DE2725531A1 - Spannungsregelkreis fuer einen gleichstrom-gleichstrom-umformer - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. Heinz Bordehle "^^*y^£

Poisrtonv.ait

D-8 München 26, Postfach 4

Anmelder: München, 6. Juni 1977

Christian Rovsing A/S

Herlev - Marielundvej 46 B
Dänemark

Mein Zeichen: P 2516

Spannungsregelkreis für einen Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer

Die Energieversorgung elektrischer Ausrüstung in Satelliten erfolgt mit Hilfe von Sonnenzellenbatterien, deren Spannung beispielsweise zwischen 20 und 50 Volt erheblich schwanken kann. Diese Spannung ist in verschiedene Betriebspannungen umzuwandeln, die stabilisert sein müssen. Ausserdem müssen die verschiedenen mit Spannung beaufschlagten Stromkreise sowohl von einander als auch vom Primärspannungskreis galvanisch getrennt sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden gewöhnlich Transistorkupplungen des Pusch-Pulltyps verwendet, wo zwei abwechselnd leitende Transistoren die Primärwicklung eines Transformators speisen, der für jeden Arbeitsstromkreis eine mit Strom zu versorgende gesonderte Sekundärwicklung aufweist. Dieser Umformertyp erfordert auf der Primärseite einen Regelstromkreis zur Stabilisierung der Primärspannung des Transformators, sowie in Jedem einzelnen Sekundärkreis einen separaten Regelkreis zur Stabilisierung der betreffen-

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den Speisespannung. Die somit erforderliche Regelausrüstung benötigt viel Platz und so viel Energie, dass sie den Wirkungsgrad des Umformers erheblich beeinträchtigt.

Es sind auch Transistorumformer des sogenannten Energiespeichertyps mit einem Transistorkreis mit abwechselnd leitendem und unterbrochenem Transistor bekannt, dessen Emitter-Kollektorkreis teils die Primärwicklung eines Belastungstransformators und teils die Primärwicklung eines Steuertransformators umfasst, der eine mit dem Basis-Emitterkreis des Transistors verbundene Sekundärwicklung aufweist. In einem solchen Umformer ist die Sekundärwicklung des Belastungstransformators über eine Diode mit einem energiespeichernden Kondensator verbunden, so dass vom Magnetfeit des Transformators intermittierend an den Kondensator Energie übertragen wird. Die übertragene Energiemenge und damit die abgegebene Spannung sind auf der Basis der Abweichung der Spannung vom Sollwert durch Änderung der per Periode akkumulierten Energiemenge regelbar.

Es war bisher jedoch schwierig, mit einfachen Mitteln die Parameter eines Stromkreises zu regeln, welcher von einem anderen Stromkreis galvanisch getrennt ist, in dem das Referenz- und/oder Messlgnal erzeugt wird.

Die Erfindung betrifft eine Spannungsregelkreis für einen Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung und bezweckt die Schaffung eines solchen Gleichstromumformers, der die gewünschte Spannungsstabilisierung ohne galvanische Verbindung zwischen den Primär- und Sekundärseiten mit Hilfe eines einzelnen Regelkreises ermöglicht. Dieser Zweck wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Ausbildung des Gleichstromumformers erreicht, da diese Bauweise es gestattet, die Fehlspannung in die Energiespeicherphase jeder einzelnen Arbeitsperiode zu dem Zeitpunkt eingreifen und die Energiespeicherphase unterbrechen zu lassen, welcher der Aufrechterhaltung der gewünschten Spannung entspricht. Der Anspruch 2 kennzeichnet eine zweckmässige Ausführungsform des dem Regelkreis zugeordneten Transistorkreises.

Durch die im Anspruch 3 gekennzeichneten Merkmale wird das Zurück-

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fliessen des Magnetisierungsscroms von der zusätzlichen Wicklung durch den Transistorkreis verhindert.

Der Anspruch 4 kennzeichnet einen bevorzugten Anschluss des Transistorkreises an Masse.

Durch das Merkmal des Anspruchs 5 wird ein verbesserter Schutz des Transistorkreises erzielt.

Schliesslich kennzeichnet der Anspruch 6 eine weitere Ausführungsform des Transistorkreises.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Auf der Zeichnung zeigt

Fig. 1 erste Ausführungsform des erfindungsgemässen Gleichstromumformers, während

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform desselben darstellt.

