DE2505642B2 - Spannungswandlervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungswandlervorrichtung mit einem Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung durch einen Mittelpunktsabgriff in eine erste Wicklungshälfte und in eine zweite Wicklungshälfte geteilt ist und durch eine Schaltvorrichtung abwechselnd eine Eingangsgleichspannung an die erste Wicklungshälfte oder an die zweite Wicklungshälfte mit einer durch einen Taktgeber vorgegebenen Frequenz angelegt wird und eine Ausgangsschaltung mit der Sekundärwicklung verbunden ist, die beim Arbeiten der Vorrichtung eine Ausgangsspannung liefern, mit einer Abtastschaltung, die auf Wertunterschiede der momentanen, in der ersten und in der zweiten Wicklungshälfte erzeugten Ströme anspricht, die durch das abwechselnde Anlegen der Eingangsgleichspannung in den Wicklungshälften entstehen, und mit einer Kompensationseinrichtung, die mit den genannten Abtastschaltungen verbunden ist und beim Arbeiten der Vorrichtung die Einschaltzeitdauer, während der die genannte Eingangsgleichspannung an eine Wicklungshälfte angelegt wird, derart steuert, daß eine Verringerung des genannten Wertunterschieds bewirkt wird.

Spannungswandlervorrichtungen der vorgenannten Art finden Verwendung in der Gleichspannungs-GIeichspannungsumsetzung. Bei einer solchen Anwendung kann die Ausgangsschaltung Gleichrichter und Filter enthalten, so daß die Wechselspannungssignale von der Transformator-Sekundärwicklung in Gleichspannungssignale umgewandelt werden können. Solche Gleichspannungs-Gleichspannungsumsetzer sind geeignet zur Erzeugung von niedrigen Gleichspannungen, z. B. in der Größenordnung von wenigen Volt, für integrierte Schaltkreise. Die Ausgangsgleichspannung von solchen Umsetzern kann durch Verwendung von Rückkopplungssignalen reguliert werden, die von der Ausgangsgleichspannung abgeleitet werden, so daß jeweils die Schaltzeit zum Anlegen der Eingangsgleichspannung an die Primärwicklungshälfte bestimmt wird.

Aus der DT-OS 20 G2 294 ist bereits eine derartige Vorrichtung bekannt, in der die von einem astabilen Multivibrator als Taktgeber gesteuerten positiven und negativen Halbwellen zur Stromsymmetrierung in dem Transformator zeitlich gegenläufig verändert werden, und zwar durch entsprechende Steuerung des Tastverhältnisses des astabilen Multivibrators. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist es nachteilig, daß der Zeiteinstellbereich der Kompensationseinrichtung für die Stromsymmetrierung sich über die gesamte Impulsdauer erstreckt, obwohl nur relativ kleine Veränderungen erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Spannungswandlervorrichtung der eingangs genannten Art bei einfachem Aufbau der Kompensationseinrichtung deren Einstell-und damit Regelgenauigkeit für die Symmetrierung zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelost, daß die Kompensationseinrichtung zwei monostabile Kippstufen enthält und ein Element, das die Zeitkonstant·: der einen dieser monostabilen Kippstufen mitbestimmt und in Abhängigkeit von den genannten Wertunterschieden gesteuert wird, und daß die beiden monostabilen Kippstufen und eine bistabile Kippstufe von dem Taktgeber angesteuert werden und der Ausgang der einen monostabilen Kippstufe und ein erster Ausgang der bistabilen Kippstufe einem ersten UND-Glied und der Ausgang der anderen monostabilen Kippstufe und ein zweiter, zum ersten Ausgang inverser Ausgang der bistabilen Kippstufe einem zweiten UND-Glied zugeführt sind, wobei die Ausgänge der beiden UND-Glieder die obengenannte EinschaltzeitdauT vorgeben.

