DE3716825C2

DE3716825C2 - DC/DC-Eintaktdurchflußwandler

Info

Publication number: DE3716825C2
Application number: DE19873716825
Authority: DE
Inventors: Erhard Dipl Ing Neumann
Original assignee: Eckardt AG
Current assignee: Eckardt AG
Priority date: 1987-05-20
Filing date: 1987-05-20
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2007-05-21
Also published as: DE3716825A1

Description

Die Erfindung betrifft einen DC/DC-Eintaktdurchflußwandler mit einem Transformator, dessen Primärwicklung mit einem von einer Steuerschaltung angesteuerten und mit einer Entlastungsschal tung versehenen Schalttransistor verbunden und von einer Ein gangsspannung beaufschlagt ist, und an dessen Sekundärwicklung über eine serielle Gleichrichterdiode eine Last anschließbar ist, sowie mit einer Speicherinduktivität.

Ein derartiger Wandler ist beispielsweise aus "Joachim Wüstehu be u.a., Schaltnetzteile, zweite überarbeitete Auflage, Expert- Verlag, 1982" bekannt. Dort sind auf den Seiten 25 bis 40 die Eigen schaften und Arbeitsprinzipien von Schaltnetzteilen beschrie ben. Eine Grundschaltung eines Eintaktdurchflußwandlers ist im Bild 1.7 der Seite 32 angegeben. Diese Grundschaltung enthält einen Transformator mit einer Primärwicklung, einer Sekundär wicklung und einer sogenannten Entmagnetisierungswicklung, über die die während der Leitphase des Schalttransistors vom Trans formator zwangsläufig aufgenommene magnetische Energie in die Gleichstromquelle zurückgespeist wird. In der sekundärseitigen Speicherinduktivität wird während der Leitphase des Schalttran sistors Energie gespeichert, die in dessen Sperrphase über die zugehörige Freilaufdiode an die Last abgegeben wird. Wie den ebenfalls in dem Bild 1.7 dargestellten Zeitdiagrammen für den Kollektorstrom und die Kollektor-Emitter-Spannung des Schalt transistors zu entnehmen ist, treten am Schalttransistor große Strom- und Spannungsänderungen auf. Diese Änderungen haben hohe Funkstörspannungen des Wandlers zur Folge, die nur mit Hilfe von verlustbehafteten RC-Schaltungen vermieden werden können.

In dem Artikel von B. Taylor, Einfach taktvoll, elektronikpraxis Nr. 10, 1986, Seiten 52 bis 57 ist in Bild 1 nebst zugehöriger Beschreibung das Verlagern der Speicherdrossel eines Durchflußwandlers von der Sekundär- zur Primärseite beschrieben. Um damit verbundene unerwünschte Nebeneigenschaften zu beseitigen, wird dort vorgeschlagen, die Drossel durch einen Sperrwandler-Transformator zu ersetzen. Dies bedingt einen weiteren Kopplungspunkt zwischen Primär- und Sekundärseite. Bei einem entsprechenden, in Bild 3 vollständig gezeigten, sogenannten Fly-forward-Wandler greift zudem die Steuerschaltung für den Schalttransistor auch auf die Sekundärseite zu und ist eine mit ohmschen Verlusten arbeitende Entlastungsschaltung vorgesehen.

In der Patentschrift US 3 590 361 ist ein DC/DC-Sperrwandler mit einem Schalttransistor offenbart, der von einer vollständig auf der Primärseite angeordneten Steuerschaltung angesteuert wird, wobei die Steuerschaltung zur rückkoppelnden, indirekten Berücksichtigung der Wandlerausgangsspannung einen die Spannung an der Transformatorprimärwicklung erfassenden Abtastschaltkreis aufweist.

Bei einem aus dem Patent Abstract JP 61-210871 (A) bekannten DC/DC-Wandler ist eine aus zwei Dioden, einer Induktivität und einem Kondensator bestehende Entlastungsschaltung für einen Schalttransistor vorgesehen, wobei die beiden Dioden in Serie gegeneinander gepolt parallel zur Transistorschaltstrecke sowie Induktivität und Kondensator in Serie zwischen dem mit dem negativen Eingangsspannungspol verbundenen Emitteranschluß des Schalttransistors und dem positiven Eingangsspannungspol eingeschleift sind und ferner der Verbindungspunkt zwischen Kondensator und Induktivität mit demjenigen zwischen den Dioden kurzgeschlossen ist. Des weiteren besitzt dieser Wandler eine auf die Sekundärseite zugreifende Steuerschaltung für den Schalttransistor.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen DC/DC-Eintaktdurchflußwand ler zu schaffen, der nur geringe Funkstörspannungen erzeugt und dadurch mit einfachen Mitteln entstörbar ist und der möglichst wenig Kopplungspunkte zwischen Primär- und Sekundärseite erfordert.

