NL7900418A - Gelijkspanningsomvormer. - Google Patents

Description

* * r VO 6686

Theodorus van Bemmel Beaumaris, Victoria, Australië.

Gelijkspanningsomvormer.

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op een '.gelijkspanningsomvormer, waarmee een aan de ingang daarvan aangelegde gelijkspanning kan worden omgezet in een andere gewenste vorm, bijvoorbeeld een periodiek wisselende spanning, die dan aan een belasting wordt 5 aangelegd. Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een gelijkspanningsomvormer te gebruiken in combinatie met een gelijkspan-ningsbron, waarvan de nominale spanning E - in de loop van de tijd, wanneer energie daaraan wordt onttrokken, verandert* Zoals bijvoorbeeld bij een batterij het geval is, en met een belasting, die voor voedings-10 spanningsvariaties gevoelig is, zoals bijvoorbeeld een gloeilamp, verandert de spanning van zulk een gelijkspanningsbron.

Bekende uitvoeringen van gelijkspanningsomvormers hebben in het algemeen het bezwaar, dat de daardoor geïntroduceerde verliezen relatief hoog zijn, hetgeen ongunstig is voor het uiteindelijke rendement, 15 dat bijvoorbeeld niet hoger is dan 80%. In het bijzonder wanneer een dergelijke geli jkspanningsomvormer moet worden gebruikt om vanuit een batterij één of meer gloeilampen te voeden, is het van belang, dat de door de omvormer geïntroduceerde verliezen gering zijn. Tevens is het van belang, dat bij relatief hoge energieniveaus de warmtedissipatie in 20 de omvormer zelf, meer in het bijzonder onderdelen daarvan, zo gering mogelijk is, teneinde de fabricagekosten terug te kunnen brengen en de fysische afmetingen van het geheel te kunnen verkleinen.

Met de uitvinding is in eerste aanleg beoogd een dergelijke geli jkspanningsomvormer zodanig in te richten en te dimensioneren, dat 25 de daardoor veroorzaakte verliezen zo gering mogelijk zijn en het rendement wordt verbeterd.

Een geli jkspanningsomvormer omvattende ingangsaansluitingen voor het vormen van een verbinding met een gelijkspanningsbron voor het afgeven van een gelijkspanning met een nominale waarde E uit-30 gangsaansluitingen voor het vormen van een verbinding met een belasting, 790 04 1 8 * 2

V

een als schakelelement dienende transistor en stuursignaalmiddelen voor het teweegbrengen van een stuursignaal, waardoor de transistor periodiek in de verzadiging kan worden gebracht, is daartoe volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt, dat genoemde stuursignaalmiddelen zijn 5 ingericht voor het teweegbrengen van uitsluitend rechtstreeks vanaf de ingangsaansluitingen afgeleide stuurpulsen, die elk een geleidelijk dalende achterflank hebben, terwijl de verhouding X tussen de breedte van deze stuurpulsen en de herhalingsfrequentie daarvan een zodanige waarde heeft, dat door de transistor over de uitgangsaansluitingen in hoofdzaak rechthoekige pulsen worden ontwikkeld, waarvan de effectieve waarde volgens een vooraf gekozen verhouding kleiner is dan de genoemde nominale waarde E^^ van de gelijkspanningsbron.

Met een dergelijke gelijkspanningsomvormer is het mogelijk om, wanneer als gelijkspanningsbron gebruik wordt gemaakt van een batterij, 15 de effectieve waarde van de over de belasting ontwikkelde spanning en daarmee de er aan afgegeven energie, in hoofdzaak constant te houden ondanks de omstandigheid, dat de nominale batterij spanning,naarmate meer energie daaraan wordt onttrokken, zal dalen.

Volgens een verder aspect van de uitvinding is een gelijk- 20 spanningsomvormer zodanig ge limensioneerd, dat de effectieve waarde van de in hoofdzaak rechthoekige pulsen,die via de transistor aan de belasting worden toegevoerd, overeenkomt met de waarde tot waaraan de spanning van de batterij bij het einde van de levensduur daarvan zal zijn gedaald. Bij een door één of meer gloeilampen gevormde belastingen 25 heeft zulks in het bijzonder het voordeel, dat gedurende de volledige levensduur van de batterij de lichtopbrengst vrijwel constant is, en de levensduur van de lamp of lampen is verlengd. Door de gemaakte keuze is namelijk de levensduur van deze lampen aangepast aan die van de batterij.

30

De door de wolfraam gloeidraad van een gloeilamp veroorzaakte 6 zichtbare lichtstraling is ongeveer evenredig met de 3,6 -macht van de aan de lamp aangeboden spanning, terwijl de levensduur van zulk een e gloeidraad omgekeerd evenredig is met de 12 -macht van de aangeboden spanning. Er bestaat derhalve een effectieve waarde van de aan de 35 gloeidraad van zulk een lamp aangelegde spanning, die is bepaald door de energie-inhoud van de batterij waarbij de levensduur van de gloeidraad en derhalve die van de lamp, die van de batterij gaat naderen 790 04 1 8 3 * en waarbij voor deze effectieve waarde de lichtstraling zich optimaliseert.

