DE2323482A1 - TRANSFORMERLESS POWER SUPPLY DEVICE STABILIZED BY CYCLE FOR CONNECTION TO DC VOLTAGE SOURCES - Google Patents
TRANSFORMERLESS POWER SUPPLY DEVICE STABILIZED BY CYCLE FOR CONNECTION TO DC VOLTAGE SOURCESInfo
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Description
Transformatorloses, durch Taktung stabilisiertes Stromversorgungsgerät zum Anschluß an Gleichspannungsquellen Die Erfindung betrifft ein transformatorloses, durch Taktung stabilisiertes Stromversorgungsgerät, das eingangsseitig an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist.Transformerless power supply device stabilized by clocking for connection to DC voltage sources The invention relates to a transformerless, Power supply device stabilized by clocking, which is connected to a DC voltage source on the input side connected.
Transformatorlose Stromversorgungsgeräte für Gleichstromverbraucher, die ein anderes Spannungsniveau benötigten als das einer zur Verfügung stehenden GlEichspannungsquelle, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt, Eine sehr bekannte Ausführung enthält einen mit Halbleiterbauelementen (Transistoren oder Thyristoren) aufgebauten taktgesteuerten Schalter; der den Stromkreis zwischen Gleichstromquelle und Verbraucher periodisch unterbricht.Transformerless power supply devices for direct current consumers, that require a different voltage level than the one available DC voltage sources are known in various designs, a very well-known one Version contains one with semiconductor components (transistors or thyristors) built-up clock-controlled switch; of the circuit between DC power source and interrupts the consumer periodically.
Durch das periodische Öffnen und Schließen dieses Schalters kann der Mittelwert der am Ausgang des Stromversorgungsgerätes zur Verfügung stehenden Gleichspannung in weiten Grenzen verändert werden, indem das Verhältnis von Einschalt dauer zu Ausschaltdauer des getakteten Schalters verändert wird. Der Mittelwert der Ausgangsspannung ist aber stets kleiner als die Eingangsspannung. Den Vorteilen dieser Geräte, insbesondere ein geringeres Leistungsgewicht, stehen auch Eigenschaften gegenüber, die bei manchen Anwendungen einschränkend wirken; a) Es ist unmöglich, Ausgangsspannungen zu erreichen, die höher sind, als die der zur Verfügung stehenden Gleichspannungsquelle.By periodically opening and closing this switch, the Average value of the DC voltage available at the output of the power supply unit can be changed within wide limits by the ratio of the duty cycle to The switch-off duration of the pulsed switch is changed. The mean value of the output voltage but is always lower than the input voltage. The advantages of these devices, in particular a lower power to weight ratio, there are also properties which have a restrictive effect in some applications; a) It is impossible to get output voltages that are higher than that of the available DC voltage source.
b) Es ist unmöglich, Sollwerte der Ausgangsspannung zu erreichen, die sich nur gering von der Spannung der Gleichstrommquelle unterscheiden. b) It is impossible to achieve setpoints of the output voltage, which differ only slightly from the voltage of the direct current source.
Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile von transformatorlosen Stromversorgungsgeräten zu vermeiden und ein Gerät zum Anschluß an Gleichspannungsquellen zu entwickeln, das eine Ausgangsspannung abgeben kann, deren Mittelwert sowohl größer oder kleiner als die Spannung der Gleichstromquelle, als auch gleich dieser sein kann, ohne daß eine umschalteinrichtung betätigt werden muß. Gleichzeitig so via Verfahren zunI Betrieb eines solchen Stromversorgungsgerätes aufgezeichnet werden.The object of the invention is to overcome the above-mentioned disadvantages of transformerless Avoid power supply devices and a device for connection to DC voltage sources to develop that can deliver an output voltage, the mean value of which is both greater or less than the voltage of the direct current source, as well as being equal to this can without a switching device having to be operated. At the same time so via Procedures for the operation of such a power supply device are recorded.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem einen Pol der Gleichspannungsquelle und einem Siebkondensator die Reihenschaltung eines ersten Schalters, einer Drossel und einer Diode angeordnet ist, daß zwischen Schalter und Drössel eine Freilaufdiode gegen den anderen Pol der Gleichspannungsquelle und zwischen Drossel und Diode ein zweiter Schalter ebenfalls gegen den anderen Pol ge schaltet sind, und daß ein durch die Aussgangsspannung angesteuerter Regler vorgesehen ist, über den Jeweils einer der Schalter periodisch betätigbar ist.This object is achieved in that between the one pole of the DC voltage source and a filter capacitor form the series connection a first switch, a choke and a diode is arranged between Switch and Drössel a freewheeling diode against the other pole of the DC voltage source and between the choke and the diode a second switch also against the other Pole are switched, and that a regulator controlled by the output voltage is provided, via which one of the switches can be actuated periodically.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist bei Taktung des ersten Schalters der zweite Schalter geöffnet.According to one embodiment of the invention, when the is clocked first switch, the second switch is open.
