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Regelbarer Gleichspannungswandler
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Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannunswandler
zum Betrieb eines Gleichspannungsverbrauchers und/oder zum Laden eines Energiespeichers,
wobei der Gleichspannungswandler wahlweise über einen Gleichrichter an Eingangsspannungsguellen
unterschiedlicher Höhe anschließbar ist.
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Zur Erleichterung der Bedienung und Handhabbarkeit ist es bei transportfähigen
elektrischen und elektronischen Geräten erwünscht, daß die Geräte an verschiedenen
Netz spannungen und sowohl an Wechselspannungs-als auch an Gleichspannungsnetzen
betrieben werden können. Falls die betreffenden elektronischen Geräte auch netzunabhängig
betrieben werden sollen und zu diesem Zweck Energiespeicher wie beispielsweise Akkumulatoren
aufweisen, so ist es darüber hinaus ebenfalls erwünscht, daß diese Akkumulatoren
an verschiedenen Netzspannungen aufladbar sind.
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Beispielsweise werden elektrische Trockenrasierapparate, Elektronenblitzgeräte,
Kofferradios oder dgl.
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oft auf Auslandsreisen mitgenommen und dann in den jeweiligen Ländern
mit unterschiedlichen Netzspannungen betrieben. Diese Netz spannungen variieren
in der Regel in der Höhe einerseits zwischen 110 und 240 Volt und andererseits in
der Frequenz zwischen 50 Hz und 60 Hz.
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Für die Anpassung der kleinen Geräte bzw. Akkumulatoren an die verschiedenen
Spannungen ist eine Spannungstranformation erforderlich, die kapazitiv oder
induktiv
durchgeführt werden kann. Zur Ladung von Akkus aus dem speisenden Netz, die zum
Betrieb von Kleingeräten eingesetzt sind, ist es bei einer gedrängten Bauweise üblich,
anstelle der Netzfrequenz eine höhere Frequenz zur Transformation zu verwenden,
wodurch der Transformator für die gleiche über tragunosleistung wesentlich kleiner
werden kann.
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Die Netzspannung wird hierzu gleichgerichtet und die Gleichspannung
von einem Sperr-oder Durchlaßwandler in Impulse mit einer Folgefrequenz von z.B.
20 kHz umgesetzt.
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Aus der DE-OS 2014377 ist eine derartige Transistor-Wandlerschaltung
bekannt, mit deren Hilfe aus einer Netzwechselspannung zum einen ein Ladestrom für
einen Akkumulator und zum anderen ein höherer Gleichstrom für den Antrieb eines
Motors erzeugt werden kann..
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Hierbei ist ein hochfrequenzbetriebener Durchlaßwandler mit sättigbarem'Kern
vorgesehen, der primärseitig an die gleichgerichtete Netzspannung angeschlossen
ist und sekundärseitig die gewünschten Ströme liefert. Diese bekannte Schaltung
läßt sich nur an einer bestimmten Netzspannung betreiben, paßt sich also nicht automatisch
an unterschiedliche Spannungen an. Da der Kern des Wandlers jeweils in die Sättigung
gelangt, ist der Wirkungsgrad.dieser bekannten Schaltung nur klein und es ergeben
sich darüber hinaus thermische Probleme.
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Aus der US-PS 4005351 ist eine Schaltungsanordnung zur geregelten
Speisung eines Verbrauchers aus Eingangsspannungsquellen unterschiedlicher Spannungen
bekannt, bei der ein Sperrwandler benutzt wird, dessen Primärwicklung in Reihe mit
einem Schalttransistor
und einem Emitterwiderstand liegt. Eine Sekundärwicklung
speist dabei den Verbraucher und die Rückkopplung erfolgt über eine weitere Wicklung.
An die Basis des Schalttransistors ist ein weiterer Transistor angeschaltet, an
dessen Basis die am Emitterwiderstand abfallende Spannung über eine Diode anliegt.
