DE2036866A1

DE2036866A1 - Wandlerschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2036866A1
Application number: DE19702036866
Authority: DE
Inventors: Roland E Andrews
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1969-07-24
Filing date: 1970-07-24
Publication date: 1971-04-08
Also published as: DE2036866C2; JPS5443168B1; NL164711C; GB1325031A; NL7010506A; FR2053131A1; NL164711B; US3596165A; FR2053131B1; CA918237A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann, 2036866

Dii'I..-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys.Dr. K.F1NCKE Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Hüber

8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 483921/22

<983921/22>

lektronix Inc., 14 150 S.W. Karl Braun Drive, Beaverton, Oregon, 97005, Y.St.v.A.

Wandlerschaltungsanordnung

Gleichspannungs-Wandlerschaltungsanordnu^ngen, welche über eine Weehselsjiannungsstufe arbeiten, werden in der Schaltungs» technik vielseitig verwendet. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, einen verfügbaren Gleichspannungswert für elektronische Anlagen zu vergrößern. In einem derartigen Pail wird ein Wechselspannu-ngssignal erzeugt unä auf eine höhere Spannung transformiert, wonach eine Gleichrichterschaltung bei diesem höheren Wert ein Gleichspannungs-Ausgangssignal erzeugt.

Bei einer ebenfalls gebräuchlichen Doppelgleichrichtung wird die Netz-Wechselspannung zur Erzeugung eines ersten Gleichspannungswertes gleichgerichtet. Dieser Gleichspannungswert wird sodann wiederum in eine Wechselspannung überführt, um eine geeignete Spannungswandlung und/oder eine Eransformatorisolation zu erzielen. Das resultierende Wechaelsignal wird sodann zur Erzeugung eines endgültigen Gleichspannungs-Ausgangssignals gleichgerichtet. Eine derartige Schaltungsanordnung kann vorteilhaft sein, da die durch die Schaltung erzeugte Wechselspannungswandlung bei einer Frequenz statt-

109815/1287

- 2-

findet, die wesentlich höher als die STetzfrequenz ist* kaan der zur Herauf transformation der Spannung uaä/oäer zur" Isolation verwendete !Transformator kleiner ale ein jfcoairessti©» neller Iieistungstransformator sein«,

Es ist weiterhin wünschenswert, dag der regelbar ausgebildet ist, um ©ine vorgegebeae Ausgasgsspaammg zu erzeugen« Bei bekannten G-leidh.spannuQgsws.aälern xferies ©ft zu diesem Zweck Schalter zusammen mit Energiespeicher!!, weiswea= det, um die Ausgangsgleiehspannung mit eisern, geregeltes Spanaiangs wert zn erzeugen· Beispielsweise wird dabei ein Sciialtttßgstransistor abwechselnd disrchgesehaltet mn& wobei eia transformator oder ein® Indu&tiTität sks 4 des fDransistorstroms dient _o Di© Ausgaagsspaanimg ifiEi. als tion der Surchschaltezeit des Sraasistors geregelt.» Bsr teil bei der Yerwendung eines Schalttransistors» walÄea? entweder darchgesehaltet ©der gesperrt ist₉ liegt M ä©r fetsache, daß in dies.em Schalttransistor, praktisch Ireia üei— s tangs verlust auftritt* Alleräiiags flieien ia eines desartigen Schaltung, verglichen mit dem tatsächlichen gexflissetitea Ausgaagegleichstrom sehr höh© Spitzenströme₀ WeiteÄia treten in Terbißäung mit dem Schalten elektro-magaetisehe Imteaffer-» renzea auf, wobei strenge Anforderungen an di© ScJaalteeiteis von ia äer Schaltung.verwendeten Gleichrichtern sasteilem sind. Darüber hinaus ist ein beträchtlicher Iilt©i?aiaftjaai ast wendig, um einen brauchbaren Grleichspannungsdusgangs^est s& e halten.

Zur Erzeugung einea Wechselspannungs-Ausgangsgigaals MSnnem. auch Sinus-Oszillatoren verwendet v/erdsn₉ deresi nal zur Erzielung eines Gleichspannuags-lfert®©· werden kann. Allerdings sind äabai dis aktiven Bauelementen, wie beispitls^^eise ©ia@m In eia©r latoreohaltung verwendetea

109815/128?

Schalttransistoren gewöhnIieh. höher. Darüber hinaus wird das Leistungsverlustproblem in einem gewöhnlichen Oszillator noch verschärft, wenn eine Regelung erwünscht ist, da dann die Torspannungen des Oszillators bei Werten liegen müssen, die zur Lieferung eines größeren oder kleineren Ausgangssignals als Punktion von Spannungsänderungen u.a. geeignet sind. In einem derartigen Fall arbeitet das aktive Bauelement des Oszillators in einem Betrieb, bei dem ein beträchtlicher Leistungsverlust auftritt. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß der maximale Strom in dem aktiven Bauelement nicht; dann fließt, wenn der Spannungsabfall an diesem Element gleich Mull ist; daraus ergibt sich ein höherer Leistungsverlust als im Palie eines Scahlt-Bauelementes.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wandlerschaltungsanordnung und insbesondere einen Gleichspannungswandler mit geregeltem Ausgangssignal anzugeben, welche im Vergleich zu bekannten Schaltuagsanoränungen dieser Art einen besseren Wirkungsgrad besitzt»

Dabei sollen insbesondere auch die auftretenden Spltsenstiöfee geringere Werte besitzen als dies bei bisher bekannten Schaltungsanordnungen mit Schaltern der Pail ist.

Auch soll dabei die Übertragung der mittleren Leistung für gegebene Spitzenströme in !Transistoren, !Eransformatoren, Gleichrichtern u.a. hoch sein.

