DE2250575B2

DE2250575B2 - Schaltungsanordnung zum verlustarmen konstantregeln einer gleichspannung

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Publication number: DE2250575B2
Application number: DE19722250575
Authority: DE
Priority date: 1972-10-14
Filing date: 1972-10-14
Publication date: 1976-02-12
Also published as: DE2250575A1

Description

Laststrom durchlässige Diode 21 angeordnet Zwischen dem negativen Pol der ungeregelten Betriebsgleichtpannung U1 und der Verbindung des Schaltregler 1 jTiit der Drossel 12 ist eine durch die Spannung Ul gesperrte Diode 11 mit der Funktion einer Freilaufdiode geschaltet. Der Schaltregler 1 wird mittels eines Schmitt-Triggers 14 geschaltet, welcher durch einen Regelverstärker 15 mit Differenzeingang in Abhängigkeit von einem für den in der Drossel 12 fließenden Cleichstrom vorgenommenen Soli-lstwertvergleich, «ier am Differenzeingang des Regelverstärkers vorgenommen wird, gesteuert ist. Es wird der Istwert des Prosseistromes an dem ohmschen Meßwiderstand 13 erfaßt und über ein Tiefpaßfilter 16 dem Vergleichseingang des Differenzeinganges als Spannung zugeführt «nd ein durch eine konstante Gleichspannung vorgegebener Sollwert für den Drosselstrom dem Bezugseinfang des Differenzeinganges direkt zugeführt Ein tweiter Schaltregler 2 ist über die Diode 21 der Last 3 sowie ferner einem Speicherkondensator 22 und einem hochohmigen Spannungsteiler 23 parallel geschaltet. Der zweite Schaltregler wird ebenfalls mittels eines Schmitt-Triggers 24 geschaltet, welcher durch einen Regelverstärker 25 mit Differenzeingang in Abhängigkeit von einem an diesem Differenzeingang für die konstant zu regelnde Gleichspannung t/2 vorgenommenen Soll-lstwertvergleich gesteuert ist Hierbei wird der Istwert der Spannung i/2 an dem hochohmigen Spannungsteiler 23 erfaßt und über ein Tiefpaßfilter 26 dem Vergleichseingang des Differenzeingange:; zugeführt, und es wird ein durch eine konstante Gleichspannung vorgegebener Sollwert LA«//für t/2 dem Bezugseingang des Differenzeinganges direkt zugeführt. Es wird nachfolgend nun die Wirkungsweise der Schaltung erläutert.

Die beiden Schaltregler 1 und 2 arbeiten bei der vorbeschriebenen Schaltung wie Zweipunkt-Schaltregler. Dabei erhält im quasistationären Betrieb der Schaltung der Gleichstrom in der Drossel 12 durch die Schalttätigkeit des Schallreglers 1 einen nahezu sägezahnförmigen Verlauf, der um einen Mittelwert des Gleichstromes schwankt, welcher durch den am Differenzeingang des Regelverstärkers 15 anstehenden Sollwert vorgegeben wird. Die Schwankungsamplituden dieses Stromes sind durch die Schalthysterese des Schmitt-Triggers 14 bestimmt und hiervon abhängig sowie auch von der Induktivität der Drossel 12 abhängig sind die Schaltzeitpunkte des Schaltreglers 1. Die Schaltzeitpunkte sind weiterhin noch beeinflußt durch das Tiefpaßfilter 16, das eine Glättung des am Widerstand 13 erfaßten Istwertes bewirkt und Störimpulse, die durch parasitäre Reaktanzen entstehen können, vom Eingang des Verstärkers 15 fernhält. Die Schaltfrequenz wie auch das Einschaltverhältnis des Schaltreglers 1 stellen sich im Zweipunkt-Schaltbetrieb selbständig ein und sind im übrigen jeweils durch die vorangehend aufgezeigten Einflüsse bestimmt. Die Welligkeit des Gleichstromes in der Drossel nimmt bei gegebener Spannung t/l ab, je größer die Induktivität L der Drossel 12, je höher die Schaltfrequenz, je kleiner im Laststromkreis der ohmsche Widerstand und je geringer die Hysterese des Triggers 14 ist. Ferner hängt die Schaltfrequenz davon ab, ob der Schaltregler 2 jeweils geöffnet oder geschlossen ist, denn im letzteren Fall führt die Drossel auch den Strom, der über den Schaltregler 2 fließt.