Auch bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist die Spannungswandlung insbesondere
für kleine Geräteeinheiten mit relativ hohen Verlusten verbunden. Diese liegen wie
bei der o.g. bekannten Anordnung zum Teil im Schalttransistor an den Übergängen
von einem in den anderem Schaltzustand und an der bei Hochspannungstransistoren
üblichen hohen Sättigungsspannung. Den größeren Verlustanteil verursacht jedoch
der im Volumen meist klein gehaltene Transformator bzw. Wandler durch die hohe Magnetisierung
und die niedrigen Drahtquerschnitte. Dies wirkt sich insbesondere in der damit verbundenen
Erwärmung nachteilig aus, wobei die Erwärmung den Drahtlack früher altern läßt und
die Spannungsfestigkeit der Isolierung vermindert. Wegen der kleinen Abmessung der
Transformatorspulen sind die Abstände für die anliegende Spannung ohnedies sehr
niedrig, so daß die Isolierung der Wandler bzw.
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Transformatoren erhebliche Probleme mit sich bringt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gleichspannungswandler
zum Betrieb eines Gleichspannungsverbrauchers und/oder zum Laden eines Energiespeichers
zu schaffen, der eine große Betriebssicherheit durch die Verringerung der Ausfallmöglichkeiten
in Folge von Isolationsproblemen und eine große Wirtschaftlichkeit durch' geringe
Verluste bei der Gleichspannungswandlung gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kondensator gelöst,
der über einen ersten elektronischen Schalter und eine erste Drossel aus der Eingangsspannungsquelle
aufladbar und über einen zweiten elektronischen Schalter und eine zweite Drossel
in den Gleichspannungsverbraucher oder den Energiespeicher entladbar ist, wobei
der Gleichspannungsverbraucher oder Energiespeicher mit seinem einen Anschluß mit
den Anoden bzw. Kathoden zweier in entgegengesetzter Durchlaßrichtung gepolter Dioden
verbunden ist, deren Kathoden bzw.
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Anoden an jeweils einen Anschluß der Drosseln angeschlossen sind.
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Die erfindungsgemäße Lösung gewährleistet sowohl eine große Betriebssicherheit
als auch eine erheblich gesteigerte Wirtschaftlichtlichkeit gegenüber den bekannten
Wandlerschaltungen. Der Bedarf von zwei Drosseln gegenüber einem Transformator bzw.
Wandler bei den bekannten Schaltungsanordnungen erscheint zunächst als Mehraufwand,.wobei
jedoch zu berücksichtigen ist, daß die Drosseln für die gleiche Leistung nur das
halbe Volumen aufweisen und wesentlich einfacher zu wickeln sind. Darüber hinaus
sind die Windungszahlen und der Kernluftspalt von untergeordneter Bedeutung, so
daß keine besonders exakte Fertigung erforderlich ist. Außerdem entfallen bei der
erfindungsgemäßen Lösung die Transformationsverluste, so daß die Erwärmung bei gleicher
Leistung und halbem Kernvolumen je Drossel wesentlich geringer ist. Schließlich
bleiben die auftretenden Spannungen erheblich unter der Betriebsspannung, so daß
die Isolation bei nur
einer Wicklung leichter als bei einem Transformator
oder Wandler zu beherrschen ist. Bei der beanspruchten Anordnung werden zwar statt
eines Leistungstransistors zwei elektronische Schalter, insbesondere zwei Thyristoren
benötigt, wobei diese jedoch bei gleicher Dauer leistung üblicherweise preisgünstiger
als vergleichbare Transistoren und darüber hinaus robuster insbesondere bezüglich
der Spitzenstrombelastung sind, so daß der beanspruchte Gleichspannungswandler den
bekannten Sperr-oder Durchlaßwandlern unter gleichen Bedingungen an Betriebssicherheit
insgesamt erheblich überlegen ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter in Reihe mit der zweiten
Drossel parallel an -die Eingangsspannungsguelle geschaltet sind, daß der Kondensator
einerseits an die Verbindung der beiden elektronischen Schalter und andererseits
an die Verbindung der ersten Diode mit der ersten Drossel angeschlossen ist und
daß die zweite Diode anodenseitig an den negativen Pol des Gleichspannungsverbrauchers
und/oder Energiespeichers und kathodenseitig an die Verbindung des zweiten elektronischen
Schalters mit der zweiten Drossel angeschlossen ist.
