DE2424497A1 - Gleichspannungswandler fuer kleine leistung mit hohem wirkungsgrad - Google Patents

Description

• Gleichspannungswandler für kleine Leistung mit hohem Wirkungsgrad Die Erfindung handelt von einem Gleichspannungswandler für kleine Leistung mit hohem Wirkungsgrad, bestehend aus zwei durch einen Übertrager mit Primär- und Sekundärseite galvanisch getrennten Schaltkreisen, von denen dem Primärkreis die Leistung über die mit einer Kapazität C1 überbrückten Klemmen a und b einem als Oszillator geschalteten Transistor zugeführt wird, wobei der Kollektor direkt und die Basis einmal über einen Widerstand R1 mit der Klemme a und zum anderen über einen weiteren Widerstand R2, dem eine weitere Kapazität C2 in Serie geschaltet ist, mit dem Wicklungsanfang der Primärseite des Übertragers verbunden sind, der Emitter des Transistors an eine Wicklungsanzapfung der Primärseite und das Wicklungsende der Primärseite an die Eingangsklemme b geschaltet sind und die Sekundärseite des Übertragers über eine Gleichrichteranordnung mit dem Verbraucher in Verbindung steht.
• Gleichspannungswandler haben die Aufgabe, eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuformen, diese so gewonnene Wechselspannung über einen Übertrager in eine Wechselspannung gleicher oder anderer Größe zu transformieren oder auch nur zwei Schaltkreise galvanisch voneinander zu trennen und dann die neue Wechselspannung wieder gleichzurichten.
• Hierzu verwendet man auf der Primärseite dieses Übertragers einen Oszillator, der die Umformung der Gleichspannung in Wechselspannung bewirkt und auf der Sekundärseite einen Gleichrichter, der die Wechselspannung wieder gleichrichtet. Bei ausreichend vorhandener Leistung oder auch bei nicht ins Gewicht fallenden Verlusten bei der Umformung verwendet man zur Wiedergleichrichtung einfache Dioden in Einwegschaltung oder auch herkömmliche Schaltungsarten. Verluste treten hierbei lediglich in den Schaltungselementen selbst auf.
• Ist die zur Verfügung stehende, ankommende Leistung sehr klein und soll diese Leistung am Ausgang dieser Schaltung noch eine Arbeit verrichten, z.B. einen Schaltvorgang ausführen, so dürfen durch die geforderte galvanische Trennung der Schaltkreise voneinander keine Verluste auftreten, bzw.
• die Verluste müssen so klein gehalten werden1 daß die zu verrichtende Arbeit durch die ankommende alektrische Leistung gewährleistet wird. Und in diesem Fall gewinnen die Verluste in den Bauelementen eine große Bedeutung.
• Der vorliegenden Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine galvanische Trennung zweier Schaltkreise bewirkt und wobei die ankommende, sehr kleine Leistung nur soweit geschwächt wird, daß die erforderte Leistung zur Ausführung eines Schaltvorganges nicht beeinträchtigt wird. Es war hierbei ein Wirkungsgrad von mindestens 70 % gefordert.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Gleichrichteranordnung aus einem zweiten Transistor besteht, dessen Basis an den Wicklungsanfang, dessen Kollektor an eine Anzapfung der Sekundärwicklung und dessen Emitter über den Verbraucher an das Wicklungsende der Sekundärseite geschaltet sind.
• Es ist vorteilhaft, den Verbraucher durch eine zusätzliche Kapazität zu überbrücken. Ferner kann die Eigenschwingung des Oszillators durch Einschalten eines Kondensators zwischen dem weiteren Widerstand und der Basis des ersten Transistors bestimmt werden. Zur Unterdrückung von Rauschanteilen in der Oszillatorspannung wird der erste Widerstand vorteilhafterweise durch eine Kapazität überbrückt.
• Anhand der Zeichnung wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel naher beschrieben.
• Die Fig. 1 zeigt die Ausgangsschaltung nach dem Stand der Technik und die Fig. 2 zeigt die Ausbildung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung.
• In der Fig. 1 ist die Schaltungsanordnung gezeigt, von der bei dem Erfindungsgedanken ausgegangen wurde. An den Klemmen a und b ist die sehr kleine Leistung, die eine weitere grössere Leistung steuern soll und von dieser galvanisch getrennt sein muß, zugeführt.
• Ein Teil der an den Klemmen a und b zugeführten Spannung wird dazu benutzt, um die Basis des Transistors 1 über den Widerstand R1 vorzuspannen. Dadurch wird der Transistor 1 leitend.
• Damit fließt in die Spule von der Spannungsquelle (Klemmen a und b) her ein Strom, von der Klemme a, über Basis und Emitter des Transistors Tsl, die Teilwicklung P zur Klemme b. In der Spule wird jetzt eine Spannung induziert, die die Spannung in der zweiten Teilwicklung P vergrößert, so daß diese Spannung über den Widerstand R2 der Basis des Transistors zugeführt wird. Damit ist der Transistor Tsl sofort voll leitend. Der Transistor Tsl selbst stellt jetzt einen sehr geringen Widerstand dar. Der Strom steigt in der Primärwicklung an u.zw. nach einer e-Funktion. Solange dieser Strom ansteigt, fließt ein Strom in die Basis des Transistors Tsl.
• Dieser Strom wird dann unterbrochen, wenn der Stromverstärkungsfaktor des Transistors Tsl nicht mehr ausreicht, bei konstantem Basisstrom, diesen Strom weiter ansteigen zu lassen, da der Sättigungsstrom des Transistors erreicht ist.
• Steigt der Strom nicht weiter an, so bricht die Spannung an der Wicklung der Primärseite P zusammen und die Basis des Transistors Tsl erhält keine Steuerspannung mehr. Der Transistor schaltet sofort ab. Damit bestimmt der Transistor Tsl, d.h. seine Kennwerte, die Tastfrequenz dieser Schaltungsanordnung.
• Schaltet man nun einen Kondensator C2 zwischen den Widerstand R2 und der Basis des Transistors Tsl, so bestimmt die Zeitkonstante aus dem Widerstand R2 und dem Kondensator C2 die Tastfrequenz der Schaltungsanordnung. Dies trifft besonders dann zu, wenn die Kapazität des Kondensators C2 klein genug ist und der Transistor noch nicht seinen Sättigungswert erreicht hat. Ist daher der Kondensator C2 früher aufgeladen, als der Transistor Tsl seinen Sättigungszustand erreicht hat, so wird die Basis des Transistors Tsi früher stromlos und der Stromfluß über den Transistor Tsi bricht zusammen. Damit wird also der Kondensator C2 die Schwingungsfolge dieser Schaltungsanordnung bestimmen.
• Die Kapazität C1 schließt die Klemmen a und b der Eingangsspannung hochfrequent kurz.
• In der Stromflußphase wird in die Primärwicklung P eine elektrische Energie eingespeichert und während dieser Zeit ist der Gleichrichter Gr auf der Sekundärseite S des Übertragers Tr gesperrt. Tritt nun der Sperrzustand des Transistors Tsl ein und es fließt kein Strom mehr in die Primärwicklung des Übertragers, so wird sich diese Energie über die Diode Gr entladen. und lädt den Kondensator C4 auf bzw. fließt über den Verbraucher V ab. Dieser Vorgang wiederholt sich nun im Rhythmus des Taktes, der von der Schaltungsanordnung des Transistors Tst bestimmt wird.
• Der Spannungsabfall über die Diode Gr im Zusammenhang mit dem Strom bestimmt die Verlustleistung dieser gesamten Schaltungsanordnung. Es muß also das Bestreben sein, diesen Spannungsabfall über der Diode Gr zu vermindern. Dies ist teilweise möglich durch die Verwendung verschiedener Diodentypen, die aber immer aufgrund des für ihren Stromdurchlaß zu überwindenden Schwellwertes von diesem abhängig sind.
• Man kann also durch Verminderung des Schlfelllfertes den Wirkungsgrad der gesamten Schaltungsanordnung erheblich verbessern. Dies gelingt durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Transistors Ts2 statt einer Diode Gr. Dieser Transistor Ts2 wird durch die induzierte Spannung auf der Sekundärseite S des Übertragers Tr geschaltet. In dem Augenblick, wo der Transistor Ts2 leitend werden soll, baut sich in dem Basis-Kollektor-Kreis über die Teilwicklung der Sekundärseite S des Übertragers Tr eine Zusatzspannung auf, die den Transistor Ts2 leitend macht. Diese Energie fließt zusätzlich über den Emitter ab und ist nicht verloren. Der Spannungsabfall in dem Transistor Ts2 beträgt damit nur etwa 100 mv gegenüber der Schwellspannung einer Diode, die bei etwa 700 mV liegt. Durch diese Maßnahme, Einschalten eines Transistors Ts2 statt einer Diode Gr, wird der schlechte Wirkungsgrad einer Diode soweit verbessert, daß der Gesamtwirkungsgrad der Schaltungsanordnung wesentlich verbessert wird.
• Die Schaltung bringt nicht nur, wie hier für einen Sperrwandler beschrieben, die genannten Vorteile, sondern ist ebenso bei allen anderen Wandlern, die zur Übertragung kleinster Leistungen benutzt werden, anwendbar.