Bei Voraussetzung einer geringen Welligkeit des Drosselstromes / mit dreiecklörmigen Stromvcrlauf läßt sich die Einschaltzeit ftf und die Ausschaltzeit M des Schaltreglers 1 bei den vier möglichen Schaltzuständen der Schaltregler 1 und 2 einfach darstellen durch die folgenden Beziehungen. Dabei ist berücksichtigt, daß während der Ausschaltzeit der Drosselstrom über die Diode il weiterfließen kann. Es sei Δ I < I= ho« und t/2 = konst, R = ohmscher Widerstand der Drossel 12, dann gilt bei geschlossenem Schaltregler 2

und

L-M '' ~ Ul- IR

L- M

sonach

•i. Ί, + Ί

IR

t/i

= Einschaltverhultnis

und

/R(IZl -IR)

^U'-'^r '-¹' "" LIJ- Ll

bei geöffnetem Schaltregler 2

= Schaltfrequen/:

und

sonach

L- I/
Il - Vl - IR

L- I /
t'2- IR

I₁ +

Vl- IR

U\-2 IR

Einsdvtltverhaltnis

und

I/C/.

(t/I - L'2-IR){V2-IR) L I/ (t/l - 2IR)

-Schaltfrequen/.

Aus der Formel für die Einschaltzeit t'i. ist zu ersehen, daß bei verschwindendem Nenner r'c sehr groß wird, der Drosselstrom /(^)also stationär wird. Das kann aber vermieden werden und somit die Wirkverlustc in der Drossel klein gehalten werden, wenn deren ohmscher Widerstand R klein und die Spannungsdifferenz t/l- U 2 entsprechend klein ist.

Beim Konstantregeln des Gleichstromes in der Drossel 12 wird entsprechend der Laststrom konstant geregelt, und es werden die durch den Schaltregler 1 verursachten Schaitspannungsimpulse von der Drossel

5_s 12 aufgenommen, so daß die an die Last durchgeschaltete Gleichspannung eine Welligkeit aufweist. Mit Hilfe des Schaltreglers 2 und des Kondensators 22 kann diese Welligkeit verlustarm verringert werden und dabei die Lastspannung I)2 auf einem vorgegebenen Sollwert Uson konstant geregelt werden. In den Zeitpunkten, da sich die wellige Gleichspannung und die Spannung des Kondensators 22 auf einen minimalen Wert verringert hat, wird der Schaltregler 2 in den Öffnungszustand gesteuert. Es fließt dann ein nahezu konstanter Strom

6j über den Schaltregier 1, die Drossel 12 und die Diode 21 in den Kondensator 22, wodurch die Spannung am Kondensator zunimmt. Hat die Spannung am Kondensator einen maximalen Wert erreicht, wird der

Schaltregler 2 wieder in den Schließzustand gesteuert, und es fließt dann ein Entladestrom aus dem Kondensator über die Last 3. Der Schaltregler 2 wird von einem Schmitt-Trigger 24 geschaltet, welcher durch einen Regelverstärker 25 mit Differenzeingang in Abhängigkeit von dem Soll-lstwertvergleich für die Lastspannung U2 gesteuert ist. Dieser Soll-lstwertvergleich wird am Differenzeingang des Verstärkers 25 vorgenommen mittels einer Sollspannung Usoii, wobei der Istwert der Lastspannung an dem Spannungsteiler 23 erfaßt wird und über ein Tiefpaßfilter 26 dem Vergleichseingang des Verstärkers 25 zugeführt ist.

Bei Voraussetzung einer geringen Welligkeit der Spannung U = U 2 werden die Ladezeit ii und die Entladezeit Ie des Kondensators 22 durch die folgenden Beziehungen angegeben. Es seien

Δ U < U= t/2= ΙΛ0//und / = konst., C = Kapazität und /1 = Ladestrom des Kondensators 22,
dann gilt bei geschlossenem Schaltregler 2

bei geöffnetem Schaltregler 2

'· = T-T ^w

Bei verschwindendem Nenner, d. h. wenn /i -»■ / geht, wird fi sehr groß. Hierbei geht die Schaltung in die Strombegrenzung, und es wird U = U2 = /·/?, der Strom wird dann durch den Widerstand R und weitere vernachlässigte Widerstände des Laststromkreises begrenzt.

