DE3837561A1 - Gleichspannungswandler nach dem prinzip des eintaktdurchflusswandlers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler nach dem Prinzip des Eintaktdurchflußwandlers mit einem Über­ trager mit einer Primärwicklung, die aus einer Gleich­ spannungsquelle über einen mit ihr in Serie geschalteten Schalter taktgesteuert gespeist wird, dessen einer An­ schluß mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist, wobei die während der Leitphase des Schalters im Übertrager ge­ speicherte Energie in der Sperrphase zum Laden eines Kon­ densators über eine Diode genutzt und der Kondensator wie­ der entladen wird.

Ein Gleichspannungswandler dieser Art ist aus der Applica­ tion Note 939A der Firma International Rectifier, S.A-99 bis A-110 bekannt. Bei diesem erzeugt ein als MOS-Feldeffekt­ transistor ausgebildeter Schalter aus einer Gleichspannung eine hochfrequente Wechselspannung, die einem Übertrager zugeführt wird, dessen Sekundärspannung gleichgerichtet sowie geglättet wird und einen Verbraucher speist. Durch Ändern des Taktverhältnisses, d.h. das Verhältnis der Zei­ ten, in denen der Schalter leitend oder sperrend geschal­ tet wird, kann die sekundärseitig erzeugte Spannung in einem gewissen Bereich unabhängig von der Spannung der Gleichspannungsquelle geregelt werden. Der Primärwicklung des Übertragers ist eine Serienschaltung bestehend aus einem Kondensator und einer Diode parallelgeschaltet. Die­ se dient dazu, die in der Sperrphase des Schalters im Über­ trager noch vorhandene magnetische Energie aufzunehmen, um den Übertrager zu entmagnetisieren und den beim Öffnen des Schalters infolge Induktion entstehenden Spannungsimpuls in seiner Höhe zu begrenzen, damit die am Schalter auftre­ tende Sperrspannung diesen nicht zerstört.

Der durch den Spannungsimpuls aufgeladene Kondensator muß wieder entladen werden, da sonst die Spannung am Konden­ sator durch nachfolgende Spannungsimpulse immer höher steigt und ein Grenzwert überschritten wird. Zum Entladen ist beim bekannten Gleichspannungswandler ein Widerstand vorgesehen, der parallel zum Kondensator geschaltet und so bemessen ist, daß der Kondensator in der Sperrphase min­ destens um den Energiebetrag entladen wird, um den er vor­ her infolge des Spannungsimpulses aufgeladen worden ist. Die dem Kondensator entnommene Energie wird also nicht ge­ nutzt, sondern in Wärme umgesetzt.

Sei dem bekannten Prinzip ist die am Schalter während der Sperrphase auftretende Sperrspannung gleich der Summe aus der Spannung des Kondensators und der Spannung der Gleich­ spannungsquelle. Die Spannung der Gleichspannungsquelle oder Eingangsspannung kann sich aber infolge von Spannungs­ schwankungen des Netzes oder infolge von Spannungsspitzen ändern. Beispielsweise können in einem 220 V Wechselstrom­ netz kurzzeitig Spannungsimpulse bis zu 700 V auftreten, die vom Gleichspannungswandler nicht mehr zuverlässig ver­ arbeitet werden können. In der Praxis wird zum Ausgleichen solcher Eingangsspannungsschwankungen die Spannung am Kon­ densator auf einen erheblich niedrigeren Wert als theore­ tisch möglich eingestellt. Ein niedriger Spannungswert be­ wirkt aber, daß die Zeit, die benötigt wird, um den Über­ trager zu entmagnetisieren, verlängert wird. Dies bedeu­ tet, daß das Tastverhältnis für einen vorgegebenen Ein­ gangsspannungsbereich auf einen niedrigen Wert einzustel­ len ist. Dies erhöht aber die Verlustleistung des Gleich­ spannungswandlers, da bei kleineren Tastverhältnissen die zur Übertragung einer bestimmten Energiemenge erforder­ lichen Ströme ansteigen, so daß die durch Stromerhöhung er­ zeugten und mit der Stromamplitude ansteigen­ den Verluste sowohl auf der Primär- als auch auf der Se­ kundärseite zunehmen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Gleichspannungs­ wandler anzugeben, der bei höherem zulässigen Eingangs­ spannungsbereich als bisher gleichzeitig eine kleinere Ver­ lustleistung hat.

