DE3133040C2 - "Impulsleistungs-Steuersystem" - Google Patents

Abstract

Es wird ein Impulsleistungs-Steuersystem angegeben, das ein Impulsleistungs-Steuerelement aufweist, welches mit einem Kern aus einem amorphen weichmagnetischen Material aufgebaut ist, der eine erste und eine zweite Wicklung trägt. An ein Ende der ersten Wicklung wird eine erste Folge von Impulsen angelegt, während an ein Ende der zweiten Wicklung eine konstante Spannung oder eine zweite Folge von Impulsen angelegt wird. Das andere Ende der ersten Wicklung ist mit einem Ausgangsanschluß verbunden, während das andere Ende der zweiten Wicklung mit einem Stromsteuerungs-Transistor verbunden ist. Ein an dem anderen Ende der ersten Wicklung entstehender Ausgangsimpuls hat eine Anstiegsflanke, die der Anstiegsflanke eines Impulses der ersten Impulsfoge mit einer Zeitverzögerung nacheilt, die dem Leitwert des Transistors entspricht, und eine Abfallflanke, die im wesentlichen mit derjenigen des Impulses der ersten Impulsfolge synchron ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Impulsleistungs-Steuersystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 39 56 713 ist ein derartiges Impulsleistungs-Steuersystem zum Konstanthalten der Ausgangsspannung bekannt, bei der ein Multivibrator Verwendung findet, dessen Tastverhältnis z. B. bei auftretenden Versorgungsspannungsänderungen derart gesteuert wird, daß die Ausgangsspannung im wesentlichen konstant bleibt Die dort vorhandene Spulenanordnung dient als Ausgangsübertrager und besteht aus drei Wicklungen, wobei die zweite Wicklung als Ausgangsübertrager-Primärwicklung wirkt, die durch den Multivibrator und eine diesem nachgeschaltete Steuereinrichtung lediglich in ihrem Einschalt-ZAusschalt-Verhältnis entsprechend dem jeweiligen Multivibrator-Tastverhältnis, nicht aber hinsichtlich der jeweiligen Amplitude des über sie fließenden Stroms gesteuert wird. Die erste Wicklung des Ausgangsübertragers dient zar Erzeugung eines Rückkopplungssignals, während über die dritte Wicklung die Ausgangsspannung abgegeben wird. Allerdings ist zur von dem jeweiligen Tastverhältnis unabhängigen Konstanthaltung der Multivibratorfrequenz erheblicher schaltungstechnischer Aufwand erforderlich. Ferner begründet die Einkopplung der über die erste der drei Spulen des Ausgangstransformators ermittelten Regelspannung in den Multivibrator das Erfordernis einer Mehrzahl von Verbindungsleitungen und Schaltungselementen, was den erforderlichen schaltungstechnischen Aufwand und damit auch die Störanfälligkeit des bekannten Steuersystems noch weiter vergrößert

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Impulsleistungs-Steuersystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, das sich bei sehr gutem Betriebsverhalten durch einfachen Aufbau auszeichnet

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst

Erfindungsgemäß ist somit der Impulsgenerator mit einem Anschluß der ersten Wicklung der Spulenanordnung verbunden, an deren anderem Ausgangs-Anschluß die Ausgangsspannung des Systems über elektrische Zwischenglieder abgreifbar ist. Weiterhin wird durch die Steuereinrichtung die Amplitude des über die zweite Wicklung fließenden Stroms gesteuert, was seinerseits direkte Rückwirkungen auf die Breite der am Ausgang der ersten Wicklung auftretendem Impulse besitzt. Mit dieser Steuerung der Impulsbreite kann die Ausgangsspannung bei sehr einfachem Schaltungsaufbau und hoher Betriebszuverlässigkeit sowie Störunanfälligkeit konstant gehalten werden, ohne daß ein Eingriff in das Tastverhältnis oder die Frequenz des Impulsgenerators erforderlich ist. Dies begründet den weiteren Vorteil, daß ein äußerst präzise arbeitender und dennoch einfach aufgebauter Impulsgenerator mit festen Parametern verwendbar ist, so daß das Erfordernis einer großen Aufwand begründenden Regelbarkeit des Impulsgenerators entfallen kann.

Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Impulsleistungs-Steuersystem imstande, trotz der geringen Anzahl benötigter Bauteile eine verhältnismäßig hohe Leistung zu steuern und zeichnet sich ferner durch Vibrationsunanfälligkeit aus. so daß es beispielsweise auch in der Nähe vibrierender Bauteile ohne Funktionsbeeinträchtigung montierbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Aus den Druckschriften »Feinwerk und Meßtechnik«, 87 (1979) 1, S. 44 bis 45; DE-OS 29 20 084 (nicht vorveröffentlicht) und »elektronik Industrie« 11/12-1975, S. 217 bis 220, ist es bekannt, daß sich aus amorphen weichmagnetischen Metallen bestehende, beispielsweise in Form von Ringbandkernen ausgeführte Kernelemente sehr gut für die Anwendung bei Übertragern, Drosseln, Strom- und Impulswandern

sowie bei Impulsgebern eignen, da sie gleichzeitig mechanisch hart und magnetisch weich sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Impulsleistungs-Steuersystems,

Fig.2a eine perspektivische Darstellung der in F i g. 1 gezeigten Spulenanordnung,

Fig.2b in vergrößerter Darstellung das Schaltbild einer der beiden in Fig. 1 dargestellten Spuienanordnungen,

Fig.3 mehrere Zeitdiagramme zur Veranschaulichung des Verlaufs elektrischer Signale, die an verschiedenen Stellen de« in F i g. 1 gezeigten Impulsleistungs-Steuersystems auftreten, und

F i g. 4 einen Teil eines zweiten Ausführungsbeispiels des Impulsleistungs-Steuersystems.

In der Zeichnung sind durchgehend bei allen Darstellungen identische oder einander entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Das in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des Impulsleistungs-Steuersystems weist einen Impulsgenerator PGE auf, der aus einem mit einer Frequenz von 5 kHz schwingenden Multivibrator MM uüd einem Impulstransformator PT besteht An den Ausgangsanschlüssen des Impulsgenerators PGE, die den entgegengesetzten Enden der Sekundärwicklung des Impulstransformators PT entsprechen, werden zwei Impulsfolgen a und b bipolarer Impulse erzeugt, die gemäß Fig.3 entgegengesetzte Polaritäten bezüglich des Nullpotentials sowohl im positiven als auch im negativen Bereich besitzen. Die Impulsfolgen a und b werden an eine Impulsleistungs-Stsuervorrichtung PDC angelegt, die ein Paar von als Spulenanordnungen dienenden Impulsleistungs-, d. h. Tastverhältnis-Steuerelementen 1 und 2, Dioden 4, 5, 7 und 8 und einen npn-Transistor 6 aufweist, der einen Strompegel, d. h. die Amplitude des über ihn fließenden Stroms steuert. Das Impulsleistungs-Steuerelement 1 ist in vergrößerter perspektivischer Ansicht in Fig.2a gezeigt. Das Steuerelement 1 hat einen ringförmigen Kern la, der aus einer Spiralwicklung eines dünnen Blatts aus einem amorphen weichmagnetischen Material gebildet ist. An dem Kern la sind eine erste elektrische Wicklung 16 und eine zweite elektrische Wicklung Ic angebracht. Die elektrischen Anschlüsse des Steuerelements 1 sind in F i g. 2b gezeigt.

Nach F i g. 2b ist die erste elektrische Wicklung Indes Steuerelements 1 mit einem Ende an denjenigen Ausgangsanschluß des Impulsgenerators PGE angeschlossen, an dem die erste Impulsfolge a erzeugt wird, und mit dem anderen Ende über die Diode 4 an einen Anschluß 3 angeschlossen, an dem hinsichtlich des Tastverhältnisses gesteuerte Impulse erzeugt werden. Die zweite elektrische Wicklung Ic ist mit einem Ende an denjenigen Ausgangsanschluß des Impulsgenerators PGE angeschlossen, an dem die zweite Impulsfolge b erzeugt wird, und mit dem anderen Ende über die Diode 8 an den Kollektor des als Steuereinrichtung dienenden Transistors 6 angeschlossen. Wenn folglich bei dieser Schaltung ein Positiv-Spannungsteil der Impulsfolge a an das eine Ende der ersten Wicklung \b angelegt wird, wird an das eine Ende der zweiten Wicklung Ic ein Negativspannungsteil der Impulsfolge b angelegt; da jedoch die Diode 8 in Sperrichtung vorgespannt ist, fließt über die zweite Wicklung Ic kein Strom. Sobald der NegativspannungFteil der Impulsfolge a an das eine

