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Strombegrenzer für einen Sperrumrichter
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Die Erfindung betrifft einen Strombegrenzer für einen Sperrumrichter,
der einen Transformator und einen in Reihe mit dessen Primärwicklung geschalteten
Transistor enthält, mit einer an die Sekundärwicklung des Transformators angeschalteten
Gleichrichterschaltung und mit einer Steuerung, die den Transistor periodisch durchschaltet
und durch Änderung des Tastverhältnisses so steuert, daß die Ausgangsspannung des
Sperrumrichters konstant ist.
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In der Zeitschrift telcom report 1 (1978), Heft 6, Seiten 404-409"
ist die Wirkungsweise von Umrichtern beschrieben.
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Durch Überlastung kommt es bei Sperrumrichtern mit trapezförmigem
Transistorstrom auch bei Begrenzung dieses Stromes durch bisher übliche Maßnahmen
zu eimer Zerstörung der Bauteile des Ausgangskreises. Dieser Zerstörung versuchte
man durch Überdimensionierung der Bauteile vorzubeugen.
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Hierdurch wurden die Sperrumrichter jedoch größer, schwerer und teurer.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Begrenzerschaltung anzugeben, bei
der unabhängig von der Eingangsspannung die Ausgngsströme des Sperrumrichters bei
ungefähr den gleichen Werten begrenzt werden.
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Ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruches 1 wird die Aufgabe
dadurch gelöst, daß eine Begrenzerschaltung mit einem Komparator vorgesehen ist,
dessen Ausgang
mit einem Begrenzungseingang der Steuerung verbunden
ist, daß dem ersten Eingang des Komparators von einem mit dem Transistor in Reihe
geschaltetem Stromwandler eine dem Transistorstrom proportionale Meßspannung zugeführt
wird, daß dem zweiten Eingang der Vergleicherschaltung eine Referenzspannung zugeführt
wird, die mit kleiner werdendem Tastverhältnis des Transistorstromes ebenfalls kleiner
wird, und daß beim Uberschreiten der Referenzspannung durch die Meßspannnung die
Vergleichsschaltung ein Signal an die Steuerung abgibt, durch das der Transistor
bis zum Beginn einer neuen Taktperiode gesperrt wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Transistorstrom überwacht wird.
Durch seine Begrenzung werden ebenfalls alle weiteren 3auteile des Sperrumrichters
vor Überlastung geschützt. Da der überwachte maximal zulässige Transistorstrom vom
Tastverhältnis abhängig ist, ist eine zuverlässige Begrenzung gewährleistet.
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Es ist vorteilhaft, wenn eine Schaltungsanordnung mit einem Kondensator,
einem Widerstand und einem Schalter zur Erzeugung der Referenzspannung vorgesehen
ist, daß der Umschaltkontakt des Schalters über den Widerstand mit einem Anschluß
des Kondensators verbunden ist und daß der Schalter periodisch entsprechend dem
Tastverhältnis des Transistorstromes zwischen einer ersten Hilfsspannung und 0 Volt
hin- und hergeschaltet wird.
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Hierdurch wird auf einfache Weise eine dem Tastverhältnis proportionale
Referenzspannung gewonnen.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn ein Spannungsteiler mit zwei Widerständen
vorgesehen ist, der zwischen dem Schaltungspunkt, an dem eine der Ausgangsspannung
des Sperrumrichters proportionale Hilfsspannung anliegt,
und 0 Volt
geschaltet ist, und daß der Verbindungspunkt der Widerstände ebenfalls mit dem Anschluß
des Kondensators verbunden ist.
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Durch den Spannungsteiler wird als Referenzspannung eine Gleichspannung
verwendet, der eine zweite dem Tastverhältnis proportionale Gleichspannung überlagert
ist.
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Hierdurch ist bei unterschiedlichen Eingangsspannungen und damit auch
bei unterschiedlichen Tastverhältnissen ein Begrenzen bei annähernd gleichem maximalen
Ausgangsstrom des Sperrumrichters möglich.
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Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den übrigen
Unteransprüchen angegeben.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der
Figuren 1 bis 5 näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemäße Begrenzerschaltung, Fig. 2
das Prinzipschaltbild eines Sperrumrichters mit der erfindungsgemäßen Begrenzerschaltung,
Fig. 3 den prinzipiellen Verlauf des Transistorstromes, Fig. 4 die Strom-Spannungs-Ausgangskennlinie
eines Sperrumrichters mit der erfindungsgemäßen Begrenzerschaltung.
