DE2450728C3

DE2450728C3 - Switching regulator with transistor control element for generating a continuously adjustable stabilized output voltage

Info

Publication number: DE2450728C3
Application number: DE19742450728
Authority: DE
Inventors: Peter 8000 München Koth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1974-10-25
Publication date: 1977-05-26

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Schallregler mit Transistorstellglied zur Erzeugung einer stetig einstellbaren stabilisierten Ausgangsspannung und einer Einrichtung zur Überstrombegrenzung für Verbraucher mit Kaltleiterverhalten.The invention relates to a sound regulator with Transistor actuator for generating a continuously adjustable stabilized output voltage and a Device for overcurrent limitation for consumers with PTC behavior.

Als Verbraucher mit Kaltleiterverhalten sind Glühlampen bekannt. Der Kaltwiderstand derartiger Verbraucher wird extrem niedrig, wenn eine große Anzahl von Glühlampen, z. B. als Signallampen, einer Anzeigevorrichtung paraüelgeschaitei sind. Soller, die Signallampen nicht nur einzeln, sondern auch in größeren Stückzahlen gleichzeitig einschaltbar sein, dann kann der Einschaltstromstoß in der Größe einem Kurzschlußstrom gleichkommen.Incandescent lamps are known as consumers with PTC behavior. The cold resistance of such consumers becomes extremely low when a large number of incandescent lamps, e.g. B. as signal lamps, a display device paraüelgeschaitei are. Soller, the signal lamps can be switched on not only individually, but also in large numbers at the same time, then the inrush current is equivalent in size to a short-circuit current.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Schaltung zur Erzeugung einer stetig einstellbaren Ausgangsspannung anzugeben, die auch bei extrem niedrigem Einschalt-Lastwiderstand ein sicheres Einschalten ermöglicht, ohne jedoch auf eine wirksame Überstrombegrenzung bei Kurzschluß verzichten zuThe invention is based on the object of a simple circuit for generating a continuously adjustable Specify output voltage, which is a safe even with extremely low switch-on load resistance Switching on enables without, however, having to forego an effective overcurrent limitation in the event of a short circuit

müssen. , ,. . r . , ,have to. ,,. . r. ,,

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß die über Transistoren einzeln oder in Gruppen einschaltbaren Verbraucher mit einer durch Phasenwinkelsteuerung geregelten Spannung sinusförmiger Halbwellen gespeist sind, daß die Überstrombegrenzung unter Verwendung eines vom Steuerstrom für das Transistorstellglied aufladbaren /?C-Gliedes beim Einschalten der Verbraucher und bei Kurzschluß unabhängig von der Phasenwinkelsteuerung erfolgt und daß die Aufladung des flC-Gliedes cm kurzzeitiges begrenztes Absenken oder ein Abschalten der Ausgangsspannung bewirkt.According to the invention, this object is achieved in that the loads that can be switched on individually or in groups via transistors are fed with a voltage of sinusoidal half-waves regulated by phase angle control, that the overcurrent limitation using a /? C element that can be charged by the control current for the transistor actuator when the loads are switched on and in the event of a short circuit, it takes place independently of the phase angle control and that the charging of the FIC element cm causes a brief, limited lowering or switching off of the output voltage.

Das Steuerkriterium für das Transistorstellglied wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung durch Vergleich einer durch Siebung der Ausgangsspannung erhaltenen veränderbaren Meßspannung mit einer von sinusförmigen Halbwellen der Eingangsspannung abgeleiteten Sägezahnspannung erhalten.The control criterion for the transistor actuator is according to an advantageous development of the invention by comparing a variable measurement voltage obtained by sieving the output voltage with a obtained sawtooth voltage derived from sinusoidal half-waves of the input voltage.

