DE3147402C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen selbstschwingenden Gleichspannungswandler in Sperrwandlerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein Gleichspannungswandler dieser Art ist aus der britischen Patentschrift 11 52 295 bekannt.

Bei diesem bekannten Gleichspannungswandler ist die Basis des zweiten Transistors mit dem Emitter des Schalttransistors sowie mit dem Gleichspannungsausgang galvanisch verbunden. Die an der Kollektor-Emitterstrecke des zweiten Transistors während der Sperrzeit des Schalttransistors liegende Spannung richtet sich direkt nach der Spannung an der Rückkopplungswicklung.

Aus JP-Abstracts 53-81 913 ist es bei einem Gleichspannungs-Gleichspannungswandler bekannt, einen Phototransistor als Steuertransistor vorzusehen und in Verbindung mit einer Photodiode in Form eines Optokopplers zu verwenden.

Aus der US-Patentschrift 29 46 924 ist ein Gleichspannungswandler in Sperrwandlerschaltung bekannt, bei welchem der mit seiner Kollektor-Emitterstrecke zwischen Basis und Emitter des Schalttransistors angeschlossener Steuertransistor mit seinem Emitter an den Emitter des Schalttransistors über einen Kondensator verbunden ist, der über eine Rückkopplungswindung des Transformators aufgeladen wird und beim Sperren des Schalttransistors das Emitterpotential des Steuertransistors in Durchlaßrichtung und dasjenige des Schalttransistors in Sperrichtung verschiebt.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem selbstschwingenden Gleichspannungswandler der eingangs genannten Art mit galvanischer Trennung zwischen Ein- und Ausgang den Abschaltvorgang des Schalttransistors beim Auftreten von Überstrom oder Überspannung zu beschleunigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen selbstschwingenden Gleichspannungswandler in Sperrwandlerschaltung gelöst, wie er im Patentanspruch gekennzeichnet ist.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist bzw. sind

Fig. 1 ein Schaltbild eines selbstschwingenden Gleichspannungswandlers in Sperrwandlerschaltung ohne Spannungserhöhungsschaltung,

Fig. 2 ein Wellenformdiagramm, das die Schwingung eines Sperrschwingers wiedergibt,

Fig. 3 ein Wellenformdiagramm, das die Spannungen an verschiedenen Punkten der Schaltung der Fig. 1 zeigt,

Fig. 4 eine Kurvendarstellung der Arbeitscharakteristik derselben,

Fig. 5 ein Schaltbild eines weiteren Beispiels einer Überspannungs-Feststellungsschaltung,

Fig. 6 ein Teilschaltbild, das eine Ausführungsform mit Spannungserhöhungsschaltung zur Ermittlung einer Überspannung mit verbesserter Empfindlichkeit zeigt, und

Fig. 7 und 8 Teilschaltbilder, die jeweils weitere Ausführungsformen mit Spannungserhöhungsschaltungen zeigen.

Gemäß Fig. 1 umfaßt eine gleichrichtende Glättungsschaltung 1 eine Diodenbrücke 11 und einen mit den Ausgängen der Diodenbrücke 11 verbundenen Glättungskondensator 12. Die Diodenbrücke 11 ist mit Wechselspannungseingangsanschlüssen über einen Stromstöße verhindernden Widerstand 13 verbunden. Wenn die Versorgungsspannungsquelle Gleichspannung liefert, kann die Schaltung 1 auch weggelassen sein. Die Ausgangsspannung der gleichrichtenden Glättungsschaltung 1 wird auf einen Sperrschwinger gegeben.

Der Sperrschwinger besteht im wesentlichen aus einem Transistor 2, einem Transformator 3 und einer Differenzierschaltung 22. Der Transformator 3 weist eine Primärwicklung 31, eine Mitkopplungswicklung 32 und eine Sekundärwicklung 33 auf. Die Polarität der in diesen Wicklungen 31 bis 33 induzierten Spannungen ist durch schwarze Punkte angezeigt, die jeweils die gleiche Polarität darstellen. Wenn beispielsweise das mit dem schwarzen Punkt markierte Ende der Wicklung 31 auf positiver Polarität ist, dann haben die in den Wicklungen 32 und 33 induzierten Spannungen die positive Polarität ebenfalls an den mit schwarzen Punkten markierten Ende. Die Primärwicklung 31, der Transistor 2 und ein Widerstand 61 der später noch zu beschreibenden Überstrom-Feststellungsschaltung 6 sind in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung liegt zwischen den Ausgängen der gleichrichtenden Glättungsschaltung 1. Eine Spannungsspitzeneliminatorschaltung 26 ist der Wicklung 31 parallelgeschaltet. Die Differenzierschaltung 22 umfaßt einen Kondensator 23 sowie einen Widerstand 24 und liegt zwischen der Basis des Transistors 2 und dem einen Ende der Wicklung 32. Das andere Ende der Wicklung 12 ist mit dem negativen Anschluß der Schaltung 1 verbunden, wobei dieser Anschluß in der Regel geerdet ist. Ein Anlaßwiderstand 21 ist zwischen dem positiven Anschluß der Schaltung 1 und der Basis des Transistors 2 angeschlossen. Eine Rückwärtsvorspannungs-Verhinderungsdiode 25 ist zwischen der Basis des Transistors 2 und dem negativen Anschluß der Schaltung 1 angeschlossen. Mit der Sekundärwicklung 33 des Transformators 3 ist eine gleichrichtende Glättungsschaltung 4 verbunden, die eine Gleichrichtungsdiode 41 und einen Glättungskondensator 42 umfaßt.

