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Gleichsnannungswandler
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(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.
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Bei einer derartigen Anordnung kann u.a. die Verlustleistung eines
Gleichspannungswandlers reduziert werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der am Widerstand R6 abgenommene verstärkte Messwert wird dem einen
Eingang eines Komparators I zugeführt.
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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.
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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.
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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.
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1 Patentanspruch 1 Figur