DE69923731T2

DE69923731T2 - Selbsterregter Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE69923731T2
Application number: DE69923731T
Authority: DE
Inventors: Hideki Moriyama-shi Tamura; Mikihiro Echi-gun Yamashita; Yoshinori Hikone-shi Katsura
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-06-12
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2019-06-12
Also published as: ATE289457T1; CN1219351C; US6151223A; JP2000004579A; CN1239347A; EP0964505B1; DE69923731D1; EP0964505A2; EP0964505A3; JP3527636B2

Description

Erfindungsgebiet
Diese Erfindung betrifft einen selbsterregten Gleichspannungswandler und eine Stromzuführungsvorrichtung, die diesen verwendet, und insbesondere einen selbsterregten Gleichspannungswandler und eine Stromzuführungsvorrichtung, die diesen verwendet, die eine konstante Ausgangsspannung für einen großen Bereich von Eingangsspannungspegeln erzeugen kann, ohne hohe Spannungen und Komponenten mit großer Größe zu verwenden.
Erfindungshintergrund
Gleichspannungswandler funktionieren so, dass sie eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung umwandeln, mit einer Isolierung zwischen dem Eingang und dem Ausgang. Solche Wandler benutzen normalerweise eine Hochfrequenzschaltungstechnik. Es gibt viele verschiedene Typen von Wandlern, die alle bestimmte Vorteile und Nachteile aufweisen. Die vorliegende Erfindung ist auf einen selbsterregten Gleichspannungswandler und eine solch einen Gleichspannungswandler verwendende Stromzuführungsvomchtung gerichtet.
5 zeigt ein Beispiel eines selbsterregten Gleichspannungswandlers nach der herkömmlichen Technologie. Bei diesem Beispiel weist der selbsterregte Gleichspannungswandler eine Reihenschaltung auf, die zwischen Eingangsanschlüssen t1 und t2 geschaltet und aus einem PNP-Transistor Q1, einer Primärwicklung L1 und einem Kondensator C2 gebildet ist, ferner eine Spannungsabfall-Chopperschaltung, die aus einer Diode D1 gebildet wird, dessen Kathode mit dem Anschlusspunkt des Transistors Q1 und der Primärwicklung L1 verbunden ist, während seine Anode mit dem Anschlusspunkt (Erde) des Kondensators C2 und dem Eingangsanschluss t2 verbunden ist. Eine Rückkopplungswicklung L2, die magnetisch mit der Primärwicklung L1 gekoppelt ist, ist über eine Basis und einen Emitter des Transistors Q1 über einen Kondensator C1 verbunden.
Des Weiteren ist in 5 eine Reihenschaltung, die die Widerstände R5 und R6 umfasst, zwischen beiden Anschlüssen des Kondensators C2 geschaltet. Die Basis eines NPN-Transistors Q7 schließt an den Anschlusspunkt des Widerstands R5 und R6 an. Der Kollektor des Transistors Q7 schließt an die Basis eines Transistors Q6 sowie an den Emitter des Transistors Q1 über einen Widerstand R10 an. Der Kollektor des NPN-Transistors Q6 schließt an die Basis des Transistors Q1 über den Widerstand R9 an und der Emitter des Transistors Q6 schließt an die Erde an.
Die Funktionsweise dieses selbsterregten Gleichspannungswandlers wird im Folgenden beschrieben. Die 6(a) bis 6(d) zeigen die Signalformen, die mit dieser Schaltung einhergehen. Wenn die Eingangsgleichspannungsquelle E den Eingangsanschlüssen t1 und t2 zugeführt wird, fließt ein Basisstrom über den Widerstand R10 zum Transistor Q6, wodurch der Transistor Q6 angeschaltet wird. Sowie sich der Transistor Q6 anschaltet, fließt der Basisstrom I4, der eine Differenz zwischen I2 in 6(c) und I5 ist, über den Transistor R9 zum Transistor Q1, und der Transistor Q1 schaltet sich an. Sowie sich der Transistor Q1 anschaltet, fließt der Kollektorstrom I1, der in 6(b) gezeigt ist, in den Transistor Q1, wodurch eine Potentialdifferenz über die Primärwicklung L1 erzeugt wird.
Demgemäß wird auch über die Rückkopplungswicklung L2 eine Potentialdifferenz erzeugt, die magnetisch mit der Primärwicklung L1 gekoppelt ist. Der Transistor Q1 ist infolge der Potentialdifferenz über die Rückkopplungswicklung L2 vorgespannt, der unmittelbar den Transistor Q1 anschaltet. Zu diesem Zeitpunkt lädt sich der Kondensator C2 über den Pfad, der aus der Eingangsspannungsquelle E, dem Transistor Q1, der Primärwicklung L1, dem Kondensator C2 zur Eingangsspannungsquelle E elektrisch auf. Auf diese Weise wird dem Kondensator C2 und einer (nicht gezeigten) Lastschaltung, die über die Ausgangsanschlüsse t3 und t4 angeschlossen ist, Energie zugeführt.
