DE1563050A1 - Regelbarer Gleichspannungswandler mit konstanter einstellbarer Ausgangsspannung - Google Patents

Description

• Regelbarer Gleichspannungswandler mit konstanter einstellbarer Ausgangsspannung Die Erfindung betrifft einen regelbaren Gleichspannungswandler, dessen Ausgangsspannung durch eine Regelschaltung konstant gehalten wird.
• Um eine Gleichspannung zu regeln, sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. Beispielsweise sind-bereits sogenannte Verlustregler als Serien- und Parallelregler gebräuchlich. Ferner sind geregelte Konverter bekannt. Für die Regelung höherer Leistungen kommen nur die letzteren infrage, weil Verlustregler einen schlechten Wirkungsgrad aufweisen.
• In.geregelten Konvertern werden vorzugsweise Thyristoren oder Transistoren mit einer gewissen Frequenz geschaltet. Dabei liegt für Thyristoren die Schaltfrequenz niedriger. als bei Transistoren. Ferner sind bei Transistoren die Durchlaßverluste geringer. Thyristoren benötigen jedoch vorteilhafterweise infolge ihrer sogenannten inneren Rückkopplung eine geringe Steuerleistung, jedoch ist bei ihnen der Schaltungsaufwand im allgemeinen groß. Bei mit Transistoren aufgebauten Konvertern muß dagegen eine erhebliche Steuerleistung'aufgebracht werden, sodaß der Wirkungsgrad derartiger Konverter geringer ist, wenn die Flankensteilheit der Schaltimpulse bei hohem'Strom hinreichend groß sein soll.
• Diese Nachteile werden bei dem mit Transistoren aufgebauten erfindungsgemäßen Gleichspannungsiiandler vermieden. Die Erfindung ist .dadurch gekennzeichnet, daß ein Leistungs-Schalttransistor über eine Rückkopplungswicklung seines Steuertransformators den von ihm benötigten Basisstrom induziert.
• Durch diese Maßnahme wird der Vorteil der höheren Grenzfrequenz und der niederen Durchlaßvetluste von Transistoren voll ausgenutzt. Außerdem wird durch die Verwendung einer Rückkopplung am Schalttransistor die Steuerleistung nur zum Sperren des Schalttransistors benötigt und kann demnach sehr klein sein.
• Dabei wird durch die Verwendung eines Sägezahngenerators und eines Gleichstromverstärkes zur Ladung eines Kondensators eine sehr schnelle Regelung mit geringem Aui'wand erzielt.
• Die Erfindung soll anhand der Figuren näher erläutert werden. Fig.l zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung.
• In der Fig.2 sind die Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten der in der'Fig.l gezeigten Schaltung dargestellt.
• Eine Batteriespannung -UBatt wird durch einen Leistungs-Schalttransistor T5 periodisch an eine aus einer Induktivität L und einer Kapazität C4 und einem Gleichrichter Gr bestehenden Siebschaltung gelegt. Die Höhe des Gleichspannungsmittelwertes wird durch das Verhältnis von Einschaltdauer zu Ausschaltdauer des Schalttransistors T5 bestimmt. Durch Änderung dieses Verhältnisses kann die Höhe der Ausgangsspannung (Gleichspannung) geregelt werden. Der im vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellte Gleichspannungswandler arbeitet mit einer konstanten Frequenz. Hinsichtlich der Siebung und Entstörung hat eine feste Arbeitsfrequenz gewisse Vorteile. Erzeugt wird diese Frequenz in dem aus einer Vierschichtdiode D und den" Kapazitäten Cl und C2; dem Widerstand R1 bestehenden Sägezahngenerator. Eine Zenerdiode Z1 sorgt für eine stabile Betriebsspannung für den Sägezahngenerator und somit für eine konstante Arbeitsfrequenz. Über den Widerstand R1werden die Kondensatoren Cl und C2 exponentiell aufgeladen. Erreicht nun die Spannung an der Viersehichtdiode D deren Durchbruchspannung, dann werden die Kondensatoren C1 und C2 schnell umgeladen. Der Transistor T2 wird während der Aufladung zur Zeit t1 (Fig.2) leitend und beim Zusammenbrechen der Spannung an der Vierschichtdiode D zur Zeit t2 (Fig.2) gesperrt. Mit dem Leitendwerden des Transistors T2 wird der nachfolgende Komplementärtransistor T3 ebenfalls leitend, der seinerseits den nun folgenden Komplementärtransistor T4 durchschaltet.