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Beide Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung können sowohl mit
festem Einschaltverhältnis für die elektronischen Schalter als auch mit-einem, den
jeweiligen Bedingungen angepaßten, regelbaren Einschaltverhältnis arbeiten.
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Ein mit festem Einschaltverhältnis in Abhängigkeit von der anliegenden
Gleichspannung arbeitender Gleichspannungswandler ist dadurch gekennzeichnet, daß
die elektronischen Schalter über jeweils eine Triggerdiode an die Verbindung jeweils
eines Triggerwiderstandes mit jeweils einem Triggerkondensator angeschlossen sind,
die in Reihe geschaltet parallel an die Durchlaßstrecke der elektronischen Schalter
angeschlossen sind.
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Der Steuerkreis für die elektronischen Schalter eines regelbaren Gleichspannungswandlers
ist dadurch gekennzeichnet, daß an die Verbindung der beiden Dioden anodenseitig
eine Zenerdiode angeschlossen ist, die kathodenseitig mit der Basis eines ersten
Transistors verbunden ist, dessen Kollektor-Emitterstrecke an die Gleichspannungsklemmen
der Eingangsspannungsquelle angeschlossen ist und dessen Kollektor mit der Basis
eines zweiten Transistors verbunden ist, dessen Emitter an den positiven Pol der
Spannungsklemme angeschlossen ist und de.ssen Kollektor mit dem Trigger-Kondensator
des ersten'elektronischen Schalters verbunden ist. Dabei kann d.ie Basis des ersten
Transistors an einen Spannungsteiler angeschlossen sein, dessen einer Widerstand
mit dem positiven Pol und dessen anderer Widerstand mit dem negativen Pol der Spannungsquelle
verbunden ist.
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Bei dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung kann durch Verändern
des Ladestromes für den Triggerkondensator die Zündung des einen elektronischen
Schalters oder beider elektronischer Schalter über einen großen Bereich verzögertEund
damit'der Ladestrom für
den Energiespeicher entsprechend verändert
werden oder wahlweise gegenüber Netzspannungsschwankungen konstant gehalten werden.
Damit eignet sich diese Schaltung auch für den Anschluß des elektrischen Verbrauchers
bzw. des Energiespeichers an Netzspannungen unterschiedlicher Höhe.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll
der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Die Figuren 1
und 2 zeigen die Schaltbilder zweier Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Gleichspannungswandlers mit wahlweise festem oder regelbarem Einschaltverhältnis
für die elektronischen Schalter.
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Der in Figur 1 dargestellte Gleichspannungswandler weist einen Gleichspannungszwischenkreis
+U mit B einem Kondensator 15 auf, der parallel an dieGleichspannungsklemmen eines
Gleichrichters 30 geschaltet ist.
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Die Wechselspannungsklemmen des Gleichrichters 30, der vorzugsweise
aus 4 in Gleichstromrückenschaltung gepolten Dioden besteht, sind an ein speisendes
Wechselstromnetz UN angeschlossen. Der Gleichspannungswandler kann mit dem Gleichrichter
30 auch direkt an einem Gleichstromnetz betrieben werden, da in einem derartigen
Falle die jeweils zur Durchlaßrichtung gepolten Dioden ständig leitend sind und
durch die Festlegung der Stromflußrichtung bei Falschpolung des Gerätes keine Gefährdung
der Schaltungsanordnung gegeben ist.