Weiterhin sollen auch die geschalteten Signale langsamer als in bekannten Schaltungsanordnungen sein, um elektro-magnetische Interferrenzprobleme zu reduzieren und die AüforderuQgen an die Schaltzeiten von Gleichrichtern zu vermindern·

Weiterhin soll das Schalten und die Regelung bei Spannungen vor sich gehen, die nahezu gleich Hull sind,»

109815/1287 -.4 -

2Ü36866

Schließlich soll die Verlustleistung in dem Schaltelement so gering wie möglich sein.

Zur Lösung dieses Problemzusammenhangs ist die erfindungsgemäße Wandlerschaltungsanordnung durch folgende Merkmale gekennzeichnets

einen abgestimmten Resonanzkreis, Schalter zur periodischen Erregung des Resonanzkreises aus einer Gleichspannungsquelle zwecks Erzeugung eines durch den Resonanzkreis fließenden Wech·» selstromsy eine Ausgangsstufe zur Aufnahme'einer Ausgangsspannung als Funktion des im Resonanzkreis fließenden- Wechselstroms, einen Rückkopplungskreis zur Umschaltung der Schalter mit einer zur Resonanzfrequenz des Resonanzkreises synchronen Schaltfr©- q.uenz und einen Kreis zur Änderung der Schaltfrequenz als Funk» tion des Werts der Ausgangsspannung der Ausgangsstufe„

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung enthält also einen abgestimmten Resonanzkreis zur Erzeigmg eines Wechselspannungs-Ausgangssignals. Die Schalter schalten den Resonanzkreis abwechselnd zwischen den Gleichspannungseingangsklemmen und einer Ausgangsstufe um₉ die durch die Primärwicklung des Ausgangstransformators gebildet wirdo Die Sekundärwicklung des !Dransformators speist dabei eine Gleichrichterschaltung zur · Erzeugung des endgültigen Gleichspannungs-Ausgangssignals„' Die Synchronisation des Betriebs der Schalter in bezug auf die Signalform im Reananzkreis erfolgt durch eine Rückkopplung, so daß das Schalten in einem Punkt stattfindet, in dem der Strom im Resonanzkreis durch Null geht_o Zur Unterbrechung der Rückkopplung werden die Schalter für eine Zeitgeriode während jedes Zyklus als Punktion des Spannungswertes des Ausgangssignals gesperrt gehalten■„ Dadurch wird die Frequenz des Wechselspannungssignals am Resonanzkreis als Punktion des Wertes

10981 S/128?

des AusgangsSignaIs etwas geändert, wobei die Frequenzänderung wiederum dazu führt, daß das Ausgangssignal auf einen gewünschten Wert eingeregelt wird, ⁱ

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung "besitzt verschiedene Vorteile, von denen einer dadurch gegeben ist, daß im Vergleich, zu dem in der Schaltungsanordnung fließenden mittleren Strom ein relativ kleiner Spitzenstrom auftritt. Die Ströme sind nahezu sinusförmig, wobei der Spitzenwert lediglich um etwa die halbe größer als der mittlere Stromwert ist. Während in bekannten Schaltungsanordnungen für eine große Zeitperiode keine Energie an die Last geliefert wird, liefert die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung Strom für einen großen Zeitprozentsatz, wodurch eine etwa notwendige Filterung des Gleichspannungs-Ausgangssignals sehr einfach möglich ist. Auch wird weiterhin der Wirkungsgrad aufgrund der hohen übertragenen mittleren leistung für gegebene Spitzenströme in !Transistoren, Transformatoren und Gleichrichtern verbessert. Die geschalteten Spannungssignalformen sind langsamer als in bekannter Schaltungsanordnung, was sich aus der Verwendung eines 1-0-iiesonanzkreises ergibt. Durch dieses langsamere Schalten werden elektromagnetische Interferrenzen reduziert} auch sind geringere Anforderungen an die Schaltzeiten der Gleichrichter zu stellen. Da die Schalter bei Strömen mit Werten von nahezu Hull geschaltet werden, werden SchaItVerluste während der Sperrzeiten dieser Schalter, beispielsweise im Falle von Transistoren, im wesentlichen eliminiert. Da weiterhin die Regelung zu einer Zeit stattfindet, bei der die Schalter schon gesperrt sind, erfolgt eine wirksame Regelung während jedes Halbzyklus des Wechselsignals.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren.
Eb zeigt:

109815/1287

Pig. 1 ein Schaltbild, das zur Erläuterung der Wirkungsweise

der erfindungsgemäßen Wandlerschaltungsanordnung dient;

Pig. .2 Diagramme von Signalformen, wie sie in der Schaltungsanordnung nach Pig. I auftreten? ■

Pig. 3 ein weiteres Diagramm von Signalformen, wie sie in der SchaTfcungsanaänung nach Pig» I auftreten!

Pig. 4 ein teilweise in Blockform dargestelltes Schaltbild einer Ausführungsform der Wandlerschaltungsanordnung gemäß der Erfindung?

Pig. 5 ein'Diagramm von Signalformen, wie sie in der Schaltungsanordnung nach Pig» 4 auftreten5

Pig. 6 ein weiteres' Diagramm von Signa!formen", wie sie in der Schaltungsanordnung nach KLg₀ 4 auftreten? und

Pig. 7 ei η Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wandlerschaltungsanordnung«,

w Die air Erläuterung der Punktionsprinzipien der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dienende Schaltung nach Pig» I enthält ein Paar von in Serie geschalteten Batterien 10 und 12, die zusammen eine mit E^ Eingangsspannung liefern· Der ^verbindungspunkt der beiden Batterien ist geerdet» Die positive Klemme der Batterie IO ist an einen statimären Kontakt eines einpoligen Umschalters 16 angeschaltet^ während die negative Klemme der Batterie 12 an den verbleibenden stationären Kontakt 18 des Umschalters 16 angeschaltet ist«= Am beweglichen Kontaktarm des Umschalters 16 ist in bezug auf Erde eine Spannung e·, abnehmbare Die dargestellte rechteckige Schalt

signalform der Spannung β* besitzt eine Periode I. Der

Kontaktarm des Umschalters 16 ist über eine Spule 20 mit der Induktivität L und einer Kapazität 22 mit der Kapazität C an einen Verbindungspunkt 24 angeschaltet, an dem eine mit e . bezeichnete Spannung abnehmbar ist. Der Punkt 24 ist V mit der Anode einer Diode 26 und der Kathode einer Diode 28 verbunden; die verbleibenden Klemmen dieser Dioden sind an die Klemmen von iilterkapazitäten 30 und 32 angeschaltet* Der Verbindungspunkt dieser beiden Kapazitäten liegt an Erde. Während parallel zur Kapazität 30 ein erster lastwiderstand 34 liegt, ist der Kapazität 32 ein zweiter Lastwiderstand 36 parallelgeschaltet. An diesen beiden in Serie liegenden Iiastwiderständen ist eine Ausgangsspannung Eq abnehmbar.

