DE1563058C3

DE1563058C3 - Two-point controlled DC / DC converter with constant switching frequency

Info

Publication number: DE1563058C3
Application number: DE19661563058
Authority: DE
Inventors: Joel Dr.-Ing. 7150 Backnang Korn
Original assignee: Telefunken Patentverwertungsgesellschaft mbH, 7900 Uta
Priority date: 1966-08-05
Filing date: 1966-08-05
Publication date: 1977-05-12

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 Schaltfrcquenz 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, Kippver halten 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 gespent 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 an arranged in the control loop, Kippver keep exhibiting voltage discriminator 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 spanked by the voltage discriminator.

Ein solcher Gleichspannungswandler ist bekannt (US-PS32 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 Stelliransistor. derart steuert, el a 1.5 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), magnetischeEnergie speichert und diese während des Zeitintcrvalls, 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 Stelliransistor. so controls, el a 1.5 he conductive or is blocked and a charging capacitor connected in parallel to the load from the fluctuating input voltage charges via a current-limiting impedance or interrupts charging. As a current limiting impedance can e.g. B. an inductance can be used during the time interval in which the Actuator is current-permeable (current flow time), magnetic energy and stores this during the time interval in which the actuator locks (lock time) releases the charging capacitor (Funktechnik, 1962, No. 22, p. 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 Lackkondensator von Null auf den Sollwert der Ausgangsspannung aufgeladen wird. Dabei kann die Strombegrenzungsdrossel 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 lacquer 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 RC-G\\ed in jeder Flußphase des Wandlers neu aufgeladen wird. Die Größe der Vergleichsspannung des Spannungsdiskriminators bestimmt die Aufladehöhe des /iC-Gliedes und damit die Zeit des Abschaltens.These disadvantages are significantly reduced if, as in the known DC-DC converter mentioned above (US Pat. No. 3,226,630), the controllable switch serving as an actuator is controlled by a free-running astable multivibrator of constant oscillation frequency in conjunction with a voltage discriminator. In this known DC voltage converter, the transistor serving as an actuator is made conductive by the astable multivibrator in each work cycle and blocked by the voltage discriminator. The voltage discriminator is designed as a differential amplifier and compares a reference voltage, derived from the actual output voltage of the converter by comparison with a DC reference voltage and representing the control deviation, with a sawtooth voltage obtained by integrating the pulse-shaped voltage at the output of the actuator in front of a filter choke located in the output circuit of the converter will. After each locking of the actuator, the voltage integrated by means of a /? C element is discharged via a diode, so that the RC-G \\ ed is recharged in every flow phase of the converter. The size of the comparison voltage of the voltage discriminator determines the charging level of the / iC element and thus the time it takes to switch 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 werHen, 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 comparison voltage. The comparison voltage cannot be arbitrarily small because of the saturation voltage of a transistor that supplies the comparison voltage. Hence the time interval between switching off and on can not arbitrarily werHen small, so that the required precise control at idle small F lußzeit 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 57; 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 57; 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 pulse duty factor 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 weichen er von der einen in die andere Lage kippt.The Schmitt trigger (ST) has two threshold values of its control voltage at which it tilts 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 TiI steuert den Basisstrom des als 35' Stellglied dienenden Transistors Ts 2 und wird seinerseits über Widerstände Ri und R 2 einerseits vom astabilen Multivibrator AM und andererseits vom Schmitt-Trigger Srgesteuert.A transistor TiI controls the base current of the transistor Ts 2 serving as a 35 'actuator and is in turn controlled via resistors Ri and R 2 on the one hand by the astable multivibrator AM and on the other hand by the Schmitt trigger Sr.

Der Schalttransistor Ts 2 liefert im leitenden Zustand seinen Emitterstrom in einen Ladekondensator C1. 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 DX die gespeicherte Energie an den Verbraucher ab.In the conductive state, the switching transistor Ts 2 supplies its emitter current to a charging capacitor C 1. Its current is limited by the primary inductance of a transformer U 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 DX.

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

Wenn die Betriebsspannung eingeschaltet wird, so fängt der astabile Multivibrator AM sofort an, Taktimpulse zu liefern. Solange die Ausgangsspannung Ua ihren Sollwert nicht erreicht hat, bleibt der Schmitt-Trigger ST in seiner passiven Lage, in der sein Ausgang A 2 auf negativem Potential liegt, und der Transistor Ts 1 kann nur vom astabilen Multivibrator über den Widerstand R1 abwechselnd leitend gemacht und gesperrt werden. 1st die Ausgangsspannung des astabilen Multivibrators positiv, so wird der Transistor 7s 1 leitend. Die Basis des Schalttransistors 7s 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 Ts 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 1 can only be made conductive alternately by the astable multivibrator via the resistor R 1 and be blocked. If the output voltage of the astable multivibrator is positive, the transistor 7s 1 becomes conductive. The base of the switching transistor 7s 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 Ts 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 d 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 working cycle of the astable multivibrator AM , the charging capacitor d 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 be discharged and the charging current through the switching transistor remains within permissible limits.

Wird der obere Schwellwert der Ausgangsspannung erreicht, so kippt der Schmitt-Trigger S7"in 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 7s 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 S7 "flips into 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 7s 2 becomes negative, so that the switching transistor is blocked, as a result of which the current-limiting inductance is discharged and the output voltage is decreased.

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 A1 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 7s 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 7s 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 means of 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 voltage 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 located between the switch and the charging capacitor, in which the switching frequency is determined by a Astable multivibrator of constant 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 each operating 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 is connected to the control input of the switch in such a way 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 which 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 (Ts2) in such a way that switch (Ts2) when the upper threshold value of voltage discriminator (57) is reached is blocked by the output voltage and · that the output of the astable multivibrator (AM) is connected to the voltage discriminator via a capacitor (C 2) and a diode (D 2) so that at the beginning of each current flow time of the switch (Ts2) a differentiated feedback pulse to the input of Spannungsdiskriminators (ST) is transmitted, which is so polarized and dimensioned such that the lower Schweilwert of the discriminator (ST) is not reached.