Diese Aufgabe wird durch einen DC/DC-Eintaktdurchflußwandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch die Anordnung der Speicherinduktivität auf der Primärseite des Wandlers große Strom- und Spannungsänderungen an den Wicklungen des Transformators vermieden werden. Der nach dem Einschalten des Schalttransistors durch die Speicherinduktivität, die Primärwicklung und den Schalttransistor fließende Strom steigt von Null aus linear an. Nach dem Abschalten des Schalttransistors fließt der Strom über die Entlastungsschaltung und klingt verzögert ab. Spannungsspitzen, Überschwinger o. dgl. und damit hohe Funkstörspannungen werden insbesondere auf der Sekundärseite vermieden. Außer der Entlastungsschaltung ist auch die Steuerschaltung vollständig primärseitig angeordnet, so daß der Transformator als einziges potentialtrennendes Bauteil den einzigen Kopplungspunkt zwischen Primär- und Sekundärseite bildet. Die Steuerschaltung erfaßt die Spannung an der Primärwicklung und schaltet in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung den Schalttransistor in seinen gesperrten Zustand. Die an der Last des Sekundärkreises anliegende Ausgangsspannung kann dadurch gesteuert werden. Das Wiedereinschalten des Schalttransistors kann beispielsweise zeitabhängig vorgenommen werden.

In Weiterbildung der Erfindung besitzt die Steuerschaltung zum Ein- und Ausschalten des Schalttransistors ein RS-Flip-Flop und zugehörige Komparatoren sowie geeignete weitere Bauelemente zur Festlegung der Ein- und der Ausschaltdauer des Schalttransistors.

Insbesondere kann die Steuerschaltung so aufgebaut sein, daß durch Laständerungen verursachte Änderungen der Spannung an der Primärwicklung erfaßt und durch Veränderungen der Einschaltdauer ausgeregelt werden. Ebenfalls kann der mit steigender Eingangsspannung ansteigende Spannungsabfall an den Streuinduktivitäten insbesondere des Transformators kompensiert werden. Zweckmäßig ist es u. a., einen aus zwei Widerständen bestehenden, endseitig zwischen die Eingangsspannungspole eingeschleiften Spannungsteiler vorzusehen, dessen Mittelabgriff auf den dem spannungsabhängigen Abschalten des Schalttransistors zugeordneten Komparator einwirkt. Weiterhin kann die Steuerschaltung so aufgebaut sein, daß sie den Schalttransistor, nachdem dieser für eine vorbestimmte Maximalzeit seinen leitenden Zustand eingenommen hat, in seinen gesperrten Zustand schaltet. Auf diese Weise wird die maximale Einschaltdauer des Schalttransistors begrenzt. Eine Überlastung des Schalttransistors wird vermieden.

In Weiterbildung der Erfindung ist in der Entlastungsschaltung u. a. eine dem Schalttransistor parallel geschaltete Kapazität und eine Induktivität vorgesehen. Vorteilhaft ist es, wenn der Induktivität eine zweite Primärwicklung in Serie geschaltet ist. Dadurch wird erreicht, daß die während der Sperrphase des Schalttransistors zwischengespeicherte Energie während der nachfolgenden leitenden Phase in den Sekundärkreis übertragen wird.

Bei einer ersten Ausführungsform der Entlastungsschaltung ist vorgesehen, daß bei gesperrtem Schalttransistor die Kapazität nur aufladbar und erst bei leitendem Schalttransistor die Kapa zität über diesen entladbar ist. Eine Rückspeisung der zwi schengespeicherten Energie in die Eingangsspannungsquelle wird nicht durchgeführt. Die Energie wird beim Wiedereinschalten des Schalttransistors in den Sekundärkreis übertragen.

Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß bei ge sperrtem Schalttransistor die Kapazität aufladbar und auf eine an die Eingangsspannung angeschlossene Eingangskapazität teil weise umspeicherbar ist. Es findet also eine Rückspeisung der zwischengespeicherten Energie in die Eingangsspannungsquelle statt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erfin dungsgemäßer DC/DC-Eintaktdurchflußwandler. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild des DC/DC-Eintaktdurchflußwandlers mit einer ersten Entlastungsschaltung,

Fig. 2 das Schaltbild einer zweiten Entlastungsschaltung für den DC/DC-Eintaktdurchflußwandler der Fig. 1 und

Fig. 3 das Schaltbild einer dritten Entlastungsschaltung mit weiteren Schaltungskomponenten für den DC/DC- Eintaktdurchflußwandler der Fig. 1.

Bei dem DC/DC-Eintaktdurchflußwandler der Fig. 1 bilden eine Speicherinduktivität (11), eine erste Primärwicklung (20) eines Transformators (12), eine Diode (33) und ein Schalttransistor (14) einen an eine Eingangsspannung (U_E) angeschlossenen Pri märkreis. Der Emitter des Schalttransistors (14) ist an den ne gativen Pol der Eingangsspannung (U_E) angeschlossen. Die Katho de der Diode (33) ist mit dem Kollektor des Schalttransistors (14) verbunden. Der durch die erste Primärwicklung (20) flie ßende Strom (i_m) ist mit einem Pfeil gekennzeichnet. Die an der ersten Primärwicklung (20) und an der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors (14) anstehende Spannung (U_m) ist am Mit telabgriff der ersten Primärwicklung (20) und der Speicherin duktivität (11) eingezeichnet. Parallel zur Eingangsspannung (U_E) ist eine Eingangskapazität (10) geschaltet.

