28 führt über die Einrichtung Z, die Leitung 39, zur Basis 12b, dem Emitter 12e und über die Leitung 42 zum Anschluß B-. Der Rückstromweg zur Wicklung 28 führt von B- über die Leitung 42, die Diode 23 und die Leitung 40 zum anderen Anschluß der Wicklung 28.

Zu einem bestimmten Zeitpunkt t_ geht der Kern 29 in die Sättigung und die positive Rückkopplung zur Basis 12b fällt weg; die Wicklung 28 stellt dann einen Kurzschluß dar. Bis der Kern 29 in die Sättigung geht, liefert der Transformator 14 die vorherrschende Rückkopplung zur Basisansteuerschaltung. Ist der Kern 29 jedoch gesättigt, erfolgt die vorherrschende Rückkoppelsteuerung durch den Transformator 15. Der Transformator 15 ist so ausgelegt, daß der Kern 33 nicht unter den gleichen Bedingungen in die Sättigung geht wie der Transformator' 14. Die Wicklugn 32 des Transformators 15 bewirkt eine subtraktive Rückkoppelung über die Diode 24 zur Basis 12b.Sobald also der Transformator 14 in die Sättigung geht, ändert der Basisansteuerstrom seine Richtung, so daß die in der Basis-Emitter-Sperrschicht des Transistors 12 gespeicherten Ladungsträger sehr schnell ausgeräumt werden. Sobald dann die Basis-Emitter-Sperrschicht des Transistors 12 ausgeräumt ist, beginnt der von der Wicklung 32 des Transformators 15 aufgenommene Strom, über die Dioden 22, 24 und die Mittenanzapfung 36 nach B- zu fließen.

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Es wird darauf hingewiesen, daß die subtraktive Rückkopplung, die das schnelle Ausräumen der Ladungsträger aus der Basis-Emitter-Sperrschicht des Transistors 12 bewirkt, positive Spannungsspitzen an der Basis 13b des anderen Transistors 13 verhindert. Der gesättigte Kern 29 des Transformators 14 stellt eine Verbindung über die Wicklung 28 und die Einrichtung Z zwischen den Basen 12b, 13b her, so daß beide negativ , bleiben. Infolge des subtraktiven Gleichstroms aus dem Transformator 15 bleiben beide Basen negativ, so lange Strom durch die Wicklung 32 des Transformators 15 fließt, d.h. so lange ein Kollektorstrom I fließt. Der Umstand, daß die Transistoren 12, 13 wesentliche Abschaltverzögerungen haben können, ist also unerheblich.Der jeweils gesperrte Transistor kann auf keinen Fall durchschalten, so lange der andere Transistor noch Strom führt.

Der zwischen die Kollektoren 12c, 13c gelegte Kondensator 20 dient dazu, die Anstiegsgeschwindigkeit bis zum Zeitpunkt t« der Kollektorspannung E nach dem Sperren des zunächst durchgeschalteten Transistors 12 zu begrenzen. Im Ergebnis schaltet der Transistor 12 vollständig ab, bevor seine Kollektorspannung einen signifikanten Wert annehmen kann. Auf diese Weise ist die Verlustleistung im Transistor während des Abschaltvorgangs erheblich reduziert. Der Kondensator 20 überbrückt auch die Wicklungen 30, 31 des Transformators 15 und stellt einen Stromflußweg für die Stromrückkoppeltransformatoren 14, 15 dar.

Der Haupttransforrrator 11 enthält eine gewisse Streuinduktivität, die den Stromfluß geringfügig verzögert, so daß die Kollektorspannung E des Transistors 12, der gerade abgeschaltet wird, auf sehr hohe Werte steigen kann. Die Endspannung, die am Kollektor des abgeschaltetenTransistors

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auftreten kann, kann jedoch höchstens das Doppelte der Spannung B+ betragen. Es liegt im Wesen dieser Schaltung, daß, wenn die Kollektorspannung E des einen Transistors auf den Wert 2B+ gestiegen ist, die Kollektorspannung des anderen Transistors auf null gefallen ist. Weiterhin kann die Kollektorspannung auch nie über 2B+ ansteigen, da der jeweils andere Transistor (13) in Kombination mit seiner Basis-Emitter-Diode als Klemmelement wirkt.

