DE2345097A1 - Fremdgesteuerter gleichspannungswandler - Google Patents

Description

Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen fremdgesteuerten Gleichspannungswandler, bei dem ein Steuergenerator auf einen durch eine umzusetzende Versorgungsgleichspannung gespeisten Gegentaktverstärker einwirkt, an den ein Ausgangsübertrager angeschlossen ist mit einer sekundärseitigen Gleichrichterschaltung und einem Siebkondensator für die Ausgangsspannung.

Gleichspannungswandler haben allgemein die Aufgabe, eine vorgegebene Gleichspannung in eine andere umzuformen. Dabei kann unterschieden werden, ob die Wandlerschaltung ausschließlich für eine Spannungsherabsetzung oder aber für eine Spannungsheraufsetzung dienen soll. Im letzten Fall werden Schaltungen eingesetzt, die periodisch gesteuerte Schalter enthalten in Verbindung mit Bauelementen, welche die zugeführte Versorgungsgleichspannung auf einen höheren Wert transformieren. Die heutzutage zu diesem Zweck verwendeten Spannungswandlerschaltungen haben gegenüber den früher verwendeten Schaltungen den großen Vorteil, daß sie keine mechanisch bewegten- Teile mehr enthalten, sondern ausschließlich mit Halbleiter-Bauelementen, wie Transistoren, bestückt sind. Diese Bauelemente unterliegen keiner Abnutzung und haben eine lange, wartungsfreie Betriebszeit sowie Lebensdauer. Besonders bekannte Schaltungen sind der Eintaktsperrwandler,' der Eintaktdurchflußwandler sowie der selbstschwingende Gegentaktzerhacker. Da die genannten drei Schaltungsarten einen Ausgangsübertrager enthalten, kann selbstverständlich auch eine Ausgangsspannung

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erzielt werden, die kleiner ist als die Versorgungsgleichspannung. In der Regel werden jedoch zum Herabsetzen einer Gleichspannung andere Schaltungen empfohlen.

Wenn die Aufgabe besteht, eine hohe und/oder eine stark schwankende Gleichspannung auf einen konstanten niedrigeren Wert zu bringen, so können u.a. Schaltungen mit einer Serien- oder Parallel-Stabilisierung der Spannung verwendet werden. Diese Schaltungen haben jedoch den Nachteil eines relativ schlechten Wirkungsgrades. Damit verbunden sind die Probleme der thermischen Beanspruchung der Bauteile sowie der Wärmeableitung aus den Geräten. Im vorliegenden Fall soll jedoch eine Gleichspannungswandlerschaltung zur Anwendung kommen, die einen hohen Wirkungsgrad besitzt und eine Ausgangsgleichspannung liefert, die je nach Dimensionierung von Schaltungsteilen einen höheren oder auch niedrigeren Wert als die Versorgungsgleichspannung aufweist.

In der Zeitschrift NTZ 1964, Heft 6, ab Seite 295 ist ein Gleichspannungswandler beschrieben, der aus einem fremdgesteuerten Gegentaktzerhacker besteht. Mit Hilfe dieses bekannten Gleichspannungswandlers kann bereits bei gutem Wirkungsgrad eine schwankende Versorgungsgleichspannung unter Anwendung des Zerhackerprinzips über einen Ausgangsübertrager mit nachgeschalteter Gleichrichterschaltung und einem Siebkondensator eine konstante Ausgangsgleichspannung erzielt werden, deren Amplitude auch unabhängig von der jeweiligen Belastung des Gleichspannungswandlers ist. Wie aus dem in der benannten Literaturstelle dargestellten Blockschaltbild des Gleichspannungswandlers zu ersehen ist, benötigt die Schaltung allerdings außer dem Steuergenerator für den Gegentaktzerhacker drei Übertrager, einen Vergleichsverstärker, einen Hilfsgenerator, einen Modulator, einen Demodulator und schließlich noch einen Spannungsdiskriminator, der auf den Steuergenerator einwirkt.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen fremdgesteuerten Gleichspannungswandler anzugeben, der bei gutem Wirkungsgrad bei wesentlich weniger Aufwand als bei der bekannten Schaltung eine stark schwankende Versorgungsgleichspannung auf einen konstanten Wert regelt.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei Verwendung eines Steuergenerators mit rechteckförmigen Steuersignalen mit Hilfe einer einzigen zusätzlichen Baugruppe zwischen dem Steuergenerator und dem als Zerhacker arbeitenden Gegentaktverstärker eine Veränderung des Tastverhältnisses der Steuersignale in Abhängigkeit von der Versorgungsgleichspannung derart erfolgen kann, daß sich eine konstante Ausgangsgleichspannung ergibt.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe unter Berücksichtigung der oben geschilderten Erkenntnis dadurch gelöst, daß als Steuergenerator ein Generator für rechteckförmige Steuersignale verwendet ist, deren Frequenz und Amplitude unabhängig von Amplitudenschwankungen der Versorgungsgleichspannung sind, daß der aus komplementären Transistoren aufgebaute Gegentaktverstärker mit dem Steuergenerator transformatorisch über einen Verstärker verbunden ist, dessen Steuereingang über einen Widerstand an der Versorgungsgleichspannung liegt und über einen Kondensator mit dem Steuergenerator verbunden ist und daß gleichartige zusammengeschaltete Schaltstrecken-Elektroden der komplementären Transistoren des Gegentaktverstärkers über einen Koppelkondensator mit dem Ausgangsübertrager verbunden sind.

