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Die
Erfindung betrifft einen Gleichspannungsumsetzer gemäß Gattungsbegriff
des Anspruches 1.
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Ein
Gleichspannungsumsetzer wandelt eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung
um. Ist die Eingangsspannung niedriger als die Ausgangsspannung,
so spricht man von einem Aufwärtswandler
oder einem Hochsetzsteller. Ist die Eingangsspannung höher als
die Ausgangsspannung, spricht man von einem Abwärtswandler oder einem Tiefsetzsteller.
Beide Schaltungskonzepte besitzen eine Speicherschaltung, die im
Wesentlichen eine Induktivität,
eine Freilaufdiode und einen Ausgangskondensator besitzt, und dadurch
in der Lage ist, kurzzeitig elektrische Energie zwischenzuspeichern. In
der Versorgungsspannung für
die Induktivität
liegt ein Speiseschalter, der in der Regel von einem Transistor,
insbesondere einem Feldeffekttransistor ausgebildet wird. In der
leitenden Phase des Speisetransistors wird die Induktivität mit Strom
versorgt. Der Strom steigt mit der Zeit linear an. Die Induktivität wird dabei
mit Energie geladen. In der Sperrphase des Speiseschalters fließt durch
die Freilaufdiode ein Strom ab, der die Folge der Energieentladung
der Induktivität
ist. Der Ausgangskondensator wirkt als Tiefpass.
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Bei
einem Tiefsetzsteller, wie er auch von der
DE 100 65 421 A1 beschrieben
wird, sind in einem Längszweig
der Speiseschalter und die Induktivität in Serie geschaltet. In einem
Querzweig zwischen Speiseschalter und Induktivität befindet sich die in Sperrrichtung
geschaltete Freilaufdiode, durch welche in der Sperrphase des Speisetransistors
der Strom fließen
kann. Ausgangsseitig der Induktivität befindet sich ein Glättungskondensator.
Der Schalter wird von einer Ansteuerschaltung periodisch geöffnet und
geschlossen. Dort ist der Speiseschalter als selbstleitender Schalttransistor
ausgebildet, welcher von einem Steuertransistor angesteuert ist,
der ab Erreichen eines durch einen Stromfühler erfassten Maximalwert
des Längsstroms
dem Schalttransistor eine an einer im Längszweig geschalteten ZENER-Diode abfallende
Sperrspannung zuführt.
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Einen
gattungsgemäßen Gleichspannungsumsetzer
beschreibt die
DE
103 49 196 A1 . Es handelt sich hier um einen Tiefsetzsteller
mit einem Schalter, der in Reihe zu der Induktivität und zum Ausgangskondensator
geschaltet ist. Die Freilaufdiode liegt hier zwischen Schalter und
Primärseite
der Induktivität
und ist über
einen Widerstand mit Masse verbunden. Am Knoten der von der Diode
und dem Widerstand gebildeten Spannungsteiler liegt der Emitter
eines Messtransistors. Nachteilig an dieser Schaltung ist, dass
permanent ein Strom aus der Einspeisung durch die Ansteuerschaltung
fließen
muss.
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Die
DE 25 52 417 A beschreibt
einen Spannungswandler nach dem Sperrschwingerprinzip. Bei diesem
Prinzip wird eine kleine Menge elektrischer Energie im Magnetfeld
einer Spule gespeichert. Bei geschlossenem Speiseschalter wird diese
Spule geladen. Nach Öffnung
des Speiseschalters entlädt sich
die Spule über
eine sekundärseitig
der Spule angeordnete Freilaufdiode in einen parallel zur Spule geschalteten
Ausgangskondensator. Diese Schaltung liefert eine negative Ausgangsschaltung.
Bei der in der
DE 25
52 417 A beschriebenen Schaltung wird ein Feldeffekttransistor
vom selbstleitenden Typ als regelndes Element verwendet. Das Gate
dieses Feldeffekttransistors liegt unmittelbar an dem Ausgangskondensator
an.
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Aus
der
DE 3241 086 A1 ist
eine Anordnung zur verlustmindernden Nutzung der in einem Entlastungsnetzwerk
gespeicherten Energie bekannt, wobei das Entlastungsnetzwerk aus
der Parallelschaltung von einem Widerstand und einer Diode und diese
in Reihe zu einem Kondensator besteht.
