DE3631138C2 - Spannungsquelle mit Gleichspannungsumformer - Google Patents
Spannungsquelle mit GleichspannungsumformerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Spannungsquelle gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Insbesondere befaßt sich die
Erfindung mit einer für hohe elektrische Leistungen ausgelegten
Spannungsquelle zur Erzeugung einer stabilisierten
Ausgangsspannung (JP-OS 60-87 672).
Es sind verschiedene Spannungsquellen mit Gleichspannungswandlern
bekannt, bei denen eine Eingangsgleichspannung
in gesteuerter Weise ein- und ausgeschaltet wird, so daß
man an einem Leistungstransformator die gewünschte konstante
Ausgangsspannung erhält. Ein Beispiel einer derartigen
getakteten oder umschaltenden Spannungsquelle wird in
den nachveröffentlichten japanischen Patentanmeldungen 21 58 54/1984 und
21 18 41/1984; JP-OS 61-94 566; 61-92 121 beschrieben. In einer solchen Spannungsquelle
ist ein sättigbarer Drosseltransformator vorgesehen,
und die Impedanz eines Serienresonanzkreises auf
der Primärseite des Leistungstransformators wird in Abhängigkeit
von der Ausgangsspannung auf der Sekundärseite des
Leistungstransformators derart verändert, daß der Erregerstrom
geregelt und die Ausgangsspannung stabilisiert wird.
Zur Erläuterung dieses Standes der Technik soll bereits
hier auf Fig. 12 und 13 der Zeichnung Bezug genommen
werden.
Fig. 12 zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen Spannungsquelle,
bei der die Eingangsgleichspannung beispielsweise
durch Gleichrichten und Glätten der Ausgangsspannung
einer handelsüblichen Wechselspannungsquelle 101 mit
Hilfe eines Vollwellengleichrichters 102 in Form einer
Diodenbrücke und mit Hilfe eines Glättungskondensators 103
erzeugt wird. Die Eingangsgleichspannung gelangt
über einen Transistor Q₁ und eine Primärwicklung NA eines
Wandler-Treibertransformators 111 an einen Serienresonanzkreis,
der einen Kondensator 112, eine gesteuerte Wicklung NR
eines sättigbaren Drosseltransformators 113 zur Leistungsregelung
und eine Primärwicklung N1 eines Leistungs-
Trenntransformators 114 enthält. Der Strom der Eingangs-
Gleichspannungsquelle wird mit Hilfe einer selbsterregenden
oszillierenden Treiberschaltung 115 ein- und ausgeschaltet.
Die Treiberschaltung 115 enthält erste und zweite
Schalttransistoren Q1 und Q2. Die Basis des ersten Schalttransistors
Q1 ist an einen Serienresonanzkreis angeschlossen,
der durch eine Sekundärwicklung NB1 des Wandler-Treibertransformators
111 und einen Kondensator CB1 gebildet
wird. Die Basis des zweiten Schalttransistors Q2 ist an
einen Serienresonanzkreis angeschlossen, der durch eine
weitere Sekundärwicklung NB2 des Treibertransformators 111
und einen Kondensator CB2 gebildet wird.
Der sättigbare Drosseltransformator 113 weist eine gesteuerte
Wicklung NR und eine Steuerwicklung NC auf. Wie
in Fig. 13 gezeigt ist, ist die gesteuerte Wicklung NR
so gewickelt, daß sie zwei benachbarte Schenkel 113a
und 113b eines Magnetkerns 113e umschließt, der insgesamt
vier Schenkel 113a bis 113d aufweist. Die Steuerwicklung NC
ist so gewickelt, daß sie beispielsweise die Schenkel 113b
und 113c umgibt ist derart ausgerichtet, daß ihre
große Achse (in der Wicklungsebene) rechtwinklig zu der
großen Achse der Wicklung NR verläuft. Durch einen der
Steuerwicklung NC zugeführten Steuerstrom wird der magnetische
Fluß in dem sättigbaren Drosseltransformator 113
und damit die Induktivität der gesteuerten Wicklung NR
gesteuert.