Wenn für den Gleichspannungswandler ein Steuergenerator verwendet wird, der in seiner Frequenz von Hand einstellbar ist, kann die Ausgangsgleichspannung in vorgegebenen Grenzen leicht von Hand eingestellt werden. Da die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zwischen dem Steuergenerator

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und dem Gegentaktverstärker nur ein einziges zusätzliches aktives Bauteil, z.B. einen Transistor oder integrierten Schaltkreis, erfordert, ist der Aufwand besonders gering.

Es gibt Anwendungsfälle, bei denen der fremdgesteuerte Gleichspannungswandler nicht immer denselben Verbraucher mit Strom versorgt. Da bei Laständerungen eine gewisse Schwankung der Ausgangsgleichspannung unabhängig von der Versorgungsgleichspannung eintritt, kann es für manche Anwendungsfälle von Vorteil sein, daß die Ausgangsgleichspannung zusätzlich auch noch lastunabhängig auf dem gewünschten konstanten Wert gehalten wird. Dies kann in vorteilhafter Weise bei der vorliegenden Schaltungsanordnung dadurch erreicht werden, daß der Steuereingang des Verstärkers über die Reihenschaltung einer Zenerdiode mit einem Widerstand an den Verbindungspunkt des Koppelkondensators mit dem Ausgangsübertrager angeschlossen ist. Durch eine derartige Rückführung ist der Innenwiderstand des Gleichspannungswandlers kompensierbar, wodurch in vorteilhafter Weise Lastschwankungen nicht zu entsprechenden Schwankungen der Ausgangsspannung führen.

Wenn es aus Sicherheitsgründen erwünscht ist, den fremdgesteuerten Gleichspannungswandler so zu gestalten, daß ein ausgangsseitiger Kurzschluß zum Abschalten des Wandlers führt, daß bei ,einer derartigen Einwirkung keine Beschädigung der Bauteile eintritt, so kann diesem Wunsch leicht ohne grüßen zusätzlichen Aufwand dadurch entsprochen werden, daß zum Speisen des Steuergenerators die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers verwendet wird und daß für einen Startvorgang die Stromversorgung kurzzeitig über einen Tastenkontakt aus der Versorgungsgleichspannung erfolgt. Dabei ist es zweckmäßig, in Reihe mit dem Tastenkontakt einen Widerstand zur Strombegrenzung vorzusehen.

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Die Schaltungsanordnung, bei welcher der Steuergenerator durch die Ausgangsgleichspannung des Wandlers gespeist wird, kann noch dahingehend in vorteilhafter Weise modifiziert werden, daß in die Stromzuleitung des Steuergenerators eine Widerstand-Kondensatorschaltung eingefügt wird. Hierdurch wird erreicht, daß der Gleichspannungswandler bei einem kurzzeitigen Kurzschluß nicht sofort abgeschaltet wird, sondern erst nach einer durch die Zeitkonstante des Widerstand-Kondensatorgliedes vorgegebenen Zeitdauer, bei welcher die Bauteile des Wandlers ebenfalls noch nicht zerstört werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltung eines fremdgesteuerten Gleichspannungswandlers und

Fig. 2 in mehreren Diagrammlinien'verschiedene Signalläufe.

