DE1463553C

DE1463553C - Circuit arrangement for stabilizing a direct voltage with a switching transistor as an actuator

Info

Publication number: DE1463553C
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl.-Ing. 8000 München Schott
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Publication date: 1972-07-27

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 .-Hilfsspaniiung mit einer der Ausgangsspannung proportionalen Meßspannung eine rechteckförmige Steuerschwingung konstanter Periodendauer und mit in Abhängigkeit von Schwankungen der Ausgangsspannung veränderbarem Tastverhältnis erzeugt.The invention relates to a circuit arrangement for stabilizing a DC voltage one lying in the series branch of the stabilization circuit switching transistor as an actuator, one as Energy storage serving choke and a freewheeling diode arranged in the shunt branch, using a control circuit with a transistor inverter as a clock generated by superimposition a triangular.-auxiliary voltage with a the output voltage proportional measuring voltage a square-wave control oscillation more constant Period duration and with a pulse duty factor that can be changed as a function of fluctuations in the output voltage generated.

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.Circuits that work according to this or a similar method are labeled "Switching regulator" known. Various methods are also known, the control transistor of such To control the switching regulator.

Das öffnen und Sperren des Stelltransistors kann z. B. bei bestimmten Spannungswerten unterhalb und oberhalb der Nenn-Ausgaiigsspannung erfolgen. Ein solcher Zweipunktregler arbeitet mit einer in weiten Grenzen schwankenden Schaltfrcquenz, die außerdem nicht frei gewählt werden kann. DieSehaltfrequenz ist zwangläufig von der der stabilisierten Gleichspannung überlagerten Wechselspannung abhängig. Da die Schaltfrec|iienz wegen der Schaltverluste im Stelltransistor nicht beliebig heraufgesetzt werden kann, ist die erreichbare Siebung für viele Anwendungen nicht ausreichend.The opening and locking of the control transistor can, for. B. at certain voltage values below and above the nominal output voltage. Such a two-position controller works with an in switching frequency which fluctuates over a wide range and which, moreover, cannot be freely selected. The stop frequency is inevitably dependent on the alternating voltage superimposed on the stabilized direct voltage. Since the switching frequency is due to the switching losses can not be increased arbitrarily in the setting transistor, is the achievable sieving for many Applications not sufficient.

In einer bekannten Schaltung (deutsche Patentschrift 1 123 749) 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 Schaltfrequcnz, so daß in bestimmten Fällen eine Nachsiebung der Ausgangsspannung erforderlich ist.In a known circuit (German patent specification 1 123 749) is used to control the as. Actuator working switching transistor controls the voltage at the air gap choke (storage choke) of the load circuit used. This feedback switching regulator also works with a highly variable switching frequency, see above that in certain cases a post-filtering of the output voltage is necessary.

In einer anderen bekannten Spannungsstabilisierungsschaltung (»Electronics«, März 1962, Nr. K), 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 Steuerspannüng 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.In another known voltage stabilization circuit ("Electronics", March 1962, No. K), P. 62 to 64) a sawtooth voltage of constant period is generated by means of a unijunction transistor, whose edge steepness can be changed by a measuring voltage. Depending on the slope a Schmitt trigger is controlled, which is via an amplifier stage with capacitive coupling elements switches the control transistor through or blocks. As a result of the capacitive coupling between the setting transistor and the control circuit can control the amplitude of the square-wave control voltage at the control transistor not be constant. The control range of the voltage stabilization circuit, i.e. H. the setting range the duty cycle of the control transistor is therefore considerably narrowed. Similarly, it does It is noticeable with regard to the control range that the control of the duty cycle by changing the Edge steepness of the sawtooth voltage is caused.

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 ÄC-Gliedcrn an den Ausgang des Taktgenerators angeschlossen ist und daß die Steuerstrecke des Schalttransistors über eine von einer verstärkten Summenspannung aus der dreieckförmigen Hilfsspaniiung und der Meßspannung gesteuerte bistabile Kippstufe abwechselnd in einem von der Ausgangsspannung abhängigen Tastverhältnis galvanisch mit einer von zwei gleich großen Gleichspannungsquellen entgegengesetzter Polarität zusainmengesehaltet ist. ''To avoid these disadvantages, the circuit arrangement is for stabilizing a direct voltage of the type mentioned according to the invention, characterized in that for generating of the triangular voltage, a mid-point circuit of two AC elements is connected to the output of the Clock generator is connected and that the control path of the switching transistor via one of an amplified Total voltage from the triangular auxiliary voltage and the measuring voltage controlled bistable Flip-flop alternating galvanically in a pulse duty factor that is dependent on the output voltage held together with one of two equally large DC voltage sources of opposite polarity is. ''

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 K)OO V stabilisiert werden.According to an advantageous development of the invention; especially for .stabilisierung very high DC voltages at the output of the stabilization circuit a DC / DC converter tuned to the constant switching frequency of the switching transistor connected. This addition to the basic circuit enables DC voltages can be stabilized up to a few K) OO V.