Um die Durchschaltverluste vollständig zu beseitigen, sollte der gesperrte Transistor nicht durchschalten, bevor seine Kollektorspannung auf Null gesunken ist. Dies genau ist, was die Basisansteuerkreise im Betrieb der Transformatoren 14, erreichen.

Die Arbeitsweise des Transistors 13 laßt sich unter Bezug auf die unteren Wellenformdiagramme der Fig. 2 erläutern, die im wesentlichen identisch zu denen der oberen Gruppe für den Transistor 12, aber diesen gegenüber zeitlich verschoben sind. Zwischen t.. und t. sinkt die Kollektorspannung E des Transistors 13 geringfügig unter null ab. Die Abfallgeschwindigkeit entspricht dabei der Anstiegsgeschwindgkeit der Kollektorspannung des nun gesperrten Transistors 12. Diese Änderungsgeschwindigkeit wird durch das Aufladen des Kondensators 20 begrenzt und die Änderung setzt sich fort, bis die Klemmwirkung eintritt. Zur Zeit t. beginnt ein negativer Strom I , zwi-

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sehen der Basis 13b und dem Kollektor 13c zu fließen, und zwar bis zur Zeit t₅. Der Flußweg dieses Stroms verläuft vom Anschluß B- über die Diode 23, die Basis-Kollektor-Sperrschicht des Transistors 13, die Wicklungen 31, 27 und die Wicklung 11p des Transformators 11 nach B+; es findet also während dieses Intervalls ein Energierückfluß zur Betriebsstromversorgung statt. Der Transistor 13 und die Diode 23 arbeiten dabei als

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Klemmschaltung, die die Höhe der Spannung am Kollektor 12c des Transistors 12 begrenzt.

Zur Zeit t- wird die Basis 13b positiv gesteuert und der Transistor 12 beginnt, in positiver Richtung zu leiten. Der Flußweg für diesen Strom I verläuft von B+ über die rechte Hälfte der Wicklung 11p, die Wicklungen 27, 31, den Kollektor 13c und den Emitter 13e nach B- Eine positive Rückkopplung erfolgt von der Wicklung 28 des Transformators 1.4 zur Basis 13b.. Der Strom I fließt bis zur Zeit t_, d.h. kurz nachdem der Transformator 14 zur Zeit t_g in die Sättigung gegangen ist; dann fällt die positive Rückkopplung zur Basis 13b weg. Zu dieser Zeit übernimmt der Transformator 15 die Rückkopplung und bewirkt eine subtraktive Rückkopplung zur Basis 13b, infolge der die Ladungsträger schnell ausgeräumt werden. Der Transistor 13 sperrt und seine Kollektorspannung beginnt bis zur Zeit t„ zu steigen; dann ist der Funktionszyklus abgeschlossen.

Das abwechselnde Durchschalten der Transistoren 12, 13 bewirkt einen Stromfluß in der Wicklung 11p des Transformators 11 in entgegengesetzten Richtungen. Dieser Wechselstrom in der Wicklung 11p wird zu einer hochfrequenten Wechselspannung in der Sekundärwicklung 11s transformiert, die an den Ausgangsanschlüssen 17, 18 erscheint.

Es sei nun auf die Funktionsweise der Impedanzeinrichtung Z (Fig. 1) eingegangen. Die über der Impedanzeinrichtung infolge des positiven Rückkoppelstroms in der Wicklung 28 abfallende Spannung bestimmt den SättigungsZeitpunkt des Transformators 14. und damit die Schaltfrequenz der Transistoren 12, 13. Für einen sättigbaren Transformator wie den Transformator 14 ist, wie bekannt, das Produkt der angelegten Spannung und der Schaltzeit zur Sättigung konstant, aber temperaturabhängig. Eine Zu-

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nähme des Werts der Ircpedanzeinrichtung Z bewirkt also eine Zunahme der Spannung im Rückkoppelkreis, so daß die Zeit, innerhalb der der Kern 2 7 des Transformators 14 die Sättogung erreicht, entsprechend abnimmt. Je kürzer die Sättigungszeit des Rückkoppeltransformators, desto höher die Schaltfrequenz der Transistoren 12, 13. Die Impedanzeinrichtung Z kann aus einem Widerstand, einem Kondensator oder einer Induktivität bestehen, desgleichen kann es sich um ein nichtlineares Element oder den Glühfaden einer Glühlampe handeln. Bei einer widerstandsbehafteten Impedanz geht natürlich Energie verloren und ist der Rückkoppelstron geringer, der für die Basen der Transistoren 12, 13 verfügbar ist. Ist die Impedanzeinrichtung Z veränderbar, wird die Schaltfrequenz der Transistoren 12, 13 entsprechend dem Augenblickswert von Z moduliert. Mit steigender Schaltfrquenz der Transistoren 12, 13 nähert die Wellenform der Kollektorspannung E dieser Transistoren sich einer Sinusform - im Gegensatz zu den in Fig. 2 gezeigten Kurvenzügen. Weiterhin kann die Einrichtung Z die Ansteuerung der Transistoren 12, 13 im Sinne einer intermittierenden Wandlerschwingung steuern.