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In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Begrenzerschaltung BS dargestellt.
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Zunächst soll jedoch das Schaltbild und die Funktion eines Sperrumrichters
an Hand der Figuren 2 und 3 erläutert werden.
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Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines Sperrumrichters.
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Der Eingangsstromkreis ist über die Eingangsklemmen El und E2 an eine
Eingangsspannung UE angeschaltet. An der Eingangsklemme El liegt hierbei das positive
Versorgungspotential +UE, während die zweite Eingangsklemme E2 an O Volt (l) liegt.
In dem Eingangsstromkreis liegt eine Reihenschaltung der Primärwicklung eines Transformators
TR und eines Transistors TS. Der in Reihe zu dem Transistor geschaltete Stromwandler
SW braucht zunächst nicht betrachtet werden. An die Sekundärwicklung des Transformators
TR ist eine Gleichrichterschaltung mit einem Gleichrichter G und mit einem Kondensator
C1 angeschaltet.
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Die Ausgangsklemmen sind mit Al und mit A2 bezeichnet.
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Ein Verbraucher, der zwischen diesen Ausgangsklemmen liegt, wurde
nicht dargestellt. Die Basis des Transistors TS ist an einem Ausgang AS einer Steuerung
ST angeschaltet. Ein Meßwandler MW ist an die Ausgangsklemmen Al, A2 angeschlossen.
Sein Ausgang ist mit einem ersten Eingang E13 der Steuerung verbunden.
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Außerdem ist die Begrenzersdhaltung BS über einen zweiten Eingang,
den Schaltungspunkt S2, ebenfalls an den Ausgang des Meßwandlers MW angeschalUt.
Der erste Eingang E11 der Begrenzerschaltung ist an den Ausgang des Stromwandlers
SW angeschlossen. Der Takteingang ET der Begrinzerschaltung BS ist mit dem Taktausgang
AT der Steuerung verbunden. Die Begrenzerschaltung erhält eine Steuerspannung, die
dem Tastverhältnis des Transistorstromes entspricht. Der Steuerausgang AB der Begrenzer-
schaltung
BS ist mit dem Begrenzereingang EB der Steuerung verbunden.
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Über diesen Begrenzungseingang EB wird der Transistor TS gesperrt
und erst bei Beginn einer neuen Periode erneut eingeschaltet. Eine Schaltungsanordnung
hierzu verwendet eine RS-Kippstufe (Setzen-Rücksetzen-Kippstufe). In der Steuerung
werden zei Takte erzeugt, von denen der erste die RS-Kippstufe einstellt und der
zweite sie zurücksetzt. Während der Einstellzeit wird auch der Transistor TS durchgeschaltet.
Von der Begrenzerschaltung wird bei zu großem Transistorstrom ein Signal abgegeben,
das die Kippstufe über den Clear-Eingang (Lösch-Eingang) vorzeitig zurückstellt.
Das Sperren des Transistors TS selbst, der im Ausführungsbeispiel ein npn-Typ ist,
er.-folgt durch Anlegen einer negativen Spannung oder Masse an der Basis.
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Die Steuerung ST sorgt für periodisches Durchschalten und Sperren
des Transistors TS. Die Frequenz soll in diesem Ausführungsbeispiel konstant sein.
Eine typische Kurvenform des Transistorstromes iT ist in Fig. 3 dargestellt. Wird
der Transistor eingeschaltet, steigt sein Strom praktisch senkrecht bis zu einem
Wert i1 an. Dann folgt ein weiterer langsamer Anstieg, dessen Steilheit von der
Eingangs spannung UE und von der Induktivität des Transformators abhängig ist, bis
zu einem maximalen Wert i2. Nach Erreichen dieses Wertes fällt der Transistorstrom
auf den Wert 0 ab, um nach insgesamt einer Taktperiodendauer T wieder schlagartig
auf den Wert i1 anzusteigen. Die Dauer des Stromflusses wurde mit die Dauer der
Strompause mit (1-,$)T bezeichnet.
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Das Verhältnis t/(1-t) wird als Tastverhältnis bezeichnet.
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Als Maximalwert für r ist 0,5 sinnvoll. Das Tastverhältnis ist abhängig
von der Eingangsspannung. Bei höheren Eingangsspannungen genügt ein kleineres Tastverhältnis
um bei derselben Ausgangsspannung UA denselben Ausgangsstrom 1A zu erzeugen.