Der Kollektorstrom I1, der durch den Transistor Q1 fließt, nimmt mit dem Parameter zu, der durch die Induktivität der Primärwicklung L1 bestimmt wird. Da der Basisstrom I4 des Transistors Q1 durch dem Widerstand R9 und den Transistor Q6 bestimmt wird, wenn der Strom I1 größer als I4 × h_FE wird (wobei h_FE eine Stromverstärkung im Transistor Q1 ist), versagt der Basisstrom I4 dabei, die Sättigung des Transistors Q1 aufrecht zu halten, und der Transistor Q1 geht in den nicht gesättigten Bereich über. Demgemäß nimmt die in 6(a) gezeigte Spannung V1 (Kollektor-Emitterspannung des Transistors Q1) zu.
Sowie die Spannung V1 zunimmt, nimmt die Spannung über die Primärwicklung L1 ab und die Spannung über die Rückkopplungswicklung L2, die magnetisch mit der Primärinduktionsspule L1 gekoppelt ist, nimmt ebenfalls ab. Demgemäß nimmt der Basisstrom I4 des Transistors Q1 ab, was zu einem weiteren Anstieg der Spannung V1 über den Kollektor-Emitter des Transistors Q1 fährt, die den Transistor Q1 rasch ausschaltet. Zu diesem Zeitpunkt überträgt sich die in der Primärwicklung L1 gespeicherte Energie, wenn der Transistor Q1 an ist, über den Pfad, der aus der Primärwicklung L1, dem Kondensator C2, der Diode D1 und der Primärwicklung L1 gebildet wird, zum Kondensator 2 und zur Lastschaltung. Wenn die in der Primärwicklung L1 gespeicherte Energie vollständig entladen ist, fließt der Basisstrom wieder zur Basis des Transistors Q1. Die Oszillation in dieser Schaltung fährt mit der Wiederholung des oben beschriebenen Prozesses fort. Der Strom I3 in der Diode D1 ist in 6(d) gezeigt.
Bei dem in 5 gezeigten Beispiel steuert der Gleichspannungswandler den Basisstrom des Transistors Q6 durch eine Schaltungsanordnung, die Widerstände R5, R6 und einen Transistor Q7 umfasst, auf der Grundlage der Ausgangsspannung und steuert auf diese Weise den Basisstrom I4 des Transistors Q1. Wenn beispielsweise die Ausgangsspannung infolge einer Abnahme der Last zunimmt, nimmt die Spannung am Anschlusspunkt der widerstände R5 und R6 zu. Daher nimmt der durch den Transistor Q7 fließende Strom zu, der die Basisspannung des Transistors Q6 sowie den Basisstrom des Transistors Q6 vermindert. Da der Kollektorstrom des Transistors Q6 abnimmt, nimmt der Basisstrom I4 des Transistors Q1 ebenfalls ab, was den Zeitablauf des Transistors Q1 beschleunigt (vorantreibt), um in den ausgeschalteten Zustand zu gehen. Deshalb nimmt der Höchstwert des Stroms I1 ab, wodurch die Zunahme der Ausgangsspannung beschränkt wird.
Wenn die Ausgangsspannung infolge einer Zunahme der Last abnimmt, nimmt andererseits die Spannung am Anschlusspunkt des Transistors R5 und R6 ab. Daher nimmt der Strom ab, der durch den Transistor Q7 fließt, die Basisspannung des Transistors Q6 nimmt zu und der Basisstrom des Transistors Q6 nimmt zu. Demgemäß nimmt der Basisstrom I4 des Transistors Q1 zu, was den Zeitablauf des Transistors Q1 verzögert, in den ausgeschalteten Zustand überzugehen. Folglich nimmt der Höchstwert des Stroms I1 zu, wodurch die Abnahme der Ausgangsspannung beschränkt wird.
Wie es im vorherigen beschrieben wurde, steuert bei dieser Schaltung der Schaltkreis, der die Widerstände R5, R6 und den Transistor Q7 umfasst, den Basisstrom des Transistors Q6 auf der Grundlage der Ausgangsspannung und steuert den Basisstrom I4 des Transistors Q1, wodurch die konstante Ausgangsspannung zur Lastschaltung aufrecht gehalten wird. Die genauere Beschreibung dieser herkömmlichen Gleichspannungswandlerschaltung wird in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 5-2585 gegeben.
Der im Vorhergehenden beschriebene Gleichspannungswandler ermöglicht es, die konstante Ausgangsspannung mit einer einfachen Schaltungskonfiguration aufrecht zu halten. Wenn die Eingangsspannungsquelle E aus einem großen Spannungsbereich kommerzieller Stromquellen, wie etwa AC100V–AC240V, durch Gleichrichten und Ausgleichen derselben erzeugt wird, kann jedoch an den Widerstand R9 und den Transistor Q6 eine hohe Spannung angelegt werden, die den Basisstrom I4 des Transistors Q1 steuern.
Wegen dieser hohen Spannung fließt ein großer Basisstrom, der von mehreren mA (Milliampere) bis zu mehreren zehn mA reicht, in den Transistor Q6, was zur Zunahme der Wärmeabgabe und Leistungsverlust durch den Transistor Q6 führt. Zusätzlich müssen Komponenten mit hoher Durchschlagspannung verwendet werden, was die Gesamtgröße der Wandlerschaltung vergrößert. Weil sich der durch den Transistor Q7 fließende Strom in Erwiderung auf den Spannungspegel der Eingangsspannungsquelle E verändert, ist darüber hinaus keine konstante Spannungsrückkopplung durch den Transistor Q7 verfügbar.
