DE1463553B2 - Schaltungsanordnung zur stabilisierung einer gleichspannung mit einem schalttransistor als stellglied - Google Patents

Schaltungsanordnung zur stabilisierung einer gleichspannung mit einem schalttransistor als stellglied

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DE1463553B2 DE19631463553 DE1463553A DE1463553B2 DE 1463553 B2 DE1463553 B2 DE 1463553B2 DE 19631463553 DE19631463553 DE 19631463553 DE 1463553 A DE1463553 A DE 1463553A DE 1463553 B2 DE1463553 B2 DE 1463553B2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung einer Gleichspannung mit einem im Längszweig der Stabilisierungsschaltung liegenden Schalttransistor als Stellglied, einer als Energiespeicher dienenden Drossel und einer im Querzweig angeordneten Freilaufdiode, unter Verwendung einer Steuerschaltung mit einem Transistor-Wechselrichter als Taktgeber, die durch Überlagerung einer dreieckförmigen Hilfsspannung mit einer der Ausgangsspannung proportionalen Meßspannung ίο eine rechteckförmige Steuerschwingung konstanter Periodendauer und mit in Abhängigkeit von Schwankungen der Ausgangsspannung veränderbarem Tastverhältnis erzeugt.
Schaltungen, die nach diesem oder einem ähnlichen Verfahren arbeiten, sind unter der Bezeichnung »Schaltregler« bekannt. Ebenso sind verschiedene Verfahren bekannt, den Stelltransistor eines solchen Schaltreglers anzusteuern.
Das öffnen und Sperren des Stelltransistors kann z. B. bei bestimmten Spannungswerten unterhalb und oberhalb der Nenn-Ausgangsspannung erfolgen. Ein solcher Zweipunktregler arbeitet mit einer in weiten Grenzen schwankenden Schaltfrequenz, die außerdem nicht frei gewählt werden kann. Die Schaltfrequenz ist zwangläufig von der der stabilisierten Gleichspannung überlagerten Wechselspannung abhängig.-Da die Schaltfrequenz wegen der Schaltverluste im Stelltransistor nicht beliebig heraufgesetzt werden kann, ist die erreichbare Siebung für viele Anwendungen nicht ausreichend.
In einer bekannten Schaltung (deutsche Patentschrift 1123 749) wird zur Steuerung des als Stellglied arbeitenden Schalttransistors die Spannung an der Luftspaltdrossel (Speicherdrossel) des Lastkreises verwendet. Auch dieser rückgekoppelte Schaltregler arbeitet mit stark veränderbarer Schaltfrequenz, so daß in bestimmten Fällen eine Nachsiebung der Ausgangsspannung erforderlich ist.
In einer anderen bekannten Spannungsstabilisierungsschaltung (»Electronics«, März 1962, Nr. 10, S. 62 bis 64) wird mittels eines Unijunction-Transistors eine Sägezahnspannung konstanter Periode erzeugt, deren Flankensteilheit durch eine Meßspannung veränderbar ist. In Abhängigkeit von der Flankensteilheit wird ein Schmitt-Trigger gesteuert, der über eine Verstärkerstufe mit kapazitiven Koppelelementen den Stelltransistor durchschaltet bzw. sperrt. Infolge der kapazitiven Kopplung zwischen dem Stelltransistor und der Steuerschaltung kann die Amplitude der rechteckförmigen Steuerspannung am Stelltransistor nicht konstant sein. Der Regelbereich der Spannungsstabilisierungsschaltung, d. h. der Einstellbereich des Tastverhältnisses des Stelltransistors, ist daher erheblich eingeengt. In ähnlicher Weise macht sich bezüglich des Regelbereiches bemerkbar, daß die Steuerung des Tastverhältnisses durch Änderung der Flankensteilheit der Sägezahnspannung bewirkt wird.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist die Schaltungsanordnung zur Stabilisierung einer Gleichspannung der eingangs erwähnten Art gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der dreieckförmigen Spannung eine Mittelpunktschaltung aus zwei /?C-Gliedern an den Ausgang des Taktgenerators angeschlossen ist und daß die Steuerstrecke des Schalttransistors über eine von einer verstärkten Summenspannung aus der dreieckförmigen Hilfsspannung und der Meßspannung gesteuerte bistabile Kippstufe abwechselnd in einem von der Ausgangsspannung abhängigen Tastverhältnis galvanisch mit einer von zwei gleich großen Gleichspannungsquellen entgegengesetzter Polarität zusammengeschaltet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird insbesondere zur Stabilisierung sehr hoher Gleichspannungen an den Ausgang der Stabilisierungsschaltung ein auf die konstante Schaltfrequenz des Schalttransistors abgestimmter Gleichspannungswandler angeschlossen. Durch diese Ergänzung der Grundschaltung können Gleichspannungen bis zu einigen 1000 V stabilisiert werden.
