DE2036866C2

DE2036866C2 - Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2036866C2
Application number: DE2036866A
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: 1983-08-11
Also published as: CA918237A; NL164711B; NL164711C; DE2036866A1; FR2053131B1; FR2053131A1; GB1325031A; JPS5443168B1; NL7010506A; US3596165A

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung mit einem Serienresonanzkreis, mit Schaltern zur periodischen WechselStromerregung des Serienresonanzkreises aus einer Gletchspannungsquelle, mit einer Ausgangs-Gleichrichterstufe zur Erzeugung einer konstanten Ausgangsgleichspannung aus dem im Serienresonanzkreis fließenden Wechselstrom und mit einem zwischen der Ausgangs-Gleichiichterstufe und den Schaltern angeordneten ersten Rückkopplungskreis eines Spannungsreglers zur Änderung des Schaltphasenwinkels der Schalter als Funktion der Ausgangspieichspannung der Aisgangs-Gleichrichterstufe.

Aus der FR-PS 13 29 465 ist bereits eine Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung zur Überführung einer ungeregelten Gleichspannung in eine geregelte Gleichspannung bekanntgeworden, bei der die ungeregelte Gleichspannung durch einen Zerhacker in eine Wechselspannung überführt und die Wechselspannung durch einen über einen Transformator an den Zerhacker gekoppelten Gleichrichter gleichgerichtet wird. Durch die gleichgerichtete Wechselspannung wird die Schwingfrequenz eines Rechtecksignalgenerators gesteuert, dessen Ausgangssignal wiederum die Frequenz des Zerhackers steuert. Als"frequenzbestimmender Kreis für den Rechtecksignalgenerator ist ein Serienresonanzkreis vorgesehen, der an die Ausgangsseite des Gleichrichters angekoppelt ist. Da dieser Serienresonanzkreis von der Ausgangsseite des Gleichrichters mit einer Gleichspannung gespeist wird, ist die Induktivität dieses Kreises als sättigbare Induktivität ausgebildet. Ein derartige Schaltungsmaßnahme stellt einen erheblichen schaltungstechnischen Aufwand dar, da allein diese sättigbare Induktivität mit drei Wicklungen versehen werden muß. Darüber hinaus muß zwischen Gleichrichter und dieser Induktivität noch eine Brückenschaltung mit einer Referenz-Zenerdiode vorgesehen werden, um die Induktivität in die Sättigung steuern zu können.

Es ist weiterhin aus »BBC-Nachrichten«, Dezember 1964, Seiten 637 bis 647, ein geregelter Schwingkreisumrichter mit einem Serienresonanzkreis im Ausgangskreis bekanntgeworden, bei dem ein Rückkopplungskreis vom Serienresonanzkreis vorgesehen ist, um Schalter zur periodischen Wechselstromerregung mit einer von der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreis bestimmten Schaltfrequenz umzuschalten. Um einen Richtungswechsel des Laststroms vor der Spannungsumschaltung zu ermöglichen, sind den Schaltern ungesteuerte Stromrichterventile (Blindstromdioden) anti-parallel geschaltet. Bei einer derartigen Steuerung des Schwingkrelsumrichiers ergibt sich eine Phasenverschiebung des Stroms durch den die Last enthaltenden Serienresonanzkreis und der Spannung an diesem Kreis, d. h., dieser Lastschwingkreis arbeitet nicht genau in Resonanz sondern ist leicht kapazfiv verstimmt. Aufgrund dieser Verstimmung ergibt sich der Nachteil einer Verlustleistung In den Schaltern des Schwingkreisumrichters.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung mit geregeltem Ausgangssignal anzugeben, bei welcher die Verlustleistung In Ihren Schaltelementen so gering wie möglich Ist, und weiterhin das Schalten bei Spannungen vor sich geht, die nahezu gleich Null sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste Rückkopplungskreis überdies an den Serlenresonan/kreis angekoppelt und so ausgelegt ist, daß er bei einem Strom von nahezu Null im Serienresonanzkreis und in den Schaltern derart anspricht, daß er einen zweiten Rückkopplungskreis, der mit dem Serienresonanzkreis gekop-

pelt ist, über eine von der Ausgangsgleichspannung abhängige Zeitdauer in jeder Periode zur entsprechenden Verzögerung des Schaltphasenwinkels unwirksam schaltet.

