Die Erfindung hetrifft einen Gleichspannungswandler zur Erzeugung einer stabilisierten, von einer Quelle schwankender Zuliefer-Gleichspannung galvanisch getrennten. an Verbraucher abzugebenden Gleichspannung mit einem Transformator. einer Vergleichsschaltung einem Steuergenerator, einem Halbleiterschaltelement und Mitteln zum Gleichrichten und Sieben.
Viele elektronische Schaltungen hedürfen einerspeisung mit Gleichstrom. Dieser kann von einer netzgespeisten Gleichspannungsquelle oder fiir tragbare Geräte oder bei Notbetrieb von Batterien geliefert werden. Solche Spannnngsquellen sind aber oft so unstabil. dass die Genauigkeit der gespeisten Genite beeintnichtigt wird. Andererseits können Störspannungen von verschiedenen angeschlossenen Geniten einander heeinflussen, so dass empfindliche Schaltungen und Einzelteile gestört oder sogar zerstört werden können.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach Speisegeräten. die einerseits eine stabilisierte Gleichspannung abgeben und andererseits eine vollständige galvanische Trennung zwischen Gleichspannungsquelle und angeschlossenen Geräten gewiihrleisten.
Es sind Gleichspannungswandler bekannt. die stabilisierte Gleichspannungen liefern. Im Prinzip arbeiten sie so, dass eine primäre Gleichspannung zerhackt und damit ein Transformator geliefert wird. Auf dessen sekundärer, gegebenenfalls erdfreier Seite wird die entstandene Wechselspannung abgenommen, gleichgerichtet und anschliessend mit einem Serie- oder Schal tregler stabilisiert. Solche Geräte hesitzen wohl eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgangsspannung, arbeiten aber mit sehr schlechtem Wirkungsgrad und henötigen viele teure Einzelteile.
Es sind ferner stabilisierte Gleichspannungswandler beschrieben worden, die primärseitig einen Steuergenerator aufweisen. welcher in Abhängigkeit von der Grösse der sekundären Gleichspannung stillgesetzt oder zeitweise nicht auf eine Verstärkerschaltung durchgeschaltet wird, die den Transformator beliefert. Solche Geräte werden beispielsweise in Elektronenblitzgeräten verwendet. Bei einer weiteren Art stahilisierter Gleichspannungswandler wird der Strom von der Batterie zum Transformator, der zur Spannungswandlung dient, durch ein Halbleiterschaltelement das von einem Stuergenerator geschaltet wird, zerhackt und der Steuergenerator durch eine Vergleichsschaltung stillgesetzt, wenn die Ausgangsgleichspannung einen bestimmten Wert überschreitet.
Diese Schaltungen weisen aber keine erkenntliche galvanische Trennung der Ein- und Ausgangsgleichspannung auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungswandler zu schaffen zur Erzeugung einer stabilisierten, von einer Quelle schwankender Zuliefer-Gleichspannung galvanisch getrennten, an Verbraucher abzugebenden Gleichspannung mit einem Transformator, einer Vergleichsschaltung, einem Steuergenerator, einem Halbleiterschaltelement und Mitteln zum Gleichrichten und Sieben.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Transformator, der die Energie mit Hilfe eines ersten Wicklungspaares von der Primärseite zur Sekundärseite überträgt, in umgekehrter Richtung mit Hilfe eines zweiten Wicklungspaares ein Abbild der Verbraucherspannung auf die Primärseite hinüberbringt und dieses der Vergleichsschaltung zuführt, wobei diese Verbraucherspannung das Impulspausenverhältnis des Steuergenerators und dieser seinerseits das Halbleiterschaltelement derart steuert, dass die Verbraucherspannung konstant gehalten wird.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 Ein Schema des Gleichspannungswandlers,
Fig. 2 ein Diagramm, das für das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 gültig ist,
Fig. 3 einen ausführlichen Schaltplan des Spannungswandlers.
Fig. 4 einen ausführlichen Schaltplan eines im Steuergenerator eingebauten Strombegrenzers.
Bei dem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 wird die Eingangsgleichspannung UE durch ein Halbleiterschaltelement 1 in bestimmtem Rhythmus zerhackt und einer ersten Primärwicklung 2 eines Transformators 3 zugeführt. Die Steuerung des Halbleiterschaltelementes 1 erfolgt durch einen Steuergenerator 4. In einer ersten Sekundärwicklung 5 wird ein durch das Zerhacken der Eingangsgleichspannung UE erzeugter Wechselstrom ausgekoppelt, durch eine erste Diode 6 gleichgerichtet, durch eine Drosselspule 7 geglättet und in einem eine verhältnismässig hohe Kapazität aufweisenden Kondensator 8 aufgespeichert.