• Durch die mehrmalige Verstärkung werden die Flanken der erzeugten Rechteckimpulse sehr steil. Wenn der Transistor T4 zur Zeit t1 leitend wird, liegt an der aus dem Kondensator C3 und der Wicklung n1 bestehenden Serienschaltung Spannung an. Der sprungartige Spannungsanstieg wird von der Wicklung hl auf die Wicklung n2 induziert und sperrt den Leistungs-Schalttransistor T5, wobei durch die Rückkopplungswicklung n3 dieser Vorgang noch beschleunigt wird. Wird nun zur Zeit t2 der Transistor T4 gesperrt, so wird auch diese Spannungsänderung von der Wicklung n1 auf die Wicklung n2 übertragen. Damit wird der Leistungs-Schalttransistor T5 leitend und der nunmehr durch die Wicklung n3 fließende Strom rückgekoppelt.
• Er versorgt über die Wicklung n2 die*Basis des Leistungs-Schalttransistors T5 mit dem nötigen Basisstrom. Der Strom würde solange fließen, bis durch das Eintreten der Sättigung des Übertragers Tr kein Basisstrom mehr geliefert wird und eine Sperrung des Leistungs-Schalttransistors T5 einträte. Dieser Zeitpunkt-hängt von der unteren Grenzfrequenz des Übertragers Tr ab. Da aber die Schaltfrequenz wesentlich höher liegt, erfolgt schon sehr frühzeitig ein Ummagnetisieren des Transförmatorkernes.
• Der Leistungs-Schalttransistor T5 ist durchgeschaltet, wenn der Rechteckgenerator gesperrt ist. Er kann aber nur leitend werden, wenn vorher durch die Wicklung fil ein Strom geflossen ist und die ihn erzeugende Spannung plötzlich abgeschaltet wurde. Ohne-ein Ansteuerimpuls ist der Leistungs-Schalttransistor T5 gesperrt, wei Basis und Emitter durch die Transformatorwicklung n2 verbunderl sind. Hei Ausfall des Steuerimpulses vom Rechteckgenerator her tritt also Sättigung des'Übertragers Tr ein und somit@wird. der Leistungs-Schalttransistor T5 gesperrt.
• Das Windungszahlverhältnis des Transformators Tr ist nun so dimensioniert, daß der erforderliche Basisstrom durch Rückkopplung geliefert wird. Dadurch sind die Verluste am Leistungs-Schalttransistor T5 und dem Steuertransformator Tr proportional zu dem Laststrom und können somit sehr gering gehalten werden. In dieser Phase wird jedoch vom Steie rtransformator keine Leistung benötigt. Die Regelung des Impuls-Pausenverhältnisses der Rechteckfrequenz und damit der Ausgangsspannung VA erfolgt nun in der Weise: Der aus den Widerständen R2 und R3 bestehende Spannungsteller liegt parallel zur Last La und teilt die Ausgangsspannung UA auf eine mit dem Referenzelement Z2 vergleichbare Spannung herunter. Steigt beispielsweise UA durch das Ansteigen der Batteriespannung UBatt' so wird im-Transistor T1 der Kollektorstrof zunehmen und den Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren C1 und C2 rascher positiv werden lassen als er es durch den Widerstand R1 würde. Dadurch wird aber der Transistor T2 eher leitend und über die Verstärkertransistoren T3 und T4 der Leistungs-Schalttransistoren T5 gesperrt., sodaß die Ausgangsspannung UA wieder sinkt.
• Für die Grenzfrequenz des Regelkreises sind im wesentlichen nur die Induktivität L und die Kapazität C4 maßgebend. Durch geeignete Dimensionierung kann man sehr günstige dynamische Eigenschaften und damit*hohe Verstärkung erreichen. Bei konstanter Last hingegen werden Eingangs-Spannungsschwankungen sehr schnell ausgeglichen. Zum Beispiel wird der Brummanteil von 100 Hz eines vorgesetz-