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Parallel zu dem im Gleichspannungszwischenkreis befindlichen Kondensator
15 ist die Reihenschaltung zweier elektronischer Schalter 1, 2 und einer zweiten
Drosselspule 5 vorgesehen.
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Die elektronischen Schalter sind in diesem Ausführungsbeispiel als
Thyristoren ausgebildet. Von der Verbindung der beiden Thyristoren 1,2 ausgehend
ist ein Kondensator 3 vorgesehen, an dessen zweiten Anschluß eine erste. Drosselspule
4 angeschlossen ist, die wiederum mit der Kathode des zweiten Thyristors 2 verbunden
ist.
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Parallel zur ersten Drosselspule 4 sind in entgegengesetzter Durchlaßrichtung
gepolt zwei Dioden 6,7 geschaltet, die mit ihren Kathoden mit der ersten Drosselspule
4 verbunden sind. Schließlich ist an die anodenseitige Verbindung der beiden Dioden
6,7 einerseits und an den negativen Pol des Gleichspannungszwischenkreises andererseits
ein Energiespeicher in Form eines Akkumulators 8 angeschlossen. Parallel zu dem
Akkumulator 8 kann über einen nicht näher dargestellten Schalter ein ebenfalls nicht
näher dargestellter Gleichspannungsverbraucher gelegt und aus dem Akkumulator 8
mit Spannung versorgt werden.
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Der Zündkreis für die Thyristoren 1,2 besteht aus einer parallel zur
Durchlaßstrecke der Thyristoren 1,2 vorgesehenen Reihenschaltung jeweils eines Triggerwiderstandes
13 bzw. 14 mit einem Triggerkondensator 11 bzw.
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12, an deren Verbindung einerseits und an die Steuerelektroden der
Thyristoren-1,2 andererseits Triggerdioden 9,10 angeschlossen sind.
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Der bislang beschriebene erfindungsgemäße Gleichspannungswandler arbeitet
im Betrieb mit festem Einschaltverhältnis für die elektronischen Schalter 1, 2.
Soll das Einschaltverhältnis der elektronischen Schalter 1, 2 den jeweiligen äußeren
Bedingungen angepaßt werden, so tritt das nachstehend beschriebene Reglerteil hinzu.
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An den Ausgang des Gleichspannungswandlers, d. h. an die Verbindung
der beiden Dioden 6, 7 wird anodenseitig eine Zenerdiode 18 angeschlossen, die kathodenseitig
mit der Basis eines ersten Transistors 16 verbunden ist.
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Die Basis dieses ersten Transistors 16 ist durch Anschluß an einen
Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 19, 22, die an die Gleichspannungsquelle
+UB angeschlossen sind, vorgespannt. Während der Emitter des ersten Transistors
16 unmittelbar mit dem negativen Pol der Spannungsquelle -UB angeschlossen ist,
ist der Kollektor des ersten Transistors 16 über die Reihenschaltung zweier Widerstände
20, 21 an den positiven Pol der Spannungsquelle +UB angeschlossen.
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An die Verbindung dieser beiden Widerstände 20, 21 ist die Basis eines
zweiten, zum ersten Transistor 16 komplementären Transistors 17 angeschlossen, dessen
Emitter an den positiven Pol der Spannungsquelle +UB und dessen Kollektor über einen
weiteren Widerstand 13 an den Trigger-Kondensator 11 des ersten elektronischen Schalters
angegeschlossen ist.
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Der schaltungsmäßige Aufbau des regelbaren Gleichspannungswandlers
gemäß Fig. 2 entspricht weitestgehend dem Aufbau des Gleichspannungswandlers gemäß
Fig.
