DE3131729A1

DE3131729A1 - Stromwandler

Info

Publication number: DE3131729A1
Application number: DE19813131729
Authority: DE
Inventors: Rudolph Paul Boetticher; William Richard Tombs
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1980-08-18
Filing date: 1981-08-11
Publication date: 1982-05-27
Also published as: IL63326A0; IL63326A; NO159568B; IT1139128B; FR2488752A1; NO159568C; FR2488752B1; AU542899B2; AU7369581A; GB2095439A; SE452826B; CA1179015A; IT8123513A0; GB2095439B; JPS5755777A; NO812682L; SE8104843L

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Stromwandler, insbesondere zur Erzeugung einer geregelten bzw. stabilisierten Gleichspannung.

In vielen Fällen muß eine Gleichstrom-Ausgangsspannung geregelt bzw. stabilisiert werden, weil kurzzeitig hohe positive und negative SpannungsSchwankungen auftreten. Es wurden bereits Schaltungen vorgeschlagen, um eine ungeregelte Eingangsgleichspannung in eine geregelte Ausgangsgleichspannung mit Isolierung der Eingangs- von der Ausgangsseite umzusetzen. Zu solchen Schaltungen gehören Gegent-aktwandler, Rückkopplungsregler und Brückenwandler. Die bekannten Schaltungen sind mit verschiedenen Mangeln behaftet. Im allgemeinen erzeugen hohe Spannungs-Schwankungen am Eingang hohe Spannungs- und Strombelastungen bei den in solchen Regelschaltungen enthaltenen Halbleitern. Durch die in solchen Regelschaltungen verwendeten Siebkondensatoren treten ferner hohe Ströme auf..Zur Lösung dieses Problems wurden bereits zwei Lösungswege vorgeschlagen, nämlich die Anwendung von relativ teuren Halbleitern oder auch parallelgeschalteten Halbleitern oder eine vorherige Aufbereitung des Stromes auf der Eingangsseite, wodurch jedoch Herstellungskosten und Umfang der

Schaltungen vergrößert werden, während der Wirkungsgrad abnimmt.

Aufgabe der Erfindung ist insbesondere die Schaffung eines Stromwandlers, der von den oben aufgeführten Mangeln frei ist.

Diese Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Durch die Erfindung wird ein Doppeltransformator-Wandler geschaffen, der die meisten Schwierigkeiten behebt, die bei herkömmlichen Wandlern auftreten. Eine Steuereinheit liefert ein pulsdauermoduliertes Rechtecksignal, dessen Tastverhältnis von der Ausgangsspannung abhängt. Das Rechtecksignal ist über einen Transformator an Leistungs-Schalttransistoren angekoppelt, die um 180° gegeneinander phasenverschoben arbeiten. Durch Siebung der Ausgangssignale der Leistungsschalter wird eine geregelte Ausgangsgleichspannung erzeugt.

Wie im einzelnen weiter unten erläutert wird, wird durch Zusammenschalten von Transformatoren zu einem Doppeltransformator die Ausgangswelligkeit beträchtlich vermindert. Ferner tritt eine starke Verminderung der Spannungs- und Strombelastungen der Halbleiter in der Schaltung auf, verglichen mit herkömmlichen Regelungen. Bei herkömmlichen Regelungen treten Stromwelligkeiten auf, die gleich dem ausgangsseitigen Laststrom sind, so daß ein übermäßig groß dimensioniertes Ausgangsfilter vorgesehen sein muß. Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird die Stromwelligkeit auf ein Drittel des ausgangsseitigen Laststromes vermindert, so daß auch nur ein Drittel des Siebaufwandes erforderlich ist. Durch die Anwendung von zu

einem Doppeltransformator geschalteten Transformatoren kann ferner eine einfache und zweckmäßige Parallelschaltung der Schalttransistoren und Ausgangsgleichrichter erreicht werden, wodurch die elektrischen Gesamtbelastungen an all diesen Elementen vermindert werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Stromwandlers;

Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild des erfindungsgemäßen Stromwandlers, wobei eine Pulsdauermodulation-Steuerschaltung als Block dargestellt ist;

Fig. 3 ein Schaltbild, das Einzelheiten der Pulsdauermodulation-Steuereinheit zeigt; und

Fig. 4 ein Taktdiagramm, das die Signale an verschiedenen Stellen des erfindungsgemäßen Stromwandlers zeigt.