Ein Parallelresonanz-Kondensator CS und eine Gleichrichtungs-
und Glättungsschaltung 116 sind an die Sekundärwicklung N2
des Leistungs-Trenntransformators 114 angeschlossen.
Die Ausgangsgleichspannung der Schaltung 116 wird durch
eine Steuerschaltung 117 in den Steuerstrom umgewandelt,
der der Steuerwicklung NC des Drosseltransformators 113
zugeführt wird. Somit ändert sich die Induktivität des
Drosseltransformators 113 in Abhängigkeit von Schwankungen
der Ausgleichsspannung. Hierdurch wird die Impedanz des Serienresonanzkreises
im Primärkreis des Leistungstransformators 114
und damit der Erregerstrom derart verändert,
daß die Ausgangsgleichspannung auf einen konstanten
Wert eingeregelt wird.
Ein Nachteil der oben beschriebenen Spannungsquelle besteht
darin, daß es die Wärmeabgabe des Drosseltransformators 113
erforderlich macht, eine wärmeabstrahlende
Platte 113f mit Hilfe eines U-förmigen Bügels 113g
an dem Magnetkern 113e des Transformators zu befestigen
und gegen das Abschirmungsgehäuse der Spannungsquelle zu
spannen, damit eine ausreichende Wärmeabstrahlung gewährleistet
ist. Darüber hinaus verursacht der Drosseltransformator 113
hohe magnetische Streuverluste. Die Wechselspannungs-
Gleichspannungsumwandlung arbeitet in dieser
Spannungsquelle mit einem Wirkungsgrad von maximal
83 bis 85%. Es ist jedoch wünschenswert, einen höheren
Wirkungsgrad zu erreichen, insbesondere wenn die Ausgangsleistung
mehr als etwa 100 Watt betragen soll.
Aus der JP-OS 60-87 672 ist ein Spannungswandler bekannt, der
einen sättigbaren Drosseltransformator aufweist. Die Impedanz
eines Serienresonanzkreises auf der Primärseite des
Leistungstransformators wird in Abhängigkeit von der Aus
gangsspannung auf der Sekundärseite des Leistungstransformators
geregelt, so daß die Ausgangsspannung stabilisiert
wird. Auch bei diesem Spannungswandler stellt die Verlust
wärmeentwicklung des Drosseltransformators ein großes, uner
wünschtes Problem dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen selbst
schwingenden Gleichspannungswandler der eingangs genannten
Art derart auszubilden, daß Streuverluste und die Verlustwärme
verringert werden und daß unter dem Gesichtspunkt der
Wärmeabfuhr eine vereinfachte Konstruktion des Abschirmgehäuses
und eine Verringerung der Abmessungen und des Gewichts
des Drosseltransformators ermöglicht werden.
Die Gesamtverluste des Drosseltransformators sollen minimiert
werden, und bei der Leistungsumwandlung soll ein Wirkungsgrad
von annähernd 90% erreicht werden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, den Regelbereich zu
vergrößern, innerhalb dessen Schwankungen der Last und der
Eingangsspannung oder des Eingangsstromes ausgeglichen werden
können.
Eine Lösung dieser Aufgabe ist im einzelnen in dem Patentanspruch
1 angegeben.
Erfindungsgemäß wird durch die Regelung der Induktivität
des sättigbaren Drosseltransformators die Schaltfrequenz
der Treiberschaltung verändert, die das Umschalten des
Eingangsgleichstromes steuert.
Hierdurch ist es möglich, die Oszillationsfrequenz im
Primärkreis des Leistungstransformators entsprechend
Schwankungen der Eingangsspannung oder der Last zu regeln.