Mit der ersten Primärwicklung (20) ist eine Sekundärwicklung (23) des Transformators (12) magnetisch gekoppelt. Über eine Gleichrichterdiode (16) und eine Last (19) (siehe Fig. 2) ist ein Sekundärkreis geschlossen. An der Last (19) liegt eine Aus gangsspannung (U_A) an. Parallel zur Last (19) ist eine Aus gangskapazität (17) geschaltet. Die Kathode der Gleichrichter diode (16) ist mit dem positiven Pol der Ausgangsspannung (U_A) verbunden.

Zum Ein- und Ausschalten des Schalttransistors (14) ist eine Steuerschaltung (15) vorgesehen. Des weiteren ist der Primär kreis mit einer Entlastungsschaltung (13) versehen, die der Um speicherung und Zwischenspeicherung von Energie dient.

Bei dem DC/DC-Eintaktdurchflußwandler der Fig. 1 enthält die Entlastungsschaltung (13) eine Serienschaltung aus einer Diode (32), einer Induktivität (30), einer zweiten Primärwicklung (21) und einer Diode (34). Diese Serienschaltung ist der Diode (33) parallel geschaltet. Die Flußrichtung der Dioden (32, 34) der Serienschaltung entspricht der Flußrichtung der Diode (33). Die zweite Primärwicklung (21) ist Teil des Transformators (12) und damit magnetisch mit der ersten Primärwicklung (20) und der Sekundärwicklung (23) gekoppelt. Des weiteren enthält die Ent lastungsschaltung (13) eine Kapazität (31), die mit der Kathode der Diode (32) einerseits und dem negativen Pol der Eingangs spannung (U_E) andererseits verbunden ist.

Die Steuerschaltung (15) ist im wesentlichen aus einem Baustein (53) aufgebaut, der ein R-S-Flip-Flop (55), zwei den beiden Eingängen (R, S) zugeordnete Komparatoren (56, 57) und einen aus drei gleichen Widerständen (58) bestehenden Spannungsteiler enthält. Die Spannungsversorgung und sonstige Beschaltung des Flip-Flops (55) und der Komparatoren (56, 57) ist in der Fig. 1 nicht dargestellt.

Der Ausgang des Flip-Flops (55) ist über zwei Widerstände (50, 51) mit dem negativen Pol der Eingangsspannung (U_E) verbunden. An den Mittelabgriff der beiden Widerstände (50, 51) ist die Basis des Schalttransistors (14) angeschlossen.

Der nicht invertierende Eingang des Komparators (56) ist über eine in Flußrichtung geschaltete Diode (60) mit dem Ausgang des Flip-Flops (55) verbunden. Des weiteren ist der nicht invertie rende Eingang des Komparators (56) über einen Widerstand (63) an den gemeinsamen Anschluß der Speicherinduktivität (11) und der ersten Primärwicklung (20) angeschlossen. Über die Paral lelschaltung einer Kapazität (61) und eines Widerstandes (64) liegt der nicht invertierende Eingang des Komparators (56) am negativen Pol der Eingangsspannung (U_E) an. Über eine mit der Kathode an den nicht invertierenden Eingang des Komparators (56) angeschlossene Diode (66) ist der Komparator (56) mit dem Mittelabgriff einer Serienschaltung verbunden, die aus einem Widerstand (68) und einer Kapazität (69) besteht und die der Eingangsspannung (U_E) parallel geschaltet ist.

Der invertierende Eingang des Komparators (56) ist über einen der Widerstände (58) an eine stabilisierte positive Versor gungsspannung (U₀) angeschlossen. Über zwei der Widerstände (58) liegt der invertierende Eingang des Komparators (56) am negativen Pol der Eingangsspannung (U_E) an. Des weiteren ist dieser invertierende Eingang mit dem Mittelabgriff eines aus zwei Widerständen (71, 72) aufgebauten Spannungsteilers verbun den, der zur Eingangsspannung (U_E) parallel geschaltet ist.

Der nicht invertierende Eingang des Komparators (57) ist über zwei der Widerstände (58) an die Versorgungsspannung (U₀) und über einen der Widerstände (58) an den negativen Pol der Ein gangsspannung (U_E) angeschlossen.

Der invertierende Eingang des Komparators (57) ist mit dem Mit telabgriff einer Serienschaltung verbunden, die aus einem Wi derstand (74) und einer Kapazität (75) aufgebaut ist und die der Eingangsspannung (U_E) parallel geschaltet ist. Des weiteren ist der invertierende Eingang des Komparators (57) über eine Parallelschaltung mit dem Ausgang des Flip-Flops (55) verbun den, wobei die Parallelschaltung einerseits aus der Serien schaltung eines Widerstands (77) und einer mit der Kathode an den invertierenden Eingang angeschlossenen Diode (78) sowie an dererseits aus einem Widerstand (80) besteht.

Der Ausgang des Komparators (56) wirkt auf den R-Eingang des Flip-Flops (55) ein, während der Ausgang des Komparators (57) dessen S-Eingang beeinflußt.