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Aus
der
DE 103 03 435
A1 ist ein Schaltwandler bekannt, wobei die Laststrecke
des Halbleiterschalters in Reihe zu einer Induktivität als Energiespeicherelement
in dem Schaltwandler geschaltet ist. Auch hier wird aus einer Eingangsspannung
eine kleinere Ausgangsspannung erzeugt. Dies erfolgt wie oben beschrieben
mittels eines eine Folge von Ansteuerimpulsen aufweisenden Ansteuersignals. Dort
sind zwei MOSFETs als Speiseschalter vorgesehen. Als Referenzspannungsgeber
dient auch hier eine ZENER-Diode.
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Darüber hinaus
ist eine Vielzahl von Schaltungsvarianten für Tiefsetzsteller bekannt.
Die Basisspannung des Messtransistors wird in der Regel aus einer
Spannungsteileanordnung gewonnen, an der die Eingangsspannung anliegt.
Diese Spannungsteileanordnung besitzt eine ZENER-Diode. Der Emitter eines
Messtransistors ist mit der Ausgangsklemme der Induktivität verbunden.
Der Messtransistor schaltet durch, wenn die Ausgangsspannung niedriger
ist als die ZENER-Spannung. Der mit dem Kollektor des Messtransistors
gekoppelte Speisetransistor ist dann leitend geschaltet. Überschreitet
die Ausgangsspannung der Induktivität die ZENER-Spannung, so sperrt der
Speisetransistor. Die Induktivität
zieht dann ihren Strom durch die Freilaufdiode, wobei sie sich entlädt. Diese
Transistorschaltung ist zwar einfach aufgebaut und damit preisgünstig. Nachteilhaft
an dieser Schaltung sind aber die Verluste durch die oben erwähnte Eingangs-Spannungsteilerschaltung
zur Erzeugung der Basisspannung des Messtransistors. Der Eingangsspannungsbereich
ist bei einer derartigen Schaltung eng begrenzt. Bei hohen Primärspannungen
wird die Schaltung auch instabil.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten
Gleichspannungsumsetzer der gattungsgemäßen Art anzugeben, der bei
einem weiten Eingangsspannungsbereich einen hohen Wirkungsgrad besitzt.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
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Zunächst und
im Wesentlichen ist vorgesehen, dass der Messtransistor ein selbstleitender Feldeffekttransistor
ist. Seine Gate-Spannung liefert die von der Freilaufdiode und dem
Widerstand gebildete Spannungsteilerschaltung. Die Ansteuerspannung
für den
Speisetransistor ist bevorzugt die Ausgangsspannung eines Spannungsteilers,
dessen Eingangsspannung im Wesentlichen die Eingangsspannung des
Gleichspannungsumsetzers ist. Durch den Messtransistor wird die
aus zwei Widerständen bestehende
Spannungsteileranordnung ein- oder ausgeschaltet. Im eingeschalteten
Zustand teilt die Spannungsteilerschaltung die Eingangsspannung, so
dass der Speiseschalter leitend gesteuert ist. Der Messtransistor
ist so in der Spannungsteileranordnung angeordnet, dass er im sperrenden
Zustand die Wirkung der Spannungsteileranordnung derart aufhebt,
dass der Speiseschalter sperrt. Der bevorzugt als selbstleitender
Feldeffekttransistor ausgebildete Messtransistor kann somit bevorzugt
zwischen zwei Widerständen
angeordnet sein. Im leitenden Zustand bilden diese beiden Widerstände eine
einfache Spannungsteilerschaltung, deren Ausgangsspannung die Gate-Spannung
für den
bevorzugt als Feldeffekttransistor ausgebildeten Speiseschalter
bildet. Der Messtransistor ist ein selbstleitender Feldeffekttransistor.
