DE2359555A1

DE2359555A1 - Load dependent control of electronic regulators - has pulsed regulator input used to control basic load of regulator

Info

Publication number: DE2359555A1
Application number: DE2359555A
Authority: DE
Inventors: Harald Probst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-11-29
Filing date: 1973-11-29
Publication date: 1975-06-19
Also published as: DE2359555B2; DE2359555C3

Abstract

A regulating transistor is continuously subjected to a square wave input to excite an inductance. While the input pulse is positive a diode is reversed biased and only when the signal goes negative does the diode pass current from the inductance to the output circuit. For a brief period before the next input pulse appears, the diode passes no current and a fixed voltage is passed to the output circuit over a filter capacitor. While the regulating transistor is open, a coupled transistor is closed and the base resistor is loaded for a brief period.

Description

SIEMENS AKTIEHaESEII₁SCHAI¹T . München 2, aen 29.NOV. 1973 Berlin und München WitteisbacherplatzSIEMENS AKTIEHaESEII ₁ SCHAI ¹ T. Munich 2, on November 29th. 1973 Berlin and Munich Witteisbacherplatz

~ "■' . VPA 73/6223~ "■ '. VPA 73/6223

Schaltungsanordnung zum belastungsabhängigen Steuern einer Grundlast in elektronischen Reglern mit geschaltetem Stellglied. . .-■..-;"Circuit arrangement for load-dependent control a base load in electronic controllers with a switched actuator. . .- ■ ..-; "

Elektronische Regler 'mit einem im Längszweig als Stellglied liegenden Schalttransistor, einer als Energiespeicher dienenden Drosselspüle und einer im Querzweig angeordneten, entgegengesetzt zur Betriebsspannung gepolten Diode, der sogenannten !Freilaufdiode, wobei der Stelltransistor von einer Spannungsquelle mit einer Rechtecksteuerspannung z.B. konstanter Periodendauer und mit einem' von der zu stabilisierenden Ausgangsspannung abhängigen Tastverhältnis gesteuert wird, sind auch unter der Bezeichnung Schaltregler bekannt.Electronic controller 'with one in the series branch as an actuator lying switching transistor, one as energy storage serving throttle sink and one in the cross branch arranged, polarized opposite to the operating voltage Diode, the so-called! Freewheeling diode, where the Control transistor from a voltage source with a Square-wave control voltage, e.g. with a constant period and with one of the output voltage to be stabilized dependent duty cycle is controlled, are also known under the designation switching regulator.

Wenn der Stelltransistor eines solchen'Schaltreglers leitend ist, fließt über den Transistor und die Drossel ein linear ansteigender Strom zum Ausgang. Während dieser Zeit, d.h. der Durchlaßzeit des Transistors, ist die Diode gesperrt. Unterbricht nun der Taktgeber den Steuerstrom, so wird für den Drosselstrom der Entladestromkreis dadurch geschlossen, daß die nun zwangsläufig die Richtung wechselnde Induktionsspannung der Drossel die Diode in Durchlaßrichtung polt, .wobei diese Spannung nur um die Durchläßspannung der Diode und den Spannungsabfall am Wicklungswiderstand großer sein muß als die Ausgangsspannung. In dieser Pulspause entlädt sich also die gespeicherte Energie in der Drossel, über die Diode in den Ausgangskreis, normalerweise wird die -Drossel dabei nie bis zur Remanenz abmagnetisiert, da der Strom und damitWhen the control transistor of such a switching regulator is conductive, a linearly increasing current flows through the transistor and the choke to the output. During this time, that is to say the passage time of the transistor, the diode is blocked. If the clock now interrupts the control current, the discharge circuit is closed for the inductor current in that the inductive voltage of the inductor, which now inevitably changes direction, poles the diode in the forward direction, whereby this voltage is only greater by the forward voltage of the diode and the voltage drop at the winding resistance must be than the output voltage. In this pulse pause, the stored energy in the choke is discharged via the diode into the output circuit. Normally, the choke is never demagnetized to remanence because the current and with it