Die vorsehend definierte erfindungsgemäße Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung besitzt unter anderem den Vorteil, daß im Vergleich zum mittleren Strom ein relativ kleiner Spitzenstrom fließt. Die Ströme sind nahezu sinusförmig, wobei der Spitzenwert lediglich um etwa π/2 größer als der mittlere Stromwert ist. Während in bekannten Schaltungsanordnungen für eine große Zeitperiode keine Energie an die Last geliefert wird, liefert die erfindungsgernäße Schaltungsanordnung Strom für eine gröSere Zeitdauer, wodurch eine etwa notwendige Filterung der Ausgangsgleichspannung 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 Spannungen sind langsamer als in bekannten Schaltungsanordn jngen, was sich aus der Verwendung eines Serienresonaozkreises ergibt. Durch dieses langsamere Schalten werden elektromagnetische Interferenzen reduziert; auch sind geringere Anforderungen an die Schaltzeiten der Gleichrichter zu stellen. Da die Schalter bei Strömen mit Werten von nahezu Null geschaltet werden, werden Schaltverluste 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.

Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung;

Fig. 2 Signaldiagramme für die Gleichspannungswandler-SchJtungsanordnung nach Fig. 1;

Fig. 3 ein weiteres Signaldiagramm für die Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung nar;h Fig. I;

Fig. 4 ein teilweise in Blockform dargestelltes Schaltbild einer Aiisführungsform der Gleichspannungswand-Ier-Schaltung«anordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ein Signa'idiagramm für a/e Gleichspannungs-Schaltungsanordnung nach Fig. 4;

Fig. 6 ein weiteres Signaldiagramm für die Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung nach Fig. 4; und

Fig. 7 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung.

Die zur Erläuterung der Funktionsprinzipien der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dienende Schaltung nach Fig. 1 enthält ein Paar von in Serie geschalteten Batterien 10 und 12, die zusammen eine mit E_n bezeichnete Eingangsspannung liefern. Der Verbindungspunkt der beiden Batterien ist geerdet. Die positive Klemme der Batterie 10 ist an einen stationären Kontakt 14 eines einpoligen Schalters 16 angeschaltet, während die negative Klemme der Batterie 12 an den verbleibenden stationären Kontakt 18 des Schalters 16 angeschaltet ist. Am beweglichen Kontaktarm des Schalters 16 Ist in bezug auf Erde eine Spannung ί, nbnehmbar. Die dargestellte rechteckige Schaltsignalform der Spannung e, besitzt eine Periode 7',. Der Kontaktarm des Schalters 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_pn bezeichnete Spannung abnehmbar ist. Der Punkt 24 ist mit der Anode einer Diode 26 und der Kathode einer Diode 28 verbunden; die verbleibenden Klemmen dieser Dioden sind an die Klemmen von Filterkapazitäten 30 und 32 angeschaltet. Der Verbindungspunkt dieser beiden Kapazitäten liegt an Erde. Während parallel zur Kapazität 30 ein erster Lastwiderstand 34 der Kapazität 32 ein zweiter Lastwiderstand 36 parallelgeschaltet. An diesen beiden in Serie liegenden Lastwidersländen ist eine Ausgangsspannung E_n abnehmbar.