Die Verwendung einer Impedanzeinrichtung Z zur Steuerung der Schaltfrequenz und der Schwingungen der Transistoren in einer geregelten Gegentaktwandlerschaltung nach der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet für deren Einsatz in einem Ladegerät, wie es schematisiert in Fig. 3 gezeigt ist. In dieser Figur sind mit denen der Fig. 1 identische Schaltungselemente mit den gleichen Bezugszeichen, aber um einen Hochstrich ergänzt gekennzeichnet. Da die geneinsamen Elemente auf im wesentlichen die gleiche Weise wie in der .Schaltung nach Fig. 1 arbeiten, soll ihre Arbeitsweise nicht erneut erläutert werden. Fig. 3 zeigt auch typische Bauteilewerte für ein Ladegerät mit einer Nennspannung von 12 V. Wie einzusehen ist, erfolgt die Eingangsgleichstromversorgung zur Schaltung 10'

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zweckmäßigerweise aus einem Wechselstromnetz über einen herkömmlichen (nicht gezeigten) Gleichrichter zwischen dem Wechselstromeingang und den Eingangsgleichspannungsanschlüssen 35', 37¹.

In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach Fig. 3 hat der Haupttransformator 11' eine frequenzabhängige Ausgangsimpedanz; sekundärseitig weist er die Wicklungen 50, 51 auf. Ein Anschluß der Wicklung 50 ist mit den Leitungen 52a, 52b an die MittenanzapfTeitung 53 gelegt, die ihrerseits über die Leitungen 54a, 54b an die Wicklung 51 führt. Die Mittenanzapfleitung 53 ist über einen Ausschalter 55 mit dem Ausgang 18' verbunden. Die anderen Anschlüsse der Wicklungen 50, 51 führen an die Dioden 56 bzw. 57, deren Anoden an eine Leitung 58 führen, die ihrerseits an den negativen AusgangsanschluS 17' gelegt ist. Die Anschlüsse 17*. 18' sind mit einem zu ladenden (nicht gezeigten) Sammler verbunden. Die Anschlüsse an die Leitungen 52a, 52b, 54a, 54b sind unten ausführlich erläutert.

Die Impedanzeinrichtung Z¹ weist hier einen Rückkoppeltrenntransforrcator 59 mit Ringkern auf, dessen Primärwicklung 61 mit einem Ende über die Leitung 62 an die Leitung 39' und mit dem anderen Ende über eine Leitung an einen Anschluß der Wicklung 28' gelegt sind. Wie zu ersehen, dient der Trenntransformator 59 dazu, die Impedanz Z¹ entsprechend der Höhe der Ausgangsspannung des Ladegeräts zu verändern, während er gleichzeitig für exne galvanische Trennung zwischen dem Ausgangskreis und den Ansteuer- bzw. RückkoppeIsignalen zu den Schalttransistoren 12', 13' sorgt. Diese Trennung ist vom Gesichtspunkt der Sicherheit her äußerst wichtig.

Der Trennrückkoppeltransformator 59 trägt eine Sekundärwicklung 64, deren Enden an die Anoden der Vollwellen-Gleichrich-

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terdioden 65, 66 gelegt sind, deren Kathoden zu Kollektorleitung 67 eines Strombegrenzer- bzw. Regeltransistors 68 mit der Basis 68b, dem Emitter 68e und dem Kollektor 68c geführt sind. Der Emitter ist an die Masseleitung 69 gelegt, die ihrerseits über einen Schalter 70 zur Mittelanzapfung 71 der Sekundärwicklung 64 des Transformators 59 führt. Ein Widerstand 72 ist zwischen den Kollektor und die Basis des Transistors 68 gelegt; über ihn fließt ein vorbestimmter Vorstrom zur Basis 68b.

