DE2319068A1 - Schaltungsanordnung zur nutzung der in den streuweg eines uebertragers gedraengten energie - Google Patents

Description

• Schaltungsanordnung zur Nutzung der in den Streuweg eines Übertragers gedrängten Energie Stand der Technik Beim Abschalten einer Induktivität bildet sich an dieser eine von der Geschwindigkeit des Stromabbaues abhängige Spannungsspitze aus. Ihr die Betriebsspannung weit übersteigender Wert muß vom schaltenden Organ verkraftet werden können. Ist dieses - bedingt durch dessen Aufbau -nicht möglich, bleibt nichts anderes übrig, als durch eine Schutzbeschaltung für das Fernhalten oder die Beschneidung dieser schädlichen Spannungsspitze zu sorgen.
• Wie auch die Schutzbeschaltung gestaltet sein mag, immer läuft es darauf hinaus, denjenigen Teil der im Magnetfeld gespeicherten Energie, der - entsprechend der Art der Schaltung - nicht einer Nutzung unterworfen ist, so weit und so schnell zu vernichten, daß auch bei in periodisch dichter Folge ablaufenden Schaltvorgängen eine genügende Begrenzung der Induktionsspannung gegeben ist.
• Eine solche periodische Schaltung findet auch bei den an eine Eingangsgleichspannung angeschlossenen Spannungsumsetzeinrichtungen statt. Wiiddabei mit vollständig verkoppelten Schaltkreisen gearbeitet, so wie es bei den ihrer Art nach bekannten einfachen Gleichstromstellern der Fall ist, dann kann der die einzige Wicklung der Speicherdrossel durchfließende Strom auch nach geschalteter Auftrennung des einspeisenden Primärkreises ungehindert über die nun wirksame, zum Wesen der Schaltung gehörende t Freilaufdiode weiterfließen. Abrup-te, eine Spannungsüberhöhung erzwingende Stromänderungen finden hier also, da nun der Verbraucherkreis eine vollkommene Schutzbeschaltung darstellt, nicht statt.
• Anders ist es dagegen, wenn zur Herbeiführung einer galvanischen Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangskreis oder einer nur durch eine Wicklungsübersetzung günstig erzielbaren Spannungsumsetzung der Strom für eine mehrere Wicklungen aufweisende Induktivität - die abhängig von der Art der Schaltung entweder als Transformator oder auch als Speicherübertrager zu werten ist - geschaltet werden muß. Dann liegt keine vollständige Verkoppelung des Eingangskreises mit dem Ausgangskreis vor und dann übernimmt der Sekundärkreis auch nicht die vollständige magnetische Durchflutung der Induktivität vom Primärkreis.
• Der verbleibende Rest geniigt, um an der Primärwicklung und damit vermehrt um den Betriebsspannungswert auch am schaltenden Organ eine kritische Spannungsspitze auftreten zu lassen.
• Zum Begrenzen dieser Spannungsspitze wird nun eine besondere, üblicherweise auf eine Vernichtung der Restenergie hinauslaufende Schutzbeschaltung notwendig. Es ist bekannt, diese Schutzbeschaltung parallel zur geschalteten Wicklung zu legen und als Reihenschaltung einer Diode mit einem Kondensator, wobei Letzterem ein Verlustverbraucher parallel geschaltet ist, auszubilden. Die als Schalter wirkende Diode ist so gepolt, daß sie - unabhängig vom weiteren Aufbau der Spannungsumsetzeinrichtung - wie bei einem Gleichstromsteller als Freilaufdiode wirken kann.
• Es ist in neuerer Zeit üblich geworden, alsVerlustverbraucher der Schutzbeschaltung anstelle des im einfachsten Fall möglichen Widerstandes eine zenerdiode zu verwenden.
• Mit diesem Bauelement kann zum einen auf relativ einfache Art auf dem Schutzkondensator eine nicht dem Abbau unterliegende Grundspannung belassen werden und zum anderen wegen seines geringen differentiellen Widerstandes ein schneller Abbau des sich in einer übersteigenden Spannung äußernden Energieüberhanges erfolgen. Aber auch diese verbesserte Form der Schutzbeschaltung läuft auf eine Vernichtung der aus dem Streufeld stammenden Energie hinaus und ist deshalb noch unzureichend.
• Aufgabe, Lösung Ziel der Erfindung ist es, die durch die Schutzbeschaltung aufgenommene Energie möglichst nutzbringend der Verbraucherseite des Gl eichspannungsums etzers zuzuschlagen.
• Das geschieht, wie der Patentanspruch 1 zeigt, in dem die von ihrem kapazitiven Speicher aus dem Streufeld des Speicherübertragers oder Transformators stammende Energie mittels einer nur diesem Zweck dienenden zusätzlichen Gleichspannungsumsetzeinrichtung auf die Ausgangssseite der ursächlich zur Gleichspannungsums etzung verwendeten Einrichtung übertragen wird.
