DE2705475A1

DE2705475A1 - Digital gesteuerter umformer

Info

Publication number: DE2705475A1
Application number: DE19772705475
Authority: DE
Inventors: Dale Eugene Stone
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-02-12
Filing date: 1977-02-10
Publication date: 1977-08-18
Also published as: JPS613183B2; IT1076665B; NL187092B; DE2705475C2; NL7701302A; NL187092C; FR2341224B1; GB1565321A; JPS52116821A; US4048552A; CA1069974A; FR2341224A1

Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN KRAMER

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Palenlconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) ββ3603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Petentconsult Palenlconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

WESTERN ELECTRIC COMPANY, Stone - 3

INCORPORATED

NEW YORK (N.Y.) 10007 U.S.A.

Digital gesteuerter Umformer

Die Erfindung betrifft einen digital gesteuerten Umformer mit einer Quelle von Taktimpulsen, einem von den Taktimpulsen beaufschlagten Transformator und einem an den Ausgang des Transformators angeschlossenen Gleichrichter.

In vielen Bereichen der Fernsprechtechnik ist es erforderlich, bestimmte Steuergleichspannungen zur Betätigung von Schaltungsanordnungen bereitzustellen, die sich am Ort einer Teilnehmerstelle befinden. Bei Münzfernsprechern sind beispielsweise Spannungsquellen für positive und negative Span nungen von 100 V erforderlich, um die Relais für die MUnzenannahme und Münzenrückgabe zu betätigen.

München: R. Krame'Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. . H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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Wenn solche Münzfernsprecher über Teilnehraerleitungs-Multiplexsysteme bedient werden sollen, so können diese Spannungen nicht direkt vom Vermittlungsamt geliefert werden. Es ist daher erwünscht, Steuergleichspannungen an amtsentfernten Orten zu erzeugen, die unter Steuerung von Überwachungsinformationen des Amtes stehen. Solche Spannungsquellen müssen klein, kompakt und billig sein sowie einen guten Wirkungsgrad und hohe Zuverlässigkeit besitzen.

Zur Regelung der Ausgangsspannung einer Stromversorgung dieser Art ist es allgemein üblich, die Länge oder das Tastverhältnis des Treibsignals zu steuern. Eine solche Regelung hat den Nachteil, daß derjenige Teil der Umformerverluste, der sich aus Umschaltverlusten ergibt, nicht direkt proportional der Ausgangsleistung ist. Der Anteil der Verlustleistung aufgrund von Umschaltverlusten steigt mit abnehmender Ausgangsleistung an. Ein weiterer Nachteil ist die oft notwendige Bedingung, daß das Tastverhältnis der beiden bipolaren Treibsignale sorgfältig aneinander angepaßt werden muß, damit vermieden wird, daß eine resultierende Gleichspannung an den Umformertransformator angelegt wird, die möglicherweise den Magnetkern des Transformators sättigt.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Nachteile zu beseitigen. Zur Lösung geht sie aus von einem digital gesteuerten Umformer der eingangs genannten Art und ist ge-

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kennzeichnet durch eine Einrichtung zur Sperrung nur eines oder mehrerer aufeinanderfolgender, voller Perioden der Taktimpulse und eine Einrichtung, die unter Ansprechen auf das Ausgangssignal des Gleichrichters die Sperreinrichtung steuert.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine geregelte Versorgungsgleichspannung durch einen Umformer erzeugt, der durch regelmäßig wiederkehrende Taktimpulse getrieben wird. Die Regelung erfolgt unter Verwendung von digitalen Logikschaltungen, die bipolare Paare der Taktimpulse am Eingang des Umformers vollständig sperren. Da die Ausgangsspannung des Umformers auf diese Weise mit kleinen Signalen gesteuert wird, genügen logische Standardschaltungen kleiner Leistung zur Erzielung dieser Steuerfunktion, und gleichzeitig wird der Wirkungsgrad des Umformers verbessert. Ausserdem lassen sich die gleichen Logikschaltungen benutzen, um die Erzeugung der Umformerausgangsspannung überhaupt zu sperren. Eine solche Sperrung mit kleinen Signalen gibt die Möglichkeit, die Ausgangsspannung nur während derjenigen Zeitabschnitte zu erzeugen, in welchen die Spannungen tatsächlich benötigt werden. Schließlich wird durch die Sperrung aufeinanderfolgender, abwechselnder Phasen des Taktsignals die Symmetrie der Treibspannung für den Umformer aufrechterhalten und die Wahrscheinlichkeit einer Sättigung des Umformertransformators auf ein Minimum gebracht. Die Umschaltver-