Erfindungsgemäß ist zwischen den ersten Schalter und die Freilaufdiode einerseite und die Drossel andererseite ein Shunt geschaltet, über den im Regler ein Schwellwertschalter mit Hysterese, im folgenden kurz Schwellwertschalter genannt. ansteuerbar it.According to the invention is between the first switch and the freewheeling diode On the one hand and the throttle on the other, a shunt is connected via the controller a threshold switch with hysteresis, hereinafter referred to as a threshold switch for short. controllable it.
Das Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Stromversorgungsgerätes ist durch dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert der Ausgangsspannung mit Hilfe zweier Komparatoren mit zwei Referenzspannungen verglichen wird, daß über die URD-Gatter jeweils eine Verknüpfung der Ausgangssignale der Komparatoren mit dem Ausgangssignal des über den im Lastkreis liegenden Shunt angesteuerten Schwellwertschalters hergestellt wird, und daß die Schalter über die Ausgangssignale der UND-Gatter angesteuert werden.The method for operating a power supply device according to the invention is characterized in that the actual value of the output voltage using two comparators with two reference voltages is compared that via the URD gate a link between the output signals of the comparators and the output signal of the threshold switch controlled via the shunt in the load circuit and that the switches are controlled via the output signals of the AND gates.
Im folgenden wird anhand der Figuren 1 w..d 2 ein transformatorloses Stromversorgungsgerät gemäß der Erfindung näher erläutert.In the following, with reference to Figures 1 w..d 2, a transformerless Power supply device according to the invention explained in more detail.
Der Eingang des Gerätes ist an eine Gleichspannungsquelle 1 angeschlossen. Der eine Pol der Gleichspannungsquelle 1 ist über einen taktgesteuerten Schalter 2 mit einer Dioae 3 verbunden, die für diese Gleichspan- in Sperrichtung gepolt ist. Weiterhin liegt der Verbindungspunkt t von Schalter 2 und Diode 3 an dem einen Ende einer Drosselspule 4. An dem anderen Ende der Drosselspule 4 liegt ein weiterer taktgesteurter Schalter 5, der diesen Schaltungspunkt periodisch mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle 1 verbinden kann. An dem Verbindungspunkt von Drossel 4 und Schalter 5 ist der eine Pol einer Diode 6 angeschlossen, deren anderer Pol an einen parallel zu den Ausgangsklemmen liegenden Siebkondensator 7 und Lastkreis 8 angeschlossen ist Die Ist-Spannung wird als Regelgröße dem Regelverstärker 9 zugeführt und dert mit einer Refernzspannung 10 verglichen. Die Ausgänge des Regelvorstärkers sind mit den Steuerelektroden der taktgesteuerten Schalter 2, 5 verbunden.The input of the device is connected to a DC voltage source 1. One pole of the DC voltage source 1 is via a clock-controlled switch 2 connected to a Dioae 3, which is polarized in the reverse direction for this DC voltage is. Furthermore, the connection point t of switch 2 and diode 3 is at one End of a choke coil 4. At the other end of the choke coil 4 there is another clock-controlled switch 5, which this switching point periodically with the other Pole of the DC voltage source 1 can connect. At the junction of throttle 4 and switch 5, one pole of a diode 6 is connected, the other pole of which to a filter capacitor 7 and load circuit lying parallel to the output terminals 8 is connected. The actual voltage is fed to the control amplifier 9 as a controlled variable and compared with a reference voltage 10. The outputs of the The control preamplifier is connected to the control electrodes of the clock-controlled switches 2, 5 tied together.
In Figur 2 ist die Austeuerung der beiden Schalter eines erfindungsgemäßen Strommversorgunsgerätes nach Figur 1 näher dargestellt.In Figure 2, the control of the two switches is an inventive Power supply device according to Figure 1 shown in more detail.
