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Gleichspannungswandler Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zum Transformieren von Gleichspannungen und -strömen unter Verwendung von mehreren
Energiespeichern, welche entweder in Serie geschaltet geladen und parallel geschaltet
entladen werden oder umgekehrt, wobei als Schalter Halbleiter dienen.
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Solche Anordnungen sind bekannt, auch wurden verschiedene Möglichkeiten
zur Umschaltung der Speicher bereits patentiert, wie z.B. die Anwendung mechanischer
Kontakte oder Glimmlampen. Die beste Lösung ist jedoch die Anwendung von Halbleitern
(USA Pat. Nr. 2,773,200). Man unterscheidet zwischen Schaltungen zur Abwärts- und
Aufwärtstransformation der Spannung. In Fig. 1 ist eine Schaltung zur Abwärtstransformation
(Transformationsverhältnis 3:1) dargestellt. Die Dioden 112, 113 verbinden jeweils
den negativen Pol eines Kondensators mit dem positiven Pol des nächstfolgenden und
fügen so die Kondensatoren 102 und 104 zu einer Kette zusammen. Die Flußrichtung
der Dioden ist solchermaßen, daß in die Kondensatoren ein Ladestrom fließen kann.
Die Transistoren 106 bis 109 verbinden die gleichartigen Elektroden der Kondensatoren
und sind so gepolt, daß eine Entladung der Kondensatoren erfolgen kann.
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Außerdem befindet sich im Ladestromkreis ein Transistor 101, welcher
den Ladestrom steuert, und im Lastkreis eine Diode 115, welche das Zurückfließen
von Ladungen aus dem Glättungskondensator der Last verhindert. Die Schaltung in
Fig. 2 zur Spannungserhöhung (Transforma tionsverhältnis 1:3) unterscheidet sich
von der zur Spannungsverminderung dadurch, daf3 anstelle von Dioden zur Serienschaltung
der Kondennatorc Virchichtdioden 212, 213 verwendet werden.
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Außerdem sind die Halbleiter 206 bis 209 und 212, 213 entgegengesetzt
gepolt, so daß bei Parallelschaltung der Kondensatoren ein Ladestrom in dieselben
und bei Serienschaltung ein Entladestrom fließt. Ein weiterer Transistor 215 im
Lastkreis steuert den Laststrom und eine Diode 201 im Ladekreis verhindert ein Zurückfließen
von Ladungen in die Quelle.
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Solche Geräte sind sehr klein, leicht und haben einen ausgezeichneten
Wirkungsgrad. Trotz dieser großen Vorteile werden wegen der hohen Kosten Spannungswandler
dieser Art in der kommerziellen Technik nicht verwendet. Außerdem können die Transistoren,
da sie an verschiedenen sich ändernden Potentialen liegen, nur über einen Übertrager
angesteuert werden, welcher den für die Aussteuerung der Transistoren erforderlichen
Rechteckimpuls bei tiefen Frequenzen abflacht, und 90 tiefe Arbeitsfrequenzen nicht
zuläßt.
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Ziel der windung ist es, ein solches Gerät zu verbilligen, zu verkleinern
und für Netzfrequenz verwendbar zu machen. Erfindungsgemäß erfolgt die Farailelsehaltung
der Speicher über Dioden, welche jeweils alle positiven und negativen Elektroden
der Speicher verbinden und so gepolt sind, daß entweder ein Entladestrom oder Ladestrom
fließen kann. Außerdem liegt in dem Stromkreis, den die parallel geschalteten Speicher
mit einer Last oder Quelle bilden, ein elektronischer Schalter, z.B. ein Transistor.
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In folgender Betrachtung wird der Transistor als Element mit zwei
Funktionsbausteinen (Gleichrichterfunktion und Steuerfunktion) dargestellt. Die
Schaltungsanalyse zeigt, daß zum Parallelschalten der Kondensatoren und zur Auftrennung
der Parallelschaltung für n Kondensatoren 2.(n -1) Gleichrichterfunktionen und eine
Steuerfunktion benötigt werden. In der herkömmlichen Schaltung sind aber zum Parallelschalten
der n Speicher 2.(n i) Transistoren und eine Diode vorhanden, das entspricht 2n
-1 Gleichrichterfunktionen und 2<n 2( 3 Steuerfunktionen.Die herkömmliche Scha}tung,idt
also in Beg auf Funktionabausteine mit 2n -3 Steuerfunktionefl zuviel überdimensioniert.
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Es können alle iransistoren, die der Parallelschaltung der Kondensatoren
dienen, durch Dioden ersetzt werden, wenn die Diode, welche in dem Stromkreis liegt,
den die parallelgeschalteten Kondensatoren mit der Quelle oder Last bilden, durch
einen Transistor oder anderen elektronischen Schalter ersetzt wird.
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Anhand der folgenden Schaltungsbeispiele wird die Erfindung nachstehend
näher erklärt.