Bei dem in Fig. 1 als Blockschaltbild gezeigten Stromwandler liefert eine Pulsdauermodulation-Steuereinheit 16 ein pulsdauermoduliertes (PDM) Rechtecksignal·, dessen Tastverhältnis abhängig ist von der am Anschluß 12 abgpqri HVmen Ausgangsspannung. Ein Transformator 18 koppelt das pulsdauermodulierte Rechtecksignal an Leistungsschalter 22 an, die auf die über die Eingangsleitung 10 zugeführte ungere-(joll.i; Glcuehiipaimumj einwirken. Das AuB<jamjHBicjn<i I <|or Leistungsschalter wird einer Siebschaltung 22 zugeführt, die .ι J ii lot:zt'Mi Schritt der Spaiimjnqnroqt..·,! un<( oiiic (!la! turuj bewirkt. Über eine Leitung 14 wird eine Rückkopplung dor

Ausgangsspannung zur PDM-Steuereinheit 16 vorgenommen.

Fig. 2 zeigt weitere Einzelheiten des Stromwandlers. Die anhand von Fig. 1 kurz erwähnte PDM-Steuereinheit 16 umfaßt einen Eingang 24, der an eine Stromquelle B+ angeschlossen ist. Eine St.rommessleitung 26 liefert eine weitere Eingangsgröße zu der Steuereinheit und mißt den Strom am Ausgang des Wandlers, wie später erläutert wird. Eine weitere Eingangsgröße wird über eine Leitung 27 an die Steuereinheit 16 angelegt und dient dazu, die Spannung am Ausgang des Wandlers zu messen. Eine gemeinsame Rückführung für die Steuereinheit 16 und den Ausgang des Wandlers erfolgt über eine Rückleitung 28.

Die Hauptwicklung des Transformators 18 ist mit dem Ausgang der Steuereinheit verbunden und umfaßt einen oberen Anschluß 30 und einen unteren Anschluß 34 sowie einen Mittelabgriff 32. Die Sekundärwicklung des Transformators umfaßt einen oberen Anschluß 36 und einen unteren Anschluß 48 mit einem Mittelabgriff 42, der an ein Rückführungspotential der Eingangsspannung über eine Verbindungsleitung 43 angeschlossen ist. Die PDM-Rechtecksignale aus der Steuereinheit 16 sind über den Transformator 18 an eine Leistungs-Schalteranordnung mit den Transistoren 40 und 46 in Emitterschaltung angekoppelt. Die Emitter 45 und 44 der Transistoren 40, 46 sind, mit dem Mittelabgriff 42 des Transformators 18 verbunden, welcher mit dem Rückführungspotential der Eingangsspannung verbunden ist. Die Basis 38 des Transistors 40 ist mit dem oberen Wicklungsanschluß 36 der Sekundärwicklung verbunden, während die Basis 50 des Transistors 46 mit dem unteren Anschluß 48 der Sekundärwicklung des Transformators 18 verbunden ist, wodurch der Eingangskreis der Leistungs-Schalttransistoren geschlossen ist. Der Ausgangskreis der Leistungs-Schalttran-