Dadurch können die Abmessungen und das Gewicht des Drosseltransformators
verringert werden, und Wärme- und Streuverluste
des Drosseltransformators werden durch den Betrieb
bei niedriger Amplitude beträchtlich vermindert.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Fig. 1 bis 11 der Zeichnung
näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Schaltskizze eines ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische perspektivische
Ansicht eines sättigbaren Drosseltransformators;
Fig. 3 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung
der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen
Spannungsquelle;
Fig. 4 Strom/Spannungs-Kennlinien des sättigbaren
Drosseltransformators;
Fig. 5 Steuerkennlinien zur Aussteuerung von
Schwankungen des Laststromes;
Fig. 6 Kennlinien der Eingangsfrequenz in
Abhängigkeit vom Laststrom;
Fig. 7 ein Ersatzschaltbild eines Gleichspannungswandlers
der Spannungsquelle;
Fig. 8 ein Ersatzschaltbild der Gleichspannungsquelle;
Fig. 9 ein Diagramm zur Veranschaulichung der
Änderung der Ausgangsspannung in Abhängigkeit
von der Oszillationsfrequenz
des Wandlers;
Fig. 10 eine Schaltskizze eines abgewandelten
Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 11 eine Schaltskizze eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
Fig. 12 eine Schaltskizze eines Beispiels
einer herkömmlichen Spannungsquelle
mit Gleichspannungswandler; und
Fig. 13 eine schematische perspektivische Ansicht
eines herkömmlichen sättigbaren
Drosseltransformators.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1
dargestellt. Die Eingangsgleichspannung der Spannungsquelle
wird erzeugt durch Gleichrichten und Glätten der Wechselspannung
einer handelsüblichen Wechselspannungsquelle 1
mit Hilfe eines durch eine Diodenbrücke gebildeten Vollwellengleichrichters 2
und eines Glättungskondensators 3.
Ein Ein/Aus-Schalter 4 der Spannungsquelle und ein Widerstand 5
zur Begrenzung des Eingangsstromes sind in Serie
zwischen die Wechselspannungsquelle 1 und den Vollwellengleichrichter 2
geschaltet.
Die Eingangsgleichspannung gelangt über einen Transistor Q1
und eine Primärwicklung NA eines sättigbaren Drosseltransformators 21
an einen Serienresonanzkreis, der durch
einen Kondensator 22 und eine Primärwicklung N1 eines
Leistungstransformators 23 gebildet wird. Der Drosseltransformator 21
besitzt eine Primärwicklung NA sowie
zwei Sekundärwicklungen NB1 und NB2 und eine Steuerwicklung NC.
Gemäß Fig. 2 sind die Primärwicklung NA und die
beiden Sekundärwicklungen NB1 und NB2 so gewickelt, daß
sie zwei benachbarte Schenkel 21a und 21b eines Magnetkerns 21e
umschließen, der insgesamt vier Schenkel 21a, 21b, 21c
und 21d aufweist. Die Steuerwicklung NC ist derart gewickelt,
daß sie die Schenkel 21b und 21c des Magnetkerns
umschließt, wobei die Ebene der Schenkel 21b und 21c rechtwinklig
zur Ebene der Schenkel 21a, 21b und somit zur Längsrichtung
der Wicklungen NA, NB1 und NB2 liegt.
Eine oszillierende Treiberschaltung 24 ist in der in Fig. 1
gezeigten Weise an die Sekundärwicklungen NB1 und NB2 des
Drosseltransformators 21 angeschlossen und dient dazu,
den Eingangsgleichstrom in kontrollierter Weise ein- und
auszuschalten. Die Treiberschaltung 24 umfaßt eine Serienschaltung,
die den Transistor Q1 und einen zweiten Transistor Q2
enthält. Eine Diode DB1 ist zwischen Emitter und
Basis des Transistors Q1 geschaltet. Der Kollektor des
Transistors Q2 ist mit dem Emitter des Transistors Q1
verbunden, während der Emitter des Transistors Q2 an
Masse liegt oder geerdet ist. Die Basis des Transistors Q2
ist mit einer Diode DB2 verbunden, deren andere Elektrode
ebenfalls geerdet ist. Der Transistor Q1 ist zwischen
die Eingangsklemme für die Eingangsgleichspannung Ei
und die Primärwicklung NA des Drosseltransformators 21
geschaltet, während der Transistor Q2 zwischen die
Primärwicklung NA des Drosseltransformators 21 und Erde
geschaltet ist. Ein Serienresonanzkreis, der durch eine
der Sekundärwicklungen NB1 des Drosseltransformators 21
und einen Kondensator CB1 gebildet wird, ist zwischen
Emitter und Basis des Transistors Q1 geschaltet. Ein
weiterer Serienresonanzkreis, der durch die Sekundärwicklung NB2
des Drosseltransformators 21 und einen Kondensator CB2
gebildet wird, ist zwischen Emitter und Basis
des Transistors Q2 geschaltet. Zwei Startwiderstände RS1
und RS2 sind jeweils zwischen den Gleichspannungseingang
und die Basis des Schalttransistors Q1 bzw. Q2 geschaltet.