Fig. 1 zeigt die Schaltungsanordnung eines fremdgesteuerten Gleichspannungswandlers mit einem Steuergenerator G für rechteckförmige Steuersignale UST, vgl. Fig. 2, Diagrammlinie 1. Durch die Wahl eines Blockschaltbildes für den Steuergenerator G soll angedeutet werden, daß hierfür keine spezielle Schaltung verwendet werden muß. Es ist jedoch Voraussetzung, daß der durch die Versorgungsgleichspannung +UB gespeiste Steuergenerator G Steuersignale ausgibt, deren Frequenz und Amplitude unabhängig von den zu erwartenden Amplitudenschwankungen der Versorgungsgleichspannung +UB konstant sind. Schaltungen, welche diese Bedingungen erfüllen bzw. Stabilisierungsmaßnahmen, ,.durch welche die geforderte Konstanz erreicht wird, sind dem Durchschnittsfachmann geläufig und nicht Gegenstand der vorliegenden Anmeldung. An den Steuergenerator G ist über einen Kondensator C1 die Basiselektrode eines Transistors T1

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in Emitterschaltung angeschlossen, dessen Kollektorelektrode über die Primärwicklung U11 eines Übertragers U1 in Reihe mit einem Widerstand R1 an die Versorgungsgleichspannung +UB liegt. Diese gelangt ferner über den Widerstand R2 auf die Basiselektrode des Transistors T1. Der Widerstand R2 ist so bemessen, daß der Transistor T1 unter Berücksichtigung aller möglichen Amplitudenschwankungen der Versorgungsgleichspannung +UB jeweils bei hohem Potential der Steuersignale UST vom Generator G durchgeschaltet ist. Der Widerstand R1 dient zur Strombegrenzung im Primär- und Sekundärkreis des Übertragers U1. Die Sekundärwicklung U12 des Übertragers U1 ist einerseits mit den beiden Basiselektroden zweier komplementärer Transistoren T2 und T3 und andererseits mit deren Emitterelektroden verbunden. Die Kollektorelektrode des Transistors T2 liegt an der Versorgungsgleichspannung +UB. Dagegen führt die Kollektorelektrode des Transistors T3 Nullpotential. Die beiden komplementären Transistoren T2 und T3 ergeben einen Gegentaktverstärker, dessen Ausgang die beiden zusammengeschalteten Emitterelektroden bilden. Diese sind über einen Koppelkondensator C2 und die Primärwicklung U21 eines Ausgangsübertragers U2 auf Nullpotential gelegt. Die Kapazität des Koppelkondensators C2 ist so bemessen, daß sich für die Frequenz der Steuersignale UST ein relativ geringer Blindwiderstand im Hinblick auf den auf die Primärseite des Übertragers U2 transformierten Lastwiderstandes an den Klemmen K1 und K2 ergibt. Die Sekundärwicklung U22 des Ausgangsübertragers U2 kann über eine Leitung L1 ebenfalls auf Nullpotential gelegt werden. Bei aufgetrennter Leitung L1 ist die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers erdfrei. Andererseits ist an die Sekundärwicklung U22 eine Diode D1 angeschlossen mit einer derartigen Polung, daß über die Diode D1 immer dann ein Strom in einen Siebkondensator C3 fließt, wenn der Transistor T2 leitend ist. An den Klemmen K1 und K2 steht die Ausgangsspannung des Gleichspannungswand lers +UA zur Verfügung.

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Wie eingangs der Beschreibung bereits erwähnt wurde, ist es für die richtige Funktion des fremdgesteuerten Gleichspannungswandlers von Bedeutung, daß der Generator G rechteckförmige Steuersignale UST abgibt, die in ihrer Frequenz und Amplitude unabhängig von der Versorgungsgleichspannung des Generators G konstant sind. Bevorzugt wird eine Amplitude der Steuersignale UST, die etwa 10 % der Versorgungsgleichspannung +UB ist. Die rechteckförmigen Steuersignale UST werden über den Kondensator C1 differenziert. Ein diesbezüglicher Signalverlauf an der Basiselektrode des Transistors T1 ist in der Diagrammlinie 2 in Fig. 2 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Die Bezugszeichen der Diagrammlinien sind ebenfalls - jedoch in jeweils einem Kreis - an den die betreffenden Signalverläufe aufweisenden Schaltungsteilen eingetragen.

