DE2050034A1

DE2050034A1 - Elektronisch geregelter Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE2050034A1
Application number: DE19702050034
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter 5990 Altena Girle
Original assignee: Graetz GmbH and Co OHG
Current assignee: Nokia Deutschland GmbH
Priority date: 1970-10-12
Filing date: 1970-10-12
Publication date: 1972-04-13
Also published as: FR2110370A2; DE2050034C2; FR2110370B2

Description

GRAETZ KG,

H.D.Girle 10

Elektronisch geregelter Gleichspannungswandler

Zusatz zu Patent (Patentanmeldung P 20 02 805.I,

H.D.Girle 7)

Das Hauptpatent (Patentanmeldung P 20 02 805.I, H.D.Girle J) betrifft einen elektronischen geregelten Gleichspannungswandler, insbesondere für Strahlungsmeßgeräte, der aus einer niederen elektrischen Gleichspannung mittels einer elektronischen Schwingschaltung, einer Wechselspannungstransformation und einer nachfolgenden Gleichrichtung eine hohe elektrische Gleichspannung an einem Lade- i kondensator erzeugt und der gleichzeitig in einem elektrischen Vergleichskreis eine der hohen Gleichspannung proportionale Vergleichs spannung erzeugt, mit der der Vergleichskreis eine digitale elektronische Regeleinrichtung steuert, die die elektronische Schwingschaltung über deren Rückkopplungskreis ein- und ausschaltet und so die hohe Gleichspannung am Ladekondensator regelt und konstant hält.

Im Hauptpatent besteht die Erfindung darin, daß die Vergleichsspannung getrennt von der hohen Gleichspannung erzeugt wird, daß der Vergleichskreis einen Speicherkondensator enthält, an dem die zur hohen Gleichspannung proportionale Vergleichsspannung entsteht und daß die Entladezeitkonstante des Vergleichskreises im * Entladezustand ein Vielfaches kleiner ist als die Entladezeitkonstante des belasteten elektrischen Stromkreises, der von der hohen Spannung gespeist wird.

In der Figur 1 ist die Wirkungsweise der Schaltung eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels der Hauptanmeldung nochmals näher erläutert.. Der Transistor 11 bildet mit den Widerständen 12 und Ij5, dem Kondensator 14 und den Wicklungen I und II des Schwingtransformators 15 einen Sperrschwinger. Die Zenerdiode l6 verkörpert zusammen mit dem Transistor 17 und den Widerständen l8 bis 21 die Vergleichsschaltung. Der Transistor 10 stellt mit dem Widerstand den Digitalregler dar.

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Während des Schwingens des Sperrschwingers ist der Transistor 10 gesperrt, so daß der Sperrschwinger frei schwingt und die Ladekondensatoren 5 und 7 auflädt. Erreicht die Vergleichsspannung am Ladekondensator 7 die Durchbruchspannung der Zenerdiode 16, wird der Transistor 17 leitend und schaltet den Transistor 10 in den leitenden Zustand. Der Transistor 10 schließt die Basis-Emitter-Strecke des Schwingtransistors 11 kurz und unterbindet die Schwingung. Der Kondensator 7 der Vergleichsschaltung entlädt sich nun über die Zenerdiode 16, den Widerstand 18, die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 17 und den Widerstand 20. Mit abnehmender Spannung am Kondensator 7 wird die Zenerdiode 16 schnell wieder nichtleitend und sperrt damit die Transistoren 17 und 10. Der Ladekondensator 5 hat infolge der wesentlich höheren Entladezeitkonstante des Lastkreises nur wenig Ladung an das ihn beispielsweise belastende Zählrohr verloren. Der Sperrschwinger schwingt erneut an und lädt über den Gleichrichter 4 den Ladekondensator 7 des Vergleichskreises und notfalls über den Gleichrichter 3 den Ladekondensator 5 des Lastkreises wieder nach.

Die in dem Ausführungsbeispiel nach der Hauptanmeldung verwendete Sperrschwingerschaltung ist über eine Wicklung des Wandlertransformators selbsterregt. Eine derart ausgebildete Schwingschaltung hat trotz ihrer guten Schwingeigenschaften einige Nachteile. Der Wandlertransformator dieser Schaltung ist wegen seiner vier Teilwicklungen fertigungstechnisch und raummäßig ungünstig ausgebildet, zumal die Herausführungen der anderen Teilwicklungen gegen die Hochspannungswicklung eine gute Isolation aufweisen müssen. Außerdem treten in jeder Wicklung Wärmeverlustleistungen auf, die den Wirkungsgrad des Transformators verschlechtern. Im Ausführungsbeispiel nach der Hauptanmeldung ist der Wandlertransformator einerseits integrierender Bestandteil der Schwingschaltung. Da er andererseits zur Leistungsübertragung verwendet wird, richtet sich die Wahl des Transformatorkerns und die Auslegung der Wicklungen nach der zu übertragenden Leistung. Für die Festlegung der Schwingfrequenz bleibt nur noch wenig Spielraum. Deshalb ist es selten möglich, die Schwingfrequenz in den Bereich der für das verwendete Kernmaterial optimalen Frequenz zu legen.