Die Drain dieses Feldeffekttransistors ist mit dem Gate des Speisetransistors
verbunden. Das Gate des Messtransistors liegt an dem Knoten der Spannungsteilerschaltung,
die von einem Widerstand und der Freilaufdiode gebildet ist, wobei
die Freilaufdiode einseitig, bevorzugt mit ihrer Kathode mit der
Induktivität
verbunden ist. Die Anode der Freilaufdiode ist dann mit dem Gate
des Messtransistors verbunden. Die Source des Messtransistors ist
darüber
hinaus über
eine ZENER-Diode mit der anderen Seite der Induktivität verbunden.
Diese ZENER-Diode bildet mit einem weiteren Widerstand ebenfalls eine
Spannungsteilerschaltung. Die Source des Messtransistors liegt am
Knoten dieses Spannungsteilers. Die zuletzt genannte Spannungsteilerschaltung ist
parallel zum Ausgangskondensator geschaltet. Optional kann der Ausgangskondensator
in Reihe mit einem Schutzwiderstand geschaltet sein.
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In
seiner Leitphase fließt
durch den Speisetransistor ein Strom. Dies führt zu einer Energieaufladung
der Induktivität.
Der Strom durch die Induktivität steigt
langsam an und lädt
den Ausgangskondensator. Erreicht die Spannung des Ausgangskondensators
einen Wert, der höher
ist als die ZENER-Spannung der ZENER-Diode, so wird die Source des
Messtransistors angehoben. Sie liegt dann über der Abschnürspannung
des Gates des Messtransistors. Dies hat zur Folge, dass der Messtransistor
sperrt. Einhergehend damit sperrt auch der Speisetransistor. In
dieser Sperrphase entlädt
sich die Energie der Induktivität
als sich kontinuierlich abbauender Strom durch die Freilaufdiode.
Dies führt
zu einer weiteren Absenkung der Gate-Spannung am Gate des Messtransistors.
Dies bewirkt ein rechteckförmiges
Schaltungsverhalten, das einen Wirkungsgrad von 80 % und mehr bringen
kann. Sobald die Source-Spannung des Messtransistors wieder abgesunken
ist und die Gate-Spannung unter der Abschnürspannung des Gates des Messtransistors
liegt, wird letzterer wieder selbstleitend mit der Folge, dass der
Speisetransistor auf seine Leitphase umschaltet. Mit der erfindungsgemäßen Schaltung
können
Primärspannungen
zwischen 15 und 150 Volt auf Sekundärspannungen von 15 Volt herabgesetzt
werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand einer beigefügten Figur
erläutert.
Es zeigt:
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1 ein
Schaltbild eines Ausführungsbeispiels.
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Das
Ausführungsbeispiel
besitzt eine aus einer Induktivität L, einem Kondensator C und
einer Freilaufdiode D bestehende Energie-Speicherschaltung. Diese
Speicherschaltung wird periodisch mit einem Versorgungsstrom bestromt.
Hierzu dient der Speisetransistor ST. Dieser ist mit der Induktivität L und
einem Schutzwiderstand R4 in Reihe zwischen Eingang
und Ausgang geschaltet. Am Eingang liegt eine Gleichspannung UE an, deren Wert zwischen 15 und 150 Volt
betragen kann. Am Ausgang wird eine unglatte Gleichspannung UA erzeugt, deren Wert im Wesentlichen von
der ZENER-Spannung einer ZENER-Diode
DZ abhängt.
Die ZENER-Diode DZ verbindet sekundärseitig die Induktivität L über einen
Widerstand R3 mit Masse. Parallel dazu ist
jenseits des Schutzwiderstandes R4 der Ausgangskondensator
C geschaltet, der als Tiefpassfilter wirkt.
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Primärseitig
ist die Induktivität
L mit einer Freilaufdiode D über
einen weiteren Widerstand R1 mit Masse verbunden.