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luste sind darüber hinaus direkt proportional der Ausgangsleistung und im wesentlichen unabhängig vom Ausgangsstrom·

In der einzigen Figur der Zeichnung ist das Schaltbild eines digital gesteuerten Umformers als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Der gezeigte Umformer weist einen Transformator 100 mit einer Primärwicklung 101 und einer Sekundärwicklung 102 auf. Beide Wicklungen besitzen eine Mittelanzapfung. Zwei transistorisierte Treiberschaltungen 103 und 104 beaufschlagen abwechselnd die obere und untere Hälfte der Primärwicklung 101. Die Treiberschaltungen 103 und 104, die nachfolgend noch genauer beschrieben werden, werden selbst durch die Ausgangsspannungen eines ODER-Gatters 105 bzw. 106 beaufschlagt. Ein Eingängssignal jedes der beiden ODER-Gatter 105 und 106 wird von einem Impulsformer 107 bzw. 108 geliefert. Die Impulsformer 107 und 108 haben die doppelte Funktion, eine Standard-Formung der an die Gatter 105 und 106 angelegten Impulse vorzunehmen und darüber hinaus sicherzustellen, daß als Dauereingangssignal an diese Gatter eine hohe, einer logischen 1 entsprechende Spannung angelegt wird, wenn das Ansteuersignal eines Flipflops 111 verschwindet. Dadurch wird ein nach der sicheren Seite ausfallender Betrieb ermöglicht, bei dem der Umformer bei fehlendem Takt-Treibsignal abgeschaltet wird.

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Die Eingangssignale der Impulsformer 107 und 108 werden vom 1- und O-Ausgang eines üblichen D-Flipflops 109 abgeleitet. Das Flipflop 109 wird durch Taktsignale aus einer Taktimpulsquelle auf der Leitung 110 angesteuert.

Die restlichen Eingangssignale der ODER-Gatter 105 und 106 kommen vom 1-Ausgang des D-Flipflops 111. Dieses Flipflop steht unter Steuerung von Takt-Zeitsteuerungssignalen auf der Leitung 112 vom 1-Ausgang des Flipflops 109 und logischen Steuersignalen eines NOR-Gatters 113. Das NOR-Gatter ,113 wird wiederum durch die Ausgangs signale von NOR-Gattern 114 und 115 angesteuert.

Ein Eingangssignal des NOR-Gatters 114 ist ein Binärsignal auf der Leitung 116, das einen Bedarf für eine Ausgangsspannung positiver Polarität (Münzannähme im Ausführungsbeispiel) angibt. Die Leitung 116 1st mit "Annahme*" bezeichnet, und gibt an, daß eine Spannung von -4-100 V benötigt wird, um eine Minzannahme bei einem üblichen Münzfernsprecher durchzuführen, wenn die Leitung auf L, d.h., niedrige Spannung, geht.

Auf entsprechende Weise wird ein Binärsignal auf der Leitung 117 an das NOR-Gatter 115 angelegt und gibt an, daß eine negative Ausgangsspannung benötigt wird. Im vorliegenden AusfUhrungsbeispiel ist die Leitung 117 mit "Rückgabe" be-

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zeichnet ,und gibt an, daß eine negative Spannung von 100 V benötigt wird, um die Münzrückgabe in einem üblichen Münzfernsprecher durchzuführen, wenn die Leitung 117 auf L geht. Diese logischen Funktionen dienen lediglich als Beispiel für beliebige andere logische Funktionen, die einen Bedarf nach geregelten Ausgangsspannungen des Inverters definieren.

Die Sekundärwicklung 102 des Transformators 100 ist an einen Vollweggleichrichter 118 mit den Gleichrichterdioden 119» .120, 121 und 122 angeschlossen. Die Ausgangsspannung des Gleichrichters 118 wird durch Kondensatoren 123 und 124 gesiebt, die die Ausgangsspannung in eine positive und eine negative Spannung mit Bezug auf Erdpotential unterteilen. Außerdem liegen Parallelwiderstände 125 und 126 über diesen Ausgangsspannungen. Die sich ergebende positive Spannung erscheint an einem Anschluß 127 und die negative Spannung an einem Anschluß 128.

