DE1513485C - Schaltungsanordnung zur Er zeugung einer geregelten Gleich Spannung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer geregelten Gleichspannung unter Verwendung eines nach dem Sperrwandlerprinzip arbeitenden Gleichspannungswandler mit einer Speicherdrossel und einem Schalttransistor, dessen Basiselektrode mit dem Ausgang einer Zwei-Punktregeleinrichtung verbunden ist, die eine die Schwingungen des Sperrwandlers in Abhängigkeit von der zu regelnden Gleichspannung ein- und abschaltende Steuerspannung liefert.

Eine solche Schaltungsanordnung ist bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 153 825). Da bei Sperrwandlern bekanntlich die entnehmbare Sekundärleistung von der Höhe der Eingangsspannung abhängt, muß bei der bekannten Schaltungsanordnung diese Abhängigkeit mit ausgeregelt werden, wodurch sich eine verhältnismäßig ungenaue Regelung ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abhängigkeit zwischen entnehmbarer Sekundärleistung und Eingangsspannung bei bekannten Sperrwandlern und damit die mit dieser Abhängigkeit verbundene Ungenauigkeit in der Regelung zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Speicherdrossel die Primärseite eines im Sättigungsbereich arbeitenden Hilfs-Übertragers parallel geschaltet ist, dessen Sekundärwicklung im Basiskreis des Schalttransistors des Sperrwandlers liegt.

Im Gegensatz zu üblichen. Sperrwandlern wird innerhalb des Bereiches, in dem sich die Eingangsspannung ändern kann, die Speicherdrossel mit einem Strom geladen, dessen Maximalwert konstant ist. Dementsprechend ist die entnehmbare Sekundärleistung unabhängig von der Höhe der Eingangsspannung, z. B. vom Ladezustand einer Versorgungs- batterie. Der zusätzlich zur Speicherdrossel vorgesehene HilfsÜbertrager wird zu diesem Zweck so bemessen, daß'er im Gegensatz zur Speicherdrossel bis in den Sättigungsbereich ausgesteuert wird. Der Sättigungsfluß q>_siiit des HilfsÜbertragers ist proportional der Spannungs-Zeit-Fläche, die durch das Integral udt gegeben ist (φ_ειΙιί ä; \ udt). Da der Sättigungsfluß konstant ist, verkürzt sich die Zeit der Durchlaßphase des Schalttransistors des Sperrwandlers mit steigender Eingangsspannung. Die Speicherdrossel wird immer mit nahezu konstantem Maximalwert des Stromes aufgeladen.

Die Sekundärwicklung des HilfsÜbertragers liefert die Steuerspannung für den Schalttransistor des Sperrwandlers. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Differenz zwischen der Sekundär- und Primärspannung des HilfsÜbertragers im Basisbereich des Schalttransistors wirksam.

Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung wird an Hand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer geregelten Gleichspannung mit einem Sperrwandler; in

F i g. 2 sind einige charakteristische Strom- und Spannungswerte bei verschiedener Last in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen.

In Fig. 1 bilden der Schaltransistor TsI mit der Speicherdrossel Dr, dem HilfsÜbertrager Tr, der Diode Dl und der Ladekondensator Cl die wesentlichen Schaltelemente eines nach dem Sperrwandlerprinzip arbeitenden, sättigungsgesteuerten Gleichspannungswandlers. Parallel zum Ladekondensator Cl liegt der Lastwiderstand W und die Meßschaltung, bestehend aus der Z-Diode ZD1 und dem Potentiometer P. Die Transistoren Ts 3 und Ts4 bilden mit den zugehörigen Widerständen R 5 bis R 9 und der Kapazität C 2 einen Schmitt-Trigger für die Ansteuerung des Schaltverstärkers mit dem Transistor Ts2. Der Kollektor des Transistors Ts 2 ist über einen Widerstand R 3 und eine Diode D 2 mit der Basis des Schalttransistors TsI verbunden. Die Diode D 2 verhindert die Umpolung des Transistors Ts 2, wenn sich der Schalttransistor im gesperrten Zustand befindet. Die obere und untere Ansprechschwelle des Schmitt-Triggers, dessen Eingang am Abgriff des Potentiometers P liegt, sind durch Bemessung der Widerstände R 6 und R 9 festgelegt.

