DE2950978C2 - Als Frequenzwandler ausgebildeter fremdgesteuerter Sperrwandler - Google Patents

Description

— während der ersten Schaltphase eines Gegentaktes über den ersten Halbleiterschalter Energie in die Spule gespeichert wird,

— während der zweiten Schaltphase des Gegentaktes über den zweiten Halbleiterschalter Energie an den Verbraucher weitergegeben wird,

— während einer positiven Kalbwelle der Eingangsspannung die Energiezufuhr zur ersten Teil wicklung der Spule erfolgt,

— während einer negativen Halbwelle der Eingangsspannung die Energiezufuhr zur zweiten Teilwicklung der Spule erfolgt,

— eine Steuerschaltung mit Polaritätserfassung der Eingangsspannung zur Auswahl der anzusteuernden Halbleiterschalter und

— eine Regelschaltung zur Führung einer Ausgangsgröße in Abhängigkeit von einem zeitveränderlichen Sollwert vorgesehen ist,

dadurch gekennzeichnet,

— daß Eingang und Ausgang des Frequenzwandlers gemeinsam sind, und

— daß zur Steuerung der Halbleiterschalter (2, 3) ein Schaltregler (12) dient, dessen Sollwert (SO) von einem Wechselanteil (U3) überlagert ist, dessen Phase sich bei einem Polaritätswechsel der Eingangsspannung (Ui) um 180° verschiebt.

2. Sperrwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler (12) die Summe der Ströme (U, I₂) der beiden Halbleiterschalter (2,3) annähernd konstant hält.

3. Sperrwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wechselanteil (Uz) des Sollwertes (SO) eine Sägezahnspannung dient.

4. Sperrwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert (SO) bzw. der Gleichanteil (Ui) oder dessen Wechselanteil (U3) mittels eines Niederfrequenzsignals moduliert ist, so daß der Sperrwandler als Sender arbeitet.

5. Sperrwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingangsspannung (U^) die Spannung eines Versorgungsnetzes für elektrische Energie dient.

6. Sperrwandler nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verwendung als Sender von Informationen mit der Maßgabe, daß das Versorgungsnetz als Übertragungskanal dient.

7. Sperrwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterschalter (2,3) je ein PNP- und ein NPN-Transistor dient.

8. Sperrwandler nach einem der Ansprüche 1 —6, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterschalter (2,3) zwei gleichartige Transistoren dienen.

9. Sperrwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter (2,3) Kommutierhiifen (21,22) in Form nichtlinearer Schaltungsglieder aufweisen.

10. Sperrwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Kommutierhiifen (21, 22) parallel zu den Teilwicklungen (5, 6) der Spule (1) geschaltete VDR-Widerstände dienen.

Die Erfindung bezieht sich auf einen als Frequenzwandler ausgebildeten fremdgesteuerten Sperrwandler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Gattung.

Ein solcher SperrwandJor ist bereits bekannt (DE-OS 27 28 377). Dabei wird während der ersten Schaltphase des Gegentaktes über den leitenden ersten Halbleiterschalter von der Induktivität einer Drosselspule oder eines Übertragers Energie aufgenommen und in der zweiten Schaltphase des Gegentaktes bei leitendem zweiten Halbleiterschalter an den Ausgang abgegeben. Im Falle der Verwendung einer Drosselspule mit zwei Wicklungen und Mittelanzapfung erfolgt die Energiezufuhr zur ersten Teilwicklung während einer positiven Halbwelle der Eingangsspannung, während die Energiezufuhr zur zweiten Teilwicklung der Spule während der negativen Halbwelle der Eingangsspannung erfolgt Eine Steuer- und Regelschaltung dient zum Konstanthalten bzw. Führen der Ausgangsspannung; dabei wird der als Führungsgröße dienende Sollwert von einem Wechselspannungsgenerator erzeugt, so daß die Ausgangsfrequenz auch veränderbar und modulierbar ist. Die Polarität der Eingangsspannung ist erfaßbar; in Abhängigkeit von derselben werden die anzusteuernden Leistungshalbleiterschalter ausgewählt.