Im Zusammenhang mit dem Signalverlauf in der Diagrammlinie ist vergleichsweise die Versorgungsspannung +UB eingetragen, die im Verhältnis zum Steuersignal UST durch das genannte Amplitudenverhältnis etwa zehnmal so groß ist. Vor jeder Halbperiode der Steuersignale UST, bei der die Signalamplitude noch nicht mit dem Nullpotential identisch ist, liegt die Basiselektrode des Transistors T1 auf einem positiven Potential, das der Schwellspannung der Steuerstrecke des Transistors T1 entspricht, vgl. auch Diagrammlinie 2, Kurventeil 21. Sobald das Steuersignal UST Nullpotential erreicht hat, vgl. ti in Diagrammlinie 1, springt das Potential an der Basiselektrode des Transistors T1 auf einen negativen Wert, der sich aus der um die Basis-Emitterspannung des Transistors T1 verminderten Amplitude des Steuersignals UST errechnet. Während der Zeitdauer 22 des Impulses 23 ist der Transistor T1 gesperrt. Die Zeitdauer 22, also die Impulsbreite des Impulses 23, richtet sich nach der Kapazität des Kondensators C1 und dem Wert des Widerstandes R2 und ist ebenfalls abhängig von der jeweiligen Höhe der Versorgungsgleichspannung +UB. Es läßt sich mathematisch nachweisen,

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daß die Impulsbreite proportionalηττή ist. Die Zeitdauer 22, die verstreicht, bis der Impuls 23 abgeklungen ist und der Transistor T1 nach dem Erreichen des Kurventeiles 24 wieder durchgeschaltet ist, ist damit umgekehrt proportional zur Versorgungsgleichspannung +UB. Das bedeutet, daß die Sperrphase des Transistors T1 um so langer wird, Je kleiner die Versorgungsgleichspannung +UB ist. Andererseits ist die Impulsbreite danach um so kleiner je höher die Versorgungsgleichspannung +UB ist.

Die in der Diagrammlinie 3, 4 dargestellten rechteckförmigen Impulse entsprechen den Signalverläufen an den mit denselben Bezugszeichen versehenen Schaltungsteilen. Da nur grundsätzliche Zusammenhänge gezeigt werden solen, sind bei der Darstellungsweise Spannungsabfälle am Widerstand R1, der Primärwicklung U11 des Übertragers U1 bzw. die Restspannung der Schaltstrecke vom durchgeschalteten Transistor T2 nicht berücksichtigt. Solange der Transistor T1 gesperrt ist, ist der Transistor T2 des Gegenverstärkers durchgeschaltet und der Transistor T3 gesperrt. In der übrigen Zeit kehren sich die beschriebenen Verhältnisse um, so daß die Transistoren T1 und T3 leitend, dagegen der Transistor T2 gesperrt ist. Die Diode D1 ist nun so geschaltet, daß sie während der Zeit, in welcher der Transistor T2 leitend ist, einen Stromimpuls, vgl. Diagrammlinie 5, auf den Siebkondensator C3 überträgt. Da der Ausgangsübertrager U2 vom Gegentaktverstärker mit den Transistoren T2 und T3 durch den Koppelkondensator C2 gleichspannungsmäßig abgetrennt ist, erhält der Ausgangsübertrager U2 in vorteilhafter Weise keine Gleichstromvormagnetisierung. Hieraus resultiert eine geringe Größe im Verhältnis zur übertragenen Leistung. Ein nachträglicher Vergleich der in den Diagrammlinien 2 und 5 dargestellten Signalverlaufe zeigt, daß der Ladestrom des Siebkondensators C3 um so langer andauert, je kleiner die Versorgungsgleichspannung +UB ist, weil in dem Fall die Zeitdauer 22 größer ist.

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Wenn der fremdgesteuerte Gleichspannungswandler als Stromversorgungseinrichtung für wechselnde Lasten eingesetzt werden soll, kann es von Vorteil sein, die Ausgangsspannung +UA an den Klemmen K1, K2 nicht nur unabhängig von der Versorgungsgleichspannung +UB auf einem konstanten Wert zu halten, sondern zusätzlich noch eine Unabhängigkeit von der jeweiligen Last zu schaffen. Dies kann in vorteilhafter Weise dadurch erreicht werden, daß die Basiselektrode des Transistors T1 über die gestrichelt dargestellte Leitung, eine Zenerdiode D2 in Reihe mit.einem Widerstand R3 mit dem Verbindungspunkt des Koppelkondensators C2 und der Primärwicklung U21 des Übertragers U2 verbunden ist.