Wenn beispielsweise eine Wechselspannungsquelle eingeschaltet wird, um die Schaltung unter Spannung zu setzen, fließt ein Basisstrom für den Transistor 2 durch den Anlaßwiderstand 21, womit ein Kollektorstrom zu fließen beginnt. Der durch die Primärwicklung 31 fließende Kollektorstrom induziert in der Wicklung 32 eine Spannung proportional zur Anstiegsgeschwindigkeit des Kollektorstroms, wobei die Spannung positive Polarität an dem mit dem schwarzen Punkt markierten Wicklungsende hat. Die in der Wicklung 32 induzierte Spannung hat zunehmende Tendenz und wird durch die Schaltung 22 differenziert und als positive Spannung auf die Basis gegeben. Dies erhöht den Basisstrom, was folglich den Kollektorstrom weiter erhöht. Infolge der über den Transformator 3 so bewirkten Mitkopplung gelangt der Transistor 2 schließlich in die Sättigung (in den leitenden Zustand). Gleichzeitig wird zwar eine Spannung auch in der Sekundärwicklung 33 des Transformators induziert, wobei die Spannung positive Polarität an dem mit dem schwarzen Punkt markierten Wicklungsende hat, es fließt aber kein Strom, da die Diode 41 in Sperrichtung liegt.

Mit Sättigung des Transistors 2 wird der Kollektorstrom in der Wicklung 31 und dem Transistor 2 im wesentlichen konstant und beinhaltet keine Änderungen mehr. Dementsprechend nimmt die in der Wicklung 32 induzierte Spannung ab und wird schließlich zu null. Da die fortschreitend abnehmende Spannung an der Wicklung 32 der Differenzierschaltung 22 zugeführt wird, die ihrerseits ein Ausgangssignal auf die Basis des Transistors gibt, beginnt der Basisstrom abzunehmen. Dies vermindert den Kollektorstrom des Transistors 2 ebenfalls, wodurch eine Spannung proportional zur Abnahmegeschwindigkeit des Kollektorstroms und mit negativer Polarität an dem mit dem Punkt markierten Ende der Wicklung 32 in dieser Wicklung 32 induziert wird, was eine Abnahme des Basisstroms und damit eine weitere Verminderung des Kollektorstroms zur Folge hat. Die so über den Transformator 3 bewirkte Mitkopplung bringt schließlich den Transistor 2 in einen Sperrzustand. Gleichzeitig wird in der Sekundärwicklung 33 des Transformators 3 eine Spannung mit negativer Polarität an dem mit dem Punkt markierten Ende induziert, so daß die im Transformator 3 gespeicherte elektrische Energie über die Diode 41 freigesetzt wird und den Kondensator 42 auflädt.

Wenn der Transistor 2 aus dem leitenden Zustand herausgebracht ist, fließt kein Strom mehr durch den Transistor 2 bzw. die Wicklung 31. Dadurch nimmt die induzierte Spannung in der Wicklung 32 zu und erreicht schließlich den Wert null (weil sie an dem mit dem Punkt markierten Ende negativ ist). Das sich aus der zunehmenden Spannung an der Wicklung 32 ergebende differenzierte Ausgangssignal wird auf die Basis des Transistors 2 gegeben, mit dem Ergebnis, daß ein Basisstrom zu fließen beginnt, worauf auch ein Kollektorstrom zu fließen beginnt. Der Transistor 2 wird dann durch die oben beschriebene Mitkopplung erneut in die Sättigung geführt. Der Anlaßwiderstand 21, der dazu gedacht ist, das Schwingen des Sperrschwingers sanft einzuleiten, ist nicht immer notwendig.