GB-A-2 318 655 offenbart eine Schaltung zum Aufladen einer kapazitiven Last mit einem selbsterregten Gleichspannungswandler nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
WO-A-98/24170 betrifft einen fest verankerten, frei oszillierenden Schaltungsregulator, umfassend einen Schaltungstransistor und einen Transistor, der als ein Ausgangsspannungssensor leitend angeschlossen ist, um zu erfassen, ob ein möglicher Einstellwert überschritten wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen selbsterregten Gleichspannungswandler mit geringem Leistungsverlust und kleiner Größe bereitzustellen, der auch verwendet werden kann, selbst wenn der Eingangsspannungspegel in einem großen Bereich variiert.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße selbsterregte Gleichspannungswandler kann dadurch eine Ausgangsspannung mit hoher Stabilität erzeugen, dass er ein Temperaturausgleichsmittel zum Ausgleichen von Änderungen der Spannung auszugleichen, die durch eine Temperaturcharakteristik einer Lastschaltung verursacht werden, die an den Gleichspannungswandler angeschlossen ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Aufbau eines selbsterregten Gleichspannungswandlers bei einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die 2(a) bis 2(c) sind Zeitablaufdiagramme, die die Signalformen zur Erläuterung der Funktionsweise des selbsterregten Gleichspannungswandlers bei einem ersten Ausführungsbeispiel zeigen.
3 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Aufbau einer Stromzuführungsvorrichtung zeigt, die einen selbsterregten Gleichspannungswandler beim zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist.
4 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Aufbau einer Stromzuführungsvomchtung zeigt, die einen selbsterregten Gleichspannungswandler beim dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist.
5 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Aufbau eines selbsterregten Gleichspannungswandlers nach der herkömmlichen Technologie zeigt.
Die 6(a) bis 6(d) sind Zeitablaufdiagramme, die Signalformen zur Erläuterung der Funktionsweise des selbsterregten Gleichspannungswandlers von 5 zeigen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Das erste Ausführungsbeispiel des selbsterregten Gleichspannungswandlers der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2(a) bis 2(c) beschrieben. Die Signalformen, die die Funktionsweise des selbsterregten Gleichspannungswandlers bei einem ersten Ausführungsbeispiel zeigen, sind in den 2(a) bis 2(c) gezeigt.
In 1 umfasst der selbsterregte Gleichspannungswandler 1 eine Reihenschaltung, die zwischen Eingangsanschlüssen t1 und t2 angeschlossen und aus einem PNP-Transistor Q1, einer Primärwicklung L1 und einem Kondensator C2 ausgebildet ist, eine Spannungsabfall-(Abwärtsumsetzter)-Chopperschaltung, die aus einer Diode D1 gebildet ist, deren Kathode mit dem Anschlusspunkt des Transistors Q1 und der Primärwicklung L1 verbunden ist, während ihre Anode mit dem Anschlusspunkt (Erde) des Kondensators C2 und dem Eingangsanschluss t2 verbunden ist. Eine Rückkopplungswicklung L2, die magnetisch mit der Primärwicklung L1 gekoppelt ist, ist über eine Basis und einen Emitter des Transistors Q1 über eine Reihenschaltung angeschlossen, die aus einem Kondensator C1 und einem Widerstand R3 gebildet ist.
Die Basis des Transistors Q1 schließt über einen Widerstand R4 an die Erde an. Eine Reihenschaltung, die Widerstände R5 und R6 umfasst, schließt an beiden Enden des Kondensators C2 an. Die Basis des NPN-Transistors Q3 schließt an den Anschlusspunkt der Widerstände R5 und R6 an. Der Emitter des Transistors Q3 schließt an die Erde an und der Kollektor des Transistors Q3 schließt über eine Reihenschaltung, die aus Widerständen R1 und R2 gebildet wird, an den Emitter des Transistors Q1 an. Die Basis eines PNP-Transistors Q2, der ein zweiter Transistor ist, schließt an den Anschlusspunkt der Widerstände R1 und R2 an. Der Emitter des Transistors Q2 schließt an den Emitter des Transistors Q1 an und der Kollektor des Transistors Q2 schließt an die Basis des Transistors Q1 an.
Die Funktionsweise des selbsterregten Gleichspannungswandlers 1 wird im Folgenden erläutert. Wenn die Gleichstrom-Eingangsspannungsquelle E an die Eingangsanschlüsse t1 und t2 angelegt wird, fließt ein Basisstrom durch den Widerstand R4 zum Transistor Q1, wodurch der Transistor Q1 angeschaltet wird.
