DE1613338B2 - Gleichspannungswandler - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler mit einem induktiven Element, dessen erster Anschluß
mit dem ersten Anschluß einer den Gleichspannungswandler speisenden Gleichstromquelle verbunden ist
und dessen zweiter Anschluß an den ersten Pol eines im Pulsbetrieb arbeitenden ersten Schalters angeschlossen
ist, dessen zweiter Pol über eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einer Last mit dem anderen
Anschluß der Gleichstromquelle verbunden ist, mit einem im Pulsbetrieb arbeitenden zweiten Schalter,
dessen erster Pol mit dem zweiten Anschluß des induktiven Elements und dessen zweiter Pol mit dem
zweiten Anschluß der Gleichstromquelle verbunden ist, mit einer Spannungsmeßeinrichtung zur Messung der
Spannung an der Parallelschaltung aus Kondensator und Last und mit einer von der Spannungsmeßeinrichtung
beeinflußten Steuereinrichtung, die den Pulsbetrieb des ersten und zweiten Schalters derart steuert, daß
durch deren abwechselndes Schließen die Lastspannung im wesentlichen konstant gehalten wird.
Ein derartiger Gleichspannungswandler ist aus der GB-PS 9 49 081 bekannt. Bei diesem bekannten
Gleichspannungswandler ist der erste Schalter eine Diode und der zweite Schalter ein von der Steuereinrichtung
angesteuerter Schalttransistor. Dieser Gleichspannungswandler liefert eine stabilisierte Ausgangsspannung,
die bei Schwankungen des Lastwiderstandes weitgehend konstant bleibt. Stärkere Schwankungen
des Lastwiderstandes rufen jedoch relativ starke Schwankungen des von der Gleichstromquelle gelieferten
Stromes hervor.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Gleichspannungswandler der eingangs genannten Art die durch
Laständerungen bedingten eingangsseitigen Gleich-Stromschwankungen zu verringern und die Regelgenauigkeit
der Lastspannung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein im Pulsbetrieb arbeitender dritter Schalter
parallel zu dem induktiven Element vorgesehen ist, daß ferner eine die Steuereinrichtung beeinflussende Strommeßeinrichtung
zur Messung des Stroms durch das induktive Element vorgesehen ist, und daß die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, daß der zweite
und der dritte Schalter derart abwechselnd geschlossen werden, daß der Strom durch das induktive Element im
wesentlichen konstant gehalten wird, und in Zwischenzeiten zur Konstanthaltung der Lastspannuiig der dritte
mit dem zweiten Schalter jeweils gleichzeitig geöffnet wird, während der erste Schalter in dieser Zeit
geschlossen ist.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß wegen des im wesentlichen konstanten Stromes durch das
induktive Element und der von der Gleichstromquelle gelieferte Strom unabhängig von Laständerungen im
wesentlichen konstant ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die vom Gleichspannungswandler abgegebene Ausgangsspannung
bei gegebenem Regelungsaufwand unabhän-
giger von der Spannung der speisenden Gleichstromquelle ist. Wenn nämlich das induktive Element über den
ersten Schalter mit dem Lastkreis verbunden ist, wirkt es wie ein nahezu idealer Stromgenerator, wobei das
induktive Element den Lastkreis mit einer Spannung versorgt, die nur von der Charakteristik des Ausgangskreises
abhängt und sehr unabhängig von der Spannung der Gleichstromquelle ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen
Merkmale gekennzeichnet.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt; es zeigt
F i g. 1 ein prinzpielles Schaltschema eines Gleichspannungswandlers
gemäß der Erfindung,
F i g. 2a und 2b graphische Darstellungen der Ströme und der Spannungen während verschiedener Betriebszustände,
F i g. 3 ein vereinfachtes Schaltschema einer besonderen Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 4a und 4b die graphische Darstellung der Ströme und Spannungen bei einer Ausführungsform gemäß
Fig. 3,
Fig.5 das prinzipielle Schaltschema eines Gleichspannungswandlers
gemäß der Erfindung für eine Vielzahl von Lastkreisen,
Fig.6 das prinzpielle Schaltschema einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 7 das Schaltbild einer vereinfachten Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 1 ist das prinzipielle Schaltschema eines Gleichspannungswandlers gemäß der Erfindung dargestellt.
Eine nicht stabilisierte Gleichstromquelle 1 mit einem Innenwiderstand /?/ liefert eine Gleichspannung,
die zwischen der Eingangsklemme 2 und Masse den Wert VMt.
An die Eingangsklemme 2 ist eine Induktivität 3 angeschlossen, zu der ein Strommeßgerät 4 mit kleinem
Innenwiderstand seriengeschaltet ist. Dieses Strommeßgerät 4 liefernt ein dem gemessenen Stromwert
entsprechendes Signal an die Eingangsklemme 14 einer Steuereinrichtung 19. Der Wert L der Induktivität 3 ist
zweckdienlicherweise groß, wogegen deren Widerstand R im Vergleich zum Widerstand des Strommeßgerätes 4
klein ist. Ein Schalter 5, der vom Signal an der Ausgangsklemme 16 der Steuereinrichtung gesteuert
wird, ist zwischen die Eingangsklemme 2 und die Ausgangsklemme 6 geschaltet. Bei geschlossenem
Schalter wird die Induktivität 3 kurzgeschlossen.