Ende der ersten Wicklung angelegt wird, wird die Diode

4 gesperrt, so daß ein Stromfluß über die erste Wickiung \b verhindert ist Wenn jedoch der Positivspannungsteil der Impulsfolge b an das eine Ende der zweiten Wicklung Ic angelegt wird und der Transistor 6 leitend gemacht wird, fließt ein Strom über die zweite Wicklung Ic Damit tritt in Zusammenfassung gesehen auf abwechselnde Weise synchron mit den Impulsen a und b ein Stromfluß über die erste bzw. die zweite elektrische Wicklung auf. Da gemäß der Darstellung in der Fi g. 2b die erste und die zweite Wicklung in entgegengesetzten Richtungen erregt werden, wird ein magnetischer Fluß (bzw. eine Magnetisierung), der durch die Erregung der ersten Wicklung hervorgerufen wird, bei der Erregung der zweiten Wicklung vermindert oder aufgehoben bzw. umgekehrt Der Strompegel über die zweite Wicklung Ic und damit die Verringerung des Flusses ändern sich in Abhängigkeit von dem Ausmaß des Leitens bzw. dem Leitwert des Transistors 6. Das Zeitintervall von dem

2ü Anstieg eines Eingangsimpulses a bis zu dem Anstieg des Ausgangsimpulses c, d.h. die Verzögerungszeit (<x —β) (siehe Fig.3) des Anstiegs 'Vs Ausgangsimpulses c in bezug auf den Anstieg des Einj; angsinipuises a hängt von der Verringerung des Flusses ab. Die Verzögerungszeit (« —ß) ist bei einem hohen Leitwert des Transistors 6 länger und bei einem niedrigen Leitwet kürzer. Auf diese Weise hängt das Impulstastverhältnis β/κ von dem Leitwert des Transistors 6 ab. Die Ausgangsimpulse des Steuerelements 1 sind die in F i g. 3 strichliert dargestellten Impulse c. Die abfallenden Flanken der Impulse c sind im wesentlichen synchron mit den abfallenden Flanken der Impulse a bzw. b.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine zweite Impuisleistungs-Steuerschaltung durch das zweite Impulsleistungs-Steuerelement 2, die Dioden 5 und 7 und den gemeinsamen Transistor 6 gebildet. Bei dieser Steuerschaltung wird die impulsfolge b an die erste Wicklung des Steuerelements 2 gelegt, während an dessen zweite Wicklung die Impulsfolgt a angelegt wird. Demzufolge erscheinen an der Kathode der Diode

5 diejenigen in Fig.3 gezeigten Impulse c, die nicht striohliert dargestellt sind. Auf diese Weise erzeugen das erste und das zweite Impulsleistungs-Steuerelement 1 und 2 Impulse, die die gleiche Periode wie die Eingangsimpulse a haben. Diese Impulse sind bei dem Anlegen an den Ausgangsanschluß 3 hinsichtlich der Tastverhältnisse gesteuert und gegeneinander um 180° phasenverschoben. Daher werden an dem Ausgangsanschluß 3 die in der F i g. 3 gezeigten Impulse c mit der doppelten Frequenz der Eingangsimpulse a, die 5 kHz ist, und mit einem Tastverhältnis ßlo. erzielt, das von dem Leitwert des Transistors 6 abhängt. Bei dem Aufbau nach F i g. 1 ist das(Konstantspannungs-)Steuersystt.T· durch die Zusammenschaltung der Impulsleistungs-Steuervorrichtung PDC, einer Gegenstromdiode 11, einer Glättungjdrossel 9, eines Glättuflgskondensators 10, Gegenkopplungswiderständen i3,14 und 15 und einer Zenerdiode 16 gebildet. Die Zenerdiode 16 ist zwischen den Emitter des Transistors 6 und Masse geschaltet. An den Emitter des Transistors 6 wird über den Widei stand 15 eine Ausgangsspannung d gelegt, wodurch ein Durchschalten der Zenerdiode <6 hervorgerufen wird, so daß das Emitterpotential konstant gehalten wird. An dem Widerstand 14 entsteht eine zu der Ausgangsspannung d proportionale Spannung, die als Steuerspannung an die Basis des Transis:ors 6 angelegt wird. Demgemäß nimmt mit einer Abnahme