Sowie sich der Transistor Q1 anschaltet, fließt der in 2(b) gezeigte Kollektorstrom I1 aus dem Transistor Q1, der eine Potentialdifferenz über die Primärwicklung L1 erzeugt. Eine Potentialdifferenz wird auch über die Rückkopplungswicklung erzeugt, die magnetisch mit der Primärinduktivität L1 gekoppelt ist. Da der Transistor Q1 infolge der Potentialdifferenz in der Rückkopplungswicklung L2 vorgespannt ist, schaltet sich der Transistor Q1 rasch an. Zu diesem Zeitpunkt lädt sich der Kondensator C2 über den Pfad, der sich von der Eingangsspannungsquelle E dem Transistor Q1, der Primärwicklung L1, dem Kondensator C2 und zur Eingangsspannungsquelle E erstreckt, elektrisch auf. Die Energie wird in den Kondensator C2 und eine (nicht gezeigte) Lastschaltung geladen, die über die Ausgangsanschlüsse t3 und t4 angeschlossen ist.
Der Kollektorstrom I1, der durch den Transistor Q1 fließt, nimmt um den Parameter zu, der durch die Induktivität der Primärwicklung L1 bestimmt wird. Wenn der Strom I1 größer als der Basisstrom multipliziert mit der Stromverstärkung h_FE des Transistors Q1 wird, schafft es der Basisstrom nicht, die Sättigung des Transistors Q1 aufrecht zu halten, und der Transistor Q1 arbeitet im nicht gesättigten Bereich. Demgemäß nimmt die in 2(a) gezeigte Spannung V1 (Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors Q1) zu. Sowie die Spannung V1 zunimmt, nimmt die Spannung über die Primärwicklung L1 ab, was zur Abnahme der Spannung über die Rückkopplungswicklung L2 führt, die magnetisch mit der Primärwicklung L1 gekoppelt ist. Demgemäß nimmt der in 2(c) gezeigte Basisstrom I2 des Transistors Q1 ab, was die Spannung V1 über den Kollektor-Emitter des Transistors Q1 weiter erhöht und den Transistor Q1 rasch abschaltet.
Wenn sich der Transistor Q1 abschaltet, überträgt sich die in der Primärwicklung L1 gespeicherte Energie, wenn sich der Transistor Q1 in angeschalteten Zustand befindet, über den Pfad, der sich von der Primärwicklung L1, dem Kondensator C2, der Diode D1 und zur Primärwicklung erstreckt, zum Kondensator C2 und zur Lastschaltung. Wenn die in der Primärwicklung L1 gespeicherte Energie vollständig entladen ist, fließt der Basisstrom zur Basis des Transistors Q1, wodurch der Transistor Q1 angeschaltet wird. Die Oszillation im Gleichspannungswandler fährt durch Wiederholung des oben beschriebenen Prozesses fort.
Im Gleichspannungswandler von 1 steuert der Schaltkreis, der die Widerstände R1, R2 und R6 und die Transistoren Q2 und Q3 umfasst, den Basisstrom des Transistors Q1 auf der Grundlage der Ausgangsspannung. Wenn beispielsweise die Ausgangsspannung zunimmt (die Periode Tb in 2), infolge der Spannungsschwankungen der Eingangsspannungsquelle E und/oder der Schwankungen der Last, nimmt die Spannung am Anschlusspunkt der Widerstände R5 und R6 zu. Demgemäß nimmt der Basisstrom des Transistors Q3 zu und der Kollektorstrom des Transistors Q3 nimmt ebenfalls zu.
Wegen der Zunahme des Kollektorstroms nimmt die Potentialdifferenz über den Widerstand R1 zu und der Basisstrom des Transistors Q2 nimmt ebenfalls zu. Da ein Teil des Basisstroms des Transistors Q1 über den Transistor Q2 überbrückt wird, wenn der Basisstrom des Transistors Q2 zunimmt, nimmt die Überbrückungsmenge des Basisstroms des Transistors Q1 zu. Demgemäß nimmt der Basisstrom des Transistors Q1 zu, was den Zeitablauf für den Transistor, sich abzuschalten, beschleunigt (vorantriebt) und dadurch die Ausgangsspannung erniedrigt.
Wenn andererseits die Ausgangsspannung abnimmt (die Periode Ta in 2), infolge der Spannungsschwankungen der Eingangsspannungsquelle E und/oder der Schwankungen der Last, nimmt die Spannung des Anschlusspunktes der Widerstände R5 und R6 ab. Demgemäß nimmt der Basisstrom des Transistors Q3 ab und der Kollektorstrom des Transistors Q3 nimmt demgemäß ab. Wegen der Abnahme des Kollektorstroms nimmt zu diesem Zeitpunkt die Potentialdifferenz über den Widerstand R1 ab, wodurch der Basisstrom des Transistors Q2 abnimmt. Im Ergebnis nimmt die Überbrückungsmenge des Basisstroms des Transistors Q1 durch den Transistor Q2 ab. Demgemäß nimmt der Basisstrom des Transistors Q1 zu, was den Zeitablauf für den Transistor Q1 verzögert, sich abzuschalten, wodurch die Ausgangsspannung erhöht wird.
Wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde, überbrückt der Transistor Q2 im selbsterregten Gleichspannungswandler 1 bei diesem Ausführungsbeispiel, der über die Basis und den Emitter des Transistors Q1 angeschlossen ist, einen Teil des Basisstroms I2 des Transistors Q1. Durch Veränderung der Strommenge der Überbrückung des Basisstroms auf der Grundlage der Ausgangsspannung kann der Transistor Q1 den Zeitablauf des Transistors Q1 ändern, sich abzuschalten, und steuert demgemäß die Ausgangsspannung, so dass sie konstant ist.