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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Ausführung für einen elektronischen geregelten Gleichspannungswandler gemäß der Hauptanmeldung zu finden, der einen einfach ausgebildeten Wandlertransformator, möglichst mit nur zwei Teilwicklungen, enthält, dessen Schwingfrequenz nahezu unabhängig von der Ausführung des Wandlertransformators in weiten Grenzen festlegbar ist und der auch noch bei einer sehr kleinen Versorgungsgleichspannung (beispielsweise 2 Volt) einen guten Wirkungsgrad hat und einwandfrei schwingt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektronische Schwingschaltung zwei zueinander komplementäre Transistoren in Kaskadenschaltung enthält, von denen die Primärwicklung des Wechselspannungstransformators der Arbeitswiderstand des zweiten Transistors ist und von denen die Basis des ersten Transistors über ein Rückkopplungsglied mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist, daß das Rückkopplungsglied aus der Serienschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes besteht, daß ferner zwischen dem Emitter des ersten Transistors und der Gleichspannungsquelle ein Emitterwiderstand vorgesehen ist und daß schließlich parallel sum Eingang des ersten Transistors eine Diode in einer Flußrichtung geschaltet ist, die der Flußrichtung der Basis-Emitterstrecke des ersten Transistors entgegengesetzt ist.

Es ist zwar aus der DT-AS 1 229 654 ein Gleichspannungswandler bekannt, dessen Schwingschaltung aus der Kaskadenschaltung eines ersten NPN-Transistors und eines zweiten PNP-Transistors besteht. Bei dieser bekannten Schaltung sind die Diode parallel zum Eingang des ersten Transistors und der Serienwiderstand im Rückkopplungszweig nicht vorhanden. Dadurch wird aber der Ladekreis (der die Impulsbreite definiert) des Rückkopplungskondensators hauptsächlich vom Widerstand der Flußstrecke zweier Dioden (einer Germaniumdiode und der Basis-Emitterstrecke des ersten Transistors) gebildet. Diese Diodenwiderstände haben einen großen Streubereich, sind stark von der Temperatur abhängig und nicht einstellbar. Der Entladestrom (der die Impulspause definiert) des Rückkopplungskondensators fließt in der Sperrphase der Schwingschaltung über den Anlaufwiderstand für den ersten Transistor. Dieser Widerstand ist eng an die Schwingschaltung gebunden und daher wenig variabel.

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Der Kapazitätswert des Rückkopplungskondensators in der bekannten Schaltung ist ebenfalls in Grenzen wählbar, da bei zu hohem Kapazitätswert der erste Transistor vom zu großen Ladestromstoß gefährdet ist, bei zu kleinem Kapazitätswert jedoch die Impulspause zu groß wird. Auch bei dieser bekannten Schaltung ist deshalb die Schwingfrequenz nur in verhältnismäßig engen Grenzen festlegbar. Außerdem ist das Verhältnis von Impulspause zur Impulsbreite bei der bekannten Schaltung so groß, daß es für einen Leistungsbetrieb ungeeignet ist.

Demgegenüber ist in dem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler im wesentlichen nur das Rückkopplungsglied der Schwingschaltung fc für die Lade- und Entladezeit, d.h. für die Impulszeiten, maßgeblich. Da das Rückkopplungsglied in sehr weiten Grenzen dimensioniert werden kann, ohne die Arbeitssicherheit der Schaltung zu gefährden, ist auch die Schwingfrequenz in weiten Grenzen einstellbar, so daß die Schwingschaltung immer an die optimale Übertragungsfrequenz des Wechselstromtransformators angepaßt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist das günstige Impulsbreiten-Impulspausenverhältnis von etwa 1:1. Insbesondere bei sehr kleinen Batteriespannungen ist es weiterhin von Vorteil, daß der zweite Transistor ein Siliziumtransistor vom NPN-Typ mit sehr kleiner Kollektor-Emitter-Restspannung ist. In der bekannten Schaltung ist dort ein PNP-Typ vorgesehen, der diese vorteilhafte Eigenschaft nicht besitzt.

P Anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnungen wird die erfindungsgemäß verbesserte Ausführung eines Gleichspannungswandlers gemäß der Hauptanmeldung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers gemäß der Hauptanmeldung im Vergleich zu einer in

Figur 2 erfindungsgemäß verbesserten Ausführung eines Gleichspannungswandlers .