der Ausgangsspannung c/dcr Leitwert des Transistors 6 ab, wodurch die über die zweiten elektrischen Wicklungen der Steuerelemente 1 und 2 fließenden Ströme verringert werden, was wiederum zu einer Herabsetzung der Flußverminderung mittels der zweiten elektrischen Wicklungen führt, so daß dadurch das Tastverhältnis ß/& vergrößert und damit die Ausgangsspannung </erhöht wird. Wenn im Gegensatz dazu die Ausgangsspannung d ansteigt, steigt der Leitwert des Transistors 6 an, so daß die Flußverringerung gesteigert wird, wodurch zu einer Herabsetzung der Ausgangsspannung rfdas Tastverhältnis ßla verringert wird.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wurde die Ausgangsspannung d gemessen. Das Material und die Dimensionen der verwendeten Steuerelemente 1 und 2 sind in der nachstehenden Tabelle 1 dargestellt, während die Meßergebnisse in der nachstehenden Tabelle 2 dargestellt sind.

Tabelle 1
Steuerelemente 1 und 2

Kern la
Material

Form

Wicklung \b

Wicklung Ic

Amorphe Legierung Fe^Ni^
l'Äiom GeM/.-το), Biaüuichie
= 0,050 mm

Geschichteter Ringkern aus

10 Blättern (Fig. 2ä), Di — 6 ΓΓιΓΓι,

Do = 12 mm, H = 2 mm

50 Windungen 40 Windungen

Tabelle 2

Laststrom (\)

(HV)

Welligkeit von d (mVss)

Basisspannung des Transistors 6 (V)

Emitterspannung des Transistors 6 (V)

Welligkeit dsr Emitterspannung (mVss)

Basis/Emitter-Spannung (V)

0	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7
7.54	7.52	7.51	7.51	7.51	7.50	7.50	7.50
5	30	30	40	45	50	50	55
5.75	5.73	5.73	5.72	5.72	5.72	5.72	5.72
5.12	5.11	5.11	5.11	5.11	5.11	5.12	5.12
20	20	20	20	20	20	20	30
0.63	0.62	0.62	0.61	0.61	0.61	0.59	0.59

Tabelle 2 (Fortsetzung)

Laststrom (A)	0	0.8	0.9	1.0	1.1	1.2	1.3	i.4
d (V)	7.54	7.50	7.50	7.49	7.49	7.49	7.49	7.48
Welligkeit von d (mVss)	5	60	60	65	65	70	75	75
Basisspannung des Transistors 6 (V)	5.75	5.72	5.72	5.72	5.71	5.71	5.71	5.71
Emitterspannung des Transistors 6 (V)	5.12	5.12	5.12	5.12	5.12	5.12	5.12	5.13
Welligkeit dur Emitterspannung (mVss)	20	30	30	30	30	30	35	35
Basis/Emitter-Spannung (V)	0.63	0.59	0.59	0.59	0.59	0.59	0.59	0.58

Die in F i g. 3 gezeigten Welligkeiten der ^usgangsspannung d und der Emitterspannung haben eine 1OkHz entsprechende feste Periode synchron mit den Impulsen c und nehmen Pegel an, die von den Parametern der Glättungsdrossel 9 und des Glättungskondensators 10 abhängen. Die Daten gemäß Tabelle 2 zeigen, daft die Ausgangsspannung d gegenüber Änderungen des Laststroms über einen weiten Bereich stabilisiert ist