Voor een gebruikelijke Leclanche-batterij, die bijvoorbeeld is samengesteld uit vier met elkaar in serie verbonden cellen, geldt, dat 5 wanneer zulk een batterij wordt verbonden met een gloeilamp, deze lamp in eerste aanleg de nominale batterij spanning van 6,3 volt krijgt aangeboden, terwijl naarmate energie is onttrokken aan de batterij en de aan de lamp aangeboden spanning is gedaald tot 4,5 volt, de lichtopbrengst van de lamp is verminderd met een factor van circa 10 3,36.

Tevens geldt, dat, wanneer de lamp een spanning van 6,3 volt krijgt aangeboden, de levensduur daarvan 16 maal korter is dan wanneer deze lamp zou werken bij een spanning van 5,0 volt, terwijl deze levensduur 56,7 maal zou worden verlengd, indien de lamp zou werken bij een 15 spanning van 4,5 volt. Uit deze beschouwingen blijkt, dat in het bijzonder in de beginperiode, gedurende welke de batterij nog de volle nominale spanning levert, de gloeidraad van een daarmee verbonden lamp de meeste schade ondervindt.

Een gelijkspanningsomvormer volgens de uitvinding biedt nu 20 een aantrekkelijke mogelijkheid om, wanneer één of meer gloeilampen vanuit een batterij moeten worden gevoed, te bewerkstelligen, dat de aan de lamp of lampen aangeboden bedrijfsspanning over vrijwel de volledige levensduur van de batterij een constante waarde behoudt, die gelijk is aan de waarde van de batterij spanning, die is bereikt wanneer 25 de batterij aan het eind van zijn levensduur is gekomen. Daarbij wordt ten aanzien van de lamp of lampen een zodanige keuze gemaakt, dat de werkspanning daarvan is aangepast aan deze door de gelijkspannings- licht- omvormer af gegeven uitgangsspanning, waarbij de/opbrengst van de lamp of lampen dan optimaal zal zijn.

30 De uitvinding zal in het onderstaande nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekening. In de tekening is: fig. 1 een schema van een bekende uitvoeringsvorm van een gelijkspanningsomzetterï fig. 2 een schema van een andere bekende uitvoeringsvorm van 35 een gelijkspanningsomzetter; fig. 3 een principe-schema ter illustratie van de grondslagen 790 04 1 8 * 4 ' waarop een gelijkspanningsomvormer volgens de uitvinding berust; fig. 4 een nader uitgewerkt schema van een uitvoeringsvorm van een gelijkspanningsomvormer volgens de uitvinding via welke een belasting, meer in het bijzonder een gloeilamp, vanuit een batterij 5 kan worden gevoed; fig. 5 een golfvormdiagrarn ter illustratie van de in een gelijkspanningsomvormer volgens de uitvinding werkzame stuursignaalpulsen; fig. 6 een golfvormdiagrarn ter illustratie van de door een gelijkspanningsomvormer volgens de uitvinding ontwikkelde uitgangs-10 pulsen; fig. 7 een golfvormdiagrarn ter illustratie van een alternatieve mogelijkheid voor stuursignaalpulsen, die werkzaam kunnen zijn in een gelijkspanningsomvormer volgens de uitvinding; fig. 8 een golfvormdiagrarn ter illustratie van de bij een 15 dergelijke gelijkspanningsomvormer verkregen uitgangspulsen; fig. 9 een golfvormdiagrarn ter illustratie van de organisatie en werking van een alternatieve uitvoeringsvorm van een gelijkspanningsomvormer volgens de uitvinding; fig. 10 een grafische voorstelling ter illustratie van de 20 afhankelijkheid tussen een in een gelijkspanningsomvormer volgens de uitvinding werkzame hulpspanning en de aangelegde batterij spanning; fig. 11 een schema van een corrigerende keten, die kan worden toégepast in de uitvoeringsvormen van de soort als weergegeven in de figuren 3 en 4; 25 fig. 12 een grafische voorstelling ter illustratie van de werking van de in fig. 11 weergegeven corrigerende keten; en fig. 13 een grafische voorstelling ter verdere illustratie i j van de afhankelijkheid tussen de in een gelijkspanningsomvormer volgens : de uitvinding werkzame hulpspanning en de aangelegde batterijspanning. · 30 Fig. 1 toont een eerste bekende uitvoeringsvorm van een ge lijkspanningsomvormer, waarbij met gebruikmaking van een resonantie-keten, uitgaande van een aangeboden gelijkspanning V^, over een belasting, een wisselspanning V^t teweeg kan worden gebracht. Via een terugkoppelketén wordt van deze uitgangsspanning een besturingsspanning 35 afgeleid, waardoor de werk-rustverhouding van de als schakelelement dienende transistor kan worden gevarieerd. Ter verkrijging van een om-zettingsrendement van ongeveer 80% is een zelfinductie met lage verliezen vereist, welke zelfinductie een relatief groot volume vereist.

.790 0 4 18 5 #

De besturingsspanning wordt hierbij afgeleid door toepassing van een differentiaalversterker 1 en een spanning-stroomomzetter 2, die via de zelfinductie de basisemitterstroom levert voor de schakel-transistor T.