Befindet sich der Schalttransistor (14) in seinem leitenden Zu stand, so fließt ein Strom vom positiven Pol der Eingangsspan nung (U_E) über die Speicherinduktivität (11), die erste Primär wicklung (20), die Diode (33) und den Schalttransistor (14) zum negativen Pol der Eingangsspannung (U_E). Der durch die Primär wicklung (20) fließende Strom (i_m), der linear ansteigt, bewirkt durch die magnetische Kopplung im Transformator (12) einen Stromfluß von der Sekundärwicklung (23) über die Gleichrichter diode (16) zur Last (19). Gleichzeitig fließt bei leitendem Schalttransistor (14) ein Strom von dem gemeinsamen Anschluß der Speicherinduktivität (11) und der ersten Primärwicklung (20) über den Widerstand (63) und die Kapazität (61) zum nega tiven Pol der Eingangsspannung (U_E). Dieser Strom lädt die Ka pazität (61) auf, so daß die Spannung am nicht invertierenden Eingang des Komparators (56) ansteigt. Durch die hohe Ausgangs spannung des Flip-Flops (55), das den Schalttransistor (14) in seinen leitenden Zustand versetzt, wird die Kapazität (75) über den Widerstand (77) und die Diode (78) schnell auf einen End wert aufgeladen.

Der Komparator (56) vergleicht die Spannung an der Kapazität (61) mit der durch die Spannungsteiler aus den Widerständen (71, 72) und aus den Widerständen (58) vorgegebenen Ausschalt spannung. Überschreitet die Spannung an der Kapazität (61) die Ausschaltspannung, so wird der Schalttransistor (14) über den Komparator (56) und das Flip-Flop (55) in seinen gesperrten Zustand geschaltet.

Die Spannung an der Kapazität (61) entspricht nach dem Ladevor gang dem Spannungsabfall an der ersten Primärwicklung (20). Der Schalttransistor (14) wird in Abhängigkeit von dieser Spannung abgeschaltet. Der Ladevorgang der Kapazität (61) legt die Min desteinschaltdauer des Schalttransistors (14) fest. Während dieser Mindesteinschaltdauer wird die Kapazität (31) in jedem Fall entladen.

Damit auch bei kleinen Eingangsspannungen (U_E) und somit klei nen Spannungen an der ersten Primärwicklung (20) der Schalt transistor (14) in jedem Fall in seinen gesperrten Zustand ge schaltet wird, ist die Kapazität (69) vorgesehen. Diese wird bei leitendem Schalttransistor (14) über den Widerstand (68) derart aufgeladen, daß an ihr in jedem Fall eine Spannung an liegt, die die von den Spannungsteilern aus den Widerständen (71, 72 und 58) vorgegebene Abschaltschwelle überschreitet.

Durch den Anschluß der Widerstände (71 und 68) an den positiven Pol der Eingangsspannung (U_E) werden z.B. durch Änderungen der Last (19) hervorgerufene Änderungen der Eingangsspannung (U_E) bei der Steuerung des Abschaltzeitpunktes des Schalttransistors (14) berücksichtigt.

Befindet sich der Schalttransistor (14) in seinem gesperrten Zustand, so fließt ein Strom vom positiven Pol der Eingangs spannung (U_E) über die Speicherinduktivität (11), die erste Primärwicklung (20), die Diode (32) und die Kapazität (31) zum negativen Pol der Eingangsspannung (U_E). Die Kapazität (31) wird dadurch aufgeladen. Der Strom (i_m) durch die erste Primär wicklung (20) schwingt in der Form einer Sinus-Halbwelle aus. Durch die magnetische Kopplung im Transformator (12) fließt ein Strom von der Sekundärwicklung (23) über die Gleichrichterdiode (16) in die Last (19). Auch dieser Strom ist abnehmend.

Am Ausgang des Flip-Flops (55) liegt im gesperrten Zustand des Schalttransistors (14) eine niedere Spannung an. Die während der Leitphase des Schalttransistors (14) aufgeladenen Kapazitä ten (61 und 69) entladen sich dadurch während der Sperrphase des Schalttransistors (14) über die Dioden (60 und 66) zum Aus gang des Flip-Flops (55) hin.

Des weiteren entlädt sich die während der Leitphase des Schalt transistors (14) aufgeladene Kapazität (75) während der Sperr phase des Schalttransistors (14) über den Widerstand (80) eben falls zum Ausgang des Flip-Flops (55). Der Widerstand (80) und die Kapazität (75) bilden ein Zeitglied. Die Spannung an der Kapazität (75) wird vom Komparator (57) mit einer durch die Wi derstände (58) vorgegebenen Einschaltspannung verglichen. Diese Einschaltspannung entspricht der Hälfte der am invertierenden Eingang des Komparators (56) anliegenden Ausschaltspannung. Er reicht die Spannung an der Kapazität (75) die genannte Ein schaltspannung, so wird der Schalttransistor (14) über den Kom parator (57) und das Flip-Flop (55) in seinen leitenden Zustand geschaltet.

Die Zeitdauer, die der Schalttransistor (14) in seinem gesperr ten Zustand verbleibt, ist abhängig von dem durch den Wider stand (80) und die Kapazität (75) gebildeten Zeitglied. Die Zeitdauer ist derart gewählt, daß die Speicherinduktivität (11) und der Transformator (12) vollständig entmagnetisiert sind. Die Zeitdauer ist also wenigstens so groß, daß die in der Spei cherinduktivität (11) und in der ersten Primärwicklung (20) des Transformators (12) enthaltene Energie vollständig auf die Ka pazität (31) umgespeichert ist.