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der magnetische Fluß In der Drossel nur in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung gesteuert wird, d.h. ohne Rücksichtnahme auf den jeweiligen Energie inhalt der Drossel im Augenblick des ümschaltens. Hierdurch wird im Eormalfall die Periodendauer "verschieden von der Summe der Durchlaßzelt des Transistors und der Zeit, die als die Dauer der vollständigen Entladung der in der Drossel gespeicherten Energie über die Diode definiert ist. Im Extremfall kann also zwischen zwei aufeinander folgenden Stromimpulsen eine mehr oder weniger breite Iiiieke liegen, in der kein Strom über die Drossel fließt. Das ist der sogenannte leitende Betrieb, der häufig unter LeerlaufBedingung von elektronischen Schaltreglern eintritt.the magnetic flux in the throttle only as a function is controlled by the output voltage, i.e. regardless of the respective energy content the throttle at the moment of switching. Through this In the normal case, the period "is different from the sum of the transit time of the transistor and the time taken as the duration of the full discharge the energy stored in the choke is defined by the diode. In the extreme case, between two successive current pulses have a more or less wide Iiiieke, in which no current through the Throttle flows. This is the so-called leading operation, which is often under idle condition of electronic Switching regulators occurs.

In elektronischen Spannungsreglern mit geschaltetem Stellglied ist gewöhnlich eine minimale Belastung der Ausgangsspannung in Form ,einer sogenannten Grundlast nötig,-um zu verhindern, daß bei Leerlauf der Kondensator zu weit aufgeladen wird. Diese Grundlast verschlechtert den möglichen Wirkungsgrad.In switched actuator electronic voltage regulators, there is usually a minimal load on the Output voltage in the form of a so-called base load necessary to prevent the capacitor from running idle charging too far. This base load worsens the possible degree of efficiency.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen und die Schaltungsanordnung so zu gestalten, daß diese Grundlast nur bei Unterschreitung eines vorgegebenen Minimalstromes im Ausgangskreis wirksam werden kann. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Schaltmittel vorgesehen sind, die die Grundlast komplementär zu dem geschalteten Stellglied wirkend im Takt der Arbeitsfrequenz für die Zeit einschalten, während der die Ladedrossel der Regelstrecke in den sogenannten lückenden Betrieb geht. Dies wird dadurch erreicht, daß einerseits die Schaltmittel komplementär zum Stellglied wirken und andererseits die Grundlast nur dann Stromdurchflossen ist, wenn im lückendenThe invention is based on the object of eliminating this disadvantage and of improving the circuit arrangement design that this base load only when the output circuit falls below a specified minimum current can take effect. This object is achieved in that switching means are provided that the base load switch on complementary to the switched actuator acting in the cycle of the working frequency for the time, during which the charging throttle of the controlled system goes into so-called intermittent operation. this will achieved in that on the one hand the switching means act complementary to the actuator and on the other hand the base load Electricity only flows through it when im intermittent

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Betrieb die Ausgangsspannung in Sperrichtung an der Freilauf diode des Schaltreglers ansteht. Der lückende Betrieb tritt jedoch erst bei Untersehreitung einesminimalen laststromes (kritischer Strom) auf, der dem mittleren Magnet is ierüngsstrom der S chaltdrosse1.entspr icht. Auf diese Weise ist/es möglich, nur bei Minima 13ast eine Grundlast zuzuschalten; und hei Nennlast die zusätzlichen Yerluste der Grundlast zu vermeiden. ■In operation, the output voltage is applied in the reverse direction to the freewheeling diode of the switching regulator. The intermittent operation only occurs when the value falls below a minimum load current (critical current), which corresponds to the mean solenoid is iering current of the switching throttle 1. In this way it is / it is possible to only use a Add base load; and the additional ones at nominal load Avoid loss of the base load. ■