Darüber hinaus sind als Gleichspannungswandler dienende Sperrwandler bekannt (»Elektronik« 1978, Seiten 102—107), bei denen zwei Halbleiterschalter über Dioden an die Primärwicklung eines Transformators gelegt sind, dessen Sekundärwicklung über einen Gleichrichter an den Verbraucher geschaltet ist. Hierbei werden beide als Transistoren ausgebildeten Halbleiterschalter zur gleichen Zeit leitend, was bei einem anderen bekannten Sperrwandler (Wagner: Stromversorgung elektronischer Schaltungen und Geräte, 1964, Seiten 588—594), der nur einen Halbleiterschalter und eine als Transformator ausgebildete Induktivität aufweist, nicht möglich ist.

Schließlich ist es auch bei als Gleichspannungswandlern dienenden Gegentaktwandlern bekannt (DE-OS 27 39 387), zwei Sperrwandler parallel zueinander zu schalten und jedem Sperrwandler eine Wicklung eines einem einzigen Magnetkreis zugeordneten Drosselspulsystems zuzuordnen, ebenso wie dies bereits bei aus zwei Durchflußwandlern bestehenden Gegentaktwandlern bekannt ist, bei denen die Sekundär- und Primärwicklung des Transformators jeweils mit einer Mittelanzapf ung versehen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sperrwandler der eingangs genannten Gattung zu vereinfachen und hierdurch auch störunanfälliger zu machen.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet und in den Unteransprüchen sind weitere Ausbildungen derselben beansprucht.

Da bei dem erfindungsgemäßen Sperrwandler Ein-

gang und Ausgang zusammengelegt sind, kann auf einen separaten Ausgangskreis mit den diesem zugeordneten Bauelementen verzichtet werden. Im Gegensatz zu dem Sperrwandler der eingangs genannten bekannten Bauart Obernimmt ein und derselbe Halbleiterschalter den Siromfluß zur Energiespeicherung in die Drosselspule bei negativer Eingangshalbwelle und zur Energieabgabe an den Verbraucher bei positiver Eingangshalbwelle. Die Ausgangswechselspannung des Frequenzwandler wird mit dem Wechselanteil des Sollwertes ohne Phasenspnsng bei einem Polaritätswechsei der Eingangsspannung synchronisiert; der Schaltregler, dessen Sollwert von einem Wechselspannungsanteil überlagert ist, dessen Phase bei einem Polaritätswechsel der Eingangsspannung um 180° verschoben wird, regelt den Frequenzwandler.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Sperrwandlers ist daher nicht nur vereinfacht, sondern aufgrund der Einsparung an Bauelementen, insbesondere elektronischer Art, wird auch die Störanfälligkeit herabgesetzt.

Beschreibung des Schaltungsaufbaues

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die einzige Zeichnungsfigur zeigt ein Prinzipschaltbild eines fremdgesteuerten Sperrwandlers.

Der fremdgesteuerte Sperrwandler besteht in der Hauptsache aus einer Spule 1, einem ersten steuerbaren Halbleiterschalter 2 und einem zweiten steuerbaren Halbleiterschalter 3. Die Spule 1 besitzt eine Mittelpunktanzapfung 4, welche die Spule 1 elektrisch in eine erste Teilspule 5 und eine zweite Teilspule 6 unterteilt. Eine an einer Leitung 7 anliegende Niederfrequenzspannung U\ speist den Sperrwandler über ein erstes Tiefpaßfilter 8 und die Mittelpunktanzapfung 4. Den beiden Halbleiterschaltern 2 und 3 ist ein Steuergerät 9 zugeordnet. Der Sperrwandler enthält in Serie zum Halbleiterschalter 2 einen ersten StronWSpannungswandler 10 und in Serie zum Halbleiterschalter 3 einen zweiten Stronv/Spannungswandler 11. Im einfachsten Fall sind die StronWSpannungswandler 10 und 11 elektrische Widerstände.