Durch den nunmehr wieder leitenden Schalttransistor (14) fließt ein Strom im Primär- und im Sekundärkreis, wie es eingangs schon erläutert worden ist. Zusätzlich wird jedoch die Kapazi tät (31) über die Induktivität (30), die zweite Primärwicklung (21), die Diode (34) und den Schalttransistor (14) entladen. Durch die magnetische Kopplung des Transformators (12) bewirkt der Strom durch die zweite Primärwicklung (21) einen zusätz lichen Strom im Sekundärkreis.

Wie schon erläutert worden ist, wird die an der ersten Primär wicklung (20) anstehende Spannung gemessen und in Abhängigkeit davon der Schalttransistor (14) wieder abgeschaltet. Die be schriebenen Schalt- und Umspeichervorgänge beginnen von neuem.

In der Fig. 2 ist eine Entlastungsschaltung (13′) gezeigt, die die beschriebene Entlastungsschaltung (13) der Fig. 1 ersetzen kann und zu diesem Zweck mit den Verbindungsleitungen (A, B, C und D) verbunden werden muß. Nachfolgend sind nur diejenigen Schaltungsteile der Fig. 2 erläutert, die sich von denjenigen der Fig. 1 unterscheiden.

Die Entlastungsschaltung (13′) der Fig. 2 enthält eine Serien schaltung einer Induktivität (94), einer Diode (95) und einer Kapazität (90), die dem Schalttransistor (14) parallel geschal tet ist. Die Diode (95) ist derart geschaltet, daß sie zusammen mit dem Schalttransistor (14) einen Stromkreis bilden kann. Des weiteren enthält die Entlastungsschaltung (13′) eine zweite Serienschaltung, die aus einer Kapazität (92), einer In duktivität (97) und einer Diode (98) besteht, und die der er sten Primärwicklung (20) und dem Schalttransistor (14) parallel geschaltet ist. Auch bei dieser Serienschaltung ist die Diode (98) derart geschaltet, daß sie mit dem Schalttransistor (14) einen Stromkreis bilden kann. Der gemeinsame Anschluß der Ka thode der Diode (95) und der Kapazität (90) ist über eine in Flußrichtung geschaltete Diode (91) mit dem gemeinsamen An schluß der Kapazität (92) und der Induktivität (97) verbunden.

Befindet sich der Schalttransistor (14) in seinem leitenden Zu stand, so fließt ein Strom über die Speicherinduktivität (11), die erste Primärwicklung (20) und den Schalttransistor (14), wie dies schon erläutert worden ist. Ist hingegen der Schalt transistor (14) in seinen gesperrten Zustand geschaltet, so fließt ein Strom über die Speicherinduktivität (11), die erste Primärwicklung (20), die Kapazität (90), die Diode (91) und die Kapazität (92). Die beiden Kapazitäten (90 und 92) werden da durch aufgeladen. Der Strom (i_m) durch die erste Primärwicklung (20) nimmt ab, so daß auch der Strom im Sekundärkreis sinkt.

Ist die Speicherinduktivität (11) und der Transformator (12) vollständig entmagnetisiert und damit die Kapazitäten (90 und 92) aufgeladen, so beginnen sich die beiden Kapazitäten (90 und 92) über die Dioden (95 und 98), die Induktivitäten (94 und 97) und die erste Primärwicklung (20) sowie die Speicherinduktivi tät (11) wieder zu entladen. Es fließt daher ein negativer Strom (i_m) durch die erste Primärwicklung (20). Die in den bei den Kapazitäten (90, 92) zwischengespeicherte Energie wird also teilweise in die Eingangskapazität (10) und die Eingangsspan nungsquelle zurückgespeist.

Wird der Schalttransistor (14) nicht mehr eingeschaltet, so wird die Energie aus den Kapazitäten (90 und 92) teilweise zu rück gespeist. Zweckmäßig ist es, den Schalttransistor (14) bei maximalem negativen Strom (i_m) durch die erste Primärwicklung (20) wieder in seinen leitenden Zustand zu schalten. Dadurch wird die nutzbare Induktion des Transformators (12) und der Speicherinduktivität (11) vergrößert. Des weiteren ist es mög lich, auch die Entlastungsschaltung (13′) mit Hilfe weiterer Primärwicklungen mit dem Transformator (12) zu koppeln, so daß die Rückspeisung von Energie zur Eingangskapazität gleichzeitig eine Übertragung von Energie in den Sekundärkreis bewirkt.

In der Fig. 3 ist eine Entlastungsschaltung (13′′) zusammen mit weiteren Schaltungskomponenten gezeigt, die über die Verbin dungsleitungen (A, B, C und D) mit dem DC/DC-Eintaktdurchfluß wandler der Fig. 1 verbunden werden können. Nachfolgend sind nur diejenigen Schaltungsteile der Fig. 3 erläutert, die sich von denjenigen der Fig. 1 unterscheiden.