Es sei zum Zwecke der Erläuterung angenommen, daß die Komponenten in der vorstehend beschriebenen Schaltung ideal sind«. Weiterhin soll der Umschalter 16 mit einer Schaltfrequenz £ betätigt werden, welche gleich der Resonanzfrequenz f-^ des Serien-LC-Kreises ist, der aus den Komponenten 20 aad 22 gebildet wird. Darüber hinaus soll die Umschaltung pitas ensynchr on mit einem sinusförmigem Strom i-j-n in den Komponenten 20 und 22 erfolgen, wie dies in lig. 2 dargestellt ist»

Es ist zu bemerken, daß die Spannung e , genau gleich der Spannung e, und die durch die Dioden 26 und 28 gleichgerichtete und durch die Kapazität 30 und 32 gefilterte Ausgangsspannung Eq genau gleich der Eingangsspannung E^ ist. Die Spannungen e ^ und e, sind, wie dargestellt* rechteckförmig. Die Werte der Spannungen E_Q und E™ sind beide gleich der Amplitude der rechteckförmigen Spannung E^.

Eine Regelung des Werts der Ausgangsspannung erfolgt erfindungsgemäß durch Änderung der Schaltfrequenz des Umschalters 16 in bezug auf den in den Komponenten 20 und 22 flie~ Senden Wechselstroms. Die Ausgangsspannung E_Q kann dadurch

109815/1287 ~ ⁸ "

2U368(d6

auf einen kleineren Wert, als den der Spannung E,, geändert werden, daß die Schaltfrequenz in "bezug auf die Frequenz ^fL'O geändert wird. Eine Änderung der Schaltfrequenz sowohl über als auch unter den Wert der Frequenz f™ führt zu einer Reduzierung der Ausgangsspannung„ Für die folgende Erläuterung wird jedoch lediglich eine Reduzierung der Schaltfrequenz betrachtet» Es werde nun angenommen^ daß' die Spannung E^ größer als gewünscht ist₉ wobei die Schaltung jedoch immer noch die gleiche Ausgangsspannung E_Q liefert. Die Umschaltung wird in diesem Falle so vorgenommen, daß die Schaltfrequenz dem Eingangssignal nacheilt^ wie dies in Figo 3 dargestellt ist» Die Spannung e . ist in bezug auf die Spannung e-, nunmehr kleiner in der Amplitude und in der Phase vorverschoben„Daher ist die gleichgerichte Ausgangsspannung Eq kleiner in der Amplitude als die Eingangsspannung E,j_O

Wie aus Fig» 3 zu ersehen ist, ist der durch den-Resonanzkreis 20, 22 fließende Strom nicht mehr sinusförmig_s da die Umschaltung nicht mehr synchron mit der Resonanzfrequenz des LC-Kreises erfolgte Die Umschaltung erfolgt in jedem FaIIe₅ nachdem das LG-Signal durch Null gegangen ist, was zu einem Strom i-rn führt, wie er in Fig„ 3 dargestellt ist. Daraus folgt eine Verminderung der Frequenz derSchaltungsanordnung sowie eine Verminderung der Ausgangsspannung in bezug auf die Einsgangsspannung. Die Λusgangsspannung E_Q kann für eine Eingangsspannung, welche gleich oder größer als die Spannung Eq ist, durch Regelung der Umsch-tltfrequenz konstant gehalten werden» .nimmt die Mngangsspannung zu, so ergibt sich aufgrund der Regelung, •■laß der apitzen-jjjngangsstrom konstant bleibt; die Verzögerung in der umschaltung führt jedoch dazu,- daß über einem Teil des Zyklus Energie zur Quelle zurückroliefert wirdo Die mittlere Stromentnahme wird geringer, wenn die Eingaugsrapannung erhöht wird«, "wodurch die aus der Quelle entnommene Leistung konstant bleibt«

109815/1287 - 9 -

BAD ORIGINAL

2U36866 ;-'■■■

i'ig. 4 zeigt eine teilweise in Blockform dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. In dieser Schaltungsanordnung liegt an einem Paar von Bingangsgleiehspannungsklemmen 38 und 40 eine Eingangsgleichspannung E^, wobei die Klemme 38 positiv in "bezug auf die Klemme 40 ist. Die Klemme 38 ist an ein Ende einer Primärwicklung 42 eines Transftrmators 44 angeschaltet, welcher weiterhin Sekundärwicklungen 46, 48 und 50 besitzt. Eine Vollweg-Grleiehrichterschaltung mit Dioden 52 und 54 verbindet die Wicklung 46 mit einer Last 56, der eine Ulterkapazität 58 parallelgesehaltet ist. An den Wicklungen 48 und 50 liegen entsprechend nicht näher bezeichnete Gleichrichterschaltungen und Lasten.