Zur Regelung der Höhe der Ausgangsspannung an den Anschlüssen 127 und 128 sind zwei Spannungsvergleichsschaltungen 129 und 130 vorgesehen, die die Spannung an den Anschlüssen 127 und 128 mit Bezugsspannungen vergleichen, die über Zener-Dioden 131 und 132 abfallen. Ein Spannungsteiler mit Widerständen 133 und 134 liegt in Reihe mit der Zener-Diode 131 zwischen dem Anschluß 127 und Erde. Entsprechend liegt ein

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Spannungsteiler mit Widerständen 135 und 136 in Reihe mit der Zener-Diode 132 zwischen dem Anschluß 128 und einer positiven Spannungsquelle, über den Widerstand 134 ist eine Diode 137 und über den Widerstand 136 eine Diode 138 geschaltet.

Immer dann, wenn der vom Gleichrichter 118 gelieferte, gleichgerichtete Ausgangsstrom größer ist als der Ausgangsstrom, den die an den Anschluß 127 oder 128 angelegte Last entnimmt, steigt die Spannung über dem jeweiligen Siebkondensator an. Bei einer vorgewählten Durchbruchsspannung fängt die Zener-Diode 131 oder 132 an zu leiten und liefert eine Steuerspannung an den zugeordneten Spannungsteiler. Wenn die Diode 131 leitet, wird die Leitung 139 direkt positiv vorgespannt, während die Mehrfachdiode 137 die Höhe der positiven Spannung auf der Leitung 139 begrenzt, um zu verhindern, daß das Gatter 114 beschädigt wird. Wenn die Diode 132 leitet, so wird die Leitung 140 negativ vorgespannt, während die Diode 138 die Höhe der negativen Spannung begrenzt, um eine Beschädigung des Gatters 157 zu verhindern. Die negative Spannung auf der Leitung 140 wird dem NOR-Gatter 157 zugeführt, so daß sich eine positive Spannung für das Gatter 115 ergibt. Wenn also die beiden Versorgungsspannungen oberhalb ihrer Nennwerte liegen, so wird eine positive Spannung dem jeweils zugeordneten NOR-Gatter 114 bzw. 115 zugeführt, um die Ansteuerung des Umformers zu unterbrechen.

Wenn der Laststrom am Anschluß 127 oder 128 den vom Gleich-

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richter 118 gelieferten Strom übersteigt, so wird der jeweils zugeordnete Kondensator 123 bzw. 124 entladen. Fällt die Spannung über einem der Kondensatoren unter den Nennwert, so hört die zugeordnete Zener-Diode auf zu leiten, und die Spannung auf der zugeordneten Leitung 139 bzw. geht auf L. Da der Gleichrichter 118 ohne Ansteuersignale vom ODER-Gatter 105 und 106 keinen Ausgangsstrom liefert, läßt sich eine Spannungsregelung dadurch erreichen, daß die Gatter 105 und 106 nur solange betätigt werden, wie die Ausgangsspannung am Anschluß 127 oder 128 unterhalb des für den Betrieb der Anlage erforderlichen Sollwertes liegt. Wenn die Spannungen oberhalb des Sollwertes liegen oder nicht benötigt werden, so sind die Ausgangsspannungen der Gatter 114 und 115 beide auf L, wodurch sich ein Eingangssignal H für das Flipflop 111 über das Gatter 113 ergibt. Die Gatter 105 und 106 werden demgemäß beide betätigt gehalten und können nicht impulsförmig angesteuert werden, bis die Ausgangsspannung unter den Sollwert fällt.

Da das Flipflop 111 durch das Taktsignal auf der Leitung zeitlich gesteuert wird, so verläuft die Betätigung und Abschaltung der Gatter 105 und 106 synchron mit der Rückflanke der Taktimpulse, und es wird wenigstens eine volle Periode der Taktimpulse gesperrt. Zusätzliche Perioden werden gesperrt, solange die Ausgangsspaiinung bzw. -spannungen oberhalb der gewünschten Werte bleiben. Wenn eine der Ausgangs-

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spannungen benötigt wird und nicht bereits auf oder oberhalb des gewünschten Wertes ist, so wird der Umformer gestartet. Die andere Ausgangsspannung bleibt gutgeregelt, selbst dann, wenn sie unbelastet ist, da die benutzte Ausgangsspannung die andere Ausgangsspannung Über die Transformatorkopplung begrenzt.

