DE4116434A1 - Sperrwandler mit nur einer primaerseitigen uebertrager-hilfswicklung - Google Patents

Description

Anwendungsgebiete der Erfindung sind all jene, bei denen eine Gleich- oder Wechselspannung in einer für Sperrwandlerschaltungen gebräuchlichen Leistungsklasse aus allgemein üblichen Stromnetzen in eine andere Gleichspannung umgewandelt werden soll.

Dementsprechend vielfältig sind die Einsatzgebiete, welche von der Stromversorgung von TV-Geräten über die Versorgung von Beleuchtungseinrichtungen, Ladegeräten, Laserstromversorgungen bis zur Anwendung in der Computertechnik und dem wissenschaftlichen Gerätebau reichen.

Transverterschaltungen in der Ausführung als selbstschwingender Sperrwandler, welcher außer einer Primär- und einer Sekundärwicklung noch mindestens eine zusätzliche Steuerwicklung zur Bereitstellung des Basisstroms für den Schalttransistor und einer negativen Spannung zu dessen zyklischen Abschalten aufweisen, sind hinreichend bekannt.

Weiterhin ist es üblich, wenn die Anforderungen an die Konstanz der Ausgangsspannung(en) nicht zu hoch sind, die Regelung der Ausgangsspannung(en) von der Primärseite her vorzunehmen, wofür ein Sperrwandler von seinem physikalischen Wirkprinzip her besonders geeignet ist. Damit entfällt die Notwendigkeit der potentialgetrennten Übertragung des Reglerausgangssignals von der Sekundärseite der Gesamtschaltung auf die Primärseite.

Eine solche Schaltung ist beispielsweise in der Patentschrift DD 2 55 826 beschrieben.

Darüber hinaus ist es zur Sicherung eines korrekten und verlustleistungsarmen Schaltverhaltens wünschenswert, den Basisstrom zur Steuerung des Schalttransistors so zu beeinflussen, daß er dem Kollektorstrom in einem konstanten, proportionalen Verhältnis angepaßt ist.

Die Steuerung des Basisstroms in der beschriebenen Weise ist z. B. in der Patentschrift DD 2 25 571 dargestellt.

Auch ist die Vereinigung eines primärseitig geregelten und selbstschwingenden Sperrwandlers mit kollektorstromproportionalem Basisstrom durch die Patentschriften DD 2 22 462 und DD 2 23 308 bekannt.

Bei diesen Schaltungen besteht allerdings die Problematik, daß die Regelstufen keinen primärseitigen Massebezug besitzen. Aus diesem Grunde sind Symmetriewiderstände erforderlich, welche die Regelstufe potentialmäßig so zu den übrigen Schaltungsteilen legen, daß ein spannungsgeregelter Betrieb überhaupt erst möglich wird. Diese Symmetriewiderstände müssen ein Mehrfaches des Stromes führen, der für den Betrieb der Vergleichsstufe notwendig wäre. Dadurch werden allerdings nachteiligerweise der Wirkungsgrad und die Regelgenauigkeit beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit möglichst einfachen Mitteln, insbesondere ohne weitere zusätzlich zur Versorgung des Schalttransistors erforderliche primärseitige Hilfswicklung des Übertragers, ohne Symmetriewiderstände und ohne zusätzliche Rückkopplungsmittel vom Ausgangs- zum Primärkreis, z. B. mittels Optokoppler, eine ausgangsspannungsproportionale und primärpotentialbezogene Regelspannung für die Einschaltdauer des Schalttransistors zu gewinnen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Sperrwandler mit nur einer primärseitigen Übertrager-Hilfswicklung, enthaltend einen Schalttransistor, in dessen Kollektorkreis sich eine Primärwicklung des Übertragers befindet und dessen Emitter mit Primärbezugspotential verbunden ist, wobei ein Strommeßwiderstand am Emitter mit dem Eingang einer spannungsgesteuerten und primärpotentialbezogenen Stromquelle gekoppelt ist, die ausgangsseitig über die Übertrager-Hilfswicklung mit der Basis des Schalttransistors in Verbindung steht, sowie enthaltend einen ebenfalls primärpotentialbezogenen Regler, der eingangsseitig an einen über eine Entkoppeldiode jeweils in der Sperrphase des Sperrwandlers aufgeladenen Kondensator angeschlossen ist und ausgangsseitig über eine Vergleichsstufe zum Vergleich der Reglerausgangsspannung und dem Spannungsabfall am Strommeßwiderstand mit einer Schaltstufe zur Basisstromabschaltung des Schalttransistors in Verbindung steht, dadurch gelöst, daß der Knotenpunkt zwischen dem Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquelle und der Übertrager-Hilfswicklung über mindestens zwei in Reihe geschaltete und in der Sperrphase des Wandlers leitende Dioden mit dem Primärbezugspotential verbunden ist und daß die Entkopplungsdiode auf dem anderen Anschluß der Übertrager-Hilfswicklung geführt ist.

