-
Geregelter Sperrwandler Die Erfindung betrifft eine Sperrwandlerschaltung,
bei der der im Rückkopplungszweig liegende, den maximalen Strom durch den Schalttransistor
bestimmende Widerstand als Steuertransistor ausgebildet ist, dessen Widerstand in
Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Sperrwandlers im Sinne einer Konstanthaltung
dieser Ausgangsspannung über einen zweiten Steuertransistor, dessen Emitterstrom
den erstgenannten Steuertransistor steuert und dessen Be= triebsspannung über einen
Widerstand zugeführt ist, geregelt wird. Derartige Sperrwandler sind bekannt. Sie
können in einem großen Bereich bei wechselnden Eingangsspannungen benutzt werden
und geben eine weitgehend konstante Ausgangsspannung ab. In der F i g. 1 der Zeichnung
ist eine solche bekannte Schaltung enthalten. An den Klemmen 1 und 2 dieser Schaltung
wird eine Gleichspannungsquelle angeschaltet, deren Spannung beispielsweise zwischen
5 und 32 V liegen kann. Zwischen diesen Klemmen liegen die Emitter-Kollektorstrecke
eines Schalttransistors 3 sowie die Primärwicklung I eines Übertragers 4 in Reihe.
An die Sekundärwicklung 1I dieses Übertragers ist ein Gleichrichter 5, ein Ladekondensator
6 sowie der Lastwiderstand 7 angeschaltet. Die Rückkopplungsleitung des Sperrschwingwandlers
enthält die Tertiärwicklung III des Übertragers 4 sowie einen Widerstand, der als
Steuertransistor 8 ausgebildet ist, und eine Diode 9, die zu Sperrzwecken vorgesehen
ist. Der maximale Strom durch den Schalttransistor 3 ist bekanntlich durch den im
Rückkopplungszweig liegenden Widerstand bestimmt. Im vorliegenden Beispiel ist also
der Widerstandswert des Transistors 8 für den maximalen Strom durch den Schalttransistor
3 ausschlaggebend. Zur Erzielung einer konstanten Ausgangsspannung wird der Widerstand
des Transistors 8 geregelt. Zur Regelspannungserzeugung dient die Tertiärwicklung
HI in Verbindung mit der Diode 14, der Kapazität 10, der Zenerdiode 11 und dem Widerstand
12. Die Änderung des Widerstandes des Steuertransistors 8 wird über den Steuertransistor
13 bewirkt, dessen Betriebsspannung über einen Widerstand 15 zugeführt ist.
-
Der ollen beschriebene Sperrwandler ist für Ausgangsleistungen bis
zu etwa 1 W brauchbar. Die Verwendung dieses Sperrwandlers bei gutem Wirkungsgrad
ist für höhere Ausgangsleistungen deshalb nicht möglich, weil der Schalttransistor
3 jeweils beim Anschalten an eine hohe Eingangsspannung durch einen zu hohen Stromstoß
zerstört würde. Der hohe Anschaltstromstoß resultiert aus der Tatsache, daß beim
Einschalten der Kondensator 10 noch keine Ladung besitzt und der erste Stromanstieg
lediglich durch den Innenwiderstand der Stromquelle und die Widerstände 12 und 15
begrenzt wird. Unter Verzicht auf einen guten Wirkungsgrad läßt sich bei kleineren
Wandlern in Verbindung mit einem reichlich dimensionierten Schalttransistor eine
Einschaltstrombegrenzung durch künstliche Erhöhung des Innenwiderstandes der an
die Klemmen 1 und 2 angeschalteten Gleichspannungsquelle erzielen. Bei hohen Leistungen
ist diese Methode nicht mehr anwendbar, weil der Wirkungsgrad stark herabgesetzt
wird und es zum andern nicht ohne weiteres möglich ist, an Stelle eines Leistungstransistors
für z. B. 25 A, wie er beim Betrieb der Schaltung notwendig wäre, einen ausreichend
überdimensionierten Transistor für z. B. 250 A zu benutzen. Ähnliche Überlegungen
gelten auch bei starker Überlastung des Sperrwandlers. Auch dort kann eine Zerstörung
des Transistors 3 auftreten.
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Anwendungsmöglichkeit
der bisher beschriebenen Schaltung bei gutem Wirkungsgrad auf hohe Ausgangsleistungen
auszudehnen, also zu gewährleisten, daß der Schalttransistor nicht durch zu hohe
Ströme, wie sie beim Einschalten des Sperrwandlers oder bei Überlastung auftreten,
zerstört werden kann.
