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Elektronisch geregelte Gleichspannunasteiler- und wandler.
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Mit Schaltregler wird bekanntlich eine Regeleinrichtung mit geschaltetem
Stellglied bezeichnet. Der Schalter, das Stellglied des Reglers, kann nur zwei Zustände
einnebmen. Entweder ist er geschlossen (Transistor leitend) oder er ist geöffnet
(Transistor gesperrt). Das sogenannte Schaltreglerprinzip beruht auf der Mittelwertbildung
aus aufeinanderfolgenden Gleichspannungsimpulsen mit konstanter Impuls- oder Pausenlänge
und veränderlicher Frequenz (frequenzmoduliert) bzw. veränderlicher Impulslänge
und konstanter Frequenz (pulsbreitenmoduliert).
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Dieses bekannte Prinzip ist sowohl auf geregelte Gleichspannungsteiler
ohne galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang als auch auf geregelte Gleichspannungswandler
mit galvanisch getrenntem Ausgang anwendbar. Unter Gleichspannungsteiler soll eine
Schaltungsanordnung verstanden werden, die mit Hilfe eines geschalteten Stellgliedes
eine größere Eingang spannung auf eine kleinere Ausgangsspannung herabsetzt. Mit
Gleichspannungswandler bezeichnet man hingegen eine in sich abgeschlossene Baugruppe,
die mit Hilfe eines geschalteten Stellgliedes eine Eingangsspannung durch Anwendung
eines Transformators in eine galvanisch getrennte, ggf. auch höhere aleichapannung
umwandelt. Die Ansteuerung der elektronischen Leistungsschalter, vorzugsweise Transistoren,
mit unterschiedlichem Puls-Pausenverhältnis (t1/t2) kann nur unter sehr ungünstigen
Bedingungen galvanisch getrennt vom Eingangs- bzw.
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Ausgangskreis durchgeführt werden. Dies ist aber bei Gleichspannungsteilern
mit hoher Eingangs spannung wegen der Spannungsfestigkeit der Steuertransistoren
vorteilhaft und bei Gleichspannungswandlern mit beliebigem Ausgangspotential praktisch
notwendig.
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Es ist bekannt, das variable Verhältnis zwischen geschlossener und
Offener Periode des Stellgliedes vom Ausgang her~ber einen Verstärker und einen
Modulator so zu regeln, daß eine Last am Ausgang mit konstanter Spannung gespeist
wird. Als Modulator verwendet man bei Puislängenmodulation bistabile Kippschaltungen,
magnetische Verstärker, Sperrschwinger und bei Pulsfrequenzmodulation monostabile
Kippschaltungen. Diese bekannten Schaltungsanordnungen sind aber nicht ohne größeren
Aufwand zu realisieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Beseitigung dieses Nachteils
eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die die Steuerung der Leistungsstufen von
nach dem Schaltreglerprinzip geregelten Gleichspannungsteilern und -wandlern bewirkt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Ansteuerung der vorsugsweise aus Transistoren
bestehenden elektronischen Leistungsschalter ein Steuergenerator vorgesehen ist,
der Kber ein Regel-und Steuerteil galvanisch getrennte, symmetrische Rechteck-Wechselspannung
liefert, die im Basissteuerkreis elektronischer Stellgliedschalter pulsbreitenmoduliert
wird. Auf diese Weise ist es möglich, eine symmetrische Spannung zur galvanisch
getrennten Steuerung zu verwenden und eine zusitzliche Impulsspannung vorzusehen,
die wieder über Impulsübertrager galvanisch getrennt eingespeist wird und mit Hilfe
einer Halbleiteranordnung zur unsymmetrischen impulsbreiten Einstellung dient. Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin begründet, daß es durch diese Lösung
möglich ist, dem Stellglied eine unsymmetrische Steuerspannung anzubieten und trotzdem
die galvanische Trennung einzuhalten.
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Es ist bekannt, nach dem Wechselrichterprinzip zwei Transistoren abwechselnd
mit gleich langen Impulsen anzusteuern und das Impulspausenverhältnis der Ansteuerspannung
entsprechend den Anforderungen eines Reglers mit geschaltetem Stellglied einzustellen.
Nachteilig ist bei dieser bekannte Anordnung, daß zur Erzeugung der nötigen Sperrspannung
an den Rasen der
Stellgliedschalter Hilfsspannungen eingefügt werden
müssen.
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Um das zu umgehen, wird daher gemäß der Erfindung die Pulsbreitenmodulation
erst im Basissteuerkrefs der Stellgliedschalter vorgenommen. Dadurch wird außerdem
eine galvanische Trennung zwischen Steüersignalgeber und Basissteuerkreis der Stelltransistoren
mit einfachen Mitteln 'gewährlelstet.