sistoren ist an die Primärwicklungen der zu einem Doppeltransformator geschalteten Transformatoren 56 und 57 angekoppelt. Insbesondere ist der Kollektor 52 des Transistors 40 an den oberen Anschluß der Primärwicklung 54 des Transformators angeschlossen, während der untere Anschluß 59 der Primärwicklung 54 mit dem positiven Potential der Eingangsspannung über eine Verbindungsleitung 60 verbunden ist. Die Eingangsspannung- wird durch einen Kondensator 64 stabilisiert, der parallel zum Eingang geschaltet ist. Der untere Anschluß der Primärwicklung 54 (Transformator 56) ist direkt mit dem oberen Anschluß der Primärwicklung 81 (Transformator 57) verbunden, so daß das bereits erwähnte positive Potential in gleicher Weise dem oberen Anschluß der Primärwicklung 61 zugeführt wird. Der Kollektor des Transistors 46 ist mit dem unteren Anschluß der Primärwicklung 61 über einen Verbindungsdraht 58 verbunden. Im Betrieb des Stromwandlers werden die PDM-Rechtecksignale aus dem Transformator 18 den Leistungs-Schalttransistoren 40 und 46 zugeführt,"die als gesättigte Schalter mit 180° Phasenverschiebung gegeneinander arbeiten. Während der Transistor 40 leitet, wird in dem Transformator 56 Strom aufgebaut; wenn der Transistor 40 sperrt, wird der Transistor 46 leitend, so daß er mit 180 Phasenverschiebung gegenüber dem Transistor 40 arbeitet. Der obere Anschluß der Sekundärwicklung 66 (Transformator 56) ist mit der Anode einer Diode 68 verbunden, während der untere Anschluß der Sekundärwicklung 72 (Transformator 57) mit der Anode einer Diode 74 verbunden ist. Die Kathoden der Dioden 68 und 74 sind parallel geschaltet und mit einer Leitung 76 verbunden. Wenn der Transistor 40 leitet, ist die Polarität derart, daß die Diode 68 in Sperrichtung vorgespannt ist. Wenn der Transistor 40 sperrt, wird die Diode 68 in Durchgangsrichtung polarisiert, so daß ein Laststrom geliefert wird, bis der Transistor

erneut leitet. In gleicher Weise wird bei der Diode 74 das Schalten des Transistors 46 und die Kopplung durch den Transformator 57 ausgenutzt. Die Diode 74 arbeitet j edoch mit 180 Phasenverschiebung gegenüber der Diode 68. ■

Die Kathode der Diode 68 ist über die Leitung 76 mit einem Anschluß 77 verbunden, der das positive Potential der Ausgangsspannung liefert. Die Verbindungsstelle'70 zwischen dem unteren Anschluß der Sekundärwicklung 66 (Transformator 56) und dem oberen Anschluß der Sekundärwicklung 72 (Transformator 57) ist mit einem Anschluß verbunden, der das Massepotential der Ausgangsspannung liefert. Um den im Ausgangskreis des Wandlers fließenden Strom zu messen, ist ein Widerstand 80 zwischen den Masseanschluß 28 und den Verbindungspunkt 70 der Sekundärwicklung der Transformatoren 56 und 57 geschaltet. Die bereits erwähnte Strommessleitung 26 mißt einen geringen Spannungsabfall am Widerstand 80, um auf diese Weise einen Schutz gegen Stromüberlastung zu ermöglichen. Kondensatoren 82 und 84 überbrücken die Ausgangsspannungsanschlüsse, um die Ausgangsspannung zu sieben und auf diese Weise eine gut stabilisierte Stromversorgung zu bilden.

Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 3 die PDM-Steuereinheit 16 erläutert. Sie umfaßt einen Operationsverstärker 86, dor als Fehlerspannunqsverstärker dient. Ein erster Eingang des Verstärkers ist über eine Loitung 88 und ei-ιιυη Widersinn*! ⁽)0 ein dor mil 24 bozo iehnotoii SLoI Io an (j i ο VurMortjum)üi-sp..innuiv| IM ,.iiufonrh loüiion . l\n\i I. IcI Ii Iu r — zu gelangt das negative Potential der Ausgangsspannung über die Leitung 28 und eine Zener-Diode 94 an die Leitung 88 bzw. den Eingang des Verstärkers 86. Der zweite Eingang 96 des Verstärkers 86 führt das positive Poten-