Die Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert.
Als Anwendungsbeispiel des fremdgesteuerten Schaltreglers zeigt F i g. 1 ein geregeltes Netzgerät, das einen Schaltregler mit einem Stelltransistor enthält. Die Netzspannung ist an der Primärwicklung I des Netztransformators Tr 1 angeschlossen, dessen Sekundärwicklungen II bzw. III die Speisespannungen für den Lastkreis L bzw. für den Steuerteil S-liefern.
Die mit dem Gleichrichter GrI gleichgerichtete und mit dem Kondensator C1 geglättete Spannung wird dem Lastkreis des Schaltreglers zugeführt. Der Lastkreis ist nach bekannter Schaltung aufgebaut und enthält den Stelltransistor Γ1, die Diode Dl sowie die Speicherdrossel Dr und den Kondensator C 3 zur Glättung der Ausgangsspannung. Ist der Stelltransistor Γ1 leitend (Durchlaßzeit), so fließt über den Transistor Tl und die Drossel Dr ein linear ansteigender Strom zum Ausgang. Beim Sperren des Transistors Tl fließt der Strom in der Drossel linear abnehmend über das Ventil D1 weiter (Sperrzeit).
Das Verhältnis Durchlaßzeit zu Sperrzeit (Tastverhältnis) bestimmt die Größe der Ausgangsspannung. Eine Abweichung der Ausgangsspannung vom Sollwert bewirkt über eine Meßschaltung M und den Steuerteil S eine Änderung des Tastverhältnisses, die der Spannungsabweichung entgegenwirkt. Die Meßschaltung M besteht aus einer Brückenschaltung mit einer Zenerdiode als Bezugsspannungsquelle und einem Transistor als Verstärker. Die Anordnung liefert zum Steuerteil einen Strom, der der Ausgangsspannung (Spannungsregelung) bzw. nach Überschreiten der Nennlast dem Laststrom (Strombegrenzung) proportional ist.
Der Steuerteil S wird aus einer Hilfsgleichspannung gespeist, damit seine Bemessung vollkommen unabhängig von der Ausgangsspannung des Reglers wird. Mit dem Gleichrichter Gr 2 und dem Kondensator C 2 wird die Eingangsgleichspannung für den Steuerteil erzeugt und geglättet. Die Gleichspannung speist einen Hilfswechselrichter in Gegentaktschaltung, der im wesentlichen aus den Transistoren TI und 73 sowie dem Transformator Tr 2 besteht. Das Umsteuern der Transistoren wird durch die Sättigung des Transformators bewirkt. Die Arbeitsfrequenz ist also unabhängig von der Netzfrequenz frei wählbar. Die Schaltfrequenz des Transistorreglers ist gleich der doppelten Wechselrichterfrequenz; als Arbeitsfrequenz des Wechselrichters hat sich mit Rücksicht auf die Schaltverluste des Transistors Tl ein Wert von ungefähr 500 Hz als vorteilhaft erwiesen.
Die Sekundärwicklung III des Wechselrichter-Transformators Tr 2 gibt eine Rechteckspannung ab, die mit dem Gleichrichter Gr 3 gleichgerichtet und

Claims (3)

  1. 3 4
    mit den Kondensatoren C 4, C 5 geglättet wird. Der wird dabei nur durch das Verhältnis der Eingangs-
    Mittelabgriff der Wicklung ist mit dem Mittelpunkt zur Ausgangsspannung festgelegt; eine Abhängigkeit
    der Kondensatoren und mit dem Emitter des Stell- des Tastverhältnisses von der Belastung ergibt sich
    transistors Tl zusammengeschaltet, so daß sich ge- lediglich infolge des Innenwiderstandes des vorge-
    genüber diesem Bezugspunkt (OV) eine positive und 5 schalteten Netzgerätes und infolge der ohmschen
    eine negative Gleichspannung ergibt. Die Summen- Spannungsabfalle des Reglers. :. :v..:
    spannung speist eine bistabile Kippstufe mit den Der Arbeitsbereich erstreckt sich von einer Grenz-
    Transistoren TA, T5. Die zugehörigen Widerstände lage zur anderen: Der Transistor Π kann, auch dau-
    Rl bis RA sind so bemessen, daß bei leitendem ernd leitend oder dauernd gesperrt, sein. Bei diesen
    Transistor Γ 4 an der Basis des Stelltransistors Γ1 ίο Grenzlagen und bei sämtlichen dazwischenliegenden
    positives Potential (während der Sperrzeit) liegt und Arbeitspunkten wird der Stelltransistor Γ1 stets mit
    bei gesperrtem Transistor Γ 4 über den Widerstand derselben Basisspannung bzw. demselben Basisstrom
    R 3 negatives Potential wirksam wird. Die Kippstufe betrieben. ..:,*.:.