  __ Gleichrichterteils mit der vollen Verstärkung ausgeregelt.

  -c-stschwankungen wirken sich verschieden aus. Eine plötzliche Be-

  lastung wird vom Regler durch ein schnelles Durchschalten des Leistungs-Schalttransistors T5 beantwörtet. Eine plötzliche Entlastung sperrt zwar sofort den Leistungs-Schalttransistor T5, aber die in der Drossel Dr gespeicherte Energie führt zu einer Spannungserhöhung an dem Kondensator C4. Aus diesem Grunde muß das Verhältnis möglichst klein gewäh3.t werden. Es ist ein wesentlicher Vorteil*des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers, daß die vom Steuergenerator aufzubrfngende Sperrleistung sowie die Rückkopplungsleistung so gering sind, daß ein sehr kleiner Ubertragerkern für den Transformator Tr ausreicht.
• Der erfindungsgemäße Regler kann durch die Verwendung entsprechender Komplementär-Transistoren nach dem Umpolen der Dioden D, Z1, Z2 und des Gleichrichters G auch zur Regelung einer umgekehrt gepolten Batteriespannung dienen.

Claims (1)

1. Patentansprüche r 1. Regelbarer Gleichspannungswandler mit konstanter, einstellbarer Ausgangsspannung, bestehend aus einem Sägezahngenerator, einem Gleichstromverstärker, einem nachfolgenden Impulsverstärker und anschließender Anordnung zur Glättung der zerhackten Gleichspannung, Batteriespannung durch einen Leistungs-Schalttransistor periodisch an eine Siebschaltung gelegt wird und die Höhe des Gleichspannungs-Mittelwertes der Verbraucherspannung durch das Verhältnis der Einschalt- zur Ausschaltdauer dieses Schalttransistors bestimmt wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i e h n e t, daß dieser Leistungs-Schalttransistor über eine Rückkopplungswicklung seines Steuertransformators den von ihm ' benötigten Basisstrom induziert..' 2. Regelbarer Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transistor (T1) nach Vergleich mit einer Referenzspannung die Aufladezeit eines Kondensators steuert und dadurch gleichfalls das Verhältnis zwischen Leitzeit und Sperrzeit eines nachfolgenden Transistors (T2) bei konstanter Wiederholfrequenz beeinflußt und durch nachfolgende Verstärkung die Einschaltdauer des Leistungs-Schalttransistors (T5) regelt, wobei der Transistor (T5) jedoch ohne Ansteuerimpuls gesperrt bleibt. . Regelbarer Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung von Komplementär-Transistoren und Umpolen des Sägezahngenerators der Referenzspannung, der Be-:,riebsspannung und der Siebung eine umgekehrt gepolte Batteriespannung geregelt wird. Titel: Regelbarer Gleichspannungswandler mit konstanter einstellbarer Ausgangsspannung . Verzeichnis der verwendeten. Bezeichnungen Bezugs- Ucsprungssproche D/Ex Übersetzung E/R ,Zeichen Tl...T5 Transistor 0r Gleichrichter Cl".C4 Kondensator ''. Z1 u.Z2 Zenerdiode D Vierschichtdiode Ri...R3 Widerstand nl...n3 ,Transformator-Wicklung . Tr Transformator La Last - . UA Ausgangsspannung D Drossel r L Induktivität 109883/01 9