Ein Widerstand 9 stellt die Last des Gleichspannungswandlers dar, an dem die Ausgangsgleichspannung UA ansteht. Eine Diode 10 wirkt als Freilaufdiode. Der Transformator 3 besitzt noch ein zweites zusammengehöriges Wicklungspaar, dessen zweite Sekundärwicklung 11 einerseits über eine zweite Diode 12 mit dem Kondensator 8 und anderseits direkt mit dem anderen Anschluss des Kondensators 8 verbunden ist, der die Ausgangsgleichspannung aufnimmt. Der im Schema benutzte Kondensator 8 kombiniert die Funktionen eines Ladekondensators für die Diode 6 bei leitendem Halbleiterschaltelement 1 und eines Ladekondensators für die Diode 12 bei gesperrtem Halbleiterschaltelement 1. Eine zweite Primärwicklung 13 steht mit einem Spitzenwertgleichrichter 14 in Verbindung.
Dieser ist ausgangsseitig mit einer Vergleichsschaltung 15 verbunden, welche den Steuergenerator 4 über eine weitere Leitung beeinflusst.
Das Halbleiterschaltelement 1 kann aus einem Transistor, einer Transistorkombination in Darlingtonschaltung oder bei geeigneter Anpassung des Steuergenerators 4 mit einer Löschschaltung, aus einem gesteuerten Gleichrichter bestehen. Die Wirkungsweise dieses Gleichspannungswandlers lässt sich anhand des Diagramms der Fig. 2 wie folgt erklären, wobei die Zustände nach dem Einschalten mit Hilfe eines in Fig. 1 nicht dargestellten, zwischen Spannungsquelle und Halbleiterschaltelement 1 befindlichen Schalters in vollständig eingeschwungenem Zustand dargestellt sind:
Im Steuergenerator 4 werden Sägezahnschwingungen mit einer festen Frequenz f T1 erzeugt. An seinem Ausgang erscheinen Impulse mit einer Länge ri, einer Teilzeit von T.
Die Impulslänge Tl kann man mit Hilfe einer von der Vergleichsschaltung 15 gelieferten Gleichspannung variieren, wie später erklärt wird. Das Halbleiterschaltelement 1 wird derart gesteuert, dass er während der Zeit TL leitet und in der Zeit T - r sperrt (Fig. 2a). Somit liegt die Eingangsspannung UE während der Zeit tl an der ersten Primärwicklung 2 des Transformators 3. Der Spannungsverlauf an diese Wicklung 2 ist in Fig. 2b dargestellt. Die Windungszahl der zweiten Sekundärwicklung 11 muss so bemessen werden, dass die Dauer r,, des Stromimpulses, welcher die magnetische Energie des Transformatorkerns im gesperrten Zustand des Halbleiterschaltelementes 1 und der Diode 6 abbaut, kürzer ist als T -ri.
Die Windungszahl der zweiten Primärwicklung 13 ist den vom Spitzenwertgleichrichter 14 und der Vergleichsschaltung 15 benötigten Steuerspannungen anzupassen. Es treten über allen Wicklungen unter sich ähnliche Signalformen auf, wobei deren Grösse proportional zu den Windungszahlen und deren Polarität vom Wicklungssinn abhängig sind. Die Polarität der Wicklungen ist in der Zeichnung durch die eingezeichneten Punkte angezeigt. Das Wicklungsverhältnis zwischen der ersten Primärwicklung 2 und der ersten Sekundärwicklung 5 ist derart gewählt, dass der Mittelwert der über der Wicklung 5 entstehenden impulsförmigen Spannung bei einem Stromflusswinkel von z.B. 90-1ssOqder Ausgangsspannung UA entspricht.
Dabei list bei der Bemessung der Windungszahl der ersten Primärwicklung darauf zu achten, dass der Magnetisierungsstrom l,u nicht zu gross wird, um den Schalthalbleiter nicht zu gefährden.
Der während def Zeit r durch das Halbleiterschaltelement 1 fliessende Strom hat die Form gemäss Fig 2c. Er setzt sich zusammen aus einem Teil, der vom Transformator 3 durch die erste Sekundärwicklung 5 über die Diode 6-zum Kondensator 8 abgeführt wird und diesen auf die Ausgangsspannung UA auflädt, sowie aus dem Magnetisierungsstrom l,u. Dieser baut sich in der Hauptinduktivität des Transformators 3 auf.