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Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, daß im Steuerkreis die Modulation
einer Halbwelle der Ansteuerspannung erfolgt oder daß für jede der beiden Halbwellen
ein entsprechender Modulator vorgesehen ist. Unter Halbwelle soll eine Schwingung
einer periodisch mit der Polarität wechselnden, synchronen Rechteck-Wechselspannung
verstanden werden. Zur Durchführung der Pulsbreitenmodulation beider Halbwellen
können dann zwei um 1800 phasenverschobene Modulationsanordnungen mit Entkopplungsdioden
dienen. Der Vorteil dieser verschiedenen Möglichkeiten liegt darin begründet, daß
das Pulspausenverhältnis den praktischen Anforderungen eines geschalteten Stellgliedes
leichter angepaßt werden kann. So ist z.B. bei einem geregelten Spannungsteiler
mit relativ niedriger Ausgangsspannung die Ansteuerung mit nur einer Halbwelle pulsbreitenmoduliert
vorteilhaft.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist im Steuerkreis eines oder
mehrerer elektronischer Leistungsschalter vorsugaweise Je ein Thyristor vorgesehen,
der in Verbindung mit einem Vorwiderstand als Modulator wirkt. Wenn der Steuerthyristor
im Steuerteil gezündet wird, schaltet er durch und schließt die Ansteuerspannung
kurz. Gleichzeitig wird beim Durchschalten des Steuerthyristors eine Sperrspannung
für den Pasiseingang des elektronischen Leistungsschalters zur Verfügung gestellt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dient zum Zünden und Durchschalten
der Thyristoren ein galvanisch getrennter ZUndimpuls, der mit einem Impulsilbertrager
auf die Steuerthyristoren übertragen wird. In Reihe mit dem Impulsübertrager ist
vorzugsweise
ein R-C Glied vorgesehen, das den Strom durch den Impulsübertrager begrenzt und
die Anstiegsflanke des Zündimpulses versteilert. Durch diese Ausbildung wird erreicht,
daß zwischen dem Steuerkreis der Leistungsstellglieder, in dem die Steuerthyristoren
liegen und dem Ausgangskreis des Spannungswandlers bzw. des Spannungsteilers, der
potentialmäßig mit dem Regelverstärker und Modulator verbunden ist, eine galvanische
Trennung besteht, so daß praktisch beliebige Spannungsdifferenzen zwischen Eingang
und Ausgang bewältigt werden können, ohne auf die Modulation und die Ausgangsgröße
einen anderen Einfluß zu nehmen, als über den vorgesehenen Weg der Regelung.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen,
die in den Figuren und der dazu gehörenden Beschreibung dargestellt und erläutert
sind.
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Figur 1 zeigt ein Schema für einen nach dem Schaltreglerprinzip geregelten
Gleichspannungsteiler ohne galvanische Trennung, Figur 2a ein Schema für einen nach
dem Schaltreglerprinzip geregelten Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung
in Mittelpunktschaltung, Figur 2b ein Schema wie 2a in Brückenschaltung, Figur 3a
ein Prinzip der Basisstromsteuerung (Pulsbreitenmodulation) durch Kurzschluß der
Steuerspannung, Figur Db Umkehrung der Verhältnisse am Ausgang gegenüber der Fig.
3a, Figur 4 Ausführungsbeispiel einer Modulatorschaltung mit zwei um 1800 Pulsbreite
verschobenen Halbwellen zur Steuerung eines Gleichspannungsteilers bzw.
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-wandlers nach den Figuren 1 und 2, Figur 5 eine spezielle Ausführung
eines Modulators zur Steuerung eines Gleichspannungsteilers nach Fig.1, Figur 6
ein Ausführungsbeispiel für einen oder mehrere Spannungswandler nach Fig02 mit parallel
wirkenden Stellgliedern,
Figur 7a die nichtmodulierte Steuerspannung,
Figur 7b eine Steuerspannung, von der eine Halbwelle moduliert ist (Ansteuerung
nach Fig.2), Figur 7c eine Steuerspannung, bei der beide Halbwellen moduliert sind
für eine Ansteuerung nach Fig.1.
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Im Längszweig der Fig.1 ist ein Schalttransistor T als elektronischer
Leistungsschalter vorgesehen, der durch die Spannungsdifferenzen zwischen einer
Sollspannung und der Spannung U2 an einem nicht dargestellten Belastungswiderstand
gesteuert wird. In Reihe mit diesem Schalter befindet sich eine Speicherinduktivität
L. Eine Diode D ist als Querglied mit ihrem einen Pol an dem Verbindungspunkt Induktivität
L und Schalttransistor T derart eingeschaltet, daß sich die Diode bei geschlossenem
Transistorschalter im Sperrbereich und bei geöffnetem Schalter infolge der Gegen-EMK
der Induktivität im Durchlaßbereich befindet. Weiterhin besteht die genannte Schaltungsanordnung
aus einem Siebkondensator C, der der Unterdrückung der infolge des periodischen
An- und Abschaltens entstehenden Wechselspannungsanteile dient.