Der Schalttransistor bezieht seinen Basisstrom in an sich bekannter Weise über eine spannungsgesteuerte Stromquelle und eine primärseitige Übertrager-Hilfswicklung, wobei ein Meßwiderstand im Emitterzweig des Schalttransistors mit dem Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden ist. Gleichzeitig bildet das Emitterpotential des Schalttransistors das Bezugspotential für einen Regler und eine Vergleichsstufe zur Abschaltung des Schalttransistors. Der kollektorstromabhängige Spannungsabfall am Meßwiderstand im Emitterzweig steuert somit die Stromquelle für die Basisstromversorgung des Schalttransistors über die Übertrager-Hilfswicklung und ist gleichzeitig Vergleichsgröße zur Einleitung des Abschaltvorganges für den Schalttransistor.

In der Wandler-Sperrphase kehrt sich die Polarität in der primärseitigen Übertrager-Hilfswicklung um. Über mindestens zwei in Reihe geschalteten Dioden wird der Knotenpunkt zwischen der Übertrager-Hilfswicklung und dem Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquelle unter Berücksichtigung der Dioden-Flußspannungen auf das Primär-Bezugspotential gezogen. Damit lädt die besagte Übertrager-Hilfswicklung über diese Dioden und über eine Entkoppeldiode an ihrem anderen (schalttransistorseitigen) Anschluß einen Kondensator auf, der primärpotentialbezogen mit dem Eingang des Reglers in Verbindung steht. Gleichzeitig wird die Spannung über der Stromquelle auf die Größe der besagten Diodenflußspannungen begrenzt. Aus der Ladespannung des Kondensators bildet der Regler eine aktuelle Sollgröße für den Spannungsvergleich zum Abschalten des Schalttransistors in der nachfolgenden Wandler-Leitphase. Einerseits dient die primärseitige Hilfswicklung bekannterweise zur Basisstromgewinnung für die kollektorstromproportionale Basissteuerung des Schalttransistors an sich, andererseits wird auch aus eben dieser Hilfswicklung ohne weitere erforderliche Wandler-Rückkopplungsmittel eine aktuelle vom Ausgangszustand des Wandlers abhängige Sollgröße für die Abschaltung des Schalttransistors in der nächstfolgenden Wandler-Leitphase erzeugt. Die Gewinnung dieser Sollgröße ist primärbezugspotentialbezogen, erfordert keine Symmetriewiderstände und ähnliche Mittel, welche die Verlustleistung des Sperrwandlers nachteilig beeinflussen würden, und erfolgt mit einfachsten Mitteln, insbesondere ohne zusätzlich benötigte Hilfswicklungen des Übertragers.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Der Kollektor eines Schalttransistors 1 steht über eine Primärwicklung 2 eines Übertragers mit einer Spannungs-Eingangsklemme 3 in Verbindung. Der Emitter des Schalttransistors 1, der ein Primärbezugspotential 4 darstellt, ist über einen Strommeßwiderstand 5 sowie über ein an sich bekanntes Netzwerk 6 zur Gewinnung einer Abschaltspannung für den Schalttransistor 1 aus dem Eingangsstrom des Sperrwandlers auf eine zweite Spannungs-Eingangsklemme 7 geführt. Eine Sekundärwicklung 8 des Übertragers ist bekannterweise über einen Gleichrichter 9 an einen Ausgangskondensator 10 und einen parallel zu diesem liegenden Lastwiderstand 11 angeschlossen. Der Schalttransistor 1 bezieht seinen Basisstrom primärpotentialbezogen über eine spannungsgesteuerte Stromquelle 12 aus einer primärseitigen Hilfswicklung 13 des Übertragers, die in Reihe vom Ausgang der Stromquelle 12 zur Basis des Schalttransistors 1 liegt. Gleichzeitig steht die Basis des Schalttransistors 1 über eine Schaltstufe 14 zur Basisstromabschaltung mit dem Netzwerk 6 zur Gewinnung der besagten Abschaltspannung in Verbindung. Die Schaltstufe 14 besitzt einen Steuereingang, der mit dem Ausgang einer auf Primärbezugspotential 4 liegenden Vergleichsstufe 15 mit einem Sollwert-Eingang 16 und mit einem Istwert-Eingang 17 gekoppelt ist. Der Istwert-Eingang 17 ist mit dem Strommeßwiderstand 5 und der Sollwert-Eingang 16 mit dem Ausgang eines ebenfalls auf Primärbezugspotential 4 liegenden Reglers 18 verbunden. Der Regler 18 steht eingangsseitig mit einem Ladekondensator 19 gegen Primärpotential 4 sowie über ein Integrationsglied 20 und über eine Entkoppeldiode 21 mit dem Wicklungsanfang der primärseitigen Hilfswicklung 13 und mit der Basis des Schalttransistors 1 in Verbindung. Das Wicklungsende der Hilfswicklung 13, das mit dem Ausgang der Stromquelle 12 verbunden ist, ist über zwei in Reihe geschaltete und in der Sperrphase des Sperrwandlers leitende Dioden 22, 23 mit dem Primärbezugspotential 4 gekoppelt.

