DE2212565A1

DE2212565A1 - Zweipunktregelschaltung fuer ein Gleichstromnetzgeraet

Info

Publication number: DE2212565A1
Application number: DE19722212565
Authority: DE
Inventors: Roberto Marini
Original assignee: Societa Italiana Telecomunicazioni Siemens SpA
Current assignee: Italtel SpA
Priority date: 1971-03-18
Filing date: 1972-03-15
Publication date: 1972-11-02
Also published as: US3781653A; FR2130053B1; CH540527A; FR2130053A1; GB1367114A

Description

8532-7l/H/Ro.

DB 235 . '. .

Ital.Anm. 21945 A/71

vom 18.3.1971

Societä Italiana Telecomunicazioni

Siemens s.p.a.
Piazzale Zavattari, 12, Mailand/Italien

Zweipunktregelschaltung für ein Gleichstromnetzgerät.

Die Erfindung betrifft eine Zweipunktregelschaltung für ein Gleichstromnetzgerät mit einem als Schalter arbeitenden Stelltransistor zur Teilung der Metzgleichspannung, der von Impulsen gesteuert wird, die mit einem von der zu regelnden Größe abhängigen Verhältnis ihrer Dauer zu ihrer Periode von einer Kontrollschaltung erzeugt werden. Es handelt sich um eine Spannungs- und/oder Stromregelschaltung.

Die bekannten Regler dieser Art (also Regler vom Umschalttyp) bestehen im wesentlichen aus einem normalerweise durch einen Transistor gebildeten Schalter zur Teilung der Netzgleichspannung, aus einer Kontrollschaltung, die Steuerimpulse für den Schalter erzeugt, wobei das Verhältnis der Impulsdauer zur Periode von den Änderungen der zu regelnden Größe (Strom bzw. Spannung) abhängt, aus einem LC-Filter zur Glättung der geteilten Spannung, und aus einer dem LC-Filter vorgeschalteten Diode, die den Stromkreis der Induktivität in den Zeitintervallen schließt, in denen der Schalter offen (gesperrt) ist. Wenn die zu stabilisierende Größe die Spannung ist, enthält die Kontrollschaltung einen Spannungsregelkreis, in welchem die zu regelnde Spannung mit einer Bezugsspannung verglichen wird, und eine Strombe-

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grenzungsschaltung. Letztere kann ihrerseits aus einem Stromregelkreis bestehen, in dem eine zum Laststrom proportionale' Spannung mit einer Bezugsspannung verglichen wird. In diesem > Fall kann der Regler je nach den Arbeitsbedingungen als Spannungsregler oder als Stromregler arbeiten.

Der Einsatz von (mit Umschaltung arbeitenden) Zweipunktregler schaltungen in Gleichspannungs- oder Gleichstromnetzgeraten ist, obwohl sie aufwendiger und komplizierter sind als Reihenregler, in Vorrichtungen zweckmäßig oder notwendig, bei denen es ausschlaggebend darauf ankommt, daß die Verlustleistung und somit der Raumbedarf und das Gewicht der Kühlplatten gering sind. Die Zweipunktregelung hat sich daher bei der Versorgung von fortschrittlichen elektronischen Anlagen durchgesetzt, etwa der neuesten Zeitmultiplex-Fernsprecheinrichtungen.

In diesem und anderen Anwendungsfällen ist eine der wesentlichsten Eigenschaften eines solchen Reglers sein Wirkungsgrad. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Zweipunktreglers der oben beschriebenen Art, der bei gleichen Betriebsbedingungen leistungsfähiger ist und einen besseren Wirkungsgrad hat als bekannte Regler. Das hierbei auftretende Problem besteht in der Herabsetzung der vom Schalter (Stelltransistor) verzehrten Verlustleistung durch eine verbesserte Steuerung des Schalters, und in der Herabsetzung der Verlustleistung in der Kontrollschaltung.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Regelschaltung der eingangs genannten Art die Steuerimpulse dem Stelltransistor über eine Befehlsschaltung zugeführt werden, welche einen von den Steuerimpulsen gesteuerten Stromgenerator sowie einen Steuertransistor enthält, der während der Sperrdauer des Stelltransistors gesättigt ist und die Basis des Stelltransistors mit einer Sperrvorspannungsquelle für dessen Basis-Emitter-übergang verbindet, und der vom Steuerstrom des Stelltransistors gesperrt wird.