An der Eingangsseite des Gerätes liegt ein durch Impulse steuerbarer Schalter 2, der die Versorgungsspannung mit d-?m Shv.nt So und der Kathode der Freilaufdiode dauernd oder periodisch verbinden kann. An die Meßklemmen des Shuntes 20 ist ein Schwellwertschalter 25 mit Hysterese, z.B. ein Schmitt-Trigger, angeschlossen. An den Shunt 20 ist das eine Wicklungsende der Drossel 4 angeschlossen. Das andere Wicklungsende dieser Drossel ist mit: der zum Geräteausgang führenden Diode 6 und mit dem durch Impulse steuerbaren Schalter 5 verbunden. Am Ausgang des Gerätes liegt der Siebkondesator 7 und der Verbraucher 8. Der Ist-Wert dir Ausgangsspannung wird dem Komparator 21 zugeführt und dort mit der Referenzspannung Uref 1 verglichen. Der Ist-Wert der Ausgangs spannung wird ebenfalls dem Komparator 22 zugeführt und dort mit der Referenzspannung Uref 2 verglichen. Die Referenzspannung Uref l ist um einen geringen Betrag größer als die Referenzspannung Uref 2' Die Ausgänge beider Komparatoren führen jeweils auf die Und Gatter 23 und 24, die eine Verknüpfung mit dem Ausgang des Schwelle wertschalters 25 herstellen. Der Ausgang des Gatters 23 ist auf auf den Steuereingang des Schalters 2 geschaltet, der Ausgang des Gatters 24 auf den Steuereingang des Schalters 5.On the input side of the device is a controllable by pulses Switch 2, which connects the supply voltage with d-? M Shv.nt So and the cathode of the freewheeling diode can connect continuously or periodically. At the measuring terminals of the shunt 20 is a Threshold switch 25 with hysteresis, e.g. a Schmitt trigger, connected. At one end of the winding of the choke 4 is connected to the shunt 20. The other The winding end of this choke is with: the diode 6 and leading to the device output connected to the switch 5 controllable by pulses. At the output of the device lies the filter capacitor 7 and the consumer 8. The actual value of the output voltage is fed to the comparator 21 and compared there with the reference voltage Uref 1. The actual value of the output voltage is also fed to the comparator 22 and compared there with the reference voltage Uref 2. The reference voltage Uref l is by a small amount greater than the reference voltage Uref 2 'The outputs of both Comparators each lead to the AND gates 23 and 24, which are linked with the output of the threshold value switch 25 produce. The output of gate 23 is switched to the control input of switch 2, the output of the gate 24 to the control input of switch 5.
Die stationäre Arbeitsweise diese Stromversorgungsgerätes läßt sich am besten durch die Unterscheidung dreier Betriebszustände verstehen: Der eine Betriebszustand liegt vor, wann die Ausgangs spannung des Gerätes auf einen Wert eingeregelt wird, dor kleiner ist als die Eingangsspannung. Ein anderer Betriebszustand liegt vor, wenn die Ausgangsspanung des Gerätes auf einen Wert eingeregelt wird, der größer ist als die Ringangsspannung. Der dritte Betriebszustand schließlich liegt vor, wenn die Ausgangsspannung praktisch gleich der Eingangsspannung ist.The stationary mode of operation of this power supply device can best understood by distinguishing between three operating states: The one operating state is when the output voltage of the device is adjusted to a value will, dor is less than the input voltage. Another operating status is present, when the output voltage of the device is regulated to a value that is greater is than the ring input voltage. Finally, the third operating state is present, when the output voltage is practically equal to the input voltage.