Diese Aufgabe wird für einen Gleichspannungswandler ein­ gangs genannter Art dadurch gelöst, daß die Entladung des Kondensators durch eine Regeleinrichtung selbsttätig so ge­ steuert wird, daß die Spannung zwischen dem einen mit der Gleichspannungsquelle verbundenen Anschluß des Schalters und dem gegenüber diesem potentialhöheren Anschluß des Kon­ densators unterhalb eines durch die zulässige Sperrspan­ nung des Schalters vorgegebenen Sollwertes bleibt.

Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die in der Sperr­ phase des Schalters an ihm auftretende Spannung einen durch die zulässige Sperrspannung des Schalters vorgege­ benen kritischen Wert nicht übersteigen kann. Wenn z.B. die aus Diode und Kondensator bestehende Serienschaltung parallel zur Primärwicklung geschaltet wird, so setzt sich die am Schalter auftretende Sperrspannung in der Sperrphase aus der Summe der Kondensatorspannung und der Eingangsspan­ nung zusammen. Sei einer anderen Möglichkeit, bei der der Kondensator und die Diode parallel zum Schalter geschal­ tet sind, ist die Spannung am Kondensator gleich der Sperr­ spannung des Schalters. Wenn die Spannung zwischen dem An­ schluß des Schalters, der mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist, und dem Kondensatoranschluß mit gegenüber diesem höheren Potential so geregelt wird, daß sie unter­ halb eines vorgegebenen Wertes bleibt, so bleibt auch zwangsläufig die Sperrspannung des Schalters während der Sperrphase unterhalb dieses Wertes. Dies gilt unabhängig von der Höhe der Eingangsspannung. Deren Schwankungen bzw. kurzzeitige Spannungsspitzen werden von der Regeleinrich­ tung ausgeregelt, und zwar in der Weise, daß bei absinken­ der Eingangsspannung die Entladung des Kondensators ver­ ringert wird, so daß dessen Spannung ansteigt. Umgekehrt veranlaßt die Regeleinrichtung bei ansteigender Eingangs­ spannung eine Zunahme der Entladung des Kondensators, so daß sich an ihm ein niedrigerer Spannungswert einstellt. Dies wirkt sich so aus, daß die Spannung am Schalter in der Sperrphase jeweils konstant bleibt. Da durch diese Maß­ nahme der Schalter nunmehr vor Spannungsüberlastung ge­ schützt ist, kann bei diesem Prinzip die zulässige Ein­ gangsspannung höhere Werte annehmen als bei bekannten Gleichspannungswandlern dieser Art, wodurch der Bereich der zulässigen Eingangsspannung vergrößert wird.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird außerdem er­ reicht, daß sich am Kondensator eine Spannung einstellt, die den zu einem durch das Tastverhältnis vorgegebenen be­ stimmten Betriebszustand gehörenden höchstmöglichen Wert hat. Da bekanntlich das Produkt aus Eingangsspannung und Einschaltzeit während der Leitphase des Schalters, in der im Übertrager ein Magnetfeld aufgebaut wird, und das Pro­ dukt aus Spannung an der Primärwicklung und Zeit zum Entmagne­ tisieren des Übertragers in der Sperrphase gleich sein muß, ist die Spannung am Kondensator bestimmend für die zum Entmagne­ tisieren des Übertragers benötigte Zeit. Demgemäß verkürzt eine hohe Spannung am Kondensator die Entmagnetisierungs­ zeit. Dies bedeutet äber, daß das Tastverhältnis bei einer vorgegebenen Eingangsspannung erhöht werden kann, solange die vollständige Entmagnetisierung des Übertragers sicher­ gestellt ist. Eine Erhöhung des Tastverhältnisses wirkt sich günstig für die Gesamtverlustleistung eines Gleich­ spannungswandlers aus, da der Stromflußwinkel, in dem Ener­ gie von der Primärseite auf die Sekundärseite übertragen wird, vergrößert wird. Dadurch können die strombedingten Verluste, insbesondere im primärseitigen Schalter sowie in den sekundärseitigen Gleichrichterdioden, verringert wer­ den. Ferner bewirkt die Vergrößerung des Tastverhältnisses, daß auch die Spannungsbelastung der Gleichrichterdioden auf der Sekundärseite geringer wird, da ein günstigeres Übersetzungsverhältnis der Übertragerwicklun­ gen zwischen Primär- und Sekundärseite gewählt werden kann. Weiterhin können auch die zur Glättung der sekundärseitigen Spannungsimpulse benötigten Filterketten so dimensioniert werden, daß der Filteraufwand verringert wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Entmagnetisierungswicklung mit zur Primärwicklung ge­ gensinniger Polung vorgesehen ist, durch die der Kondensa­ tor geladen wird. Diese bei Eintaktdurchflußwandlern an sich bekannte Maßnahme dient dazu, den in der Sperrphase des Schalters infolge Induktion auftretenden Spannungsim­ puls über eine zusätzliche Wicklung auszukoppeln. Bei der Erfindung wirkt sich dies insofern vorteilhaft aus, als es schaltungstechnisch einfacher wird, den Spannungsbezugs­ punkt, z.B. das Massepotential, für eine nachfolgende elek­ tronische Regeleinrichtung festzulegen. Üblicherweise wird für die Entmagnetisierungswicklung eine der Primärwicklung entsprechende Wicklungszahl verwendet, wodurch sich auch die Spannungsverhältnisse auf der Primärseite und auf der Seite der Entmagnetisierungswicklung entsprechen. Durch Veränderung des Übersetzungsverhältnisses, z.B. durch Verringerung der Wicklungszahl der Entmagnetisierungswick­ lung gegenüber der Primärwicklung, wird auch die in der Sperrphase des Schalters in der Entmagnetisierungswicklung erzeugte Spannung im gleichen Verhältnis reduziert. Da­ durch ist es möglich, die Spannung der Entmagnetisierungs­ wicklung an die Betriebsspannung der Bauelemente der nach­ folgenden Regeleinrichtung anzupassen.