Aus der US-PS 30 27 508 ist zwar eine ähnliche Vorrichtung bekannt, bei der jedoch keine Strom-Abtastschaltung und Kompencationseinrichtung vorhanden ist. Bei dieser Vorrichtung wird ebenfalls vom Taktgeber eine bistabile Kippstufe und eine Einrichtung zur Lieferung von Impulsen steuerbarer Dauer angesteuert und der Ausgang der letztgenannten Einrichtung und ein erster Ausgang der bistabilen Kippstufe einem ersten UND-Glied und ferner der Ausgang der vorgenannten Einrichtung und ein zweiter, zum ersten Ausgang inverser Ausgang der bistabilen Kippstufe einem zweiten UND-Glied zugeführt, wobei die Ausgänge der beiden UND-Glieder die Einschaltzeitdauer vorgeben. Bei dieser bekannten Spannungswandlervorrichtung ist allerdings, wie bereits erwähnt, keine Stromsymmetrierung vorgesehen. Vielmehr wird die

Dauer der von der Einrichtung abgegebenen Impulse in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung zwecks deren Regelung gesteuert.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht nun darin, daß der Zeiteinstellbereich für die "trommsymmetrierung kleiner als die gesamte Impulsdauer ist, da das Impulsende der von den monostabilen Kippstufen gelieferten Impulse den jeweiligen Beginn der Einschaltdauer der Primärwicktungshälften des Transformators bestimmt, nicht aber die Impulse der monostabilen Kippstufen gleich der Einschaltdauer sind. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Einstell- und Regelgenauigkeit.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand einer Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist eine Snannungswandlervorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt

In der Figur ist ein Gleichrichter und Filter 1 gezeigt, der direkt mit einer Nennwechselspannung von 117 Volt verbunden ist, die als Eingangsspannung an die Klemme 50 angelegt wird. Am Ausgang des Gleichrichters 1 entsteht eine ungeregelte Gleichspannung von 150 Volt. Ein internes Netzgerät 2 wird ebenfalls direkt mit der an die Klemme 50 ungelegten Spannung beaufschlagt und es enthält die notwendigen Schaltungen zur Erregung und zur Vorspannung der Steuerschaitungen in der Spannungswandlervorrichtung.

Die 150-Volt-Gleichspannung wird an den Mittelpunktsabgriff der Primärwicklung eines Hochfrequenzschalttransformutors 3 angelegt. Durch abwechselndes Einschalten der Transistoren 4 und 5 werden im gleichen Rhythmus Ströme durch die zugeordneten Wicklungshälften der Primärwicklung des Transformators 3 gebildet. Die Schalifrcquenz, mit der die beiden Transistoren betrieben werden, liegt im Ultraschallbereich, d. h. beispielsweise bei 20 kHz, um einen hohen Strom mit einer niedrigen Spannung in der Sekundärwicklung des Transformators 3 zu erzielen. Das über der Sekundärwicklung des Transformators 3 entstehende Signal wird durch die Leistungsgleichrichter 6 und 7 einer Vollweggleichrichtung zugeführt und mittels einer seriell geschalteten Spule 8 und eines im Nebenschlußpfad liegenden Kondensators 9 gefiltert, so daß zwischen den Ausgangsklemmen 10 und 11 eine Nenngleichspannung von 5 Volt entsteht. Die Klemme 11 kann mit Masse verbunden werden.

In der Praxis können die Leistungsschalttransistoren 4 und 5 aus einer Vielzahl von parallel^eschalteten Transistoren bestehen, deren Anzahl von der auftretenden Stromstärke bestimmt wird. Der Leistungsschautransistor 4 wird durch eine Treiberstufe 12 gesteuert, welche durch einen Impuls von einem UND-Glied 13 angesteuert wird. Das UND-Glied 13 liefert jeweils einen Impuls, wenn an ihm die jeweiligen Schaltbedingungen, d. h. gleichzeitiges Vorhandensein eines vorbestimmten logischen Pegels an seinen Eingängen, vorhanden sind. In der gleichen Weise wird der Leistungsschalttransistor 5 durch eine Treiberstufe 14 wirksam, die wiederum von einem UND-Glied 15 angesteuert wird, das ebenfalls bei Erfüllung seiner <,₀ Schaltbedingungen einen Impuls abgibt.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, weist jedes der UND-Glieder 13 und 15 vier Eingänge auf, von denen jeweils zwei miteinander verbunden sind. Herkömmliche Sicherheitskreise, wie beispielsweise durch den <,s blockförmig dargestellten Sicherheitskreis angedeutet, sind über interne ODER-Kreise verknüpft und erzeugen ein Ausgangssignal, das an jeweils einen der beiden UND-Glieder 13 und 15 angelegt wird, wenn keine abnormale Bedingung, d. h. Übertemperatur, Eingangsspannungsüberschreitung, Ausgangsspannungsüberschreitung, Fehlen einer Vorspannung usw., vorliegt. Somit liegt während eines normalen Betriebes an den Eingängen der UND-Glieder 13 und 15, die mit dem Sicherheitskreis 16 verbunden sind, ein »Bedingungssignal« und beim Vorhandensein einer abnormalen Situation ein »Nichtbedingungssignal«, das verhindert, daß die UND-Glieder 13 und 15 so lange keine Impulse an die Treiberstufen 12 und 14 liefern, bis die abnormale Situation behoben ist.