Der LG-Resonanzkreis umfaßt wiederum eine Induktivität 20 und eine Kapazität 22, die in Serie geschaltet sind, wobei ein Lnde dieses Resonanzkreises an das verbleibende Ende der Primärwicklung 42 angeschaltet ist. Die der Wicklung 42 abgewandte Klemme des LO-Kreises liegt über eine Serienschaltung einer Primärwicklung 60 eines Tra ns forma tors 62 und einer Primärwicklung 64 eines Transformators 66 an einem Punkt 68« ^i n- Paar von durch npn-Transistoren 70 und 72 gebildeten Jchalfcern liegt zwischen den Klemmen 38 und 40 und dem vorgenannten Punkt 68. Die spezielle Klemme 38 ist an dem Transistor 70 und sein Emitter an den Punkt 68 angeschaltet. Parallel zum Transistor 70 liegt eine Diode 74» derart, daß ihre Anode an den Emitter dieses Transistors angeschaltet ist. Der Kollektor des Transistors 72 ist an den Punkt 68 und sein ivmitter an die Klemme 40 angeschaltet. Parallel zum .Transistor 72 liegt eine Diode 76, derart, daß ihre Anode am unitter des Transistors 72 liegt.

Der eine liückkuppluny darotel !ende Tr a -η a forma Lor 66 besitzt zu oynchroniDafciouszweckü-ti ■ iJeltundürwicklutiiion. 78 und 80. Iilin IUmJiJi ir , ickl-Ufi YH im >' ) m' .... -i L b f; i^l -J.i.·:"" lvatujla tora 70.

ro tvB: s / i 2ύ / . - - .;■■ _ _. ■.,

BADORlGiNAL

2U36866 - ίο - . .

angeschaltet, wahrend ihr verbleibendes Ende über einen Yorspannungskreis, der aus der Parallelschaltung einer Kapazität 82 und eines Widerstandes 84 besteht₉ an derBasis des Transistors 70 liegt. Entsprechend ist ein Ende der Wicklung 80 an den Emitter des Transistors 72 angeschaltet, während ihr verbleibendes Ende über einen Yorspannungskreis ₉ der aus der Parallelschaltung einer Kapazität 86 und eines Widerstandes 88 besteht, an die Basis des Transistors 72 angeschaltet ist. Die Verschaltung der Wicklung 80 ist in bezug auf die fe der Wicklung 78 umgekehrt, so daß die Basen der Transistoren 70 und 72 außer Phase angesteuert Werdens» ^⁰- diese Transistoren abwechselnd durchzuschalten.

Eine zusätzliche Wicklung 90 des Transformators 66 ist mit einem Mittelabgriff versehen^ wobei die Enden dieser Wicklung über Dioden 92 und 94 an einem gemeinsamen Punkt 96 liegen» Speziell sind die Kathoden dieser Dioden an den Punkt 96 angeschaltet» Der Punkt 96 ist zusammen·mit dem Mittelabgriff der Wicklung 90 an den Ausgang einer Spannungsregel·=· und Überstromschutzstufe 98 angeschaltet«,

Die Spannungsregel- und Überstromsehutzsehaltung 98 empfängt P ein erstes Eingangssignal von einer Wicklung 100 des Transformators 62 und ein zweites Eingangssignal tos einer Wicklung 102 des Transformators 54. Die Wicklung 102 ist über einea Dioden 104 und 106 enthaltenden Yollweggleichsiehter an die üpannungsregel- und Überstromsehutzstufe 98 angeschaltet«,

Die Schaltung nach Fig. 4 arbeitet in der gleichen Weise wie die Schaltung nach Fig» 1» Auch bei ihr kommt dasEingangssignal für die LC-Kombination foo der Eingangsgleichspannung Jig-, wobei diese Kingangsspannung geschaltet wird_o Der durch die Elemente 20 und 22 fließende sinusförmige Strom

¹⁰⁰ J- JL***

¹⁰⁰⁸ 15/1287 wdorkW

2U3B866

fließt weiter durch die Primärwicklung 42 des Transformators 44* Erfolgt die Umschaltung synchron mit dem Strom im LC-Kreis, so bleibt die sinusförmige art des Stroms unverändert. .Lrfölgt jedoch die Umschaltung etwas außer Phase mit dem wahren sinusförmigen Signal, so weicht die Stromform im LO-Kreis gering von der Sinusform ab, wie dies in den Pig. und 6 dargestellt ist.

Die in Serie, zum LC-Kreis liegende Wicklung 64 ist eine lltickkopplungswicklung, welche bewirkt, daß die Transistoren synchron mit der LC-Signalform schalten, da auf den Strom i-TQ synchronisierte Spannungen in den Wicklungen 78 und 80 induziert werden. i)ie Transistoren 70 und 72 leiten daher abwechsänd. Wenn der Transistor 72 leitet, fließt Strom von der Klemme 38 durch die Wicklung 42, die Kapazität 22j die Spule 20, die Wicklung 60, die Wüclung 64 und die Emitter-. Kollektor-Strecke des Transistors 72 zur Klemme 40, Wenn andererseits derTransistor 70 leitet, ßo fließt Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 70-, die Wicklung 64, die Wicklung 60, die Spule 20, die Kapazität 22 und die Wicklung 42. Es ist festsustellen, daß die Transistoren 70 und 72 für abwechselnde Halbwellen des Stroms in den Komponenten 20 und 22 leiten und daß die Umschaltung zwischen den Transistoren dann erfolgt, wenn der Strom im LO-Resonanzkreis durch aiull geht.