Die Entlastungsschaltung (13′′) der Fig. 3 enthält eine Serien schaltung dreier Dioden (40, 41, 42) und einer Induktivität (44), die der Eingangsspannung (U_E) parallel geschaltet ist, und in der die Dioden (40, 41, 42) einen Stromfluß zum positi ven Pol der Eingangsspannung (U_E) erlauben. Der gemeinsame An schluß der Dioden (40 und 41) ist über eine Kapazität (46) mit dem gemeinsamen Anschluß der Speicherinduktivität (11) und der ersten Primärwicklung (20) verbunden. Der gemeinsame Anschluß der Dioden (41 und 42) ist über eine weitere Kapazität (47) mit dem gemeinsamen Anschluß der ersten Primärwicklung (20) und des Schalttransistors (14) verbunden. Der Sekundärkreis ist in der Fig. 3 nur durch die der ersten Primärwicklung (20) zugeordnete Sekundärwicklung (23) angedeutet.

Befindet sich der Schalttransistor (14) in seinem leitenden Zu stand, so fließt ein Strom über die Speicherinduktivität (11), die erste Primärwicklung (20) und den Schalttransistor (14), wie dies schon erläutert worden ist. Ist hingegen der Schalt transistor (14) in seinen gesperrten Zustand geschaltet, so werden die Kapazitäten (46 und 47) über die Dioden (40 und 41) aufgeladen. Der Strom (i_m) durch die erste Primärwicklung (20) nimmt ab, so daß auch der Strom im Sekundärkreis sinkt. Ist die Speicherinduktivität (11) und der Transformator (12) vollstän dig entmagnetisiert, so entladen sich die Kapazitäten (46 und 47) über die Dioden (41 und 42) und die Induktivität (44). Es fließt ein negativer Strom (i_m) durch die erste Primärwicklung (20). Die in den Kapazitäten (46 und 47) zwischengespeicherte Energie wird dadurch teilweise in die Eingangskapazität (10) und die Eingangsspannungsquelle zurückgespeist.

Als weitere Schaltungskomponente ist in der Fig. 3 eine Wick lung (25) vorgesehen, die der ersten Primärwicklung (20) zuge ordnet und mit dieser magnetisch gekoppelt ist. Bei der Wick lung (25) kann es sich vorteilhafterweise um eine Hilfswicklung handeln, mit der gleichzeitig der Wirkungsgrad des Eintaktdurch flußwandlers verbessert wird. Die Wicklung (25) ist einerseits mit dem negativen Pol der Eingangsspannung (U_E) sowie anderer seits mit der Anode einer Diode (27) verbunden, an deren Kathode die Verbindungsleitung (C) angeschlossen ist.

Während in den Schaltungen der Fig. 1 und 2 die für den Ab schaltvorgang auszuwertende Spannung (U_M) direkt zwischen der Speicherinduktivität (11) und der ersten Primärwicklung (20) abgegriffen wurde, wird diese Spannung bei der Schaltung der Fig. 3 indirekt über die magnetische Kopplung mit Hilfe der Wicklung (25) erzeugt. Dies hat den Vorteil, daß die Verluste an dem an die Verbindungsleitung (C) angeschlossenen Spannungs teiler aus den Widerständen (63, 64) verringert werden können.

Gleichzeitig kann mit Hilfe der Wicklung (25) die stabilisierte positive Versorgungsspannung (U₀) für die Widerstände (58) und die Ansteuerelektronik (15) erzeugt werden. Zu diesem Zweck ist an der Kathode der Diode (27) ein Widerstand (36) angeschlos sen, dessen anderer Anschlußpunkt über eine Parallelschaltung aus einer Zenerdiode (37) und einer Kapazität (38) mit dem ne gativen Pol der Eingangsspannung (U_E) verbunden ist. Entspre chend der Dimensionierung der Zenerdiode (37) ist dann an die sen anderen Anschlußpunkt des Widerstands (36) die Versorgungs spannung (U₀) abgreifbar.

Als weitere Schaltungskomponente ist in der Fig. 3 der aus den Widerständen (71, 72) bestehende Spannungsteiler um einen wei teren, in Serie geschalteten Widerstand (85) ergänzt, der ei nerseits mit dem Widerstand (72) und andererseits mit dem nega tiven Pol der Eingangsspannung (U_E) verbunden ist. Der gemein same Anschluß des Widerstands (72) und des Widerstands (85) ist über einen Widerstand (87) und eine in Durchlaßrichtung ge schaltete Diode (88) mit dem Kollektor des Schalttransistors (14) verbunden.

Mit Hilfe dieser Schaltungskomponente wird die Kollektor-Emit ter-Spannung des Schalttransistors (14) berücksichtigt. Diese Spannung ist insbesondere vom Strom durch den Schalttransistor (14) sowie vom verwendeten Transistortyp abhängig. Mit Hilfe des Widerstandes (87) und der Diode (88) wirkt die Kollektor- Emitter-Spannung des Schalttransistors (14) auf den Komparator (56) und damit auf den Ausschaltzeitpunkt des Schalttransistors (14) ein. Dadurch wird erreicht, daß der Ausschaltzeitpunkt des Schalttransistors (14) im wesentlichen nur noch von der Span nung an der ersten Primärwicklung (20) abhängig ist.

