DE1613338B2

DE1613338B2 - Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE1613338B2
Application number: DE1613338A
Authority: DE
Inventors: Giuseppe Mailand Cecchini (Italien)
Original assignee: Honeywell Information Systems Italia SpA
Current assignee: Bull HN Information Systems Italia SpA
Priority date: 1966-07-30
Filing date: 1967-07-21
Publication date: 1978-03-16
Also published as: US3531712A; DE1613338A1; DE1613338C3; FR1557655A; GB1125868A

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 R_c 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 I_n, = (U +Ib)II besitzt.

Die Schaltung ist derart ausgelegt, daß der Wert I_n, 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 V_u aufgeladen, welche innerhalb zweier festgelegter Grenzwerte V_A 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 V_m = (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-,- V_u, welche für V,> V_u 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 V_u verursacht wird.

Wenn, wie angenommen, die Ausgangsspannung V_u 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 V_u an, wie durch die ausgezogene Linie NO dargestellt wird.

Es kann sein, daß, wie in der Figur dargestellt, zur Zeit t% bevor die Spannung V_u den obersten Grenzwert V_A 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 V_u 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 V_u 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 V_u 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 V_u 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 V_u entsprechend der Linie CD' an, während der Strom entsprechend der Linie CD abfällt. Sobald die Spannung

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V_u 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 V_u 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 V_u 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 V_u 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 V_u 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 V_u 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 V_u 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 V_u 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 V_u 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 V_u 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 V_u 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

Patentansprüche:

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... S_n) unterschiedliche Spannungen an den einzelnen Lastwiderständen (10], 1O₂... !unerreichbarsind(Fig. 5).