An einer Taktimpulsklemme cp wird ein periodisches Vierecksignal zugeführt, das über ein Differenziernetzwerk ClRl als Spannungssprung auf die Basis eines Transistors Tl übertragen wird, wo die Spannung innerhalb der durch Cl χ Rl bestimmten Zeitkonstanten auf null absinkt. Der Spannungssprung ist positiv und hat einen solchen Wert, dass er bei der Übertragung über Widerstände R2 und R4 an die Basis eines weiteren Transistors T2 diesen sättigt. Die vor dem leitenden Zustand des Transistors T2 über dessen Kollektoremitter liegende Spannung + Vg liegt bei gesättigtem Transistor T2 im wesentlichen über der Primärwicklung AP eines Belastungstransformators TRA. Aufgrund der Selbstinduktion der Spule AP verursacht die konstante Spannung V„ einen gleichmässig ansteigenden Strom durch die Spule AP und durch eine mit dieser in Serie geschaltete Spule BP eines Steuertransformators TRB. Dieser Transformator hat zwei Sekundärwicklungen BSI und BS2, von denen die Wicklung BSI die Primärspule BP als Stromtransformator belastet, so dass durch die Spule BSI ein proportional zum Strom durch T2, AP und BP wachsender Strom induziert wird, welcher über einen Widerstand R3 und den Widerstand R4 auf die Basis des Transistors T2 übertragen wird. Der induzierte Strom ist vorzugsweise zehn mal

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schwächer als der Kollektorstrom des Transistors T2. Da der Strom des Transistors T2 zumindest zehn mal verstärkt wird, kann der induzierte Strom den Transistor T2 in gesättigtem Zustand halten. Unter der Annahme, dass der Transformator TRB den Transistor T2 nicht merklich belastet, liegt über der Spule AP somit eine konstante Spannung Vg. Durch die Spule AP strömt ein mit der Zeit proportional wachsender Strom, der in den Sekundärwicklungen ASl und AS2 des Transformators TRA Ströme induziert. Die Spule ASl wird von einer Diode Dl in Serie mit einem Kondensator C3 belastet, über den der Sekundärstrom des Gleichstromumformers bei einer Spannung V im Verhältnis zu einer von der O-Klemme der Primärseite galvanisch getrennten Gestellklemme entnommen wird. Die Spule AS2 wird von einer Diode D2 in Serie mit einem Kondensator C4 belastet, über den für einen nachstehend zu beschreibenden Spannungsregler Strom entnommen wird. Die induzierten Sekundärströme haben eine solche Richtung, dass die Diode Dl als Sperrdiode wirkt, während die Diode D2 leitend ist. Unter der Voraussetzung, dass die über die Diode D2 angeschlossene Belastung klein ist, kann vorausgesetzt werden, dass der Transformator TRA ohne Belastung arbeitet, solange der Strom durch den Transistor T2 wächst. Auch die Sekundärwicklung BS2 des Transformators TRB arbeitet im Leerlauf, da in dieser praktisch nicht belasteten Wicklung eine mit der Spannung über der Wicklung BSI proportionale Spannung induziert wird. Die Spannung über der Wicklung BS2 ist somit ein Mass für den Kollektorstrom durch T2 und damit ein Mass dafür, wie lange die Spannung über der Spule AB der konstanten Spannung Vg entspricht. Die Spannung über der Wicklung BS2 ist somit auch ein Mass dafür, welche Energiemenge während des leitenden Zustands des Transistors T2 im Magnetfeit des Umformers TRA gespeichert wird.

Die Spule AS2 versorgt wie bereits erwähnt einen Spannungsregler für die Spannung VO. Ein gewisser Bruchteil dieser Spannung wird über Widerstände R5 und R6 der negativen Eingangsklemme eines Operationsverstärkers A zugeführt, dessen anderer, positiver Eingangsklemme eine Referenzspannung aus einer Zener-Diode Z zugeführt wird, die über einen Widerstand R7 mit Strom vor sorgt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers A wird über einen Widerstand R8 der Basis eines Transistors T3 sowie dem Kollektor eines anderen Transistors C4 zugeführt. Diese beiden Transistoren bilden