    wird von einer Verstärkerstufe mit den Transistoren Der Stelltransistor Tl wird während der. Sperrzeit
    Td, Tl angesteuert. Aus der kontinuierlichen An- 15 mit der Summe von Eingangsspannung am Konden-
    steuerung durch die Verstärkerstufe erzeugt die Kipp- satorCl und Durchlaßspannung an der Diode Dl
    stufe eine rechteckförmige Steuerspannung mit großer beansprucht. Die Durchlaßspannung der Diode D1
    Flankensteilheit, die ein rasches Schalten des Tran- ist sehr klein, so daß die zulässige Sperrspannung am
    sistors Tl gewährleistet. Transistor die höchste Eingangsspannung des Reglers
    Die Wirkungsweise der Steuerteile S wird mit Hilfe 20 bestimmt. Unter Berücksichtigung der Netzspanvon F i g. 2 erläutert. Am Eingang der Verstärker- nungsänderungen und der Lastabhängigkeit ist dastufe, d. h. an der Basis des Transistors Tl, ist die mit auch die mögliche Ausgangsspannung festgelegt. Überlagerung von zwei Spannungen wirksam. Vom Die Stabilisierung größerer Gleichspannungen ist je-Bezugspunkt (Emitter vom Transistor Tl) ausge- doch mit Hilfe einiger Ergänzungen, die das behend, wirkt als negative Spannung die Dreieckspan- 25 schriebene Prinzip der Fremdsteuerung mit dem nung mit überlagerter Gleichspannung UD (Fig. 2a). Steuerteil nicht verändern, auf einfache Weise mög-Der Spannung U0 entgegen wirkt die am Wider- Hch.
    stand R 5 durch einen Strom von der Meßschaltung F i g. 3 zeigt die Schaltung eines Schaltreglers mit erzeugte Gleichspannung UM. Die Summenspannung nachgeschaltetem Transistor-Umrichter, durch welentspricht der Emitter-Basisspannung des Transistors 30 ehe die Stabilisierung von größeren Gleichspannun- Tl, weil sein Emitterpotential nur um die vernach- gen bis zu einigen tausend Volt möglich ist. Die vom lässigbar kleine Emitter-Basisspannung des Tran- Schaltregler am Kondensator C 3 abgegebene SpansistorsT6 vom angenommenen Bezugspunkt (OV) nung dient als Eingangsspannung für einen Transiabweicht. Der Transistor Tl wird bei einer bestimm- stor-Umrichter nach bekannter Gegentaktschaltung. ten Spannung UM abwechselnd gesperrt und leitend 35 Der Umrichter besteht aus den beiden Transistoren gesteuert. Da sich nur die positive Basisspannung T 8 und T 9, aus dem Transformator Tr 3 sowie der frei ausbilden kann, ergibt sich der in Bild 2 a ge- Gleichrichter-Brückenanordnung Gr 5 mit dem Konzeichnete Verlauf der Basisspannung; die gestrichelt densator C 9. Zur Steuerung der Transistoren Γ 8, T 9 gezeichneten Kurvenstücke sollen nur die Entstehung wird hierbei die Wicklung V des Wechselrichtererläutern. Solange der Transistor Γ 7 gesperrt ist, 40 Transformators Tr 2 vom Steuerteil verwendet. Der bleibt T6 leitend, TS gesperrt und TA wiederum Umrichter arbeitet daher mit derselben Frequenz von leitend. Der Stelltransistor Tl bekommt, wie in 500 Hz wie der Hilfswechselrichter des Steuerteils. Fig. 2b gezeichnet, positive Basisspannung und Die gegenüber der Netzfrequenz 50 Hz erhöhte Frebleibt gesperrt bis die Basisspannung am Transistor quenz ist vorteilhaft, weil sie eine kleine Transfor- Tl entsprechend dem Verlauf der Dreieckspannung 45 matortype und geringen Siebaufwand am Ausgang negtaiv wird und über die Kippstufe die Durchlaßzeit des Umrichters ergibt. Die günstige Arbeitsfrequenz des Stelltransistors T1 einleitet. Die Fig. 2c und 2d des Umrichters wird bei dem fremdgesteuerten zeigen den Verlauf der Emitter-Kollektorspannung Schaltregler ohne zusätzlichen Aufwand an Schaltam Transistor Π und den Verlauf des Stromes in mitteln erreicht.