Ein Paar Widerstände 17 und 18 sind in den Emitterstrompfaden der Leistungsschalttransistcren 4 und 5 angeordnet. Diese Widerstände weisen jeweils einen niedrigen Widerstandsweri auf und ermöglichen eine hohe Stromflußrate, z. B. 0,1 Ohm und 10 Watt. Die prinzipielle Funktion der Widerstände 17 und 18 wird nachfolgend im Zusammenhang mit der Spannungsausgleichsregulierung beschrieben. Sie dienen jedoch auch als Kurzschlußdetektoren, um einen dynamischen Überstromschutz für die Leistungsschalttransistoren 4 und 5 zu bilden. Die Spannung an den Emitterelektroden der Leistungsschalttransistoren zeigt die Höhe des jeweiligen Stroms durch die entsprechenden Widerstände 17 und 18 an. Diese Spannungen werden an Schwellwertvergleichsschaltungen 19 und 20 angelegt, an deren Ausgangen jeweils dann ein Signal auftritt, wenn der Strom durch den Widerstand 17 oder 18 oder durch beide Widerstände einen vorbestimmten Wert überschreitet. Diese Signale werden einem ODER-Glied 21 zugeleitet.

Der Ausgang des ODER-Gliedes 21 ist mit dem Zurückstelleingang eines Flip-Flops 34 verbunden, das mit seinem »!«-Ausgang mit jeweils einem Eingang der UND-Glieder 13 und 14 verbunden ist. Falls nun ein Überstrom auftritt, entsteht am Ausgang des ODER-Gliedes 21 ein Signal, welches das Flip-Flop 34 zurücksetzt, so daß die UND-Glieder 13 und 15 gesperrt bleiben und somit die Steuerung der Schalttransistoren 4 und 5 beeinflussen.

Der Grundtaktzyklus für das System wird von einem 40-kHz-Taktgeber 36 abgeleitet, der aus einem einfachen Kipp-Oszillator bestehen kann. Die Ausgangssignale des Taktgebers 36 werden dem Takteingang eines JK-Flip-Flops 35 zugeführt, durch das die Frequenz geteilt wird, so daß eine 20-kHz-Rechteckwellenform am Q-Ausgang und eine inverse Wellenform am Q-Ausgang entsteht. Der Q und (^-Ausgang des Flip-Flops 35 ist jeweils mit einem separaten Eingang der UND-Glieder 13 und 15 verbunden.

Die normale Spannungsregulierung wird durchgeführt, indem ein Synchronisationssignal vom Taktgeber 36 an den Spannungsregulator 22 angelegt wird, welcher außerdem ein Spannungssignal von der Ausgangsklemme 10 erhält. Als Reaktion auf den Synchronisationsimpuls und nach einer Verzögerungsdauer, die in direkter Beziehung zu dem Spannungspegel an der Ausgangskletr.me 10 steht, erzeugt der Spannungsregulator 22 einen Impuls, der monostabilen Multivibratoren 23 und 24 zugeführt wird, so daß in jeder von ihnen ein Operationszyklus ausgelöst wird.

Um einen elektrischen Isolationsreferenzpunkt zwischen dem Ausgang und dem Steuerkreis im Netzgerät zu erzeugen, ist es vorteilhaft, von der Photokopplungstechnik im Spannungsregulator 22 Gebrauch zu machen. Dadurch kann der Synchronisationsimpuls dem Spannungsregulator 22 als ansteigende Funktion über

25

< 642 j

jede Seite des Hochfrequenzschalttransformaiors 3 fließenden Ströme.