Die aus dem Vergleich der Meßspannung mit der Sägezahnspannung erhaltende Sk-uei spannung schaltet einen Umkehrtransistor, dessen Kollektor einen Steuerstrom in Form von phasenwinkelgesteuerten Halbwellen an eine Verbund-Transistorstufe des Transistorstcllgliedes liefert.The Sk-uei voltage obtained from the comparison of the measuring voltage with the sawtooth voltage switches a reversing transistor whose collector generates a control current in the form of phase-angle-controlled half-waves supplies to a composite transistor stage of the transistor element.

Die Überstrombegrenzung erfolgt gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mittels eines flC-Para'lelgliedes, das zwischen der Basis des Transistorstellgliedes bzw. der Verbund-Transistorstufe und dem Ausgang des Schaltreglers in Reihenschaltung mit der Emitter-Kollektor-Strecke des Stromüberwachungstransistors angeordnet ist und wobei der Stromüberwachungstransistor in Abhängigkeit vom Spannungsabfall am laststromdurchflossenen Strommeßwiderstand gesteuert ist.The overcurrent is limited according to an advantageous development of the invention by means of a flC-Para'lelelementes between the base of the transistor actuator or the composite transistor stage and the output of the switching regulator in series with the emitter-collector path of the current monitoring transistor is arranged and wherein the Current monitoring transistor depending on the voltage drop at the current measuring resistor through which the load current flows is controlled.

Für die Strombegrenzung im Falle eines Kurzschlusses ist in der Begrenzerschaltung ein weiterer Transistor vorgesehen, dessen Kolleklor-Emitter-Sirecke die Basis des Stromüberwachungstransistors mit der Basis des Transistorstellgliedcs bzw. der Verbund-Transistorstufe verbindet und der nach Durchschalten dieses Transistors in den leitenden Zustand den Stromüberwachungstransistor unabhängig vom Spannungsabfall am Slrommeßwiderstand im leitenden Zustand hält und die vollständige Sperrung des Transistors-Stellgliedes bewirkt. There is another transistor in the limiter circuit to limit the current in the event of a short circuit provided, whose collector-emitter-sirecke the base of the current monitoring transistor with the base of the Transistor actuator cs or the composite transistor stage connects and the after switching on this transistor in the conductive state the current monitoring transistor regardless of the voltage drop at the current measuring resistor holds in the conductive state and causes the complete blocking of the transistor actuator.

Bei einer elektronischen Sicherung mit einer automatischen Wiedereinschaltung der Last ist es bereits bekannt, einen Längstransistor in Abhängigkeit vom Spannungsabfall an einem vom Laststrom durchflossenen Slrommeßwiderstand als Schalter zu betreiben, der den Lastwidersland von einer Spannungsquelle abtrennt. Der Lastwiderstand kann dabei auch aus einem Kaltleiter bestehen (DT-AS 22 07 791). Es ist auch eine Spannungsregelschaltung mit einem stetig arbeitenden Längstransistor bekannt, bei der die Überlastung desIn the case of an electronic fuse with automatic reconnection of the load, it is already known, a series transistor as a function of the voltage drop across a load current flowing through it Operate the current measuring resistor as a switch that separates the load resistance from a voltage source. The load resistance can also consist of a PTC thermistor (DT-AS 22 07 791). It is also one Voltage regulating circuit with a continuously operating series transistor known, in which the overload of the

Längstransistors durch Überwachung des Spannungsabfalls an seiner Kollektor-Emitter-Strecke mittels eines Überwachungskreises verhindert vird (US-PS 34 05 319).Series transistor by monitoring the voltage drop across its collector-emitter path by means of a monitoring circuit prevented (US-PS 34 05 319).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der F i g. 1 bis 4 näher erläutert.An exemplary embodiment of the invention is illustrated by means of FIGS. 1 to 4 explained in more detail.