Der erste Betriebszustand ist dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert des Istwertes der Ausgangsspannung auf die Höhe der Referenzspannung Uref 1 eingeregelt ist. Da der Mittelwert des Ist-Werten somit größer ist als die Refernzspannung Uref 2, gibt der Komparator 22 ein Sperrsignal auf das Gatter 24 und dadurch ist der Schalter 5 ständig nichtleitend. Der Komparator 21 arbeitet zusammen mit dem Schalter 2 als Zweipunktregler und bewirkt damit, daß der Schalter 2 sich periodisch öffnet und schließt. In der stromführenden Phase des Schalters fließt ein ansteigender Gleichstrom über die Drossel 4 zum Kondensator 7 und in den Lastkreis am Ausgang und die Ausgangsspannung steigt etwas. In der stromlosen Phase des Schalters 2 wird die in der Drossel gespeicherte magnetische Energie an den Stebkondensator 7 und den Lastkreis abgegeben, indem die Diode 3 als Freilaufdiode in Funktion tritt; die Ausgangsspannung fällt etwas. Im stationären Betrieb hat daher die Ausgleichsspann in diesem Betriebszustand eine sägezahnförmig überlagerte Wechsel-Spannung.The first operating state is characterized in that the mean value of the actual value of the output voltage is adjusted to the level of the reference voltage Uref 1 is. Since the mean value of the actual values is thus greater than the reference voltage Uref 2, the comparator 22 gives a lock signal to the gate 24 and thereby the Switch 5 continuously non-conductive. The comparator 21 works together with the switch 2 as a two-position controller and thus causes switch 2 to open periodically and closes. In the current-carrying phase of the switch, there is a rising flow Direct current through the choke 4 to the capacitor 7 and into the load circuit at the output and the output voltage increases a bit. In the de-energized phase of switch 2 is the magnetic energy stored in the choke to the star capacitor 7 and released the load circuit in that the diode 3 acts as a freewheeling diode; the output voltage drops slightly. In steady-state operation, the compensating tension therefore has in this operating state a sawtooth superimposed alternating voltage.
Der zweite Betriebszustand ist dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert des Ist-Wertes der Ausgangsspannung auf die Höhe der Referenzspannung Uref 2 eingeregelt ist. Da der Mittelwert des Ist-Wertes nun kleiner ist als die Referenz-Spannung Uref 1' gibt der Komparator 21 ständig ein Einschaltsignal auf das UND-Gatter 23. Gibt der Schwellwertschalter 25 ebenfalls ein Einschaltsignal auf das Gatter 23, so ist der Schalter 2 geschlossen. Der Komparator 22 arbeitet zusammen mit dem Schwellwertschalter 25 und dem Schalter 5 als periodisch schalt ender Regler nach folgender Arbeitsweise Wird bei absinkender Ausgangsspannung die Einschaltschwelle des Komparators 22 ereicht, so wird der Schalter 5 eingeschaltet. Zwar sinkt die Ausgangsspannung weiter, die Drossel 4 ist nun aber parallel zur Gleichspannungsquelle 1 geschaltet und erhöht ihre magnetische Energie. Durch die Drosselfließt ein ansteigender Strom, bis die Spannungs am Shunt 20 so groß ist, daß die obere Ansprechschwelle des Schwellwertschalters 25 erreicht wird. Die UND-Bedingungen an den Eingängen der Gatter 23 und 24 werden deshalb nicht mehr erfüllt und somit werden die Schalter 2 und 5 geöffnet.The second operating state is characterized in that the mean value of the actual value of the output voltage is adjusted to the level of the reference voltage Uref 2 is. Because the mean value of the actual value is now smaller than the reference voltage Uref 1 ', the comparator 21 continuously sends a switch-on signal to the AND gate 23. If the threshold switch 25 also gives a switch-on signal to the gate 23, so switch 2 is closed. The comparator 22 operates together with the threshold switch 25 and the switch 5 as a periodically switching regulator according to the following operating principle, the switch-on threshold becomes when the output voltage drops of the comparator 22 is reached, the switch 5 is switched on. Although it sinks Output voltage continues, but the choke 4 is now parallel to the DC voltage source 1 switched and increases their magnetic energy. Through the throttle a rising one flows Current until the voltage at shunt 20 is so great that the upper response threshold of the threshold switch 25 is reached. The AND conditions at the inputs the gates 23 and 24 are therefore no longer satisfied and thus the switches 2 and 5 open.
Unter Verringerung ihres Energieinhaltes führt die Drossel 4 dem Siebkondensator 7 und dem Lastkreis über die Freilaufdiode 3 Energie zu und bewirkt, daß sich die Ausgangsspannung leicht erhöht.The choke 4 leads the filter capacitor while reducing its energy content 7 and the load circuit via the freewheeling diode 3 energy and causes the Output voltage slightly increased.