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist als komplementäres Schaltniittel ein Transistor vorgesehen, der auf vorteilhafte Weise mit der an der Freilaufdiode mit veränderlichem Tastverhältnis' anstehenden Spannung komplementär zu diesem Tastverhältnis gesteuert werden kann.,According to a further development of the invention, a transistor is provided as a complementary switching means, which is advantageous Way with that on the freewheeling diode with variable Duty cycle 'applied voltage can be controlled complementary to this duty cycle.,

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Figuren, und der dazu gehörenden Beschreibung, Die Erfindung -wird anhand der Figuren erläutert. Es zeigen: - ... -Further details of the invention emerge from the Figures, and the associated description, The invention is explained with reference to the figures. It demonstrate: - ... -

Figur 1 ein schematisches Ausführungsbeispiel der er- ■ findungsgemäßeη Iiösung mit komplementär wirkenden . Schaltern T1 und T2, " , \ ■",".'Figure 1 shows a schematic embodiment of the ■ inventive solution with complementary action. Switches T1 and T2, ", \ ■", ". '

Figur 2 den Spannungs- und Stromverlauf, .Figure 2 shows the voltage and current curve,.

Figur 3 den Schalterteil eines elektronischen· Spannungsreglers in verschiedenen bekannten Ausführungsformen,FIG. 3 the switch part of an electronic voltage regulator in various known embodiments,

Figur 4 verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsarten des zusätzlichen Sehalters mil;, der komplementär geschalteten Grundlast, _; : -:'.,.:.-. ^ "FIG. 4 shows various embodiments according to the invention of the additional holder mil; the complementarily switched base load _; : -: '.,.: .-. ^ "

Figur 5 verschiedene bekannte Siebglieder, die der Unter-"Figure 5 different known sieve members, which the sub "

YPA 9/610/2177 ';- ... - 4 -YPA 9/610/2177 '; - ... - 4 -

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drückung der infolge des periodischen An- und Abschaltens entstehenden Wechselspannungsanteile dienen undReduction of the alternating voltage components resulting from the periodic switching on and off serve and

Figur 6 Beispiele möglicher Kombinationen der Figuren 3 bis 5 .FIG. 6 Examples of possible combinations of FIGS. 3 to 5.

In der Regelstrecke mit geschaltetem Stellglied nach der Figur 1 wird eine Ladedrossel L1 während der Pulsdauer to bis ti (Fig.2) z.B. nach Fig. 3a,b über einen Transistor T1 als Stellglied mit magnetischer Energie geladen. An einer Freilaufdiode D1 liegt dabei etwa die Eingangsspannung TJ1 in Sperriehtung an. In der darauf folgenden Pulspause entlädt sich die gespeicherte Energie über die Freilaufdiode in einen Verbraucher R2 Die Freilaufdiode ist dabei in Durchlaßrichtung gepolt. Im Regelfall wird die Ladedrossel L1 dabei nie bis zur Remanenz abmagnetisiert, 'd.h. bei Beginn des nächsten Ladezyklus fließt immer noch ein Entladestrom aus der Drossel über die Freilaufdiode in den Ausgangskreis (nicht dargestellt). Erst bei Unterschreitung eines bestimmten minimalen Ausgangsstromes kann sich die ladedrossel während der Pulspause bis zur Remanenz abmagnetisieren. In der verbleibenden Zeitspanne t2 bis t3 fließt kein Strom über die Ladedrossel L1. An der Freilaufdiode D1 steht daher in diesem Zeitabschnitt die Ausgangs spannung U2 in Sperrichtung an, -vorausgesetzt, daß ein Siebkondensator CI oder ein ähnlicher Energiespeicher im Ausgangskreis vorhanden ist.In the controlled system with a switched actuator according to FIG. 1, a charging throttle L1 is activated during the pulse duration to to ti (Fig. 2) e.g. according to Fig. 3a, b via a Transistor T1 loaded with magnetic energy as an actuator. At a freewheeling diode D1 is about the input voltage TJ1 in blocking direction. In the the subsequent pulse pause, the stored energy is discharged via the freewheeling diode into a consumer R2 The freewheeling diode is polarized in the forward direction. As a rule, the charging throttle L1 is never demagnetized to remanence, i.e. at the beginning of the next Charging cycle, a discharge current still flows from the choke via the freewheeling diode into the output circuit (not shown). Only when the output current falls below a certain minimum can the Demagnetize the charging choke until it is retentive during the pulse pause. In the remaining time period t2 to t3, no current flows through the charging throttle L1. At the Freewheeling diode D1 is therefore in this time segment the output voltage U2 in reverse direction on, - provided that that a filter capacitor CI or a similar energy store is present in the output circuit.