ϊrfindungsgemäß werden die beiden Transistoren für eine ausgewählte Zeitperiode in Abhängigkeit von der erzeugten Ausgangsspannung gesperrt, wenn der Strom durch KuIl geht. Ist der Aungangsspannungsv/ert beispielsweise am Ausgangs—Lastwiderstand Sb so hoch, so werden die Transistoren 70 und72 für . eine längere Zeitperiode gesperrt, wobei die Spannung an der Transformator"wicklun£" 72 vei^eichsweisfi gering wird. Ist. jedoch dieAusgangsspannung zu klein, so werden die Transistoren

10981571287

BAD ORiGfNAL

70 und 72 für eine kürzere Zeitperiode gesperrt, 'bis die gewünschte Regelung erreicht ist. Die Regelung erfolgt über die Spannungsregel- und Überstromschutzstuf'eSB· Die Wicklung 100 stellt fest, wann der Strom im Kreis 20, 22 durch lull geht; als Punktion dessen wird ein rechteckförmiges Signal einstellbarer Dauer an der Wicklung 90 erzeugt₀ Dieses rechteckförmige Signal hält die Spannung an den Wicklungen des Transformators 66. mittels der Dioden 92 und 94 für die Zeitdauer des Rechtecksignals derart fest, daß die Rückkopplung zur Durchschaltung eines der Transistoren 70 oder 72 r unterbrochen bzw. abgeschaltet wird«. Danach kann die Rückkopplung an einem Punkt in jedem Zyklus des Resonanzstroms schalten, um die gewünschte Ausganssspannung zu erzeugen_o

über

Der Wert der Ausgangsspannung wird/die Wicklung 102 festgestellt, und auf die Spannungsregel- und Überstromschutzstufe 98 gegeben. Die 'Dioden 92 und 94 stellen zusammen mit der Stufe 98 eine Rückkoppel-Schalteinheit dar«. Eine Ausführungsform einer geeigneten Spannungsregel« und Überstromschutzstufe wird anhand von Pig. 7 erläuterte

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Figo 4 kann weiterhin anhand der Diagramme nach den Fig₀ 5 und 6 erläutert fc werden, wobei die Eingangsspannung E^ im Falle des Diagramms nach Tig. 6 größer als im Falle des Diagramms nach Fig₀ 5 ist₀ Die Spannung x^ ist in jedem Falle die Spannung am Transistor 72, währenddie Spannung i.»_rj_ die Spannung an der Primärwicklung 42 ist. Es ist zu bemerken, daß der Strom, i™- von der G-leichspannungsklemme lediglich dann fließtg wenn die Spannung e., am Transistor 72 gleich Null ist, d._oh_e wenn entweder der Transistor 72 oder die Diode -76 gleitete Wenn die Spannung e, maximal istj so fließt der Strom irr« entweder durch den Transistor 70 oder die Diode 74»

Gilt gemäß dem Diagramm nach Figo 5 der Resonansstrom I™ im abgestimmten Kreis zur Zeit t-. in positiver Richtung durch

. 109815/1281

- 15 -

Hull, so nimmt die Spannung i_Ori ihren maximalen Wert an.
Dies ist im Prinzip eine Folge des in der erfindungsgemäßen Schaltung verwendeten Lasttyps, wobei beispielsweise die
Dioden 52 und 54 die Kapazität 58 aufladen. Für eine insgesamt ohmsehe Wechselspannungslast besitzt die Spannung e. weniger Rechteckform und nähert sich mehr der Form des
Stroms i-rn an. Zum" Zeitpunkt t-, geht die Spannung e^p, d.h. die Spannung an der Basis des Transistors 72 ins Negative,
wie dies in Fig. 5 gezeigt ist· Wie im folgenden noch genauer erläutert wird, fließt jedoch der Strom i-^· durch die Diode
76 und den LC-Kreis.

Zwischen den Zeitpunkten t-, und t„ wird die Wicklung 90 erregt, so daß weder die Basis des Transistors 70 Doch die Basis des Transistors 72 durch den Transformator 66 ein positives Signal erhält. Die Zeitperiode zwischen den Zeitpunkten t-, und t₂ wird, wie oben beschrieben, durch die Spannungsregel-
und Überstromschützstufe 98 festgelegt. Zum Zeitpunkt t₂ ist die Wicklung 90 nicht geklemmt, so daß eine negative Spannung auf die Basis des Transistors 72 gegeben wird, da der Strom ij-ß zu diesem Zeitpunkt ins Positive geht und die leitungen der wicklung 80 zwischen dem Transformator 66 und dem Transistor 72 gekreuzt sind. Zu diesem Zeitpunkt liefert die Wicklung eine insPositive gehende Spannung zum Transistor 70, so daß dieser leitet. Der Strom Ι™ fließt nunmehr durch den Transistor 70, bis er die Zeitachse zum Zeitpunkt tp wieder kreuzt. Zu diesem Zeitpunkt kehrt die Spannung e .ihre Polarität
um, so daß die Väcklung 90 wiederum durch die Stufe 98 geklemmt ist. Die Dauer dieses Zustandes hängt von dem gewünschten Wert der Auagangsspannung der Schaltung ab. Zwischen den Zeitpunkten t, und t, fließt der Strom i™ jedoch durch die Diode Zum Zeitpunkt t· wird die Basis des Transistors 72 leitend, so daß der Strom i™ durch diesen Transistor von der Eingangs-Gleichapannungsq.uelle fließt, wie dies durch den Strom i^· in

1098 15/1287 ~ ^U■"

Pig. 5 angezeigt ist» Der Strom fließt bis zum Zeitpunkt t- durch den !Transistor 72; zu diesem Zeitpunkt wird die Wicklung 90 erneut geklemmt. Der Strom i_1Q kreuzt die IuIlaclise wiederum in positiver Richtung und muß nunmehr durch die Diode 76 fließen, wobei der IC-Sreis nunmehr bis zum Zeitpunkt tg Strom zur Quelle zurückliefert.

Es ist zu bemerken, daß im Falle des Diagramms nach Pig« 6 die Zeitperiode zwischen den Zeitpunkten ti und tp größer ist, da eine Änderung im Wert der durch die Schaltung gelieferten Ausgangsspannung erfolgt ist» Daher arbeitet die Klemmwicklung 90 für eine längere Zeitperiode, wodurch die Phase verzögert und die Frequenz auf einen Wert erniedrigt wird, so daß insgesamt die Spannung e ^ die gleiche bleibt. Die Umschaltverzögerung führt dazup daß Energie lediglich über einem Seil des Zyklus von der Quelle geliefert wird und daß mehr Energie über einem Teil des Zyklus in die Quelle zurückgespeist wird.