In F i g. 1 ist das Blockschaltbild eines Helligkeit* ;tellers für eine große Anzahl von Signallampen dargestellt. Die Fig.? zeigt den Stromverlauf der mit Phasenwinkelsteuerung arbeitenden Regelschaltung.In Fig. 1 is the block diagram of a brightness *; plate shown for a large number of signal lamps. The figure? shows the current curve with phase angle control working control circuit.

Die Spannungsdiagramme in den F i g. 3 und 4 dienen der Erläuterung der Wirkungsweise.The stress diagrams in FIGS. 3 and 4 serve to explain the mode of operation.

In Fig. 1 sind Eingang und Ausgang der Regelschaltung mit den Bezugszeichen £bzw. A versehen. Die an den Ausgang anschließenden Verbraucher (Signallampen), die ein ausgeprägtes Kaltleiterverhalten aufweisen, werden mit einer ungesiebten Gleichspannung gespeis!, die ein nicht dargestelltes Stromversorgungsgerät am Eingang E der Regelschaltung liefert. Die einzelnen Schaltungsteile des Blockschaltbildes sind ein Transistorstellglied 1 mit einer Strombegrcnzerschaltung 2, ein Meßwertumlormer 3 zur Bildung einer der Ausfingsspannung proportionalen Meßspannung, ein Sollwertsiellcr 4. dessen Ausgangsspannung in einer Vergleichsstufe 5 der Sägezahnspannung eines Sägezahngenerators 7 überlagert wird. Eine Umkehrstufe 6. die von der Vcrgleichsstufc 5 gesteuert wird, liefert den Steuerstrom für das Stellglied I. Der Meßwertumformer 3 gibt an den Sollwertversteller 4 eine Gleichspannung, die annähernd dem F.ffektivwert der Ausgangsspannung (72 entspricht. Der fcrnbedicnbarc (programmierbare) Sollwertsteller teilt die Gleichspannung auf einen kleinen Wert herunter. Die Vcrgleichsstufc 5 steuert die Umkehrstufe 6 leitend, wenn die Sägezahnspannung die Ausgangsspannung des Sollwertstellcrs überschreitet. Die Umkehrstufe 6 steuert schließlich das Transistorstellgglied I leitend. Da die Sägezahnspannung aus den durch Vollweggleichrichtung erhaltenen Halbschwingungcn der Netzspannung abgeleitet wird, schaltet die Regeleinrichtung mit doppelter Netzirequenz.In Fig. 1, the input and output of the control circuit with the reference symbols £ or. A. The consumers (signal lamps) connected to the output, which have a pronounced PTC thermistor behavior, are fed with an unfiltered DC voltage, which is supplied by a power supply device (not shown) at input E of the control circuit. The individual circuit parts of the block diagram are a transistor control element 1 with a current limiting circuit 2, a measured value converter 3 to generate a measurement voltage proportional to the output voltage, a setpoint signal generator 4, the output voltage of which is superimposed in a comparison stage 5 on the sawtooth voltage of a sawtooth generator 7. An inversion stage 6, which is controlled by the Vcrgleichsstufc 5, supplies the control current for the actuator I. The transducer 3 sends a DC voltage to the setpoint adjuster 4, which corresponds approximately to the effective value of the output voltage (72. The adjustable (programmable) setpoint adjuster divides The DC voltage is reduced to a small value. The comparator 5 controls the inverter 6 to conduct when the sawtooth voltage exceeds the output voltage of the setpoint adjuster. The inverter 6 finally controls the transistor actuator I to conductive. switches the control device with double mains frequency.

In F i g. 3 ist eine Halbwellenschwingung der Eingangsspannung über der daraus abgeleiteten Sägezahnspannung dargestellt. Die senkrechten gestrichelten Linien deuten die Einschaltstellen des Transisiorslcllgliedes für /wü verschicdne Werte der Ausgangsspannung /' 2 an.In Fig. 3 is a half-wave waveform of the input voltage shown above the sawtooth voltage derived therefrom. The vertical dashed Lines indicate the switch-on points of the transistor element for / wü different values of the output voltage / '2 at.