-
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei der eingangs angegebenen
Sperrwandlerschaltung dadurch gelöst, daß Schaltmittel vorgesehen sind, die die
über den Widerstand zugeführte Betriebsspannung. für den zweiten Steuertransistor
13 bei steigender Spannung der Gleichspannungsquelle derart erniedrigen, daß der
auf Grund des maximal möglichen Regeleinflusses der Ausgangsspannungsregelung maximal
mögliche Strom durch den Schalttransistor kleiner als der
maximal
zulässige Strom ist, und daß der erwähnte Widerstand derart bemessen ist, daß bei
der kleinstmöglichen Spannung der anzuschaltenden Gleichspannungsquelle mindestens
der für die Nennausgangsleistung benötigte und höchstens der für den Schalttransistor
zulässige Strom fließen kann.
-
Man kann die Erniedrigung der Betriebsspannung für den Transistor
13 der F i g. 1 bei wachsender Eingangsspannung an den Klemmen 1 und 2 und entsprechender
Erhöhung der Betriebsspannung bei Sinken der Eingangsspannung kontinuierlich vornehmen.
Ein Ausführungsbeispiel hierfür wird später noch erläutert werden. Temperaturstabiler
und vorteilhafter hat sich eine Ausführungsform erwiesen, bei der die Erniedrigung
und Erhöhung der Betriebsspannung für den Transistor 13 stufenweise vorgenommen
wird. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in der F i g. 1 mit eingezeichnet. Bei
dieser Ausführungsform wird der Transistor 13 mit seinem Kollektor vom Widerstand
15 abgetrennt und an die Klemme 16 angeschlossen.
-
Die beispielhafte Schaltung zur Erzeugung der Stufenspannung in Abhängigkeit
von der Eingangsspannung ist in der F i g. 1 mit 17 bezeichnet. Dieser Schaltung
wird die zwischen dem Emitter des Transistors 8 und dein Minuspol 2 vorhandene Spannung
zugeführt. Diese Spannung ist abhängig von der Eingangsspannung und sie ist, wenn
der Transistor 3 durchlässig ist, gleich der Summe aus Eingangsspannung und der
in der Wicklung III induzierten Spannung. Die der Begrenzerschaltung 17 zugeführte
Spannung ist an die Reihenschaltung aus einem Widerstand 18 und drei spannungsstabilisierenden
Bauelementen, die hier als im Durchlaßbereich betriebene Dioden 19, 20 und 21 ausgeführt
sind, angelegt. Am Zusammenschaltpunkt zwischen dem Widerstand 18 und der Reihenschaltung
der Dioden 19 bis 21 bildet sich eine eingangsspannungsunabhängige Spannung aus,
deren Größe sich aus der Summe der Durchlaßrestspannungen der drei Dioden ergibt.
Diese Spannung dient als Betriebsspannung für den Transistor 13; sie wird diesem
Transistor über den Entkopplungstransistor 22 und den Widerstand 23 zugeführt. Die
Transistoren 24 und 25 dienen dazu, die Dioden 20 bzw. 19 kurzzuschließen.
-
Das Kurzschließen wird eingeleitet, wenn sich die Eingangsspannung
des Sperrwandlers und damit auch die der Begrenzerschaltung 17 zugeführte Spannung
derart vergrößern, daß das Basispotential an den Transistoren 24 und 25 das stabile
Emitterpotential dieser Transistoren überschreitet. Durch Bemessung der auch hochohmig
ausführbaren Spannungsteiler 26, 27 und 28, 29 kann man auswählen, bei welchen Eingangsspannungen
die Kurzschlüsse über den einzelnen Dioden auftreten sollen. Diese Kurzschlüsse
haben stufenartige Spannungsschwankungen am Zusammenschaltpunkt der Reihenschaltung
der Dioden 19 bis 21 und des Widerstandes 18 zur Folge. Damit wird die Betriebsspannung
des Transistors 13 und damit der kleinstmögliche Widerstand des Transistors 8 stufenweise
geändert, was wiederum eine stufenweise Änderung des durch den Transistor 3 fließenden
maximal möglichen Stroms zur Folge hat. Die gerade beschriebene stufenweise Änderung=
des Stromgrenzwertes durch den Transistor 3 in Abhängigkeit von der Eingangsspannung
beeinflußt im normalen Betrieb nicht den von der Regelung im Sinne einer Konstanthaltung
der Ausgangsspannung vorgegebenen Widerstand von Transistor B. Die Begrenzerschaltung
spricht erst dann an, wenn die Regelung im Falle des Anschaltens des Sperrwandlers
an die Eingangsspannung bzw. bei dessen Überlastung wiederum im Sinne einer Konstanthaltung
der Ausgangsspannung den Widerstand von Transistor 8 so weit zu erniedrigen sucht,
daß durch Transistor 3 ein unzulässig hoher Strom fließen würde.