Mit Hilfe eines zusätzlichen Schalters T2 wird die Spannung an der Freilaufdiode D1 genau dann mit einem Grundlastwiderstand R1 belastet, wenn das Stellglied T1 nicht durchgeschaltet ist, d.h. nach dem Diagramm in derWith the help of an additional switch T2, the voltage at the freewheeling diode D1 is then exactly with a Base load resistor R1 is loaded when actuator T1 is not switched through, i.e. according to the diagram in FIG

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Fig. 2 im Zeitabschnitt t1 bis t3. Da während der Stromführungsdauer der Ereilaufdiode D1 (ti bis t2) . praktisch keine Spannung an ihr ansteht, wirkt die Belastung nur während der Zeit t2 bis t3 und zieht über die Ladedrossel L1 in Gegenrichtung Strom aus dem Ausgangskreis, wie ebenfalls in der Fig. 2 zu -. ersehen ist. .2 in the time segment t1 to t3. Since during the Current carrying time of the running diode D1 (ti to t2). there is practically no voltage on it, the load only acts during the time t2 to t3 and pulls Via the charging choke L1 in the opposite direction current from the output circuit, as also in FIG. 2 to -. is seen. .

In der Pig» 2 sind Spannungs- und Stromverlauf zu der Schaltungsanordnung in der Fig. 1 im lüekenden Betriebszustand aufgezeigt. Aus dieser Darstellung ist auch zu erkennen, daß die Grundlast Ri nur während der Lücke eingeschaltet wird und daß die Auswirkungen auf den Gesamtwirkungsgrad im nicht luckenden Betrieb vernachlässigbar sind.In the Pig »2, the voltage and current curves are closed the circuit arrangement in FIG. 1 in the lüekenden Operating condition shown. From this representation it can also be seen that the base load Ri is only during the gap is switched on and that the effects on the overall efficiency in the unsuccessful operation are negligible.

Mit R U-. ■ S sind in den Figuren 3 der Jeweilige Regel- und Steuerteil bezeichnet. Figur 3a zeigt einen Schalter T1 mit pnp-Transistor' (Kollektoreingang), Fig. 3b einen Schalter T1 mit npn-Transistor (Emittereingang), Fig. 3c einen Thyr ist or als Schalter, Fig. 3d einen Schalter bestehend aus pulsbreitengesteuertem Wechselrichter, Transformator und Mittelpunktgleichrichtung, Fig. 3e als Schalter einen pulsbreitengesteuerten Wechselrichter, Transformator und Brückengleichrichtung, Fig. 3f eine analoge Darstellung des Schalters T1 entsprechend den Figuren 3d und 3e mit sinusförmigen Wechselspannungseingang , Transformat or und Mittelpunktgle ichrichtung mit Thyristorschalter, der als phasenanschnitt— gesteuerter Gleichrichter wirkt» und Fig. 3g eine entsprechende Ausführung mit halbgesteuerter Brückengleichrichtung. Darüber hinaus ist es möglich, entsprechend der Figur 3d nur eine Halbwelle auszunutzen und mit nur einer Gleichrichterdiode und einer Wicklungshälfte imWith R U-. ■ S are in the figures 3 the respective rule and control part. Figure 3a shows a switch T1 with pnp transistor '(collector input), Fig. 3b a switch T1 with npn transistor (emitter input), Fig. 3c is a thyr or as a switch, Fig. 3d is a Switch consisting of a pulse-width controlled inverter, Transformer and midpoint rectification, Fig. 3e as a switch a pulse-width-controlled inverter, Transformer and bridge rectification, 3f shows an analogous representation of the switch T1 corresponding to FIGS. 3d and 3e with a sinusoidal alternating voltage input , Transformer and midpoint direction with thyristor switch, which is used as phase control controlled rectifier acts »and FIG. 3g a corresponding one Version with half-controlled bridge rectification. In addition, it is possible, in accordance with FIG. 3d, to utilize only one half-wave and with only a rectifier diode and a winding half in