Es sei zum Zwecke der Erläuterung angenommen, daß die Komponenten in der vorstehend beschriebenen Schaltung ideal sind. Weiterhin soll der Schalter 16 mit einer Schaltfrequenz^ betätigt werden, welche gleich der Resonanzfrequenz f_LC des Serienresonanzkreises ist, der aus den Komponenten 20 und 22 gebildet wird. Darüber hinaus soll die Umschaltung phasensynchron mit einem sinusförmigen Strom i_LC in den Kr ..lponenten 20 und 22 erfolgen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Es ist zu bemerken, daß die Spannung e_pn genau gleich der Spannung e, und die durch die Dioden 26 und 28 gleichgerichtete und durch die Kapazität 30 und 32 gefilterte \usgangsgleichspannung E₀ genau gleich der Eingangsspannung Ey ist. Die Spannungen e_pn und e, sind, wie dargestellt, rechteckförmig. Die Werte der Spannungen E₀ und E_n sind beide gleich der Amplitude der rechteckförmigen Spannung E₁.

Eine Regelung des Werts der Ausgangsgleichspannung erfolgt durch Änderung der Schaltfrequenz des Schalters 16 in bezug auf den in den Komponenten 20 und 22 fließenden Wechselstroms. Die Ausgangsgieichspannung E₀ kann dadurch auf einen kleineren Wert als den der Spannung E_n geändert werden, daß die Schaltfrequenz in bezug auf die Frequenz f_LC geändert wird. Eine Änderung der Schaltfrequenz sowohl über als auch unter den Wert der Frequenz f_LC führt zu einer Rtduzicrung der Ausgangsgleichspannung. Für die folgende Erläuterung wird jedoch lediglich eine Reduzierung der Schaltfrequenz betrachtet. Es werde nun angenommen, daß die Spannung E_n größer als gewünscht ist, wobei die Schaltung jedoch immer noch die gleiche Ausgangsspannung E₀ liefert. Die Umschaltung wird in diesem Falle so vorgenommen, daß die Schaltfrequenz dem Eingangssignal nacheilt, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die Spannung e_p„ ist in bezug auf die Spannung e, nunmehr kleiner als die Amplitude und in der Phase vorverschoben. Daher ist die gleichgerichtete Ausgangsgleichspannung E₀ kleiner in der Amplitude als die Eingangsspannung E_n.

Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, ist der durch den Serienresonanzkreis 20, 22 fließende Strom nicht mehr slnu'förmig, da die Umschaltung nicht mehr synchron

">s mit der Resonanzfrequenz des LC-Kreises erfolpt. Die Umschaltung erfoigt in jedem Falle, nachdem das Serlenresonanzsignal durch Null gegangen ist, was zu einem Strom i_LC führt, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Daraus folgt eine Verminderung der Frequenz sowie eine Verminderung der Ausgangsgleichspannung In bezug auf die Eingangsspannung. Die Ausgangsgleichspannung E₀ kann für eine Eingangsspannung, welche gleich oder größer als E₀ ist, durch Regelung der Umschaltfrequenz konstant gehalten werden. Nimmt die Eingangsspannung zu, so ergibt sich a'ifgrund der Regelung, daß der SpItzen-Elngangsstrom konstant bleibt; die Verzögerung in der Umschaltung führt jedoch dazu, daß über einem Teil der Periode Enerele 7ur Oiiellp 7iirnrkDPlipfprt iwrH nio

mittlere Stromentnahme wird geringer, wenn die Eingangsspannung erhöht wird, wodurch die aus der Quelle entnommene Leistung konstant bleibt.

Flg. 4 zeigt eine teilweise in Blockform dargestellte Ausführungsform der erflndungsgemäßen Schaltungsanordnung. In dieser Schaltungsanordnung liegt an einem Paar von Eingangsgleichspannungsklemmen 38 und 40 eine Eingangsgleichspannung £_v. wobei die Klemme 38 positiv in bezug auf die Klemme 40 ist. Die Klemme 38 Ist an ein Ende einer Primärwicklung 42 eines Transformators 44 angeschaltet, welcher weiterhin Sekundärwicklungen 46, 48 und 50 besitzt. Eine VoII-weg-Glelchrlchterschaltung mit Dioden 52 und 54 verbindet die Wicklung 46 mit einer Last 56, der eine Fllterkapazltät 58 parallelgeschaltet ist. An den Wicklungen 48 und 50 liegen entsprechend nicht näher bezeichnete Gleichrichterschaltungen und Lasten.