Bei dieser Anordnung kann der Widerstandswert des Widerstands R4 klein sein, weil nur ein kleiner Basisstrom, der benötigt wird, um den Transistor Q1 zu steuern, durch den Widerstand R4 fließen muss. Deshalb ist der Stromverbrauch beim Widerstand R4 klein. Darüber hinaus ist der Transistor Q2, der den Basisstrom des Transistors Q1 steuert, über die Basis und den Emitter des Transistors Q1 angeschlossen und arbeitet unter einer relativ kleinen Potentialdifferenz im Vergleich zur Spannung der Eingangsspannungsquelle E. Daher können der Leistungsverbrauch und die durch den Transistor Q2 entstehende Wärmeabgabe klein sein. Da ein Transistor mit niedriger Durchschlagsspannung für den Transistor Q2 verwendet werden kann und solch ein Transistor klein bemessen ist, kann zusätzlich die Gesamtgröße des selbsterregten Gleichspannungswandlers 1 verringert werden.
Das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 3 gezeigt, das eine Stromzuführungsvorrichtung ist, die einen selbsterregten Gleichspannungswandler verwendet. Da der grundlegende Schaltungsaufbau von 3 ähnlich zu dem des ersten Ausführungsbeispiels von 1 ist, werden für die entsprechenden Komponenten identische Bezugszeichen verwendet und deren Beschreibung wird hier weggelassen.
Die Stromzuführungsvorrichtung bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst einen selbsterregten Gleichspannungswandler, der die Eingangsspannung heruntersetzt, und eine Schalt-Stromzuführung 3, die die Ausgangsspannung des selbsterregten Gleichspannungswandlers 1 durch ein Schaltelement schaltet, um die Ausgangsspannung des Wandlers auf einen gewünschten Spannungspegel umzuwandeln.
Der selbsterregte Gleichspannungswandler 1 ist auf fast die gleiche Art und Weise aufgebaut, wie die in 1 gezeigte und in Vorhergehenden beschriebene Schaltung. Darin ist eine Zenerdiode ZD1 vorgesehen, deren Kathode mit dem Anschlusspunkt der Widerstände R5 und R6 verbunden ist, und deren Anode mit der Basis des Transistors Q3 verbunden ist.
Die Ausgangsanschlüsse t3 und t4 des selbsterregten Gleichspannungswandlers 1 sind mit der Schalt-Stromzuführung 3 verbunden. Die Schalt-Stromzuführung 3 beinhaltet eine erste Reihenschaltung, die zwischen den Anschlüssen t3 und t4 vorgesehen ist und die eine Resonanzschaltung, die aus einer Primärwicklung L3 eines Transformators T2 und einem Kondensator C4 aufgebaut ist, einen MOS-Feldeffekttransistor (im folgenden „MOSFET") Q4, der als ein Schaltelement fungiert, und einen Widerstand R8 umfasst. Die Schalt-Stromzuführung 3 beinhaltet darüber hinaus eine zweite Reihenschaltung, die zwischen den Anschlüssen t3 und t4 vorgesehen ist und die einen NPN-Transistor Q5, dessen Basis mit der Source des MOSFET Q4 verbunden ist und dessen Kollektor mit dem Gate des MOSFET Q4 verbunden ist und dessen Emitter mit der Erde verbunden ist, einen Widerstand R7 und einen Kondensator C3 umfasst.
Das Gate des MOSFET Q4 schließt über eine Rückkopplungswicklung L5 des Transformators T2 an den Anschlusspunkt des Widerstands R7 und des Kondensators C3 an. Eine Last 4 ist über eine Diode D2 an die Sekundärwicklung L4 des Transformators T2 angeschlossen. Durch den An- und Aus-Betrieb des MOSFET Q4 wird der Strom, der vom selbsterregten Gleichspannungswandler in die Primärwicklung L3 eingeführt wird, an- und abgeschaltet. Auf diese Weise über die Sekundärwicklung L4 und die Rückkopplungswicklung L5 des Transformators T2 Spannungen induziert. Die Schalt-Stromzuführung 3 und die Last 4 bauen eine Lastschaltung 2 für den selbsterregten Gleichspannungswandler 1 auf.
Die Funktionsweise der Schalt-Stromzuführung 3 wird im Folgenden erläutert. Wenn der Schalt-Stromzuführung 3 die Ausgangsspannung vom Gleichspannungswandler 1 zugeführt wird, lädt sich der Kondensator C3 über den Widerstand 7 elektrisch auf. Wenn die Spannung über den Kondensator C3 den Spannungsgrenzwert des MOSFET Q4 erreicht, schaltet sich der MOSFET Q4 an. Sowie sich der MOSFET Q4 anschaltet, fließt ein elektrischer Strom über den MOSFET Q4 durch die Primärwicklung des Transformators T2 und eine Potentialdifferenz wird von der Primärwicklung L3 in der Rückkopplungswicklung L5 induziert. Auf diese Weise erhöht sich der Strom, der durch den MOSFET Q4 fließt.