Es ist zu bemerken,, daß der Strom i_LC einen angenähert sinusförmigen Verlauf besitzt« Tür den größten Teil der Zeit wird Leistung zur Last geliefert, während in den Transistoren 70 und 72 keine Über Gebühr hohen Ströme fließen_o In bekannten Schaltungsanordnungen mit Schaltern leiten die Schaltungstransistoren im Yergleich zur erofindungsgemäßen Schaltungsanordnung wesentlich länger. Daher sind die Ströme nicht über Gebühr hoch und es ist nicht erforderlich^ daß, wie bei bekannten Schaltungsanordnungen dieser Art ein gußer Strom für eine kurze Zeit fließt. Die Umschaltung und die Regelung erfolgt nichtsdestoweniger bei kleinen Stromwerten.

Die Schaltungsanordnung nach Fig,, 4 kann als Rückkopplungsoszillator angesehen werden» wobei der LC-Kreis 20_p 22 primär dieOszillationsfrequenz bestimmt» Zu einem definierten Zeitpunkt,

109815/1281 - 15 - .

wenn der Strom im LO-Kreis die Uullachse kreuzt, wird die Rückkopplung für eine ausgewählte Zeitperiode zur Regelung des Werts der Ausgangsspannung der Schaltung unterbrochen "bzw. abgeschaltet.

Es hat sich als wünschenswert erwiesen, in der Schaltungsanordnung nach Pig. 2 eine parallel zu den Klemmen 38 und liegende Anlaßstufe 108 zu· verwenden. Diese Anlaßstufe wird dazu verwendet, um der Basis des transistors 72 einen Startimpuls zuzuführen, wenn die WandlerschaItung eingeschaltet wird. Ein Verbindungszweck vom Kollektor des (Dransistors 72 unterbricht den Startimpuls, wenn die Schaltung im eingeschwungenen Zustand arbeitet.

Pig. 7 zeigt eine vollständigeSchaltungsanordnung, in der gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. In dieser Schaltungsanordnung liegt auf der Seite der Gleichspannungsklemme 38 und 40 ein Paar von liebenachIußkapazitäten 112 und 114 nach Erde, um schnelle SohaXtübergänge aus der Schaltung abzuleiten, damit sie nicht zurück in die Gleiehspannungsq.uelle gespeist werden. Weiterhin ist eine gekoppelte Drossel,116 vorgesehen, von denen jeweils eine Wicklung in den Leitungen zu den Klemmen 38 und 40 liegt. Diese Drossel bildet eine Serienimpedanz zur Abtrennung von Schaltübergängen von den Klemmen 38 und 40. Die Drosselspulen sind so geschaltet, daß keine Sättigung eintritt. Die von den Klemmen 38 und 40 kommenden Gleichströme fließen in entgegengesetzter Richtung durch die Drossel 116, so daß sich der durch die Gleichströme erzeugte Pluß aufhebt.

Die Anlaßstufe 108 enthält eine Kapazität 118, welche über einen Widerstand 120 von einer Klemme 122 aufgeladen wird. Diese Klemme 122 kann beispielsweise mit der Klemme 38 verbunden sein. In Fällen, in denen die Schaltungsanordnuqg jedoch

109815/1287 " ^1β "

nach einer Gleichrichter-Schaltung zur Wandlung von Wechselspannung in Gleichspannung verwendet wird,, wird 'die Klemme 122 zweckmäßig an die Original-Wechselspannungsquelle ange-' schlossen. Me Kapazität 118 wird entweder auf eine Gldchspannung oder auf eine mit einer Wechselspannung überlagerte Gleichspannung aufgeladen. Wem die Spannung an der Kapazität 118 einen vorgegebenen Wert erreicht, so leitet eine Dreischicht-Diode 124 und liefert-»e4 einen Iriggerstrom zur Basis des !Transistors 72 zwecks Anstoßens der Oszillationen. Wenn die Schaltung richtig arbeitet, leitet der Transistor 72 in jedem■Halbzyklus, wobei die Kapazität 118 in jedem Halbzyklus über eine Diode 126 entladen wird«,

IM EinschaItVerluste in den Transistoren so klein wie möglich zu halten, ist in Serie zum Kollektor des Transistors 70 eine Drossel 128 und in Serie zum Kollektor des Transistors 72 eine Drossel 130 vorgesehen. Jeder Transistor muß, wenn er an seiner Basis durchgeschaltet wird, einen Stromwert erreichen, der durch die über dem anderen Transistor liegende Diode geführt wird. Diese Drosseln machen die Verluste so klein wie möglich, welche sich in der kurzen,, für diesen Übergang erforderlichen Zeit ergeben können. Die über der Drossel 128 liegende Serienschaltung einer Diode 132 und eines Widerstandes 134 sowie die über der Drossel 130 liegende Serienschaltung einer Diode 136 und eines Wideretandes X38 absorbieren die Energie, welche während des Durchschaltens des Transistors in der Drossel gespeist wird. Eine zwischen der Basis des Transistors 70 und dem anderen Ende der Drossel 128 liegende. Diode 140 sowie eine zwischen der Basis des Transistors 72 und dem anderen Ende der Drossel 130 liegende Diode 142 übernehmen einen Teil des Ba^. sstroms der Transistoren, um die Sperrung der Transistoren zu unterstützen«

■ _ 17 -

109815/1287

In Betref-f der Spannungsregel- und Überstromschutzstufe (Pig. 7) sind die Enden der Wicklung 100 Über Dioden 148 und 150 an die Parallelschaltung eines Widerstandes 144 und einer Kapazität 146 angeschaltet. Wenn der Strom durch die Wicklung 60 einen zu großen Wert erreicht, wird ein Transistor-152 über eine Diode 154 durchgeschaltet, wodurch die Wicklung 90 an Erde gelegt wird. Auf diese Weise ergibt sich die Strombegrenzung durch die Stufe 98. Eine Diode 156 und eine Parallelschaltung eines Widerstandes 158 und einer Kapazität 160, welche in Serie zwischen den Kollektor des transistors 152 und Erde geschaltet sind, stellen einen Schutz gegen Übergangsspannungen dar.