Ein.Spannungsbegrenzer- bzw. Regeltransistor 73 ist mit dem Kollektor 73e unmittelbar an die Basis 68b des Transistors 68 gelegt. Der Transistor 73 hat den Emitter 73e, der an Masse 69 gelegt ist,- sowie die Basis 73b, die über einen Widerstand 74 ebenfalls an Masse 69 führt.

Ein Vorspannzweig mit einer Zenerdiode 76 und dem Reihenwiderstand 77 ist an den positiven Ausgangsanschlup 18' über eine Leitung 78 gelegt und liefert eine Vorspannung für die Steuerelektrode bzw. Basis 68b des Transistors 68. Ein weiterer Vorspannzweig weist eine Zenerdiode 79 auf und liefert Vorspannung für das Steuerelement 73b des Transistors 73. Die Anode der Zenerdiode 79 ist über einen Glättungskondensator 82 an Masse 69 gelegt. Die Kathode der Zenerdiode 79 führt über einen Widerstand 83 sowie eine in Reihe liegende Spannungssubtrahiereinrichtung 84 an der positiven Ausgangsleitung 78, wobei die Einrichtung 84 zu einem zu beschreibenden Zweck eine subtraktive Bezugsspannung liefert, die dem Ausgangsstrom des Lädegeräts proportional ist.

Die Spannungssubtrahiereinrichtung 84 weist einen Transformator 86 mit einem Ringkern auf, dessen eine Wicklung 87 an die,-.Leitungen 52a, 52b und dessen weitere Wicklung 88 an die

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Leitungen 54a,54b angeschlossen sind. Die Enden einer dritten Wicklung 89 sind über die Dioden 91, 92 an eine Leitung 93, die Mittenanzapfung der Wicklung 89 an eine Leitung 94 gelegt. Ein Parallelwiderstand 96 und ein Glättüngskondensator 97 liegen über den Leitungen 93, 94. Die über den Leitungen 93, 94 stehende subtraktive Spannung ist proportional zum in den Sammler fließenden Ladestrom.

Im Betrieb des Ladegeräts nach Fig. 3 liefern die Zenerdiode 76 und der Widerstand 77 eine Vorspannung an die Basis 68b des Transistors 68. Die Zenerdiode 79, der Widerstand 83 und die Subtrahiereinrichtung 84 liefern die Vorspannung für die Basis 73b des Spannungsbegrenzertransistors 73. Der Strombegrenzertransistor 68 ist normalerweise für bestimmte Ladespannungen durchgeschaltet; dieser Transistor arbeitet im aktiven Bereich und sperrt schnell, wenn die Ausgangsspannung über den Anschlüssen 17", 18' unter die mit der Zenerdiode 76 eingestellte Schwellspannung abfällt. Nimmt der Ladestrom zu, sinkt die Ausgangsspannung an den Anschlüssen 17', 18', so daß auch die Vorspannung zur Basis 68b des Strombegrenzertransistors 68 sinkt; dann nimmt die zur Primärseite 61 des Rückkoppeltrenntransformators 59 reflektierte Impedanz zu. Steigt die Impedanz Z', wird das Sattigungsinterval! für den Kern 27' des sättigbaren Rückkoppeltransformators 13 kurzer, wie bereits erwähnt, so daß die Schaltfrequenz der Transistoren 12', 13' steigt. Da die Ausgangs impedanz des Haupttransformators 11' frequenzabhängig ist, nimmt die strombegrenzende Impedanz dieses Transformators mit der Schaltfrequenz der Transistoren 12', 13' zu. Werden die Ausgangsanschlüsse 17", 18' kurzgeschlossen,, stellt der Trenntransformator 59 eine so hohe Impedanz dar, daß der positive Rückkoppelstrom unter einen Wert absinkt, bei dem die Transistoren 12', 13' noch durchschalten können; der Widerstand 72 lie-

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f.ert eine vorbestimmte Vorspannung an den Strombegrenzertransistor 68, der dann den Ladestrom schnell auf einen Wert herabregelt,- mit dem Schaden an der Schaltung 10' vermieden sind.