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1 mit der Ausnahme, daß die erste Drosselspule 4 unmittelbar an den
negativen Pol des Gleichspannungszwischenkreises angeschlossen ist. Auch dieses
zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsge£;aßen Gleichspannungswandlers kann für
ein regelbares Einschaltverhältnis der elektronischen Schalter mit einem Reglerteil
gemäß Fig. 1 versehen werden. Zu diesem Zweck sind die gestrichelt dargestellten
Anschlußverbindungen an die in Fig. 1 eingetragenen Anschlüsse A und B angeschlossen.
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Wird der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler statt mit festem
Einschaltverhältnis mit einem verstellbaren bzw. regelbaren Einschaltverhältnis
betrieben, so entfällt der in Reihe zum festem Trigger-Kondensator 11 geschaltete
Trigger-Widerstand 13 mit den gestrichelt dargestel.lten Verbindungen, da an seine
Stelle der in Reihe zur Emitter-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors 17 geschaltete
Widerstand 13 tritt.
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Nachstehend soll die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers
mit festem Einschaltverhältnis näher erläutert werden: Bei dem erfindungsgemäßen
Gleichspannungswandler wird der Kondensator 3 mittels des ersten Thyristors 1 über
die erste Drossel 4 an die Zwischenkreisspannung +UB gelegt und entsprechend aufgeladen
und über den zweiten Thyristor 2 und die zweite Drossel 5 entladen.
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Bei der Auf-bzw. Entladung des Kondensators 3 wird in den Drosselspulen
4, 5 ein entsprechendes Magnetfeld aufgebaut. Die mit den Drosseln 6, 7 einerseits
und mit dem Akkumulator 8 andererseits verbundenen Dioden sind so gepolt, daß sie
beim Auf-bzw. Entladen des Kondensators sperren, so daß der. Lade-bzw. Entladestrom
über die Drosseln A, 5 fließen muß. Dabei beschränken die Drosseln 4, 5 die Spitze
und Anstiegsgeschwindigkeit des Lade-bzw. Entladestromes auf den schaltungstechnisch
zulässigen Wert. Bei. Abfall des Magnetfeldes der Drosselspulen 4, 5 tritt an den
Drosseln eine Spannung mit umgekehrtem Vorzeichen auf, für die die Dioden 6, 7 in
Durchlaßrichtung gepolt sind, so daß der Akkumulator 8 geladen wird.
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Beim Einschalten des Gleichspannungswandlers ist der Kondensator 3
zunächst spannungslos, so daß die Zwischenkreisspannung an der Anode und Kathode
des ersten Thyristors 1 anliegt-. Nachdem der Triggerkondensator 11 des ersten Thyristors
1 auf die Durchbruchspannung der mit der Steuerelektrode des ersten Thyristors 1
verbundenen Triggerdiode 9 aufgeladen ist wird der erste Thyristor 1 gezündet. Nach
dem Zünden des ersten Thyristors 1 wird der Kondensator 3 über die Anoden-Kathoden-Strecke
des ersten Thyristors 1 und die erste Drossel 4 auf geladen. Der erste Thyristor
1 erlöscht, wenn der Kondensator 3 soweit aufgeladen ist, daß der Haltestrom des
ersten Thyristors 1 unterschritten wird.
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Daraufhin liegt die Zwischenkreisspannung -UB am zweiten Thyristor
2 an, der dann gezündet wird, wenn sein zugeordneter Triggerkondensator 12 ausreichend
geladen istund die Durchbruchspannung der mit seiner Steuerelektrode verbundenen
Triggerdiode 10 überschritten ist. Mit dem Zünden des zweiten Thyristors 2 fließt
die Ladung des Kondensators 3 über die Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors 2
und die zweite'Drossel 5 in den angeschlossenen Akkumulator 8. Sinkt der Entladestrom
des Kondensators 3 unter den Haltestrom für den Thyristor 2, so erlischt der Thyristor
2 und der Ausgangszustand ist damit wieder hergestellt, woraufhin sich der gesamte
Vorgang wiederholen kann.
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Durch Varändern des Ladestromes für den Triggerkondensator 11 des
ersten Thyristors 1 und/oder für den.