Es ist jedoch nicht angebracht, die vorgenannten Signale dem Differentialverstärker 31 direkt zuzuführen, vielmehr soll eine Integration von mehreren $ hundert Zyklen vorgenommen werden, da das wünschenswerter als eine augenblickliche Reaktion ist. Deshalb werden die Signale Tiefpaßfiltern 32 und 33 zugeleitet, in denen eine entsprechende Aufbereitung erfolgt, bevor sie den Eingängen des Differentialverstärkers 13 zugeleitet werden. Die einzelnen Bausteine werden so ausgewählt und dimensioniert, daß der Differentialverstärker 31 an seinen Eingangsklemmen keine Unterschiede feststellt, die Widerstandsnetzwerke, in dem der Widerstand 28 und der Widerstand 29 und der Transistor 30 angeordnet sind, insgesamt etwa dem Wert des Widerstandes 25 entsprechen, wobei die Verzögerung der monostabilen Multivibratoren 23 und 24 etwa gleich ist.

Wenn jedoch ein bestimmter Abweichungstrend feststellbar ist, z. B. ein Ansteigen des Stromes durch den Schalttransistor 5, der durch eine Spannungserhöhung an dessen Emitter festgestellt wird, bewirkt dieser Trend ein Ansteigen der Spannung am Ausgang des Tiefpaßfilters 33, der mit dem entsprechenden Eingang des Differentialverstärkers 31 verbunden ist. Das am Ausgang des Differentialverstärkers 31 entstehende Signal wird positiver als normal, wodurch ein Ansteigen des Widerstandes des Transistors 30 bewirkt wird, wodurch die Zeitkonstante des monostabilen Multivibrators 24 entsprechend größer wird. Dadurch wird bewirkt, daß die Einschaltdauer bestimmende Impulsbreite der Impulse im UND-Glied 15, die dem Schalttransistor 5 als Treiberimpulse zugeleitet werden, leicht verringert wird.

Dies bewirkt eine Verringerung des Stromflusses durch den Schalttransistor 5 und die entsprechende Primärwicklungshälfte des Hochfrequenzschalttransformators 3 zurück zu einem ausgeglichenen Zustand.

Andererseits wird bei einer Abweichung in Richtung höherer Strom durch den Leistungsschalttransistor 4 eine Erhöhung der Spannung an dessen Emitterelektrode festgestellt, die nach Verarbeitung im Tiefpaßfilter 32 im Differentialverstärker 31 eine Verringerung, d. h. eine negativere Spannung an dessen Ausgang hervorruft, wodurch der Widerstand des Transistors 30 und somit der Gesamtwiderstand in der Zeitkonstante des monostabilen Multivibrators 24 verringert wird. Somit wird das UND-Glied 15 etwas früher fähig zu leiten, was eine Erhöhung der Breite der Treiberimpulse für den so Schalttransistor 5 bewirkt, wodurch der Strom durch die Primärwicklungshälften des Hochfrequenzschalttransformators 3 zurück in die Balance gebracht wird.

eine lichtemittierende Diode oder eine photoempfindliche Diode zugeführt werden. In der gleichen Weise kann der Augenblick, zudem die ansteigende Funktion einen vorbestimmten Referenzpegel im Spannungsregulator 22 erzeugt, über eine lichtemittierende Diode oder eine photoempfindliche Diode den monostabilen Multivibratoren 23 und 24 zugeführt werden.