Nimmt die Ausgangsspannung zu, steigt auch die Vorspannung an der Basis 73b des spannungsbegrenzenden Transistors 73. Die Höhe der Vorspannung an der basis 73b des Transistors 73 bestimmt sich aus dem Widerstand 83, der Zenerdiode 79 und der· -Spannungssubtrahiereinrichtung 84. Beim Laden von Sammlern "ist bei hohen Ladeströmen vorzugsweise auch die Spannung hoch. Die SpannungsSubtrahiereinrichtung 84 senkt die von der Zenerdiode 79 bestimmte Bezugsspannung um einen Betrag, der unmittelbar proportional dem Ladestrom ist, so daß die Ausgangsspannung¹ der Lade schaltung 10' den Eigenschaften der zu ladenden Sammlers angepaßt wird. Beispielsweise wird bei einer normalen Kfz-Starterbatterie (Bleiakkumulator) mit einer Nennspannung von 12'v der Strom hoch sein; die Schaltung nach Fig. 3 regelt dann auf eine Ausgangsspannung von etwa 13,5 oder 14,0 V. Ist der Ladestrom gering, regelt sie auf eine Spannung von etwa 12,5 V. Wenn der Transistor 73, der in seinem aktiven Bereich arbeitet, durchschaltet, zieht er Vorstrom vom Strombegrenzertransistor 68 ab. Mit abnehmendem Vorstrom des Transistors 68 nimmt die Impedanz Z' zu, wie bereits erläutert, so daß die Schaltfrequenz der Transistoren 12', 13' und damit auch aie Ausgangsimpedanz des Transformators 11' steigen und die Ausgangsspannung begrenzt wird. Schaltet der Transistor 73 ausreichend weit durch, sperrt er den Transistor 68-, "Der Transistor 73 steuert die Ausgangs spannung der Schaltung- 10', indem er die Wandlerschaltung auf intermittierende "Schwingungen steuert. Ist die Ausgangsspannung am Anschluß 18' hoch genug, unterbricht die Ladung in Kondensator 82 die Wandlerschwingungen, bis der Kondensator nach einer ausreichenden Verringerung der Ausgangsspannung entladen ist. Dieser

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zyklische Vorgang wiederholt sich; im angelsächsischen Sprachgebrauch bezeichnet man diese Art der Regelung als "bangbang control" (Zweipunktregelung) der Ausgangsspannung.

Da Ladegeräte typischerweise den Ladestrom an Sammler unterschiedlicher Spannungen (Nennwert 6V und 12V) liefern müssen, kann man die Zenerdioden 76, 79 für bestimmte Ladespannungen mehrfach, (nicht gezeigt) sowie dann einen Wahlschalter (ebenfalls nicht gezeigt) vorsehen, mit dem die für die zu ladende Sammler geeignete Zenerdioden zugeschaltet werden.

Wenn geöffnet, bewirkt der Schalter 70, daß der Trenntransformator 59 im Rückkoppelkreis eine Impedanz Z' hat, die so hoch ist, daß der RückkoppeIstront für die Transistoren 12', 13* auf einen Wert gedrückt wird, bei dem die Schwingungen der Schaltung 10' abreißen.

Die Fig. 4 zeigt einen bevorzugten Haupttransformator 11', bei dem ein erheblicher Streuflußweg 98 zwischen der Primärwicklung 11p¹ und der Sekundärwicklung nicht vollständig starr gekoppelt, wie üblicherweise bei Ladetransformatoren der Fall. Wird die Sekundärwicklung 11s¹ stark belastet, wie beispielsweise bei einem Kurzschluß, verhindert der Streuflußweg 98 einen zu hohen Kurzschlußstrom in der Primärwicklung. Es ist besonders wichtig, die Wicklungen mit verdrallten Einzeldrähten zu wickeln, um die Leistungsverluste so niedrig wie möglich zu halten.

Die Fig. 5 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild des Transformators der Fig. 4. Wie ersichtlich, stellt die mit dem Bezugszeichen 99 bezeichnete Reiheηimpedanz eine wesentliche Reiheninduktivität dar, die den Ausgangsstrom in der Sekundärwicklung 11p¹ auf einen vorbestimmten Wert begrenzt. Die

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Reihenimpedanz 99 erlaubt eine Steuerung der Ausgangsgröße der Schaltung über die sich ändernde Schaltfrequenz der Transistoren 12', 13.', wie bereits beschrieben.