In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß als Regeleinrichtung zur Regelung der Spannung eine Zenerdiode dient. Bereits mit dieser einfachen Maßnah­ me ist es möglich, eine Regelung der Spannung am Kondensa­ tor bzw. zwischen dem potentialhöheren Anschluß des Konden­ sators und dem mit der Gleichspannungsquelle verbundenen Anschluß des Schalters durchzuführen.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Entladung des Kondensators ein steuerbarer Wider­ stand dient, dessen Widerstandswert durch die Regeleinrich­ tung veränderbar ist. Als steuerbarer Widerstand kommt z.B. ein bipolarer Transistor oder ein MOS-Feldeffekttransistor in Betracht, dessen Bahnwiderstand in an sich bekannter Weise über eine an der Basiselektrode zugeführte Spannung veränderbar ist.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die dem Kondensator entnommene Energie in die Gleich­ spannungsquelle und/oder in den Sekundärkreis des Gleich­ spannungswandlers rückgespeist wird. Durch diese Maßnahme wird die in der Sperrphase vom Übertrager abgegebene magne­ tische Energie nicht in einem ohmschen Widerstand in Wärme umgesetzt, sondern steht durch Rückspeisung in den Gleich­ spannungswandler zur weiteren Energieübertragung von der Primär- zur Sekundärseite zur Verfügung.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist weiterhin da­ durch gekennzeichnet, daß als Regeleinrichtung ein Opera­ tionsverstärker vorgesehen ist, dem als Istwert eine der Spannung zwischen dem einen Anschluß des Schalters und dem gegenüber diesem potentialhöheren Anschluß des Kondensa­ tors proportionale Spannung und als Sollwert eine der maxi­ mal zulässigen Sperrspannung proportionale Spannung zuge­ führt wird, und daß der Operationsverstärker abhängig vom Soll-Istwertvergleich einen elektronischen Schalter über einen Puls-Weiten-Modulator und einen Anpassungsübertrager ein- und ausschaltet, wobei in der Leitphase des elektro­ nischen Schalters ein Entladestrom vom Kondensator in eine Drossel fließt, die in der Sperrphase einen Strom über eine Diode in die Gleichspannungsquelle einspeist.

