DE1563058B2

DE1563058B2 - TWO-POINT REGULATED DC VOLTAGE CONVERTER CONSTANT SWITCHING FREQUENCY

Info

Publication number: DE1563058B2
Application number: DE1966T0031770
Authority: DE
Inventors: Joel Dr.-Ing. 7150 Backnang Korn
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1966-08-05
Filing date: 1966-08-05
Publication date: 1976-10-07
Also published as: DE1563058A1

Description

Die Erfindung betrifft einen zweipunktgeregelten Gleichspannungswandler mit konstanter Schaltfrequenz und geregelter Ausgangsspannung, mit einem als Stellglied dienenden steuerbaren Schalter, der abwechselnd leitend oder gesperrt ist, einem zur Last parallelgeschalteten Ladekondensator und einer zwischen Schalter und Ladekondensator liegenden strombegrenzenden Induktivität, bei dem die Schaltfrequenz bestimmt wird durch einen astabilen Multivibrator konstanter Frequenz, dessen Ausgang mit dem Steuereingang des Schalters so verbunden ist, daß der Schalter in jedem Arbeitstakt vom astabilen Multivibrator leitend gesteuert wird, und bei dem ein im Regelkreis angeordneter, Kippverhalten aufweisender Spannungsdiskriminator von der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers beeinflußt ist und der Ausgang des Spannungsdiskriminators mit dem Steuereingang des Schalters so verbunden ist, daß der Schalter in jedem Arbeitstakt von dem Spannungsdiskriminator gesperrt wird.The invention relates to a two-point controlled DC voltage converter with a constant switching frequency and regulated output voltage, with a controllable switch serving as an actuator, which alternately is conductive or blocked, a charging capacitor connected in parallel to the load and one between Switch and charging capacitor lying current-limiting inductance at which the switching frequency is determined by an astable multivibrator of constant frequency, the output of which is connected to the control input of the switch is connected in such a way that the switch is operated by the astable multivibrator in every working cycle is conductively controlled, and in which a voltage discriminator arranged in the control loop and exhibiting tilting behavior is influenced by the output voltage of the DC / DC converter and the output of the Voltage discriminator is connected to the control input of the switch so that the switch in each Work cycle is blocked by the voltage discriminator.

Ein solcher Gleichspannungswandler ist bekannt (US-PS 32 26 630).Such a DC voltage converter is known (US-PS 32 26 630).

Es sind auch zweipunktgeregelte Gleichspannungswandler bekannt, bei denen ein Spannungsdiskriminator die Ausgangsspannung mißt und beim Unterschreiten oder Überschreiten eines vorgegebenen unteren oder oberen Schwellwertes der Ausgangsspannung einen als Stellglied dienenden, steuerbaren Schalter, z. B. einen Steiltransistor, derart steuert, daß er leitend oder gesperrt ist und einen zur Last parallelgeschalteten Ladekondensator aus der schwankenden Eingangsspannung über eine strombegrenzende Impedanz auflädt oder die Aufladung unterbricht. Als Strombegrenzungsimpedanz kann z. B. eine Induktivität verwendet werden, die während des Zeitintervalls, in dem das Stellglied stromdurchlässig ist (Stromflußzeit), magnetische Energie speichert und diese während des Zeitintervalls, in dem das Stellglied sperrt (Sperrzeit), an den Ladekondensator abgibt (Funktechnik, 1962, Nr. 22, S. 749, 750).There are also two-point-regulated DC voltage converters known in which a voltage discriminator the output voltage measures and when falling below or exceeding a predetermined lower or upper threshold value of the output voltage serving as an actuator, controllable switch, z. B. a Steep transistor, controls in such a way that it is conductive or blocked and one connected in parallel to the load Charging capacitor charges from the fluctuating input voltage via a current-limiting impedance or interrupts charging. As a current limiting impedance, for. B. used an inductor that during the time interval in which the actuator is current-permeable (current flow time), magnetic Stores energy and stores it during the time interval in which the actuator locks (lock time) releases the charging capacitor (Funktechnik, 1962, No. 22, pp. 749, 750).

Die Arbeitsfrequenz 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 dem Einschalten eine relativ große Zeit vergeht, bis der Ladekondensator von Null auf den Sollwert der Ausgangsspannung aufgeladen wird. Dabei kann die Strombegrenzungsdrossei bis in die Sättigung geraten und einen solchen Strom über den als Stellglied dienenden steuerbaren Transistor durchlassen, daß dieser zerstört wird.The working frequency of such DC / DC converters depends on the input voltage and the load heavily dependent. This has the consequence that the sieving of the output voltage is made more difficult. Another The difficulty of such DC voltage converters is that a relatively long time after switching on passes until the charging capacitor is charged from zero to the nominal value of the output voltage. Included the current limiting throttle can reach saturation and such a current via the actuator serving controllable transistor let through that this is destroyed.