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Wie aus den folgenden Figuren zu erkennen ist, sind in dem Steuerteil
St mit el, 2 und b1, 2 die Steueranschlüsse für die Stellglieder bezeichnet. Wie
aus der Fig.3a zu ersehen ist, bezeichnen die Klemmen zl, z2 die Anschlüsse für
die Eingangswicklung eines Zündübertragers Uz. Das Steuerteil St und der Regelverstärker
RV können selbstverständlich auch in einem Bauteil zusammengefaßt sein. Die Fig.1
ist lediglich ein Beispiel, wie durch die Rückführung über den Regelverstärker eine
Beeinflussung des Steuerteils erfolgt. Dem Stellglied (Leistungsschalter T) wird
auf diese Weise eine pulsbreitenmodulierte Steuerspannung angeboten, so daß sich
nach dem Siebglied LC eine konstante Ausgangsspannung U2 einstellt.
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Im Gegensatz zur Fig.1 zeigt die Fig.2a ein Schema für einen geregelten
Gleichspannungswandler. Der Unterschied besteht vor
allem darin,
daß das Stellglied in der Fig. 2a aus zwei Leistungsschaltern T1, T2 besteht, die
abwechselnd an der Primärwicklung des Leistungstransformators Tr pulsbreitenmodulierte
Halbwellenspannung schalten und daß die Ausgangswicklung des Transformators galvanisch
getrennt über die Gleichrichterdioden Dl, D2 und das Siebglied LC eine konstante
Ausgangsspannung U2 erzeugen. Im Bedarfsfall dient die Diode D3 entsprechend der
Diode D in der Fig.1 als Freilaufdiode, sofern diese Funktion nicht von den Dioden
D1, D2 einwandfrei ausgeübt wird.
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Nach der Darstellung in der Fig.2b ist die Leistungsendstufe in Brückenschaltung
mit den Transistoren 91 bis 94 und dem Übertrager Tr aufgebaut. Jedem der Endstufentransistoren
kann zur Verstärkung des Steuersignals im Steuerteil St ein reibertransistor in
Darlington-Schaltung zugeordnet werden. Die Darlingtontransistoren und damit die
Leistungstransistoren werden abwechselnd paarweise diagonal angesteuert. Dabei erfolgt
die Anstierung vorzugsweise von zwei Darlingtonstufen mit der vollen Halbwelle und
der zwei anderen Darlingtonstufen mit der pulsbreitenmodulierten Halbwelle. Da am
Leistungsübertrager Tr nur Eingangsspannung liegt, wenn ein diagonales Transistorpaar
leitend ist, wird durch die pulsbreitengesteuerten Darlingtontransistoren die Pulsbreitenmodulation
der Aussteuerspannung bestimmt. Am Ausgang des Leistungsübertragers Tr steht eine
Wechselspannung zur Verfügung, deren Halbwellenimpulsbreite sich in Abhängigkeit
von der Größe der Gleichspannung am Ausgang ändert. Diese Wechselspannung wird gleichgerichtet
und über ein nachgeschaltetes L-C Siebglied integriert und gesiebt.
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Zusammenfassend ist festzustellen, daß die Figuren 1, 2a und 2b verschiedene
Ausführungen des Stellgliedes mit und ohne galvanische Trennung zwischen Eingaügs-
und Ausgangskreis zeigen.
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Die Figuren 3 bis 6 beschränken sich in ihrer Darstellung lediglich
auf den Steuerteil. In diesen Figuren ist mit G ein Steuergenerator bezeichnet,
der vorzugsweise aus einem transistorbestückten Wechselrichter, der rückgekoppelt
sein kann, besteht. Mit Ug ist der Übertrager für die Ausgangsspannung des Steuergenerators
und mit Uz der Ubertrager für die Zündspannung bezeichnet. Der Thyristor S1 wirkt
in Verbindung mit einem Vorwiderstand r1 ... rn als Modulator.
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-Aus der Fig. 3a ist auch die galvanische Trennung ersichtlich.