Die erfindungsgemäß verbesserte Ausführung eines Gleichspannungswandlers, wie es Figur 2 zeigt, wird beispielsweise zur Erzeugung einer hohen Betriebsspannung als Versοrgungsspannung eines Zählrohres in einem Strahlungswarn- und/oder -meßgerät verwendet.

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Der Hochspannungsteil 25 umfaßt die Niederspannungswicklung II und die Hoehspannungswicklung III des Wandlertransformators 26, den Ladegleichrichter 3 und den HochspannungsSpeicherkondensator 5. An den Speicherkondensator 5 ist als Last 6 ein GM-Zählrohr und dessen in Serie dazu liegender Arbeitswiderstand angeschlossen.

An der Niederspannungswicklung II des Wandlertransformators 26 liegt die elektronische Schwingschaltung 27 und die Vergleichs- und Regelschaltung 28. Die Schwingschaltung, die aus der Batterie 2 gespeist wird, besteht aus den beiden in Kaskade geschalteten Transistoren 29 und JiO, den Widerständen jjl bis 33 > den beiden Dioden J54 und 35 sowie aus dem Rückkopplungsglied mit dem Kondensator 36 und dem Widerstand 31' Die eigentliche "Vergleichsschaltung ist aus dem Gleichrich- λ ter 4, dem Speicherkondensator 7 und dem Spannungsteiler der beiden Widerstände 38 und 39 gebildet, während die Regelschaltung aus der Zenerdiode 40, dem Schalttransistor 41 und dem Widerstand 42 besteht.

Die Ladephase der Schwingschaltung 27 wird mit einem vom Widerstand 32 klein gehaltenen Anfachstrom in die Basis des ersten Transistors 29 eingeleitet. Infolge der Kaskadenschaltung wird dadurch auch der zweite Transistor 30 etwas leitend, wodurch nun der Strom in die Basis des ersten Transistors 29 über den zweiten Transistor 30 und den Rückkopplungszweig fließen kann. Beide Transistoren kippen dadurch in den voll leitenden Zustand und bleiben in diesem Zustand solange, bis sich der Kondensator 36 im Rückkopplungszweig aufgeladen hat und der Ladestrom nicht mehr ausreicht, den ersten Tran- I sistor offen zu halten. Der zweite Transistor 30 drosselt dadurch den Strom durch die ihm als Arbeitswiderstand dienende Niederspannungswicklung II des Wandlertransformators 26. Der Wandlertransformator erzeugt in beiden Wicklungen eine induktive Gegenspannung, die im Hochspannungsteil 25 über den Gleichrichter 3 den Hochspannungskondensator 5 auflädt. An der Niederspannungswicklung II sperrt die Gegenspannung über den Rückkopplungszweig die Transistorkaskade 29/30 vollständig und lädt gleichzeitig über den Gleichrichter 4 den üpeicherkondensator 7 des Vergleichskreises auf. Der Kondensator 36 im Rückkopplungszweig entlädt sich nun über die Diode 34 solange, bis der Entladestrom die Wirkung des Anfachstromes über den Wider-

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stand 32 nicht mehr unterdrücken kann und ein neuer LadeVorgang eingeleitet wird. Die Diode 34 schützt gleichzeitig den Eingang des ersten Transistors 29 vor den hohen Spannungswerten der Gegenspannungsspitze.

Die Widerstände 31 und 33 dämpfen den Einfluß der Parameterstreuungen und des Temperatürganges der Transistoren. Insbesondere die Diode 34, die entgegengesetzt parallel zum Eingang des zweiten Transistors 30 geschaltet ist, hat einen hoch temperaturstabilisierenden Einfluß auf die Schwingschaltung. Sehr vorteilhaft ist es, wenn der zweite Transistor 30 ein Siliziumtransistor vom NPN-Typ ist, der auch bei hohem Kollektorstrom eine sehr niedere Kollektor-Emitter-Restspannung hat und dadurch bei der Leistungsübertragung nur geringe Verluste an diesem Transistor auftreten. Wegen der Forderung nach kleinem Reststrom im Sperrzustand sollte vorteilhaft auch der erste Transistor 29 ein Siliziumtransistor (vom PNP-Typ) sein.