Diese schaltungstechnischen Maßnahmen bewirken einerseits eine Begrenzung der am Schalter auftretenden Spannung auf ihren maximal zulässigen Wert und andererseits eine Redu­ zierung der Gesamtverlustleistung des Gleichspannungswand­ lers durch Rückspeisung der im Übertrager gespeicherten magnetischen Energie in den Gleichspannungswandler. Die hierzu benötigten Baugruppen sind als Standardbauelemente im Handel erhältlich, so daß der schaltungstechnische Auf­ wand im üblichen Rahmen von Gleichspannungswandlern bleibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Gleichspannungswandler mit primärseitig angeschlossenem Kondensator,

Fig. 2 eine andere Ausführung eines Gleichspannungs­ wandlers mit einer Entmagnetisierungswicklung,

Fig. 3 einen Gleichspannungswandler, bei dem die dem Kondensator entnommene Energie rückgespeist wird, und

Fig. 4 eine Kennlinie zur Sollwertvorgabe.

In Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau eines Gleichspan­ nungswandlers nach dem Prinzip des Eintaktdurchflußwand­ lers dargestellt. Dieser enthält einen Übertrager 8, des­ sen Primärwicklung 10 mit einem Schalter 12, der beispiels­ weise als bipolarer Transistor oder als MOS-Feldeffekt­ transistor ausgebildet sein kann, in Reihe an eine Gleich­ spannungsquelle 14 geschaltet ist. Diese kann z.B. aus einem Netzgleichrichter mit Glättungskondensatoren gebil­ det sein, der aus einer Wechselspannung eine gleichgerich­ tete und geglättete Eingangsspannung Ue erzeugt. Der Schal­ ter 12 wird durch die Impulssignale einer Taktsteuerung 16 periodisch leitend gesteuert und gesperrt. Die Taktsteue­ rung 16 regelt die Dauer dieser Impulssignale abhängig von einem Vergleich der von dem Gleichspannungswandler gelie­ ferten Ausgangsspannung Ua mit einer Referenzspannung Uref, wie dies für Gleichspannungswandler an sich bekannt ist.

Eine zur Primärwicklung 10 gleichpolig geschaltete Sekun­ därwicklung 18 liefert entsprechend dem Schaltbetrieb des Schalters 12 Spannungsimpulse an eine Gleichrichterschal­ tung 20, an deren Ausgang die Ausgangsspannung Ua anliegt, und die einen Verbraucher, angedeutet durch einen Wider­ stand 22, speist. In der Leitphase des Schalters 12 wird die Spannung Ue der Gleichspannungsquelle 14 gemäß dem Übertragungsverhältnis des Übertragers 8 auf dessen Sekun­ därseite transformiert und lädt einen Ladekondensator 28 über eine Diode 24 und eine Drossel 26 auf. Wenn sich der Schalter 12 öffnet, sperrt die Diode 24, und der Strom der Drossel 26 wird von der Diode 30 übernommen. Durch das Zu­ sammenwirken von Drossel 26 und Ladekondensator 28 wird am Ausgang des Gleichspannungswandlers eine geglättete Aus­ gangsspannung Ua abgegeben.

