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Die
Erfindung betrifft einen Schaltwandler, insbesondere Abwärtswandler
zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung in eine an einem Lastwiderstand
anliegende Ausgangsgleichspannung, mit einer zum Lastwiderstand
in Serie geschalteten Speicherdrossel, welche über ein periodisch steuerbares
Schaltglied in einer Durchlaßphase
mit einer Eingangsgleichspannungsquelle verbindbar ist, und einer
Freilaufdiode für
die Aufrechterhaltung des durch den Lastwiderstand fließenden Stromes
in der Sperrphase des Schaltglieds, wobei ein Stromüberwachungsglied
vorgesehen ist, das den durch den Lastwiderstand und die Speicherdrossel
fließenden Strom überwacht
und einen Steuerausgang für
die Steuerung des Schaltglieds aufweist.
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Bei
herkömmlichen
Schaltwandlern werden oftmals komplizierte Schaltkreise zur Steuerung
des Schaltgliedes und Temperaturkompensation der Ausgangsgleichspannung
zur Anwendung gebracht, die mit Hilfe von integrierten Schaltungen
verwirklicht werden können.
Trotz Serienfertigung sind die Kosten für derartige Bauteile relativ
groß.
Für einfache Anwendungen,
wie z.B. das Betreiben von LED zur Beleuchtung des Innenraumes eines
Kraftfahrzeugs stellen die integrierten Schaltwandler einen unangemessen
hohen Aufwand dar.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Schaltwandler der eingangs genannten
Art anzugeben, der mit möglichst
wenigen und kostengünstigen
Bauteilen aufgebaut werden kann und dennoch eine zuverlässige Spannungswandlung
von einer höheren Quellenspannung,
z.B. einer Autobatterie auf eine niedrigere Betriebsspannung mit
geringen Verlusten ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, daß das
Stromüberwachungsglied
zwischen die Eingangsgleichspannungsquelle und das Schaltglied geschaltet
ist, und daß das
Stromüberwachungsglied ein
Taktsignal erzeugt, um periodisch die Sperrphase des Schaltglieds
einzuleiten.
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Dadurch
wird über
das Stromüberwachungsglied
nicht nur der Strom durch die Speicherdrossel und den Lastwiderstand überwacht
sondern zugleich auch unmittelbar das periodische Taktsignal für das Schaltglied
erzeugt, wodurch eine sehr einfach gestaltete Schaltungsanordnung
mit geringer Bauteilanzahl verwirklicht werden kann. Durch die Anordnung
des Stromüberwachungsglieds
zwischen der Eingangsspannungsquelle und dem Schaltglied wird damit
der Strom vor dem Schaltglied, also stromaufwärts gemessen und nicht wie
bei herkömmlichen Schaltwandlern
stromabwärts
des Schaltglieds über einen
Shunt im Bereich der Last. Auf diese Weise ergibt sich eine deutliche
Vereinfachung, die eine Verwendung einer Basis-Emitterstrecke eines
Transistors zur Stromüberwachung
möglich
und damit eine einfachen Schaltungsaufbau ermöglicht.
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Es
ergibt sich beim erfindungsgemäßen Schaltwandler
ein höherer
Wirkungsgrad als bei Längsreglern
und ein stabiler Betrieb ohne zusätzliche Stabilisierungsmaßnahmen,
wie sie etwa bei herkömmlichen
kontinuierlichen Gleichspannungswandlern erforderlich sind. Da beim
erfindungsgemäßen Schaltwandler
eine sehr einfache Taktung möglich
ist, ist dieser kostengünstiger
als herkömmliche PWM-Schaltregler-Steuerschaltungen.
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Es
kann daher in weiterer Ausbildung der Erfindung das Schaltglied
aus einem ersten Transistor gebildet sein, dessen Basis einen Steuereingang
bildet und mit dem Steuerausgang des Stromüberwachungsglieds verbunden
ist.
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In
der Durchlaßphase
läßt der erste
Transistor den Laststrom über
die Eingangsgleichspannung und die Speicherdrossel fließen und
wird dabei durch einen Basisstrom leitend gehalten. In diesem Zusammenhang
kann vorgesehen sein, daß die
Basis des ersten Transistors weiters mit einer Basisstrom-Einheit
verbunden ist, über
welche ein Basisstrom in den ersten Transistor einprägbar ist.