5 Fig. 2 toont een andere bekende uitvoeringsvorm van een ge- lijkspanningsomzetter,waarbij uitgaande van een aangelegde gelijkspanning , aan de uitgang een gelijkspanning met een daarvan afwijkende waarde over een belasting kan worden ontwikkeld. Op soortgelijke wijze als bij de uitvoeringsvorm volgens fig. 1 wordt hierbij van het 10 uitgangssignaal via een differentiaalversterker 3 en een pulsvormer 4 een schakeltransistor 5 bestuurd. Door de pulsen van de pulsvormer 4 wordt deze transistor telkens in de verzadiging gebracht, waarbij de werk-rustverhouding van deze pulsen bepalend is voor de uitgangsspan-ning Ook .bij deze bekende uitvoeringsvorm dient een zelfinductie 15 met lage verliezen te worden toegepast, waarbij in het algemeen een rendement van circa 80% kan worden bereikt.

De met de uitvinding beoogde doeleinden worden in beginsel /;en van de gelijkspanningsomvormer deel uitmakende schakeltransistor, die is aangesloten tussen een voedingsbron en 20 een belasting, pulserend in en uit een verzadigingstoestand wordt gebracht door besturingspulsen. De werk-rusttijdsintervallen van de besturingspulsen worden in afhankelijkheid van de voedingsspanning zodanig bepaald, dat de effectieve waarde van de over de belasting ontwikkelde spanning over een breed gebied, waarover de waarde van de 25 voedingsspanning kan variëren, constant of vrijwel constant is.

De hiertoe vereiste werk- en rusttijdsintervallen van de besturingspulsen kunnen volgens de uitvinding worden verkregen door het bij elkaar voegen van twee spanningen en wel een eerste periodiek variërende spanning, zoals een relaxatiespanning met een geleidelijk 30 dalende achterflank, zoals bijvoorbeeld gegeven door een e-functie, zoals geldend is wanneer een geladen condensator via een parallel daarmee verbonden weerstand wordt ontladen, en een tweede spanning, die is gegeven als de som van een volgens een vaste verhouding aan de voedingsspanning gerelateerde spanning enerzijds en een constante negatieve 35 spanning anderzijds. (Uitgegaan wordt van een ketenconfiguratie, waar- 790 0418 6 * van de hoofdvoedingsleiding zich op een positieve potentiaal bevindt).

De topwaarde van de bovenbedoelde eerste spanning is gegeven als de som van een constant gedeelte van de voedingsspanning, zoals bepaald door de 'voedingsbron, d.i. bijv. een batterij, en een constante spanning.

5 De som van deze eerste en tweede spanningen wordt ofwel rechtstreeks ofwel via een als schakelaar of versterker werkzaam netwerk aangelegd tussen de basis en de emitter van de pulserend werkzame 'transistor.

Het verdient aanbeveling, de herhalingsfrequentie van de aan 10 deze transistor toe te voeren besturingspulsen dusdanig hoog te kiezen dat wanneer de belasting van de gelijkspanningsomvormer door één of meer gloeilampen is gevormd de lichtopbrengst daarvan constant blijft gedurende de zich herhalende cycli. Voor een gloeilamp die b.v. 90 mA gelijkstroom opneemt bij een gelijkspanning van 5 V, blijkt b.v. een 15 frequentie van 2 kHz goed te voldoen. Een verhoging van de frequentie tot 100 kHz blijkt geen noemenswaardige verandering in het gedrag van de keteninrichting te geven. In het algemeen hangt de keuze van de frequentie af van de soort van de belasting.

De in het voorafgaande bedoelde eerste periodiek variërende 20 spanning behoeft niet noodzakelijkerwijs het aangegeven verloop te hebben. Binnen het kader van de onderhavige uitvinding is het ook mogelijk gebruik te maken van besturingspulsen, waarvan zowel de voor-flank alswel de achterflank volgens een sinusfunctie verloopt (zoals bijvoorbeeld in fig. 7 is weergegeven) ,waarbij het gebied waarover de 25 aldus gevormde besturingspulsen werkzaam zijn, kan liggen tussen ofwel 0 en-90° ofwel tussen 0 en 180°, waarbij de topwaarde van de amplitude van dergelijke pulsen.evenredig is met de door de gelijkspanningsbron afgegeven voedingsspanning.

Wanneer de voedingsbron is samengesteld uit twee batterijen 30 met in hoofdzaak gelijke eigenschappen, kunnen binnen het kader van de onderhavige uitvinding, deze batterijen ofwel in serie met elkaar ofwel parallel met elkaar worden aangesloten, De in het voorafgaande geschetste beginselen, waarop de onderhavige uitvinding steunt, gelden dan voor deze beide situaties. · 35 Wanneer als voedingsbron beschikbaar zijn twee batterijen, is het binnen het kader van de uitvinding ook mogelijk om de ene aansluiting van een belasting te verbinden met de positieve aansluiting van één van de batterijen en de andere aansluiting van deze belasting te verbinden met de negatieve aansluiting van de andere batterij.

40 Hierbij is dan een schakelketen werkzaam om met een zekere schakel- 790 04 1 8 * 7 frequentie deze batterijen afwisselend in serie met elkaar of parallel net elkaar aan te sluiten, waarbij in plaats van een gewenste verhouding tussen de werk- en rusttijdsintervallen van besturingspulsen, bij deze uitvoeringsvorm de verhouding tussen de tijdsintervallen t^ (een 5 tijdsinterval, waarover de batterijen in serie met elkaar zijn verbonden) en t^ (een tijdsinterval,waarover de batterijen parallel met elkaar zijn verbonden) in afhankelijkheid van de batterijspanning V verandert, zodanig, dat de aan de belasting afgegeven energie in hoofdzaak constant blijft.