Während der Leitphase des Schalttransistors 1 steigt dessen Kollektorstrom durch die Primärwicklung 2 zeitlinear von Null an.

Dabei erzeugt der Emitterstrom des Schalttransistors 1, der annähernd dessen Kollektorstromgröße entspricht, einen Kollektorstromproportionalen Spannungsabfall am Strommeßwiderstand 5, der am Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 12 gegen Primärbezugspotential 4 anliegt. Auf diese an sich bekannte Weise wird die Basisstromversorgung des Schalttransistors 1 aus der Hilfswicklung 13 über die Stromquelle 12 Kollektorstromabhängig gesteuert. Gleichzeitig bildet der Spannungsabfall über dem Strommeßwiderstand 5 eine kollektorstromproportionale Istwert-Größe für die Vergleichsstufe 15 zur Basisstromabschaltung des Schalttransistors 1 über die Schaltstufe 14. Zu dieser Basisstromabschaltung stellt das Netzwerk 6, das im einfachsten Fall aus Dioden und Kondensatoren bestehen kann, aus dem Eingangsstrom des Sperrwandlers eine negative Abschaltspannung bereit, die bei aktivem Ausgang der Vergleichsstufe 15 über die Schaltstufe 14 auf die Basis des Schalttransistors 1 zu dessen Ladungsträgerausräumung wirkt. Die Vergleichsstufe 15 wirkt somit als Spitzenstromschalter und vergleicht die kollektorstromproportionale Istwert-Eingangsgröße vom Strommeßwiderstand 5 mit einer vom Ausgang des Reglers 18 vorgegebenen Sollwertgröße. Erreicht bzw. überschreitet der kollektorstromproportionale Istwert diese Referenzgröße, wird der besagte Basisstrom-Abschaltvorgang initiiert.