Die Erfindung wird an Hand der Fig. 1 bis 3The invention is illustrated in FIGS. 1 to 3

näher erläutert. ..- ·explained in more detail. ..- ·

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.As an application example of the externally controlled switching regulator, FIG. 1 a regulated power supply that contains a switching regulator with a control transistor. The mains voltage is connected to the primary winding I of the mains transformer Tr 1, the secondary windings II and III of which supply the supply voltages for the load circuit L and for the control part S.

Die mit dem Gleichrichter Gr I 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 T'l, die Diode Dl sowie die Speicherdrossel Or und den Kondensator Γ3 zur Glättung der Ausgangsspannung. 1st der Stelltransistor 7Ί leitend (Durchlaßzeit), so fließt über den Transistor Tl und die Drossel Dr ein linear ansteigender Strom zum Ausgang. Beim Sperren des Transistors Ti fließt der Strom in der Drossel linear abnehmend über das Ventil /) 1 weiter (Sperrzeit).The voltage rectified with the rectifier Gr I and smoothed with the capacitor C1 is fed to the load circuit of the switching regulator. The load circuit is constructed according to a known circuit and contains the setting transistor T'l, the diode Dl and the storage choke Or and the capacitor Γ3 for smoothing the output voltage. If the setting transistor 7Ί is conductive (passage time), a linearly increasing current flows to the output via the transistor Tl and the choke Dr. When the transistor Ti is blocked, the current in the throttle continues to flow in a linearly decreasing manner via the valve /) 1 (blocking time).

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 5" 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.The ratio of the transmission time to the blocking time (duty cycle) determines the size of the output voltage. A deviation of the output voltage from the nominal value causes a measuring circuit M and the control portion 5 "a change of the duty ratio, which counteracts the offset voltage. The measuring circuit M is composed of a bridge circuit with a Zener diode as a reference voltage source and a transistor as an amplifier. The arrangement provides for the control part a Current that is proportional to the output voltage (voltage regulation) or, after the nominal load has been exceeded, to the load current (current limitation).

Der Steuerteil S wird aus einer Hilfsgleichspannung gespeist, damit seine Bemessung vollkommen unabhängig von der Ausgangsspannung des Reglers wird. Mit dem Gleichrichter Gr2 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 72 und T3 sowie dem Transformator TrI 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 Π ein Wert von ungefähr 500 Uz als vorteilhaft erwiesenThe control section S is fed from an auxiliary DC voltage so that its dimensioning is completely independent of the output voltage of the controller. With the rectifier Gr 2 and the capacitor C 2, the input DC voltage for the control part is generated and smoothed. The DC voltage feeds an auxiliary inverter in push-pull circuit, which essentially consists of the transistors 72 and T3 and the transformer TrI . The transistors are reversed by the saturation of the transformer. The working frequency can be freely selected independently of the network frequency. The switching frequency of the transistor regulator is equal to twice the inverter frequency; A value of approximately 500 Uz has proven to be advantageous as the working frequency of the inverter with regard to the switching losses of the transistor Π

Die Sekundärwicklung III des Wechselrichter-Transformators Tr 2 gibt eine Rechteckspannung ab, die mit dem Gleichrichter Gr3 gleichgerichtet undThe secondary winding III of the inverter transformer Tr 2 emits a square wave voltage, which are rectified with the rectifier Gr3 and

Claims

3 43 4

is smoothed with the capacitors C 4, C 5. This is only determined by the ratio of the input

The center tap of the winding is defined with the center point to the output voltage; a dependency

of the capacitors and with the emitter of the control ratio of the duty cycle of the load results

transistor Tl interconnected, so that only as a result of the internal resistance of the

Compared to this reference point (OV) a positive and 5 switched power supply and as a result of the ohmic

results in a negative DC voltage. The total voltage drops of the controller. ...

voltage feeds a bistable multivibrator with the The working range extends from a limit

Transistors Γ 4, Γ5. The associated resistances lay to the other: The transistor Π can also be

R1 to R4 are dimensioned in such a way that when it is conductive, it can be conductive or permanently blocked. With these

Transistor Γ 4 at the base of the setting transistor Tl io limit positions and at all intermediate positions

positive potential (during the blocking time) and operating points of the control transistor Tl is always with

with blocked transistor Γ4 across the resistance of the same base voltage or the same base current

R 3 negative potential becomes effective. The tilting stage operated. - ·. , -

is controlled by an amplifier stage with the transistors. The setting transistor Π is activated during the blocking time

T 6, Tl controlled. From the continuous connection 15 with the sum of the input voltage at the condenser

Control by the amplifier stage generates the Kipp- satorCl and forward voltage at the diode Dl

stage a rectangular control voltage with great stress. The forward voltage of the diode D 1