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zusammen mit einem Widerstand R9 eine Ausführungsform eines Transistorkreises mit einer Drain-Elektrode D, einer Quellenelektrode K sowie einer Steuerelektrode S, welcher das Ausgangss;i.gnal des Verstärkers A zugeführt wird. Die Drain-Elektrode D ist mit dem einen Ende der Wicklung BS2 verbunden, während die Quellenelektrode K mit dem anderen Ende dieser Wicklung sowie mit der bereits erwähnten, von der Primärseite der O-Klemme galvanisch getrennten Gestellklemme verbunden ist. Die Ausgangsspannung des Verstärkers A ist positiv, weshalb der Transistor T3 gesperrt ist, solange die Spannung über der Spule BS2 zuzüglich der Basisemitterspannung des Transistors T3 niedriger ist als die Basisspannung des Transistors T3. In diesem Zustand belastet wie bereits erwähnt die Wicklung BS2 nicht den Transformator TRB. Sobald die Spannung über der Spule BS2 zuzüglich der genannten Basisemitterspannung auf einen der Spannung an der Basis der Transistors T3 entsprechenden Wert ansteigt, wird.dieser Transistor leitend, so dass der Basis der Transistors T4 Strom zufliesst und dieser Transistor eine vom Widerstand R9 bestimmte positive Basisemitterspannung erhält. Dadurch wird der Transistor T4 leitend und mindert die Spannung an der Basis des Transistors T3, so dass die beiden Transistoren T3 und T4 einander verstärken und dadurch bis auf eine geringe Spannungsabnähme über den Transistoren einen Kurzschluss der Spule BS2 bewirken. Der Widerstand RS verhindert den Kurzschluss des Verstärkers A. Beim Kurzschliessen der Wicklung BS2 übernimmte diese den Strom durch die Wicklung BSI, so dass dem Transistor T2 nun kein weiterer Basisstrom zugeführt wird, und dieser Transistor abgeschaltet wird, was sehr schnell erfolgt, weil die Transistoren T3 und T4 gegenseitig selbstverstärkend sind.

Wäre die Sekundärwicklung des Transformators TRA nicht belastet, würde diese momentane Stromunterbrechung eine theoretisch unendlich hohe Spannung über der Spule AP mit sich führen. Die Sekundärwicklung des Transformators TRA ist nun jedoch belastet, weil die Stromrichtung im Verhältnis zu früher nun so geändert ist, dass die Diode D leitend ist. Die unmittelbar vor dem Abschalten des Transistors T2 im Magnetfeit der Spule AP gelagerte Energie wird daher auf die Belastung und den Kondensator C3 übertragen. Da dieser Kondensator gross bemessen ist, erfolgt die Energieübertragung bei einer im wesentlichen konstanten Spannung VO, die wie nachstehend erläutert vom Spannungsregler gesteuert wird.

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Der Kollektorstrom des Transistors T2 muss - innerhalb eines Bruchteils der durch die Frequenz der der Klemme cp zuzufügenden Startsignale bestimmten Periode - von null auf einen von der Grosse der Belastung abhängigen Wert ansteigen. Angenommen der Kreis arbeitet mit einer Belastung, die einem während eines gewissen Bruchteils der genannten Periode leitenden Transistor T2 entspricht und dann grosser wird, fällt die Spannung VO, was vom Verstärker A detektiert wird, der so eingerichtet ist, dass die Spannung an der Basis des Transistors T3 dadurch steigt. Dies hat zur Folge, dass der Strom durch den Transistor T2 in der nächsten Periode eine Zeit läuft, die länger ist als dieser Bruchteil, so dass in der Spule AP eine grössere Energiemenge gespeichert wird, so dass die gewünschte Spannung VO auch dann gehalten wird, wenn die Belastung grosser wird. Falls die Spannung VO stattdessen steigt, führt dies zu einer Spannungsverminderung an der Basis der Transistors T3, so dass der Transistor T2 während eines kleinen Bruchteils der nächsten Periode Strom führt.

Das Übersetzungsverhältnis der Transformatoren TRA und TRB sowie die Spannungen Vg und VO bestimmen die zeitmässige Aufteilung einer Periode in die Energieakkumulation in der Spule AP und in die Abgabe dieser Energie an den Kondensator C3. In Abhängigkeit von den Belastungsverhältnissen wird die Periode ganz oder teilweise von diesen Energieübertragungen beansprucht. Ohne weitere Belastung sichern die Leerlaufsverluste im Stromkreis, dass der Transistor T2 in jeder Periode zumindest einen kurzen Augenblick leitend ist, so dass die Spannungsregelung mit Strom versorgt wird. Wird die Belastung gross, sichert eine den Verstärker A rückschaltende Diode D3, dass der Transistor T2 lediglich während des maximal zulässigen Bruchteils der Periode Strom führt, weil diese Diode gewährleistet, dass die Ausgangsspannung des Verstärkers A nicht über den Gesamtwert der Zehnerdiodenspannung plus Diodenspannung ansteigen kann. Dies gilt selbst im Fall des Kurzschliessens der Sekundärseite des Gleichstromumformers. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass ein solches Kurzschliessen die Funktion des Spannungsreglers nicht beeinträchtigt, da dieser während des Periodenbruchteils, wo die Diode Dl entsprechend einem Stromfluss im Transistor T2 gesperrt ist, mit Strom versorgt wird. Der Gleichstromumformer ist somit auch gegen Kurzschluss gesichert, indem er bei Kurzschluss entsprechend einer maximalen Betriebsbelastung arbeitet.