Diese Nachteile werden wesentlich vermindert, wenn wie bei dem eingangs genannten bekannten Gleichspannungswandler (US-PS 32 26 630) der als Stellglied dienende steuerbare Schalter von einem freischwingenden astabilen Multivibrator konstanter Schwingfrequenz in Verbindung mit einem Spannungsdiskriminator gesteuert wird. Bei diesem bekannten Gleichspannungswandler wird der als Stellglied dienende Transistor in jedem Arbeitstakt vom astabilen Multivibrator leitend gemacht und von dem Spannungsdiskriminator gesperrt. Der Spannungsdiskriminator ist als Differenzverstärker ausgebildet und vergleicht eine von der eigentlichen Ausgangsspannung des Wandlers durch Vergleich mit einer Referenzgleichspannung abgeleitete, die Regelabweichung darstellende Vergleichsspannung mit einer sägezahnförmigen Spannung, die durch Integration der impulsförmigen Spannung am Ausgang des Stellgliedes vor einer im Ausgangskreis des Wandlers liegenden Filterdrossel erhalten wird. Nach jedem Sperren des Stellgliedes wird die mittels eines /?C-Gliedes integrierte Spannung über eine Diode entladen, so daß das ^C-Glied in jeder Flußphase des Wandlers neu aufgeladen wird. Die Größe der Vergleichsspannung des Spannungsdiskriminators bestimmt die Aufladehöhe des /?C-Gliedes und damit die Zeit des Abschaltens.These disadvantages are significantly reduced if, as in the case of the known DC voltage converter mentioned at the beginning (US-PS 32 26 630) serving as an actuator controllable switch from a freely oscillating astable multivibrator of constant oscillation frequency in connection with a voltage discriminator is controlled. In this known DC voltage converter, the transistor serving as an actuator is used Made conductive in every work cycle by the astable multivibrator and by the voltage discriminator locked. The voltage discriminator is designed as a differential amplifier and compares one of the actual output voltage of the converter derived by comparison with a reference DC voltage, The comparison voltage representing the control deviation with a sawtooth-shaped voltage which is determined by Integration of the pulse-shaped voltage at the output of the actuator in front of one in the output circuit of the Converter lying filter choke is obtained. After each locking of the actuator, the by means of a /? C-element integrated voltage discharged via a diode, so that the ^ C-element in each flow phase of the Converter is recharged. The size of the comparison voltage of the voltage discriminator is determined the charging level of the /? C element and thus the time it was switched off.

Die Mindestflußzeit des Wandlers ist bestimmt durch die Zeitkonstante des /?C-Gliedes und die Höhe der minimal möglichen Vergleichsspannung. Die Vergleichsspannung kann nicht beliebig klein werden wegen der Sättigungsspannung eines Transistors, der die Vergleichsspannung liefert. Damit kann auch der Zeitabstand zwischen Aus- und Einschalten nicht beliebig klein werden, so daß die für eine genaue Regelung im Leerlauf erforderliche kleine Flußzeit nicht gewährleistet ist.The minimum flow time of the converter is determined by the time constant of the /? C element and the level of the minimum possible equivalent stress. The equivalent stress cannot be arbitrarily small because of the saturation voltage of a transistor that supplies the comparison voltage. So can the The time interval between switching off and on cannot be arbitrarily short, so that for an exact Regulation in idle required small flow time is not guaranteed.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Gleichspannungswandler der eingangs genannten Art die für die genaue Regelung im Leerlauf erforderliche kleine Flußzeit zu gewährleisten.The object of the invention is, in a DC / DC converter of the type mentioned for the precise regulation to ensure the required small flow time when idling.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the features specified in the characterizing part of the claim solved.

Bei dem Gleichspannungswandler gemäß der Erfindung arbeitet der Spannungsdiskriminator in der Weise, daß jeweils vor seinem Ansprechen die zu reglende Ausgangsspannung sehr dicht unterhalb seines oberen Schwellwertes liegen kann, so daß die im Leerlauf erforderliche kleine Flußzeit erreichbar ist.In the DC / DC converter according to the invention, the voltage discriminator works in the manner that in each case before its response the output voltage to be regulated is very close below its upper one Threshold value can lie, so that the small flow time required during idling can be achieved.

Ein Ausführungsbeispiel des zweipunktgeregelten Gleichspannungswandlers nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Wirkungsweise des darin dargestellten astabilen Multivibrators AM und des Schmitt-Triggers ST, der als Spannungsdiskriminator dient, wird als bekannt vorausgesetzt und nicht ausführlicher beschrieben.An embodiment of the two-point regulated DC voltage converter according to the invention is explained in more detail with reference to the drawing. The mode of operation of the astable multivibrator AM shown therein and of the Schmitt trigger ST, which serves as a voltage discriminator, is assumed to be known and will not be described in more detail.