10 Een voordeel van deze opzet is, dat de topwaarde van de door de batterijen af te geven stroom wordt verminderd, hetgeen een gunstige invloed heeft op het energierendement. ,

Aangezien bij in het voorafgaande behandelde uitvoeringsvormen van de uitvinding voor de besturingspulsen gebruik wordt gemaakt ofwel 15 van pulsen met een volgens een e-functie dalende achterflank, ofwel waarvan van pulsen, /*: zowel de voorflank alswel de achterflank volgens een sinusfunctie verlopen, is het eenvoudig om de daartoe dienende elektronische ketens te realiseren zonder dat het nodig is gebruik te maken van componenten, die een relatief groot volume innemen ofwel die moeten 20 zijn gekozen binnen nauwe tolerantiegrenzen. De uitvinding leent zich derhalve bijzonder goed voor toepassing van geïntegreerde ketentechnieken, waarbij het mogelijk is ketenvoorzieningen te realiseren met bijzonder geringe afmetingen en zonder dat variaties in de toleranties van de gebruikte componenten de prestatie van het geheel nadelig zullen 25 beïnvloeden. De enige als kritisch te beschouwen componenten zijn een Zenerdiode voor het vormen van de constante negatieve spanning (V , 2j fig. 3 en 4) en de weerstanden R^, R^, en R^ (fig. 3 en 4).

Aangezien gelijkspanningsomvormers volgens de uitvinding kunnen worden gerealiseerd in uitvoeringen, die een gering volume innemen, is 30 de uitvinding goed toepasbaar voor bijvoorbeeld handlampen en dergelijke.

De werking en uitvoering van enige op in het voorafgaande geschetste grondslagen gebaseerde uitvoeringsvormen van de uitvinding zullen in het onderstaande nader worden behandeld en geanalyseerd.

35 Fig. 5 geeft een golfvormdiagram ter illustratie van de wijze 790 04 1 8 8 waarop de voor de schakeltransistor dienende besturingspulsen volgens de uitvinding kunnen worden gevormd voor het geval dat gebruik wordt gemaakt van pulsen, waarvan de achterflank daalt volgens een e-functie. In het algemeen is een dergelijke functie gegeven door: 5 V = Vp.e-t/RC (1) hierin is Vp de top- of piekwaarde van deze spanning, die bijvoorbeeld gelijk kan zijn aan de door de desbetreffende batterij afgegeven spanning V , terwijl R en C de weerstand en condensator zijn van de 10 keten,waarover de ontlading plaatsvindt. Een '"werk"-tijdsinterval t w van een besturingspuls in dit verband, kan, uitgaande van de vergelijking (1) worden geschreven als: t = RC.ln VP (2) v

De periode van de in het voorafgaande bedoelde eerste periodiek vari-15 erende spanning en welke periode is gegeven als de som van een werk-interval t^ en een rustinterval t^ geldend voor de besturingspulsen kan worden geschreven als: t + t RC.ln VP (3) w r -

V

L

Uitgaande van de vergelijkingen (2) en (3) kan voor de verhouding τ 20 worden geschreven:

t V

τ = _w - _0_ (4) t + t v

w r ln _Z

VL

De grootte van de spanning V , die bepalend is voor de schakeldrempel, waarbij de transistor al of niet geleidend wordt, kan uit de vergelijking (4) worden afgeleid en worden geschreven als: 7900413 *

V

9 V^ τΤ -τ.ΐη Ρ Ο = Vp.e — (5)

L

Aannemende, dat de piekspanning Vp overeenkomt met de batterij spanning Vcc ^311 ver9e^-^3^^n9 (4) als volgt worden geschreven:

V V

ln_JL iii ~

V V

---o .—=2- (6)

V V

m -£. m -CC

VL VL

5 Ervan uitgaande, dat door de transistor aan de uitgang van de gelijk-spanningsonvormer pulsvormige stromen aan de belasting worden toegevoerd (fig. 6) geldt, dat, wanneer over deze belasting een pulserende spanning met een de cyclus bepalende parameter Q en een in hoofdzaak constante effectieve waarde V wordt ontwikkeld, dat: erf 10 V = (V - V ) (τ (7) eff CC SAT' o' v '

Voor een schakelketen,die omschakelt bij een spanningsniveau van 0 volt, met andere woorden bij een spanning groter dan 0 bestaat er een werk-tijdsinterval, terwijl voor een spanning kleiner dan 0 een rusttijds-interval bestaat, wordt een periodiek variërende spanning met een 15 volgens een e-functie dalende achterflank toegevoegd bij een spanning die is gegeven door - (kV - C), waarin C een bepaalde constante voor-

WW

stelt, waarbij de som van deze bij elkaar opgetelde spanningen wordt aangelegd aan de ingang van de schakelketen. Indien de schakelketen een schakeldrempel heeft, welke is gegeven door (ACCC “ B}, waarin A en B 20 eveneens bepaalde constanten voorstellen, kan hiermee rekening worden gehouden in de uitdrukking -(kV - C).

ww

De werkelijke waarde van τ volgens vergelijking (6) en geldend in een keten volgens de uitvinding, zal afwijken van öe waarde volgens, vergelijking (7) en waarbij een constante effectieve spanning aan de belasting wordt aangeboden. Het verschil tussen en τ wordt de fout ε genoemd, die kan worden beschreven als: 790 04 1 8 - -·* io ·, _ vcc 'V Ί 2 ln kV - c eff kVCC ifn ε = To. τ. - — L J .n-

Het gemiddelde van de gequadrateerde fout kan worden geschreven als: y^CC2 ln -——Ί _l. f - kVcc"c dv (3) |vccJ ln ^cc

V VL

CCJ L _

De optimale combinatie van de waardenTken C, waarbij de 5 grootte van ε minimaal is, kan worden afgeleid, door uitdrukking volgens (9) twee maal te differentiëren.