An die Sekundärwicklung N2 des Leistungstransformators 23
sind ein parallel geschalteter Resonanzkondensator CS und
eine gleichrichtende Glättungsschaltung 25 angeschlossen.
Die Ausgangsgleichspannung der Glättungsschaltung 25 wird
durch eine Steuerschaltung 26 in einen Steuerstrom umgewandelt,
der der Steuerwicklung NC des sättigbaren Drosseltransformators
21 zugeführt wird.
Die oben beschriebene sogenannte magnetflußgeregelte Gleichspannungsquelle
arbeitet wie folgt. Wenn der Ein/Aus-Schalter 4
geschlossen wird, wird der Oszillatorschaltung 24
die von der Eingangsgleichspannungsquelle erzeugte Spannung Ei
zugeführt, so daß über die Startwiderstände RS1 und RS2
Strom zu den Basen der Schalttransistoren Q1 und Q2 fließt.
Auf diese Weise werden die Transistoren Q1 und Q2 angesteuert,
so daß sie den Schaltbetrieb aufnehmen. Während
des laufenden Betriebs wird der Schalttransistor Q1
über den Serienresonanzkreis, der durch den Kondensator CB1
und die Induktivität der Sekundärwicklung NB1 des
Drosseltransformators 21 gebildet wird, durch den in
der Sekundärwicklung NB1 fließenden sinusförmigen Wechselstrom
angesteuert. Wenn dieser Strom auf 0 abfällt,
wird der Schalttransistor Q2 über den durch die Induktivität
der Sekundärwicklung NB2 des Drosseltransformators 21
und den Kondensator CB2 gebildeten Serienresonanzkreis
durch den sinusförmigen Wechselstrom der Sekundärwicklung NB2
aufgesteuert. Die oben beschriebenen Schaltvorgänge
werden abwechselnd wiederholt.
Die Steuerwicklung NC des Drosseltransformators 21 nimmt
den Ausgangsstrom der Steuerschaltung 26 auf. Bei diesem
Ausgangsstrom handelt es sich um einen Gleichstrom, der
durch Abtastung der Ausgangsspannung des Leistungstransformators 26
gewonnen wurde. Der durch die Steuerwicklung NC
des Drosseltransformators 21 fließende Steuerstrom
steuert die Induktivität der Sekundärwicklungen NB1 und
NB2, die ihrerseits die Oszillationsfrequenz der Oszillatorschaltung
oder Treiberschaltung 24 derart beeinflußt,
daß die Ausgangsgleichspannung des Leistungstransformators 23
selbst im Fall von Schwankungen der Belastung oder
der Eingangsgleichspannung Ei konstant gehalten wird.
Die Kollektor-Emitterspannung VCE des Transistors Q1 hat den in Fig. 3A
gezeigten Verlauf, während sich die Kollektorspannung
des Transistors Q2 gemäß Fig. 3B ändert. Die sinusförmigen
Wechselströme in den Sekundärwicklungen NB2 und
NB2 sind in Fig. 3C und 3D dargestellt. Die Fig. 3E
und 3F zeigen die Kollektorströme der Schalttransistoren Q1
und Q2. Der in der Primärwicklung N1 des Leistungstransformators 23
fließende Strom ist in Fig. 3G dargestellt.