Die Enden der Wicklung 100 sind weiterhin an die Basen von Transistoren 162 und 164 angekoppelt. Ein erstes Ende der Wicklung 100 ist über eine Kapazität 166 an die Basis des Transistors 162 angekoppelt, welche weiterhin über einen' Widerstand 168 an Erde liegt. Eine Kapazität 170 koppelt das andere iinde in der Wicklung 100 an die Basis des Transistors 164, wobei diese Basis weiterhin über einen WiderstaiÄ 172 an Erde liegt. Die Kollektoren der Transistoren 162 und 164 sind an den Kollektor eines Transistors 174 angeschaltet, welcher zusammen mit einem Transistor 176 einen monostabile en Multivibrator bildet.

Die Emitter der Transistoren 174 und 176 sind geerdet, während ihre Kollektoren wechselseitig auf die Basis des jeweils anderen Transistors geschaltet sind/Speziell ist der Kollektor des Transistors 176 über einen Widerstand 178 an die Basis des Transistors 174 angeschaltet, während im Kollektor des Transistors 174 und der Basis des Transistors 176 eine Kapazität 180 liegt. Die Kapazität 180 bildet zusammen mit der Impedanz eines Transistors 182 einen Teil einer Zeitstufe, wobei der Transistor 182 zwischen der Basis des Transistors

109815/1287

und einem Widerstand' 184 liegt, welcher den Emitter des Traneistors 182 mit einem Punkt 186 verbindet. Parallel zum Transistor 182 liegt ein Widerstand 188, während die Basis des Transistors 182 an ein Potentiometer 190 angeschaltet ist, das einen Teil eines Spannungsteilers zwischen dem Punkt 186 und Erde bildet. Der Kollektor des Transeistors 176 ist über einen Widerstand 206 an den Punkt 186 angeschaltet, während ein Widerstand 192 den Kollektor des Transistors 174 mit dem Punkt 186 koppelt.

Die Spannung am Punkt 186 wird über die Dioden 104 und 106 von der Wicklung 102 geliefert, wobei die Dioden einen gleichgerichteten Strom über einen Widerstand 194 liefern. Eine Filterkapazität 196 glättet die Spannung am Punkt 186. Daher steht am Punkt 186 eine Gleichspannung, welche dem Ausgangsspannungswert der Wandlerschaltungsanordnung gemäß der Erfindung proportional ist, wobei der Ausgangsspannungswert durch die Wicklung 102 festgestellt wird.

Eine über einen Widerstand 200 am Punkt 186 liegende Zener-Diode 188 liefert eine Bezugsspannung. Die Basis des Transistors 202 ist an den Verbindungspunkt zwischen der Zener-Diode 198 und dem Widerstand 200 angeschaltet, während der Emitter dieses Transistors über einen Widerstand 204 an den Emitter des Transistors 182 angekoppelt ist. Wenn die Span~ nung am einstellbaren Schieber des Potentiometers 190 zu klein wird, was einem zu kleinen Ausgangsspannungswert entspricht, so sinkt der Strom im Potentiometer 190; daher fällt auch das Potential an der Basis des Transistors 182 relativ zu dessen Emitter. Weiterhin fällt auch dieSLitterspannung des Transistors 182, während die Emitterspannung des Transistors 202 aufgrund der Spannungsregelwirfcung der Zener-Diode 198 nahezu konstant bleibt. Aufgrund dessen schaltet ' der Transistor 182 bei einem höheren Spannungswert durch»

109815/1287 - 19 -

- 19- '

Der die Transistoren 174 und 176 enthaltene monostabile Multivibrator steht normalerweise in einem Schaltzustand, bei dem der Transistor 174 gesperrt ist und der Transistor 176 leitet. Bei jedem Hulldurehgang des Stroms durch die Elemente 20 und 22 wird entweder der Transistor 162 oder der Transistor 164 kurz durchgeschaltet, was zu einem entsprechenden Negativwerden der Kollektorspannung eines dieser Transistoren führt. Diese negative Kollektorspannungsänderung wird über die Kapazität 180 auf die Basis des Transistors 176 gekoppelt, wodurch dieser gesperrt wird. Die Kollektorspannung des Transistors 176 steigt damit an, wodurch der Transistor 174 über denWiderstand 178 durchgeschaltet wird. Dieser Schaltzustand, welcher dem unstabilen Zustand des Multivibrators entspricht, bleibt solange erhalten, bis die an der Basis des Transistors 176 liegende Seite der Kapazität 178 über den Transistor 182 auf einen Wert aufgeladen ist, bei dem der Transistor 176 an seiner Basis erneut durehgeschaltöt wird·

Die unstabile Schaltperiode des Multivibrators definiert die Zeitperiode, während der der Oszillatorkreis über die Wicklung 90 geklemmt ist. line parallel zu einem Widerstand 208 liegende Kapazität 206 koppelt den Kollektor des Transistors 176 über den Transistor 152 an den Punkt 96 im Oszillatorkreis* Die unstabile Schaltperiode des monostabilen Multivibrators ist verglichen zu einer Halbperiode des Stroms i^ kurz und definiert die Zeitperioden t^ - t₂» t, - t., te - Ig.» und so weiter, wie dies in den B¹Ig-, 5 und 6 dargestellt ist. Wird die Spannung am Punkt 186 geringer, so nimmt die Breite des durch den monostabilen Multivibrator erzeugten Impulses ab, so daß die Schaltung für eine kürzere Zeltperiode geklemmt wird und damit die Ausgangsspannung zunehmenfcann. Wird andererseits die Ausgangsspannung zu groß, so nimmt die Schaltperiode des monostabilenJKfciltivibrators zu, wodurch auch die

- 20 109815/1287

Klemmperiode verlängert und dieAusgangsspannung auf den richtigen Wert gesenkt wird. Das Potentiometer 190 kann dazu verwendet werden, den gewünschten Ausgangsspannungswert für die Wandlerschaltungsanordnung auszuwählen.

