DE1513212C

DE1513212C - Short-circuit proof series control device

Info

Publication number: DE1513212C
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dipl.-Phys. 7830 Emmendingen; Burth Rolf-Dieter Dipl.-Ing. 7809 Denzlingen Gerlach
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Publication date: 1972-05-10

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kurzschlußfeste Serien-Regeleinrichtung mit einem Schalttransistor als Stellglied, mit einer dazu in Reihe angeordneten, als Energiezwischenspeicher dienenden Primärwicklung eines Übertragers, der außerdem eine Last- und eine Rückkopplungswicklung aufweist und zusammen mit dem Schalttransistor sowie Hilfsmitteln zur Begrenzung des Basisstromes und zur Anschwinghilfe einen Sperrwandler bildet, und mit einem als Ausgangsspannungsspeicher dienenden, der Last parallelgeschalteten Kondensator. Solche Sperrwandler sind bekannt, vgl. die Zeitschrift »Elektronische Rundschau«, 1963, S. 289 bis 292. ..The invention relates to a short-circuit-proof series control device with a switching transistor as an actuator, with a primary winding arranged in series and serving as an intermediate energy store a transformer, which also has a load and a feedback winding and together with the switching transistor and tools to limit the base current and to aid in oscillation forms a flyback converter, and with one as an output voltage store serving capacitor connected in parallel to the load. Such flyback converters are known, see the magazine "Electronic Rundschau", 1963, pp. 289 to 292 ...

Bei Serienregeleinrichtungen, die aus einer schwankenden Eingangsspannung eine konstante kleinere Ausgangsspannung erzeugen, ist ein aktives Bauelement vorhanden, das in Serie zum Verbraucher liegt und so gesteuert wird, daß bei veränderlicher Eingangsspannung und bei schwankender Last die Ausgangsspannung konstant bleibt. Es ist bekannt (vgl. die Zeitschrift »Elektronik«, 1964, S. 314), zu diesem Zweck als Stellglied einen Serientransistor zu verwenden, der stetig gesteuert wird und an dem die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung abfällt. Derartige Regeleinrichtungen haben den Nachteil, daß im Serientransistor eine Verlustleistung entsteht, die gleich dem Produkt aus Laststrom und der Differenz von Eingangsspannung und Ausgangsspannung ist.In the case of series regulating devices, the fluctuating input voltage becomes a constant lower voltage To generate output voltage, there is an active component that is in series with the consumer is and is controlled so that when the input voltage changes and the load fluctuates Output voltage remains constant. It is known (cf. the magazine "Electronics", 1964, p. 314), too to use a series transistor as an actuator for this purpose, which is continuously controlled and to which the Difference between input and output voltage drops. Such control devices have the Disadvantage that in the series transistor there is a power loss that is equal to the product of the load current and is the difference between input voltage and output voltage.

Dieser Nachteil kann weitgehend beseitigt werden, indem man den Transistor nicht stetig steuert, sondern schaltet. Aus der Zeitschrift »Funktechnik«, 1962, S. 749, der Zeitschrift »Elektronik«, 1961, S. 177, und den deutschen Auslegeschriften 1123 749, 1 049 962, 1 155 848, 1 155 849, 1 155 850 und 1181 791 sowie der belgischen Patentschrift 621277 ist es bekannt, einen Transistor mit einem veränderlichen Tastverhältnis auf- und zuzuschalten. Dabei wird die andernfalls verlorengehende Energie in einer Drossel oder einem Transformator als Energiespeicher gespeichert und periodisch wieder an die Last abgegeben. Die bekannten nach diesem Prinzip arbeitenden Schaltungsanordnungen erfordern jedoch eine verhältnismäßig große Zahl von aktiven und passiven Bauelementen, was den vorstehend genannten Literaturstellen zu entnehmen ist.This disadvantage can largely be eliminated by not controlling the transistor continuously, but instead switches. From the magazine "Funktechnik", 1962, p. 749, the magazine "Elektronik", 1961, S. 177, and the German Auslegeschriften 1123 749, 1 049 962, 1 155 848, 1 155 849, 1 155 850 and 1181 791 and the Belgian patent specification 621277, it is known a transistor with a variable Switch duty cycle on and off. The otherwise lost energy is converted into a Choke or a transformer stored as energy storage and periodically returned to the load submitted. The known circuit arrangements operating on this principle, however, require one relatively large number of active and passive components, which is what the aforementioned references can be found.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Serien-Regeleinrichtung zu schaffen, die mit gleich gutem Wirkungsgrad arbeitet wie die bekannten Serien-Regeleinrichtungen mit einem Schalttransistor, jedoch mit einer wesentlich geringeren Anzähl von Bauelementen auskommt und außerdem kurzschlußfest ist.The object of the invention is to create a series control device that is the same good efficiency works like the well-known series control devices with a switching transistor, however, it manages with a significantly smaller number of components and is also short-circuit-proof is.