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Wie bereits erwähnt übernimmt die Wicklung BS2 beim Kurzschluss den bis zum Kurzschliessen durch die Wicklung BSI passierenden Strom. Der Steuertransformator TRB ist jedoch nicht für eine neue Periode bereit, die damit beginnt, dass der Transistor T2 wieder leitend wird, bevor die Wicklung BS2 magnetisierungsstromfrei geworden ist. Dies erfolgt dadurch, dass der Basis-Emitterübergang des Transistors T3 entgegen der Leitrichtung zur Uberschlagspannung vorgespannt wird, wonach der Magnetisierungsstrom in Richtung aus dem Emitter heraus durch den Transistor fliesst. Der Transistor T3 wird mit der Zeit durch diesen reversierenden Strom beschädigt, was durch Einsetzen einer Sperrdiode in die Emitterleitung sowie einer Fangdiode zwischen einer negativen Spannung und der Verbindungsleitung zwischen der Wicklung BS2 und der Sperrdiode vermieden werden könnte. Ein Beispiel für eine solche Verwendung einer Sperr- und Fangdiode wird in Verbindung mit der in Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsform des erfindungsgemässen Umformers näher erläutert.

Die Ausführungsform gemäss Fig. 2 unterscheidet sich in mehrerer Hinsicht von der vorstehend beschriebenen, wenn auch die meisten Komponenten den bereits genannten entsprechen und mit den gleichen Bezugszahlen, jedoch mit dem Ergänzungszeichen (') versehen sind. Die Komponenten, welche im Vergleich zur vorbeschriebenen Ausführungsform eine wesentliche Änderung darstellen, sind durch Bezugszahlen oder Ergänzungszeichen versehen.

Vorerst ist darauf hinzuweisen, dass die dem" Emitter de? Transistors T3¹ entsprechende Drain-Elektrode D des Transistorkreises mit dem Gestell verbunden ist^ und dass zwischen der Quellenelektrode K, d.h. dem Emitter am Transistor T4¹ und der Steuerelektrode S ein Widerstand RIO eingeschaltet ist. Es hat sich im Hinblick auf die Stabilität des Transistorkreises als zweckmässig erwiesen, die Drain-Elektrode D mit dem Gestell zu verbinden. Diese Ausführungsform ist in Verbindung mit den vorgenannten Mitteln zur Verhinderung eines rückläufigen Magnetisierungsstroms durch den Transistorkreis insofern vorteilhaft, als die Fangdiode D5 an die positive Spannungsversorgung für den Verstärker A¹ anschliessbar ist. Bei der früher beschriebenen Ausführungsform wird die Steuerspannung vom Verstärker A mit der über der Wicklung BS2 erzeugten Spannung an der Drain-Elektrode, d.h. dem Emitter des Transistors T3 verglichen. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2 ist diese Emitterspannung konstant. Der Vergleich erfolgt stattdessen mit Hilfe des von den Widerständen

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* MS

R8¹ und RIO gebildeten Spannungsteilers, wobei dem Widerstand R8¹ die Ausgangsspannung des Verstärkers A¹ und dem Widerstand RIO die über der Wicklung BS2¹ erzeugte Spannung zugeführt werden, so dass das Steuersignal für die Steuerelektrode S als Spannungsteilung und überlagerung der genannten beiden Spannungen erzeugt wird. Zum Schutz des Basis-Emitterübergangs am Transistor T3¹ ist eine Diode D6 vorgesehen, deren Anode an die Basis dieses Transistors angeschlossen ist, während die Katode der Diode D6' mit dem Gestell verbunden ist.

Bestandteil des Kreises ist des weiteren eine in Serie mit der Wicklung BS2¹ und dem Transistorkreis geschaltete, zwischen dessen Quellenelektrode und dem nicht an das Gestell angeschlossenen Wicklungsende eingeschaltete Diode D4, die einen rückläufigen Magnetisierungsstrom durch den Transistor T3¹ verhindert, indem die Wicklung BS2¹ wie bereits dargelegt beim Kurzschluss durch den Transistorkreis den Betriebsstrom für den Transistor T2¹ durch die Wicklung BSI¹ übernimmt. Der Kreis ist erst dann beruhigt und für eine neue Periode bereit, wenn die in der Wicklung BS2¹ aufgespeicherte magnetische Energie verschwunden ist. Dies erfolgt dadurch, dass die Wicklung BS2¹ den in Fig. 2 veranschaulichten Strom Im erzeugt, der wegen der Diode D4 nicht durch den Transistorkreis fHessen kann, sondern durch die bereits erwähnte Fangdiode D5, welche an eine konstante Spannung angeschlossen ist. Diese konstante Spannung ist zweckmässig die Versorgungsspannung des Verstärkers A¹ wie auf der Zeichnung dargestellt. Der Versorgungskreis zur Erzeugung der Spannung + V_ ist

el

in Fig. 2 nicht veranschaulicht, könnte jedoch wie in Fig. 1 dargestellt oder wie an sich bekannt, von der Primärseite des Stromumformers getrennt ausgebildet sein.