Ein von dem Signal an der Ausgangsklemme 17 der Steuereinrichtung 19 gesteuerter Schalter 7 verbindet
die Ausgangsklemme 6 mit Masse. In diesem Schaltzustand besteht der wirksame Stromkreis aus der
Gleichstromquelle 1, der Induktivität 3, dem Strommeßgerät 4 und dem Schalter 7.
Ein Schalter 8 wird von dem Signal an der Ausgangskleinme 18 der Steuereinrichtung 19 gesteuert.
Im geschlossenen Zustand verbindet dieser Schalter die Ausgangsklemme 6 mit der Klemme 20 des
Lastkreises, an welche folgende Elemente in Parallelschaltung angeschlossen sind: die Last U, für die
angenommen wird, daß sie im wesentlichen aus einem Widerstand Rc besteht, einem Kondensator 10 mit der
Kapazität C und einem Spannungsmeßgerät 9 mit hohem Widerstand, mit dem die Ausgangsspannung V11
gemessen wird und welches ein entsprechendes Signal an die Eingangsklemme 15 der Steuereinrichtung 19
liefert.
Es wird angenommen, daß die Schalter 5,7 und 8 von der Steuereinrichtung 19 praktisch ohne Verzögerung
betrieben werden können, und daß die Schalter im geschlossenen Zustand praktisch widerstandslos sind
und im geöffneten Zustand die Stromführung unterbrechen. Dies trifft für die Spannungs- und Stromwerte zu,
in deren Bereich sie betrieben werden.
Eine mögliche Schaltfolge bei dem Gleichspannungswandler gemäß der Erfindung wird im folgenden an
ίο Hand der Fig.2a und 2b beschrieben, welche die
Änderung des Stromes / in der Induktivität und die Änderung der Spannung V11 an der Last darstellen.
Es sei angenommen, daß zur Anfangszeit t0 der
Schalter 7 geschlossen, die Schalter 5 und 8 dagegen geöffnet sind. Damit wird ein Stromkreis von der
positiven Klemme 2 der Gleichstromquelle 1 mit dem Innenwiderstand /?, über die Induktivität 3 mit dem
Widerstand R und dem Induktivitätswert L, das Strommeßgerät 4 und den Schalter 7 nach Masse
geschlossen. Der Strom in diesem Kreis wächst entsprechend einer exponentiellen Gesetzmäßigkeit an,
die die Zeitkonstante L/(R+R,) hat. Wenn das berücksichtigte Zeitintervall bezüglich dieser Zeitkonstante
genügend klein ist, kann der Stromanstieg in Abhängigkeit von der Zeit als linear betrachtet werden,
wie dies durch die Linie OA gemäß F i g. 2a dargestelt ist. Wenn zur Zeit i| der Strom einen bestimmten oberen
Grenzwert Ia erreicht, wird der Schalter 5 von der
Steuereinrichtung 19 geschlossen und der Schalter 7 von ihr geöffnet. Die Induktivität wird damit über den
Schalter 5 kurzgeschlossen. Der Strom in der Induktivität fällt nun entsprechend der großen Zeitkonstante L/R
ab, wie dies durch die Linie ^^dargestellt ist.
Wenn zur Zeit f2 der abfallende Strom den untersten
Grenzwert h erreicht hat, wird der Schalter 7 geschlossen und der Schalter 5 geöffnet, wodurch die
Verhältnisse wiederhergestellt werden, wie sie während dem Zeitintervall f0— fi geherrscht haben. Somit steigt
der Strom wieder an und sobald zum Zeitpunkt h der oberste Grenzwert Ia erreicht ist, wird der Schalter 5
geschlossen und der Schalter 7 geöffnet/Damit kann durch die Funktion der Steuereinrichtung 19 in der
Induktivität 3 ein Strom in einer Richtung aufrechterhalten werden, dessen Wert zwischen den Grenzen Ia und
Ib liegt. Wenn der Unterschied zwischen den beiden
Grenzwerten sehr klein gemacht wird, fließt ein Gleichstrom durch die Induktivität, der im wesentlichen
einen konstanten Wert In, = (U +Ib)II besitzt.
Die Schaltung ist derart ausgelegt, daß der Wert In, im
so wesentlichen höher als der Wert des Stromes liegt, der von der Last aufgenommen wird. Die Induktivität L
wirkt als Stromspeicher, der periodisch von der Gleichstromquelle 1 aufgeladen wird. Die Energieverluste
sind vernachlässigbar klein, da die Widerstände R-,
und R sehr klein sind.
Es sei nun der Fall betrachtet, daß die Last 11, mit der
die Kapazität 10 verbunden ist, von der Klemme 20 aus gespeist wird. Der Kondensator 10 wird auf eine
veränderbare Spannung Vu aufgeladen, welche innerhalb
zweier festgelegter Grenzwerte VA und Vb aufrechterhalten werden muß.