Der Serienresonanzkreis umfaßt wiederum eine Induktivität 20 und eine Kapazität 22, wobei ein Ende dieses Resonanzkreises an das verbleibende Ende der Primärwicklung 42 angeschaltet ist. Die der Wicklung 42 abgewandte Klemme des Serienresonanzkreises liegt über eine Serienschaltung einer Primärwicklung 60 eines Transformators 62 und einer Primärwicklung 64 eines Transformalurs 66 an einem Punkt 68. Ein Paar von durch npn-Transistoren 70 und 72 gebildeten Schaltern liegt zwischen den Klemmen 38 und 40 und dem vorgenannten Punkt 68. Der Kollektor des Transistors 70 ist an die Klemme 38 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 Emitter an die Klemme 40 angeschaltet.

Parallel zum Transistor 72 liegt eine Diode 76. derart, daß ihre Anode am Emitter des Transistors 72 liegt.

nach Fig. 4 arbeitel in der gleichen Weise wie diejenige nach Fig. 1. Auch bei ihr kommt das Eingangssignal für den Serienresonanzkreis von der Eingangsgleichspannung /T_v, wobei diese Eingangsspannung geschaltet wird.

ί Der durch die Elemente 20 und 22 fließende sinusförmige Strom i_LC fließt welter durch die Primärwicklung 42 des I ransformators 44. Erfolgt die Umschaltung synchron mit dem Strom Im LC-Kreis. so bleibt die Sinusform des Stroms unverändert. Erfolgt jedoch die Umschaltung etwas außer Phase mit dem wahren sinusförmigen Signal, so weicht die Stromform im Serienresonanzkreis gering von der Sinusform ab. wie dies in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist.
Die in Serie zum Serienrcsonanzkreis liegende Wicklung 64 ist eine Rückkopplungswicklung, welche bewirkt, daß die Transistoren synchron mit dem Serienresonanzkreis-Signal schalten, da auf den Strom /,, synchronisierte Spannungen in den Wicklungen 78 und

Ht Ulm

daher abwechselnd. Wenn der Transistor 72 leitet, lliei.it Strom von der Klemme 38 durch die Wicklung 42. die Kapazität 22, die Spule 20, die Wicklung 60, die Wicklung 64 und die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 72 zur Klemme 40. Wenn andererseits der Transi-

2ϊ sior 70 leitet, so fließt Strom durch die Kollcktor-Emitter-Strecke des Transistors 70, die Wicklung 64. die Wicklung 60. die Spule 20. die Kapazität 22 und die Wicklung 42. Es ist festzustellen, 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 Serienresonanzkreis durch Null geht.

Die beiden Transistoren werden für eine ausgewählte Zeitperiode in Abhängigkeit von der erzeugten Ausgangsgleichspannung gesperrt, wenn der Strom durch Null geht. Ist die Ausgangsgleichspannung beispielsweise

■ eine Rückkopplung darstellende Transformator 66 am Ausgangs-Lastwiderstan.d 56 zu hoch, so werden die

besitzt zu Synchroni'sationszwecken Sekundärwicklungen 78 und 80. Ein Ende der Wicklung 78 ist an den Emitter des Transistors 70 angeschaltet, während ihr verbleibendes Ende über einen Vorspannungskreis, der aus der Parallelschaltung einer Kapazität 82 und eines Widerstandes 84 besteht, an der Basis des Transistors 70 liegt. Entsprechend ist ein Ende der Wicklung 80 an den Emitter des Transistors 72 angeschaltet, während ihr verbleibendes Ende über einen Vorspannungskreis, der aus der Parallelschaltung einer Kapazität 86 und eines Widerstandes 88 besteht, an die Basis des Transistors 72 angeschaltet ist. Die Wicklung 80 ist in bezug auf die Wicklung 78 gegensinnig geschaltet, so daß die Basen der Transistoren 70 und 72 gegenphasig angesteuert werden, um sie abwechselnd durchzuschalten.