Schliesslich unterscheidet sich die Ausführungsform gemäss Fig. 2 von der in Fig. 1 dargestellten darin, dass der Transistor T5 ein PNP-Transistor ist, der im Verhältnis zu dem in Fig. 1 gezeigten Stromkreis mit dem NPN-Transistor Tl einen Triggergenerator mit hoher Ausgangsimpedanz aufweist, so dass die Basis des Transistors T2¹ nicht vom Transistor T5 belastet wird.

Die Transistorkreise in Fig. 1 und 2 arbeiten prinzipiell wie ein programmierbarer Uni junction-Transistor," der daher statt der dargestellten Transistorkreise einsetzbar ist, indem die Anodenklemme

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des Unijunction-Transistors als Drain-Elektrode D, die Katodenklemme als Quellenelektrode K und die Steuerklemme als Steuerelektrode S angeschlossen werden.

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Claims (6)

1. Patentansprüche:

   / 1.i Spannungsregelkreis für einen Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer, ^ier einen Transistorkreis mit abwechselnd leitendem und unterbrochenem Transistor enthält, dessen Emitter-Kollektorkreis teils die Primärwicklung eines Belastungstransformators und teils die Primärwicklung eines Steuertransformators enthält, der eine mit dem Basis-Emitterkreis des Transistors verbundene Sekundärwicklung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuertransformator eine weitere Wicklung hat, deren Enden jeweils mit einer Quellenelektrode und einer Drain-Elektrode für einen Transistorkreis verbunden sind, der ausserdem eine Steuerelektrode aufweist, die mit einer von der Ausgangsspannung abhängigen Steuerspannung gespeist wird, und dass der Transistorkreis so eingerichtet ist, dass er die Wicklung annähernd kurzschliesst, wenn die Wicklungsspannung einen vorgegebenen Wert im Verhältnis zur Steuerspannung erreicht.
2. 2. Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der letztgenannte Transistorkreis teils einen ersten Transistor enthält, dessen Emitter-Kollektorkreis über die Transformatorwicklung mit einem Widerstand in Serie geschaltet ist, und dessen Basis mit der Steuerelektrode verbunden ist, sowie teils einen zweiten Transistor aufweist, dessen Emitter-Kollektorkreis zwischen die Basis des ersten Transistors und das mit der Wicklung verbundene Ende des Widerstands geschaltet ist, und dessen Basis mit dem anderen Ende des Widerstands so verbunden ist, dass der Emitter des ersten Transistors die genannte Drain-Elektrode, und der Emitter des zweiten Transistors die genannte Quellenelektrode bilden.
3. 3. Regelkreis gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Serie mit der vorerwähnten weiteren Transformatorwicklung und den Transistorkreis geschaltete, in der Leitrichtung des Transistorkreises gerichtete Diode vorgesehen ist, die mit dem nicht an das Gestell angeschlossenen Ende der Wicklung verbunden ist, und dass der Regelkreis eine weitere Diode enthält, deren eine Zuleitung mit der Verbindungsleitung zwischen dem genannten Wicklungsende und der ersten Diode verbunden ist, und deren anderen Zuleitung an eine Klemme mit einer so polarisierten Spannung

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   anschlossen ist, dass der Magnetisierungsstrom der Transformatorwicklung durch die andere Diode fliesst.
4. 4. Regelkreis gemäss Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drain-Elektrode des Transistorkreises mit dem Gestell verbunden ist, und dass zwischen der Steuerelektrode des Transistorkreises und der Quellenelektrode ein Widerstand vorgesehen ist.
5. 5. Regelkreis nach Anspruch A, dadurch gekennze i chnet, dass die Steuerelektrode über eine zum Gestell leitende Diode mit dem Gestell verbunden ist.
6. 6. Regelkreis nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistorkreis aus einem programmierbaren Unijunction-Transistor besteht, dessen Anodenklemme die Drain-Elektrode, dessen Katodenklemme die Quellenelektrode und dessen Steuerklemme die erwähnte Steuerelektrode bilden.

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