Auf diese Weise wird der Transistor 2 wiederholt in und außer Leitung gebracht, wobei jedesmal, wenn der Transistor 2 sperrt, der Kondensator 42 der gleichrichtenden Glättungsschaltung 4 geladen wird. Die in der Schaltung 4 gespeicherte elektrische Energie wird der Last 10 zugeführt. Wenn die Eingangswechselspannung konstant ist und die Last 10 keine Schwankungen beinhaltet, arbeitet der Sperrschwinger mit konstanter Frequenz und gibt eine konstante Spannung auf die Last 10.

Gemäß Fig. 1 ist eine Überspannungs-Feststellungsschaltung 5 zwischen den Ausgängen der gleichrichtenden Glättungsschaltung 4 angeschlossen. Diese Schaltung 5 umfaßt eine Zener-Diode 52, einen Widerstand 53 und eine (im folgenden als "LED" bezeichnete) Leuchtdiode 51, die alle in Reihe geschaltet sind. Andererseits ist ein einen Basisanschluß aufweisender Phototransistor 7 zwischen der Basis des Transistors 2 und dem negativen Anschluß der Schaltung 1 angeschlossen. Die Basis des Phototransistors 7 ist über eine Diode 62 mit dem Emitter des Transistors 2 verbunden. Eine Rückwärtsvorspannungs- Verhinderungsdiode 71 ist zwischen der Basis des Phototransistors 7 und dem negativen Anschluß der Schaltung 1 angeschlossen. Die LED 51 und der Phototransistor 7 bilden einen optoelektronischen Koppler. Die Überstrom-Feststellungsschaltung 6 umfaßt den vorgenannten Widerstand 61 und die vorgenannte Diode 62. Mit der Diode 62 kann ein weiterer Widerstand in Reihe geschaltet sein. Eine Differenzierschaltung 8 für eine Mitkopplung ist zwischen dem Kollektor des Transistors 2 und der Basis des Phototransistors 7 angeschlossen. Die Schaltung 8 umfaßt einen Kondensator 81 und einen Widerstand 82.

Wenn beispielsweise die Impedanz der Last 10 aus irgendeinem Grund ansteigt und bewirkt, daß die Ausgangsspannung der gleichrichtenden Glättungsschaltung 4 über den durch die Zener- Diode 52 definierten Wert ansteigt, bricht die Zener-Diode 52 durch und läßt einen Strom durch die LED 51 zu, die dann Licht abgibt. Dies bringt den Phototransistor 7 in den leitenden Zustand, mit dem Ergebnis, daß der Strom, der eigentlich in die Basis des Transistors 2 fließen würde, teilweise zum Phototransistor 7 fließt. Die Abnahme des Basisstroms des Transistors 2 verkürzt die Zeitdauer, während der der Transistor 2 leitend ist. Je höher die Ausgangsspannung der Schaltung 4 ist, desto größer ist der Strom durch die LED 51, desto kleiner ist der Kollektor-Emitterwiderstand des Phototransistors 7 und desto größer ist der Kollektorstrom. Infolgedessen nimmt der Basisstrom des Transistors 2 weiter ab, was die Leitzeitdauer des Transistors 2 weiter verkürzt und die im Transformator 3 gespeicherte elektrische Energie weiter vermindert. Dies senkt und stabilisiert die Ausgangsspannung der Schaltung 4.

Die Fig. 3 und 4 zeigen, wie die Ausgangsspannung stabilisiert ist. Fig. 3 zeigt die beobachteten Wellenformen für die Kollektorspannung V 1 des Transistors 2, die Spannung V 2 zwischen dem Emitter des Transistors 2 und dem Widerstand 61 und die Ausgangsspanung V 3 der gleichrichtenden Glättungsschaltung 4. In diesem Diagramm ist nur die Spannung V 2 in stark vergrößertem Maßstab gezeigt. Wenn der Phototransistor 7 in Leitung gebracht ist, wird die Leitzeitdauer des Transistors 2 kürzer, was eine Zunahme der Schwingungsfrequenz des Sperrschwingers zur Folge hat. Da der Kondensator 42 geladen wird, wenn der Transistor 2 sperrt, pulsiert die Spannung V 3 leicht. Fig. 4 zeigt die Ausgangsspannung der Schaltung 4 und die Schwingungsfrequenzcharakteristik des Sperrschwingers in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom der Schaltung 4. Wenn die Impedanz der Last 10 zunimmt und der Ausgangsstrom abnimmt, nimmt die Schwingungsfrequenz zu, mit dem Ergebnis, daß die Ausgangsspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird.

