DE2839019A1 - Gleichspannungswandler - Google Patents

Gleichspannungswandler

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DE2839019A1
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storage choke
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DE19782839019
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English (en)
Inventor
Heinz Schmitt
Hans Thinschmidt
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Siemens AG
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Siemens AG
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Description

  • Gleichsnannungswandler
  • (Zusatz zu P 27 33 031.0) Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler in Form eines Schaltreglers, der erst beim Erreichen der vorgegebenen unteren Grenze der Betriebsspannung freigegeben wird und bei dem eine Speicherdrossel und ein Transistor mit seiner Eollektor- und Emitterstrecke im Längszweig und eine Diode im Querzweig liegt, ferner ein Glättungskondensator am ausgangsseitigen Anschluss der Speicherdrossel angeschlossen ist und der ausserdem jeweils eine Reglereinheit für die Strom- und Spannungsbegrenzung enthält und bei dem zur Steuerung des Schalttransistors ein Impulsübertrager angeordnet ist, der primärseitig durch eine von der der Spannungsbegrenzung dienenden Reglereinheit getasteten Konstantstromquelle beaufschlagt wird und eine aus der Speicherdrossel und aus der Reihenschaltung einer Hilfsdrossel und eines Ohm'schen Widerstandes bestehende Parallelschaltung vorhanden ist, wobei an diesem Widerstand die Messwerte für die der Reglereinheit für die Spannungs- begrenzung vorgeordnete und diese schaltende Reglereinheit zur Strombegrenzung abgenommen werden, nach Patentanmeldung P 27 33 031.0.
  • Bei einer derartigen Anordnung kann u.a. die Verlustleistung eines Gleichspannungswandlers reduziert werden.
  • Wesentlich ist dabei die Tatsache, dass der Stromfluss durch die Speicherdrossel, der für die Wirksamschaltung der Reglereinheit für die Strombegrenzung herangezogen wird, nicht durch einen mit der Speicherdrossel in Reihe liegenden Ohm'schen Messwiderstandes aufgrund des an ihm auftretenden Spannungsabfalles festgestellt wird. Bei Anwendung eines derartigen Widerstandes müsste eine erhebliche Verlustleistung in Kauf genommen werden.
  • Bei der Anordnung wird ausserdem für den parallel zur Speicherdrossel liegenden Messzweig eine normal ausgebildete Hilfsdrossel verwendet. Es ist kein speziell ausgebildetes Bauelement, beispielsweise eine in spezieller Weise mit der Speicherdrossel gekoppelte Spule erforderlich, bei der z.B. über im Luftspalt angeordnete Fühlerwicklungen durch die Auswirkung des magnetischen Flusses eine Aussage über den in der Speicherdrossel fliessenden Strom abgeleitet wird.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei der gemäss der Hauptanmeldung angewendeten Abfrage des Stromwertes diese Abfrage möglichst verlustarm bei geringstem Aufwand für die Bauelemente und ohne zusätzliche Bestandteile durchzuführen.
  • Dies wird dadurch erreicht, dass die durch das Verhältnis von Induktivität und Ohm'schen Widerstand bestimmten Zeitkonstanten für den aus der Speicherdrossel gebildeten Teilzweig und für den aus der Hilfsdrossel und dem Ohm'schen Widerstand gebildeten Teilzweig der genannten Parallelschaltung so gewählt werden, dass sie zumindest annähernd den gleichen Wert aufweisen und dass zwischen den in den beiden Teil zweigen vorhandenen Induktivitäten keine magnetische Kopplung besteht.
  • Erfindungsgemäss sind also die beiden Zeitkonstanten, nämlich die durch die Induktivität der Speicherdrossel und ihrem Kupferwiderstand bestimmte Zeitkonstante und die aus der Induktivität der Hilfsdrossel und aus der Summe des Kupferwiderstandes und des als diskretes Bauelement vorhandenen weiteren Widerstandes bestimmte Zeitkonstante möglichst gleich gross,im günstigsten Falle gleich gross zu wählen. Dieser weitere im Messzweig angeordnete Widerstand, an dem der Messwert abgegriffen wird, kann auf den noch als zulässig anzusehenden Verlustwiderstand abgestimmt werden. Wird für die Induktivität der Hilfsdrossel ein hoher Induktivitätswert gewählt, so wird sich aufgrund der voraussetzungsgemässen gleichen Zeitkonstanten im Messzweig ein Stromverlauf ergeben, der bezüglich seines dynamischen Verhaltens dem Stromverlauf durch die Speicherspule gleich ist, jedoch hinsichtlich seines Wertes nur einen Bruchteil des Wertes dieses Stromes aufweist. Hinsichtlich der Ausführung der Hilfsdrossel sind keine speziellen Massnahmen vorzusehen, da keine magnetische Kopplung zur Speicherdrossel besteht. Unter der genannten erfindungsgemässen Voraussetzung wird also an dem im Messzweig angeordneten Widerstand,gegenüber dessen Widerstandswert der Kupferwiderstand der Hilfsdrossel vernachlässigbar klein angesetzt werden kann, der Istwert des Stromes der Speicherdrossel abgefragt.
