DE1563058A1

DE1563058A1 - Two-point regulated DC / DC converter with constant working frequency

Info

Publication number: DE1563058A1
Application number: DE1966T0031770
Authority: DE
Inventors: Korn Dr-Ing Joel
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1966-08-05
Filing date: 1966-08-05
Publication date: 1970-04-23
Also published as: DE1563058B2

Description

Zweipunktgoregelter Gleichspannungswandler konstanter Arbeitsfrequenz Die Erfindung betrifft einen zweipunktgeregelten Gleichspannungswandler konstanter Arbeitsfreeuenz.Two-point regulated DC / DC converter with constant working frequency The invention relates to a two-point controlled DC voltage converter constant Labor free.

Es sind zweipunkttgeregelte Gleichspannungswandler bekanntg bei denen ein Spannungsdiskrlminator die Ausgangsspannung misst und beim Unterschreiten oder Überschreiten eines vorgegebenen unteren oder oberen Schwellwortes der Ausgangespannung oln Stellglied, z.B. einan Stelltranzistorg derart steuert, daas es lottend oder gesperrt ist und einen zur Last parallolgeschalteten Ladekondensator aus der schwankenden Eingangsspannung über eine strombegrenzende Impedanz auflädt oder die Autladung unterbricht. Als-Strombegrenzungsimpedanz kann z.Bo eine Induktivität verwendet werden, die währond don Zeitintervalls, in dem das Stellglied stromdurchlässig ist (Stromflusozeit), magnetische Energie speichert und diese während des Zeitintervalls,#in dem das Stellglied sperrt (Sperrzeit), an den Ladekondensator abgibt. There are two-point-controlled DC voltage converters known in which a voltage discriminator measures the output voltage and when the output voltage falls below or exceeds a specified lower or upper threshold word, controls the output voltage of an actuator, e.g. a control resistor, in such a way that it is switched or blocked and a charging capacitor connected in parallel to the load from the fluctuating input voltage charges via a current-limiting impedance or interrupts the charge. An inductance can be used as the current limiting impedance, for example, which stores magnetic energy during the time interval in which the actuator is permeable (current flow time) and transfers this to the charging capacitor during the time interval in which the actuator is blocked (blocking time) .

Die Arbeitsfreauenz solcher Gleichspannungswandler ist von der Eingangsspannung und der Belastung stark abhängig* Dies hat zur Folge, dass die Siebung der Ausgangsspannung erschwert wird* Eine weitere Schwierigkeit solcher Gleichspannungswandler besteht darin, dass nach den Einschalten eine relativ grosse Zeit verSehtv bis der Ladekondannator von Null auf den Sollwort der Ausgangsspannung aufg31adan wird. Dabei kann die Strombegrenzungsdrossel bis in diz Sättigung geraten und einen solchen Strom über den Stelltransistor durchlassen, dass dieser zerstÖrt wird. Um diese Nachteilo zu beseitigen, wird erfindungsgemäss das Stellglied (Stelltranzistor) in jedem Arbeitstakt von einem freischwingenden z#stabilen Multivibrator konstanter Schwingfroquenz leitend gemacht: und von einem Spannungsdiskriminator beim Erreichen des oberen Schwellwartes der Ausgangespannung gesperrt, Ein Ausführun#--sbali.9-iigl das zweipunktgeregelten Gleichspannungswandlors nach dar ErfindunS wird an Hand der Zeichnung nähor c.-läutert. Die Wirkungsweise des darin dargestellten astabilen Multivibrators AM und das Schmitt-Triggers ST, der als S-,2a»--inungsdiskriminator dient, wird als bekannt vorausgesetzt und nicht ausführlicher boschrieben.The Arbeitsfreauenz of such DC-DC converter strongly dependent on the input voltage and the load * This has the consequence that the screening of the output voltage is made more difficult * Another difficulty of such DC-DC converter is that after turning on a relatively large time verSehtv until the Ladekondannator from zero to the setpoint word of the output voltage is applied. The current limiting choke can reach saturation and allow such a current through the control transistor that it is destroyed. In order to eliminate this disadvantage, according to the invention, the control element (control transistor) is made conductive in every working cycle by a free-swinging z # stable multivibrator of constant oscillation frequency: and blocked by a voltage discriminator when the output voltage reaches the upper threshold value. iigl the two-point controlled DC voltage converter according to the invention is shown on the basis of the drawing. The mode of operation of the astable multivibrator AM shown in it and the Schmitt trigger ST, which serves as an S-, 2a »- inungsdiskriminator, is assumed to be known and is not described in more detail.