Eine weitere Abwandlung der vorliegenden Schaltungsanordnung kann in vorteilhafter Weise dadurch erzielt werden, daß der Steuergenerator G nicht direkt aus der Versorgungsgleichspannung +UB gespeist wird. Zu diesem Zweck wird die Leitung L2 aufgetrennt und der Steuergenerator G in bevorzugter Weise über eine Widerstand-Kondensatorschaltung R5, C4 durch die Ausgangsspannung +UA gespeist. Da der fremdgesteuerte Gleichspannungswandler in der dann vorliegenden Schaltung nicht selbsttätig beim Vorhandensein der Versorgungsgleichspannung +UB anläuft, wird zum Starten ein zusätzlicher Stromkreis vorgesehen, der aus der Versorgungsgleichspannung +UB gespeist wird. Zu diesem Zweck ist der Widerstand R4 in Verbindung mit dem Tastenkontakt TK vorgesehen. Die in diesem Zusammenhang vorzusehenden Leitungen sind ebenfalls strichliert dargestellt. Beim kurzzeitigen Schließen des Tastenkontaktes TK beginnt der Steuergenerator G Steuersignale UST abzugeben, wodurch sich der Siebkondensator C3 schließlich nach einigen Perioden auf die gewünschte Ausgangsspannung +UA aufgeladen hat. Von diesem Zeitpunkt an steht für den Steuergenerator' G auch bei geöffnetem Tastenkontakt TK eine ausreichende Versorgungsgleichspannung zur Verfügung, so daß der Gleichspannungswandler mit der vorgesehenen Fremdsteuerung selbsttätig arbeiten kann. Bei

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einem etwaigem kurzzeitigen Kurzschluß der Ausgangsspannung +UA wird der Gleichspannungswandler erst nach einer durch die Bemessung der Bauteile C4 und R5 vorgegebenen Zeitkonstanten abgeschaltet, weil die für den Steuergenerator G erforderliche Versorgungsgleichspannung erst nach der genannten Zeitdauer auf ein Minimum abgesunken ist. Ein selbsttätiges Anlaufen der Schaltungsanordnung ist nach den vorangegangenen Erläuterungen nicht möglich und erfolgt erst durch eine Bedienung des Tastenkontaktes TK.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann in vorteilhafter Weise so abgeändert werden, daß gleichzeitig mehrere, verschiedene Ausgangsspannungen erzeugt werden. Hierzu wird die Sekundärwicklung U22 mit mehreren Anzapfungen versehen, an die je eine Diode und ein Siebkondensator angeschlossen werden.

5 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims (5)

Patentansprüche

1. Fremdgesteuerter Gleichspannungswandler, bei dem ein Steuergenerator auf einen durch eine umzusetzende Versorgungsgleichspannung gespeisten Gegentaktverstärker einwirkt, an den ein Ausgangsübertrager angeschlossen ist mit einer sekundärseitigen Gleichrichterschaltung und einem Siebkondensator für die Ausgangs spannung, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuergenerator (G) ein Generator für rechteckförmige Steuersignale (UST) verwendet ist, deren Frequenz und Amplitude unabhängig von Amplitudenschwankungen der Versorgungsgleichspannung (+UB) sind, daß der aus komplementären Transistoren (T2, T3) aufgebaute Gegentaktverstärker mit dem Steuergenerator (G) transformatorisch (U1) über einen Verstärker (T1) verbunden ist, dessen Steuereingang über einen Widerstand (R2) an der Versorgungsgleichspannung (+UB) liegt und über einen Kondensator (C1) mit dem Steuergenerator (G) verbunden ist und daß gleichartige, zusammengeschaltete Schaltstreckenelektroden der komplementären Transistoren (T2, T3) des Gegentaktverstärker über einen Koppelkondensator (C2) mit dem Ausgangsübertrager (U2) verbunden sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Steuereingang des Verstärkers (T1) über die Reihenschaltung einer Zenerdiode (D2) mit einem Widerstand (R3) an den Verbindungspunkt des Koppelkondensators(C2) mit dem Ausgangsübertrager (U2) angeschlossen ist.

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3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Speisen des Steuergenerators (G) die Ausgangsspannung (+UA) des Gleichspannungswandlers verwendet ist und daß für einen Startvorgang die Stromversorgung kurzzeitig über einen Tastenkontakt (TK) aus der Versorgungsgleichspannung (+UB) erfolgt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß in die Stromzuleitung des Steuergenerators (G) eine Widerstand-Kondensatorschaltung (R5, C4) eingefügt ist.

5. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung eines, in der Frequenz einstellbaren Steuergenerators (G).

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