Eine zusätzliche Wicklung 90 des Transformators 66 isi mit einem Mittelabgriff versehen, wobei die Enden dieser Wicklung über Dioden 92 und 94 an einem gemeinsamen Punkt 96 liegen. Spezielle 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 Überstromschutzstufe 98 empfängt ein erstes Eingangssignal von einer Wicklung 100 des Transformators 62 und ein zweites Eingangssignal von einer Wicklung 102 des Transformators 54. Die Wicklung 102 ist über einen Dioden 104 und 106 enthaltenden Vollweggleichrichter an die Spannungsregel- und Überstromschutzstufe 98 angeschaltet.

Die Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung Transistoren 70 und 72 für eine längere Zeitperiode gesperrt, wobei die Spannung an der Transformatorwicklung 42 vergleichsweise gering wird. Ist jedoch die Ausgangsgleichspannung zu klein, so werden die Transistoren 70 und 72 für eine kürzere Zeitperiode gesperrt, bis die gewünschte Regelung erreicht ist. Die Regelung erfolgt über die Spannungsregel- und Überstromschutzstufe 98. Die Wicklung 100 stellt fest, wann der Strom im Kreis 20, 22 durch Null geht; als Funktion dessen wird ein rechteckförmiges Signal einstellbarer Dauer an der Wicklung 90 erzeugt. 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 unterbrochen bzw. abgeschaltet wird. Danach kann die Rückkopplung an einem Punkt in jeder Periode des Stroms in Serienresonanzkreis schalten, um die gewünschte Ausgangsgleichspannung zu erzeugen. Der Wert der Ausgangsgleichspannung wird über die Wicklung 102 festgestellt, und auf die Spannungsregel- und Überstromschutzstufe 98 gegeben. Die Dioden 92 und 94 stellen zusammen mit der Stufe 98 einen Rückkopplungskreis dar. Eine Ausführungsform einer geeigneten Spannungsregel- und Überstromschutzstufe wird anhand von F i g. 7 erläutert.

Die Wirkungsweise der Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung nach Fig. 4 kann weiterhin anhand der Diagramme nach den Fig. 5 und 6 erläutert werden, wobei die Eingangsspannung E_x im Falle des Diagramms nach Fig. 6 größer als im Falle des Dia-

gramms nach Fig. 5 ist. Die Spannung e. Ist in jedem Falle die Spannung am Transistor 72, während die Spannung e_p„ die Spannung an der Primärwicklung 42 ist. Es Ist zu bemerken, daß der Strom /_v von der Gleichspannungsklemme lediglich dann fließt, wenn die Spannung ρ, am Transistor 72 gleich Null ist, d. h. wenn entweder der Transistor 72 oder die Diode 76 leitet. Wenn die Spannung e, maximal Ist, so fließt der Strom i_LC entweci,-.; durch den Transistor 70 oder die Diode 74.

Geht gemäß dem Diagramm nach Flg. 5 der Strom I_LC Im Serienresonanzkreis zur Zelt I₁ In positiver Richtung durch Null, so nimmt die Spannung e_prj Ihren maximalen Wert an. Dies ist Im Prinzip eine Folge des in der erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung verwendeten Lasttyps, wobei beispielsweise die Dioden 52 und 54 die Kapazität 58 aufladen. Für eine insgesamt ohmsche Wechselspannungslast besitzt die Spannung e_pn weniger Rechteckform und nähert sich mehr der Form des Stroms i_u an. Zum Zeltpunkt /, geht die Spannung P₄₂, 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 /_jV durch die Diode 76 und den Serlenresonanzkrels.