tial der Ausgangsspannung, die über eine Leitung 77 herangeführt wird. Der Ausgang 98 des Verstärkers 86 erzeugt ein Fehlersignal, das zwischen der Bezugsspannung B+ und der Ausgangsspannung liegt. Ein zweiter Operationsverstärker 100, der als Strom-Fehlerverstärker dient, ist an seinem ersten Eingang über eine Leitung 104 mit dem Masseanschluß 28 der Ausgangsspannung verbunden, während sein zweiter Eingang über eine Leitung 26 das dem Ausgangsstrom durch den Widerstand 80 (Fig. 2) entsprechende Signal führt, so daß der Verstärker 100 als Strom-Meßvorrichtung dient, durch die ein überstromschutz erreicht wird. Der Ausgang des Verstärkers 100 ist über Leitung 102 mit dem Ausgang des Verstärkers 86 verbunden, und zwar an einem Knotenpunkt 106, der wiederum mit dem ersten Eingang 108 eines Vergleichers 110 verbunden ist. Der Vergleicher ist ein Operationsverstärker mit hoher Verstärkung. Um die zweite Eingangsgröße für den zweiten Eingang 115 des Vergleichers 110 zu erläutern, wird nun auf einen Oszillator eingegangen, der Taktsignale an seinem Ausgang erzeugt, die zu einem Integrator 114 geleitet werden, welcher die Auslösesignale integriert, um ein Dreiecksignal zu erzeugen, wie es am Ausgang des Integrators 114 dargestellt ist. Die überlagerung des Gleichspannungs-Eingangssignales am Vercfleicher 110 mit dem dreieckförmigen Eingangssignal desselben ist neben der Leitung 126 und am Ausgang des Vergleichers 110 dargestellt. Ein pulsdauermoduliertes Signal, wie es neben der Leitung 126 dargestellt ist, weist Nulldurchgänge an den Schnittpunkten zwischen dem Dreiecksignal und dem Gleichspannungssignal auf. Das PDM-Signal auf Leitung 126 wird parallel zwei NAND-Schaltungen 120 und 124 zugeführt. Ein zweiter Eingang 118 der NAND-Schaltung 120 ist mit dem Ausgang eines Flip-Flop 117 verbunden, während ein Komplementärausgang 122 des Flip-Flop 117 einen zweiten Eingang der NAND-Schaltung 124 ansteuert. Die Aufgabe des

Flip-Flop 117 besteht darin, die VerknüpfungsschaItungen 120 und 124 synchron mit den Takt-Eingangspulsen des Flip-Flop 117 freizugeben, während diese in der Ausgangsleitung 116 des Oszillators erscheinen. Die Verknüpfungsschaltungen 120 und 124 werden mit 180° Phasenverschiebung gegeneinander freigegeben. Dieser Phasenunterschied des leitenden Zustandes wird an den beiden Ausgangsanschlüssen 128 und 129 an den oberen bzw. unteren Anschluß 30 bzw. 34 der Primärwicklung weitergegeben. Eine Bezugsspannung, nämlich B+, ist an den Mittelabgriff 32 der Primärwicklung des Transformators 56 über eine Halbleiter-Stromquelle 130 angeschlossen. Die in der Primärwicklung des Transformators 56 erscheinenden PDM-Impulse werden in der zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläuterten Weise an die darauffolgende Wandlerschaltung angekoppelt.

Fig. 4 ist ein Übersiehts-Taktdiagramm, das die verschiedenen Signalformen an den verschiedenen Stellen der Wand~ lerschaltung zeigt.

L θ e r s e i t e

Claims

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER ■ D-8OOO MÜNCHEN

SN 1-2106 D/hu

The Singer Company, Kearfott Division, Little Falls, New Jersey / U.S.A.

Stromwandler

PATENTANSPRÜCHE

( 1.j Stromwandler zur Erzeugung einer geregelten Gleichstrom-Ausgangs spannung, gekennzeichnet durch:

eine an ihrem Eingang mit der Ausgangsspannung verbundene Einrichtung (16) zur Erzeugung eines Impulssignales mit einem Tastverhältnis, das von der Ausgangsspannung abhängig ist;

eine Leistungs-Schaltereinrichtung (20), die durch eine ungeregelte Gleichstrom-Eingangsspannung vorgespannt ist;

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H.PRÜFER · D-8OOO MÜNCHEN 9O . WILLROIDERSTR. 8 - TEL. (089)640640

eine Einrichtung (18), die einen Ausgang der das Impulssignal erzeugenden Einrichtung (1"6) an einen Eingang der Leistungs-Schaltereinrichtung (20) zum Ansteuern derselben anschließt; und

eine Einrichtung (22) zum Filtern des Ausgangs der Schaltereinrichtung (20) und Erzeugen der geregelten Ausgangsspannung.
2. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Impulssignales einen Dreiecksignal-Generator und eine Einrichtung zum Vergleichen der Amplitude des Dreiecksignales aus dem Generator mit der Amplitude des Ausgangssignales und Erzeugen eines davon abhängigen Rechtecksignales umfaßt.
3. Stromwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungs-Schaltereinrichtung einen ersten und einen zweiten Transistor (40, -46) umfaßt, die Eingänge und Ausgänge aufweisen;