Die Fig. 6 zeigt eine weitere alternative Inpedanzeinrichtung, die mit dem Bezugszeichen Z" bezeichnet ist und in der Schaltung nach Fig. 3 verwendet werden kann. Die Leitungen 62, sind mit der Primärwicklung 101 eines Transformators 102 verbunden, dessen Sekundärwicklung 103 mit einem Kurzschlußschalter 104 kurzgeschlossen werden kann. Ist der Schalter 104 geschlossen, erhält man die volle Ausgangsspannung. Ist der Schalter 104 offen, steigt die Impedanz Z" so weit an, daß die Rückkopplung für die Transistoren 12* ,13* unter den für das Aufrechterhalten der Schwingungen erforderlichen Wert sinkt. Der Schalter 104 kann beispielsweise thermostatisch gesteuert sein, so daß das Ladegerät 10' sich bei Übertemperaturen (die zu hohe Ladeströme anzeigen) selbst abschaltet.

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Claims (25)

1984 Caesar Drive, Route 4, Barrington, Illinois 60010

Pat en t a η s ρ r ü c h e

1J Wandler-Stromversorgungsschaltung, die an eine Eingangsgleichspannung gelegt ist, eine Ausgangsspannung an eine Last liefern kann und Transistorschalter enthält, gekenn ze ichnet durch eine Ansteuereinrichtung (14¹), die einen Versorgungsstrom an die Transistorschalter (12', 13' ) liefern kann, um die Wandlerschaltung schwingen zu lassen, und durch eine Regelanordnung (2), die die Ansteuereinrichtung so steuert, daß sie die Schwingfrequenz des Wandlers entsprechend der Höhe der Ausgangsgröße der Stromversorgungsschaltung ändert.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelanordnung (Z¹) die Ansteuereinrichtung (14') so ansteuern kann, daß der Wandler intermittierend arbeitet.

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3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Haupttransformator (11*) mit einer mit den Transistorschaltern (12', 13') verschalteten Primärwicklung (.11p¹)» einer mit den Ausgangsanschlüssen (17', 18') verschalteten Sekundärwicklung (11s¹) sowie einem wesentlichen Streuflußweg zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung (11p.¹» 11s"), um einen übermäßigen Primärstrom zu verhindern.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn ze ichnet durch eine in Reihe mit dem Ausgang liegende Einrichtung (99) mit frequenzabhängiger Impedanz, über der eine Spannung abfällt.

5. Schaltung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Transistorschaltanordnung zwei abwechselnd durchgeschaltete Schalttransistoren (12', 13*) mit jeweils einem Steuerelement (12b¹, 13b¹) aufweist, daß die Ansteuereinrichtung (14') jedem der Steuerelemente (12b, 13b) Strom zuführt, damit die Transistoren abwechselnd durchschalten, und daß das Regelglied eine Rückkoppeleinrichtung (Z¹) aufweist, die mit dem Ausgang verschaltet ist und die Schaltfrequenz der Transistoren entsprechend der Höhe der Ausgangsgröße verändern kann.

6. Schaltung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkoppeleinrichtung die Schaltfrequenz der Transistoren entsprechend der Höhe der Ausgangsspannung verändern kann.

7. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6 _T dadurch gekennzeichnet, daß ihr Eingang und ihr Ausgang elektrisch voneinander getrennt sind und daß die Rückkoppeleinrichtung (Z¹) an die Ansteuereinrichtung (14') Rückkoppelsignale liefert, die elektrisch vom Ausgang der Stromversorgungsschaltung entkoppelt sind.

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NACH3_i L.:.:,K.-i

8. Schaltung nach Anspruch 5, 6 oder 7/ dadurch gekennzeich- * net, daß die Ansteuereinrichtung einen Rückkoppeltransformator (14') mit sättigbarem Kern aufweist, der intermittierend einen RückkoppeIstrom an die Transistorsteuerelemente (12b¹. 13b¹) liefern kann, um die Transistoren abwechselnd durchzuschalten, und daß die Rückkoppeleinrichtung eine Impedanzeinrichtung (Z¹) aufweist, die mit dem Transformator (14') und den TransistorSteuerelementen (12b, 13b') verschaltet ist, wobei die über der Impedanzeinrichtung (Z') infolge des Rückkoppelstroms abfallende Spannung die Sättigungszeit des Rückkoppeltransformators und damit die Schaltfrequenz der Transistoren zum Regeln der Ausgangsgröße bestimmt.