Solch ein durch den MOSFET Q4 fließender Strom ändert sich nahezu linear. Wegen des durch den MOSFET Q4 fließenden Stroms wird über den Widerstand R8 eine Potentialdifferenz erzeugt. Wenn diese Potentialdifferenz den Spannungsgrenzwert des Transistors Q5 überschreitet, schaltet sich der Transistor Q5 an. Die Gatespannung des MOSFET Q4 wird durch den Transistor Q5 entladen, wodurch der MOSFET Q4 angeschaltet wird. Folglich beginnt die Resonanzschaltung, die die Primärwicklung L3 und den Kondensator C4 umfasst, zu oszillieren. Zum Zeitpunkt, wenn ein Schwingungszyklus der Resonanzschaltung endet, erreicht die an der Rückkopplungswicklung L5 induzierte Spannung einen Spannungspegel, der benötigt wird, um das Gate des MOSFET Q4 anzuschalten. Daher schaltet sich das MOSFET Q4 wieder an. Durch Wiederholung der oben beschriebenen Operation fährt die Oszillation in der Schalt-Stromzuführung 3 auf eine stabile Art und Weise fort.
Wenn die Umgebungstemperatur höher wird, nimmt bei der Schalt-Stromzuführung 3 von 3 die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q3 ab, was den Zeitablauf des MOSFET Q4 beschleunigt (vorantreibt), sich abzuschalten. Demgemäß nimmt der Strom ab, der im MOSFET Q4 fließt, was den Ausgangsspannungspegel für die Last 4 vermindern kann. Um solch eine Temperaturschwankung der Ausgangsspannung auszugleichen, kann eine Zenerdiode, die eine Temperaturcharakteristik aufweist, die der des Transistors 5 entgegengesetzt ist, mit der Basis des Transistors Q5 verbunden sein. Bei solch einer Anordnung muss jedoch eine Spannung über den Widerstand R8 erhöht werden, was einen Widerstand einer höheren Leistung und Durchschlagsspannung erfordert, der eine größere physikalische Größe aufweist.
Um den oben beschriebenen Nachteil zu beheben, ist beim Gleichspannungswandler von 3 eine Zenerdiode ZD1, die eine positive Temperaturcharakteristik aufweist (im Vergleich zur negativen Temperaturcharakteristik des Transistors Q5), die als ein Temperaturausgleichsmittel wirkt, mit dem Anschlusspunkt der Widerstände R5 und R6 verbunden. Wenn die Umgebungstemperatur ansteigt, nimmt die Zenerspannung der Zenerdiode ZD1 zu, was wiederum die Basisspannung des Transistors Q3 erniedrigt. Weil der Kollektorstrom des Transistors Q3 abnimmt, nimmt die Spannung über den Widerstand R1 ab.
Deshalb nimmt der durch den Transistor Q2 fließende Überbrückungsstrom ab, was zu einer Zunahme des Basisstroms des Transistors Q1 führt. Demgemäß wird der Zeitablauf für den Transistor Q1, sich abzuschalten, verzögert, wodurch die Ausgangsspannung des selbsterregten Gleichspannungswandlers 1 erhöht wird. Daher kann die Abnahme der Ausgangsspannung der Schalt-Stromzuführung 3 infolge des Temperaturanstiegs durch Erhöhung der Ausgabe des selbsterregten Gleichspannungswandlers 1 kompensiert werden. Auf diese Weise wird die Temperaturcharakteristik der Lastschaltung 2 (Schalt-Stromzuführung 3 und Last 4) ausgeglichen und es wird eine konstante Spannung an die Last 4 angelegt.
Das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 4 gezeigt, welches eine Stromzuführungsvorrichtung ist, die einen selbsterregten Gleichspannungswandler verwendet. Da der grundlegende Schaltungsaufbau von 3 mit dem des ersten Ausführungsbeispiels von 1 und des dritten Ausführungsbeispiels von 3 vergleichbar ist, werden für die entsprechenden Komponenten identische Bezugszeichen verwendet und deren Beschreibung wird weggelassen.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel im Vorhergehenden kann mit der Stromzuführungsvorrichtung, die in 3 gezeigt wird, das folgende Problem einhergehen. Wenn die Eingangsspannungsquelle E an den selbsterregten Gleichspannungswandler 1 angelegt wird, wird der Kondensator C2 auf die im Vorhergehenden beschriebene An und Weise aufgeladen und die Spannung über den Kondensator C2 nimmt zu. Andererseits lädt der Strom von der Eingangsspannungsquelle E a der Schalt-Stromzuführung 3 den Kondensator C3 durch den Widerstand R7 auf. Wenn die Spannung über den Kondensator C3 den Spannungsgrenzwert des Gate überschreitet, schaltet sich der MOSFET Q4 an, und wenn die Potentialdifferenz über den Widerstand R8 den Spannungsgrenzwert des Transistors Q5 überschreitet, schaltet sich der Transistor Q5 an. Die Gate-Spannung des MOSFET Q4 wird über den Transistor Q5 entladen, wodurch der MOSFET Q4 abgeschaltet wird, und die Resonanzschaltung, die die Primärwicklung L3 und den Kondensator C4 umfasst, beginnt zu oszillieren.