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Das
Stromüberwachungsglied,
das eine Strombegrenzung bewirkt und welches das Sperren des ersten
Transistors auslöst,
kann auf zweierlei Art wirken:
- – Strombegrenzung
durch Ansteigen des Laststromens, ohne daß die Sättigungsgrenze der Speicherdrossel
erreicht wird.
- – Strombegrenzung
durch Ansteigen des Laststromes durch Erreichen der Sättigungsgrenze der
Speicherdrossel.
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Welche
der beiden Varianten zum Tragen kommt, hängt von der Dimensionierung
des Strommeßwiderstands
bzw. der Speicherdrossel ab.
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Nach
Erreichen des maximalen Laststromes kommt der Basisstrom zum Erliegen
und nach Unterschreiten dieses Stromwertes in der Speicherdrossel wird
der erste Transistor wieder in die Durchlaßphase geschaltet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann die Basistrom-Einheit einen zweiten Transistor
aufweisen, dessen Basis einerseits über einen Widerstand mit dem
Eingangsspannungspotential und andererseits mit der Verbindungsstelle
zwischen dem Schaltglied und der Speicherdrossel verbunden ist,
und daß der
Kollektor des zweiten Transistors mit der Basis des ersten Transistors
verbunden ist. Auf diese Weise ist in sehr einfacher Weise die Basisstromversorgung
während
der Durchlaßphase
des Schaltglieds gewährleistet.
Nach Erreichen eines vorbestimmten Stromes in der Speicherdrossel sperrt
das Schaltglied über
den Steuerausgang und nach Unterschreitung eines vorbestimmten Stromes in
der Speicherdrossel und im Lastwiderstand über eine Steuerleitung wird
der zweite Transistor wieder durchgeschaltet und somit das Schaltglied
leitend.
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Durch
diese Verbindungsstelle wird auch das Schaltglied, nachdem die Energie
der Speicherdrossel an den Lastwiderstand abgegeben worden ist, wieder
durchgeschaltet. Mittels dieser Verbindungsstelle kann eine wesentliche
Vereinfachung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gegenüber herkömmlichen
Schaltwandlern erreicht werden. Durch den geringen Bauteilaufwand
reduzieren sich die Herstellungskosten.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung kann das Stromüberwachungsglied
einen zwischen die Eingangsspannungsquelle und das Schaltglied geschalteten
Strommeßwiderstand
umfassen, dessen Anschlüsse
mit einer Spannungsdetektor-Einheit verbunden sind, welche über ihren Steuerausgang
mit dem Steuereingang des Schaltglieds verbunden ist.
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An
dem vorgesehenen Strommeßwiderstand ergibt
sich während
der Durchlaßphase
bedingt durch den Ladevorgang der Speicherdrossel eine im wesentlichen
linear mit der Zeit ansteigende Spannung, welche mit einer festen
Referenzspannung verglichen werden kann. Aus diesem Vergleich läßt sich
die Unterteilung in Durchlaß-
und Sperrphase ableiten und damit auf einfache Weise eine Taktung des
Sperrgliedes erzeugen.
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Als
kostengünstige
Referenzspannung kann beispielsweise die Durchlaßspannung eines pn-Übergangs
verwendet werden. Eine einfache Steuerung kann dabei realisiert
sein, indem die Spannungsdetektor-Einheit aus einem dritten Transistor
gebildet ist, dessen Basis und dessen Emitter mit den Anschlüssen des
Strommeßwiderstands
verbunden sind. Steigt die Spannung am Strommeßwiderstand über ca.
0,7 V an, schaltet der dritte Transistor durch und erzeugt damit
ein Sperrsignal für
den ersten Transistor.
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In
weiterer Fortbildung der Erfindung kann der Kollektor des dritten
Transistors den Steuerausgang der Spannungsdetektor-Einheit ausbilden,
der mit dem Steuereingang des Schaltglieds verbunden ist.
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Beim
erfindungsgemäßen Schaltwandler kann
als Variante der Lastwiderstand durch eine LED gebildet sein.