Zwischen den Zeitpunkten /, und /₂ wird die Wicklung 90 erregt, so daß weder die Basis des Transistors 70 noch die Basis des Transistors 72 durch den Transformator 66 ein positives Signal erhält. Die Zeitperiode zwischen den Zeitpunkten /, und I₂ wird, wie oben beschrieben, durch die Spannungsregel- und Überstromschutzstufe 98 festgelegi. Zum Zeitpunkt I₂ ist die Wicklung 90 nicht geklemmt, so daß eine negative Spannung auf die Basis des Transistors 72 gegeben wird, da der Strom i_LC zu diesem Zeitpunkt ins Positive geht und die Leitungen der Wicklung 80 zwischen dem Transformator 66 und dem Transistor 72 gekreuzt sind. Zu diesem Zeltpunkt hefen die Wicklung 78 eine ins Positive gehende Spannung Zürn Transistor 70, so daß dieser leitet. Der Strom i_u fließt nunmehr durch den Transistor 70, bis er die Zeitachse zum Zeitpunkt I₃ wieder kreuzt. Zu diesem Zeitpunkt kehrt die Spannung e_pri ihre Polarität um, so daß die Wicklung 90 wiederum durch die Stufe 98 geklemmt ist. Die Dauer dieses Zustandes hängt von dem gewünschten Wert der Ausgangsgleichspannung der Schaltung ab. Zwischen den Zeitpunkten t_} und t_t fließt der Strom i_LC jedoch durch die Diode 74. Zum Zeitpunkt I₄ wird der Transistor 72 leitend, so daß der Strom i_LC durch diesen Transistor von der Eingangs-Gleichspannungsquelle fließt, wie dies durch den Strom i_N in Fi g. 5 angezeigt ist. Der Strom fließt bis zum Zeitpunkt /₅ durch den Transistor 72; zu diesem Zeitpunkt wird die Wicklung 90 erneut geklemmt. Der Strom i_LC kreuzt die Nullachse wiederum in positiver Richtung und muß nunmehr durch die Diode 76 fließen, wobei der Serienresonanzkreis nunmehr bis zum Zeitpunkt /₆ Strom zur Quelle zurückliefert.

Es ist zu bemerken, daß im Falle des Diagramms nach Fig. 6 die Zeitperiode zwischen den Zeitpunkten f, und I₂ größer ist, da eine Änderung im Wert der gelieferten Ausgangsgleichspannung erfolgt ist. Daher arbeitet die Klemmwicklung 90 für eine längere Zeitperiode, wodurch die Phase verzögert und die Frequenz auf einen solchen Wen erniedrigt wird, daß insgesamt die Spannung e_pri die gleiche bleibt. Die Umschaltverzögerung führt dazu, daß Energie lediglich über einem Teil der Periode von der Queue geliefert wird und daß mehr Energie über einem Teil der Periode in die Quelle zurückgespeist wird.

Es ist zu bemerken, daß der Strom /_/( einen angenähert sinusförmigen Verlauf besitzt. Für den größten Teil der Zelt wird Leistung zur Last geliefert, während In den Transistoren 70 und 72 keine über Gebühr hohen Ströme fließen. In bekannten Schaltungsanordnungen mit Schaltern leiten die Schalttransistoren Im Vergleich zur erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wesentlich länger. Daher sind die Ströme nicht über Gebühr hoch und es Ist nicht erforderlich, daß wie bei bekannten Schaltungs-

to anordnungen dieser Art ein großer Strom für eine kurze Zelt fließt. Die Umschaltung und die Regelung erfolgt nichtsdestoweniger bei kleinen Stromwerten.