Da der Laststrom rasch zunimmt, wird in diesem Fall die elektrische Ladung im Kondensator C2 der Schalt-Stromzuführung 3 zugeführt, was die Spannung über den Kondensator C2 verringern kann. Wenn der elektrische Strom, der im Kondensator C2 geladen ist, und der elektrische Strom, der vom Kondensator C2 der Schalt-Stromzuführung 3 zugeführt wird, miteinander ausgeglichen sind, wird die Spannung über den Kondensator C2 nicht länger zunehmen. Folglich kann die Spannung über den Kondensator C2, d. h. die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 1 kleiner werden als beabsichtigt ist.
Um diesen Nachteil zu beheben, ist beim in 4 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel ein Widerstand R11 parallel zum Kondensator C3 angeschlossen. Der Widerstand R7 und R11 und der Kondensator C3 bilden ein Aufhebungsmittel, das vorübergehend die Schaltoperation des MOSFET Q4 außer Kraft setzt. Am Beginn der Operation, bis die Spannung über den Kondensator C2 die festgelegte Spannung überschreitet, die durch den Spannungsteiler, der aus den Widerständen R7 und R11 gebildet wird, und den Spannungsgrenzwert des MOSFET Q4 definiert wird, wird die Spannung über den Kondensator C3 nicht den Spannungsgrenzwert des MOSFET Q4 erreichen.
Daher kann die Oszillation der Schalt-Stromzuführung 3 aufgehoben und die Spannung über den Kondensator C2, d. h. die Ausgangsspannung des selbsterregten Gleichspannungswandlers 1 kann die festgelegte Spannung überschreiten. Auf diese Wiese kann die vorliegende Erfindung die Abnahme der Ausgangsspannung der Schalt-Stromzuführung 3 verhindern, die durch die Abnahme der Ausgangsspannung des selbsterregten Gleichspannungswandlers 1 verursacht wird.
Wie beim Vorhergehenden, beim ersten Ausführungsbeispiel, ist der Transistor Q2, der den Basisstrom des Transistors Q1 steuert, über die Basis und den Emitter des Transistors Q1 angeschlossen und arbeitet unter einer relativ kleinen Potentialdifferenz im Vergleich zur Spannung der Eingangsspannungsquelle E. Demgemäß kann die durch den Transistor Q2 anfallende Leistungsaufnahme und Wärmeabgabe klein sein. Da ein Transistor mit kleiner Durchschlagspannung für den Transistor Q2 verwendet werden kann und solch ein Transistor eine kleine Größe besitzt, kann darüber hinaus die Gesamtgröße des selbsterregten Gleichspannungswandlers 1 verringert werden. Da der Transistor Q2 den Basisstrom des Transistors Q1 durch Regulieren des Überbrückungsstroms steuert, wird darüber hinaus die Steuerung des Basisstroms, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erzeugen, sogar erreicht, wenn sich die Eingangsspannung in einem großen Bereich verändert.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist das Temperaturausgleichmittel, wie etwa die Zenerdiode, in der Stromzuführungsschaltung vorgesehen. Die Temperaturausgleichsschaltung weist eine Temperaturcharakteristik auf, die entgegengesetzt zu der der Last des Gleichspannungswandlers ist. Auf diese Weise wird die Temperaturcharakteristik der Last kompensiert und am Ausgang der Stromzuführungsvorrichtung wird eine konstante Spannung erzeugt.
Beim dritten Ausführungsbeispiel beinhaltet die Schalt-Stromzuführung das Aufhebungsmittel, das vorübergehend die Schaltoperation des Schaltelements aufhebt. Am Begin der Operation, bis die Spannung über den Kondensator C2 die festgelegte Spannung überschreitet, wird die Schaltoperation in der Stromzuführung aufgehoben. Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung des selbsterregten Gleichspannungswandlers die festgelegte Spannung erreichen, wodurch die Abnahme der Ausgangsspannung der Schalt-Stromzuführung verhindert wird, die durch die Abnahme der Ausgangsspannung des selbsterregten Gleichspannungswandlers verursacht wird.
Obwohl hierin nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel speziell dargestellt und beschrieben wurde, wird man einsehen, dass viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Licht der obigen Lehren und innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche möglich sind, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Selbsterregter Gleichspannungswandler, umfassend: einen ersten Transistor (Q1) zum Schalten einer Eingangsgleichspannung, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, dessen Spannungswert von der Eingangsspannung herabgesetzt ist; eine Primärwicklung (L1), deren eines Ende mit einem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist; eine Diode (D1), deren Kathode mit einem Anschlusspunkt des ersten Transistors (Q1) und der Primärwicklung (L1) verbunden ist und deren Anode mit der Erde verbunden ist; einen Kondensator (C2), der zwischen dem anderen Ende der Primärwicklung (L1) und der Erde angeschlossen ist; und eine Rückkopplungswicklung (L2), die magnetisch an die Primärwicklung gekoppelt und zwischen einer Basis und einem Emitter des ersten Transistors angeschlossen ist; dadurch gekennzeichnet, dass: ein zweiter Transistor (Q2) zwischen der Basis und dem Emitter des ersten Transistors vorgesehen ist, zum Kurzschließen eines Basisstroms des ersten Transistors auf solche Art und Weise, dass das Ausmaß des Kurzschließens des Basisstroms in Erwiderung auf einen Wert der Ausgangsspannung reguliert wird; und ein Temperaturausgleichmittel zum Ausgleichen einer temperaturabhängigen Veränderung der Ausgangsspannung, die durch eine Lastschaltung (2) verursacht wird, wobei das Temperaturausgleichmittel eine Temperaturcharakteristik aufweist, die zu der der Lastschaltung entgegengesetzt ist, wobei das Temperaturausgleichmittel eine Zenerdiode (ZD1) ist, die zwischen der Ausgangsspannung und dem zweiten Transistor zum Ausgleichen des Ausmaßes des Kurzschließens des Basisstroms zum ersten Transistor vorgesehen ist.