Es sei angenommen, daß diese beiden Grenzwerte eine höhere Spannung als die Eingangsspannung V/
aufweisen, und daß sie sich nur um einen geringfügigen hi Wert voneinander unterscheiden. In diesem Fall ist die
Spannung Vm = (VA+Ve)/2 näherungsweise konstant
und entspricht der Spannung, die an der Ausgangsklemme 20 anliegt.
Der Kondensator 10 sei derart aufgeladen, daß die Ausgangsspannung V11 entsprechend einer Gesetzmäßigkeit
abnimmt, die durch die Linie A/yVgemäß F i g. 2b beschrieben wird. Der Augenblickswert dieser Spannung
wird von dem Spannungsmeßgerät 9 gemessen und ein entsprechendes Signal an die Eingangsklemme
15 der Steuereinrichtung 19 geliefert. Wenn zur Zeit U die Spannung V11 ihren untersten Grenzwert Vb erreicht,
schließt die Steuereinrichtung den Schalter 8 und öffnet den Schalter 7 oder 5, je nachdem welcher der beiden
vorher geschlossen war. Im vorliegenden Beispiel ist dies der Schalter 5.
Dadurch wird ein Stromkreis von der Ausgangsklemme 2 der Gleichstromquelle 1 über die Induktivität-3, das
Strommeßgerät 4, den Schalter 8 und die Last 11 nach
Masse geschlossen.
In dem Teil dieses Stromkreises, welcher zwischen der Klemme 2 und der Klemme 20 liegt, herrscht eine
Spannungsdifferenz Δ V— V-,- Vu, welche für V,>
Vu positiv ist, d. h. denselben Richtungssinn wie der Strom
aufweist, und welche für den entgegengesetzten Fall negativ ist. In dem besagten Teil des Schaltkreises ist die
induktive elektromotorische Kraft (EMK) L dl/dt aktiv. Zur Zeit u, wenn der Schalter 8 geschlossen ist, ist
unabhängig vom Widerstand R
LdI/dt=aV
Die Ableitung d//di des Stromes hat dasselbe
Vorzeichen wie Δ V. Deshalb steigt der Strom bei einer Ausgangsspannung, die niedriger als die Eingangsspannung
ist, an und fällt bei einer Ausgangsspannung, die höher als die Eingangsspannung ist, ab. In jedem Fall
fließt der Strom, zumindest für ein begrenztes Zeitintervall, in derselben Richtung wie zuvor weiter
und lädt dadurch den Kondensator 10 auf, wodurch ein Anstieg der Spannung Vu verursacht wird.
Wenn, wie angenommen, die Ausgangsspannung Vu
größer als V, ist, wird Δ Knegativ, und der Strom nimmt
entsprechend der ausgezogenen Linie DE gemäß F i g. 2a ab. Entsprechend steigt die Ausgangsspannung
Vu an, wie durch die ausgezogene Linie NO dargestellt
wird.
Es kann sein, daß, wie in der Figur dargestellt, zur Zeit t% bevor die Spannung Vu den obersten Grenzwert VA
erreicht, der Strom einen zweiten unteren Grenzwert Ic erreicht, unter welchen er nicht abfallen soll. In diesem
Fall schließt die Steuereinrichtung 19 den Schalter 7 und öffnet den Schalter 8 und stellt dadurch die Bedingungen
für das Ansteigen des Stromes in der Induktivität her. Der Strom steigt bis zur Zeit tj, wie durch die Linie
EF dargestellt, an und erreicht in diesem Augenblick seinen obersten Grenzwert Ia, während die Spannung
entsprechend der Linie OP abfällt. Zur Zeit ti ist der
Schalter 8 geschlossen und der Schalter 7 geöffnet, so daß der Strom den Kondensator auflädt und dadurch
einen Spannungsanstieg so lange verursacht, bis der obere Grenzwert Va erreicht ist, wie durch die Linie PQ
dargestellt wird. In diesem Betriebszustand wird der Schalter 8 geöffnet und der Schalter 7 oder der Schalter
5 geschlossen, je nachdem, ob der Stromwert niedriger oder höher als der Wert Iβ ist.
Für den Fall, daß der Spannungswert Vu am Ausgang
niedriger als der Spannungswert V, am Eingang ist, ist die Spannungsdifferenz Δ V positiv und damit auch die
Ableitung d//df positiv.
Wenn der Schalter 8 geschlossen wird, steigt der Strom an, wie dies durch die gestrichelte Linie Dl
gemäß F i g. 2a dargestellt wird.
Die gestrichelte Linie im unteren Teil der Fig.2b veranschaulicht die Variation der Ausgangsspannung
für den Fall, daß die Spannung zwischen den Grenzwerten Vc und Vd gehalten werden muß, welche
beide kleiner als die Eingangsspannung V/sind.
Wenn zur Zeit U, die entsprechend der Linie M'N' abfallende Ausgangsspannung den untersten Grenzwert
Vd erreicht, schließt die Steuereinrichtung den
Schalter 8 und öffnet den Schalter 7 oder 5. Von diesem Augenblick an steigt der Strom in der Induktivität, wie
bereits erwähnt, entsprechend der gestrichelten Linie DI an, wodurch entsprechend die Spannung V11
entsprechend der Linie Λ/'O'ansteigt.