Die Schalten 2 und 5 können erst wieder leitend werden, wenn der Strom durch den Shunt 20 und Drossel 4 so weit abgesuni--en ist, daß die Spannung n Shunt 2e den unteren Ansprechwert des Schwellwertschalters unterschreitet. Der schreitet den Mittelwert des Ist-Wertes der Ausgangsspannung wiederum db Referenzspannung Uref 2s so beginnt der Zyklus von neuem.Switches 2 and 5 can only become conductive again when the current through the shunt 20 and choke 4 has fallen so far that the voltage n shunt 2e falls below the lower response value of the threshold switch. He walks the mean value of the actual value of the output voltage in turn db reference voltage Uref 2s the cycle starts again.
Der dritte Betriebszustand ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs spannung zwischen der Einschaltschwelle des Komparators 21 und dor Ausschaltschwelle des Komparators 22 liegt. In diesem Fall ist der Schalter 2 ständig geschlossen und der Schalter 5 ständig geöffnet; keiner der beiden Schalter wird getaktet. Der Lastkreis 8 wird hierbei aus der Gleichspannungsquelle l gespeist. Der Spannungsbereich, in dem dieser ungeregelte Betriebszustand vorliegt, läßt sich aber durch kleine Differenz der beiden Referenzspannungen Uref1 und Uref2 sehr klein halten. Um die sichere Funktion des Gerätes auch bei Einschalten der Eingangsgleichspannung zu gewährleisten und auch bei Übestrom im Lastlcrei.s 8 die ÜDerlastung der Bauelemente des Gerätes zu vermeiden, wird der Shunt 20 und der Schwellwertschalter 25 zur Beeinflussung dcr Schaltphasen dcs Schalters 2 benutzt. Dios geschieht über das Gatter 23.The third operating state is characterized in that the output voltage between the switch-on threshold of the comparator 21 and the switch-off threshold of the comparator 22 is located. In this case, the switch 2 is always closed and the switch 5 is always open; neither of the two switches is clocked. Of the Load circuit 8 is fed here from DC voltage source l. The voltage range, in which this unregulated operating state exists, but can be through small difference of the two reference voltages Uref1 and Uref2 are very small keep. To ensure the safe function of the device even when the DC input voltage is switched on to ensure and also with overcurrent in the load circuit 8 the overloading of the components To avoid the device, the shunt 20 and the threshold switch 25 are used to influence The switching phases of switch 2 are used. Dios happens via gate 23.
Ein erfindungsgemäße Stromversorgungsgerät kann eine Spannung abgeben, deren Mittelwert höher oder niedriger liegen kann, als die Spannung der Gleichspannungsquelle und auch gleich der Spannung der Gleichspannungsquelle sein kann.A power supply device according to the invention can deliver a voltage, whose mean value can be higher or lower than the voltage of the DC voltage source and can also be equal to the voltage of the DC voltage source.
Zur Aussteuerung der beiden Schalter, die beispeilsweise aus Halbleiter-Bauelemente aufgebaut sind, genügt ein einziger Regler.To control the two switches, which are made from semiconductor components, for example a single controller is sufficient.
Eine besondere vorteilhafte Anwendung finet ein solches Stromversorgungsgerät dann, wenn ein elektrischer Verbrauchor aus einer Batterie gespeist werden soll, deren mittere Entladespannung gleich der Mennspannung des Verbrauchers ist. Da der Anfangswert der Entladespannung der Batterie um einiges höher .i.st als die Nennspannung des Verbrauchers, muß das Stromversorgungsgerät die Spannung herabsetzen, damit der Verbraucher nicht überlastet wird.A power supply device of this type is particularly advantageous when an electrical consumer is to be fed from a battery, whose mean discharge voltage is equal to the nominal voltage of the consumer. Since the The initial value of the battery's discharge voltage is somewhat higher .i.st than the nominal voltage of the consumer, the power supply device must reduce the voltage so that the consumer is not overloaded.
In Abhangigkeit, vom Ladezustand sinkt die Spannung der Batterie ab und unterschreitet die Nenspannung es Verbrauchers. Das Gerät, setzt nach die Spannung herauf und verhindert, daß der Verbraucher mit Unterspannung betrieben wird. Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Stromversorgungsgerätes besteht darin, daß es möglich ist, die vorhandene Batteriekapazität besser auszunutzen.The voltage of the battery drops depending on the state of charge and falls below the rated voltage of the consumer. The device resumes the voltage up and prevents the consumer from being operated with undervoltage. A Another advantage of the proposed power supply is that it is possible to make better use of the available battery capacity.
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