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Insgesamt
läßt sich
durch den Einbau von drei herkömmlichen
Transistoren und weiteren diskreten Bauteilen eine sehr effiziente
und zuverlässige Gleichspannungswandlung
erzielen, die für
einfache Anwendungen energiesparend eingesetzt werden kann.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
eingehend erläutert.
Es zeigt dabei
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1 ein
Blockschaltbild einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schaltwandlers;
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2 eine
Schaltungsanordnung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltwandlers;
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3 ein
Spannungs-Zeitdiagramm des Laststromes durch den ersten Transistor
und
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4 ein
Spannungs-Zeitdiagramm der Spannung am Kollektor des ersten Transistors.
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In 1 ist
ein Schaltwandler, insbesondere Abwärtswandler zur Umwandlung einer
Eingangsgleichspannung Ue in eine kleinere,
an einem Lastwiderstand 7 anliegende Ausgangsgleichspannung
Ua gezeigt, wobei der Lastwiderstand 7 z.B.
ein Verbraucher sein kann, der eine kleinere Betriebsspannung als
die Eingangsgleichspannung Ue aufweist.
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Ein
Verpolschutz 1 und ein EMV-Filter 2 verhindern
das falsche Anschließen
der Eingangsspannung und das Aussenden von Störfrequenzen.
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In
Serie mit dem Lastwiderstand 7 ist eine Speicherdrossel 5 angeordnet,
welche über
ein periodisch steuerbares Schaltglied 4 in einer Durchlaßphase mit
einer an einer Eingangsklemme 10 anliegenden Eingangsgleichspannungsquelle 8 verbindbar
ist. Für
die Aufrechterhaltung des durch den Lastwiderstand 7 fließenden Stromes
in der Sperrphase des Schaltglieds 18 ist eine Freilaufdiode 6 ausgebildet.
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Ein
Stromüberwachungsglied 3 überwacht den
durch den Lastwiderstand 7 fließenden Strom und weist einen
Steuerausgang 30 für
die Steuerung des Schaltglieds 4 über einen Steuereingang 31 auf.
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Erfindungsgemäß ist das
Stromüberwachungsglied 3 zwischen
die Eingangsgleichspannungsquelle 8 und das Schaltglied 4 geschaltet,
und das Stromüberwachungsglied 3 erzeugt
ein Taktsignal, um periodisch die Sperrphase des Schaltglieds 4 einzuleiten.
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2 zeigt
eine Schaltungsanordnung, in der das Schaltglied 4 aus
einem ersten Transistor 18 gebildet ist, dessen Basis den
Steuereingang 31 bildet und mit dem Steuerausgang 30 des
Stromüberwachungsglieds 3 verbunden
ist. Der Lastwiderstand 7 ist durch eine LED 7' gebildet, die
z.B. der Beleuchtung eines Fahrzeuginnenraumes dienen kann.
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Die
Eingangsgleichspannung wird über
die Anschlüsse 10, 11 angelegt,
wobei der Anschluß 11 Massepotential
darstellt. Kondensatoren 12, 14 und Induktivität 13 bilden
das EMV-Filter 2. Kondensator 21 glättet die
Welligkeit des Laststromes.
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Die
Basis des ersten Transistors 18 ist weiters mit einer Basisstrom-Einheit 22 verbunden, über welche
ein Basisstrom in den ersten Transistor 18 einprägbar ist,
wobei die Basistrom-Einheit 22 einen zweiten Transistor 19 umfaßt, dessen
Basis einerseits über
einen Widerstand 15 mit dem Eingangsspannungspotential
und andererseits mit der Verbindungsstelle zwischen dem Schaltglied 4 und
der Speicherdrossel 5 verbunden ist. Der Kollektor des zweiten
Transistors 19 ist mit der Basis des ersten Transistors 18 verbunden. Über einen
Emitterwiderstand 20 wird der Basisstrom des ersten Transistors 18 begrenzt.
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Nach
Erreichen eines vorbestimmten Stromes in der Speicherdrossel 5 sperrt
das Schaltglied 4 über
den Steuerausgang 30 und nach Unterschreitung eines vorbestimmten
Stromes in der Speicherdrossel 5 und im Lastwiderstand 7' wird über eine Steuerleitung 23 der
zweite Transistor 19 wieder durchgeschaltet und somit das
Schaltglied 4 leitend.