Diese Speicherschaltung ist in der Lage, bei einem periodischen
Sperren und Schließen
des Speisetransistors ST eine im Wesentlichen gleichgerichtete Ausgangsspannung
UA zu erzeugen, die niedriger ist als die
Eingangsspannung UE. Bei leitendem Speisetransistor
ST, bei dem es sich bevorzugt um einen Feldeffekttransistor handelt, wird
die Induktivität
aufgeladen. Die Freilaufdiode D sperrt. Der mit der Zeit ansteigende
Strom durch die Induktivität
L lädt
den Ausgangskondensator C auf. Sobald die Ausgangsspannung UA die ZENER-Spannung der ZENER-Diode DZ überschritten
hat, sorgt die im Folgenden noch zu beschreibende Ansteuerschaltung
dafür,
dass der Speisetransistor sperrt. Sobald dies erfolgt ist, kann
die in der Induktivität
gespeicherte Energie als Strom durch die Freilaufdiode D und den
Vorwiderstand R1 abfließen. Auch dieser Strom führt zu einem
weiteren Aufladen des Ausgangskondensators C. Unterschreitet die
Ausgangsspannung UA einen Minimalwert, so
wird der Speisetransistor ST wieder leitend geschaltet.
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Die
Ansteuerschaltung besitzt einen selbstleitenden Feldeffektransistor
MT. Dieser Messtransistor ist mit seiner Source über einen Widerstand R3 mit Masse und mit seinem Drain über einen
Widerstand R2 mit der Eingangsklemme verbunden.
Die Widerstände
R2, R3 bilden somit
mit dem Messtransistor MT eine schaltbare Spannungsteilerschaltung, deren
Ausgangsspannung die Gate-Spannung
des Speisetransistors ST ist. Die Drain des Speisetransistors ST
ist mit der Induktivität
L und die Source des Speisetransistors ST mit der Eingangsklemme
verbunden.
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Die
ZENER-Diode DZ bildet mit dem Widerstand R3 ebenfalls
eine Spannungsteilerschaltung. Die Anode der ZENER-Diode DZ ist
somit mit der Source des Messtransistors MT verbunden.
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Auch
die Freilaufdiode D bildet mit dem Widerstand R1 eine
Spannungsteilerschaltung. Der Knoten der Spannungsteilerschaltung,
der mit der Anode der Freilaufdiode verbunden ist, bildet die Gate-Spannung
für den
Messtransistor MT.
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Die
Funktionsweise der Schaltung ist die Folgende:
In der Ausgangsstellung
ist der Messtransistor MT leitend. Die Gate-Spannung des Messtransistors
MT liegt unter der Abschnürspannung
des Gates. Infolgedessen liegt am Gate des Speisetransistors ST eine
Spannung an, die durch die Widerstände R3 und R2 definiert ist. Diese Spannung führt dazu,
dass der Speisetransistor ST leitet. Durch ihn fließt ein Strom. Letzterer
fließt
durch die zum Speisetransistor ST in Serie geschaltete Induktivität L. Der
Strom durch die Induktivität
steigt linear an und lädt
den Ausgangskondensator C auf. Überschreitet
die Sekundärspannung
der Induktivität,
welche im Wesentlichen der Ausgangsspannung UA entspricht,
die ZENER-Spannung der ZENER-Diode DZ, so wird die Source des Messtransistors
MT auf ein Potential angehoben, welches über der Gate-Spannung liegt.
Sie liegt dann über
der Abschnürspannung
des Gates des Messtransistors MT. Dies hat zur Folge, dass der Messtransistor
MT sperrt. Durch R2 fließt dann kein Strom mehr. Dies
hat unmittelbar darauf zur Folge, dass der Speisetransistor ST sperrt.
Durch die beim Sperren des Speisetransistors ST erzeugte Induktionsspannung
wird die Gate-Spannung des Messtransistors MT weiter ins Negative
gezogen. Der sich kontinuierlich abbauende, von der Induktivität erzeugte
Strom fließt über R1, D, L, R4 und C
bzw. über
die am Ausgang angeschlossene Last. Dieser Strom hat an R1 einen Spannungsabfall zur Folge, der das
Gate des Messtransistors MT ins Negative zieht, wodurch der Speisetransistor
ST vollständig
sperrt. Dies bewirkt ein rechteckförmiges Schaltungsverhalten.
Erst wenn die Source-Spannung des Messtransistors einen Wert unterhalb
der Abschnürspannung
des Gates des Messtransistors MT erreicht, kann letzterer wieder
seine selbstleitende Betriebsstellung einnehmen. Dann wird auch
der Speisetransistor ST wieder leitend.