Während der Sperrphase des Sperrwandlers wird die im Übertrager gespeicherte Energie in den Ausgangskreis abgegeben, wobei sich die Polarität der Hilfswicklung 13 umkehrt. Damit werden die Dioden 22, 23 leitend, so daß der Knotenpunkt zwischen der Hilfswicklung 13 und dem Ausgang der Stromquelle 12 bis auf die Summe der Diodenflußspannungen auf Primärbezugspotential 4 gezogen wird. Gleichzeitig wird die Spannung über der primärpotentialbezogenen Stromquelle 12 auf die Größe dieser Diodenflußspannungen begrenzt. über die in der Sperrphase des Sperrwandlers aufgrund der Spannungsverhältnisse an der Hilfswicklung 13 ebenfalls leitende Entkoppeldiode 21 sowie über das Integrationsglied 20 wird aus der gleichen Hilfswicklung 13, die in der Leitphase des Schalttransistors 1 zu dessen Basisstromeinspeisung dient, der Ladekondensator 19 auf eine der Wandlerausgangsspannung proportionale negative Spannung gegen Primärbezugspotential 4 aufgeladen. Diese negative Spannung des Ladekondensators 19 wertet der Regler 18 aus und bildet daraus aktualisiert die Sollwert-Größe für die Vergleichsstufe 15, bei welchem in der nächstfolgenden Leitphase des Sperrwandlers der Schalttransistor 1 abzuschalten ist. Das aus einer Induktivität 24 mit parallelgeschaltetem Widerstand 25 bestehende Integrationsglied 20 beeinflußt bekannterweise die Integrationskonstante und verbessert die Proportionalität zwischen der Wandlerausgangsspannung am Lastwiderstand 11 und der Spannung des Ladekondensators 19.

Wenn der Übertrager am Ende der Sperrphase des Sperrwandlers entmagnetisiert und die von der Leitphase gespeicherte Energie vollständig in den Ausgangskreis abgegeben ist, kehren sich die Wicklungs-Spannungsverhältnisse des Übertragers, so auch die Polarität der Hilfswicklung 13, wieder um. Infolge dessen sind die Dioden 22, 23 und die Entkoppeldiode 21 gesperrt. Der Knotenpunkt zwischen Hilfswicklung 13 und der Stromquelle 12 wird vom Primärbezugspotential 4 gelöst, und die Hilfswicklung 13 dient nicht mehr zur Speisung des Ladekondensators 19, sondern wieder zur Basisstromeinspeisung des Schalttransistors 1.

Claims (1)

1. Sperrwandler mit nur einer primärseitigen Übertrager-Hilfswicklung, enthaltend einen Schalttransistor, in dessen Kollektorkreis sich eine Primärwicklung des Übertragers befindet und dessen Emitter mit Primärbezugspotential verbunden ist, wobei ein Strommeßwiderstand am Emitter mit dem Eingang einer spannungsgesteuerten und primärpotentialbezogenen Stromquelle gekoppelt ist, die ausgangsseitig über die Übertrager-Hilfswicklung mit der Basis des Schalttransistors in Verbindung steht, sowie enthaltend einen ebenfalls primärpotentialbezogenen Regler, der eingangsseitig an einen über eine Entkoppeldiode jeweils in der Sperrphase des Sperrwandlers aufgeladenen Kondensator angeschlossen ist und ausgangsseitig über eine Vergleichsstufe zum Vergleich der Reglerausgangsspannung und dem Spannungsabfall am Strommeßwiderstand mit einer Schaltstufe zur Basisstromabschaltung des Schalttransistors in Verbindung steht, gekennzeichnet dadurch, daß der Knotenpunkt zwischen dem Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquelle (12) und der Übertrager-Hilfswicklung (13) über mindestens zwei in Reihe geschaltete und in der Sperrphase des Sperrwandlers leitende Dioden (22, 23) mit dem Primärbezugspotential (4) verbunden ist und daß die Entkoppeldiode (21) auf den andeen Anschluß der Übertrager-Hilfswicklung (13) geführt ist.