-
Wesentlich ist, daß man die Stufen der in der Schaltung 17 gewonnenen
Betriebsspannung bezüglich der Eingangsspannung so bemißt, daß bei kleiner Eingangsspannung
an den Klemmen 1 und 2 eine Betriebsspannung für den Transistor 13 erzeugt wird,
die keinen Strom durch den Transistor 3 zuläßt, der über dem maximal zulässigen
Strom liegt. Der Verlauf der Betriebsspannung für den Transistor 13 bei maximal
zulässigem Spitzenstrom in Abhängigkeit von der Eingangsspannung UE an den Klemmen
1 und 2 ist in der F i g. 2 eingezeichnet und mit 30 bezeichnet. Der mit 31 bezeichnete
Spannungsverlauf zeigt in Abhängigkeit von der Eingangsspannung die Betriebsspannung
für den Transistor 13, die notwendig ist, damit der Sperrwandler die geforderte
Ausgangsleistung abgeben kann. Es ist günstig, den tatsächlich erzeugten Spannungsverlauf
in die Nähe des Spannungsverlaufs 31 zu legen. Es genügt jedoch, den tatsächlich
erzeugten Spannungsverlauf zwischen die beiden Verläufe 30 und 31 zu legen. (Stufenspannungsverlauf
32.) In der F i g. 2 der Zeichnung ist der Beginn der Kurve 32 in den Beginn der
Kurve 31 gelegt, weil diese Maßnahme in Verbindung mit einem geeigneten Verlauf
der Kurve 32 für den Transistor 3 einen solchen Typ zu verwenden gestattet, dessen
maximal zulässiger Strom am geringsten über dem bei kleinster Eingangsspannung und
Nennlast auftretenden Spitzenstrom zu liegen braucht. Den Beginn der Kurve 32 kann
man durch Wahl des Widerstandes 23 bestimmen. Obwohl, wie bereits erwähnt, der in
F i g. 2 gewählte Beginn der Kurve 32 der günstigste ist, ist auch jeder andere
eingestellte Verlauf der Kurve 32 brauchbar, solange der Beginn der Kurve 32 zwischen
den entsprechenden Werten der Kurven 30 und 31 liegt und auch im weiteren Verlauf
keine überschneidungen der Verläufe auftreten.
-
Die F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine sich kontinuierlich
mit der Eingangsspannung ändernde Betriebsspannung für den Transistor 13 erzeugt
wird. Wie beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 wird auch hier die Spannung zwischen
Emitter des Transistors 8 und dem --Pol der Begrenzerschaltung zugeführt. In der
F i g. 3 ist nur diese Schaltung dargestellt. Mit der Klemme 33 ist der Emitter
des Transistors 8 und mit der Klemme 34 der -Pol 2 zu verbinden. Die Begrenzerschaltung
besteht aus einer Phasenumkehrstufe 35, die derart bemessen ist, daß sie bei der
kleinsten, zwischen den Klemmen 33 und 34 auftretenden Spannung gerade noch sperrt
und bei steigender Spannung durchlässiger wird. Um dies zu erreichen, ist die Zenerdiode
36 vorgesehen. Die Widerstände 38 und 39 sind im Vergleich zu den Widerständen 37
und 4® niederohmig. Die Ausgangsspannung der Phasenumkehrstufe 35 wird mittels des
Transistors 41 ausreichend gegen Belastungsschwankungen stabilisiert. Die Ausgangsspannung
des Transistors 41 stellt die Betriebsspannung für den Transistor 13 dar und wird
an diesen über den Widerstand 23 angelegt. Auch hier kann
man am
Ausgang einen Spannungsverlauf erzeugen, der in Abhängigkeit von der Eingangsspannung
zwischen den Spannungsverläufen 30 und 31 der r i g. 2 verläuft.