Während dieser Zeitz ist die Diode 12 gesperrt.
Im Zeitpunkt t,-beginnt ein neuef Zyklus. In diesem
Moment beginnt die Diode 6 zu sperren. In der Hauptinduktivität des Transformators 3 ist aber in diesem Zeitpunkt eine
Energie gespeichert, die sich über die zweite Sekundärwicklung
11 und die-Diode 12 auf denKondensator 8 abzubauen beginnt. Die Länge dieses Vorganges ist gemäss Fig. 2d gleich ru und die Stromstärke des durch den magnetischen Fluss erzeugten Stromes ist entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Transformators 3:
EMI2.1
IN (Fig. 2d) bei einer über der zweiten Sekundärwicklung 11 bestehenden Spannung UA (Fig. 2b). Dabei ist die Kapazität des Kondensators 8 derart bemessen, dass der Stromfluss durch die Diode 12 die Spannung UA über dem Kondensator 8 nicht wesentlich ändert.
Die Spannung UA erscheint auf die zweite Primärwicklung 13 transformiert als Spannung UA* und auf die erste Primärwicklung 2 transformiert als Spannung UA**. Am Ende des Intervalles z,, zum Zeitpunkt tu, ist der Strom 1D12 auf Null abgeklungen (Fig. 2d) und die Spannung an den Wicklungen des Transformators 3 ebenfalls Null (Fig. 2b). Die Schaltung ist bereit für die nächste Periode.
Die Spannung UA* wird während des Intervalles ru von der zweiten Primärwicklung 13 zum Spitzenwertgleichrichter 14 übertragen und dort gespeichert. Diese Spannung mit dem Wert UA* wird der Vergleichsschaltung 15 zugeführt und mit einer Vergleichsspannung verglichen. Die Vergleichsschaltung gibt ein Signal zum Steuergenerator 4 ab, das diesen veranlasst, die Länge des Teilzyklus zl derart zu variieren, dass die Ausgangsspannung UA konstant bleibt.
Die Fig. 3 zeigt den Schaltplan des Spannungswandlers, wobei der Steuergenerator 4, der Spitzenwertgleichrichter 14 und die Vergleichsschaltung 15 der Fig. 1 detailliert dargestellt sind, die nachfolgend beschrieben werden. Die Speisespannung für diese Einheiten wird von der Spannungsquelle mit der Spannung UE über eine Stabilisatorschaltung mit einem Transistor 16 und einer Zenerdiode 17 geliefert.
Der Steuergenerator enthält einen Unijunction-Transistor 18 als Oszillator. Er liefert eine Sägezahnspannung. Der Unijunction-Transistor 18 steuert über Dioden 19 und 20, deren Anoden miteinander verbunden sind, einen aus Transistoren 21 und 22 aufgebauten Schmitt-Trigger. Die miteinander verbundenen Anschlüsse der Dioden 19 und 20 stehen über einen Transistor 23 mit der zweiten Primärwicklung 13 des Transformators 3 in Verbindung. Die Emitter der Transistoren 21 und 22 des Schmitt-Triggers sind über einen Transistor 24 mit dem Ausgang der Vergleichsschaltung 15 verbunden. Das Ausgangssignal des Steuergenerators 4 wird an einem Spannungsteiler 25 ausgekoppelt und durch die Transistoren 33, 34 und 35 verstärkt.
Der Spitzenwertgleichrichter 14 besteht aus einer Diode 26, einem Kondensator 27 und einem Transistor 28. Die Diode 26 isteinersei-ts mit der zweiten Primärwicklung 13 des Transformators 3, anderseits mit der Parallelschaltung des Kondensators 27 und dem Kollektor des Transistors 28, sowie mit einem Eingang der Vergleichsschaltung 15 verbunden.
Die Vergleithsschaltung 15 besteht aus Transistoren 29 und 30 in Differenzverstärkerschaltung. Die Basis des Transistors 29 ist mit dem Ausgang des Spitzenwertgleichrichters 14 und sein Kollektor mit dem Transistor 24 verbunden. Die Basis des Transistors 301iegt an afi der durcheine Zenerdiode 31 bestimmten Vergleiehsspannung.
Der Gleichspannungswandler gemäss der Fig. 3 wirkt folgendermassen:
Die Spannung der erzeugten-Sagezahnschwingung liegt an einem Kondensator 32 an. Der Widerstand 132, der Kondensator 32 und der Uni junction-Transistor 18 bestimmen dabei die Frequenz, mit welcher das Gerät arbeitet. Die Länge dieser Schwingung istT (Fig.-2).