• Durch diese praktisch anstelle der 7zenerdiode tretende Einrichtung kann - unter Wahrung der mit der zenerdiode gegenüber einem Widerstand erreichbaren Vorteile - der Wirkungsgrad der Gesamt einrichtung weiterhin verbessert werden. Wird die die Streufeldenergie auf den Nutzausgang übertragende Einrichtung entsprechend der-Merkmalaufzählung in den nachfolgenden Patentansprüchen als mit einem Speicherübertrager arbeitender Gleichstromsteller ausgebildet, dann kann ohne viel Aufwand durch Wahl eines geeigneten Wicklungsverhältnisses und Einstellung eines günstigen Tastverhältnisses ein optimaler Nutzen erzielt werden.
• Weitere vorteilhafte Einzelheiten können deinachfolgenden Beschreibung für ein Ausführungsbeispiel, bei dem die ursächliche Gleichspannungsums etzeinrichtung der Einfachheit wegen ebenfalls als Gleichstromsteller ausgebildet ist, entnommen werden. Selbstverständlich kann diese ursächliche Umsetzeinrichtung ebensogut ein Gleichstromumrichter mit einem Wechs elstromzwis chenkreis oder eine andere, geschaltete Indutivitäten enthaltende Einrichtung sein.
• Wesentlich für die Anwendbarkeit der Erfindung ist die Notwendigkeit einer dem Eingangskreis zuzufügenden Schutzbeschaltung zur Herabsetzung von auf das schaltende Organ einwirkenden und dieses gegebenenfalls zerstörenden Spannungsspitzen.
• Aus fiihrungsbeispiel Die Zeichnung zeigt zwei im Prinzip gleiche als Gleichstromsteller ausgebildete Gleichspannungsumsetzeinrichtungen GU1 und GU2. Die Einrichtung GU1 hat die Aufgabe, den von der schwankenden Nutzlast Q benötigten Spannungswert U20 durch entsprechende Umsetzung aus der Betriebsspannung Ulo möglichst verlustfrei zu entnehmen. Zur Umsetzung von dem einen Wert auf den anderen wird der Wicklung Plo des Speicherübertrages Ül ein durch den Schalter TSlo getasteter Strom zugeführt. Der Bezugswert der Tastfrequenz ist so gewählt, daß eine Tastperiode eine wesentlich kürzere Zeitspanne umfaßt, als die, die durch die kleinste Zeitkonstante eines die Induktivität Ul einschließenden Kreises gegeben ist. Bei Vorliegen einer Mindestlast Q kommt es unter dieser Voraussetzung für die Induktivität weder zur magnetischen Sättigung noch zum Erreichen eines stromlosen Zustandes.
• Gemäß der für das Prinzip des Gleichstromstellers als bekannt anzunehmenden Gesetzlichkeit wird durch das Tastverhältnis die Spannungsübersetzung bestimmt. Der die Primärwicklung Plo durchfließende Strom schwankt entsprechend der Anforderung durch die veränderliche Last Q um einen Mittelwert, der durch den Aufladeverlauf während der Schalterschließung und den Endladeverlauf während der Schalteröffnung gegeben ist. Da die Nutzentladung der Speicherinduktivität Ül über die Sekundärwicklung S20 und den Gleichrichter G20 erfolgt, kann von dieser wegen der nicht möglichen vollen Verkoppelung mit der Primärwicklung Plo auch nicht der vom ganzen Energieinhalt herrührende Strom geführt werden. Der verbleibende, dem Streufeld entstammende Rest läßt an der Primärwicklung Plo eine Induktionsspannung UX entstehen, die zusammen mit der Betriebsspannung Uio auf die offene Schaltstrecke TSlo einwirkt. Zur Herabsetzung des von der Induktionsspannung UX stammenden Anteiles auf einen für die Schaltstrecke TSlo unschädlichen Wert ist parallel an die Primärwicklung Plo der zweite Gleichstromsteller GU2 angeschlossen. Diese nur auf die Streufeldleistung der ersten Einrichtung GU1 ausgelegte zweite Einrichtung GU2 bildet im Dauerbetriebszustand für die Primärwicklung Po der ersten Einrichtung eine Last, die nur dann zu Tage tritt, wenn die vom Kondensator C11 aufgenommené Spannung denjenigen Grundwert überschreitet, der sich aus der Betriebsspannung Ulo zuzüglich der mit dem Windungsverhältnis P10 zu S10 korrigierten Ausgangsspannung U2o ergibt. Oberhalb dieses Wertes wirkt der aus dem Gleichrichter G11 und dem Kondensator C11 gebildete Lastkreis so niederohmig, daß nunmehr an der Primärwicklung P10 nur noch der Spannungswert UX auftreten kann, der während des Schaltsrieles TSIo vom Kondensator C11 (zuzüglich des Spannungsabfalles am Gleichrichter G11) angesammelt wird.
• Um diesen Wert unterhalb des kritischen Anteiles für die Schaltstrecke TSIo belassen zu können, wird die den Grundwert übersteigende Spannung durch den mittels der Schaltstrecke TSII ständig tätigen Gleichstromsteller GU2 abgebaut und unter Zuhilfenahme des Speicherübertragers 22 über den Gleichrichter G21 auf die Lastseite des Gleichstromstellers GU1 spannungsangepaßt übertragen.