In het onderstaande zal een voorbeeld worden behandeld ter illustratie van de wijze, waarop met behulp van een tabel en grafische voorstellingen parameters kunnen worden berekend van een keteninrich-10 ting volgens de uitvinding.

TABEL 1 1 2 3 4_5___. 6 _7____8___9__ v werke- CC τ V v V fout 11 jk ge" volt oL 0 O τ V Λ α meten e ff % ^______ ___________-________volts eff.

12.6 .1626 1.75 9.140 9.018 .1614 5.104 +2.08 5.20 15 12.0 .1795 1.65 8.404 8.374 .1830 5.048 +0.96 5.18 11.0 .2143 · 1.55 7.228 7.227 .2144 5.001 +0.02 5.10 10.0 .2603 1.45 6.049. ‘ 6.108 .2533 .4.952 -0.96 5.00 9.0 .3228. 1.35 4.878 4.989 .3110 4.908 -1.84 4.98 8.0 .4109 1.25 3.731 3.870 .3912 4.879 -2.42 4.90 20 7.0 .5407 1.15 2.636 2.751 .5171 4.890 -2.20 4.90 6.0 .7432 1.05 1.643 1.632 .7470 5.013 +0.26 5.00 5.8 .7972 1.03 1.462 1.407 .8195 5.050 +1.00 5.6 .8573 1.01 1.290 1.183 .9075 5.144 +2.88 5.18 5.5 .8900 1.00 1.26Ü 1.072 .9595 5.192 +3.84 25 5.2 1.000 0.97 0.970 0.7364 1.000 5.000' 0.00 · 5.00 790 0 4 1 8 11

In deze Tabel/die van toepassing is op de in de fig. 3 en 4 weergegeven uitvoeringsvormen,geeft kolom 1 de voor de batterijspanning V over het werkgebied voorkomende waarden, waarbij is aangenomen, dat

LU

V_ gelijk is aan V . De verzadigingsspanning van de transistor T_ (fig.

Jm LL· J

5 4), die kleiner is dan 30 mV, is buiten beschouwing gelaten; kolom 2, de met de desbetreffende V -waarde overeenkomende en gewenste waarde van , die nodig is voor een constante effectieve spanning gelijk aan 5,0 volt; kolom 3,waarden van de spanning V_ op de basis van de transis-

Ii tor T^, waarbij deze transistor wordt uitgeschakeld en de transistoren 10 en T^ worden ingeschakeld en welke spanning is gegeven door R3 V = — .V + V {fig. 4); kolom 4, de gewenste waarden voor de

X/ R. CC BEX

4 spanning VQ volgend uit de vergelijking (5) en geschreven' als :

V

„ „ -τ In CC

v = v _.e o -— 0 CC v_

L

De relatie tussen de spanning V_ en de batterij spanning hangt af van 15 de wijze waarop de elektronische keten voor het toevoeren van ladingspul-sen voor het RC-netwerk is ingericht. B.v. zou voor een uitvoering anders dan die volgens het schema zoals is weergegeven in fig. 4, kan zijn gegeven als een constante spanning, of een spanning evenredig met V , of een willekeurige combinatie van dergelijke spanningen, cc 20 waarbij de gang van de berekeningen overigens ongewijzigd blijft.

Met behulp van de in de Tabel 1 weergegeven waarden kan nu het functieverloop worden bepaald van de grootheden VQ en Vcc , met als resultaat de in fig. 10 weergegeven kromme VQ die illustratief is voor de vereiste relatie tussen de spanning (zie ook de fig. 5 en 7) 25 en de batterijspanning V . Teneinde een vaste verhouding te vinden vv tussen deze twee grootheden, waardoor dit verloop van VQ het best wordt benaderd, is in fig. 10 een rechte lijn getekend (V^ , waarvan de ligging ook met een elektronische calculator (TI type SR-51-II) kan worden bepaald. Deze beste benadering voor de lijn kan worden 30 uitgedrukt door de volgende vergelijking: = 1.119 Vcc - 5.0S3 (10) door welke relatie de feitelijke omschakelmomenten van de transistor zijn vastgelegd.

790 04 1 3 12

Het door de transistor bestuurde schakelnetwerk (fig. 3 en 4) zal in feite schakelwerking doen plaatsvinden, wanneer de aan de .basis van deze transistor T. gelegde spanning V (fig. 3) is gegeven

4 B

i door Vcc - Vz + νβΕ , · waarin VRR de basisemitterspanning van deze 5 transistor voorstelt. Een aanpassing zal worden verkregen wanneer de spanning V (fig. 3) met de topwaarde V door de spanningsdeler ge-

êKp CL

vormd door de weerstanden en , zal zijn gereduceerd met een factor 1/1,119, waarbij de feitelijke omschakeling zal plaatsvinden wan- ΜβΓ νβ=φ = *'119 VB = ^119 (VCC - VZ * V = ^119 VCC - J'119 (ÏZ - 10 v ) (zie fig. 3) of anders geschreven 1,119 (V - V ) = 5,083.