9. Stromversorgungswandlerscialtung, die einen Eingangsgleichzu einem Ausgangswechselstroη umwandeln kann und zwei abwechselnd durchgeschaltete Schal !transistoren, die mit jeweils einer. Basis-Emitter-Sperrsch..cht aufweist, die während des Durchschaltzustand des jeweiligen Transistors Ladungsträger gespeichert enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine zweite Ansteuereinrichtung (14, 15) zwischen die Basis-Emitter-Sperrschicht der Transistoren (12, 13) gelegt sind, daß die erste Ansteuereinrichtung einen Rückkoppeltransformator (14) mit sättigbarem Kern aufweist, der einen intermittierenden Rückkoppelstrom . iefern kann, mit dem die Transistoren abwechselnd durchgeschaltet werden, daß die zweite Ansteuereinrichtung einen Transformator (15) mit nicht sättigbarem Kern aufweist, der, wenn der Rückkoppeltransformator

(14) mit sätticbarem Kern in die Sättigung geht, intermittierenden subtraktiven Rückkoppelstrom liefert, um einen durchgeschaltetsn Transistor (12, 13) schnell zu sperren, indem die in dessen Basis-Emitter-Sperrschicht gespeicherten Ladungsträger schnell ausgeräumt werden, und daß die Regeleinrichtung eine Impedanzeinrichtung (Z) in Reihe mit dem

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NACH3ERE1CHT

Rückkoppeltransformator (14) mit sättigbarem Kern und den Basis-Emitter-Sperrschichten der Transistoren aufweist, wobei die infolge eines positiven RückkoppeIstroms über der Impedanzeinrichtung (Z) abfallende Spannung die Sättigungszeit des Rückkoppeltransformators und damit die Transistorschaltfrequenz bestimmt.

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (Z) von einem nichtlinearen Bauelement dargestellt wird.

11. Schaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Impedanz (Z) temperaturabhängig ist.

12. Schaltung nach Anspruch 3 sowie Anspruch 5, 6 oder 7 zum Anschluß an eine Gleichstromquelle und zur Lieferung einer Ausgangsgleichspannung, gekennzeichnet durch eine mit der Sekundärseite (50, 51) des Haupttransformators (II¹) und dem Ausgang (17¹ 18") verschaltete Ausgangsgleichrichteinrichtung (56, 57), eine erste und eine zweite Ansteuereinrichtung (14', 15')/ die an die Transistorsteuerelemente (12b, 13b) angeschlossen sind, wobei die erste Ansteuereinrichtung einen Rückkoppeltransformator (14') mit sättigbarem Kern aufweist, der intermittierenden positiven RückkoppeIstrom liefern kann, um die Transistoren abwechselnd durchzuschalten, die zweite Ansteuereinrichtung (84) intermittierenden subtraktiven Rückkoppelstrom liefern kann, um einen durchgeschalteten Transistor schnell zu sperren, und durch eine mit dem Rückkoppeltransformator (14') mit dem sättigbarem Kern und mit den Transistorsteuerelementen (12b¹, 13b¹) verschaltete Impedanzeinrichtung (Z¹) variabler Impedanz, deren Höhe sich nach der-Höhe der Ausgangsgröße bestimmt, wobei die infolge des positiven Rückkoppelstroms über der Impedanzeinrichtung (Z¹) ab-

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NACHGEREICHT

um

fallende Spannung die Transistorschaltfrequenz moduliert, die Ausgangsgröße der Stromversorgungsschaltung zu regeln.

13. Schaltung nach Anspruch 12,dadurch gekennzeichnet, daß die .Impedanzeinrichtung einen Transformator (59) aufweist, dessen Sekundärwicklung (64) mit einem Kurzschlußschalter . (70) .verschaltet ist, um die Impedanzwerte der Impedanzeinrichtung (Z¹) wahlweise zu verändern.

14. Schältung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußschälter (70) thermostatisch gesteuert wird.

15. Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzeinrichtung einen Rückkoppeltrenntransformator (59) mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung (61, 64) aufweist, wobei die Primärwicklung (61) mit den Transistorsteuerelementen (12b¹, 13b¹) verschaltet und an die Sekundärwicklung (64) des Transformators (59) eine Vollwellengleichrichteinrichtung (65, 66) angeschlossen ist, daß eine Regeltransistoranordnung (68, 73) an den Ausgang der Gleichrichteinrichtung (65, 66) angeschlossen ist und daß Mittel (76, 79) vorgesehen sind, um Vorspannung auf die Regeltransistoranordnung (68, 73) zu geben und deren Durchschaltimpedanz entsprechend der Höhe der Ausgangsspannung zu steuern, wobei die Regeltransistoranordnung (68, 73) auf die Primärseite (61) des Rückkoppeltrenntransformators (59) eine veränderliche Impedanz reflektiert, deren Wert von der Höhe der Ausgangsspannung abhängt.