Es kann der Fall sein, daß, bevor die Spannung V11 den
oberen Grenzwert Vc erreicht, der Strom in der
Induktivität zur Zeit k einen zweiten oberen Grenzwert
Id erreicht, über den diese nicht ansteigen soll. Unter diesen Umständen schließt die Steuereinrichtung den
Schalter 5 und öffnet den Schalter 8. Der Strom fällt entsprechend der Linie IL so lange ab, bis die Spannung
Vu den unteren Grenzwert Vd zum Zeitpunkt ig erreicht.
Dieser Abfall verläuft entlang der gestrichelten Linie O'P'. Dieser Vorgang wird wiederholt, und die
Ausgangsspannung wird somit immer zwischen den Grenzwerten Vcund Vogehalten.
Durch die geeignete Auswahl der charakteristischen Werte der Induktivität 3 und des Kondensators 10,
wobei der von der Last 11 aufgenommene Strom und der von der Gleichstromquelle 1 gelieferte Strom
berücksichtigt wird, kann man erreichen, daß die von der Gleichstromquelle an die Induktivität 3 während der
Zeit des geschlossenen Schalters 7 gelieferte Energie ausreicht, um die von der Induktivität an den
Kondensator 10 über den geschlossenen Schalter 8 gelieferte Energie zu kompensieren.
Die Funktion der Einrichtung gemäß der Erfindung kann sehr viel genauer beschrieben werden, wenn man
berücksichtigt, daß mit einem geschlossenen Schalter 8 und den übrigen Schaltern geöffnet, die Induktivität
zumindest für einen begrenzten Zeitabschnitt wie ein
idealer Stromgenerator wirkt und deshalb in der Lage ist, unabhängig von der an der Last wirksamen
Speisespannung einen bestimmten Strom an die Last zu liefern.
Es ist selbstverständlich, daß die beschriebene Wirkungsweise in vieler Hinsicht verändert werden
kann, einmal auf Grund verschiedener Schalterpositionen und der verschiedenen Anschlußmöglichkeiten der
Meßreinrichtungen oder bezüglich der öffnungs- und
so Schließfolgen der Schalter bzw. des Betriebsverhaltens der Steuereinrichtung.
Im besonderen kann es vorteilhaft sein, einen Taktgeber zu verwenden, damit das Schließen und
Öffnen der verschiedenen Schalter nicht ausschließlich von dem Erreichen vorbestimmter Grenzwerte sowohl
für die Spannung als auch für den Strom abhängig ist, sondern zumindest teilweise nach einer bestimmten
zeitlichen Folge verläuft, die von dem Taktgeber gesteuert wird.
wi Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
dieses erwähnten Typs, bei welchem die Schalter aus Halbleiterelementen bestehen und die Folge der
Öffnungs- und Schließvorgänge von einem Taktgeber und einer logischen Schaltung gemeinsam bestimmt
is wird, wird im folgenden beschrieben.
Der Taktgeber und die Logikschaltung sind in der Steuereinrichtung vorgesehen, in F i g. 3 mit dem
Bezugszeichen 4) bezeichnet. Die Steuereinrichtung
wird im folgenden nicht einzeln beschrieben, da die verschiedenen Möglichkeiten der Ausführung derselben
iür den mit der Elektronik vertrauten Fachmann oekannt sind, und die Schaltvorgänge leicht durch eine
Folge von Steuersignalen ausgelöst werden können, welche von der Steuereinrichtung den Schaltelementen
in Abhängigkeit von durch die Meßeinrichtungen gelieferten Eingangsdaten zugeführt werden.
In Fig.3 ist das Schema einer Schaltung dargestellt,
bei welcher Transistoren als Schalter verwendet werden und welche besonders vorteilhaft ist, wenn die
Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung ist.
Dieser Wandler enthält eine nicht stabilisierte Gleichstromquelle 21, die mit einem Anschluß an Masse
liegt und deren anderer Anschluß an die Induktivität 22 und an einen PNP-Transistor 23 angeschlossen ist,
dessen Emitter mit der Klemme 33, dessen Kollektor mit der Klemme 32 der Induktivität, und dessen Basis
über einen Widerstand 24 mit dem Emitter und außerdem mit der Klemme 37 der Steuereinrichtung 41
verbunden ist. Eine nicht dargestellte Befehlsschaltung ist Teil der Steuereinrichtung und ebenfalls mit der
Klemme 37 verbunden. Diese Befehlsschaltung kann den Transistor ein- und ausschalten, welcher daher die
Funktion des Schalters 5 gemäß F i g. 1 ausführt.
Die Klemme 33 ist außerdem mit dem Emitter des Transistors 25 verbunden, dessen Kollektor über einen
Widerstand 31 mit kleinem Widerstandswert an Masse liegt. Der dem Widerstand 31 und Kollektor des
Transistors 25 gemeinsame Anschluß 40 ist mit der Klemme 35 der Steuereinrichtung 41 verbunden. Die
Basis des Transistors 25, die über den Widerstand 26 mit dem Kollektor verbunden ist, ist außerdem an die
Klemme 36 der Steuereinrichtung angeschlossen. Die nicht dargestellte Befehlsschaltung, die ein Teil der
Steuereinrichtung 41 ist und welche mit der Klemme 36 verbunden ist, kann den Transistor 25 ein- und
ausschalten. Dieser führt damit die Funktion des Schalters 7 gemäß Fig. 1 aus. Der eingeschaltete
Transistor schließt den Stromkreis von der Gleichstromquelle 21 über die Induktivität 22, den Transistor
25 und den Widerstand 31 nach Masse.