Durch die beschriebene Schaltung insgesamt wird einmal erreicht, daß die Schwankungen des Gleichstromes in der Drossel 12 — wie schon obenerwähnt — um so kleiner werden, je größer die Induktivität der Drossel und je kleiner die Hysteresis des Triggers 14 ist, d. h. je höher die Schaltfrequenz des Schaltreglers 1 ist. Zum anderen wird eine um so geringere Welligkeit der Spannung am Kondensator 22 und somit der Lastspannung erreicht, je größer die Kapazität des Kondensators 22 und je geringer die Hysteresis des Triggers 24 ist, d. h. je höher auch die Schaltfrequenz des Schaltreglers 2 wird, die sich unter den vorgenannten Bedingungen entsprechend ergibt.

Bei einer am Ausgang der Schaltung auftretenden Überspannung reagiert die Schaltung vorteilhaft in der Weise, daß der Schaltregler 2 augenblicklich in den Schließzustand gesteuert wird, wobei der Schaltregler 1 unverändert bleiben kann. Andererseits hat die Schaltung gemäß der Erfindung den Vorteil, daß sie auch — wie bereits gesagt — kurzschlußfest ist. So wird bei einem Kurzschluß am Ausgang der Schaltung der Schaltregler 1 sofort auf ein maximal mögliches Einschaltverhältnis gesteuert, wobei sich die Schaltfrequenz frei einstellen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum verliistarmen Konstantregeln einer Gleichspannung an einer Last, mit einem ersten Zweipunkt-Schaltregler, einer Drossel mit einer Freilaufdiode und einem ohmschen Widerstand in Reihenschaltung mit der Last und mit einem den Schaltregler schaltenden Trigger, welcher durch einen Regelverstärker in Abhängigkeit von einem Soll-Istwertvergleich für den Gleichstrom in der Drossel mit Istwerterfassung am ohmschen Widerstand steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Konstantregeln einer m't hohem Lasistrom belasteten Gleichspannung ein zweiter Zweipunkt-Schaltregler (2) über eine für den Laststrom durchlässige Diode (21) einem Kondensator (22) und einem hochohmigen Spannungsteiler

(23) sowie auch der Last (3) parallel geschaltet ist, daß ein diesen Schaltregler (2) schaltender Trigger

(24) durch einen Regelverstärker (25) in Abhängigkeit von einem Soll-Istwertvergieich für die Gleichspannung an der Last mit Istwerterfassung am Spannungsteiler (23) gesteuert ist und daß unabhängig davon der erste Zweipun<t-Schaltregler (1) jeweils zum Konstantregeln des Gleichstromes in der Drossel (12) und zur Begrenzung des Laststromes verwendet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelverstärker (15,25) für die Zweipunkt-Schaltregler (1, 2) mit je einem Differenzeingang für den Soü-Istwertvergleich ausgeführt sind und daß die Istwerte des Belastungsstromes und der lastseitigen Gleichspannung jeweils über einen Tiefpaß (16 bzw. 26) dem Differenzeingang des zugeordneten Regelverstärkers zugeführt sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum verlustarmen Konstantregeln einer Gleichspannung an einer Last, mit einem ersten Zweipunkt-Schaltregler, einer Drossel mit Freilaufdiode und einem ohmschen Widerstand in Reihenschaltung mit der Last und mit einem den Schaltregler schaltenden Trigger, welcher durch einen Regelverstärker in Abhängigkeit von einem Soll-Istwertvergleich für den Gleichstrom mit Istwerterfassung am ohmschen Widerstand steuerbar ist.