Im Vergleichskreis entsteht am Speicherkondensator 7 aus der Niederspannungswicklung II durch die Gegenspannungsimpulse eine zur Hochspannung am Hochspannungskondensator 5 proportionale Gleichspannung, die vom Spannungsteiler 38/39 heruntergesetzt wird. Sobald die Spannung am Abgriff des Spannungsteilers 38/39 die Durch-, bruchspannung der Zenerdiode 40 überschreitet, fließt ein Strom über diese Zenerdiode, die Basis des Transistors 4l und die Diode 34. Der Transistor 4l gelangt dadurch in den leitenden Zustand, führt den Ladestrom des Rückkopplungszweiges 36/37 ab und setzt die Schwingschaltung 27 solange außer Betrieb, bis die Spannung am Widerstand 38 unter die Zenerspannung der Diode 40 abgesunken ist. Infolge der kleinen Hysteresis der Ein- und Ausschaltpunkte der Zenerdiode 40 sind die Schwankungen der Hochspannung am Hochspannungskondensator 5 sehr gering.

An die Anschlußpunkte AA der Schaltung, d.h. an die Niederspannungswicklung II des Wandlertransformators 2β, kann zusätzlich noch eine weitere Gleichrichterschaltung 43 für eine Gleichstromlast 44, beispielsweise als Gleichspannungsversorgung für eine Verstärkerschal-

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tung angeschlossen werden. Die Grleichrichterschaltung kj> besteht Im dargestellten Ausführungsbeispiel aus dem Oleichrichter und dem Speicherkondensator 46.

6 Patentansprüche

1 Blatt Zeichnungen mit 2 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

f1J Elektronischer geregelter Gleichspannungswandler, insbesondere für Strahlungsmeßgeräte, der aus einer niederen elektrischen Gleichspannung mittels einer elektronischen Schwingschaltung, einer Wechselspannungstransformation und einer nachfolgenden Gleichrichtung eine hohe elektrische Gleichspannung an einem Ladekondensator erzeugt und der gleichzeitig in einem elektrischen Vergleichskreis eine der hohen Gleichspannung proportionale Vergleichsspannung erzeugt, mit der der Vergleichskreis eine digitale elektronische Regeleinrichtung steuert, die die elektronische Schwingschaltung Über deren Rückkopplungskreis ein- und ausschaltet und so die hohe Gleichspannung am Ladekondensator regelt und konstant hält, bei dem ferner die Vergleichsspannung getrennt von der hohen Gleichspannung erzeugt wird, der Vergleichskreis einen Speicherkondensator enthält, an dem die zur hohen Gleichspannung proportionale Vergleichsspannung entsteht und die Entladezeitkonstante des Vergleichskreises im Entladezustand ein Vielfaches kleiner ist als die Entladezeitkonstante des belasteten elektrischen Stromkreises,

der von der hohen Spannung gespeist wird, nach Patent

(Patentanmeldung P 20 02 805.I, H.D.Girle 7), dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schwingschaltung zwei zueinander komplementäre Transistoren in Kaskadenschaltung enthält, von denen die Primärwicklung (il) des Wechselspannungstransformators (26) der Arbeitswiderstand des zweiten Transistors (j5O) ist und von denen die Basis des ersten Transistors (29) über ein Rückkopplungsglied mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist, daß das Rückkopplungsglied aus der Serienschaltung eines Kondensators (j6) und eines Widerstandes (37) besteht, daß ferner zwischen dem Emitter des ersten Transistors und der Gleichspannungsquelle (2) ein Emitterwiderstand (31) vorgesehen ist und daß schließlich parallel zum Eingang des ersten Transistors eine Diode (3^) liegt, deren Flußrichtung der Flußrichtung der Basis-Emitterstrecke des ersten Transistors entgegengesetzt ist.

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2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Basis-Emitterstrecke des zweiten Transistors(30) eine Diode (35) liegt, deren Plußrichtung der der Basis-Emitterstrecke des zweiten Transistors entgegengerichtet ist.

3. Gleichspannungswandler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (29) des Schwingers ein Siliziumtransistor vom PNP-Typ und der zweite Transistor (30) ein Siliziumtransistor vom NPN-Typ ist.

4. Gleichspannungswandler nach den Ansprüchen 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsspannung durch die Gleichrichtung der Wechselspannung aus der Primärwicklung (II) des Wechselspannungstransformators (26) erzeugt wird.

5. Gleichspannungswandler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltanordnung des Vergleichskreises (28) aus der Serienschaltung einer in Sperrichtung geschalteten Zenerdiode (40), der Basis-Emitterstrecke eines Transistors (4l) und der Paralleldiode (34) zum Eingang des ersten Transistors (29) gebildet ist, die an den Abgriff eines über den Speicherkondensator (7) liegenden Spannungsteilers (38/39) angeschlossen ist.

6. Gleichspannungswandler nach den Ansprüchen 1 bis 5 j dadurch gekennzeichnet, daß an die Primärwicklung (II) des Wandlertransformators (26) ein weiterer Verbraucherkreis (43) angeschlossen ist, der insbesondere aus einem Gleichrichter (45), einem Speicherkondensator (46) und einer Gleichstromlast (44) besteht.

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