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Das
Stromüberwachungsglied 3 ist
im gezeigten Ausführungsbeispiel
aus einem zwischen die Eingangsspannungsquelle 8 und das
Schaltglied 4 geschalteten Strommeßwiderstand 17 und
einem dritten Transistor 16 zusammengesetzt, der eine Spannungsdetektor-Einheit
ausbildet, die über
Basis und Emitter des dritten Transistors 16 mit den Anschlüssen des
Strommeßwiderstandes 17 verbunden
ist und einen Steuerausgang 30 bereitstellt, der mit dem
Steuereingang 31 des Schaltglieds 4 verbunden
ist. Der Kollektor des dritten Transistors 16 bildet den
Steuerausgang 30 der Spannungsdetektor-Einheit aus, der
mit dem Steuereingang 31 des Schaltglieds 4 verbunden
ist.
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Die
Funktion der Schaltungsanordnung gemäß 2 ist nachfolgend
beschrieben.
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Nach
dem Anlegen der Eingangsgleichspannung Ue an
die Anschlüsse 10, 11 fließt ein Basisstrom über den
Widerstand 15 in die Basis des zweiten Transistors 19,
der nunmehr leitend wird, wodurch ein Basisstrom über den
Widerstand 20 und die Emitter-Kollektorstrecke des zweiten
Transistors 19 in den ersten Transistor 18 fließt, der
ebenfalls leitend wird. Über
die Kollektor-Emitterstrecke des ersten Transistors 18 wird
dadurch ein Stromfluß über den
Lastwiderstand 7' ermöglicht,
dessen Anstiegszeit durch die Induktivität der Speicherdrossel 5 und den
wirksamen ohmschen Widerstand bestimmt wird.
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Durch
das Ansteigen des Laststromes in der Durchlaßphase steigt auch der Spannungsabfall
am Strommeßwiderstand 17.
Wird die Basis-Emitter-Durchlaßspannung
des dritten Transistors 16 erreicht, wird dieser leitend
und hebt über
den Steuerausgang 30 den Steuereingang 31 auf
das Emitterpotential des ersten Transistors 18 an, wodurch
dieser in die Sperrphase übergeht.
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Der
entsprechende Spannungsverlauf am Strommeßwiderstand 17 ist
in 3 gezeigt.
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Die
Basis-Emitter-Durchlaßspannung
des dritten Transistors 16 wird daher als Referenzspannung
für die
Taktung des Schaltglieds 4 verwendet, die schwach temperaturabhängig ist
(ca. –2
mV/K).
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Nach
dem Sperren des ersten Transistors 18 wird der Laststrom
durch die Speicherdrossel 5 aufrechterhalten und fließt über die
nunmehr in Durchlaßrichtung gepolte
Freilaufdiode 6. Die Energie, welche in der Speicherdrossel 5 während der
Durchlaßphase
des ersten Transistors 18 gespeichert wurde, wird nun an
den Lastwiderstand 7 wieder abgegeben.
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Der
Laststrom, der vorher im wesentlichen linear ansteigend war, fällt in der
Sperrphase durch Entladung der Speicherdrossel 5 im wesentlichen
linear ab, sodaß sich
insgesamt ein dreieckförmiger Laststromverlauf
durch den Lastwiderstand 7' ergibt.
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Weiters
fließt
auch der Strom durch den Widerstand 15 in der Sperrphase
des Schalttransistors durch die Verbindungsstelle 23 an
die Last und nicht mehr durch den Transistor 19.
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Hat
die Speicherdrossel 5 ihre gespeicherte Energie an den
Lastwiderstand 7' abgegeben,
beginnt wieder der Basisstrom über
den zweiten Transistor 19 zu fließen. Dadurch wird der erste
Transistor leitend und der beschriebene Schaltvorgang beginnt von
neuem.
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In
dem am Kollektor des ersten Transistors 18 auftretenden
Spannungsverlaufes, der in 4 dargestellt
ist, ist die Sperr- und Durchlaufphase des ersten Transistors 18 zu
ersehen, wobei die Taktfrequenz über
die Induktivität
der Speicherdrossel 5 veränderbar.