Es ist eine derartige Schaltung ohne Drossel und Freilaufdiode mit einem einzigen Schaltregler in Reihenschaltung mit einer Last bekannt (RCA-Silicon Power Circuits Manual, Technical/Series SP-50, RCA 1967, S. 189), bei der der Schaltregler nach Fig. 207 zum Konstantrogeln der Gleichspannung verwendet ist und bei der parallel zu der Last ein hochohmiger Spannungsteiler, an dem der Spannungsislwert für den Regler erfaßt wird, parallel geschaltet ist. Schaltungen mit einem als Schaltregler verwendeten Schalttransistor bedingen eine relativ niedrige Verlustleistung im Schalttransistor, da der Transistor im Schaltbelrieb entweder einen hohen oder einen niedrigen Durchlaßwiderstand hat. Ein Transistor-Schaltregler liefert zwar eine konstant geregelte, jedoch nicht ausreichend geglättete Gleichspannung. Die noch bestehende Welligkeit der Gleichspannung wird bei einer bekannten Anordnung zum verluslarmen Stabili-

sieren einer Gleichspannung (vgl. DT-AS 16 16 728) weitgehend beseitigt durch die Reihenschaltung eines Stellreglers und eines Schaltreglers mit der Last sowie dadurch, daß der Stellregler in Abhängigkeit von einem Soll-Istwertvergleich einer von der stabilisierten Gleichspannung abgeleiteten Spannung mn einer gesonderten Sollspannung gesteuert ist. Diese bekannte Anordnung ist mit einer Strombegrenzung versehen, die darin besteht, daß der Schaltregler bei einem BeIastungskurzschluß konstanten Strom anstatt konstante Spannung liefert

Es sind ähnliche Schaltungen mit einem Schalt- und einem Stellregler in Reihenschaltung mit der Belastung in den DT-OS 15 13 420 und 15 88 157 beschrieben, die im wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie die vorangehend erläuterte bekannte Schaltung aufweisen. Die in der DT-OS 15 88157 beschriebene Schaltung enthält noch zusätzlich eine Einrichtung zur Erzielung einer weitgehend linearen Regelcharakteristik.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs beschriebenen Art für ein Konstantregeln einer hochbelasteten Gleichspannung einzurichten, derart, daß das Konstantregeln ebenfalls verlustarm erfolgt und die hochbelastete Gleichspannung weitgehend geglättet wird und daß damit auch eine z. B. bei einem Lastkurzschluß wirksam werdende Strombegrenzung erzielt wird.

Bei den oben beschriebenen bekannten Schaltungen wird bei hoher Belastung die Welligkeit der Gleichspannung und des Laststromes größer als bei geringer Belastung. Damit einher geht eine Erhöhung der Verluste des Stellreglers.

Gemäß der Erfindung ist zum Konstantregeln einer mit hohem Laststrom belasteten Gleichspannung entsprechend der vorangehend dargelegten Aufgabe ein zweiter Zweipunkt-Schaltregler über eine für den Laststrom durchlässige Diode einem Kondensator und einem hochohmigen Spannungsteiler sowie auch der Last parallel geschaltet, ferner ist ein diesen Schaltregler schaltender Trigger durch einen Regelverstärker in Abhängigkeit von einem Soll-Istwertvergleich für die Gleichspannung an der Last mit Istwerterfassung am Spannungsteiler gesteuert, und es ist unabhängig davon der erste Zweipunkt-Schaltregler jeweils zum Konstantregeln des Gleichstromes in der Drossel und zur Begrenzung des Laststromes verwendet.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind die Regelverstärker für die Zweipunkt-Schaltregler mit je einem Differenzeingang für einen Soll-Istwertvergleich ausgeführt, und es sind die Istwerte des Belastungsstromes und der lastseitigen Gleichspannung jeweils über einen Tiefpaß dem Differenzeingang des zugeordneten Regelverstärkers zugeführt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, das nachstehend beschrieben wird. Die Zeichnung zeigt die Grundschaltung gemäß der Erfindung. Es sind zwei Schalttransistoren als Schaltregler 1 und 2 verwendet mittels welcher eine ungeregelte Betriebsgleichspannung U\ selbst dann auf einem vorgegebenen Sollwert LW konstant geregelt werden kann und als Gleichspannung Ό2 geringer Welligkeit an einer am Ausgang der Schaltung angeschlossenen Last 3 zur Verfugung steht, wenn diese Last einen großen Laststrom aufnimmt. Ein erster Schaltregler 1 ist mit einer Drossel 12 und mit der Last 3 sowie auch mit einem ohmschen Meßwiderstand 13 in Reihe geschaltet, und es ist in dieser Reihenschaltung zwischen der Drossel t2 und der Last 3 eine für der.