In diesem Stromkreis fließt ein Strom /, wobei am Anschluß 40 eine Spannung gegenüber Masse entsteht,
die diesem Strom proportional ist. Damit erfüllt der Widerstand 21 eine ähnliche Aufgabe wie das
Strommeßgerät 4 gemäß Fig. 1. Ein Unterschied besteht nur darin, daß der Widerstand nur dann in Serie
zu der Induktivität geschaltet ist, wenn die Klemme 33 mit Masse verbunden ist. Diese Anordnung bewirkt,
daß, wenn die Induktivität durch den Transistor 23 kurzgeschlossen wird, der Widerstand 31 nicht davon
betroffen ist.
Die Klemme 33 ist überdies mit dem Emitter des Transistors 27 verbunden, dessen Kollektor mit der
Ausgangsklemme 34 in Verbindung steht. Die Basis dieses Transistors ist mit dem Emitter über den
Widerstand 28 verbunden und überdies an die Klemme 38 der Steuereinrichtung 41 angeschlossen. Eine nicht
dargestellte Befehlsschaltung, welche in der Steuerrichtung vorhanden und mit der Klemme 38 verbunden ist,
schaltet den Transistor 27 ein und aus.
Damit erfüllt der Transistor 27 dieselbe Aufgabe wie der Schalter 8 gemäß Fig. 1. Die Last 30 und der
Kondensator 29 sind an die Klemme 34 angeschlossen, welche außerdem mit der Klemme 39 in Verbindung
steht, die ihrerseits die Eingangsklemme einer in der Steuereinrichtung 41 vorhandenen Spannungsmeßeinrichtung
ist.
Die Wirkungsweise der Schaltung, die durch die verschiedenen von der Steuereinrichtung 41 abgegebenen
Befehlssignale in Abhängigkeit von den Eingangsdaten gesteuert wird, wird im folgenden mit Bezug auf
die Diagramme gemäß Fig. 4 beschrieben. Das Diagramm a) gibt den Strom / wider, der durch die
Induktivität fließt. Das Diagramm b)gibt die Spannung Vu wieder. Die Diagramme c), djund erzeigen die Ein-
und Ausschaltzustände der Transistoren 25, 23 und 27, wobei die auf dem Niveau 1 verlaufende Linie anzeigt,
daß in dem entsprechenden Zeitintervall der Transistor eingeschaltet ist, und die auf dem Niveau 0 verlaufende
Linie anzeigt, daß der Transistor in dem entsprechenden Zeitintervall ausgeschaltet ist.
Das Betriebsverhalten umfaßt zwei sich während der Periode Twiederholende Zyklen, wobei die Periode Tin
zwei Unterperioden Ti und T2 unterteilt ist. Der Strom I,
welcher in die Induktivität fließt, wird während einer der Unterperioden, z. B. der Periode Ti, und die Ausgangsspannung
Vu wird während der Unterperiode, z. B. der Periode T2 gesteuert.
Zur Zeit i0 beginnt die Unterperiode Ti. Von der
Steuereinrichtung wird ein Befehl zum Einschalten des Tranistors 25 gegeben, womit der Stromkreis von der
nicht stabilisierten Gleichstromquelle 21 über die Induktivität 22 und den Widerstand 31 geschlossen wird.
Es sei angenommen, daß zur Zeit ίο der Wert des in der
Induktivität fließenden Stromes kleiner als ein vorher festgelegter Wert /| ist. Als Folge daraus ergibt sich, daß
auch die Spannung an der Klemme 35 kleiner als ein gegebener Wert ist und unter diesen Bedingungen die
Steuereinrichtung den Transistor 25 im eingeschalteten Zustand beläßt. Daher steigt der Strom in diesem
Stromkreis entsprechend der Zeitkonstante des Kreises an, wobei angenommen werden kann, daß der Anstieg
entsprechend der Linie AB linear ist, da die Unterperiode hinsichtlich der Zeitkonstante klein sein soll.
Zur Zeit t\ erreicht der Strom den oberen Grenzwert /1. Als Folge davon schaltet die Steuereinrichtung den
Transistor 23 ein und den Transistor 25 aus. Der Strom fließt nun durch den Transistor 23 und die Induktivität
22 allein, welche eine sehr hohe Zeitkonstante aufweisen. Der Wert des Stromes nimmt entsprechend
dem Verlauf der Linie BC bis zum Ende der Unterperiode Ti langsam ab.
Wenn jedoch zur Zeit ίο der Strom / einen größeren
Wert hat, als dem Grenzwert /| entspricht, wird der Transistor 25 augenblicklich ausgeschaltet und der
Transistor 23 eingeschaltet.
Von der Zeit i2 an, d. h. während der Unterperiode T2,
wird die Funktion der Schaltung nur von dem Wert der Ausgangsspannung Vu an der Klemme 39 gesteuert.