Die Schaltungsanordnung nach Flg. 4 kann als Rückkopplungsoszillator angesehen werden, wobei der Serienresonanzkreis 20, 22 primär die Oszillationsfrequenz bestimmt. Zu einem definierten Zeitpunkt, wenn der Strom Im Serienresonanzkreis die Nullachse kreuzt, wird die Rückkopplung für eine ausgewählte Zeltperlode zur Regelung des Werts der Ausgangsglelchspannun« unterbrochen bzw. abgeschaltet.

Fig. 7 zeigt eine vollständige Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung, In der gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. In dieser Schaltungsanordnung Hegt auf der Seite der Gleichspannungsklemmen 38 und 40 ein Paar von Nebenschlußkapazitäten 11? ur::! !H nach Erde, um schnelle Schaltübergänge abzuleiten, damit sie nicht In die Gleichspannungsquelle zurückgespeist 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 Fluß aufhebt.

Um Verluste in den durchgeschalteten 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. Jeuer Transistor muß, wenn der 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

so 130 liegende Serienschaltung einer Diode 136 und eines Widerstandes 138 absorbieren die Energie, welche währei.d 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 Basisstroms der Transistoren, um die Sperrung der Transistoren zu unterstützen.

In der Spannungsregel- und Überstromschutzstufe 98 (Fig. 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 en eicht, 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 Ende In der Wicklung 100 an die Basis des Transistors 164, wobei diese Basis weiterhin über einen Widerstand 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 monostabilen 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 Uasls 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 eines monostabilen Multivibrators, wobei der Transistor 182 zwischen der Basis des Transistors 176 und einem Widerstand 184 liegt, welcher den Emitter des Transistors 182 mit einem Punkt 186 verbindet. Parallel am Transistor 182 Hegt ein Widerstand 188, während die Basis des Transistors 182 an ein Potentiometer 190 angeschaltet Ist, das einen Teil eines Spannungstellers zwischen dem Punkt 186 und Erde bildet. Der Kollektor des Transistors 176 Ist über einen Widerstand 193 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 Sirom über einen Widerstand 194 liefern. Eine Filterkapazität 196 glättet die Spannung am Punkt 186. Daher steht am Punkt 186 eine Gleichspannung, welche dem Ausgangsgleichspannungswert der Glelchspannungswandier-Schaltungsanordnung proportional Ist, wobei der Ausgangsspannungswert durch die Wicklung 102 festgestellt wird.

Eine über einen Widerstand 200 am Punkt 186 liegende Zenerdlode 198 liefert eine Bezugsspannung. Die Basis des Transistors 202 Ist an den Verbindungspunkt zwischen der Zenerdiode 198 und dem Widerstand 200 angeschaltet, während der Emitter dieses Transistors über einen Widerstand 204 an den Emitter des Translstors 182 angekoppelt ist. Wenn die Spannung am einstellbaren Schieber des Potentiometers 190 zu klein wird, was einem zu kleinen Ausgangsgleichspannungswert 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 die Emitterspannung des Transistors 182, während die Emitterspannung des Transistors 202 aufgrund der Spannungsregelwirkung der Zenerdiode 198 nahezu konstant bleibt. Aufgrund dessen schaltet der Transistor 182 bei einem höheren S?annungswert durch.

Der die Transistoren 174 und 176 enthaltende monostabile Multivibrator steht normalerweise in einem Schaltzustand, bei dem der Transistor 174 gesperrt ist und der Transistor 176 leitet. Bei jedem Nulldurchgang 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 den Widerstand 178 durchgeschaltet wird. Dieser Schaltzustand, welcher dem unstabilen Zustand des monostabilen Multivibrators entspricht, bleibt solange erhallen, bis die an der Basis des Transistors 176 liegende Seile der Kapazität 178 über den Transistor 182 auf einen Wert autgeladen ist, bei dem der Transistor 176 an seiner Basis erneut durchgeschaliet wird.