Infolge der Serienresonanz zwischen dem Kapazitätswert C1
des Kondensators 22 und der Induktivität L1 der
Primärwicklung N1 des Leistungstransformators 23 hat der
Strom in der Primärwicklung N1 einen sinusförmigen Verlauf,
wie in Fig. 3G zu erkennen ist. Aufgrund dieser Serienresonanz
fließt ein Resonanzstrom in der Primärwicklung NA
des Drosseltransformators 21. Die durch diesen Strom induzierte
Spannung erzeugt Serienresonanzen der Induktivitäten LB1
und LB2 der Sekundärwicklungen NB1, NB2 und
der Kapazitäten der Kondensatoren CB1 und CB2, so daß
die in Fig. 3C und 3D gezeigten sinusförmigen Ströme
als Basisströme an die jeweiligen Schalttransistoren Q1
und Q2 gelangen. Unter der Annahme, daß LB1 = LB2 und
CB1 = CB2, gilt für die Schaltfrequenz f bei diesem Ausführungsbeispiel;
Wenn der Luftspalt des Kerns des Drosseltransformators
21 mit dem in Fig. 2 gezeigten orthogonalen Aufbau nur
in einem Schenkel vorgesehen ist, wird die Beziehung
zwischen den in den Sekundärwicklungen NB1 und NB2 des
Drosseltransformators 21 fließenden Strömen IB1 bzw.
IB2 und den Induktivitäten LB1 und LB2 durch den in der
Steuerwicklung NC fließenden Steuergleichstrom INC in
der in Fig. 4 gezeigten Weise verändert. Wenn daher
die Steuerschaltung 26 derart ausgelegt ist, daß sich
der Steuergleichstrom INC in der in Fig. 5 gezeigten
Weise entsprechend dem Laststrom IL im Sekundärkreis
des Leistungstransformators 23 oder entsprechend Schwankungen
der durch Gleichrichtung und Glättung der Spannung
der Wechselspannungsquelle 1 erhaltenen Eingangsgleichspannung Ei
ändert, so wird die Oszillationsfrequenz f
der Treiberschaltung 24 entsprechend den Änderungen des
Lasttromes IL oder entsprechend den Schwankungen der
Eingangsgleichspannung Ei gesteuert, wie in Fig. 6 gezeigt
ist.
Fig. 7 zeigt ein Ersatzschaltbild, bei dem die Schalttransistoren Q1
und Q2 der Treiberschaltung durch Schalter T1
und T2 ersetzt sind. Da die Umschaltanordnung
auf der Primärseite des Leistungstransformators 23 als
ein Wandler betrachtet werden kann, der in der Primärwicklung N1
den sinusförmigen Wechselstrom mit der Oszillationsfrequenz f
hervorruft, kann diese Umschaltanordnung
durch eine Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle ersetzt
werden, so daß sich das in Fig. 8 gezeigte Ersatzschaltbild
ergibt. Fig. 7 und 8 repräsentieren L1 und L2
die Induktivitäten der Primär- und Sekundärwicklungen N1
und N2 des Trenntransformators 23, und M repräsentiert
die Gegeninduktivität zwischen diesen Wicklungen. RL steht
für den Lastwiderstand auf der Sekundärseite des Trenntransformators
23. In dem Ersatzschaltbild nach Fig. 8
ist der Effektivwert E0 der von der Hochfrequenz-Wechselspannungsquelle
erhaltenen Ausgangswechselspannung EAC
gegeben durch
Der maximale Effektivwert E0MAX wird erhalten, wenn die
Parallelresonanzfrequenz f0 gleich der Schaltfrequenz f
ist. Die Parallelresonanzfrequenz f0 ist gegeben durch
so daß der maximale Effektivwert E0MAX gegeben ist durch
wobei K und K′ Konstanten sind und
Die Wirkungsweise der Frequenzsteuerung gemäß Fig. 6, durch die
unabhängig von Änderungen des Lastwiderstands RL und der
Eingangsgleichspannung Ei eine konstante Ausgangsspannung
aufrechterhalten wird, wird daher durch diese Gleichung
korrekt ausgedrückt. Damit gemäß Fig. 9 die maximale
Ausgangsleistung erreicht wird, wird die Schaltfrequenz f
so gewählt, daß sie mit der Parallelresonanzfrequenz
übereinstimmt. Im Fall geringer Last oder hoher Eingangsspannung
wird die Frequenz um den Betrag Δf geändert,
um die Ausgangsgleichspannung auf einen konstanten Wert
einzuregeln.