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Figur erläutert. Der Gleichspannungswandler gemäss dieser Figur enthält ein aus der Induktivität L1 und dem Kondensator C7 bestehendes Eingangssieb. Weiterhin enthält die Eingangsstufe die Stützkondensatoren C2 und C3, die die bei den Regelvorgängen auftretenden Stromstösse auffangen. Im Längszweig ist als Schalter der Transistor T1 angeordnet, der über eine Steuerwicklung L4I eines Impulsübertragers angesteuert wird. Im Hauptstromkreis dieses Transistors liegt eine Speicherdrossel L2I mit dem Glättungskondensator C4 in Reihe. Diese Reihenschaltung ist durch die entgegengesetzt zur Betriebsspannung gepolte Diode D1 überbrückt. Bei leitendem Transistor T1 wird in dieser Speicherdrossel Energie aufgenommen, die bei der nachfolgenden Sperrung dieses Transistors über die Diode D1 an den Kondensator C4 und die Ausgangslast RL abgegeben wird. Der Gleichspannungswandler wird durch einen Starter ST, der von der Betriebsspannung U7 versorgt wird und die Höhe dieser Spannung bewertet, mit dem Erreichen einer vorgegebenen unteren Grösse für diese Eingangsspannung freigegeben.
  • Durch den Starter wird eine Reglereinheit SR zur Strombegrenzung und durch diese eine Reglereinheit SP zur Spannungsbegrenzung beeinflusst. Hat bei einer ausreichenden Eingangsspannung die Reglereinheit zur Strombegrenzung noch nicht angesprochen, so wird über ein entsprechendes Ausgangssignal die Reglereinheit zur Spannungsbegrenzung aktiviert. Diese Reglereinheit SP wird von der Betriebsspannung U1 versorgt und erhält durch die über die Widerstände R3 und R4 mit dem Ausgang verbundenen Fühlerleitungen F1 und F2 die entsprechenden Messwerte. Es findet also auch dann eine Versorgung mit dem notwendigen Bezugspotential plus U2 und OV statt, wenn keine externen Verbindungen ausgeführt sind.
  • Unter der Annahme, dass die Eingangsspannung U1 einen Wert erreicht hat, der dem Einschaltpunkt des Starters ST entspricht, wird somit die Reglereinheit SR und über diese die Reglereinheit SP freigegeben. Diese der Spannungsreglung dienende Reglereinheit schaltet die Konstantstromquelle KS wirksam, so dass die Primärwicklung L4II des Steuerübertragers L4 über die Diode D3 mit einem konstanten Strom beaufschlagt wird. Dadurch wird der Transistor T1 über die mit seinem Basis-Emitteranschluss gekoppelte Sekundärwicklung L4I dieses Steuerübertragers durch die darin induzierte Spannung leitend gesteuert. Durch den damit einsetzenden Stromfluss in der Wicklung L2I der Speicherdrossel nimmt diese Energie auf. Während des Einspeichervorganges ist der Transistor T2 durch die an der Diode D3 abfallende Schwellspannung gesperrt. Damit baut sich eine Ausgangsspannung U2 auf.
  • Wird diese Ausgangsspannung grösser als ein vorgegebener Maximalwert für diese Ausgangsspannung, dann wird durch die der Spannungsreglung dienenden Einheit SP die Konstantstromquelle Ks abgeschaltet. Dieser genannte Maximal- bzw. Minimalwert für die Ausgangs spannung kann beispielsweise bei einer Abweichung von 500 mV vom Ausgangssollwert liegen. Solange der Transistor T1 leitend ist, wird in der Wicklung L2II eine Spannung induziert, die über den Widerstand R2 einen Strom bewirkt, dessen Wert gegenüber dem eingespeisten Konstantstrom gering und diesem entgegengesetzt gerichtet ist. Beim Abschalten der Konstantstromquelle ist der Schalttransistor Tl kurzzeitig noch leitend. Bei fehlendem Konstantstrom wird der Transistor T2 durch die an der Wicklung L2II induzierte Spannung, für die die Diode D3 in Sperrichtung gepolt ist, leitend gesteuert. Damit wird über die Diode D2 die Wicklung L4II des Steuerubertragers kurzgeschlossen. Dadurch erfolgt eine rasche Ausräumung der an der Basis des Schalttransistors T1 vorhandenen Ladungsträger. Mit dem Sperren des Transistors T1 setzt dann der Ausspeichervorgang der Speicherdrossel ein, so dass dadurch durch die geänderte Polarität der an der Wicklung L2II induzierten Spannung der Transistor T2 gesperrt wird. Dadurch kann bei einem erneuten Einschalten des konstanten Stromes aus der Konstantstromquelle KS dieser unverzögert auf den Transistor T1 wirken.