der astabile Multivibrator AM liefert an seinen Aus.-.ang AI eine Rechteckspannung vorgegebener Fre(luenz und vorgegebanen Tastverhältnisses. Die Freauenz des astabilen Multivibrators ist von seiner Betriebsa-jannung wenig abhängig. Als Betriebsspannunden astabilen Multivibrators dient die Eingangss-)annung Ue.the astable multivibrator AM delivers at its output AI a square wave voltage of a given frequency and preset duty cycle. The frequency of the astable multivibrator is little dependent on its operating voltage. The input voltage Ue serves as the operating voltage of the astable multivibrator.

Der Schmitt-Trigjgr (ST) besitzt zwei Schwellwerte seiner St3uarapannung, bei walchen er von der einen in die andere Lage kippt. Als Betrieboopannung den Schmitt-Triggers wird zweckmässig die stabilisierte Ausgangsspannung Un gewählt. An seinem Ausgang A2 entsteht bei-der.Seitlihlten rolarität der Betriebespannung Ue und den gewählten npn-Tranoistoren beim Erreichen des oberen Schwellwerten ein positives Potential von etwa Un und beim Er. reichen den unteren Schwellwerten etwa das negative Bezugspo. tential.The Schmitt-Trigjgr (ST) has two threshold values of its strucural tension, in case of walchen it tilts from one position to the other. The stabilized output voltage Un is expediently selected as the operating voltage of the Schmitt trigger. At its output A2 , with the lateral polarity of the operating voltage Ue and the selected npn transistors, when the upper threshold value is reached, a positive potential of about Un and Er. the lower threshold values are roughly equivalent to the negative reference point. potential.

Ein Schalttremaistor Tal steueet den Baeinetrom den Stelltranaintors To2 und "ird seinerseits über Widerstände RI und R2 einerseits vom &stabilen Multivibrator AM und andererseits vom Schmitt-Trigger ST gesteuert.A switching tremaistor Tal controls the Baeinetrom the Stelltranaintors To2 and "ird on the one hand from the & stable on the one hand via resistors RI and R2 Multivibrator AM and on the other hand controlled by the Schmitt trigger ST.

Der Stelltransistor Te2 liefert im leitenden Zustand seinen Emitterstrom in einen Ladekondensator Cl. Sein Strom wird durch die PrimäritLduktiv4tät einen Übertragers Ü durch Energiespeicherung begrenzt. Wird der Stelltrannistor gesperrt, so gibt der Übertrager Ü Uber seine Sekundärwicklung und einen Gleichrichter DI die gespeicherte Energie an den Verbraucher ab.The control transistor Te2 supplies its emitter current to a charging capacitor C1 when it is conductive. Its current is limited by the primary conductivity of a transformer U through energy storage. If the Stelltrannistor locked so the transformer U Uber releases its secondary winding and a rectifier DI stored energy to the consumer.

Die Wirkungswaise der gesamten Schaltung ist folgende: Wenn die Betriebaspannung eingeschaltet wird, so fängt der astabile Multivibrator AM sofort an, Taktimpulse zu liefern. Solange die Ausgangsspannung Ua ihr-en Sollwert nicht erreicht hatg bleibt der SchmittmTrigger ST in seiner passiven Lage, in der sein Ausgang 1.2 auf negativem Potential liegt, und der Schalttranaistor Tal kann nur vom astabilen Multivibrator über den Widerstand Rl abwechselnd leitend gemacht und gesperrt worden. Ist die Ausgangespannung den astabilen Multivibrators positiv. so wird der Transistor Tal leitend. Die Basis des Stelltrannistorn Ta2 ist gegenüber seinem Emitter negativ vorgespannt und der Stelltrannistor gesperrt. Ist die Ausgangsspannung des &stabilen Multivibrators negativ, so wird der Transistor Tal ge- sperrt. Die Basis den Stelltrannistors Ts2 erhält über den Kollektorwiderstand R3 des Schalttraniestors und einen Vorwiderstand R4 Strom und der Stelltranaistor wird leitend.The effect of the entire circuit is as follows: When the operating voltage is switched on, the astable multivibrator AM immediately begins to deliver clock pulses. As long as the output voltage Ua has not reached its nominal value, the SchmittmTrigger ST remains in its passive position, in which its output 1.2 is at negative potential, and the switching transistor Tal can only be made conductive and blocked alternately by the astable multivibrator via the resistor Rl. If the output voltage of the astable multivibrator is positive. so the transistor Tal becomes conductive. The base of the control transistor Ta2 is biased negatively with respect to its emitter and the control transistor is blocked. If the output voltage of the & multivibrator negative, the transistor valley overall is blocked. The base of the control transistor Ts2 receives current via the collector resistor R3 of the switching transistor gate and a series resistor R4, and the control transistor becomes conductive.