Die Ausgangsimpulse des Spannungsregulators 22 werden ebenfalls dem Setzeingang des Flip-Flops 34 zugeleitet, wodurch das Flip-Flop einen geeigneten logischen Pegel demjenigen UND-Glied 13 oder 15 zuführt, das mit dem »!«-Ausgang verbunden ist. Vorangehend wurde während einer normalen Operation das Flip-Flop 34 durch einen Taktimpuls, der an seinen Rücksetzeingang zur zeitweiligen Wirksammachung der UND-Glieder 13 und 15 angelegt wurde, zurückgesetzt. Wenn somit kein abnormaler Zustand vorliegt, ist das UND-Glied 13 in der Lage dann leitend zu werden, wenn der monostabile Multivibrator 23 abgelaufen ist und am (^-Ausgang des Flip-Flops 35 ein hoher Pegel anliegt. In der gleichen Weise kann das UND-Glied 15 r;ur dann leitend werden, wenn der monostabile Multivibrator 24 abgelaufen ist und der (?-Ausgang des Flip-Flops 35 sich in seinem hohen Zustand befindet. Da jedes der UND-Glieder 13 und 15, wenn es leitend war, dann gesperrt wird, wenn der nächstfolgende Taktimpuls das Flip-Flop 34 zurücksetzt, erstreckt sich die Treiberperiode des entsprechenden Schalttransistors 4 oder 5 von der Zeit, zu der der entsprechende monostabile Multivibrator 23 oder 24 abläuft, bis zum Zeitpunkt, zudem der nächste Taktimpuls auftritt, so daß die Spannungsregulierung in der Weise durchgeführt wird, wie im vorangehenden beschrieben wurde.

Die Verzögerung des monostabilen Multivibrators 23 ist konstant und hängt ab von den Werten des Widerstands 25 und des Kondensators 26. Der monostabile Multivibrator 24 ist ebenfalls mit einem fixierten Zeitkondensator 27 versehen. Der Wert des Widerstandes dieser Multivibratorstufe hängt jedoch ab vom Gesamtwert eines Widerstandes 28 und einem zu diesem parallelgeschalteten mit einem Transistor 30 in Serie liegenden Widerstand 29. Dadurch wird ein variabler Widerstandswert gebildet. Der wirksam werdende Wert des Transistors 30 wird bestimmt durch das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 31, das der Basiselektrode des Transistors 30 zugeführt wird Die unterschiedlichen Eingänge am Differentialverstärker 31 werden abgeleitet von der Emitterelektrode des Leistungstransistors 4 und der Emitterelektrode des Leistungstransistors 5. Diese Niedrigspannungspegelsignaie werden über den Präzisionswiderständen 17 unc 18 erzeugt und repräsentieren somit den Wert der durch

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Spannungswandlervorrichtung mit einem Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung durch einen Mittelpunktsabgriff in eine erste Wicklungshälfte und in eine zweite Wicklungshälfie geteilt ist und durch eine Schaltvorrichtung abwechselnd eine Eingangsgleichspannung an die erste Wicklungshälfte oder an die zweite Wicklungshälfte mit einer durch einen Taktgeber vorgegebenen Frequenz angelegt wird und eine Ausgangsschaltung mit der Sekundärwicklung verbunden ist, die beim Arbeiten der Vorrichtung eine Ausgangsspannung liefert, mit einer Abtastschaltung, die auf Wertunterschiede der momentanen, in der ersten und in der zweiten Wicklungshälfte erzeugten Ströme anspricht, die durch das abwechselnde Anlegen der Eingangsgleichspannung in den Wicklungshälften entstehen, und mit einer Kompensationseinrichtung, die mit den genannten Abtastschaltungen verbunden ist und beim Arbeilen der Vorrichtung die Einschaltzeitdauer, während der die genannte Eingangsgleichspannung an eine Wicklungshälfte angelegt wird, derart steuert, daß eine Verringerung des genannten Wertunterschiedes bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung zwei monostabile Kippstufen (23, 24) enthält und ein Element (Transistor 30), das die Zeitkonstante der einen (24) dieser monostabilen K ippstufen (23, 24) mitbestimmt und in Abhängigkeit von den genannten Wertunterschieden gesteuert wird, und daß die beiden monostabilen Kippstufen (23, 24) und eine bistabile Kippstufe (35) von dem Taktgeber (36) angesteuert werden und der Ausgang der einen monostabilen Kippstufe (23) und ein erster Ausgang (Q) der bistabilen Kippstufe (35) einem ersten UND-Glied (13) und der Ausgang der anderen monostabilen Kippstufe (24) und ein zweiter, zum ersten Ausgang inverser Ausgang (Q) der bistabilen Kippstufe (35) einem zweiten UND-Glied (15) zugeführt sind, wobei die Ausgänge der beiden UND-Glieder (13, 15) die obengenannte Einschaltzeitdauer vorgeben.

   45