Zur genaueren Darstellung der Wirkungsweise der Schaltung wird von der Ladephase des Sperrwandlers ausgegangen. Nach Anlegen der Eingangsspannung Ul, z.B. Batteriespannung, fließt zunächst ein kleiner Strom vom Pluspol der Batterie über die Speicherdrossel Dr, die Emitter-Basis-Strecke des Schalttransistors Ts 1 und die Widerstände R1, R 2 zum Minuspol der Batterie. Dieser Basisstrom öffnet den Schalttransistor Ts 1 geringfügig. Jetzt gelangt Spannung an die Speicherdrossel Dr und an die Primärwicklung I des HilfsÜbertragers Tr. Der HilfsÜbertrager Tr induziert in der Sekundärwicklung II eine etwas größere Spannung U_s. Die Differenz der Sekundärspannung U_s und der Primärspannung U_nr treibt einen Strom über die Emitter-Basis-Strecke des Schalttransistors Ts 1 und über den Widerstand R 1. Der Schalttransistor TsI ist so ganz durchgesteuert.

Die· Spannung U_lh an der Speicherdrossel, die um den Spannungsabfall am Schalttransistor Ts 1 kleiner ist als die Eingangsspannung U1, bedingt sowohl in der Speicherdrossel als auch in der Primärwicklung des HilfsÜbertragers ein Ansteigen des magnetischen Flusses. Bei konstanter Eingangsspannung U1 und Vernachlässigung tier Wicklunüswiderstände ist dieser

Flußanstieg proportional der Zeit. Durch die Wahl der Windungszahl der Primärwicklung des Hilfsübertragers wird der Zeitpunkt bestimmt, an dem der Sättigungsfluß im HilfsÜbertrager erreicht wird. Der Stromanstieg in der Speicherdrossel Dr wird zu diesem Zeitpunkt auf seinen Maximalwert begrenzt. Durch Wahl der Induktivität der .Speicherdrossel kann dieser Maximalwert eingestellt werden.

Bei Erreichen des Sättigungsflusses im HilfsÜbertrager Tr wird die Sekundärspannung U_s- zu Null. Damit wird das Basispotential des Schalttransistors TsI an den Pluspol der Batterie gelegt, so daß der Transistor augenblicklich sperrt. Die Ladephase des Sperrwandlers geht in die Entladephase über. Die Spannung an der Speicherdrossel Dr und am Hilfsübertrager Tr ändert ihre Polarität. Die Differenz von Primärspannung U_pr und Sekundärspannung t/_s liegt nunmehr als Sperrspannung an der Basiselektrode des Schalttransistors. Gleichzeitig wird die Diode Dl durch Umpolung der Speicherdrosselspannung leitend. Der Entladestrom der Speicherdrossel Dr fließt über die Diode DI zum Lackkondensator C 1 und den Lastwiderstand W. Nach beendeter Entladung der Speicherdrossel wird deren Spannung zu Null. Der beschriebene Vorgang wiederholt sich, beginnend mit der Ladephase des Sperrwandlers, von neuem, wie oben beschrieben.