Bei dem in F i g. 1 gezeigten (Konstantspannungs-)-Steuersystem ist bei voll leitendem Transistor 6 der Maximalwert der an der Wicklung \c anliegenden Spannung im wesentlichen gleich dem Positivspannungsteil der Impulse b abzüglich der durch die Zenerdiode 16 bestimmten Bezugsspannung (Emitterpotential). Wenn der Transistor 6 gesperrt ist, ist die an der zweiten Wicklung anliegende Spannung gleich Null, was den Minimalwert darstellt Auf diese Weise ändert sich die anliegende Spannung in Abhängigkeit von dem Leitwert des Transistors 6 über einem weiten Bereich. D. h., das Tastverhältnis ß/cx. kann über einen erweiterten Bereich gesteuert werden, wodurch die Stabilität der Konstantspannungssteuerung verbessert wird

Fig.4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Impulsleistungs-Steuersystems. In diesem Fall werden an das eine Ende der ersten Wicklung einpolige Impulse angelegt (die zwischen positivem Pegel und Massepegel wechseln), während die zweite Wicklang an eine Konstantspannungsquelle angeschlossen wird, wobei der Pegel des über die zweite Wicklung fließenden

Erregungsstroms mittels des Transistors 6 gesteuert wird. Der über die zweite Wicklung fließende Strom wird so gewählt, daß er in einem Bereich im wesentlichen unterhalb des über die erste Wicklung fließenden Impuisstroms liegt, so daß der von ersten Wicklung hervorgerufene Fluß sowohl für die Intervalle positiven Pegels als auch für die Intervalle des Massepegels der Eingangsimpulse verringert wird. Dies·,· Art der Steuerung der Impulsleistung bzw. des

Impulstastverhältnisses dadurch, daß normalerweise ein Strom über die zweite Wicklung geführt wird und dessen Pegel gesteuert wird, ist auch bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung anwendbar. Beispielsweise können die Anschlüsse der zweiten Wicklungen der in F i g. 1 gezeigten Steuerelemente 1 und 2 von den Impulsgenerator PCEgelöst werden und statt dessen an eine Konstantspannungsquelle angeschlossen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Impulsleistungs-Steuersystem mit einer Spulenanordnung, die mindestens einen aus magnetischem Material bestehenden Kern und aine erste und eine zweite am Kern angeordnete Wicklung aufweist einem Impulsgenerator zum Erzeugen von einer der Wicklungen zuführbaren Impulsen, einer Stromversorgungsschaltung zum Anlegen einer Spannung an einen ersten Anschluß der zweiten Wicklung und einer mit dem zweiten Anschluß der zweiten Wicklung verbundenen Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (PGE) mit einem Anschluß der ersten Wicklung (\b) verbunden ist und daß die Steuereinrichtung (6) die Amplitude des über die zweite Wicklung (ic) fließenden Stroms in Abhängigkeit von einer vom zweiten Anschluß der ersten Wicklung (Ib) abgeleiteten Steuerspannung steuert.

Z Stccersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (\a) aus amorphem weichmagnetischem Material besteht und als ringförmiger Schichtkern mit einer aus einem dünnen Blatt hergestellten Spiralwicklung ausgeführt ist

3. Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Stromversorgungsschaltung ein Impulsgenerator (PUE) ist

4. Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Stromversorgungsschaltung eine Konstantspannungsquelle ist (F i g. 4).

5. Steuer?Ystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine identisch wie die erste aufgeoaute zweite Spulenanordnung (2) vorhanden ist und daß der Impulsgenerator (PGE) zwei gegeneinander um 180° phasenversetzte Impulsfolgen (a, b) erzeugt, die jeweils einer der Spulenanordnungen zuführbar sind.

6. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß als Ausgangsspannung des Systems die von dem zweiten Anschluß der ersten Wicklungen) abgeleitete, gleichgerichtete und geglättete Spannung dient und daß die Steuerspannung durch Widerstandsteilung der Ausgangsspannung gewonnen wird.

7. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den Emitter der als Transistor ausgeführten Steuereinrichtung (6) und Masse eine Zenerdiode (16) geschaltet ist und die Steuerspannung an der so Basis des Transistors anliegt.

8. Steuersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Transistors (6) über zumindest eine Diode (7,8) mit dem zweiten Anschluß der erste(n) Wicklung(en) verbunden ist.