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Ausgangskreis zu arbeiten, z.B. wenn pulsbreitengesteuerte Eintaktwechselrichter anstelle von Gegentaktweehselriehtern Verwendung finden.Output circuit to work, e.g. if pulse-width controlled single-ended inverters instead of push-pull inverters Find use.

In der Pig. 4a ist eine Grundlastschaltung dargestellt, die komplementär zu dem Schalter 51 arbeitet und nur mit der Ausführungsform nach der Pig. 3a zusammen funktionsfähig ist. Die Pig. 4b zeigt einen Grundlastschalter, der über eine Diode D2 stromgesteuert wird. Wenn in dieser Sehaltungsausführung die Diode D2 viährend der Pulszeit' to bis ti stromdurchflossen ist, ist der Transistor 12-gesperrt. Wenn die Diode D2 während der Pausenzeit ti bis t3 nicht stromdurchflossen ist, fließt über einen Widerstand R3 nur· dann aufsteuernder Strom in die Basis des Transistors T2, wenn gleichzeitig lücken&er Betrieb ist und an der Diode D1 die Ausgangsspannung ansteht, d.h. während, der Zeit t2 bis t3. Der Transistor T2 arbeitet ebenfalls komplementär zu dem Transistor T1.In the pig. 4a shows a base load circuit, which works complementarily to the switch 51 and only with the embodiment according to the Pig. 3a functional together is. The Pig. 4b shows a base load switch which is current-controlled via a diode D2. If in this embodiment the diode D2 during the pulse time 'to to ti has current flowing through it the transistor 12-blocked. If the diode D2 during the pause time ti to t3 does not have current flowing through it, then flows through a resistor R3 only when it becomes open Current in the base of the transistor T2, if at the same time gaps & he is in operation and at the diode D1 the Output voltage is present, i.e. during the time t2 to t3. The transistor T2 also works in a complementary manner the transistor T1.

Die Pig. 4c zeigt eine Schaltungsanordnung, die die komplementäre Anordnung des Transistors T2 zu dem Transistor T1 zu den Ausführungsformen in den Figuren 3d und 3e sicherstellt. Beim Anliegen der durchgeschalteten Impulse während der Zeitspanne to bis ti wird über Dioden D3 und D4 Sperrpotential an die Basis des .Transistors T2 gelegt. Während der Pausen ti bis t3 fließt über den Widerstand R3 unter Bedingungen wie bei Fig.. 4b beschrieben, aufsteuernder Strom in die Basis des Transistors T2. Die Schaltungsanordnung nach der Pig. 4d zeigt die gleiche Wirkung wie die Ausführungsform nach der Pig.4c jedoch mit einer zusätzlichen Diode D6 zur Verhinderung übermäßiger Sperrspannungsbeanspruchung der Basis des Transistors T2. Die Diode D5 kann bei den Ausführungsformen nach Pig. 4c und 4d zur besseren Sperrung desThe Pig. 4c shows a circuit arrangement which is the complementary arrangement of the transistor T2 to the transistor T1 ensures the embodiments in Figures 3d and 3e. When the connected Pulses during the period to to ti are blocked via diodes D3 and D4 to the base of the transistor T2 placed. During the pauses ti to t3 flows through the resistor R3 under conditions as described in Fig. 4b, Open current into the base of the transistor T2. The circuit arrangement according to the Pig. 4d shows the same effect as the embodiment according to Pig.4c but with an additional diode D6 to prevent excessive reverse voltage stress on the base of the Transistor T2. The diode D5 can in the embodiments after Pig. 4c and 4d for better blocking of the