Wenn die sekundärseitig an den Leistungstransformator 23
angeschlossene Gleichrichtungs- und Glättungsschaltung 25
eine erste Gleichrichtungs- und Glättungsschaltung 25a
zur Erzeugung einer Ausgangsgleichspannung von 140 V und
eine zweite Gleichrichtungs- und Glättungsspannung 25b
zur Erzeugung einer Ausgangsgleichspannung von 15 V enthält,
so arbeitet die erfindungsgemäße Spannungswelle, die eine
elektrische Ausgangsleistung von 155 Watt entsprechend der
Summe der Ausgangsleistung von 140 Watt der ersten Schaltung 25a
und der Ausgangsleistung von 15 Watt der zweiten Schaltung 25b
liefert, unter Bedingungen, bei denen die Spannung
der Eingangs-Wechselspannungsquelle 1 im Bereich von 90
bis 144 V schwankt.
Wenn derartige Bedingungen bei der in Fig. 12 gezeigten
herkömmlichen Spannungsquelle erfüllt werden sollen,
wird die Schaltfrequenz f auf 50 kHz eingestellt, da die
Kernverluste des Drosseltransformators 113 bei höheren
Frequenzen als 50 kHz zunehmen und die Frequenz f auf
einen Bereich von 40 bis 50 kHz eingestellt werden sollte.
Wenn als Magnetkern des Wandler-Treibertransformators 111
Ferritkerne des Typs U-16 oder FE-2 verwendet werden, so
ist es erforderlich, daß als Magnetkern 113e des Drosseltransformators 113
ein orthogonaler Kern mit einer Größe
von 8 mm×8 mm im Querschnitt verwendet wird. Ferner muß
als gesteuerte Wicklung NR eine Wicklung mit 35 Windungen
in Form eines Bündels aus dreiundvierzig feinen Kerndrähten
mit jeweils 0,1 mm Durchmesser eingesetzt werden.
An dem Magnetkern 113e muß mit Hilfe des in Fig. 13 gezeigten
U-förmigen Bügels 113g eine wärmeabstrahlende
Platte 113f befestigt werden, die an ein Abschirmungsgehäuse
des Spannungsversorgungsblockes angeklemmt wird,
damit die durch die Kernverluste erzeugte Wärme abgestrahlt
wird. Versuche haben ergeben, daß, wenn die herkömmliche
Spannungsquelle entsprechend diesen Bedingungen
aufgebaut ist, bei der Wechselspannung/Gleichspannungs-
Umformung für eine Wechselspannung von 100 V ein Wirkungsgrad
von 83% erreicht wird.
Demgegenüber wird bei der oben beschriebenen erfindungsgemäßen
Spannungsquelle der sättigbare Drosseltransformator 21
zur Steuerung der Oszillationsfrequenz der Treiberschaltung 24
eingesetzt, und aufgrund des Betriebs bei
kleiner Amplitude ergeben sich im Hochfrequenzbereich nur
geringe Kernverluste. Daher kann selbst unter den obengenannten
Bedingungen die Frequenz f auf einen Wert im Bereich
von 100 bis 150 kHz eingestellt werden. In diesem
Fall kann für den Drosseltransformator 21 ein Kern aus
dem Material FE-3 verwendet werden, der nur einen Querschnitt
von 6 mm×6 mm aufweist, und für jede der Wicklungen NA,
NB1 und NB2 kann eine Wicklung mit sieben Windungen
bestehend aus einem Bündel aus siebzehn feinen Kerndrähten
mit jeweils 0,1 mm verwendet werden. Somit kann die
Größe und das Gewicht des Drosseltransformators 21 verringert
werden, während durch natürliche Kühlwirkung eine ausreichende
und zuverlässige Wärmeabstrahlung gewährleistet
wird. Versuche haben ergeben, daß der Wirkungsgrad bei
der Wechselspannung/Gleichspannungs-Umwandlung für eine
Wechselspannung von 100 V mit der erfindungsgemäßen Spannungsquelle
auf 90% erhöht werden kann.