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Vorzugsweise enthält die Regelschaltung einen Stromregelkreis, dessen Strommeßglied in den Zwei geschaltet ist, in welchen der Laststrom fließt, wenn der Stelltransistor gesperrt ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Er-findung, nämlich eines Zweipunktreglers mit einem zweifachen Regelkreis für Strom- und Spannungsregelung, der mit konstanter Frequenz arbeitet. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 das Gesamtschaltbild des Reglers;

Fig. 2a und 2b die Steuerschaltung des Stell- oder Schalttransistors in schematischer Darstellung bzw. in einer bevorzugten Realisierungsform;

Fig. 3 den Stromregelkreis; und

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung des Verhältnisses des AusgangsStroms zur Ausgangsspannung des Reglers.

Die Einzelheiten der Gesamtschaltungsanordnung sind der Darstellung in Fig. 1 zu entnehmen. Das Eingangsfilter 1 sperrt den Eingang der Schaltung für die von der Betriebsfrequenz des Stell- oder Schalttransistors 2 verursachte Störung bzw. setzt diese auf einen gewünschten Pegel herab. Der Schalttransistor 2, bei dem es sich um einen Leistungstransistor handelt, teilt die Singangsspannung V. in einem von der Kontrollschaltung bestimmten Verhältnis zwischen Sperr- und Leitdauer. Die geteilte Spannuna wird durch das dargestellte LC-Filter geglättet. Die sich hieraus ergebende Ausgangsspannung ist mit V bezeichnet. Die Diode D gestattet das Fließen eines Laststromes, wenn der Schalttransistor 2 gesperrt ist.

Die Kontrollschaltung umfaßt eine Befehlsschaltung 3, einen Sägezahnstromgenerator 7 mit einem Triggerkreis 8, einen Spannungsregelkreis sowie einen Stromregelkreis. Die Befehls- ■ schaltung 3 gibt den Umschaltbefehl für den Schalttransistor 2, dessen Umschaltzeitpunkte durch den Sägezahnstromgenerator 7 und den Triggerkreis 8 bestimmt werden. Der Spannungsregelkreis

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besteht aus einer Schaltung 11 zur Abtastung der Ausgangsspannung, aus einer Schaltung 10, welche die Bezugsspannung erzeugt, und aus einem Verstärker 9. Der Stromregelkreis besteht aus einer Strommeßschaltung 14, die in Abhängigkeit vom Laststrom eine zu ihm proportionale Spannung erzeugt, aus einer Schaltung 13, die eine Bezugsspannung erzeugt, und aus einem Verstärker 12. Der Ausgang der Verstärker 9 und 12 bestimmt über die Dioden D" bzw. D¹ den Umschaltzeitpunkt des Triggerkreises 8.

Der Schalttransistor 2 ist mit einer Schaltung 4 zum Abführen der in der Basis gespeicherten Ladung verbunden, die den Wechsel vom Leitzustand zum Sperrzustand erleichtert. Die Schaltung 4 ist mit einer Hilfs-Vorspannungsschaltung 5 versehen, und durch einen Hilfsregler 6 wird die Kontrollschaltung gespeist. Das Schaltbild gemäß Fig. 1 unterscheidet sich von bekannten und üblichen Regelschaltungen mit zweifachen Regelkreis für Strom- . und Spannungsregelung durch das Vorhandensein der Schaltung 4 sowie dadurch, daß die Strommeßschaltung 14 in den Zweig der Diode D und nicht in Serie mit der Induktivität L geschaltet ist.

Im Diagramm der Fig. 4 bezieht sich die Strecke AB auf den Betrieb als Stromregler. Die Strecke BC kann ohne Schwierigkeiten in die Strecke BC¹ umgewandelt werden, damit sich eine Stromregelung mit zurückgebogener Kennlinie ergibt. Eine Ausgangskennlinie dieser Art gestattet das Parallelschalten von mehreren Reglern mit abgestimmten oder einheitlichen Eigenschaften und somit eine Leistungsbündelung oder die Bildung einer Leistungsreserve. Bei der parallelen Anordnung von mehreren Reglern werden einige Regler dazu tendieren, mit Spannungsregelung zu arbeiten, andere dagegen mit Stromregelung.