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Fig. 3 zeigt einen Gleichspannungsuntersetzer mit einem Transformationsverhältnis
von 4:1.
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Beim Anlegen der Speisespannung U0 wird von der Steuerspannungsquelle
316 der transistor 301 geschlossen, während der Transistor 315 geöffnet wird. tber
die Dioden 312 bis 314 kann ein Ladestrom in die Kondensatoren 302 bis 305 fließen.
Die Dioden 306 bis 311 sind in Sperrichtung gepolt. Es ist also nur Stromfluß von
der Quelle auf die Kondensatoren möglich. Die Steuerspannungsquelle 316, welche
Rechteckimpulse erzeugt, sperrt nach der halben Periodenzeit der Arbeitefrequenz
den Transistor 301 und schließt den Transistor 315. An den Dioden 306 bis 311 liegt
jetzt eine Spannung in Durchlaßrichtung; sie verbinden alle positiven und alle negativen
Elektroden der Kondensatoren mit der Last. Die Dioden 312 bis 314 sind in Sperrichtung
gepolt.
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Es kann alo nur ein Entladestrom der Kondensatoren über die Last fließen.
Wiederum nach der halben Periodenzeit wird der Transistor 301 geschlossen und der
Transistor 315 geöffnet; ein neuer Arbeitstakt kann beginnen. Nach einigen Arbeitstakten
ist die Spannung an den Kondensatoren bis auf die volle Betriebsspannung angestiegen.
Diese Art der Schaltung zur Abwärtswandlung eignet sich besonders gut für hohe Ströme
bei kleineren Spannungen, da über alle Dioden nur 1/4 des Ausgangsstromes fließt.
Für hohe Spannungen bei geringeren Strömen ist eine Schaltung nach Fig. 4 geeigneter.
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Die Arbeitsweise dieser Schaltung ist analog der nach Fig. 3. Der
einzige linterschied besteht darin, daß an den Dioden 406 bis 411 gleiche Sperrspannungen
auftreten, jedoch verschieden große Ströme. Die maximale Sperrspannung an jeder
Diode ist hier 1/4 der bingangsepannung Uo.
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Fig. 5 zeigt einen Spannungsübersetzer mit einem 'dransformationsverhältnis
von 1:4.
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Wir betrachten eine Arbeitsperiode. Beim Anlegen dzr Speisespannung
Uo wird von der Steuerspannungsquelle 516 der Transistor 501 geschlossen und der
Transistor 515 geöffnet. Durch die Dioden 506 bis 511 kann ein Ladestrom auf die
Kondensatoren 502 bis 505 fließen. Die Thyristoren 512 bis 514 sind geöffnet. Nach
der halben Periodenzeit der Arbeitsfrequenz wird der Transistor 501 geöffnet, die
Thyristoren 512 bis 514 gezündet und der Transistor 515 geschlossen. Die Dioden
506 bis 511 sind jetzt in Sperrichtung gepolt, die Kondensatoren entladen sich,
durch die Thyristoren in Serie geschaltet, über die Last. Nach der halben Periodenzeit
öffnet die Steuerspannungsquelle 516 den Transistor 515 und schließt den Transistor
501; die Thyristoren fallen in den Sperrzustand, ein neuer Arbeitstakt kann beginnen.
Anstelle der Thyristoren 512 bis 514 können auch Vierschichtdioden ohne Steuerelektrode
verwendet werden. Der Umschaltevorgang des Transistors 501 vom Durchlaß- in den
Sperrzustand muß dann vom Durchbruchsvorgang der Vierschichtdioden getriggert werden,
damit für die Speisespannung kein urzshluß entsteht. Diese Schaltung ist besonders
für hohe Ströme geeignet. Durch alle Dioden 506 bis 511 fließt nur 1/4 des Eingangsstromes.
Für hohe Spannungen ist die Schaltung nach Fig. 6 günstiger.
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Die Arbeitsweise dieser Schaltung gleicht der von Fig. 5. Zum Unterschied
werden hier alle Dioden mit der gleichen Sperrspannung, nämlich 1/4 der ingangsspannung,
belastet) jedoch führen sie verschieden große Ströme.
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Die Verlustleistung ist bei allen Schaltungen hauptsächlich durch
die Durchlaßspannungen und Schaltverluste der Halbleiter bestimmt. Die Abhängigkeit
von der Speisespannung ist sehr gering. Bei mittleren bis hohen Speisespannungen
liegt der Wirkungsgrad nicht unter 90 °/O.
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Die Erfindung ermöglicht den Bau von kleinen, leichten und zugleich
billigen Spannungswandlern mit hohem Wirkungsgrad und beliebiger Leistung. Die trbeitsfrequenz
kann gleich der Neztfrequenz gemacht werden. Dies ermöglicht die Speisung der Wandler
mit Netzspannung, wobei ein Xipitzenwertgleichrichterbetrieb oder ein Gleichrichterbetrieb
mit Pha.qnanschnittsteuerung durchgeführt werden kann.