Fig. 10 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem auf der Sekundärseite des Leistungstransformators 23
zwei Sekundärwicklungen N2A und N2B vorgesehen
sind. Eine erste Doppelspannungs-Vollwellengleichrichtungs-
und Glättungsschaltung 25aa ist an die Sekundärwicklungen N2A
und N2B angeschlossen, und eine zweite
Doppelspannungs-Vollwellengleichrichtungs- und Glättungsschaltung 25bb
ist an die Sekundärwicklung N2B angeschlossen.
Abgesehen von dieser Besonderheit ist die Anordnung
bei diesem Ausführungsbeispiel mit der Anordnung in dem
in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel identisch.
Da bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 die Windungszahl
jeder der Sekundärwicklungen N2A und N2B die Hälfte
der Windungszahlen der Sekundärwicklung N2 in Fig. 1 beträgt,
kann die Größe des Leistungstransformators 23 verringert
werden. Darüber hinaus werden an den Ausgangsklemmen
der Schaltungen 25aa und 25bb vier verschiedene
Ausgangsspannungen, beispielsweise 140 V, 70 V, 15 V und
7,5 V erhalten.
Während bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen
als Oszillator- oder Treiberschaltung 24 eine Gegentaktschaltung
mit zwei Schalttransistoren Q1 und Q2 verwendet
wird, kann auch eine oszillierende Treiberschaltung 24S
vorgesehen werden, die nur einen einzigen Schalttransistor Q
aufweist, sofern für die angeschlossene Last nur eine
relativ geringe Leistung erforderlich ist. Ein entsprechendes
Ausführungsbeispiel ist in Fig. 11 dargestellt.
In Fig. 11 weist der sättigbare Drosseltransformator 21S
eine Primärwicklung NA, eine Sekundärwicklung NB und eine
Steuerwicklung NC auf. Ein durch die Sekundärwicklung NB
und einen Kondensator CB der Treiberschaltung 24S gebildeter
Serienresonanzkreis ist an die Basis des Schalttransistors Q
angeschlossen. Zwischen den Emitter und die
Basis des Schalttransistors Q ist eine Diode DB geschaltet.
Ein Startwiderstand RS ist zwischen die Basis des Schalttransistors
Q und den Gleichspannungseingang geschaltet.
An die Sekundärseite des Leistungstransformators 23 ist
eine Halbwellen-Gleichrichtungs- und -glättungsschaltung
angeschlossen. Die übrigen Schaltelemente der in Fig. 11
gezeigten Schaltung entsprechen dem in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel.
Bei der erfindungsgemäßen Spannungsquelle mit getaktetem
oder umschaltendem Gleichspannungswandler wird der sättigbare
Drosseltransformator zur Steuerung der Schaltfrequenz
der oszillierenden Treiberschaltung verwendet, die zum
Umschalten des Primärstromes dient. Hierdurch wird ein
Betrieb mit hoher Frequenz bei kleiner Amplitude ermöglicht,
eine Verringerung der Abmessungen und des Gewichts
des Drosseltransformators erreicht und Kernverluste verringert.
Darüber hinaus ergibt sich ein vergrößerter Regelbereich,
so daß der Aufbau eines kostengünstigen hochstabilisierten
Leistungsumformers ermöglicht wird. Da der
Drosseltransformator mit geringer Stromstärke betrieben
wird, wird die magnetische Streuung des Drosseltransformators
verringert und die Konstruktion des Abschirmungsgehäuses
des Spannungsversorgungsblockes vereinfacht. Während
das Gehäuse der herkömmlichen Spannungsversorgung aus
Aluminium mit einer Stärke von 2 mm besteht, ermöglicht
die Erfindung die Verwendung eines Gehäuses aus Eisenplatten
mit einer Stärke von 1 mm. Darüber hinaus kann das
Brummen des Transformators beseitigt werden, da der Drosseltransformator
nicht mit dem Abschirmungsgehäuse verbunden
werden muß.