• Da auch der zweite als Schutzeinrichtung wirkende Gleichstromsteller GU2 eine nicht vollständig verkoppelte Spannungsübertragung von der Primärwicklung P11 zur Sekundärwicklung S21 herbeiführt, muß auch hier eine Schutzbeschaltung an die Primärwicklung P11 angeschlossen werden.
• Diese kann jedoch wegen des zur Nutzenergie der ersten Einrichtung GU1 geringen Wertes als eine die Energie vollständig vernichtende E inrichtung in bekannter Weise ausgebildet sein. Das Beispiel zeigt eine aus einem Gleichrichter G12, einen Kondensator C12 und einer S;nerdiode Z bestehende Anordnung. Die Zenerdiode wirkt hier mit ihrem geringen differentiellen Widerstand nur dann als spannungsabtragende Last, wenn ihr der Belastungsgrenze der Schalteinrichtung US11 angepaßte 2dnerwert überschritten wird.
• Ergänzend zum gesamten Schaltungsbeispiel ist noch zu bemerken, daß die Schalteinrichtung TSlo des ersten Gleichstromstellers GU1 durch einen vom Ausgang U20 mit RE geregelten Tastgenerator TG10, die Schalteinrichtung XS11 des zweiten Gleichstromstellers GU2 dagegen mit einem fest einstellbaren Tastgenerator TGII betrieben wird. Die Tastgeneratoren sind so aufgebaut, daß sich ihr Xastverhältnis mit oder Einschluß einer Frequenzänderung verstellen läßt. Durch entsprechende Einstellung des Tastgenerators G11 wird die durch den Speicherübertrager t12 gegebene Spannungsübersetzung so korrigiert, daß der zum Wirksamwerden der Schutzbeschaltung notwendige Spannungsabbau für den Kondensator C11 gewährleistet ist. Wie angedeutet, kana-die Wicklung 521 über entsprechende Anza-pfungen betrieben werden. Die Wickelrichtung der einzelnen Wicklungen der Speicherübertrager 21 und Ü2 ist durch einen jeweils den Wickelanfang markierenden Punkt angedeutet. Ebenfalls eingezeichnet und noch nicht beschrieben sind die für das Prinzip überflüssigen Kondensatoren Clo, C20 und C21; sie sollen lediglich den geringen dynamischen Innenwiderstand der entsprechenden Fúnktionsseite andeuten.
• Abweichend von den Einzeichnungen im Beispiel kann der Tastgenerator G11 auch synchron mit dem Tastgenerator TGIo betrieben werden. Voraussetzung ist jedoch ein frequenzkonstanter Betrieb des ersten Gleichstromstellers GU1. Mit einer derartigen Koppelung läßt sich das Auftreten einer sonst aus dem Frequenzunterschied möglichen Störspannung leicht-vermeiden.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜ CHE

   Schaltungsanordnung zur Nutzung der in den Streuweg eines Übertragers gedrängten Energie bei mit periodisch geschaltetem Übertrager arbeiten Gleichspannungsumsetzeinrichtungen, denen die umgesetzte Spannung der Sekundärwicklung dieses Übertragers entnommen wird und bei denen die an der Primärwicklung jeweils bei Öffnung des periodisch arbeitenden Schalters auftretenden Spannungsspitzen von einem über einen Gleichrichter dazu parallel angeschlossenen belasteten kapazitiven Speicher zum Schutze des Schalters abgefangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Teil des von dem kapazitiven Speicher (C11) aufgenommenen, aus dem Streufeld des Übertragers (21) stammenden Energieüberschusses mittels einer weiteren in die Schutzbeschaltung einbezogenen Gleichspannungsumsetzeinrichtung (GU2) auf die Ausgangsseite (U20) der die Betriebsfunktion erfüllenden ersten Gleichspannungsumsetzeinrichtung (GU1) übertragen wird.
2. 2. Schaltungsanori nung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die in die Schutzbeschaltung einbezogene weitere Gleichspannungsumsetzeinrichtung (GU2) als mit einem Speicherübertrager (Ü2) arbeitender Gleichstromsteller ausgebildet ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis der Wicklungen des Speicherübertragers (22) so gewählt ist, daß sich - bei gegebenem Tastverhältnis für den Eängangskreis des Gleichstromstellers - am kapazitiven Eingangs speicher (C11) eine Spannung einstellt, die unterhalb des für die Schalteinrichtung (TSIo) der ersten Gleichspannungsumsetzeinrichtung liegenden zulässigen Sperrwertes, jedoch oberhalb des von anderen Wicklungen (520) auf die Primärwicklung (Plo) des Übertragers der ersten.Gleichspannungsumsetzeinrichtung (GU1) übertragenen Wertes liegt.
4. 4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das gegebene Windungszahlenverhältnis (P11...S21) vorhandene Spannungsübersetzung des Gleichstromstellers (GU2) durch Anderung des Tastverhältnisses korrigierbar gehalten ist.