    der Speicherdrossel Dr. Der Widerstand R1 bildet 50 Die Pluspole der Ausgangsspannungen des Schalteinen niederohmigen Abschluß der Emitter-Basis- reglers und des Umrichters (Kondensatoren C 3 und strecke und gewährleistet die Sperrfähigkeit des Tran- C 9) sind verbunden, so daß die an der zu regelnden sistors Tl auch dann, wenn keine Ansteuerung durch Ausgangsspannung angeschlossene Meßschaltung in den Steuerteil erfolgt. Dies ist beispielsweise der Fall, bereits beschriebener Weise auf den Steuerteil einwenn die Hilfsspannung an den Klemmen 1, 2 des 55 wirken kann. Abhängig von der Ausgangsspannung, Steuerteils fehlt. das ist die vom Umrichter abgegebene Spannung,
    Die Regelwirkung der Schaltung ist folgende: Eine wird das Tastverhältnis des Schaltreglers so festge-
    angenommene Erhöhung der Ausgangsspannung ver- legt» daß der Umnchter die jeweils notwendige Em-
    größert den Gleichstrom, den die Meßschaltung an gangsspannung erhalt und sich eine Stabilisierung
    den Steuerteil abgibt. Die Spannung UM wird größer 60 der vom gesamten Gerat abgegebenen Spannung er-
    und verschiebt die Summenkurve in F i g. 2 a nach 8lbt·
    oben ins positive. Die Durchlaßzeit des Transistors Patentansprüche:
    Tl und damit ebenso des Stelltransistors Tl
    wird kürzer, die Sperrzeit langer, während die !.Schaltungsanordnung zur Stabilisierung einer
    Periodendauer erhalten bleibt. Die angenommene 65 Gleichspannung mit einem im Längszweig der
    Spannungserhöhung wird ohne Änderung der Schalt- Stabilisierungsschaltung liegenden Schalttransistor
    frequenz lediglich durch die Änderung des Tastver- als Stellglied, einer als Energiespeicher dienenden
    hältnisses ausgeglichen. Das jeweilige Tastverhältnis Drossel und einer im Querzweig angeordneten
    Freilaufdiode, unter Verwendung einer Steuerschaltung mit einem Transistor-Wechselrichter als Taktgeber, die durch Überlagerung einer dreieckförmigen Hilfsspannung mit einer der Ausgangsspannung proportionalen Meßspannung eine rechteckförmige Steuerschwingung konstanter Periodendauer und mit in Abhängigkeit von Schwankungen der Ausgangsspannung veränderbarem Tastverhältnis erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der dreieckförmigen Spannung eine Mittelpunktschaltung aus zwei ÄC-Gliedern an den Ausgang des Taktgenerators (Γ2, T3; Tr2, IV) angeschlossen ist und daß die Steuerstrecke des Schalttransistors (2Ί) über eine von einer verstärkten Summenspannung aus der dreieckförmigen Hilfsspannung (UD) und der Meßspannung (UM) gesteuerte bistabile Kippstufe (T 4, T 5) abwechselnd in einem von der Ausgangsspannung abhängigen Tastverhältnis galvanisch mit einer von zwei gleich großen Gleichspannungsquellen entgegengesetzter Polarität zusammengeschaltet ist (F i g. 1).
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, insbesondere zur Stabilisierung sehr hoher Gleichspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Stabilisierungsschaltung ein auf die konstante Schaltfrequenz des Schalttransistors (Tl) abgestimmter Gleichspannungswandler (Γ8, T9; 7V3; Gr5, C9) angeschlossen ist (Fig.
  3. 3).
    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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