Bei jedem Arbeitsakt des astabilen Multivibratorn AN wird der Ladekondenstor Cl auf eine höhere 1 Spannimg aufgeladen, bis die Ausgangsspannung ihren Sollwort erreicht hat und der Schmitt-Trigger ST und damit der Regler in Aktion tritt.-Während dieser Anlaufzeit wird der Stromfluso durch die Strombegrenzungeinduk» tivität immer wieder unterbrochen. Die gespeicherte magnetische Energie kann sich entladen und der Ladostrom durch den Stelltrannistor bleibt in zulässigen Grenzen.With each work cycle of the astable multivibrator AN , the charging capacitor Cl is charged to a higher 1 voltage until the output voltage has reached its setpoint and the Schmitt trigger ST and thus the controller comes into action. activity interrupted again and again. The stored magnetic energy can be discharged and the charging current through the control transistor remains within permissible limits.

Wird der obere Schtiellwort der AusZangespannung erreicht, so kippt der Schmitt-Trigger ST in seine aktive Lage. Sein Auam gang A2 nimmt positiven Potential an und liefert Über den Widerstand R2 Banisstrom für den Schalttranaintor Tal. Dieser wird leitend und macht die Basis des Stelltransistors To? negativv so dann der Stelltrannistor gesperrt wird. Als Folge davon entlädt sich die Strombegrenzungsinduktivität und die Ausgangespannung nimmt ab.If the upper key word of the output clamp voltage is reached, the Schmitt trigger ST switches to its active position. Its output A2 assumes a positive potential and supplies through the resistor R2 Banisstrom for the Schalttranaintor Tal. This becomes conductive and makes the base of the control transistor To? negativv so then the control transistor is blocked. As a result, the current limiting inductance will discharge and the output voltage will decrease.

Kippt beim nächsten Arbeiteakt der astabile Multivobrator in die Lage, in der seln Ausgang Al negatives Potential hat, so wird Uber einem Kondensator C2 und einer Diode D2 dem Schmitt-Trigger ein differenzierter Rückführimpuls vom Ausgang Al zugeführt und der Schmitt-Trigger dadurch in seine passive Lage Sphracht. Beide Ausgänge Al und A2 liegen nun am negativen Potential, der Schalttransistor T»P*j. ist gesperrt, der Stelltransistor T92 erhält über die Widerstände R3 und R4 Basisstrom und wird leitend. Wird der obere Schwellwert erreicht, so wiederholt sich der Vorgang usw.Tilts the next Arbeiteakt the astable Multivobrator in the position in which clauses output Al negative potential has such a capacitor C2 and a diode D2 is supplied to the Schmitt trigger a differentiated return pulse from the output Al Uber and the Schmitt trigger thus passive in its Location Sphracht. Both outputs A1 and A2 are now at negative potential, the switching transistor T »P * j. is blocked, the setting transistor T92 receives base current via resistors R3 and R4 and becomes conductive. If the upper threshold is reached, the process is repeated, etc.

Die Ausgangsspannung schwankt also im eingeschwungenen Zustand zwischen zwei Werten, -.-;obaJ- der obere Schwellwert vorgeschrieben ist, während der untere Schwellwert schwanken kann. Der untere Schwellwert des Schwitt-Triggers muss tiefer als der untere Schwellwert der Ausgangsspannung g ewählt worden, damit der Stelltransistor nur vom astabilen Multivibrator allein leitend gemacht werden kann.The output voltage fluctuates in the steady state between two values, -.-; obaJ- the upper threshold value is prescribed, while the lower threshold value can fluctuate. The lower threshold was ewählt Schwitt the trigger must be lower than the lower threshold value of the output voltage g, so that the control transistor can be made only by the astable multivibrator alone conductive.