Die Energie des im Übertrager 8 während der Leitphase des Schalters 12 aufgebauten Magnetfeldes erzeugt bei Über­ gang in den Sperrzustand des Schalters 12 durch Induktion einen Spannungsimpuls mit einer zur Eingangsspannung Ue entgegengesetzten Polarität. Ohne weitere Maßnahmen würde die Amplitude dieses Spannungsimpulses einen extrem hohen Wert annehmen, der den Schalter 12 oder andere Bauelemente zerstören könnte. Deshalb ist am Verbindungspunkt zwischen der Primärwicklung 10 und dem Schalter 12 eine Diode 30, ge­ folgt von einem Kondensator 32, parallel zur Primärwick­ lung 10 geschaltet. Die Diode 30 ist so gepolt, daß sie während der Leitphase des Schalters 12 sperrt und während der Sperrphase einen Ladestrom, ausgelöst durch den Span­ nungsimpuls, zum Kondensator 32 fließen läßt.

Am Verbindungspunkt zwischen der Diode 30 und dem Konden­ sator 32 ist eine Regeleinrichtung 34 mit ihrem einen An­ schluß an eine Klemme 36 angeschaltet, deren anderer An­ schluß mit einer Klemme 38 verbunden ist, die zur Verbin­ dungsleitung zwischen dem Schalter 12 und der Gleichspan­ nungsquelle 14 gehört. Der Regeleinrichtung ist eine Span­ nung Us zugeführt, die als Sollwert bei der Regelung dient.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des Gleichspannungs­ wandlers in Verbindung mit der Regeleinrichtung 34 im ein­ geschwungenen Zustand beschrieben. Bei geschlossenem Schal­ ter 12 wird im Übertrager 8 ein Magnetfeld erzeugt, das beim Öffnen des Schalters 12 einen Spannungsimpuls in der Primärwicklung 10 erzeugt, dessen Amplitude so lange an­ steigt, bis die Diode 30 leitend wird und die Energie des Magnetfeldes in Form eines Stromimpulses an den Konden­ sator 32 abgegeben wird. Die Zeit ta, in der ein Ladestrom in den Kondensator 32 fließt, berechnet sich aus der be­ kannten Beziehung Uc×ta=Ue×te, wobei Uc die Spannung des Kondensators, Ue die Eingangsspannung und te die Dauer der Leitphase des Schalters 12 ist. Die Zeit ta muß min­ destens so groß gewählt werden, daß das im Übertrager 8 vorhandene Magnetfeld vollkommen abgebaut wird. Wird die­ se Bedingung nicht erfüllt, so wird der Übertrager 8 in den darauffolgenden Leitphasen magnetisch gesättigt. Eine Energieübertragung durch den Übertrager 8 ist nicht mehr möglich. Damit die Zeit ta für die Entmagnetisierung mög­ lichst kurz ist, sollte die Spannung am Kondensator 32 mög­ lichst groß sein. Einer Spannungserhöhung am Kondensator 32 ist aber durch die maximal zulässige Sperrspannung am Schalter 12 eine Grenze gesetzt, denn nach dem Umschalten von der Leitphase in die Sperrphase liegt am Schalter 12 eine Sperrspannung an, die gleich der Summe aus Spannung am Kondensator 32 und der Eingangsspannung Ue ist. Da die Eingangsspannung Ue eine stochastische Größe ist und zu­ fällig schwanken kann, wird beim Gleichspannungswandler nach Fig. 1 die Spannung zwischen den Klemmen 36 und 38 durch die Regeleinrichtung 34 auf einen konstanten Wert geregelt, der der maximal zulässigen Spannung des Schal­ ters 12 entspricht. Hierzu wird der Kondensator 32 in einer Schaltperiode des Schalters 12 um einen veränderlichen Energiebetrag entladen. Durch die Regelung wird, wie be­ reits erläutert, die Spannung am Kondensator 32 in allen Betriebszuständen des Gleichspannungswandlers auf ihrem höchstmöglichen Wert gehalten. Dadurch kann einerseits die zulässige Eingangsspannung, die der Gleichspannungswandler noch verarbeiten kann, erhöht werden, und andererseits kann durch die Verringerung der Entmagnetisierungszeit ta das Tastverhältnis vergrößert und damit die Gesamtverlustlei­ stung des Gleichspannungswandlers reduziert werden.