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Triggerkondensator 12 des zweiten Thyristors 2 kann die Zündung des
ersten und/oder des zweiten Thyristors über einen großen Bereich verzögert und damit
der Ladestrom bzw. Entladestrom für den Kondensator 3 verändert
werden.
Vorteilhafterweise wird lediglich der Ladestrom für den ersten Triggerkondensator
11 verändert, wodurch die Zündung des ersten Thyristors 1 über einen großen Bereich
verzögert und damit der Ladestrom für den Akkumulator entsprechend, beispielsweise
im Verhältnis 1:100 verändert wird. Zu diesem Zweck ist die Steuerelektrode des
ersten Thyristors 1 mit dem in Figur 1 dargestellten Reglerteil für den ersten Thyristor
1 verbunden.
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Die Einschaltdauer des im Ladestromkreis des Triggerkondensators 11
liegenden Transistors 17 bestimmt die Verzögerung der Zündung des ersten Thyristors
1 und ermöglicht es, den Ladestrom für den Akkumulator 8 unabhängig von Spannungsschwankungen
des Gleichspannungszwischenkreises bzw. des speisenden Wechselstromnetzes konstant
zu halten.
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Dazu wird - wie bereits oben beschrieben - der Ausgang des Gleichspannungswandlers,
d. h. die Verbindung der beiden Dioden 6, 7 an die Anode der Zenerdiode 18 angeschlossen,
die kathodenseitig mit-der Basis des ersten Transistors 16 verbunden ist. Erreicht
die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers die Höhe der Zenerspannung der
Zenerdiode 18 abzüglich der durch den Spannungsteiler mit den Widerständen 19, 22
gegebenen Offnungsspannung, so wird die öffnungsspannung und damit auch der Kollektorstrom
des ersten Transistors 16 herabgesetzt. Dies wiederum bewirkt eine Herabsetzung
der öffnungsspannung und damit des Kollektorstromes des zweiten Transistors 17 und
somit eine Verzögerung der Aufladung des Trigger-Kondensators 11 des ersten elektronischen
Schalters 1. Auf diese Weise wird die Schalthäufigkeit des Gleichspannungswandlers
soweit herabgesetzt, daß die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers den durch
die
Zenerdiode 18 gegebenen Wert nicht überschreiten kann.
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Dabei ist es gleichgültig, ob der Anlaß den Einsatz der Regelung durch
eine Anderung der Betriebsspannung, d. h. der Gleichspannungskreis-Spannung oder
der Netzspannung oder durch eine Anderung der Ausgangsbelastung gegeben ist. Die
Regelung reicht dabei von der völligen Sperrung des zweiten Transistors 17 und einer
damit verbundenen Sperrung des ersten elektronischen Schalters 1 und damit auch
des zweiten elektronischen Schalters 2 bis zum völligen Öffnen des zweiten Transistors
17,Im letztgenannten Falle ist bis auf den geringen Spannungsabfall der Emitter-Kollektor-Strecke
des zweiten Transistors 17 nur noch der Widerstand 13 als Ladewiderstand bzw. Triggerwiderstand
für den Triggerkondensator 11 wirksam, so daß der Gleichspannungswandler seine maximale
Schalthäufigkeit erreicht.
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Anstelle des in Figur 1 dargestellten Regierteils kann auch eine gesonderte
Schaltung vorgesehen werden, die bestimmte Parameter, wie beispielsweise die Erwärmung
des Akkumulators 8, den Ladezustand des Akkumulators 8 o.dgl., erfaßt. Bei der in
Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung wird das Einschaltverhältnis des Transistors
17 von der Zwischenkreisspannung +UB beeinflußt, d. h. bei steigender Zwischenkreisspannung
+U3 herabgesetzt, so daß bei steigender Zwischenkreisspannung +UB die Einschaltdauer
des ersten Thyristors 1 herabgesetzt wird.
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