Vorteilhaft wird das Steuergerät 9 mittels eines Schaltreglers 12 realisiert. Einen ersten Istwert S/i proportional zum Schaltstrom h des Halbleiterschalters 2 erhält der Schaltregler 12 über ein erstes Addierglied 13 vom Stronv/Spannungswandler 10 und einen zweiten Istwert S/2 proportional zum Schaltstrom /2 des Halbleiterschalters 3 über das Addierglied 13 vom Strom-/Spannungswandler 11. Der Sollwert SO des Schaltreglers 12 besteht aus einem Gleichspannungsanteil U2 und einem Wechselspannungsanteil Uy, wobei der Gleichspannungsanteil (Λ den Schaltregler 12 über ein Addierglied 14 und der Wechselspannungsanteil Uz den Schaltregler 12 über einen ersten Umschalter 15, ein analoges erstes Polaritätsumkehrglied 16 und das Addierglied 14 erreicht. Mit Vorteil bestpht das Polaritätsumkehrglied t6 aus einem 180°-Phasenschieber. Das Steuergerät 9 enthält ferner am Ausgang des Schaltreglers 12 einen zweiten Umschalter 17 und ein digitales zweites Polaritätsumkehrglied 18, letzteres vorteilhaft in Form eines Impulsinverters.

Den beiden Steuereingängen der Umschalter 15 und 17 ist ein Polaritäts-Detektor 19 und ein zweites Tiefpaßfilter 20 zugeordnet, das von der Ausgangsspannung U* des ersten Tiefpaßfilters 8 gespeist ist. Der Sperrwandler enthält zusätzlich noch eine erste Kommutierhilfe 21 und eine zweite «Commutierhilfe 22. Der Halbleiterschalter 2 wird mit Hilfe eines ersten Verstärkers 23 und der Halbleiterschalter 3 mit Hilfe eines zweiten Verstärkers 24 angesteuert
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Funktionsbeschreibung

Die beiden steuerbaren Halbleiterschalter 2 und 3 arbeiten im Gegentaktbetrieb. Während einer ersten Schaltphase ist der Halbleiterschalter 2 geschlossen und der Halbleiterschalter 3 offen; umgekehrt befindet sich der Schalter 2 während einer zweiten Schaltphase in offener und der Schalter 3 in geschlossener Stellung. Die Schaltfrequenz ist dabei um einiges höher als diejenige der Niederfrequenzspannung U\. Die beiden Strom-/Spannungswandler 10 und 11 messen die in den HaIbieiterschaltern 2 und 3 fließenden Schaltströme Λ und /2, wandeln sie in Spannungen um und führen sie als Istwerte Sh und 5/2 dem Steuergerät 9 beziehungsweise dessen Addierglied 13 zu. Die beiden Schaltströme /1 und h durchqueren das Tiefpaßfilter 8, dessen Grenzfrequenz oberhalb der Sendefrequenz liegt, in entgegengesetzter Richtung, so daß der Niederfrequenzspannung U\ ein höherfrequentes Rechtecksignal überlagert ist

Während der ersten Schaltphase der Halbleiterschalter 2 und 3 liefert die positive Halbwelle der Niederfrequenzspannung U\ Energie an die Teilspule 5 vermittels des Stromes /1, welcher über das Tiefpaßfilter 8, die Teilspule 5, den Halbleiterschalter 2 und den Strom-/Spannungswandler 10 nach Masse fließt. Zu Beginn der zweiten Schaltphase sorgt die Spuleninduktivität dafür, daß der in der Teilspule 5 fließende Strom Λ von der Teilspule 6 als Strom h übernommen wird, wobei im ersten Augenblick /2 gleich /1 ist. In dieser Schaltphase gibt die Teilspule 6 wieder Energie an das Netz zurück.