Ebenso wäre es in der Schaltung nach Fig. 1 auch möglich, den Kondensator 32 direkt entsprechend der gestrichelt ein­ gezeichneten Verbindungsleitung mit der Klemme 38 zu ver­ binden. In diesem Fall wird der Kondensator 32 beim Öffnen des Schalters 12 über den Innenwiderstand der Spannungs­ quelle 14 geladen. Die oben beschriebene Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ändert sich dadurch nicht. Es besteht jedoch ein Unterschied in der Spannungsbelastung des Kon­ densators 32, die bei der gestrichelt eingezeichneten Schal­ tungsvariante höher ist, da am Kondensator 32 die gesamte, durch die Regeleinrichtung vorgegebene Spannung Us anliegt.

In Fig. 2 wird eine weitere Schaltungsvariante dargestellt, deren Übertrager 40 neben einer Primärwicklung 42 und einer Sekundärwicklung 44 eine Entmagnetisierungswicklung 46 mit zur Primärwicklung 42 entgegengesetzter Polung hat. Die Be­ zeichnungen der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wurden für diese Variante beibehalten, sofern die Bauteile überein­ stimmen. Als Schalter wird in der Fig. 2 ein npn-Leistungs­ transistor 48 verwendet, dessen Eigenschaften hinsichtlich Sperrspannung und Strombelastung optimiert sind.

In dem Augenblick, in dem der Transistor 48 durch die Takt­ steuerung 16 aus dem leitenden Zustand in den Sperrzustand umgeschaltet wird, wird in der Entmagnetisierungswicklung 46 ein Spannungsimpuls erzeugt, der den Kondensator 32 über die Diode 30 in der bereits beschriebenen Weise auflädt. Die Regeleinrichtung 34 regelt die Spannung am Kondensa­ tor 32 auf den vorgegebenen Sollwert Us, indem sie einen regelbaren Widerstand 50 ansteuert, der den Kondensator 32 entlädt. Der Widerstand 50 kann beispielsweise durch einen bipolaren Transistor oder einen MOS-Feldeffekttransistor realisiert sein. Die Entmagnetisierungswicklung 46 kann aus einer Wicklung mit geringem Leitungsquerschnitt bestehen, da lediglich die Entmagnetisierungsenergie des Übertragers 40 zu transportieren ist. Durch Einstellen unterschiedli­ cher Wicklungsverhältnisse zwischen der Primärwicklung 42 und der Entmagnetisierungswicklung 46 kann auch die Höhe der in der Entmagnetisierungswicklung entstehenden Spannung in dem Sinne beeinflußt werden, daß eine Anpassung an die Span­ nungsbelastbarkeit der dem Kondensator 32 nachgeschalteten Bauelemente erreicht wird. Ein weiterer Vorteil dieser Schal­ tungsanordnung liegt darin, daß durch einfache Maßnahmen ein gemeinsames Bezugspotential zwischen der primärseitigen Steuerung 16 des Transistors 48 und der Regeleinrichtung 34 geschaffen werden kann.

Fig. 3 zeigt einen Gleichspannungswandler nach Fig. 1, des­ sen Regeleinrichtung 34 näher ausgeführt ist. Die an den Klemmen 36 und 38 anliegende Spannung wird einem Spannungs­ teiler, bestehend aus Widerständen 60 und 62, zugeführt, an dessen Mittelabgriff eine der zu regelnden Spannung propor­ tionale Spannung anliegt, die als Istwert einem Operations­ verstärker 64 zugeführt wird. Dieser vergleicht den Ist­ wert mit der Sollwertspannung Us und steuert über seinen Ausgang einen ihm nachgeschalteten Puls-Weiten-Modulator, der Impulse einer vorgegebenen Frequenz erzeugt, deren Breite vom zugeführten Steuersignal abhängt. Die vom Puls- Weiten-Modulator 60 abgegebenen Impulse werden über einen der Potentialtrennung dienenden Anpassungsübertrager 68 einem steuerbaren Schalter 70, der beispielsweise ein Tran­ sistor sein kann, an seinem Steuereingang zugeführt und veranlassen ein Öffnen bzw. Schließen des Schalters 70.