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Unter Vernachlässigung von Verlusten und bei e inem Übersetzungsverhältnis
des Transformators TS von 1:1 beträgt die Ausgangs spannung
und der Ausgangs strom
Der Transistor TS des Sperrumrichters wird nun so gesteuert, daß die Ausgangsspannung
bei unterschiedlicher Last konstant ist. Dies geschieht beispielsweise über den
Meßwandler MW, der die Ausgangsspannung UA mißt und in eine zur Ausgangs spannung
proportionale zweite Hilfsspannung UH umsetzt, die über den ersten Eingang E13 der
Steuerung ST das Tastverhältnis des Transistors TS bestimmt. Steuerungen dieser
Art sind aus zahlreichen Schaltungen für Sperrumwandler bekannt. Da die Steuerung
nicht zur Erfindung gehört, soll sie auch nicht näher beschrieben werden.
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Über den Meßwandler MW sind die Ausgangsspannung UA und die zweite
Hilfsspannung UH im allgemeinen galvanisch getrennt. Die galvanische Trennung kann
z.B. optisch erfolgen, ebenso kann die Regelspannung UR über eine Hilfswicklung
des Transformators TR und eine anschließende Gleichrichtung gewonnen werden.
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Der Zusammenhang zwischen Ausgangs strom und Ausgangsspannung eines
Sperrumrichters mit herkömmlicher Begrenzung des Transistorstroms wird an Hand der
Ausgangskennlinien in Fig. 4 erläutert. Die Ausgangskennlinien wurden für zwei verschiedene
Eingangs spannungen UE1 und UE2 dargestellt. Die Eingangsspannung UEI sei die minimale
Spannung, d.h. der Sperrumrichter arbeitet mit maximalem Tastverhältnis (r= 0,5).
Bis zu dem Knickpunkt Ei bleibt bei zunehmendem Ausgangsstrom IA die Ausgangs spannung
UA konstant, um dann anschließend langsam bei weiter zunehmendem Ausgangsstrom bis
auf den Wert 0 abzunehmen. Bei einer größeren Eingangsspannung UE2 wird ein kleineres
Tastverhältnis (z.B. mity = 0,3) benötigt. Aufgrund des kleineren Tastverhältnisses
erfolgt ein Absinken der Ausgangsspannung bei wesentlich höheren Werten des Ausgangsstromes
1A beim Knickpunkt K2. Es ist bekannt, durch die Rückführung der Ausgangsspannung
auf die Steuerung sogenannte einziehende Kennlinien" zu erzielen, die in Fig. 4
als gestrichelte Linien dargestellt sind. In Abhängigkeit von der Eingangs spannung
tritt jedoch eine Begrenzung der Ausgangsspannung weiterhin bei unterschiedlichen
Ausgangsströmen IA auf, wodurch die Schaltungsanordnung für den Maximalwert dimensioniert
werden muß.
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Durch die erfindungsgemäße Begrenzerschaltng wird praktisch ein Zusammenfallen
der Knickpunkte KI, K2 erreicht (Fig. 5). Die Anordnung der Begrenzerschaltung ist
aus Fig. 1 ersichtlich. Der Begrenzerschaltung wird über einen Eingang Eil eine
Spannung ui zugeführt, die dem Istwert des Transistorstroms iT proportional ist.
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Diese Spannung ui wird über einen Stromwandler SW gewonnen, der in
den Eingangs stromkreis eingeschaltet ist und den Emitterstrom des Transistors iT
mißt. Ebenso kann der Stromwandler auch in den Kollektorstrom-
kreis
eingeschaltet werden. Im einfachsten Fall stellt ein ohmscher Widerstand den Stromwandler
dar.
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Die Begrenzerschaltung BS ist, wie bereits erwähnt, in der Fig. 1
dargestellt. Sie enthält einen Komparator (Vergleicher) CO. Der erste Eingang Eil
des Komparators DV ist an den Ausgang des Stromwandlers SW angeschaltet.