Zum Zeitpunkt 01iegt an der Basis des Transistors 22 eine durch die Schwellenspannung des Schmitt-Triggers 21, 22 bestimmte Spannurlg,-Solange die Spannung am Kondensator 32 kleiner als die Schwellenspannung des Schmitt-Triggers 21,
22 ist, leitet die Diode 20 und sperrt Diode 19. Somit sperrt der Transistor 22 des Schmitt-Triggers und der Transistor 21 leitet.
Die mit dem Spannungsteilerausgang 25 verbundene
Verstärkerschaltung aus den Transistoren 33, 34 und 35 sperrt das Halbleiterschaltelement 1, indem die Transistoren 33 und
34 leiten und der Transistor 35 sperrt.
Wenn die Spannung am Kondensator 32 die Schwellenspan nung des Schmitt-Triggers 21,22 erreicht und überschreitet, also zu Beginn des Intervalles q (Fig. 2), wird die Diode 19 leitend. Dadurch ändert der Schmitt-Trigger 21, 22 seinen
Zustand. Der Transistor 22 leitet und der Transistor 21 sperrt.
Als Folge davon sperren die Transistoren 33 und 34 und der
Transistor 35 leitet. Somit wird auch das Halbleiterschalt element 1 zum Schalten veranlasst. Dieses Intervall T, endet gleichzeitig mit der Periode T der Sägezahnschwingung (Fig. 2).
Während der Zeit q ist der Schwellenwert des Schmitt-Triggers
21, 22 niedriger als die Sägezahnspannung, sodass der Zusatz mit Sicherheit erhalten bleibt.
Am Ende der Periode T zur Zeit t, (Fig. 2), zündet der
Unijunction-Transistor 18 und entlädt den Kondensator 32. Da nun die Schwellenspannung des Schmitt-Triggers 21, 22 höher als die Spannung am Kondensator 32 ist, ändert dieser wiederum seinen Zustand. Als Folge davon wird das Halb leiterschaltelement 1 wieder gesperrt. Während des Intervalls Ti steigt der Magnetisierungsstrom linear an und erreicht am Ende den Wert I. Dies bedeutet, dass sich im Transformator magnetische Energie aufgespeichert hat.
In dem mit t beginnenden Intervall tau wird diese magnetische Energie durch die Diode 12 und den Kondensator
8 entladen. (Fig. 2d). An der zweiten Primärwicklung 13 des
Transformators 3 steht die Spannung UA*. Diese wird über die
Diode 26 auf den Kondensator 27 übertragen. Die am
Kondensator 27 anstehende Spannung wird nun in der
Vergleichsschaltung 15 durch die beiden Transistoren 29 und
30 mit der an der Zenerdiode 31 anstehenden Vergleichsspan nung verglichen. Die verstärkte Differenz wird am Kollektor des Transistors 29 ausgekoppelt, mit dem Transistor 24 verstärkt und den Emittern der Transistoren 21 und 22 des
Schmitt-Triggers zugeführt. Damit wird auch die Basisspan nung des Transistors 22 von dieser Spannung abhängig.
Wenn die Emitterspannung des Transistors 22 höher wird, wird auch dessen Basisspannung höher. Dadurch wird die Dauer des
Intervalls q kleiner, mit anderen Worten; das Halbleiterschalt element 1 schaltet weniger lang eingeschaltet.
Während des Intervalls TU wird ferner der Transistor 23 von der an der Wicklung 13 des Transformators 3 anstehenden positiven Spannung durchgesteuert. Dadurch ist die
Emitterspannung dieses Transistors 23 während dieses
Intervalls Null. Die Sägezahnspannung kann somit den Schmitt
Trigger 21, 22 nicht beeinflussen. Der Schmitt-Trigger 21, 22 kann daher seinen Zustand während des Intervalls TU nicht ändern. Nach Ablauf dieses Intervalls r,, in der die magnetische
Energie des Transformators entladen worden ist, sperrt die
Diode 12 wieder und die Spannung an den Wicklungen 2, 5, 11 und 13 wird Null. Da nun die Diode 26 sperrt, bleibt die
Spannung am Kondensator 27 solange erhalten, bis der
Schmitt-Trigger wieder zu einer Zustandsänderung gezwungen wird.
Dann wird das Halbleiterschaltelement 1 wieder leitend.
Gleichzeitig wird der Transistor 28 leitend und die Spannung am Kondensator 27 auf Null abgebaut. Dadurch würde eine
Verzögerung der Regelstrecke, falls das Abbild der Ver braucherspannung inzwischen kleiner geworden wäre, vermieden. Das Gerät ist damit wieder freigesetzt und ein neuer
Vergleich der inzwichen ansteigenden Sägezahnspannung kann beginnen.