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Transistors T2 während der'Zeit to"bis ti angeordnet worden.Transistor T2 arranged during the 'time to' to ti been.

In der Pig. 5'a ist ein integrierendes Ausgangssiebg'lied mit einer Freilauf diode DI und in der Fig. 5b ein entsprechendes Siebglied ohne Diode dargestellt. Die Freilaufdiode wird hierbei durch die Gleicbrichterdiode im Jail der Verbindung mit den Figuren 3d und 3e" ersetzt. - :In the pig. 5'a is an integrating output strainer with a freewheeling diode DI and in Fig. 5b a corresponding filter element shown without a diode. The freewheeling diode is hereby the rectifier diode in the jail of the connection with the figures 3d and 3e "replaced. -:

In der Fig. 6 sind tabellenartig Beispiele möglicher Kombinationen der Figuren 3 bis 5 zusammengefaßt. Zu erwähnen ist ferner, daß entsprechende komplementäre Halbleiteranordnungen mit umgekehrter Polarität der eingesetzten Spannungen möglich sind.Examples of possible combinations of FIGS. 3 to 5 are summarized in a table in FIG. to it should also be mentioned that corresponding complementary Semiconductor arrangements with reverse polarity of the voltages used are possible.

7 Patentansprüche
6 Figuren7 claims
6 figures

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50382 5/03 8250382 5/03 82

Claims

ί 1. Circuit arrangement for load-dependent control a base load in electronic voltage regulators with a switched actuator (switching regulator), thereby characterized in that switching means (T2) are provided which complement the base load (B.1) to the switched actuator (T1) acting in time

* the

switch on the operating frequency while the charging choke (L1) the controlled system goes into so-called intermittent operation.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a transistor is provided as complementary switching means (112).

3. "Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the collector circuit of the transistor (T2) is the base load resistor (R1) (Fig.4a) and that the base of the transistor (T2) with the base of the complementary acting transistor (T1) is interconnected.

4. Circuit arrangement according to claims 2 and 3, d a through characterized in that the base of the transistor (T2) via a resistor (R3) is turned on and that a diode (D2) is arranged between the base and emitter of this transistor is that it is traversed by the charging current of the charging throttle (L1) in the forward direction (Fig.4b).

5. Circuit arrangement according to claims 2 to!, Thereby characterized that diodes (D3 and D4) so between the base of the tran-

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* for the time

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slstors (T2) and the output terminals of a pulse width controlled Inverter with transformer coupling are connected that during the pulse phase to to ti of each half-wave blocking potential to the base of the transistor (12) arrives or that it is at the output of a phase angle controlled rectifier circuit are connected with the same mode of operation (Pig, 4c, d) ..

6. Circuit arrangement according to claim 5 »d a d u r, eh -marked that an additional Diode '(.DS) in the emitter circuit of the transistor (T2) like this is arranged that it is switched on Transistor (T2) is stressed in the forward direction (Pig. 4c and 4d).

7. Circuit arrangement according to claim 6, dad urch geke η η ζ eic · h η et that a diode (Ί) 6) between the base and emitter of the transistor (T2) is arranged so that it is the blocking potential between the base and emitter Diode forward voltage limited.

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