Während der Unterperiode Ti wurde der Kondensator 29 über die Last 30 entladen und somit kann angenommen werden, daß zur Zeit f2 die Ausgangsspannung Vu kleiner als ein vorgegebener unterer Grenzwert V2 ist. Unter diesen Bedingungen schaltet die Steuereinrichtung 41 den Transistor 27 ein und den Transistor 23 aus, wodurch ein Stromfluß von der Gleichstromquelle 21 über die Induktivität 22, den Transistor 27 zur Last 30 freigegeben wird.
Während der Unterperiode Ti wurde der Kondensator 29 über die Last 30 entladen und somit kann angenommen werden, daß zur Zeit f2 die Ausgangsspannung Vu kleiner als ein vorgegebener unterer Grenzwert V2 ist. Unter diesen Bedingungen schaltet die Steuereinrichtung 41 den Transistor 27 ein und den Transistor 23 aus, wodurch ein Stromfluß von der Gleichstromquelle 21 über die Induktivität 22, den Transistor 27 zur Last 30 freigegeben wird.
Der Strom fließt, wie bereits erklärt, von der Gleichstromquelle 21 zur Last 30, auch für den Fall, daß
die Ausgangsspannung V1, größer als die Eingangsspannung
Vj ist. Deshalb steigt die Spannung Vu entsprechend
der Linie CD' an, während der Strom entsprechend der Linie CD abfällt. Sobald die Spannung
809 511/12
Vu den obersten Grenzwert V\ erreicht (zur Zeit h\
schaltet die Steuereinrichtung den Transistor 23 ein und den Transistor 27 aus. Der Stromfluß in dem Schaltkreis
erfolgt nur über die Induktivität 22 und den Transistor 23 und verändert sich somit entsprechend der Neigung
der Linie DE, während die Spannung entsprechend der Linie D'fabnimmt
Wenn zur Zeit U die Spannung Vu den vorgegebenen
unteren Grenzwert V2 erreicht, schaltet die Steuereinrichtung
den Transistor 27 ein und den Transistor 23 aus. Damit steigt die Spannung entsprechend der Linie E1F'
an, während der Strom entsprechend der Linie EF abfällt. Es wird die Zeit is erreicht. Während der
verbleibenden Intervalle der Unterperiode T2 wird die
Spannung Vu zwischen den Grenzwerten V\ und V2
gehalten und erreicht G', während der Strom entsprechend der Linie CDEFG abfällt.
Zur Zeit k ist die Unterperiode T2 beendet und die
Unterperiode Tj beginnt von neuem, während welcher der Strom zunächst ansteigt und dann abfällt und die
Spannung stetig abnimmt.
Die Spannungsstabilisierung erfolgt deshalb nicht zwischen den Grenzen V\ und V2, sondern zwischen den
weiter auseinanderliegenden Grenzen V\ und V3, wobei
Vz die Spannung darstellt, die am Ende der Unterperiode
71 erreicht wird. Durch eine geeignete Auswahl der Kapazität 29 kann der untere Wert V3 genügend nahe
bei dem Wert V\ gehalten werden.
Es können mehrere Änderungen des Betriebsverhaltens vorgesehen werden, z. B. kann die Dauer der
Unterperioden T) und T2 gegenläufig geändert werden.
Dies ist z. B. der Fall, wenn die zweite Unterperiode zur Zeit ii beginnt und nicht zur Zeit t2. Die Änderung des
Stromes und der Spannung wird dann durch die punktierten Linie BHLMNOPQ und B'H'L'M'N'O'P'Q'
gemäß F i g. 4 dargestellt. Um dies zu erhalten, genügt es, daß die gemeinsame Steuerung der Transistoren 23
und 27 von der Spannung Vu übernommen wird,
unmittelbar nachdem der Transistor 25 aus- und der Transistor 23 eingeschaltet wurde.
Die Strom- und Spannungsmeßeinrichtungen, weiche in der Steuereinrichtung 41 vorgesehen sind und die
Eingangsklemmen 35 und 29 besitzen, können, obwohl nicht dargestellt, abstimmbar sein, so daß mit Hilfe
allgemein bekannter Einrichtungen die Grenzwerte /1, Vi und V2 veränderbar sind. Dadurch ergibt sich eine
sehr flexible Funktionsweise. Insbesondere wenn der obere und untere Grenzwert V\ und V2 der Spannung Vu
in derselben Richtung und um denselben Wert geändert wird, und zwar entweder durch Handeinstellung oder
durch eine programmierte Veränderung, erhält man eine Einrichtung, welche in der Lage ist, Gleichstrom
mit einer Spannung zu liefern, welche kontinuierlich zwischen weit auseinanderliegenden Grenzwerten entweder
von Hand oder mit Hilfe eines Programms einstellbar ist.
In vielen Fällen kann eine Anordnung gemäß F i g. 5 verwendet werden, wenn nämlich der Wandler mehrere
verschiedene auf verschiedene Niveaus stabilisierte Gleichspannungen von einer einzigen Gleichstromquel-Ie
aus abgeben soll. Eine Versorgungseinrichtung 77 umfaßt die nicht stabilisierte Gleichstromquelle 1, die
Induktivität 3, das Strommeßgerät 4 und die steuerbaren Schalter 5 und 7 in einer Anordnung, wie sie gemäß
F i g. 1 vorgesehen ist. Das Strommeßgerät kann stattdessen zwischen den Schalter 7 und Masse
geschaltet sein, wie dies gemäß Fig.3 vorgesehen ist.