Statt eines Schalttranaistors Tel kann auch ein bistabiler Mul» tivibrator verwendet werden, der dann vom astabilen Multivibrator und vom Schmitt-Trigger durch differenzierte Impulse betätigt worden kann, Dieskann von Vorteil sein, wenn eine Potentialtrennung zwischen Zingange- und Ausgangsspannung benötigt wird. Als astabiler Multivibrator kann jede beliebige freischwingendo Kippstufe verwendet werden.Instead of a switching transistor Tel, a bistable multivibrator can also be used, which can then be actuated by the astable multivibrator and the Schmitt trigger by differentiated pulses. This can be advantageous if a potential separation between the input and output voltage is required. Any freely oscillating flip-flop can be used as an astable multivibrator.

Man erkenntg dass die Arbeitsfrequenz den Gleichspannungswandlers der Taktfrequenz des astabilen MültIvibrators gleich und praktisch konstant ist und daso nur den Tastverhältnis geändert wird.It can be seen that the working frequency of the DC / DC converter is the same as the clock frequency of the astable mill vibrator and practically constant and that only the pulse duty factor is changed.

Der erfindungsgemässe zwelpunktgeregolte Gleichspannungswandler bietet auch einen gewinnen Schutz gegen Kurzschluns am Aungangg weil im Kurzschlusstall der Stromfluas durch den astabilen rultivibrator immer wioder unterbrochen wird.The dual-point regulated DC voltage converter according to the invention offers also gain protection against short circuits on the Aungangg because in the short circuit stable the current flow through the astable cultivibrator is always interrupted.

Claims

Patent claims: Zweipunktget, -ogOlter Gleichsjannungswandler, at where an actuator, e.g. an actuating tank, is controlled in such a way that it changes over and over again is conductive or blocked and a charging capacitor connected to the load from the fluctuating input pool via a current-limiting impedance or interrupts charging, with an inductance as the current limiting impedance is used, -that stores magnetic energy during the current flow period and the actuator transfers this to the charging capacitor during the blocking time - that the actuator (control transistor) in each work cycle of conducting a free-swinging, stable hultivibrator of constant oscillation frequency made and by a voltage discriminator when the upper threshold value is reached the output voltage is blocked.

2) ZweipunktZeregelter direct voltage coil according to claim 1, characterized in that a Schmitt-TrigZer (ST) is used as a voltage discriminator. DC voltage converter according to claim 1, characterized in that the astabila multivibrator (AM) and the voltage discriminator (ST) control a switching transistor (Tal) via without resistors (RI and R2), in such a way that the switching transistor is conductive Urd when the astable multivibrator or the Schmitt -Trigger or both have positive potential at their output ( A1 or A2) and are blocked when both their outputs CA1 and A 2 ) have negative potential. 4) DC voltage converter according to claim 1 and 3 # thereby ge. then the switching transistor (Tol) controls the base current of the adjusting transistor (T »2) # the & rt # then with the switching transistor (Tat) the adjusting transistor U over the collector resistor (R3) receives the switching transistor and a series resistor (R4) banisetrom and becomes conductive , while with a conductive switching transistor, the base of the stable, # tannistor is negative and this is blocked. 5) DC voltage converter according to claim 1 and 3, characterized9 then the voltage discriminator (ST) is only actuated by the upper threshold word of the output voltage (Ua) and its lower threshold value is lower than the lower threshold value of the output voltage. 6) DC voltage converter according to claim 1 and 5, thereby gekonn. draws, then with each work cycle at the beginning of the Stromflupg = time a differentiated feedback pin from the output (A1) of the astable 1,. 'ultlvibr-ators Via a capacitor (C2) # M4 ein-Diade (D2) to the input the Sch.mitt " Triggerg tLbertraggi4, which is so ggpoltl then falls below the lower threshold value of the Sc # pitt-Triggege. Equal capacitance converter according to Imapruch 19 thereby k-en cal "Aotg then the astable Hultivibra -'- r and the S w mixtator a bistable bftlttvtbrator using pulses eteutrag of the aeineraeitz the security gate. DC voltage converter according to claim le dadUrch gekOMZOich- notg then a free-swinging vibrator as a & stable% ltivibrator Kippatute is used.