Der erfindungsgemässe Gleichspannungswandler ist mit einem Strombegrenzer zum Schutz des Halbleiterschalt elementes 1 in einer speziell auf die Gleichspannungswandler schaltung zugeschnittenen Ausführungsform versehen, welche im Steuergenerator eingebaut ist und dessen Impuls- Pause-
Verhältnis beeinflusst.
In Fig. 4 ist ein Ausschnitt aus Fig. 3 mit dem Spannungs stabilisator mit Transistor 16 und Zenerdiode 17, Halbleiterschaltelement 1, Steuergenerator4 und einem Strombegrenzer 36 dargestellt. Der Strombegrenzer 36 ist zwischen die Transistoren 33 und 34 des Steuergenerators 4 geschaltet und besteht aus einem bistahilen Multivibrator mit den Transistoren 37 und 38, einer Diode 39, Kondensatoren 40 und 41, Widerständen 42, 43 und 44 und Transistoren 45 und 46, nebst einigen nicht näher bezeichneten Widerständen. Die Basis des Transistors 37 des bistabilen Multivibrators steht in Verhindung mit der Anode der Diode 39, deren Kathode an der vom Transistor 16 stabilisierten, denMultivibrator speisenden positiven Eingangsspannung liegt.
Die Anode der Diode 39 ist ferner mit dem Kondensator 40 verbunden, der mit dem Kollektor des im Steuergenerator 4 liegenden Verstärker Transistors 33 verbunden ist. Ferner besteht eine Verbindung zwischen dem Kollektor des Transistors 38 des bistabilen Multivibrators über einen Widerstand mit der Basis des Transistors 34 im Steuergenerator 4. Im Strompfad zwischen Eingangsspannungsquelle und dem Kollektor des Halbleiterschaltelementes l liegt ein Anschluss des Kondensators 41 und der Widerstand 42. Vor und hinter diesem Widerstand 42 liegen die ersten Anschlüsse der Widerstände 43 und 44, deren zweite Anschlüsse mit dem Kondensator 41 und der Basis des Transistors 45 verbunden sind.
Der Kollektor dieses Transistors 45 steht in Verbindung mit der Basis des Transistors 46, dessen Kollektor mit der Basis des Transistors 38 des Multivibrators verbunden ist.
Die Strombegrenzerschaltung 36 wirkt auf folgende Weise: Im normalen Zustand ist der Transistor 38 gesperrt und der Transistor 37 leitend. In diesem Zustand wird der Transistor 34 des Steuergenerators 4 und das Halbleiterschaltelement 1 nicht beeinflusst. Dieser Zustand wird in den Zeitpunkten t2 (Fig. 2) eingeleitet resp. bestätigt. Indem der Transistor 33 des Steuergenerators 4 sperrt, Iädt sich der Kondensator 40 über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 37 auf, wodurch dieser leitend wird, falls er in diesem Moment gesperrt sein sollte.
Im Zeitpunkt t1 (Fig. 2) wird der Kondensator 40 über die Diode 39 und den leitenden Transistor 33 des Steuergenerators 4 wieder entladen.
Der Widerstand 42 sorgt für die Überwachung des durch das Halbleiterschaltelement 1 fliessenden Stromes. Wenn nun im neichstfolgenden Intervall q (Fig. 2), in dem das Halbleiterschaltelement 1 leitet, eine bestimmte, vom Widerstand 42 abhängige Spannung durch einen zu hohen, durch diesen Widerstand 42 fliessenden Strom auftritt, wird der Transistor 45 über die Widerstände 42 und 44 leitend gemacht. Der Kondensator 41 verhindert, dass dieser Vorgang von Einschwingerscheinungen beeinflusst wird. In der Folge wird auch der Transistor 46 und der Transistor 38 des Multivibrators leitend. Dadurch wird im Steuergenerator4 auch der Transistor 34 leitend und der Transistor 35 sperrt.
Daher sperrt auch das Halbleiterschaltelement 1 mit einer kleinen Verzögerung für den Rest der Periode T und das Intervall ri wird verkürzt.
Damit wird seine Beschädigung durch Überstrom vermieden.
Die beschriebenen Lösungen erlauben damit, die Funktion der Gleichspannungswandlung, der galvanischen Trennung und der Stabilisierung zu vereinigen, wobei der Aufwand gering gehalten werden kann. Der Wirkungsgrad und die Stabilisierung der Ausgangsgleichspannung sind ausgezeichnet.