Die Gesamtleistungsfähigkeit des Reglers hängt größtenteils vom einwandfreien Betrieb des Hauptleistungsgliedes, also des Schalttransistors 2 (bzw. Ts₁ in Fig. 2a) ab. Die Schaltverluste werden umso geringer, je näher er einem idealen Schalter kommt. Aus diesem Grunde ist es notwendig, den Schalttransistor durch ein Pefehlssignal mit steiler Front in die Sättigung z.u steuern und ihn durch ein wirksames Basis-Absaugsignal schnell zu sperren.

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Besondere Bedeutung hat die AufSteuerungsphase, da nicht nur die Schaltzeit verkürzt werden muß, damit die relativen Verluste herabgesetzt werden, sondern auch die Verzögerung zwischen dem .Aufsteuerungsbefehl und seiner Ausführung, d.h. praktisch die Speicherungszeit des Leistungstransistors. Nur wenn diese Voraussetzung erfüllt ist, ist ein einwandfreier Betrieb mit sehr niedrir gen Verhältnissen von Leitdauer zu Sperrdauer gewährleistet, wie er sich bei starken Lasttransistoren oder bei Kurzschluß am Ausgang ergeben soll.

Es sei nun auf das Schaltbild der Fig. 2a Bezug genommen. Der Widerstand R₁ hält normalerweise den Steuertransistor Ts₂ gesättigt, so daß die Easis des Schalttransistors Ts₁ mit dem negativen Pol der HilfsSpannungsquelle V₁ verbunden ist. .

über die Dioden Dl und D2 schaltet der vom Stromgenerator I₁ erzeugte Steuerstrom den Transistor Ts₂ für die gesamte Zeitdauer, in der der dargestellte elektronische Schalter Ct₁ geschlossen ist, in den Sperrzustand und bringt den Transistor Ts₁ in die Sättigung. Wenn der Schalter Ct₁ sich öffnet, wird der Transistor Ts₂ wieder gesättigt. Er bewirkt die schnelle Entladung der Basis des Transistors Ts₁. Der Stromgenerator I₁ gewährleistet einen von der Spannung V. unabhängigen Steuerstrompegel und verringert somit die von der Steuer- oder Befehlsschaltung verursachten Verluste über einen weiten Änderungsbereich der Eingangsspannung V..

Die Einzelheiten der Eefehlsschaltung sind Fig. 2b zu entnehmen, so daß sich eine genaue Beschreibung der einzelnen Schaltverbindungen erübrigt. Der Transistor Ts^, der Widerstand R und die Z -Diode Z. bilden den Stromgenerator, der vom Steuersignal V angesteuert wird. Der Stell- oder Schalttransistor Ts₁ ist in einer Darlington-Schaltung mit dem Transistor Ts^ vereint, damit das Leistungsniveau des Steuersignals herabgesetzt wird. Diese Verbundschaltung verhindert gleichzeitig die Übersättigung des Schalttransistors Ts₁ und verbessert sein Verhalten als Schalter. Der Transistor Ts₂ dient für die Basisentladung des Schalttransistors Ts₁ beim Aussetzen des vom Transistor Ts₀ erzeugten ¹ 209845/06 64 ³

Steuerstroms. Die mit der Induktivität L magnetisch gekoppelte Sekundärwicklung M₂ erzeugt eine Spannung, die nach Gleichrichtung durch die Diode D, eine über dem Kondensator C. liegende negative Hilfsspannung (Sperrspannung) ist.

Nie im einzelnen Fig. 3 zu entnehmen ist, wird die Spannung, die von dem im Widerstand R fließenden Strom I erzeugt

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wird, mit einer Bezugsspannung verglichen, die bei Vernachlässigung eines unwesentlichen Spannungsabfalls am Widerstand R~ die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Ts₅ ist. Auch die v/eiteren Einzelheiten des Stromregelkreises sind Fig. 3 zu entnehmen. ^t7enn der Strom einen festgelegten Wert erreicht, hat das vom Verstärker des Stromregelkreises kommende Signal den Vorrang vor dem vom Spannungsregelkrexs gelieferten Signal und nimmt dessen Platz beim Bestimmen des Teilungsgrades des Systems ein. Unter diesen Voraussetzungen hat die im Punkt B über die Diode D¹ des Stromregelkreises angelegte Spannung den Vorrang vor der Ausgangsspannung des Spannungsregelkreises und sperrt für diese die Diode D".