Es versteht sich, daß die in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausfüh rungsformen von Entlastungsschaltungen sowie die weiteren dar gestellten Schaltungskomponenten miteinander kombinierbar sind, also beispielsweise die Wicklung (25) mit den zugehörigen Bau teilen auch bei einer Ausführungsform entsprechend der Fig. 1 eingesetzt werden kann.

Bei sämtlichen in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen von DC/DC-Eintaktdurchflußwandlern besteht ein wesentlicher Vorteil darin, daß die Ausgangsspannung (U_A) mit Hilfe der Steuerschaltung (15) von der Primärseite aus gesteuert werden kann. Außer dem Transformator (12) sind keinerlei weitere po tentialtrennende Bauteile erforderlich. Dabei werden Änderungen der Last (19) im Sekundärkreis und/oder Änderungen der Ein gangsspannung (U_E) von der Steuerschaltung (15) berücksichtigt. Des weiteren werden Aussteuerfehler aufgrund des Spannungsab falls am Schalttransistor (14) weitestgehend eliminiert.

Sollen mehrere Sekundärkreise zur Verfügung stehen, so kann dies durch mehrere Sekundärwicklungen im Transformator (12) be rücksichtigt werden. Da diese Sekundärwicklungen meist unter schiedlich mit der Primärseite magnetisch gekoppelt sind, kann mit Hilfe von Zusatzinduktivitäten und/oder durch mehr oder we niger Wicklungen der Sekundärwicklungen ein Ausgleich und da durch eine Symmetrierung der Sekundärkreise erreicht werden.

Claims

1. DC/DC-Eintaktdurchflußwandler mit:

- einem Transformator, dessen primärseitig angeordnete Primärwicklung (20) von einer Eingangsspannung (U_E) beaufschlagt und an dessen sekundärseitig angeordnete Sekundärwicklung (23) über eine serielle Gleichrichterdiode (16) eine Last (19) anschließbar ist,
- einem mit der Transformator-Primärwicklung (20) verbundenen Schalttransistor (14),
- einer primärseitig angeordneten, der Transformator-Primärwicklung (20) vorgeschalteten Speicherinduktivität (11),
- einer Entlastungsschaltung (13, 13′, 13′′) für den Schalttransistor, und
- einer primärseitig angeordneten, nicht auf die Sekundärseite zugreifenden, den Schalttransistor mittels Erfassung der Spannung an der Transformator-Primärwicklung ansteuernden Steuerschaltung (15).

2. DC/DC-Eintaktdurchflußwandler nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung (15) folgenden Aufbau besitzt:

- ein aus zwei Widerständen (50, 51) bestehender Spannungsteiler ist mit seinem einen Endanschluß mit dem negativen Eingangsspannungspol und mit seinem Mittelabgriff mit der Basis des Schalttransistors (14) verbunden;
- ein RS-Flip-Flop (55) ist mit seinem Ausgang mit dem zweiten Endanschluß des Spannungsteilers (50, 51) verbunden;
- zur Festlegung der Einschaltzeitdauer sind ein Kondensator (61) und Komparator (56) vorgesehen, wobei der Kondensator (61) einerseits mit dem negativen Eingangsspannungspol und andererseits erstens mit dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators (56), zweitens über eine Diode (60) mit dem Ausgang des RS-Flip-Flops (55) und drittens über einen Widerstand (63) mit dem Verbindungspunkt von Speicherinduktivität (11) und Transformator-Primärwicklung (20) oder über eine Diode (27) mit einer Seite einer magnetisch mit der Transformator-Primärwicklung (20) gekoppelten Hilfswicklung (25), die am anderen Ende an den negativen Eingangsspannungspol angeschlossen ist, verbunden ist und wobei des weiteren der Komparatorausgang den Rücksetzeingang des RS-Flip-Flops (55) beaufschlagt und der invertierende Eingang des Komparators (56) an einen ersten Abgriff einer Spannungsteileranordnung (58; 71, 72) zur Festlegung einer Ausschaltspannung angeschlossen ist;
- zur Festlegung der Ausschaltzeitdauer ist ein Kondensator (75) und ein Komparator (75) vorgesehen, wobei der Kondensator (75) einerseits mit dem negativen Eingangsspannungspol und andererseits zum einen mit dem invertierenden Eingang des Komparators (57) und zum anderen über einen Widerstand (80) und einer dazu parallel geschalteten Serienschaltung aus einem Widerstand (77) und einer Diode (78) mit dem Ausgang des RS-Flip-Flops (55) verbunden ist und wobei des weiteren der Ausgang des Komparators (57) den Setzeingang des RS-Flip-Flops (55) beaufschlagt und der nichtinvertierende Eingang des Komparators (57) an einen zweiten Abgriff der Spannungsteileranordnung (58; 71, 72) zur Festlegung einer Einschaltspannung angeschlossen ist.