Kurzschlußfeste Serien-Regeleinrichtungen mit kontinuierlicher Arbeitsweise der oben geschilderten Art sind ebenfalls bekannt, vgl. die eingangs zuerst genannte Literaturstelle aus der Zeitschrift »Elektronik«. In diesen Schaltungen werden zur Sicherstellung des Überlastungsschutzes mindestens ein zusätzlicher Transistor und diesem zugeordnete weitere Bauelemente (Widerstände, Dioden usw.) benötigt. Da bei Aufhören der Überlastung, die im Extremfall ein ausgangsseitiger Kurzschluß sein kann, die Serien-Regeleinrichtung ihren Normalzustand meist wieder automatisch annehmen soll, sind hierfür ebenfalls zusätzliche Bauelemente erforderlich.Short-circuit-proof series control devices with continuous operation of the type described above are also known, see the first cited reference from the magazine "Electronics". In these circuits, at least one additional Transistor and other associated components (resistors, diodes, etc.) are required. Because when the overload ceases, which in extreme cases can be a short circuit on the output side, the series control device should usually automatically assume their normal state again, are also additional for this Components required.

Das Erfordernis der Kurzschlußfestigkeit besteht auch bei den eingangs geschilderten, im Schaltbetrieb arbeitenden Serien-Regeleinrichtungen, auf die sich die Erfindung bezieht. Die Erfüllung dieses Erfordernisses und die Lösung der gestellten Aufgabe besteht daher erfindungsgemäß darin, daß zwischen dem Basisanschluß des Schalttransistors und demjenigen Pol der Speisespannungsquelle, an dem auch ein Pol des Speicherkondensators Hegt, eine Z-Diode angeschlossen ist.The requirement of short-circuit resistance also exists in the case of the above-mentioned, in switching operation working series control devices to which the invention relates. The fulfillment of this requirement and the solution to the problem is therefore according to the invention that between the Base connection of the switching transistor and that pole of the supply voltage source at which there is also a pole of the storage capacitor, a Zener diode is connected.

Zwar ist es bei reihen Stabilisierungseinrichtungen,It is true that in the case of a number of stabilizing devices,

ίο die also nicht aus einem geschlossenen Regelkreis bestehen, bekannt (vgl. die Zeitschrift »Bulletin des schweizerischen Elektrotechnischen Vereins«, 1962, S. 1236, und die USA.-Patentschrift 3 022 457), eine oder mehrere Z-Dioden zwischen die Basis eines im Laststromkreis liegenden Transistors und den gegenüberliegenden Pol der Speisespannungsquelle zu schalten. Hierbei wird jedoch nur erreicht, daß die mit einem bestimmten Z-Dioden-Typ maximal stabilisierbare Leistung wesentlich erhöht werden kann.ίο which are not from a closed control loop exist, known (cf. the journal "Bulletin of the Swiss Electrotechnical Association", 1962, P. 1236, and U.S. Patent 3,022,457), place one or more Zener diodes between the base of an im Load circuit lying transistor and the opposite pole of the supply voltage source switch. In this case, however, it is only achieved that those that can be maximally stabilized with a certain type of Zener diode Performance can be increased significantly.

Außerdem fehlt diesen Schaltungen die Regelwirkung.In addition, these circuits lack the control effect.

Schließlich sind auch sogenannte Kniekurven^"~* Regeleinrichtungen bekannt (vgl. die deutschen Aus- "^x glegeschriften 1 082 670 und 1158 616), die aus einer * Parallel-Regeleinrichtung mit Strombegrenzungseigenschäften bestehen. Hierbei kann ebenfalls eine Z-Diode der Basis des Regeltransistors vorgeschaltet sein, jedoch ist die Anordnung immer so getroffen, daß ein , Teil des Laststromes über die Z-Diode fließt.Finally, so-called knee curve control devices are also known (cf. the German Aus " ^x glegeschriften 1 082 670 and 1158 616), which consist of a parallel control device with current limiting properties. A Zener diode can also be connected upstream of the base of the control transistor, but the arrangement is always such that part of the load current flows through the Zener diode.