Die Feststellung der Größe des Laststromes erfolgt nur mittels Abtastproben des Laststromes. Der Laststrom fließt nämlich durch die Diode D und somit im Strommeßwiderstand R nur

in den Zeitintervallen, in denen der Transistor Ts₁ gesperrt ist. Diese Stromabtastung liefert alle notwendigen Informationen. Die Einregelung des Systems erfolgt dadurch, daß der Beginn des Leitzustandes des Schalttransistors Ts, gegenüber einer bestimmten Bezugszeit verändert wird. Nach seiner Aufsteuerung hängt der Zustand des Schalttransistors bis zum Ende der Periode nicht mehr vom Steuersignal ab. Die Kontrolle des Systems ist nur im Zeitintervall wirksam, in welchem der Schalttransistor Ts₁ gesperrt ist und der Strom durch die Diode D und den \7iderstand R₀ fließt.

Wenn man mittels der Klemmenbrücke P den Fr itter des Transistors Ts₅ über den Widerstand R₃ mit der Ausgangsspannungsklemme verbindet, wird der Einschalt- oder Eingreifschwellwert des Transistors Ts₁- von der Ausgangsspannung V abhängig, wodurch

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sich eine Stromregelung mit zurückgebogener Kennlinie ergibt. Das aus den Widerständen R₄ und R₅ sowie dem Kondensator C-bestehende Netzwerk bestimmt die Amplitude des Ausgangssignals des Transistors Ts^ und verbessert seine Phase.

Der oben .beschriebene Stromregelkreis hat wesentliche Vorteile: Der Strommeßwiderstand R ist mit einem Ende an die (positive) Speiseschiene der Regelschaltung angeschlossen, wodurch 'lie schal tungs technische Realisierung des Regelkreises vereinfacht wird_f und er ist nur für einen Bruchteil der Teilungsperiode in Betrieb, wodurch die Verlustleistung herabgesetzt wird. Der zu regelnde Strom wird vor dem LC-Filter abgetastet, wodurch die Stabilität des Regelsystems verbessert wird. Da die Stromregelung vor dem LC-Filter erfolgt, kann ferner bei Inbetriebnahme der Kondensator C mit geregeltem Strom geladen werden, was den Vorteil hat, daß gefährliche Stromspitzenwerte und eine Entsättigung des Schalttransistors Ts. vermieden werden.

Eei einer praktischen Realisierung der in der Zeichnung dargestellten Regelschaltung gemäß der Erfindung wurde für Ά usgangsspannungen zwischen 5 und 48 Volt und für Ausgangsströme bis 20 Ampere ein VJirkungsgrad zwischen 75% und 92 % gemessen. Größe und Gewicht des Gerätes waren vergleichsweise sehr gering. Das Verhältnis des Gerätevolumens zur Leistung betrug für eine Ausgangsleistung von etwa 200 Watt (z.B. bei einer Ausgangsspannung von 36 Volt und einem Ausgangsstrom von 5,5 Ampere) etwa 3 cm /Watt, wobei lediglich die Kühlrippen unberücksichtiat Geblieben sind.

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Claims

- 8 Patentansprüche

.)) Zweipunktregelschaltung für ein Gleichstromnetzgerät mit einem als Schalter arbeitenden Stelltransistor zur Teilung der Netzgleichspannung, der von Impulsen gesteuert wird, die mit einem von der zu regelnden Größe abhängigen Verhältnis ihrer Dauer zu ihrer Periode von einer Kontrollschaltung erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse dem Stelltransistor (Ts₁) über eine Steuerschaltung zugeführt werden, welche einen von den Steuerimpulsen gesteuerten Stromgenerator (I₁) sowie einen Steuertransistor (Ts₀) enthält, der während der Sperrdauer des Stelltransistors (Ts₁) gesättigt ist und die Basis des Stelltransistors mit einer Sperr-VorSpannungsquelle (V₁) für dessen Basis-Emitter-übergang verbindet, und der vom Steuerstrom des Stelltransistors (Ts₁) gesperrt wird.
2.) Regelschaltung nach Anspruch 1 mit einem Stromregelkreis in der Kontrollschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß das Strommeßglied (R) des Stromregelkreises in Reihe mit einer Diode (D) geschaltet ist, durch die der Laststrom fließt, wenn der Stelltransistor (Ts₁) gesperrt ist.
3.) Regelschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregelkreis aus einem mit der Diode (D) in Reihe geschalteten Widerstand (R ) und aus einer Verstärkerstufe besteht, die von einem Transistor (Ts,-) in Basisschaltung gebildet wird, dessen Basis-Emitter-Spannung die Bezugsspannung des Regelkreises ist (Fig. 3).

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