Aus den vorstehenden Ausführungen ist zu ersehen, daß eine Umschaltung und Spannungsregelung in oder nahe beim Nulldurchgang des Wechselstroms i™ im LC-Kreis stattfindet.Die Umschaltung und Spannungsregelung kann daher ohne das Schalten großer Ströme zu Regelzwecken erfolgen, wodurch die Anforderung, welche an die Komponenten der Schaltungsanordnung zu stellen * sind, gering bleiben. Gleichzeitig werden dabei die Abschaltverluste in den Tranisistaren 70 und 72 reduziert. Nachdem die Transistoren am Ende jedes Halbzyklus gesperrt sind, wird die verbleibende Sperrzeit zur Regelung ausgenutzt. Bevor einer der Transistoren erneut durchgeschaltet wird, ist für den anderen Transistoren Zeit gegeben, die aufgrund des Stromflußes erfolgte !ladungsspeicherung abzuführen.·

- Patentansprüche -

- - 21 109815/1287

Claims

■ - 21 PAMTAKSPRÜCHB

ί 1,jWandlerschaltungsaDordnung, gekennzeichnet durch einen ^-"abgestimmten Resonanzkreis (20, 22), Schalter (70, 72) zur periodischen Erregung des Resonanzkreises (20, 22) aus einer Gleichspannungsquelle (38, 40 ) zwecksErzeugung eines durch den Resonanzkreis fließenden Stroms, eine Ausgangsstufe (44, 52, 54, 58, 60) zur Aufnahme einer Ausgangsspannung als Funktion des im Resonanzkreis fließenden Wechselstroms, einen Rückkopplungskreis (64, 66, 68, 78, 80) zur Umschaltung der S_chalter (70, 72) mit einer zur Resonanzfrequenz des Resonanzkreises (20, 22), synchronen Schaltfrequenz und einen Kreis (60, 90, 98, IO4, 106, 108) zur Änderung der Schaltfrequenz als Punktion des Wertes der Ausgangsspannung der Ausgangsstufe (44, 52, 54, 58, 60).

2, Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis (60, 90, 98).104*.106, 108) zur Änderung der Schaltfrequenz "bei einem Strom im Resonanzkreis (20, 22) von nahezu ITuIl anspricht und daß Schalter (70, 72) den Rückkopplungskreis (64, 66, 68, 78, 80) für eine vorgegebene Zeitperiode während jedes Betriebszyklus in Abhängigkeit vom Ausgangsspannungswert unwirksam sehalten.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadrch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe (44, 52, 54> 58, 60) einen Ausgangstransformator (44) aufweist, dessen Primärwicklung (42) mit ihrem einen Ende an den Resonanzkreis (20, 22) und mit ihrem anderen Ende an eine Klemme (38) der Gleichspannungsquelle (38, 40) angekoppelt ist, und daß der Ausgangstransformator (44) wenigstens eine Sekundärwicklung (46) aufweist, an die ein auf eine Gleichspannungslast (56) arbeitender Gleiohriohterkreis (52, 54) angekoppelt ist.

10 98 15/128 7

- 22 -

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungskreis (64, 66, 78, 80) einen !Transformator (66) mit einer in Serie zum Resonanzkreis (20, 22) liegenden Primärwicklung (64) aufweist und daß Sekundärwicklungen (78, 80) des Iransformators (66) mit den Steuerelektroden der Schalttransistoren (70, 72) derart gekoppelt sind, daß die Transistoren abwechselnd als Punktion der Polarität der Signalform im Resonanzkreis leiten»

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis (60, 90, 98, 102, ,104, 106) zur Änderung der SchaItfrequenz ein Koppelglied (62) zur Feststellung der Signalform im Resonanzkreis (20, 22),»einen Schaltkreis (98, 102, 104, 106) zur Erzeugung eines dem Wert der Ausgangsspannung des Ausgangstransformators (44) entsprechenden Signals und ein Element (90) zur Sperrung des Rückkopplungskreises (64, 68, 78^80) für vorgegebene Zeitperiode als Punktion der imResonanzkreis festgestellten Signalform und des dem Wert der Ausgangsspannung entsprechenden Signals umfaßt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelglied (62) zur Peststellung der Signalform im Resonanzkreis (20, 22) als Transformator mit einer in Serie zum Resonanzkreis liegenden Primärwicklung (60) ausgebildet ist, daß der Schaltkreis (98, 102, 104, 106) zur Erzeugung eines dem Wert der Ausgangsspannung des Ausgangstransformators (44)entsprechenden Signals einen monostabilen Multivibrator (174, 176) zur Erzeugung eines Impulses als Punktion eines Wechselstroms zum Wert Null im Resonanzkreis (20, 22) enthält, daß das Element (90) zur Sperrung des Rückkopplungskreises (64₉ 66, 78, 80) als zusätzliche Wicklung auf dem Transformator (66)

109815/1287 ₂₃

des Bückkopplungskreises ausgebildet'Ist, welche die Schalttransistoren (70, 72) während der Schaltperiode des monostabilen Multivibrators (174» 176) sperrt · und daß der monostabile Multivibrator einen vom Ausgangssignal angesteuerten Zeittaktkreis (180, 182, 202) enthält, der die Schaltzeit des monostabilen Multivibrators und damit die Sperrzeit der Schalttransistoren (70, 72) innerhalb des Schaltzyklus als Punktion der Ausgangsspannung festlegt*

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den stromführenden Pfaden der Schalttransistoren (70, 72) Dioden (74, 76) mit zur Stromrichtung in den Strom führenden Pfaden entgegengesetzter Polarität liegen·

109815/1287

Leerseife

-ν