BB <ώ BB

Hieruit volgt dat, V, = 5.083/1,119 + V__ , waarbij, wanneer voor V

Z BE _ BB

een waarde wordt aangenomen van 500 mV, V gelijk wordt aan 5,042 volt.

z (Zie ook fig. 3). Blijkens de voorafgaande vergelijking (10) is de werkelijke waarde gegeven door 15 = 1,119 Vcc - 5,083.

De feitelijke waarde voor τ is gegeven door .¾

VL

De feitelijke effectieve waarde V is gegeven door

V es (V - V ) A eff v CC SAT;/T

20 waarin V de verzadigingsspanning van de transistor voorstelt.

De in kolom 8 van Tabel 1 gegeven foutwaarden zijn uitgedrukt in % van de werkelijke V en de gewenste .

Bij het in het voorafgaande behandelde voorbeeld is aangenomen dat de de grootheden Vp (vergelijkingen (10) en (6)) en Vcc gelijk zijn aan 25 en niet evenredig met de door de batterij gegeven spanning, aangezien hiermee de gang van het ontwerp zo eenvoudig mogelijk wordt gehouden. Indien het echter om welke reden dan ook gewenst zou zijn om voor de grootten van de samenstellende spanningen een bepaalde verhouding te kiezen, geldt in wezen dezelfde berekeningsmethode.

7900418 12a

In de meest algemene vorm kan de amplitude van de periodiek variërende spanning worden geschreven als V —«£ V + /3 , P Ëtu waarin νβΑΤ de batterij spanning en ei. en /3 constanten, zijn- Uitgaande van gekozen waarden voor en β kunnen de overige waarden worden bere-5 kend. In het algemeen zal de meest gunstige regelwerking worden verkregen voor ·Χ. - 1 en /1 -0. Wanneer de amplitude van deze periodiek variërende spanning op een constante waarde wordt gehouden kan een • regeling worden verkregen zoals geïllustreerd in de volgende tabel la V„_ X' V V' T' V __ fout% BAT u o o eff 10 12.6 .1626 3.817 4.124 .1160 4.223 -15.53 12.0 .1795 3.711 3.876 .1533 4.620 - 7.598 11.0 .2143 3.503 3.462 .2213 5.081 + 1.612 10.0 .2603 3.245 3.049 .2978 5.348 + 6,96 9.0 .3228 2.925 2.635 .3857 5.465 + 9.304 15 8.0 .4109 2.527 2.222 .4884 5.451 + 9.022 7-0 .5407 2.037 1.808 .6125 5.322 + 6.437 6 0 .7432 1.455 1.395 .7687 5.085 + 1.704 5.8 .7972 1.330 1.312 .8056 5.026 + 0.526 5.6 .8573 1.204 1.230 .8445 4.962 - 0.752 20 5.5 .8900 1.140 1.188 .8654 4.930 - 1.39 5.2 1.0000 0.950 1.064 .9318 4.826 - 3.47 en in fig. 13.

De bijbehorende keten is van een soortgelijke uitvoering zoals is weergegeven in fig. 4. Het enige verschil is dat de transis- 25 toren T^, en worden gevoed met een constante spanning (5 V) en

dat voor ^ geldt: Ό— In (V /V )/ln(V /V-) V = 5 V en V_ = 0,95 V

cc w cc L cc i en de gewenste uitgangsspanning is = 5 V.

Als tweede voorbeeld zal vervolgens worden behandeld hst geval 790 04 1 8 13' dat de stuurpulsen, waarmee de omschakeling wordt bewerkstelligd een gedaante hebben, zoals is weergegeven in fig. 7, waarbij zowel de voorflank alswel de achterflank van elke puls verloopt volgens een sinusfunctie, waarbij deze sinusfuncties zijn "omgekeerd”. Zoals uit fig. 7 5 ook is af te leiden geldt voor de grootheid τ öat K t „ 2 . _ . τ = _ï_ t t · t + t ' . o w + r w r 90 2 2

Hierbij geldt, dat τ - x/90°. Verder geldt, dat: V = V 1 - sin x ; 0 <x <90°

U

Evenals bij het in het voorafgaande behandelde eerste voor-10 beeld kan, onder gebruikmaking van een grafische methode en/of het gebruik van een elektronische calculator, worden vastgesteld welke de geringste afwijkingen zijri voor dit voorbeeld, waarbij blijkt, dat geldt: V' = 1,308 - 8,547 volt,

0 CC

wanneer het gebied, waarover de spanning V kan veranderen,

Vv 15 is gelegen tussen 12,6 volt en 6,2 volt, en is aangenomen, dat de streefwaarde voor de effectieve uitgangsspanning over de belasting 6,0 volt diende te zijn. Eén en ander is in de onderstaande Tabel 2 nader aangegeven .