daß eine erste und eine zweite Transformator-Primärwicklung (54, 61) einen gemeinsamen Anschluß (59) aufweisen und an ihren freien Anschlüssen mit den Ausgängen der Transistoren (40, 46) verbunden sind;

eine Einrichtung zum Anschließen der ungeregelten Gleichstrom-Eingangsspannung an den gemeinsamen Anschluß (59) der Wicklungen vorgesehen ist;

die Sekundärwicklungen (66, 27) des ersten und des zweiten Transformators (56, 57) einen gemeinsamen Anschluß (70) aufweisen; und

daß eine Gleichrichtereinrichtung (68, 74) in den Stromkreis an den freien Anschlüssen der Sekundärwicklungen eingeschaltet ist.
4. Stromwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungs-Schaltereinrichtung umfaßt:

einen ersten und einen zweiten Transistor, die jeweils einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluß aufweisen;

eine Einrichtung, welche die ersten Ausgangsanschlüsse der Transistoren verbindet;

eine erste und eine zweite Transformator-Primärwicklung, die jeweils einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweisen;

eine Einrichtung, welche die ersten Anschlüsse der Wicklungen verbindet;

eine Einrichtung, die jeden der zweiten Anschlüsse der Wicklungen zu einem entsprechenden zweiten Ausgangsanschluß der Transistoren führt;

eine Einrichtung, welche die ungeregelte Gleichstrom-Eingangsspannung an die verbundenen ersten Anschlüsse der Wicklungen anlegt;

eine erste und eine zweite Transformator-Sekundärwicklung, die jeweils einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweisen;

eine Einrichtung, welche die ersten Anschlüsse jeder Sekundärwicklung verbindet; und

eine Mehrzahl von Gleichrichtereinrichtungen, die jeweils an einen zweiten Anschluß der Sekundärwicklungen angeschlossen sind.
5. Stromwandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung an die Ausgänge der

Gleichrichtereinrichtung angeschlossen ist.
6. Steuerschaltung für einen Stromwandler, der eine geregelte Gleichstrom-Ausgangsspannung erzeugt und eine Leistungs-Schaltereinrichtung umfaßt, die durch eine ungeregelte Eingangsspannung vorgespannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung an einem Eingang mit der Ausgangsspannung und an ihrem Ausgang mit der Leistungs-Schaltereinrichtung zur Ansteuerung derselben verbunden ist und umfaßt:

eine Verstärkereinrichtung, die an ihren Eingängen mit einer Bezugsspannung bzw. mit der Ausgangsspannung verbunden ist und einen Gleichspannungspegel erzeugt, der von der Ausgangsspannung abhängig ist;

eine Einrichtung zur Erzeugung eines Dreiecksignales; und

eine Vergleichereinrichtung, die an ihren Eingängen mit dem Ausgang der Verstärkereinrichtung bzw. mit einem Ausgang der Generatoreinrichtung verbunden ist, zur Erzeugung eines pulsdauermodulierten Signales, dessen Tastverhältnis von der Ausgangsspannung abhängt.
7. Stromwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verknüpfungsschaltungsanordnung an ihren Eingängen mit einer Einrichtung verbunden ist, welche das pulsdauermodulierte Signal mit einem Taktsignal synchronisiert.
8. Stromwandler nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Transformatoreinrichtung (18), die mit dem Ausgang der Verknüpfungsschaltungsanordnung verbunden ist und die pulsdauermodulierten Signale an die Leistungs-Schaltereinrichtung ankoppelt.
9. Stromwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Leistungs-Schaltereinrichtung (20) eine Transformatoranordnung (56, 57) angekoppelt ist und die Signale aus der Leistungs-Schaltereinrichtung an eine Einrichtung (68, 74) zum Gleichrichten der ausgekoppelten Signale anlegt.
10. Stromwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einen Ausgang der Gleichrichteranordnung und die Vergleichereinrichtung eine Einrichtung (80) geschaltet ist, welche den hindurchfließenden Strom mißt, der einen vorbestimmten Pegel überschreitet, wodurch die Steuereinheit vor Beschädigung durch Überstrom geschützt w i i:d.