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Der Steuergenerator G hängt potentialmäßig am Eingang. Die Steuerspannung
liegt potentialmäßig an den Steuereingängen des Stellgliedes und der Regelverstärker
und Modulator potentialmäßig am Ausgang galvanisch getrennt durch den Ubertrager
Uz und vom Eingang durch den übertrager Ug. Wenn Rechteckspannung an der Ausgangswicklung
des Überträgers Ug in der auSsteuernden Richtung anliegt, wird der Leistungsschalter
Tl über den Widerstand rl durchgesteuert. Wenn während dieses Durchsteuerungszeitpunktes
ein Zündimpuls über den Zündübertrager Uz und den Widerstand rz an den Gate-Eingang
des Schalters S1 gelegt wird, dann zündet dieser Thyristorschalter S1, schaltet
durch und schließt die Ansteuerspannung vom Steuerwechselrichter kurz. Gleichzeitig
wird beim Durchschalten des Steuerthyristors eine Sperrspannung auf den Basiseingang
der nicht dargestellten Darlingtonstufe gegeben. Die Sperrspannung kann dadurch
erzeugt werden, daß die Steuerthyristoren nicht gegen das Emitterpotential der Darlingtonstufe,
sondern gegen ein Sperrpotential kurzschließen, das an Steuerwicklungen abgegriffen
wird. Dadurch sperrt die Darlingtonstufe und der Stromfluß des Leistungsschalters
wird unterbrochen. Die nicht angesteuerten Darlingtonstufen erhalten aus den Steuerwicklungen
während der Dauer der ganzen Halbwelle Sperrspannung über Basisvorwiderstände. Von
der zum Ausgang übertragenen Halbwelle wird ein Teil abgeschnitten, wie aus den
Figuren 7b bzw. 7c zu ersehen ist.
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Im Gegensatz hierzu wird bei der Schaltungsanordnung nach der Fig.
3b durch Aufsteuern des Thyristorschalters Sl der Bei stungsschalter Tl in Durchlaß
gesteuert, so daß die Resthalbwelle zum Ausgang geschaltet wird.
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Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Modulatorschaltung mit zwei
um 1800 Pulsbreite verschobenen Halbwellen. Unter der Voraussetzung, daß die Wicklungen
1 und II an den durch Punkte gekennzeichneten Enden gleiche Pole aufweisen, erfolgt
0 die Verschiebung um 180 . Die Zündimpulse werden gleichzeitig angeboten, wobei
derjenige Schalter S1 nicht gezündet. wird, der gerade eine negative Anodenspannung
aufweist. Wesentlich ist die Spannungsteilung durch den Abgriff an k2 gegeben.
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Beim Kurzschluß der Steuerspannung durch den Thyristorschalter 51
wird das sperrende Potential von k3 an bl gelegt. Dadurch erscheint die Steuerspannung
bl, ei in Sperrichtung umgepolt. Bei Potentialwechsel in der nächsten Halbwelle
löscht der Thyristorschalter Sl. Das normale Sperrpotential liegt dann über dem
Widerstand rl an der Klemme bl. Entsprechend sind die Vorgänge an der Übertragerwicklung
II um 1800.phasenverschoben.
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Die Fig.5 zeigt eine spezielle Ausführungsform des Steuerteils, wobei
die Mittenspannung an die Klemmen b1,2 geführt ist. Die Steuerspannung liegt also
im aufsteuernden Zustand über die Dioden D11 D2 und dem Widerstand r in Spannungsteilung
positiv an den Klemmen bl ,b2. Die Thyristoren S1,S2 sind gesperrt. Wenn ein Thyristor
Sl oder S2 gezündet wird, dann wird im Spannungsteilerverhältnis der Widerstände
r/r' der Emitteranschluß e1,2 soweit in positiver Richtung verschoben, daß sich
die Aufateuerspannung b1,2/e1,2 umpolt. Die Sperrspannung ist durch das Verhältnis
der Widerstände r/r' bestimmt. Beim Polungswechsel löscht der entsprechende Thyristorschalter
S1/S2 und die Klemmen b/e bekommen wieder Auisteuerspannung.
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Die Fig.6 zeigt eine Anwendung der Schaltungsanordnung nach Fig.4
mit Mehrfachdoppelausgängen. Dabei bezieht sich die Erweiterung
auf
die Ausgangswicklungen des.Ubertragers Ug und die dazu gehörigen Steuerbauteile
Thyristor S1, Widerstand r und Zündübertrager Uz.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten AusfUhrungs-
bzw. Anwendungsbeispiele beschränkt. Statt eines Thyristors kann selbstverständlich
auch ein Beldeffekttransistor Verwendung finden. In diesem Fall muß der Übertrager
Uz in der Lage sein, die Rechteckspannung voll zu übertragen. Bei dieser Ausführung
sind aber andere Randbedingungen für die sichere Funktion der Schaltung erforderlich.
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Statt eines Thyristors mit galvanisch getrennter Ansteuerung oder
einer ähnlichen Halbleiteranordnung kann auch eine an sich bekannte lichtgesteuerte
Halbleiteranordnung, z.B. die Eombination einer Lichtemissionsdiode und eines lichtgesteuerten
Transistors bzw. Thyristors, verwendet werden. Die galvanische Trennung wird in
diesem Fall durch die Lichtübertragung bewirkt.
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19 Patentansprüche 11 Figuren