TABEL 2 20 ï- 2 3 4_5_6_7__8 9 1 790 04 1 8 τ x° v v' x* τ · V fout CC o O O eff 12.600~ Γ2341 " 21.07 8.070 ” T~934 2lT74 Γϋϋ 6.094 +1.57 12.000 .2585 23.27 7.259 7.419 22.44 .2494 5.892 -1.80 - 11.000 .3086 27.77 5.875 5.841 27.97 · .3108 6.021 +0.35 25 10.000 .3748 33.73 4.447 4.533 33.14 .3682 5.947 -0.88 9.000 .4649 41.84 2.997 3.225 39.93 .4435 5.861 -2.32 8.000 .5917 53.25 1.590 1.917 - 49.50 .5500 5.784 -3.60 7.000 .7785 70.07 0.419 0.609 65.92 .7325 5.820 -3.00 6.534 .8972 80.75 0.083 0.000 90.00 2.000 6.334 +5.57 30 6.200 1.000 90.00 0.000 0.000 90.00 2.000 6.000 0.00 14

Als derde voorbeeld zal worden behandeld het geval, waarbij, zoals is geïllustreerd in. fig. 9, een tweetal batterijen afwisselend in serie met elkaar en parallel met elkaar verbonden wordt aangesloten. Hierbij gelden in beginsel dezelfde vergelijkingen als bij het in het 5 voorafgaande als eerste behandelde voorbeeld, waarbij echter voor t en t is te substitueren t^ en Hierbij geldt: 7Γ fff veff = i v2dt = ij4 (Vt 1sat’ h

o-' L

* <VT'vsaT>2t2l_ fc2 % t + —— 14 = 2 (V - V ) - 'bat sat' tj + t2 " 4 _ \ 4_ _ 3 1 10 fcl+t2 fcl+t2 '4' 4 h

Veff = (VBAT “ VSAT) (3To + 1) = i ( Veff ^ 2 _ 1 ° 3 y BAT “ VSAT/ en

V

m v o τ “ v , BAT in_ 15 De gang van de berekening is dezelfde als die bij het eerste voorbeeld is gevolgd en in de onderstaande Tabel 3 zijn de soortgelijke gegevens vermeld voor een situatie, waarbij gebruik is gemaakt van twee batterijen, waarbij voor elk geldt een gebied, waarover de batterij-spanning kan veranderen, van 6,3 volt tot aan 3,1 volt, een 790 0 4 1 8 15- verzadigingsspanning V = 100 mV en een streefwaarde voor de effec-tieve uitgangsspanning = 6,0 volt.

TABEL 3 1 2 ' 3 4 5 6 7 8 c v m τ v- νΛ V' τ V __ fout 5 BAT o L 0 O ef f * % 6.30 0 1.08 6.30 6.30 0.0 6.2 +3.33 6.10 0 1.06 6.10 5.96 .0133 6.12 +2.00 6.00 .01140 1.05 5.88 5.78 .0214 6.09 +1.50 5.50 .07819 1.00 4.81 4.86 .0726 5.96 -0.66 10 5.00 .1665 0.95 3.79 3.95 0.142 5.85 -2.50 4.50- .2865 0.90 2.84 3.04 0.244 5,79 -3.50 * 4.00 .4556 0.85 1.98 2.12 0.410 5.82 -3.00 3.50 .7047 0.80 1.24 1.21 0.720 6.04 +0.65 3.25 .8760 0.77 0.920 .753 1.00 6.30 +5.00 15 3.10 1.000 0.76 0.760v .305 1.00 6.00 0.00 V' = 1,83 Vü7vm - 5,19.

O BAT

Indien gewenst kan het verschil tussen de werkelijke waarde van de effectieve uitgangsspanning en de nagestreefde constante waarde van deze uitgangsspanning worden verminderd door toepassing van op 20 zichzelf bekende middelen. Bijvoorbeeld kan de resistieve spannings-deler, gevormd door de weerstanden -en worden gewijzigd op de in fig. 11 aangegeven wijze, waarbij het resultaat van de hieruit voortvloeiende verbetering is geïllustreerd in fig. 12. In deze figuur is de kromme a een kromme, aangevende het verloop van de afwijking tussen 25 <3e werkelijke waarde van de effectieve uitgangsspanning en de streef waarde daarvan, als functie van de batterij spanning V en wanneer geen correctie volgens het voorbeeld van fig. 11 wordt toegepast, terwijl de kromme b aangeeft de door een dergelijke correctie verkregen verbetering ten aanzien van dit foutverloop.

790 04 1 8 16

De werking van de in de fign. 3 en 4 weergegeven keteninrichtingen die illustratief zijn voor de uitvinding is kort samengevat als volgt.

Wanneer de transistor , als gevolg van de omstandigheid 5 dat de spanning over de condensator (0,022 /uF) groter is dan de span ning V (fig. 5), in de stroomgeleidende toestand verkeert, is deze transistor dichtbij de verzadigingstoestand, wegens de waarde van de weerstand R3, terwijl de transistor en en niet-geleidend zijn. De spanning aan de emitter van de transistor is derhalve 10 vrijwel gelijk aan VCC*R3/(R3 + R^). De voorwaarde dat de transistor ophoudt geleidend te zijn is daardoor gegeven dat de spanning over deze condensator gelijk aan of kleiner dan V_ . + V „ /m . wordt-* E (Ί^) BE (T2)

Indien aan deze voorwaarde is voldaan zullen de transistor en en T3 geleidend zijn, waarbij T in sterke mate (door de collectorstroom 15 * van T2) en in geringe mate verzadigd zal zijn, waarmee de emitters van en zich vrijwel op de railspanning bevinden en wordt verhinderd dat geleidend wordt totdat de spanning van bedoelde condensator een waarde heeft betreikt gegeven door V - V , . , CC bm IT^ / met vsaT (rp ) ongeveer 30 V. Hierbij dient rekening te worden gehouden met de basxsweerstand van 150 k-/l van de transistor en de intrinsieke looptijd van deze transistor . Het tijdsinterval waarover 2?2 en T3 geleidend zijn is zeer kort en de spanning over de weerstand R^ stijgt sprongsgewijs tot een waarde die ongeveer gelijk is aan V . 23 De transistoren T^-T^ vormen een schakelketen. Er is voor gezorgd dat de collectorstroom van constant en vrijwel gelijk is aan de stroom die door de Zener-diode vloeit. De spanning aan de emitter van T. is derhalve gegeven door V - V , en de spanning waarbij T.