Zusammenfassend läßt sich zu diesem umfangreichen Stand der Technik sagen, daß bisher^kurzschlußfeste Serien-Regeleinrichtungen nur-als kontinuierlich arbeitende Anordnungen bekannt waren, die zur Herstellung der Kurzschlußfestigkeit eines großen schaltungstechnischen Aufwandes bedurften.In summary, it can be said of this extensive prior art that so far ^ short-circuit-proof Series control devices were only known as continuously operating arrangements, which required a large amount of circuitry to produce the short-circuit resistance.

Das Überraschende der Erfindung ist darin zu sehen, daß nur mit einem zusätzlichen Schaltelement, näm- - lieh der erfindungsgemäß geschalteten Z-Diode, bei im Schaltbetrieb arbeitenden Serien-Regeleinrichtungen die Kurzschlußfestigkeit und die automatische Wiederherstellung des Normalzustandes erreicht wird.The surprising thing about the invention is that only with one additional switching element, namely - Lent the Zener diode switched according to the invention series control devices working in switching operation, the short-circuit strength and the automatic Restoration of the normal state is achieved.

Die Erfindung wird nun im folgenden an einemThe invention is now in the following on a

in der Zeichnung dargestellten AusführungsbeispielEmbodiment shown in the drawing

einer Serien-Regeleinrichtung näher erläutert. . -" ■ " Die Schaltungsanordnung besteht.aus einem bekannten Eintakt-Spannungswandler mit einer Primärwicklung P, einer Rückkopplungswicklung R und einer Lastwicklung L auf einem Transformatorkern. Der Schalttransistor T ist mit seinem Kollektor an die Primärwicklung P angeschlossen, arbeitet in Emitterschaltung und wird periodisch durchgesteuert und gesperrt. Der Widerstand A₁ dient als Anschwinghilfe. Nach Anlegen der Speisespannung U_E fließt durch den Widerstand R₁ ein geringer Basisstrom in den Schalttransistor T und ruft einen Kollektorstrom hervor, der an der Primärwicklung P einen Spannungsabfall und an der Rückkopplungswicklung R eine Steuerspannung erzeugt. Die Steuerspannung verstärkt den Kollektorstrom soweit, daß der Schalttransistor T durchgesteuert wird. Der Kollektorstrom wächst dann exponentiell an, wobei die Anstiegs- geschwindigkeit im wesentlichen durch die Induktivität der Primärwicklung P und durch die Größe der Speisespannung U_E bestimmt wird. Der Strom steigt solange an, bis der Transformatorkern gesättigt ist.a series control device explained in more detail. . - "■" The circuit arrangement consists.aus a known single-ended voltage converter with a primary winding P, a feedback winding R and a load winding L on a transformer core. The collector of the switching transistor T is connected to the primary winding P, works in the emitter circuit and is periodically activated and blocked. Resistance A ₁ serves as an oscillation aid. After the supply voltage U _{E has been applied} , a small base current flows through the resistor R ₁ into the switching transistor T and produces a collector current that generates a voltage drop across the primary winding P and a control voltage across the feedback winding R. The control voltage amplifies the collector current to such an extent that the switching transistor T is turned on. The collector current then increases exponentially, the rate of increase being essentially determined by the inductance of the primary winding P and the magnitude of the supply voltage U _E. The current increases until the transformer core is saturated.

Dann kehrt die Steuerspannung ihr Vorzeichen um, der Schalttransistor Γ wird gesperrt, und es beginnt ein Strom durch die Lastwicklung L zu fließen. Gespeist wird dieser Strom durch die im TransformatorThen the control voltage reverses its sign, the switching transistor Γ is blocked, and a current begins to flow through the load winding L. This current is fed by the in the transformer

gespeicherte Energie. Wenn diese Energie aufgebracht • ist, wird der Transistor wieder aufgesteuert, Und das beschriebene Arbeitsspiel beginnt von neuem.stored energy. When this energy is applied • is, the transistor is turned on again, And that The work cycle described begins anew.

Eintakt-Spannungswandler, die in der vorstehend beschriebenen Weise während der Sperrphase des Transistors Energie an eine Last abgeben, werden auch Sperrwandler genannt. Funktion und Aufbau eines Sperrwandler, soweit sie bisher beschrieben wurden, sind bekannt. Es ist ebenfalls bekannt, bei dem vorstehend beschriebenen Sperrwandler einen ίο SpeicherkondensatorC vorzusehen, dem die Last/?/, parallelliegt. Die Lastwicklung L des Sperrwandlers wird dabei in Verbindung mit der Diode D zum Laden des Speicherkondensators C eingesetzt.Single-ended voltage converters which deliver energy to a load in the manner described above during the blocking phase of the transistor are also called flyback converters. The function and structure of a flyback converter, as far as they have been described so far, are known. It is also known to provide a storage capacitor C in the flyback converter described above, to which the load /? / Is parallel. The load winding L of the flyback converter is used in conjunction with the diode D to charge the storage capacitor C.