Im geschlossenen Zustand des Schalters 70 fließt ein Ent­ ladestrom aus dem Kondensator in eine Drossel 72, die die zugeführte elektrische Energie als magnetische Energie speichert. Beim Öffnen des Schalters 70 wird der Strom­ fluß in der Drossel 72 aufrechterhalten, und über die Diode 74 wird der Strom in die Gleichspannungsquelle 14 gespeist. Durch Ändern des Verhältnisses von Öffnungszeit und Sperr­ zeit des Schalters 70 über den Puls-Weiten-Modulator 66 kann die Energieentnahme aus dem Kondensator 32 gesteuert und dadurch die Spannung zwischen den Klemmen 36 und 38 geregelt werden. Die dem Kondensator 32 entnommene Ener­ gie wird dabei nahezu verlustfrei dem Gleichspannungswand­ ler wieder zur Verfügung gestellt. Bei diesem Ausführungs­ beispiel wird die bei der Entmagnetisierung des Übertra­ gers 8 gewonnene Energie primärseitig in den Gleichspan­ nungswandler zurückgespeist. Es besteht aber auch die Mög­ lichkeit, diese Energie an anderer Stelle des Gleichspan­ nungswandlers sinnvoll zu nutzen, z.B. indem sie dem Gleich­ spannungswandler auf seiner Sekundärseite zugeführt wird.

Die Erfindung kann noch in weiteren vorteilhaften Abwand­ lungen ausgeführt werden. So ist es gemäß Fig. 1 möglich, als Sollwert Us eine auf die Seite der Primärwicklung 10 des Übertragers 8 transformierte Spannung zu verwenden, die der zulässigen Sperrspannung der Gleichrichterdioden 24 und 30 auf der Sekundärseite 18 entspricht. Diese Spannung ist durch das Verhältnis der Windungszahlen der Primärspule 10 und der Sekundärspule 18 festgelegt. Mit dieser Maßnahme wird sichergestellt, daß die an den Dioden 24, 30 auftre­ tende Sperrspannung in allen Betriebszuständen des Gleich­ spannungswandlers unterhalb der maximal zulässigen Sperr­ spannung bleibt. Dadurch wird es möglich, Dioden mit nied­ riger Sperrspannung einzusetzen, deren stromabhängige Ver­ luste besonders klein sind. Die Gesamtverlustleistung des Gleichspannungswandlers wird so weiter reduziert.

Diese Maßnahmen lassen sich auch beim Ausführungsbeispiel mit einer Entmagnetisierungswicklung 46 gemäß Fig. 2 an­ wenden. Als Sollwert dient hier die von der Sekundärwick­ lung 44 des Übertragers 40 auf die Entmagnetisierungswick­ lung 46 transformierte maximal zulässige Sperrspannung der Gleichrichterdioden der Gleichrichterschaltung 20.

Eine weitere Variante der Erfindung besteht darin, daß der Sollwert Us abhängig von der Spannung Ue der Gleichspan­ nungsquelle 14 vorgegeben wird. Bei dieser Maßnahme wird die Erkenntnis genutzt, daß es nicht in allen Betriebszu­ ständen des Gleichspannungswandlers unbedingt erforder­ lich ist, die am Kondensator (32) auftretende Spannung auf ihrem höchstmöglichen Wert zu halten. In einem mittleren Bereich des Eingangsspannungsbereiches darf diese Spannung einen niedrigeren Wert haben, wodurch seine Spannungsbela­ stung und die anderer Bauelemente verringert wird.