** cc z 4 geleidend wordt is gegeven door Vq = ~ vz + VBE· Wanneer gelei- 30 dend wordt, worden en T ook geleidend, als gevolg waarvan een stroom door de belasting vloeit. De weerstand van 1 Mil die tussen de belasting en de basis van Tg is aangesloten, vormt een positieve terugkoppeling waardoor een snelle schakelwerking "uit'* en "in" de verzadiging ontstaat. De in verband met de keteninrichting volgens 35 fig. 11 behandelde correctie wordt verkregen met behulp van de tran sistor. Deze transistor wordt geleidend bij batterijspanningen die • .··* 790 0 4 1 8 17 groter zijn dan een waarde zoals bepaald door de weerstanden van 10 M-Λ en 560 kfl . Wanneer deze transistor volledig geleidend is, is de weerstand R'2 van 1M5 parallel verbonden met de weerstand · waardoor de deelverhouding van de spanningsdeler gevormd door R^ en 5 wordt veranderd.

790 0 4 1 8

Claims (8)

18

1. Gelijkspanningsomvormer omvattende ingangsaansluitingen voor het vormen van een verbinding met een gelijkspanningsbron voor het teweegbrengen van een uitgangsspanning met een nominale waarde; uitgangs-aansluitingen voor het vormen van een verbinding met een belasting; 5 een als schakelelement dienende transistor; en stuursignaalmiddelen voor het teweegbrengen van een stuursignaal, waardoor de transistor periodiek in de verzadiging kan worden gebracht, met het kenmerk, dat genoemde stuursignaalmiddelen zijn ingericht voor het teweegbrengen van uitsluitend rechtstreeks vanaf de ingangsaansluitingen afgeleide stuur-10 pulsen, die elk een geleidelijk dalende achterflank hebben, waarbij de verhouding tussen de breedte van zulk een puls en de herhalings-frequentie daarvan een zodanige waarde heeft, dat door de transistor over de uitgangsaansluitingen in hoofdzaak rechthoekige pulsen worden ontwikkeld, waarvan de effectieve waarde volgens een vooraf gekozen 15 verhouding lager is dan de genoemde nominale waarde van de gelijkspan ningsbron, alsook in hoofdzaak constant is, wanneer de door de gelijkspanningsbron afgegeven spanning over een gegeven gebied van deze nominale waarde afwijkt.

2. Gelijkspanningsomvormer volgens conclusie 1, met het kenmerk, 20 dat genoemde stuurpulsen zijn afgeleid van de vectoriële som van een drempelspanning , die volgens een voorafbepaalde functie afhankelijk is van de door de gelijkspanningsbron aangeboden spanning, en een naar de tijd periodiek variërende spanning, die, wanneer de momentele waarde daarvan groter is dan deze drempelspanning, de transistor in de verza-25 digingstoestand brengt.

3. Gelijkspanningsomvormer volgens de conclusies 1 of 2, met het kenmerk, dat de genoemde achterflank volgens 'een e-functie daalt.

4. Gelijkspanningsomvormer volgens de conclusies 1 of 2, met het kenmerk, dat van elk van de stuurpulsen de voorflank volgens een sinus- 30 functie stijgt en de achterflank volgens een sinus-functie, die over 180° is verschoven ten opzichte van de eerst genoemde sinus-ftractie,daalt.

5. Gelijkspanningsomvormer volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de gelijkspanningsbron is samengesteld uit twee gedeelten en schakelmiddelen zijn aangebracht dienende om deze 35 twee gedeelten afwisselend in serie met elkaar en parallel met elkaar 790 04 18 19 verbonden aan te sluiten op de ingangsaansluitingen.

6. Gelijkspanningsomvormer volgens één van de voorafgaande conclusies 1 t/m 5, met het kenmerk, dat de besturingse 1 ektrode van de als schakelelement dienende transistor is verbonden met de vertakking 5 van een resistieve spanningsdeler, in de ene tak waarvan de impedantie is opgenomen,die afhankelijk is van de door de gelijkspanningsbron aangeboden spanning. 7. · Geli jkspanningsomvormer volgens één van de voorafgaande con-conclusies 1 t/m 6, te gebruiken in combinatie met een batterij als 10 gelijkspanningsbron en één of meer gloeilampen als belasting, met het kenmerk, dat de effectieve waarde van de uitgangsspanning, zoals ontwikkeld over de belasting, is gekozen op een waarde, die in hoofdzaak gelijk is aan de waarde tot welke de batterij spanning bij het einde van de levensduur van de batterij, is gedaald.

8. Geli jkspanningsomvormer volgens een van de voorafgaande conclusies 1 t/m 7, met het kenmerk, dat de topwaarde van de periodiek variërende spanning is gegeven door =cC , waarin de batterijspanning en en A constanten voorstellen. 790 04 1 8