Die Leitungen zur Steuerung der Schalter 5 und 7 und des Ausgangs des Strommeßgerätes 4 sind mit
entsprechenden Klemmen 79, 80 und 81 der Steuereinrichtung 78 verbunden.
Die Ausgangsklemme 82 der gemeinsamen Speisung ist an die Eingangsklemme der π Schalter 81, 82 ... 8„
angeschlossen, welche η Lastkreise 111,112 ■ ■ ■ 1 In speist,
die mit η Kondensatoren lOi, 1O2... 10„ zusammenwirken.
Die Steuerleitungen der η Schalter 81... 8„ sind mit
entsprechenden Klemmen 83| ... 83„ der Steuereinrichtung 78 verbunden. Die Spannungen, welche an den
Eingängen der Lastkreise liegen, sind in ähnlicher Weise an die Anschlüsse 84t ... 84„ der Steuereinrichtung
angeschlossen. Diese Steuereinrichtung bewirkt entsprechend der verschiedenen geforderten Werte für die
verschiedenen Ausgangsspannungen die wahlweise aufeinanderfolgende Einspeisung der verschiedenen
Lastkreise durch das Schließen der entsprechenden Schalter 81 ... 8„. Zusätzlich bewirkt die Steuereinrichtung
die periodische Schließung des Schalters 5 oder 7 entsprechend der Stabilisierungsforderungen für den in
der Induktivität 3 fließenden Strom.
Die Schaltung gemäß Fig. 1 und die entsprechende Schaltung gemäß Fig.3 sind besonders vorteilhaft,
wenn eine Gleichspannung überwiegend in einen höheren Wert umgewandelt werden soll, d. h. wenn die
Ausgangsspannung Vu überwiegend über der Eingangsspannung Vi liegt. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt
ist, d. h. wenn für ein genügend langes Zeitintervall die Ausgangsspannung grundsätzlich unter der Eingangsspannung liegt, kann es möglich sein, daß der in der
Induktivität fließende Strom auf Grund der Bemessung der Elemente über die Grenze Id gemäß F i g. 2 ansteigt.
Wenn die Einrichtung unter diesen Bedingungen arbeiten soll, ist es vorteilhaft, dem Schaltkreis gemäß
F i g. 1 zwei Schalter 70 und 71 gemäß F i g. 6 hinzuzufügen. Der Schalter 70 wird in Serie zwischen
die positive Klemme der Gleichstromquelle 1 und die Eingangsklemme 2 der Induktivität 3 geschaltet,
wogegen der Schalter 71 zwischen die Klemme 2 und Masse geschaltet wird. Beide Schalter werden von der
Steuereinrichtung 19 von entsprechenden Klemmen 72 und 73 aus gesteuert. Wenn während der Zeit, während
welcher der Schalter 8 geschlossen ist, der Strom in der Induktivität 3 eine bestimmte Grenze übersteigt, wird
der Schalter 71 geschlossen und der Schalter 7C geöffnet.
Dadurch wird der Stromfluß über folgende Elemente aufgebaut: von Masse über Schalter 71, Induktivität 3.
Strommeßgerät 4, Schalter 8 und Last 11 nach Masse. In diesem Stromkreis ist die EMK entsprechend der
Selbstinduktivität der Induktivität 3 der Spannung V,. entgegengerichtet. Daher fließt der Strom unter
Aufladung des Kondensators 10 beim Ansteigen der Ausgangsspannung V11, wie von der Steuereinrichtung
gefordert, jedoch nimmt der Wert des Stromes schnell ab, so daß er einen Wert innerhalb der zulässigen
Grenzen annimmt. Sobald der Strom unter die untere Grenze /ß(F i g. 2a) abfällt, wird der Schalter 71 geöffnet
und der Schalter 70 geschlossen, wodurch die Situation hergestellt wird, die durch die Schaltung gemäß Fig. 1
dargestellt ist.
Für den Fall, daß die Spannungsumwandlung immer von einem niedrigen zu einem höheren Wert erfolger
soll, kann die Einrichtung gemäß Fig.4 vereinfach
werden, indem der Schalter 8 durch eine Diode ersetz wird.
Bei der der Darstellung gemäß Fig.4 entsprechen
den Ausführungsform kann dies, wie in Fig. 7
dargestellt, durch die Ersetzung des Transistors 27 durch eine Diode 75 ausgeführt werden. Infolgedessen
kann auf die Ausgangsklemme 38 der Steuereinrichtung verzichtet werden.