Die unstabile Schaltperiode des monostabilen Multivibrators definiert die Zeitperiode, während der der Oszillatorkreis über die Wicklung 90 geklemmt ist. Eine 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_LC kurz und definiert die Zeitperioden t, bis I₂, /₃ bis i₄, /_, bis /₆. und so weiter, wie dies In den Fig. 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 Zeitperiode geklemmt wird und damit die Ausgangsgleidispannung zunehmen kann. Wird andererseits die Ausgangsgieichspannung zu groß, so nimmt die Schuitperiode des monostabilen Multivibrators zu, wodurch auch die Klemmperiode verlängert und die Ausgangsgleichspannung auf den richtigen Wert gesenkt wird. Das Potentiometer 190 kann dazu verwendet weruen, 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_LC im Serienresonanzkreis stattfindet. Die Umschaltung und Spannungregelung 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 Transistoren 70 und 72 reduziert. Nachdem die Transistoren am Ende jeder Halbperiode 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gleic'.ispannungswandler-Schaltungsanordnung

mit einem Serienresonanzkreis, mit Schaltern zur periodischen Wechselstromerregung des Serienresonanzkreises aus einer Gleichspannungsquelle, mit einer Ausgangsgleichrichterstufe zur Erzeugung einer konstanten Ausgangs-Gleichspannung aus dem im Serienresonanzkreis fließenden Wechselstrom und mit einem zwischen der Ausgangsgleichrichterstufe und den Schaltern angeordneten ersten Rückkopplur.gskreis eines Spannungsreglers zur Änderung des Schaltphasenwinkels der Schalter als Funktion der Ausgangsgleichspannung der Ausgangsgleichrichterstufe dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rückkopplungkreis (90, 92, 94, 96, 98) überdies an den Serienresonanzkreis (20, 22) angekoppelt und so ausgelegt ist, daß er bei einem Strom von nahezu Nuir im Serienresonanzkreis (20, 22) und in den Schaltern (70, 72) derart anspricht, daß er einen zweiten Rückkcpplungskreis (64, 66, 68,78, 80), der mit dem Serienresonanzkreis (20, 22) gekoppelt ist, über eine von der Ausgangsgleichspannung abhängige Zeitdauer in jeder Periode zur entsprechenden Verzögerung des Schaltphasenwinkels unwirksam schalet.

2. Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Rückkopplungskreis (64, 66, 78, 80) einen die Schalter (70, 72, 74, 76) steuernden Rückkopplungstransformator U'6) mit einer zusätzlichen Wicklung (99) aufweist, die zur Sperrung d-s zweiten Rückkopplungskreises (64, 66, 78, 80) mit von dem Spannungsregler (98) abgegebenen Impulsen .^usschickt wird.

3. Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Serienresonanzkreis (20, 22) über einen ersten von dem zweiten Rückkopplungskreis (64, 66, 78; 80) gesteuerten Transistor (70), dem eine Diode (74) antiparallel geschaltet Ist, mit dem einen Pol (38) der *o Spannungsquelle (E_n) und über einen zweiten von dem zweiten Rückkopplungskrels (64, 66, 78, 801 gegensinnig zum ersten Transistor (70) gesteuerten Transistor (72), dem eine Diode (74) antiparallel geschaltet ist, mit dem anderen Pol (40) der Span- *5 nungsquelle (E_n) verbunden ist.

4. Gleichspannungswandler-Schallungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß der Spannungsregler (98) einen monostabilen Multivibrator (174, 176. 178, 180) enthält, der durch von dem Spannungsverlauf in dem Serienresonanzkreis (20, 22) abgeleitete Impulse bei jedem Nulldurchgang der Schwingungen (e_pri. i_LC) Im Serienresonanzkreis (20, 22) in seinen instabilen Zustand gekippt wird und In diesem instabilen Zustand während einer Zeitdauer (Z₂-/,, U-I₃, I₆-I₅) beharrt, die durch die Aufladung eines Kondensators (180) gegen eine der Ausgangs-Gleichspannung (E₀) proportionale Spannung gegeben Ist.