Die Impulsformer 107 und 108 weisen Koppelkondensatoren 141, 142 auf,die in Reihe mit Dioden 143 bzw. 144 an die Eingänge von ODER-Gattern 105 und 106 angeschaltet sind. Die Dioden 143 und 144 können durch eine Spannungsquelle 145 bzw. 156 in Durchlaßrichtung vorgespannt werden, und zwar über Widerstände 146, 147, 148 und 149. Die in Durchlaßrichtung vorgespannten Dioden bewirken, daß den Gattern 105 und 106 logische Signale H dargeboten werden. Negative Spannungsübergänge am Ausgang des Flipflops 109 werden über Kondensatoren 141 bzw. 142 zugeführt, die die Dioden 143 und 144 sperren und bewirken, daß Eingangssignale L an die ODER-Gatter 105 und 106 angelegt werden. Falls aus irgendeinem Grund jedoch die Taktimpulse ausfallen oder das Flipflop 109 in einem seiner Zustände steckenbleibt, so laden sich die Kondensatoren 141 und 142 gegebenenfalls weitgenug auf, um die zugeordneten Dioden in Durchlaßrichtung vorzuspannen, wodurch Eingangssignale H an die Gatter 105 und 106 geliefert werden. Auf diese Weise fällt die Treiberschaltung für den Umformer nach der sicheren Seite

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dahingehend aus, daß der Umformer in Abwesenheit der Treibersignale vollständig gesperrt wird.

Die Treiberschaltungen 103 und 104 sind identisch, und folglich wird nur die Treiberschaltung 103 im einzelnen beschrieben. Ein Eingangstransistör 150 wird durch das ODER-Gatter 105 angesteuert und treibt selbst wiederum einen Transistor 151. Dieser ist als Emitterfolger geschaltet und beaufschlagt einen Leistungstransitor 152. Ein Widerstand 153 stellt die Entladungsstrecke für die Emitter-Basiskapazität der Transistoren 151 und 152 dar. Die Diode 154 macht die Treiberschaltung dadurch schneller, daß eine Sättigung des Transistors 152 vermieden wird. Wenn der Ausgangstransistör 152 eingeschaltet ist und seine Kollektorspannung auf eine Durchlaßspannung unterhalb der Spannung an der Basis des Transistors 151 abfällt, so leitet die Diode 154 und führt einen übermäßigen Basisstrom vom Transistor 151 und demgemäß vom Ausgangstransistor 152 ab. Die Ausgangsspannung wird daher auf die Summe der Spannungsabfälle an der Basis-Emitterstrecke des Transistors 151, der Basis-Emitterstrecke des Transistors 152 und am Varistor 155 abzüglich des Spannungsabfalls an der Diode 154 geklemmt.

Im Betrieb werden die Treiberschaltungen 103 und 104 abwechselnd durch die Gatter 105 bzw. 106 angesteuert und ziehen einen Rechteck-Stromimpuls über die obere und untere

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Wicklungshälfte der Eingangswicklung 101 des Transformators 100. Es werden dann höhere Spannungen an der Sekundärwicklung 102 des Transformators 100 erzeugt, die zur Lieferung der Ausgangsspannungen durch den Gleichrichter 118 gleichgerichtet werden.

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Claims

BLUMBACH · WESER . 3ERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2 7 O 5 A 7

Patentconsult RadedtestraBe 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Tel« 05-212313 Telegramm· Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsuli

WESTERN ELECTRIC COMPANY, Stone -

INCORPORATED

NEW YORK (N.Y.) 10007 U.S.A.

Patentansprüche

( 1. Digital gesteuerter Umformer mit einer Quelle von Takt- \—^impulsen, einem von den Taktimpulsen beaufschlagten Transformator und einem an den Ausgang des Transformators angeschlossenen Gleichrichter, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (105, 106, 111) zur Sperrung nur einer oder mehrerer aufeinanderfolgender, voller Perioden der Taktimpulse und

eine Einrichtung (129, 130, 114, 115, 113), die unter Ansprechen auf das Ausgangssignal des Gleichrichters (118) die Sperreinrichtung steuert.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Oipl.-Phys. Or. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Or. phil. nal. Wiesbaden: P. G. Blumbach Oipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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2. Umformer nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung binäre Logikschaltungen (114, 115) und eine Quelle (116, 117) für binäre Steuersignale zur Steuerung der Logikschaltungen aufweist.
3. Umformer nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine analoge Vergleichsschaltung (129» 130) zum Vergleich der Ausgangsspannung des Gleichrichters mit einer Bezugsspannung und eine Einrichtung (131, 132) zur Erzeugung eines binären Steuersignals in Abhängigkeit von der Vergleichsschaltung aufweist.
4. Umformer nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Taktimpulsquelle eine Einrichtung (107, 108) aufweist, die auf das Ausbleiben von Impulsen aus der Taktimpulsquelle anspricht und den Betrieb des Umformers sperrt.

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