Der astabile Multivibrator AM liefert an seinem Ausgang A 1 eine Rechteckspannung vorgegebener Frequenz und vorgegebenen Tastverhältnisses. Die Frequenz des astabilen Multivibrators ist von seiner Betriebsspannung wenig abhängig. Als Betriebsspannung des astabilen Multivibrators dient die Eingangsspannung Ue. The astable multivibrator AM supplies a square-wave voltage of a given frequency and a given duty cycle at its output A 1. 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-Trigger (ST) besitzt zwei Schwellwerte seiner Steuerspannung, bei welchen er von der einen in die andere Lage kippt.The Schmitt trigger (ST) has two threshold values of its control voltage at which it flips from one position to the other.

Als Betriebsspannung des Schmitt-Triggers wird zweckmäßig die stabilisierte Ausgangsspannung Ua gewählt. An seinem Ausgang A 2 entsteht bei der gewählten Polarität der Betriebsspannung Ue und den gewählten npn-Transistoren beim Erreichen des oberen Schwellwertes ein positives Potential von etwa Ua und beim Erreichen des unteren Schwellwertes etwa das negative Bezugspotential. The stabilized output voltage Ua is expediently selected as the operating voltage of the Schmitt trigger. With the selected polarity of the operating voltage Ue and the selected npn transistors, a positive potential of approximately Ua is generated at its output A 2 when the upper threshold value is reached and approximately the negative reference potential when the lower threshold value is reached.

Ein Transistor Ts ί steuert den Basisstrom des als Stellglied dienenden Transistors Ts 2 und wird seinerseits über Widerstände R1 und R 2 einerseits vom astabilen Multivibrator AM und andererseits vom Schmitt-Trigger STgesteuert.A transistor Ts ί controls the base current of the transistor Ts 2 serving as an actuator and is in turn controlled via resistors R 1 and R 2 on the one hand by the astable multivibrator AM and on the other hand by the Schmitt trigger ST.

Der Schalttransistor Ts 2 liefert im leitenden Zustand seinen Emitterstrom in einen Ladekondensator Cl. Sein Strom wird durch die Primärinduktivität eines Übertragers Ü durch Energiespeicherung begrenzt. Wird der Schalttransistor gesperrt, so gibt der Übertrager Ü über seine Sekundärwicklung und einen Gleichrichter D1 die gespeicherte Energie an den Verbraucher ab.The switching transistor Ts 2 supplies its emitter current to a charging capacitor C1 in the conductive state. Its current is limited by the primary inductance of a transformer Ü through energy storage. If the switching transistor is blocked, the transformer Ü delivers the stored energy to the consumer via its secondary winding and a rectifier D 1.

Die Wirkungsweise der gesamten Schaltung ist folgende:The mode of operation of the entire circuit is as follows:

Wenn die Betriebsspannung eingeschaltet wird, so 5P fängt der astabile Multivibrator AM sofort an, Taktimpulse zu liefern. Solange die Ausgangsspannung Ua ihren Sollwert nicht erreicht hat, bleibt der Schmitt-Trigger STin seiner passiven Lage, in der sein Ausgang A 2 auf negativem Potential liegt, und der Transistor Ts ί kann nur vom astabilen Multivibrator über den Widerstand R1 abwechselnd leitend gemacht und gesperrt werden. Ist die Ausgangsspannung des astabilen Multivibrators positiv, so wird der Transistor TsI leitend. Die Basis des Schalttransistors 75 2 ist gegenüber seinem Emitter negativ vorgespannt und der Schalttransistor gesperrt Ist die Ausgangsspannung des astabilen Multivibrators negativ, so wird der Transistor Ts 1 gesperrt. Die Basis des Schalttransistors 7s 2 erhält über den Kollektorwiderstand R 3 des Transistors Ts 1 und einen Vorwiderstand R 4 Strom und der Schalttransistor wird leitend.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 target value, the Schmitt trigger ST remains in its passive position, in which its output A 2 is at negative potential, and the transistor Ts ί can only be made conductive and alternately by the astable multivibrator via the resistor R 1 be blocked. If the output voltage of the astable multivibrator is positive, the transistor TsI becomes conductive. The base of the switching transistor 75 2 is biased negatively with respect to its emitter and the switching transistor is blocked. If the output voltage of the astable multivibrator is negative, the transistor Ts 1 is blocked. The base of the switching transistor 7s 2 receives current via the collector resistor R 3 of the transistor Ts 1 and a series resistor R 4, and the switching transistor becomes conductive.