Die Betriebsweise ist dann folgende. Während der ersten Unterperiode Ti verhält sich die Schaltung wie
mit Bezug auf Fig. 3 und 4 beschrieben. Die Ausgangsspannung Vu ist konstant größer als die
Spannung an der Klemme 33, da bei eingeschaltetem Transistor 25 die Spannung in der Nähe der Masse liegt
und bei ausgeschaltetem Transistor 23 dessen Spannung etwas niedriger als die Spannung V, ist. Die Diode 75 ist
damit immer in Sperrichtung vorgespannt und leitet nicht. Zur Zeit f2, wenn die Spannung Vu kleiner als der
untere Grenzwert V2 ist, wird ein Unterbrechungssignal
an den Transistor 25 gegeben, welcher damit abgeschaltet wird. Sobald der Stromfluß von der Gleichstromquelle
21 durch die Induktivität 22, den Transistor 25 und den Widerstand 31 unterbrochen wird, verursacht die
Selbstinduktivität der Induktivität 22 ein nahezu augenblickliches Ansteigen der Spannung an der
Klemme 33, bis die Spannung größer als die Ausgangsspannung Vu ist. In diesem Zustand leitet die
Diode 75 und baut einen Stromfluß durch den Schaltkreis von der Stromversorgung 21 über die
Induktivität 22, die Diode 75 zum Lastkreis auf. Der Kondensator 29 wird aufgeladen und die Spannung Vu
wächst an. Entsprechend steigt die Spannung an der Klemme 33 an und bleibt auf einem Wert, der um den
Betrag des Spannungsabfalles an der Diode 75 höher als die Spannung Vu liegt.
Sobald die Spannung V1, größer als der vorgegebene
Wert Vi wird, wird der Transistor 23 eingeschaltet.
Die Induktivität 22 wird durch den leitenden Transistor 23 kurzgeschlossen und an der Klemme 23
liegt im wesentlichen die Spannung V,. Die Diode 75 wird damit gesperrt.
Somit wird durch die Steuerung der Transistoren 23 und 25 die Diode 75 in den leitenden oder nichtleitenden
Zustand gebracht, wobei diese Diode die Aufgabe des Schalters 8 gemäß F i g. 1 ausführt.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Gleichspannungswandler mit einem induktiven Element, dessen erster Anschluß mit dem ersten
Anschluß einer den Gleichspannungswandler speisenden Gleichstromquelle verbunden ist und dessen
zweiter Anschluß an den ersten Pol eines im Pulsbetrieb arbeitenden ersten Schalters angeschlossen
ist, dessen zweiter Pol über eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einer
Last mit dem anderen Anschluß der Gleichstromquelle verbunden ist, mit einem im Pulsbetrieb
arbeitenden zweiten Schalter, dessen erster Pol mit dem zweiten Anschluß des induktiven Elements und
dessen zweiter Pol mit dem zweiten Anschluß der Gleichstromquelle verbunden ist, mit einer Spannungsmeßeinrichtung
zur Messung der Spannung an der Parallelschaltung aus Kondensator und Last und mit einer von der Spannungsmeßeinrichtung beeinflußten
Steuereinrichtung, die den Pulsbetrieb des ersten und zweiten Schalters derart steuert, daß
durch deren abwechselndes Schließen die Lastspannung im wesentlichen konstant gehalten wird,
dadurch gekennzeichnet, daß ein im Pulsbetrieb arbeitender dritter Schalter (5) parallel
zu dem induktiven Element (3) vorgesehen ist, daß ferner eine die Steuereinrichtung (19) beeinflussende
Strommeßeinrichtung (4) zur Messung des Stromes durch das induktive Element (3) vorgesehen ist und
daß die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, daß der zweite (7) und der dritte Schalter (5) derart
abwechselnd geschlossen werden, daß der Strom durch das induktive Element (3) im wesentlichen
konstant gehalten wird, und in Zwischenzeiten zur Konstanterhaltung der Lastspannung der dritte (5)
mit dem zweiten Schalter (7) jeweils gleichzeitig geöffnet wird, während der erste Schalter (8) in
dieser Zeit geschlossen ist.
2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter (71) und ein
fünfter Schalter (70) vorgesehen sind, durch die der erste Anschluß (2) des induktiven Elements (3)
abwechselnd vom ersten Anschluß der Gleichstromquelle (1) auf dessen zweiten Anschluß umschaltbar
ist und umgekehrt (F i g. 6).
3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung
(19) einen Taktgeber enthält, der aus zwei Teilsignalen bestehende Taktimpulse konstanter
Periodendauer abgibt, und daß die Steuereinrichtung (19) während des ersten Teilsignals eines
Taktimpulses nur auf Meßsignale der Strommeßeinrichtung (4) und während des zweiten Teilsignals nur
auf Meßsignale der Spannungsmeßeinrichtung (9) anspricht.
4. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, zweite und
dritte Schalter als Transistoren (23, 25, 27) ausgebildet sind (F i g. 3).
5. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schalter als
in Durchlaßrichtung für den Laststrom gepolte Diode (75) ausgebildet ist (F i g. 7).
6. Gleichspannungswandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Lastwiderstände (Hi, lh ...
11,J, denen je ein Kondensator (10|, 1O2 ... 10„^
parallel geschaltet ist, in Reihe mit je einem ersten Schalter (81,82...&n)in Parallelschaltung vorgesehen
sind, wobei durch individuelles Ansteuern der einzelnen ersten Schalter (81, 82... Sn) unterschiedliche
Spannungen an den einzelnen Lastwiderständen (10], 1O2... !unerreichbarsind(Fig. 5).
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