Edge steepness, which is a rapid switching of the Tran- is very small, so that the permissible reverse voltage on

sistors Tl guaranteed. Transistor the highest input voltage of the regulator

The mode of operation of the control parts S is determined with the aid of 20. Taking into account the network span of Fig. 2 explained. Voltage changes at the input of the amplifier and the load dependency is dastufe, ie at the base of the transistor Tl, the set of the possible output voltage. Superposition of two voltages effective. The stabilization of larger DC voltages is a reference point (emitter from transistor T1), but with the help of some additions that act as a negative voltage, the triangle-spanned principle of external control with the voltage with superimposed DC voltage U ₀ (Fig. 2a). Do not change the control part, in a simple way possible. The voltage XJq counteracts the borrowed.

stand /? 5 by a current from the measuring circuit Fig. 3 shows the circuit of a switching regulator with generated direct voltage U _M. The total voltage of the transistor converter connected downstream, through which corresponds to the emitter base voltage of the transistor 30 before the stabilization of larger DC voltages , because its emitter potential is only possible by as little as a few thousand volts. The voltage transistor T6 from the assumed reference point (OV) output by the permissibly small emitter base voltage of the Tran switching regulator at the capacitor C 3 serves as the input voltage for a transit deviation. The transistor Tl is maintained at a certain stor inverter according to the known push-pull circuit. th voltage U _M alternately blocked and conductive 35 The converter consists of the two transistors controlled. Since only the positive base voltage TS and T 9 can develop freely from the transformer Tr 3 as well as the, the result is the rectifier bridge arrangement Gr 5 shown in Figure 2a with the curve of the base voltage drawn; the dashed capacitor C9. To control the transistors Γ8, Γ9 drawn curve pieces, only the formation of the winding V of the inverter will be explained. As long as the transistor Tl is blocked, 40 transformer Tr 2 is used by the control part. The T 6 remains conductive, Γ 5 blocked and Γ 4, in turn, the converter works with the same frequency of conductive. The control transistor Tl gets, as in 500 Hz, like the auxiliary inverter of the control part. Fig. 2b drawn, positive base voltage and the increased frequency compared to the mains frequency 50 Hz remains locked until the base voltage at the transistor is advantageous because it is a small transformer Tl corresponding to the course of the triangular voltage 45 matortype and low sieving effort at the output is negative and over the Flip-flop results in the conduction time of the converter. The favorable operating frequency of the setting transistor T l initiates. The fig. 2 c and 2 d of the inverter is in the externally controlled show the course of the emitter-collector voltage of switching regulator without any additional effort to Schaltam transistor Tl and the stream are achieved in forward.

the storage choke Dr. 50, the resistor R1 forms the positive terminals of the output voltages of the switching a low impedance terminating the emitter-base controller and the inverter (capacitors C3 and stretch and ensures the blocking capability of the transit C 9) are connected so that the sistors on of the controlled Tl also when there is no control by the measuring circuit connected to the output voltage in the control section. This is the case, for example, in the manner already described on the control part when the auxiliary voltage can act on terminals 1, 2 of 55. Depending on the output voltage, the control section is missing. this is the voltage delivered by the converter,

The control effect of the circuit is as follows: A ^{is the} duty cycle of the switching regulator as fixed

Increasing the output voltage assumed comparable ^le gt> that the inverter each necessary em-

increases the direct current that the measuring circuit receives at the output voltage and stabilizes itself

releases the control unit. The voltage U _M is greater than 60 of the voltage output by the entire device.

and shifts the cumulative curve in FIG. 2 a according to §

up in the positive. The transmission time of the transistor claims:
Tl and thus also the setting transistor Tl

becomes shorter, the blocking time longer, while the circuit arrangement for stabilizing a

Period is retained. The assumed 65 DC voltage with one in the series branch of the

The voltage increase becomes the switching transistor lying without changing the switching stabilization circuit

frequency only by changing the push-button as an actuator, one that serves as an energy store

ratio balanced. The respective duty cycle choke and one arranged in the shunt branch

Freewheeling diode, using a control circuit with a transistor inverter as a clock generator, which by superimposing a triangular auxiliary voltage with a measuring voltage proportional to the output voltage generates a square-wave control oscillation of constant period and with a duty cycle that can be changed as a function of fluctuations in the output voltage, characterized in that for generating the triangular voltage, a midpoint circuit of two ÄC elements is connected to the output of the clock generator (Γ 2, T3; Tr 2, IV) and that the control path of the switching transistor (Tl) via one of an amplified sum

voltage from the triangular auxiliary voltage (JJ ₀ ) and the measuring voltage (U _M ) controlled bistable multivibrator (T 4, TS) is alternately galvanically connected in a duty cycle dependent on the output voltage with one of two equally large DC voltage sources of opposite polarity (F i g. 1).

2. Circuit arrangement according to claim 1, in particular for stabilizing very high DC voltages, characterized in that a DC voltage converter (Γ8, T9; 7>3; Gr5, C9) tuned to the constant switching frequency of the switching transistor (Tl) is connected to the output of the stabilization circuit (Fig.

3).

1 sheet of drawings