Selbsterregter Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder des ersten und zweiten Transistors ein PNP-Transistor ist.
Selbsterregter Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler darüber hinaus einen dritten Transistor (Q3) enthält, dessen Basis eine Rückkopplungsspannung aufnimmt, die proportional zur Ausgangsspannung ist, wodurch eine Basisspannung des zweiten Transistors (Q2) reguliert wird.
Selbsterregter Gleichspannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungsspannung von einem Spannungsteiler erzeugt wird, der mit der Ausgangsspannung versorgt wird und aus einer Vielzahl von Widerständen ausgebildet ist.
Selbsterregter Gleichspannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisspannung des zweiten Transistors durch ein Produkt aus einem Kollektorstrom des dritten Transistors (Q3) und einem Widerstand (R2) reguliert wird, der an den Kollektor des dritten Transistors angeschlossen ist.
Selbsterregter Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler darüber hinaus einen Widerstand (R4) enthält, der zwischen der Basis des ersten Transistors (Q1) und der Erde angeschlossen ist.
Selbsterregter Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastschaltung eine Schalt-Stromzuführung (3) enthält, die ein Schaltelement aufweist und mit der Ausgangsspannung versorgt wird, um die Ausgangsspannung durch wiederholtes Wechseln zwischen AN- und AUS-Zuständen zu schalten.
Selbsterregter Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler darüber hinaus enthält: eine Schalt-Stromzuführung (3), die ein Schaltelement (Q4) zum Schalten der Ausgangsspannung vom Gleichspannungswandler aufweist, um einen gewünschten Spannungspegel zu erzeugen; und ein Unterbrechungsmittel, das in der Schalt-Stromzuführung (3) vorgesehen ist, um vorübergehend einen Betrieb des Schaltelements zu unterbrechen, bis die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (1) einen festgelegten Spannungspegel erreicht; und wobei das Schaltelement (Q4) ein MOSFET (MOS-Feldeffekttransistor) ist und das Unterbrechungsmittel einen Spannungsteiler enthält, der eine Spannung zu einem Gate des MOSFET beschränkt, um eine Schwellenspannung zu erreichen, wenn die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers kleiner ist als der festgelegte Spannungspegel.
Selbsterregter Gleichspannungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalt-Stromzuführung (3) eine erste Reihenschaltung, die zwischen den Ausgangsanschlüssen des Gleichspannungswandlers vorgesehen ist und einen Schwingkreis, der aus einer Primärwicklung (L3) eines Transformators (T2) und einem Schwingkondensator (C4) aufgebaut ist, den MOSFET als Schaltelement und einen ersten Widerstand (R8) umfasst, und eine zweite Reihenschaltung enthält, die zwischen den Ausgangsanschlüssen vorgesehen ist und einen NPN-Transistor (Q5), dessen Basis mit einer Drain des MOSFET (Q4) verbunden ist und dessen Kollektor mit einem Gate des MOSFET (Q4) verbunden ist und dessen Emitter mit der Erde verbunden ist, einen zweiten Widerstand (R7) und einen Ladungskondensator (C3) umfasst, wobei das Gate des MOSFET (Q4) an einen Anschlusspunkt des zweiten Widerstands (R7) und des Ladungskondensators (C3) über eine Rückkopplungswicklung (L5) des Transformators (T2) angeschlossen ist.
Selbsterregter Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder des ersten und zweiten Transistors (Q1, Q2) im Gleichspannungswandler ein PNP-Transistor ist.
Selbsterregter Gleichspannungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (1) darüber hinaus einen dritten Transistor (Q3) umfasst, dessen Basis eine Rückkopplungsspannung aufnimmt, die proportional zur Ausgangsspannung ist, wodurch eine Basisspannung des zweiten Transistors (Q2) reguliert wird.
Selbsterregter Gleichspannungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungsspannung im Gleichspannungswandler (1) von einem Spannungsteiler erzeugt wird, der die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers teilt, wobei der Spannungsteiler aus einer Vielzahl von Widerständen ausgebildet ist.
Selbsterregter Gleichspannungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisspannung des zweiten Transistors (Q2) durch ein Produkt aus einem Kollektorstrom des dritten Transistors (Q3) und einem Widerstand (R2) reguliert wird, der an den Kollektor des dritten Transistors angeschlossen ist.