Zur Kompensation der Energieverluste muß die Niederfrequenzspannung U\ während der ersten Schaltphase mehr, das heißt länger Energie an die Teilspule 5 liefern, als sie während der zweiten Schaltphase von der Teilspule 6 zurückerhält. Der Schaltregler 12 des Steuergerätes 9 vergleicht daher die vom Addierglied 13 gelieferte Summe der beiden Istwerte Sh und S/2 mit dem Sollwert SO und hält so die Summe der beiden Schaltströme h und h annähernd konstant. Der Schaltregler 12 und der Wechselspannungsanteil t/3 des Sollwertes SO bestimmen somit indirekt die Dauer der beiden Schaltphasen und damit auch die Ausgangsfrequenz des Sperrwandlers, welche immer um einiges höher ist als die Frequenz der Niederfrequenzspannung U\. Der Sperrwandler arbeitet somit als Frequenzwandler mit gemeinsamem Ein- und Ausgang. Mit Vorteil wird als Wechselspannungsanteil Uz des Sollwertes SO eine Sägezahnspannung verwendet.
Während der negativen Halbwelle der Niederfrequenzspannung U\ sind die Rollen der Teilspule 5, des Halbleiterschalters 2 und des Stronv/Spannungswandlers 10 einerseits und diejenigen der Teilspule 6, des Halbleiterschalters 3 und des StronWSpannungswandlers 11 anderseits vertauscht. Während dieser negativen Halbwelle muß der Regel-Sinn des Schaltreglers 12 mit Hilfe des Umschalters 17 und des digitalen Polaritätsumkehrgliedes 18 umgekehrt werden. Um trotzdem ein phasenkorrektes Ausgangssignal zu erhalten, muß der Umschalter 15 das analoge Polaritätsumkehrglied 16 während der negativen Halbwelle der Niederfrequenzspannung U\ in Betrieb nehmen. Zur Steuerung der Umschalter 15 und 17 dient die mittels des zweiten Tiefpaßfilters 20 gefilterte und mittels des Polaritäts-Detektors

19 in ein Rechtecksignal umgewandelte Ausgangsspannung Us, des ersten Tiefpaßfilters 8. Die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 20 liegt z. B. unterhalb der Sendefrequenz, aber oberhalb der Netzfrequenz.

Der gezeichnete Schaltungsaufbau enthält je einen PNP- und einen NPN-Transistor als Halbleiterschalter 2 und 3, was den Vorteil einer einfachen Ansteuerung der beiden Halbleiterschalter 2 und 3 hat. Zur Vereinfachung der Lagerhaltung und der Anpassung bei der Auswahl der Transistoren können aber auch, unter gleichzeitiger Schaltungsanpassung der Verstärker 23 und 24, zwei Transistoren vom gleichen Typ, PNP oder NPN, Verwendung finden.

Zum Schütze der Halbleiterschalter vor Schalt-Überspannungen ist der Sperrwandler mit Kommutierhilfen 21 und 22 in Form von nichtlinearen Schaltungsgliedern versehen. Hierfür eignen sich vor allem spannungsabhängige, zu den Teilspulen 5 und 6 parallelgeschaltete sogenannte VDR-Widerstände.

Der als Frequenzwandler arbeitende Sperrwandler kann als Sender benutzt werden, indem entweder der Gleichspannungsanteil U2 des Sollwertes SO amplitudenmoduliert oder der Wechselspannungsanteil Uj des Sollwertes .5O frequenz- oder phasenmoduliert wird. Wählt man als Niederfrequenzspannung U\ die Spannung eines Versorgungsnetzes für elektrische Energie, so verwendet der Sender als Übertragungskanal das Energieversorgungsnetz zum Übermitteln von Informationen. Vorteile eines solchen Senders sind der einfache Schaltungsaufbau, insbesondere der Wegfall von Kon-

densatoren und einer aufwendigen Gleichrichter-Speisung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Als Frequenzwandler ausgebildeter fremdgesteuerter Sperrwandler mit mindestens zwei gesteuerten Halbleiterschaltern und einer Drosselspule mit Mittelanzapfung als induktiven Energiespeicher, bei welchem