Nach der Erfindung wird die aus Sperrwandler und Speicherkondensator bestehende Regeleinrichtung mit nur einer Z-Diode auf folgende Weise gesteuert: Beim Aufladen des Speicherkondensators arbeitet der Eintakt-Spannungswandler normal. Lediglich seine ,Speisespannung verringert sich laufend um den Betrag, um den die Speicherkondensatorspannung zunimmt. Ist der Speicherkondensator soweit aufgeladen, daß seine Spannung, vermehrt um die Schwellspannung des Transistors, gleich der Arbeitsspannung der zwischen der Basis des Transistors T und dem einen Pol O der Speisespannungsquelle geschalteten Z-Diode Z geworden ist, so ändert sich die Arbeitsweise des Sperrwandlers. Das Umschalten des Transistors vom stromführenden in den gesperrten Zustandwird jetzt nicht mehr dadurch eingeleitet, daß die Sättigungsinduktion des Transformatorkerns erreicht ist, sondern dadurch, daß das Potential an der Basis des Transistors die Arbeitsspannung der Z-Diode erreicht. Dann wird der Steuerstrom durch den einsetzenden Flußstrom geschwächt, der Kollektorstrom nimmt ab, und die Spannungen an sämtlichen Transformatorwicklungen kehren sich um. Das Tastverhältnis des Spannungswandlers und seine Frequenz passen sich jetzt automatisch der Eingangsspannung und dem entnommenen Laststrom so an, daß die Ausgangsspannung U_A konstant bleibt.According to the invention, the control device consisting of flyback converter and storage capacitor is controlled with only one Zener diode in the following way: When charging the storage capacitor, the single-ended voltage converter works normally. Only its supply voltage is continuously reduced by the amount by which the storage capacitor voltage increases. If the storage capacitor is charged to such an extent that its voltage, increased by the threshold voltage of the transistor, has become equal to the working voltage of the Zener diode Z connected between the base of the transistor T and the one pole O of the supply voltage source, the mode of operation of the flyback converter changes. The switching of the transistor from the current-carrying state to the blocked state is no longer initiated by the fact that the saturation induction of the transformer core is reached, but by the fact that the potential at the base of the transistor reaches the working voltage of the Zener diode. Then the control current is weakened by the onset of the flow current, the collector current decreases, and the voltages on all transformer windings are reversed. The duty cycle of the voltage converter and its frequency are now automatically adapted to the input voltage and the drawn load current so that the output voltage U _A remains constant.

Der Widerstand R, begrenzt sowohl den Basisstrom im Transistor als auch den Arbeitsstrom der Z-Diode auf zulässige Werte und verbessert so den Gesamtwirkungsgrad. The resistor R, limits both the base current in the transistor and the working current of the Zener diode to permissible values and thus improves the overall efficiency.

Der Vorteil der Serien-Regeleinrichtung nach der Erfindung besteht einmal darin, daß außer der Diode und dem Transistor des Sperrwandlers nur noch eine Z-Diode zusätzlich benötigt wird. Zum anderen besteht noch der zusätzliche funktioneile Vorteil, daß bei Überlastung der Schaltung die Spannungs-Regelcharakteristik in eine Stromregelcharakteristik übergeht. Bei kleinerwerdendem Lastwiderstand bis zum Kurzschluß steigt also der Strom nur noch geringfügig über seinen Nennhöchstwert an. Die Schaltung ist somit kurzschlußfest, ohne daß hierfür zusätzliche Bauelemente eingesetzt werden müssen.The advantage of the series control device according to the invention is that in addition to the diode and the transistor of the flyback converter only requires one Zener diode. On the other hand, there is nor the additional functional advantage that the voltage control characteristic when the circuit is overloaded merges into a current control characteristic. With decreasing load resistance up to With a short circuit, the current rises only slightly above its maximum nominal value. The circuit is thus short-circuit proof without the need for additional components.

Claims

Claim:

Short-circuit-proof series control device with a switching transistor as an actuator, with a for this purpose, the primary winding of a transformer, arranged in series and serving as an intermediate energy store, which also has a load and a feedback winding and together with the switching transistor as well as aids to limit the • base current and to aid in oscillation forms a flyback converter, and with one. serving as output voltage storage, the Load capacitor connected in parallel, characterized in that between the base connection of the switching transistor (Γ) and that pole of the supply voltage source (O) at which one pole of the storage capacitor (C) is also connected, a Zener diode is connected. ·

1 sheet of drawings