3. DC/DC-Eintaktdurchflußwandler nach Anspruch 2, wobei die die Ausschaltspannung für den einen Komparator (56) und die Einschaltspannung für den anderen Komparator (57) festlegende Spannungsteileranordnung aus einem ersten, aus wenigstens zwei Widerständen (71, 72) bestehenden Spannungsteiler, der zwischen den positiven und den negativen Eingangsspannungspol eingeschleift ist, sowie aus einem zweiten, aus drei gleichen, seriell angeordneten Widerständen (58) aufgebauten Spannungsteiler besteht, der am einen Ende an den negativen Eingangsspannungspol und am anderen Ende an eine positive Versorgungsspannung (U₀) angeschlossen ist, wobei der invertierende Eingang des Komparators (56) für die Festlegung der Einschaltzeitdauer über einen Widerstand (71) des ersten Spannungsteilers mit dem positiven Eingangsspannungspol und über einen Widerstand (58) des zweiten Spannungsteilers mit der positiven Versorgungsspannung (U₀) sowie der nichtinvertierende Eingang des Komparators (57) für die Festlegung der Ausschaltzeitdauer über einen Widerstand (58) des zweiten Spannungsteilers mit dem negativen Eingangsspannungspol verbunden sind.

4. DC/DC-Eintaktdurchflußwandler nach Anspruch 3, wobei der erste Spannungsteiler der Spannungsteileranordnung zur Festlegung der Einschalt- und der Ausschaltspannung aus drei seriell angeordneten Widerständen (71, 72, 85) aufgebaut ist, wovon einer (85) mit seinem einen Anschluß mit dem negativen Eingangsspannungspol und mit seinem anderen Anschluß über einen Widerstand (87) und eine Diode (88) mit dem Kollektor des Schalttransistors (14) verbunden ist.

5. DC/DC-Eintaktdurchflußwandler nach Anspruch 3 oder 4, wobei er die Hilfswicklung (25) und die zugeordnete Diode (27) sowie einen Widerstand (36) beinhaltet, dessen einer Anschluß mit dem der Hilfswicklung (25) abgewandten Anschluß der Diode (27) verbunden ist und dessen anderer Anschluß den Anschlußpunkt zur Bereitstellung der positiven Versorgungsspannung (U₀) bildet.

6. DC/DC-Eintaktdurchflußwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei eine zwischen den positiven und den negativen Eingangsspannungspol eingeschleifte Serienschaltung aus einem Kondensator (69) und einem Widerstand (68) vorgesehen ist, deren Mittelabgriff über eine Diode (66) mit dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators (56) für die Festlegung der Einschaltzeitdauer verbunden ist.

7. DC/DC-Eintaktdurchflußwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Transformator-Primärwicklung zweigeteilt ist und die Entlastungsschaltung (13) eine zwischen den ersten Primärwicklungsteil (20) und den Kollektor des Schalttransistors (14) eingeschleifte Serienschaltung aus einer ersten Diode (32), einer Induktivität (30), dem zweiten Transformator-Primärwicklungsteil (21) sowie einer zweiten Diode (34), wobei der Serienschaltung eine dritte Diode (33) parallel geschaltet ist, und des weiteren einen Kondensator (31) beinhaltet, der einerseits mit dem negativen Eingangsanschlußpol und andererseits mit dem Verbindungspunkt der ersten Diode (32) und der Induktivität (30) verbunden ist.

8. DC/DC-Eintaktdurchflußwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Entlastungsschaltung (13′) eine erste, zur Schaltstrecke des Schalttransistors (14) parallel geschaltete Serienschaltung aus einer Induktivität (94), einer vom Emitter zum Kollektor des Schalttransistors (14) in Durchlaßrichtung gepolten Diode (95) und einem Kondensator (90), eine zweite, der Reihenschaltung aus Transformator-Primärwicklung (20) und Schaltstrecke des Schalttransistors (14) parallel geschaltete Serienschaltung aus einem Kondensator (92), einer Induktivität (97) und einer vom Emitter des Schalttransistors (14) zum Transformator-Primärwicklungsanschluß in Durchlaßrichtung gepolten Diode (98) sowie eine vom Verbindungspunkt zwischen Diode (95) und Kondensator (90) der ersten Serienschaltung in Durchlaßrichtung zum Verbindungspunkt zwischen Kondensator (92) und Induktivität (97) der zweiten Serienschaltung gepolte Diode (91) beinhaltet.

9. DC/DC-Eintaktdurchflußwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Entlastungsschaltung (13′′) eine zwischen den negativen und den positiven Eingangsspannungspol eingeschleifte Serienschaltung aus einer Induktivität (44) und drei jeweils vom negativen zum positiven Eingangsspannungspol in Durchlaßrichtung gepolten Dioden (40, 41, 42) sowie einen ersten Kondensator (46), der einerseits an den Verbindungspunkt von Speicherinduktivität (11) und Transformator-Primärwicklung (20) und andererseits an den einen Anschluß derjenigen Diode (40) angeschlossen ist, deren anderer Anschluß mit dem positiven Eingangsspannungspol verbunden ist, und einen zweiten Kondensator (47) beinhaltet, der einerseits mit dem Kollektor des Schalttransistors (14) und andererseits mit dem einen Anschluß derjenigen Diode (42) verbunden ist, deren anderer Anschluß an die Induktivität (44) angeschlossen ist.