Claims (8)
1. Selbstschwingender Gleichspannungswandler
- - mit einem aus der Primärwicklung (N₁) eines Leistungs transformators (23) und einer Kapazität (22) bestehenden LC-Reihenschwingkreis, zu welchem zusätzlich eine Wicklung (NA) eines sättigbaren Drosseltransformators mit steuerbarer Induktivität in Reihe liegt,
- - wobei eine die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers abtastende Steuerschaltung (26) im Sinne von deren Regelung auf eine Steuerwicklung (NC) des Drosseltransformators einwirkt,
- - wobei zum Schalten des Stromes im LC-Reihenschwingkreis wenigstens ein steuerbares Schaltmittel (Q₁, Q₂) vorhanden ist, das über einen im Reihenschwingkreis angeordneten Treibertransformator mit zugehörigem Treiberschwingkreis (NB, CB; NB1, NB2, CB1, CB2) oszillierend angesteuert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
der sättigbare Drosseltransformator und der Treibertransformator
durch einen einzigen gemeinsamen Transformator (21,
21S) gebildet sind, der durch seine Induktivität die Oszil
lationsfrequenz des Treiberschwingkreises regelt.
2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Treiberschwingkreis zwei in Serie geschaltete
und im Gegentakt geöffnete und geschlossene Schaltmittel
(Q₁, Q₂) aufweist und daß der Ausgang des Treiberschwingkreises,
an den der Reihenschwingkreis (C₁, N₁) angeschlossen
ist, durch den Verbindungspunkt zwischen den ersten und
zweiten Schaltmitteln (Q₁, Q₂) gebildet wird.
3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises
so gewählt ist, daß sie höchstens gleich der minimalen Os
zillationsfrequenz des Treiberschwingkreises (24) ist und
daß die Ausgangsspannung abnimmt, wenn sich die Oszillations
frequenz innerhalb des Regelbereichs des Treiberschwingkreises
erhöht.
4. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der sättigbare Kern (21e) des Drosseltransformators
(21) aus gesintertem Ferrit hergestellt ist und im
wesentlichen die Form eines Würfels oder Parallelepipeds
aufweist und aus zwei Kernhälften besteht, die jeweils durch
eine quadratische Basisplatte und vier von den Ecken der Basisplatten
ausgehende magnetische Schenkel (21a, 21b, 21c, 21d)
gebildet wird, die mit ihren freien Enden an den Enden der
Schenkel der anderen Kernhälfte anliegen, daß die Primärwicklung
(NA) und die mit dieser in Transformatorkopplung
stehende Sekundärwicklung (NB1, NB2) um einen ersten Schenkel
(21a) des Kerns gewickelt sind, während eine Steuerwicklung
(NC), die von einem als Funktion der Ausgangsspannung ge
steuerten Gleichstrom durchflossen wird, um den zweiten
Schenkel (21b) und einen dritten Schenkel (21c) des Kerns
und orthogonal zu der Sekundärwicklung ausgerichtet ist.
5. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Reihenschwingkreis durch eine Serienschaltung
aus der Primärwicklung (N₁) des Leistungstransformators
(22) und einem Kondensator (C₁) gebildet wird.
6. Gleichspannungswandler nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Schaltmittel (Q₁, Q₂) parallel zu dem Kon
densator (C₁) geschaltet sind.
7. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Drosseltransformator (21) einen Magnetkern
mit vier parallelen Schenkeln (21a, 21b, 21c, 21d) aufweist,
daß die zweiten und dritten Wicklungen (NB1, NB2) um erste
und zweite Schenkel (21a, 21b) des Kerns gewickelt sind und
daß die vierte Wicklung (NC) um den zweiten Schenkel (21b)
und einen dritten Schenkel (21c) des Kerns gewickelt ist.
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