  • Wenn der Ausgangsstrom über den Lastwiderstand einen vorgegebenen Maximalwert erreicht, so wird im Gleichspannungswandler von einer Spannungsbegrenzung auf eine Strombegrenzung durch die Reglereinheit SR übergegangen.
  • Mit dem Ansprechen dieser Reglereinheit wird ihr Ausgang gesperrt, so dass die Reglereinheit SP und damit in der geschilderten Weise der Schalttransistor T1 ebenfalls gesperrt ist. Dies erfolgt dann so lange, bis der Ausgangsstrom auf einen vorgegebenen Wert abgesunken ist.
  • Der Stromfluss in der Wicklung L2I der Speicherdrossel wird über den die Hilfsdrossel L3 und den Widerstand R7 enthaltenen und parallel zu dieser Wicklung der Speicherdrossel angeordneten Messkreis abgefragt. Die Hilfsdrossel L3 ist magnetisch unabhängig von der Wicklung L2I der Speicherdrossel. Ausserdem ist vorausgesetzt, dass die durch die Induktivität der Wicklung L2I und ihren Kupferwiderstand bestimmte Zeitkonstante den gleichen Wert hat wie diejenige Zeitkonstante, die für den Messkreis durch die Induktivität der Hilfsdrossel L3 und der Summe aus ihrem Kupferwiderstand und den Widerstand Rl bestimmt ist. Hat nun die Hilfsdrossel L3 einen hohen Induktivitätswert, so ist der Stromfluss durch diesen Hilfskreis zwar ein genaues Abbild des Stromflusses durch die Speicherdrossel, jedoch beträgt der Stromwert in diesem Kreis nur einen Bruchteil des Stromes durch die Speicherdrossel. Dadurch lässt sich der Strom in der Speicherdrossel durch den Spannungsabfall am Widerstand R1 verlustarm abfragen. Dieser dem Istwert des Stromes proportionale Spannungswert am Widerstand R1 wird der Reglereinheit SR zugeführt. Damit wird der darin enthaltene Transistor T3, der diesen Messwert im Verhältnis der Widerstände R5 zu dem sich aus der Parallelschaltung des Widerstandes R6 und der Widerstände R7 und R8 ergebenden Widerstandswert verstärkt, angesteuert. Bezogen auf den Messkreis kann angenommen werden, dass der Kupferwiderstand der Hilfsdrossel L3 gegenüber dem Widerstand R1 vernachlässigbar klein ist.
  • Da sich der Kupferwiderstand der Primärwicklung L2I der Speicherdrossel in Abhängigkeit von der Temperatur, bedingt durch die Eigenerwärmunagy geP nan der Spule entstehenden Verlustleistung, wesentlich stärker ändert als der aus dem Kupferwiderstand der Hilfsdrossel L3 und dem Widerstand R1 gebildete Widerstand,ist es möglich, dass mit ansteigender Temperatur ein höherer Strommesswert über den Messkreis abgefragt wird als tatsächlich in der Wicklung L2I der Speicherdrossel fliesst. Dies wird durch die Widerstände R7 und R8, die parallel zu dem mit dem Kollektor des Transistors T2 verbundenen Widerstand R6 in der Reglereinheit SR angeordnet sind, kompensiert.
  • Der am Widerstand R6 abgenommene verstärkte Messwert wird dem einen Eingang eines Komparators I zugeführt.
  • An dem anderen Eingang dieses Komparators liegt der dem Sollwert entsprechende Spannungswert. Der Sollwert für die der Strombegrenzung dienenden Reglereinheit SR wird, wie in der Figur angedeutet, durch Teilung der an der Zenerdiode D4 anstehenden Spannung gebildet. Der Komparator I vergleicht die an seinen Eingängen anliegenden Spannungswerte und schaltet entsprechend seinen Ausgang, wodurch dann die Reglereinheit SP beeinflusst wird. Erreicht der Stromfluss durch die Speicherdrossel den Sollwert, wobei dieser Sollwert so festgelegt ist, dass die Speicherdrossel noch nicht in den Sättigungszustand gelangen kann, so soll beispielsweise der Ausgang des Komparators I ein derartiges Potential einnehmen, dass als Folge davon die der Spannungsbegrenzung dienende Reglereinheit SP ebenfalls gesperrt wird. Das beeinflusst dann in der bereits geschilderten Weise die Konstantstromquelle KS und damit durch die Kopplung mit dem Impulsübertrager L4 den Schalttransistor T1.
  • Hat die Reglereinheit SR noch nicht angesprochen, so ist die Reglereinheit SP freigegeben und kann entsprechend dem für diese Reglereinheit festgelegten Sollwert die Ausgangsspannung U2 regeln. Erreicht die über die Fühlerleitungen F1 und F2 der Reglereinheit SP angezeigte Ausgangsspannung den für sie vorgegebenen Sollwert, so wirkt diese der Spannungsbegrenzung dienende Reglereinheit auf die Konstantstromquelle und damit auf den Schalttransistor T1 ein.
  • Sinkt die Eingangsspannung U1 unter den vorgegebenen Schwellwert des Starters ST, so geht dieser in den Aus-Zustand, wodurch sich der Gleichspannungswandler in dem anfangs beschriebenen Ausgangszustand befindet.
  • 1 Patentanspruch 1 Figur