In Fig. 4 ist eine Kennlinie eines Gleichspannungswandlers wiedergegeben, der aus dem 220 V-Wechselstromnetz gespeist wird. Über der Eingangsspannung Ue ist die nach Fig. 3 am Schalter 12 während der Sperrphase auftretende Spannung Usp aufgetragen, bei der die Entmagnetisierung des Übertragers 8 noch gewährleistet ist. Ferner ist das von der Eingangs­ spannung Ue abhängige Tastverhältnis ton des Gleichspan­ nungswandlers angegeben. Abhängig von der Schwankung der Eingangsspannung Ue um einen mittleren Wert kann der Soll­ wert Us der Regeleinrichtung 34 entsprechend der Kennlinie vorgegeben werden, wobei die maximale Sperrspannung Umax des Schalters 12 nicht überschritten werden darf. Durch diese Maßnahme wird der Schalter 12 unter normalen Betriebs­ zuständen nicht dauerhaft mit seiner maximal zulässigen Sperrspannung beaufschlagt sondern mit einer deutlich ge­ ringeren Spannung. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Gleichspannungswandlers gesteigert.

Claims (10)

1. Gleichspannungswandler nach dem Prinzip des Eintakt­ durchflußwandlers mit einem Übertrager mit einer Pri­ märwicklung, die aus einer Gleichspannungsquelle über einen mit ihr in Serie geschalteten Schalter taktge­ steuert gespeist wird, dessen einer Anschluß mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist, wobei die während der Leitphase des Schalters im Übertrager gespeicherte Energie in der Sperrphase zum Laden eines Kondensators über eine Diode genutzt und der Kondensator wieder ent­ laden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung des Kondensators (32) durch eine Regel­ einrichtung (34) selbsttätig so gesteuert wird, daß die Spannung zwischen dem genannten einen Anschluß (38) des Schalters (12) und dem gegenüber diesem potential­ höheren Anschluß (36) des Kondensators (32) unterhalb eines durch die zulässige Sperrspannung des Schalters (12) vorgegebenen Sollwertes (Us) bleibt.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entmagnetisierungs­ wicklung (46) mit zur Primärwicklung (42) gegensinni­ ger Polung vorgesehen ist, durch die der Kondensator (32) geladen wird.

3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl der Entmagnetisierungswicklung (46) gleich oder kleiner der Windungszahl der Primärwicklung (42) ist.

4. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Regeleinrichtung (34) eine Zenerdiode vorgesehen ist.

5. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entladen des Kondensators (32) ein steuerbarer Wider­ stand (50) vorgesehen ist, dessen Widerstandswert durch die Regeleinrichtung (34) veränderbar ist.

6. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Spannungswandler vorgesehen ist, dem die bei der Entladung dem Kondensator (32) entnommene elek­ trische Energie zugeführt wird und der diese speichert.

7. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kondensator (32) entnommene Energie in die Gleich­ spannungsquelle (14) und/oder in den Sekundärkreis des Gleichspannungswandlers rückgespeist wird.

8. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Regeleinrichtung (34) ein Operationsverstärker (64) vor­ gesehen ist, dem als Istwert eine der Spannung zwischen dem einen Anschluß (38) des Schalters (12) und dem gegen­ über diesem potentialhöheren Anschluß (36) des Kondensa­ tors (32) proportionale Spannung und als Sollwert (Us) eine der maximal zulässigen Sperrspannung des Schalters (12) proportionale Spannung zugeführt wird, und daß der Operationsverstärker (64) abhängig vom Soll-Istwertver­ gleich einen elektronischen Schalter (70) über einen Puls-Weiten-Modulator (66) und einen Anpassungsübertra­ ger (68) ein- und ausschaltet, wobei in der Leitphase des elektronischen Schalters (12) ein Entladestrom vom Kondensator (32) in eine Drossel (72) fließt, die in der Sperrphase einen Strom über eine Diode (74) in die Gleichspannungsquelle (14) einspeist.

9. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Sollwert (Us) auch eine auf die Seite der Primärwicklung (10) bzw. die Seite der Entmagnetisierungswicklung (46) des Übertragers (8, 40) transformierte Spannung vorgese­ hen ist, die der zulässigen Sperrspannung von Gleich­ richterdioden (24, 30) auf der Sekundärseite (18, 44) des Übertragers entspricht.

10. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert (Us) in Abhängigkeit von der Spannung (Ue) der Gleichspannungsquelle (14) variiert wird.