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Der zweite Eingang E12 des Komparators CO ist an einen Kondensator
C angeschaltet, dessen zweiter Anschluß gegen O Volt (l) geschaltet ist. Außerdem
ist dieser Anschluß mit einer Widerstandskombination, die aus drei Widerständen
R1, R2 und R3 besteht, angeschlossen. Der zweite Widerstand R2 und der dritte Widerstand
R3 bilden einen Spannungsteiler, wobei der zweite Widerstand R2 an den Schaltungspunkt
S2, an dem eine weite Hilfsspannung UH2liegt, angeschlossen ist und der Widerstand
R3 an O Volt (L) angeschaltet ist. Der Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände
ist mit dem zweiten Eingang E12 des Komparators CO verbunden und gleichzeitig auf
einen Anschluß des ersten Widerstandes R1 geführt, dessen zweiter Anschluß mit dem
Umschaltkontakt eines Schalters S verbunden ist. Der Umschaltkontakt wird abwechselnd
an O Volt (l) der an eine erste konstante Hilfsspannung UHi geschaltet. Gesteuert
wird der Schalter über einen Takteingang ET. Als Schalter kann beispielsweise ein
C-MOS-Gatter verwendet werden. Ebenso kann auch der Ausgang einiger Kippstufentypen
direkt als Schalter verwendet werden.
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Während am ersten Eingang E11 des Komparators CO die dem Transistorstrom
iT proportionale Spannung ui anliegt, liegt an dem zweiten Eingang E12 die Referenzspannung
UC an. Solange die Referenzspannung größer als die Spannung u, ist, bleibt die Ausgangsspannung
des Komparators CO positiv.
Erreicht dagegen die Spannung ui einen
größeren Wert als die Referenzspannung Uc so wird die Ausgangsspannung des Komparators
CO negativ. Dies bewirkt ein Sperren des Transistors TS bis zum Beginn der nächsten
Taktperiode, bei dem der Transistor TS erneut eingeschaltet wird. Die Referenzspannung
UC setzt sich aus einer Gleichspannung zusammen, die durch das Verhältnis der Widerstände
R2 und R3 gebildet wird, und einer weiteren Gleichspannung, die von dem Tastverhältnis
des Transistorstromes iT bestimmt wird und einen Innenwiderstand Ri hat. Der Kondensator
C dient der Siebung und sorgt dafür, daß die Referenzspannung UC eine Gleichspannung
ist. Die am Schaltungspunkt S2 anliegende zweite Hilfsspannung UH wird zunächst
als konstant betrachtet.
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Sie soll dieselbe Größe wie die erste Hilfsspannung UH1 haben. Es
wird der Einfachheit halber davon ausgegangen, daß bei minimaler Eingangsspannung
UE die Referenzspannung UC die Hälfte der Hilfsspannungen beträgt und t*= 0,5 ist.
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Dann wird R2 = R3 gewählt. Der Schalter S liefert bei = 0,5 ebenfalls
dieselbe Referenzspannung UC. Eine Begrenzung soll beim Knickpunkt Ki der Fig. 4
einsetzen.
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Bei einer höheren Eingangs spannung UE des Sperrumwandlers verringert
sich das Tastverhältnis. Da nun der Schalter S längere Zeit an O Volt (L) und kürzere
Zeit an der ersten Hilespannung1 anliegt, wird die Referenzspannung UC kleiner.
Die Begrenzung tritt infolgedessen früher (bei kleineren Werten des Transistorstromes
iT) ein und die erstrebte Ausgangskennlinie in Fig. 5 wird erzielt. Durch geeignete
Dimensionierung der Widerstände R1, R2, R3 können die Knickpunkte wunschgemäß verschoben
werden. In Sonderfällen ist es möglich, auf einen der Widerstände R2, R3 oder auch
auf beide zu verzichten.
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Hierbei ergeben sich im allgemeinen jedoch größere Streuungen der
Knickpunkte.
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Die Stromversorgung des Komparators CO erfolgt über eine weitere hier
nicht dargestellte Hilfsspannung. Je nach verwendetem Komparatrtyp kann selbstverständlich
auch das Ausgangssignal beispielsweise zwischen einer positiven Spannung und der
Spannung 0 variieren.
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In vielen Anwendungsfällen werden die in Fig. 5 dargestellten "einziehenden
Kennlinien" gewünscht. Dies wird dadurch erreicht, daß als zweite Hilfsspannung
UH2 eine der Ausgangs spannung UA proportionale Spannung verwendet wird.
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Es ist auch möglich, als erste Hilfsspannung UH1 ebenfalls die zweite
Hilfsspannung UH2 zu verwenden. Dies ergibt noch stärker"einziehende Kennlinien".
In diesem Fall muß beachtet werden, daß der Schalter S funktionsfähig bleibt.
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7 Patentansprüche 5 Figuren