Wenn die Versorgungswechselspannung aus irgendeinem Grund zunimmt und einen übermäßigen Strom durch den Transistor 2 bewirkt, nimmt die Spannung V 2 am Widerstand 61 zu, und diese Spannung V 2 wird über die Diode 62 auf den Phototransistor 7 gegeben und bringt ihn in Leitung. Dies verkürzt ebenfalls die Leitungsdauer des Transistors 2. Mit anderen Worten, die Kollektor-Emitterimpedanz (der spezifische Widerstand) des Transistors 2 nimmt zu und schützt den Transistor 2 vor einem übermäßigen Strom und verhindert die Sättigung des Transformators 3. Da die Frequenz des Sperrschwingers zunimmt, nimmt die Ausgangsenergiezufuhr ebenfalls ab und verhindert eine Zunahme der Ausgangsspannung.

Wenn die Impedanz der Last 10 auf einen sehr kleinen Wert abnimmt oder wenn die Last 10 kurzgeschlossen wird, trachtet ein übermäßiger Ausgangsstrom zu fließen, und ebenso trachtet der Strom durch den Transistor 2 zuzunehmen. Folglich wird der Phototransistor 7 leitend und der Transistor 2 nichtleitend. Die Ausgangsspannung nimmt gemäß Fig. 4 ab. Dementsprechend ist ein übermäßiger Ausgangsstrom verhindert und der Transistor 2 ebenfalls geschützt. Wenn danach das Arbeiten wieder aufgenommen wird, steigt die Ausgangsspannung nicht abrupt an, so daß die Schaltung 4 ebenfalls geschützt ist.

Die Differenzierschaltung 8 leistet die folgende Funktion. Wenn der Phototransistor 7 leitend zu werden beginnt, nimmt der spezifische Kollektor-Emitterwiderstand des Transistors 2 zu, wonach die Kollektorspannung V 1 anzusteigen beginnt. Die Schaltung 8 stellt die zunehmende Änderung der Spannung V 1 fest und koppelt das Ausgangssignal auf die Basis des Phototransistors 7 mit, womit das Leitendwerden des Phototransistors 7 beschleunigt wird. Wenn der Transistor 2 nach der Abgabe von Energie an der Sekundärwicklung des Transformators 3 zu leiten beginnt, nimmt umgekehrt die Kollektorspannung V 1 ab. Da die abnehmende Änderung der Spannung V 1 durch die Differenzierschaltung 8 auf die Basis des Phototransistors 7 als negative Spannung gegeben wird, wird dieser außer Leitung gebracht, was gestattet, daß der Transistor 2 rasch in Sättigung leitend wird. Wenn die Ausgangsspannung ansteigt oder wenn die Versorgungswechselspannung ansteigt, kommt der Phototransistor 7 in Leitung, was, wie oben beschrieben, eine Abnahme des Basisstroms des Transistors 2 bewirkt. Folglich ist wahrscheinlich, daß der Transistor 2 instabil in und außer Leitung kommt. Die Mitkopplung durch die Schaltung 8 auf den Phototransistor 7 stellt jedoch ein stabiles Schwingen des Sperrschwingers sicher. Fig. 2 zeigt die Kollektorspannung V 1 des Transistors 2. Die gezeigte Wellenform V 1 a stellt die Spannung dar, wenn die Schaltung 8 vorgesehen ist, während die Wellenform V 1 b das instabile Schwingen bei Fehlen der Schaltung 8 darstellt. In letzterem Fall ist eine intermittierende Schwingung das Ergebnis oder ein Stillstand zwischen dem leitenden Zustand und dem nicht-leitenden Zustand des Transistors 2 wahrscheinlich, was eine größere Welligkeit verursacht. Die Schaltung 8 erhält eine stabile Schwingung aufrecht und erweitert den zulässigen Bereich für Schwankungen der Eingangsspannung und Last.

Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Überspannungs-Feststellungsschaltung 5. Ein Transistor 54 ist mit der LED 51, der Zener-Diode 52 und dem Widerstand 53 in Reihe geschaltet. Widerstände 55 und 56 sind zwischen den beiden Anschlüssen der gleichrichtenden Glättungsschaltung 4 angeschlossen. Die Basis des Transistors 54 ist mit dem gemeinsamen Punkt dieser Widerstände 55, 56 verbunden. Der Emitter des Transistors 54 ist über einen Widerstand 7 mit dem positiven Anschluß der Schaltung 4 verbunden. Wenn die Ausgangsspannung der Schaltung 4 ansteigt, wird der Transistor 54 in Leitung gebracht und läßt einen Strom durch die LED 51 fließen, die ihrerseits Licht abgibt.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform mit Spannungserhöhungsschaltung zur Erzielung einer besseren Empfindlichkeit auf Überspannung. Mit dem Phototransistor 7 ist eine Vorspannungsschaltung bzw. Spannungserhöhungsschaltung 9 verbunden, die eine Reihenschaltung aus einer Diode 91 und einem Kondensator 92, die parallel zur Wicklung 32 liegt, und einem mit dem Emitter des Phototransistors 7 verbundenen Widerstand 93 enthält. Der gemeinsame Punkt der Diode 91 und des Kondensators 92 ist mit dem Emitter des Phototransistors 7 verbunden. Wenn in der Wicklung 32 eine Spannung mit der negativen Polarität an dem mit dem Punkt markierten Ende induziert wird, wird der Kondensator 92 über die Diode 91 aufgeladen. Da die negative Spannung am Kondensator 92 auf den Emitter des Phototransistors 7 gegeben wird, hat der Phototransistor 7 eine erhöhte Potentialdifferenz zwischen seinem Kollektor und Emitter. Folglich leitet der Phototransistor schnell, auch wenn die auf ihn von der LED 51 her einfallende Lichtmenge gering ist.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform mit Spannungserhöhungsschaltung, die zur Überwindung von Schwankungen der Versorgungsspannung und der Last eingerichtet ist. Die gezeigte Schaltung umfaßt die Schaltung der Fig. 6, in die noch eine weitere Zener-Diode 75 eingebaut ist. Die Zener-Diode 75 ist zwischen der Basis des Transistors 2 und dem Emitter des Phototransistors 7 angeschlossen. Die Anode der Diode 75 ist durch die Ladung des Kondensators 92 negativ vorgespannt. Wenn infolge eines Anstiegs der Versorgungsspannung ein übermäßiger Strom fließt, wird in der Wicklung 32 eine erhöhte Spannung induziert und damit das Potential des Kondensators 92 gesenkt. Wenn die Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen der Zener-Diode 75 die Zener-Spannung übeschreitet, bricht die Diode 75 durch, so daß der Basisstrom des Transistors 2 in die Zener-Diode 75 fließen kann. Dies setzt die Leitzeitdauer des Transistors 2 herab, so daß, wie bereits beschrieben, die Ausgangsspannung konstant gehalten wird. Die Schaltung ist wirksam auch gegenüber Schwankungen der Last 10, gegenüber denen die Zener-Diode und der Phototransistor 7 in zwei Stufen arbeiten, was den zulässigen Bereich für Lastschwankungen erheblich vergrößert.

Fig. 8 zeigt eine weitere Verbesserung in der Schaltung der Fig. 7. Der Phototransistor 7 hat einen Basisanschluß. Die Anode der Zener-Diode 75 ist mit der Basis des Phototransistors 7 verbunden. Basis und Emitter des Phototransistors 7 sind über einen Widerstand 76 verbunden. Die Zener-Diode 75, der Phototransistor 7 und der Widerstand 76 bilden eine Verstärkungsschaltung. Wenn die Diode 75 durchbricht und Strom durchläßt, wird das Basispotential des Phototransistors 7 höher als sein Emitterpotential, so daß der Strom auch zum Phototransistor 7 fließt und den Basisstrom des Transistors 2 weiter vermindert.

Claims (2)

1. Selbstschwingender Gleichspannungswandler in Sperrwandlerschaltung

   • - mit einem Transformator mit Primär-, Sekundär- und Rückkopplungswicklung,
   • - mit einem Schalttransistor in Reihe zur Primärwicklung, dessen Basisstrom der Rückkopplungwicklung entnommen wird,
   • - mit einem zweiten Transistor, dessen Kollektor mit der Basis des Schalttransistors verbunden ist und der diesem den Basisstrom entzieht, wenn er
     • I. aufgrund einer überhöhten Ausgangsgleichspannung oder
     • II. infolge eines überhöhten Stromes durch den Schalttransistor des Wandlers durchgesteuert wird,
2. dadurch gekennzeichnet, daß

   • - der zweite Transistor (7) als Phototransistor mit zusätzlichem Basisanschluß ausgebildet ist,
   • - der bei überhöhter Ausgangsgleichspannung durch das Lichtsignal einer Photodiode (51),
   • - und bei überhöhtem Strom durch den Schalttransistor (2) über seinen Basisanschluß durchgesteuert wird,
   • - wobei die Kollektor-Emitterstrecke des Phototransistors (7) an einer aus der Rückkopplungswicklung (32) während der Sperrzeit des Schalttransistors (2) abgeleiteten und mittels einer Spannungserhöhungsschaltung (9) hochgesetzten Spannung liegt.