Claims (4)

1. Patentansprüche

   g Gleichspannungswandler für kleine Leistung mit hohem Wirkungsgrad, bestehend aus zwei durch einen t;bertrager mit Primär- und Sekundärseite galvanisch getrennten Schaltkreisen, von denen dem Primärkreis die Leistung über die mit einer Kapazität cl überbrückten Klemmen a und b einem als Oszillator geschalteten Transistor zugeführt wird, wobei der Kollektor direkt und die Basis einmal über einen Widerstand R1 mit der Klemme a und zum anderen über einen weiteren Widerstand R2, dem eine weitere Kapazität C2 in Serie geschaltet ist, mit dem Wicklungsanfang der Primärseite des Übertragers verbunden sind, der Emitter des Transistors an eine lÇicklungsanzapfung der Primärseite und das Wicklungsende der Primärseite an die Eingangsklemme b geschaltet sind und die Sekundärseite des Übertragers über eine Gleichrichteranordnung mit dem Verbraucher in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichteranordnung aus einem zweiten Transistor (Ts2) besteht, dessen Basis an den Wicklungsanfang, dessen Kollektor an eine Anzapfung der Sekundärwicklung (S) und dessen Emitter über den Verbraucher (V) an das Wicklungsende der Sekundärseite (S) geschaltet sind.
2. 2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher durch eine Kapazität (cit) überbrückt ist.
3. 3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Basis des Transistors (Tsi) und dem weiteren Widerstand (R2) eine Kapazität (C2) geschaltet ist.
4. 4. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R1) durch eine Kapazität (C3) überbrückt ist.

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