16. Schaltung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen wahlweise betätigbaren Schalter (70), um die Sekundärwicklung (71) des Rückkoppeltrenntransformators (59) zu öffnen und so die Impedanz der Einrichtung (Z¹) so weit zu erhöhen, daß der Rückkoppelstrom zu den Transistorsteuerelementen

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NACHQEREICHT

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(12b¹, 13b¹} unterbrochen wird.

17. Schaltung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkoppeltrenntransformator (59) eine ausreichend hohe Impedanz hat, daß bei einem Kurzschluß am Ausgang der Versorgungsschaltung der positive Rückkoppelstrom zu den Schalttransistoren (12', 1-3 ·> unter denjenigen Wert sinkt, der zum Durchschalten derselben erforderlich ist.

18. Schaltung nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeltransistoranordnung (68, 73) miteinander verschaltete strom- und spannungsregelnde Transistoren (68, 73) aufweist, wobei der stromregelnde Transistor (68) zur Primärwicklung (61) des Rückkoppeltrenntransformators (59) eine Impedanz reflektiert, die von der Vorspannung des stromregelnden Transistors abhängt, und daß der spannungsregelnde Transistor (73) Vorstrom vom strombegrenzenden Transistor (68) abzieht, wenn die Ausgangsspannung der Versorgungsschaltung einen vorbestimmten Wert übersteigt.

19. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die die Vorspannungen für die Regeltransistoranordnung (68, 73) liefernde Einrichtung Mittel (79) , die eine Schwellspannung festsetzen, sowie Mittel (84) enthält, die eine zur Höhe des AusgangsStroms der Versorgungsschaltung inverse.subtraktive Spannung liefern, wobei der spannungsbegrenzende Transistor (73) Vorstrom vom strombegrenzenden Transistor (68) abzieht, wenn die Ausgangsspannung der Versorgungsschaltung höher ist als die um die subtraktive Spannung verminderte Schwellspannung.

20. Schaltung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssubstrahiereinrichtung (84) einen Transformator

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(86) mit einer mit dem Haupttransformator (11') verschalteten Primärwicklung (87) und einer an eine Gleichricht- und Glättungsschaltung angeschlossenen Sekundärwicklung (89) aufweist.

21. Stromversorgungswandlerschaltung, die an eine Eingangsspannung gelegt ist und eine Ausgangsspannung liefern kann, gekennzeichnet durch eine mit dem Eingang (35¹, 37') verschaltete Wandlerschaltung (12", 13'), eine mit der Wandlerschaltung (12',.13¹J verschaltete Einrichtung (11') frequenzabhängiger Impedanz und durch eine Regeleinrichtung (14*, Z'), die die Schwingfrequenz des Wandlers entsprechend der Höhe der Ausgangsgröße der Versorgungsschaltung regelt.

22. Schaltung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung frequenzveränderbarer Impedanz einen Transformator (11') mit Primär- und Sekundärwicklungen (11p¹,, 11s') aufweist, zwischen denen ein erheblicher Streuflußweg vorliegt.

23. Schaltung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,

daß es sich bei der Eingangsspannung um eine Wechselspannung und bei der Ausgangsspannung um eine Gleichspannung handelt, wobei die Versorgungsschaltung am Eingang eine Gleichrichtanordnüng sowie eine mit der Ausgangsimpedanzeinrichtung verschaltete Ausgangsgleichrichtanordnung aufweist.

24. Schaltung nach Anspruch 21, 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen (14, Z') betrieblich die Schwingfrequenz des Wandlers und den Ausgangsstrom entsprechend der Höhe der Ausgangsspannung regeln.

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25. Ladeschaltung zum Umwandeln eines Eingangswechselstroms zu einem Ladestrom, gekennzeichnet durch einen Transformator (11') mit der Primärwicklung (11p¹) und der Sekundärwicklung (11s¹) sowie einem erheblichen Streuflußweg zwischen den Wicklungen, um den Transformatorstrom zu begrenzen, sowie mit einer mit der Sekundärwicklung (11s¹) des Transformators (II¹) verschalteten Ausgangsgleichrichtanordnung (56, 57).

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