Claims (1)

  1. Patentanspruch Gleichspannungswandler in Form eines Schaltreglers, der erst beim Erreichen der vorgegebenen unteren Grenze der Betriebsspannung freigegeben wird und bei dem eine Speicherdrossel und ein Transistor mit seiner Kollektor-und Emitterstrecke im Längs zweig und eine Diode im Querzweig liegt, ferner ein Glättungskondensator am ausgangsseitigen Anschluss der Speicherdrossel angeschlossen ist und der ausserdem jeweils eine Reglereinheit für die Strom- und Spannungsbegrenzung enthält und zur Steuerung des Schalttransistors ein Impulsübertrager angeordnet ist, der primärseitig durch eine von der der Spannungsbegrenzung dienende Reglereinheit getasteten Konstantstromquelle beaufschlagt wird und eine aus der Speicherdrossel und aus der Reihenschaltung einer Hilfsdrossel und eines Ohm'schen Widerstandes bestehende Parallelschaltung vorhanden ist, wobei an diesen Widerstand die Messwerte für die der Reglereinheit für die Spannungsbegrenzung vorgeordnete und diese schaltende Reglereinheit zur Strombegrenzung abgenommen werden, nach Patentanmeldung P 27 33 031.0, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , dass die durch das Verhältnis von Induktivität und Ohm'schen Widerstand bestimmten Zeitkonstanten für den aus der Speicherdrossel gebildeten Teilzweig und für den aus der Hilfsdrossel (L3) und dem Ohm'schen Widerstand (R1) gebildeten Teilzweig der genannten Parallelschaltung so gewählt wird, dass sie zumindest annähernd den gleichen Wert aufweisen und dass zwischen den in den beiden Teilzweigen vorhandenen Induktivitäten (L2I, L3) keine magnetische Kopplung besteht.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4352054A (en) 1980-03-07 1982-09-28 Licentia Patent-Verwaltungs-G.M.B.H. Method for actuating a switching transistor operating as a setting member in a DC/DC converter

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4352054A (en) 1980-03-07 1982-09-28 Licentia Patent-Verwaltungs-G.M.B.H. Method for actuating a switching transistor operating as a setting member in a DC/DC converter

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