Bei jedem Arbeitstakt des astabilen Multivibrators AM wird der Ladekondensator Cl auf eine höhere Spannung aufgeladen, bis die Ausgangsspannung ihren Sollwert erreicht hat und der Schmitt-Trigger ST und damit der Regler in Aktion tritt. Während dieser Anlaufzeit wird der Stromfluß durch die Strombegrenzungsinduktivität immer wieder unterbrochen. Die gespeicherte magnetische Energie kann sich entladen und der Ladestrom durch den Schalttransistor bleibt in zulässigen Grenzen.With each work cycle of the astable multivibrator AM , the charging capacitor Cl is charged to a higher voltage until the output voltage has reached its setpoint and the Schmitt trigger ST and thus the controller comes into action. During this start-up time, the current flow is repeatedly interrupted by the current limiting inductance. The stored magnetic energy can discharge and the charging current through the switching transistor remains within permissible limits.

Wird der obere Schwellwert der Ausgangsspannung erreicht, so kippt der Schmitt-Trigger ST'm seine aktive Lage. Sein Ausgang A 2 nimmt positives Potential an und liefert über den Widerstand R 2 Basisstrom für den Transistor Ts 1. Dieser wird leitend und macht die Basis des Schalttransistors Ts 2 negativ, so daß der Schalttransistor gesperrt wird. Als Folge davon entlädt sich die Strombegrenzungsinduktivität und die Ausgangsspannung nimmt ab.If the upper threshold value of the output voltage is reached, the Schmitt trigger ST'm changes its active position. Its output A 2 assumes a positive potential and supplies base current for the transistor Ts 1 via the resistor R 2. This becomes conductive and makes the base of the switching transistor Ts 2 negative, so that the switching transistor is blocked. As a result, the current limiting inductance discharges and the output voltage decreases.

Kippt beim nächsten Arbeitstakt der astabile Multivibrator in die Lage, in der sein Ausgang A 1 negatives Potential hat, so wird über einem Kondensator C2 und einer Diode D2 dem Schmitt-Trigger ein differenzierter Rückführimpuls vom Ausgang A 1 zugeführt und der Schmitt-Trigger dadurch in seine passive Lage gebracht. Beide Ausgänge A 1 und A 2 liegen nun am negativen Potential, der Transistor Ti 1 ist gesperrt, der Schalttransistor 7s 2 erhält über die Widerstände R 3 und R 4 Basisstrom und wird leitend. Wird der obere Schwellwert erreicht, so wiederholt sich der Vorgang usw.If the astable multivibrator tilts into the position in which its output A 1 has negative potential during the next working cycle, a differentiated feedback pulse is fed to the Schmitt trigger via a capacitor C2 and a diode D2 from output A 1 and the Schmitt trigger thereby in brought its passive position. Both outputs A 1 and A 2 are now at negative potential, the transistor Ti 1 is blocked, the switching transistor 7s 2 receives base current via the resistors R 3 and R 4 and becomes conductive. If the upper threshold is reached, the process is repeated, etc.

Statt eines Transistors Ts 1 kann auch ein bistabiler Multivibrator verwendet werden, der dann vom astabilen Multivibrator und vom Schmitt-Trigger durch differenzierte Impulse betätigt werden kann. Dies kann von Vorteil sein, wenn eine Potentialtrennung im Meß- und Regelkreis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung benötigt wird.Instead of a transistor Ts 1, 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 of advantage if a potential separation is required in the measuring and control circuit between input and output voltage.

Als astabiler Multivibrator kann jede beliebige freischwingende Kippstufe verwendet werden.Any freely oscillating multivibrator can be used as an astable multivibrator.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Two-point-regulated DC / DC converter with constant switching frequency and regulated output voltage, with a controllable switch serving as an actuator, which is alternately conductive or blocked, a charging capacitor connected in parallel to the load and a current-limiting inductance between the switch and the charging capacitor, in which the switching frequency is determined more constant by an astable multivibrator Frequency, the output of which is connected to the control input of the switch in such a way that the switch is conductively controlled by the astable multivibrator in every working cycle, and in which a voltage discriminator arranged in the control loop and exhibiting tilting behavior is influenced by the output voltage of the DC / DC converter and the output of the voltage discriminator with the control input of the switch is connected so that the switch is blocked by the voltage discriminator in each operating cycle, characterized in that the voltage discriminators tor (ST) has an upper threshold value that determines the level of the output voltage of the DC / DC converter and a lower threshold value and its output is connected to the control input of switch (Ts 2) in such a way that switch (Ts 2) when the upper threshold value of the voltage discriminator is reached ( ST) is blocked by the output voltage and that the output of the astable multivibrator (AM) is connected to the voltage discriminator via a capacitor (C2) and a diode (D2) so that at the beginning of each current flow time of the switch (Ts 2) a differentiated feedback pulse to the input of Spannungsdiskriminators (ST) is transmitted, which is so polarized and dimensioned such that the lower threshold of the discriminator (ST) is not reached.