Der intermittierende Betrieb des Sperrwandlers ergibt sich durch Zusammenwirken! der Meßschaltung, der Schmitt-Trigger-Schaltung und des Schaltverstärkers wie folgt: Zu dem Zeitpunkt, zu dem die magnetische Energie der Speicherdrossel sich entlädt, steigt die Spannung am Ladekondensator C1 und an dem parallel dazu liegenden Verbraucher W. Je nach der Größe des Laststromes werden nach einem vorübergehenden kurzen Einschaltvorgang eine oder mehrere Perioden des Sperrwandlers die Ausgangsspannung auf den Wert der zulässigen Regelabweichung, die etwa wenige Zehntel V beträgt, anheben. Da es sich um einen Zweipunktregler handelt, wird die Ausgangsspannung U 2 zwischen den Schaltpunkten schwanken. Diese Punkte werden im wesentlichen durch die Z-Diode ZD 1 und durch die Schaltschwelle des Schmitt-Triggers Ts3, Ts4 bestimmt. Ist die obere Schaltschwelle erreicht, dann wird der Kippvorgang des Schmitt-Triggers eingeleitet. Der Transistor Ts4 wird leitend und der Transistor Ts3 in den gesperrten Zustand gesteuert. Mit der Sperrung des Transistors Ts3 wird der Schaltverstärker Ts2 geöffnet und damit die Basis des Schalttransistors TsI auf das Potential der Z-Diode ZD 2 gelegt, die über den Widerstand R 4 einen Vorstrom erhält. Die Basiselektrode des Schalttransistors wird somit positiv, so daß der Schalttransistor Ts 1 augenblicklich gesperrt ist. Der Betrieb des Sperrwandlers wird dadurch unterbrochen, bis durch Absinken der Ausgangsspannung 1/2 am Ladekondensator die untere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers

ίο erreicht wird und die Basis des Schalttransistors wieder freigegeben wird. Dieser Vorgang wiederholt sich in Abhängigkeit von der Größe des entnommenen Laststromes bzw. von der damit bedingten Ausgangsspannung am Ladekondensator.

Das Schaltverhalten der Schaltungsanordnung bei konstanter Eingangsspannung i/l wird in Fig. 2 bei großem Lastwiderstand W und in Fig. 3 bei kleinem Lastwiderstand W wiedergegeben. In Fig. 2a bzw. 3 a ist die Spannung an der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors Ts 1 in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. In den Sperrphasen des Schalttransistors liegt die Summe von Eingangs- und Ausgangsspannung an der Kollektor-Emitter-Strecke. In der Fig. 2b bzw. 3b ist der in den Durchlaßphasen des Schalttransistors linear bis auf den maximalen Drosselstrom ansteigende Kollektorstrom in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Zwischen einzelnen Gruppen von Stromimpulsen liegen längere Totzeiten, in denen die Ausgangsspannung ihren Sollwert besitzt und während der der Sperrwandler abgeschaltet ist. In Fig. 2c bzw. 3c ist ebenfalls in Abhängigkeit von der Zeit der Strom durch die Diode D 1 dargestellt, der jeweils in den Sperrphasen des Schalttran-■ sistors durch Entladung der magnetischen Energie der Speicherdrossel auftritt. Die Fig. 2d bzw. 3d enthalten die oszillographierte Spannung am Ladekondensator. Die obere und untere Schaltschwelle, die den Schmitt-Trigger der einen oder anderen Richtung beeinflussen, sind durch gestrichelte Linien parallel zur Zeitachse angedeutet.

Durch Vergleich der in F i g. 2 und 3 dargestellten charakteristischen Strom- und Spannungswerte der Schaltungsanordnung wird deutlich, daß bei kleinem Lastwiderstand, d. h. bei höherer Stromentnahme, eine größere Anzahl von Stromimpulsen je Periode für die Konstanthaltung der Ausgangsspannung erforderlich ist. Dementsprechend sind die Einschaltzeiten des Sperrwandlers bei großem und kleinem Lastwiderstand verschieden groß.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Pateritansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer geregelten Gleichspannung unter Verwendung eines nach dem Sperrwandlerprinzip arbeitenden Gleichspannungswandlers mit einer Speicherdrossel und einem Schalttransistor, dessen Basiselektrode mit dem Ausgang einer Zweipunktregeleinrichtung verbunden ist, die eine die Schwingungen des Sperrwandlers in Abhängigkeit von der zu regelnden Gleichspannung ein- und abschaltende Steuerspannung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherdrossel (Dr) die Primärseite eines im Sättigungsbereich arbeitenden HilfsÜbertragers (7Y) parallel geschaltet ist, dessen Sekundärwicklung im Basiskreis des Schalttransistors (TsI) des Sperrwandlers liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen der Sekundär- und Primärspannung des Hilfsübertragers (Tr) im Basiskreis des Schalltransistors (TsI) wirksam ist.

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