Da die Regelschaltung nicht die sonst bei Phasenwinkelsteuerung übliche, mittelwcr(bildende Sicbdrossel besitzt, muß die Strombegrenzerschaltung 2 bei Überlast sofort wirksam werden. Mit zunehmender Überlast kuppt die Strombegrenzerschaltung die Alisgangsspannung UI in Richtung auf Null ab. Das Transistorstcllglicd 1 nimmt dabei Verlustleistung auf. Um einen Wärmespeicher bzw. Kühlkörper des Transistorstellgliedes möglichst klein zu halten, sperrt die Strombegrenzerschaltung das Transistorstellglied nach einer bestimmten Vcrzögerungszeit völlig. In Fig.4 ist eine Ualbwellenschwingung der Ausgangsspannung und ihre vom Phasenwinkel unabhängige Amplitudenbegrenzung bei Überlast im Prinzip dargcstellt. Since the regulating circuit does not have the medium-wcr (forming sicb throttle which is otherwise common in phase angle control), the current limiter circuit 2 must be effective immediately in the event of an overload. As the overload increases, the current limiter circuit couples the output voltage UI in the direction of zero To keep a heat accumulator or heat sink of the transistor control element as small as possible, the current limiter circuit blocks the transistor control element completely after a certain delay time .

Anhand von F i g. 2 wird die Wirkungsweise der Regelschaltung näher erläutert. Von der den Eingangskleminen E zugeführten Halbwellenspanniing wird mittels der Z Diode ZDI eines Spannungsteilers R \, (,$ ZD 1 eine stabilisierte Teilspannung gewonnen, die der Erzeugung einer Sägezahnspannung am Kondensator Π Hii-nt. Der Kondensator CI wird über einen Widerstand R2 während der Dauer einer Halbschwingung in Richtung auf die Spannung der Z-Diode ZDl aufgeladen und über den Widerstand R 3 und die Dinde Gr 1 wieder vollständig entladen, wenn die Eingangsspannung auf Null zurückgeht Based on FIG. 2 the mode of operation of the control circuit is explained in more detail. From the half-wave voltage fed to the input terminals E , a stabilized partial voltage is obtained by means of the Z diode ZDI of a voltage divider R \, (, $ ZD 1, which enables a sawtooth voltage to be generated on the capacitor Π Hii-nt. The capacitor CI is switched via a resistor R2 during the Duration of a half oscillation in the direction of the voltage of the Zener diode ZDl charged and completely discharged again via the resistor R 3 and the Dinde Gr 1 when the input voltage drops to zero

Von der Ausgangsspannung U 2 an den Klemmen A wird unter Verwendung eines ÄC-Gliedes R 6, R 7, R 8, /?9, C2 eine proportionale Meßspannung gebildet, die der Sägezahnspannung am Kondensator Cl überlagert ist. Am Kondensator C2 entsteht eine Mischspannung, deren Gleichspannungsmittelwert näherungsweise dem Effektivwert der Ausgangsspannung entspricht. Dies geschieht durch eine geeignete Wahl der Widerstände R 6 bis /?9. Diese wird so getroffen, daß bei mittlerer geforderter Leuchtstärke der Signallampen die Ausgangsspannung nahezu unabhängig von der Last und der Eingangsspannung ist. Der Kondensator C2 wird über eine Diode Cr 3 und den Widerstand /?9 geladen. Der Spannungsteiler aus den Widerstanden R6 R7. RS stellt einen Nebenschluß zum Kondensator C2 dar. über den der Kondensator teilweise entladen u ird.From the output voltage U 2 at the terminals A , a proportional measuring voltage is formed using an A C element R 6, R 7, R 8, /? 9, C2 , which is superimposed on the sawtooth voltage at the capacitor C1. A mixed voltage is produced at capacitor C2 , the DC voltage mean value of which approximately corresponds to the rms value of the output voltage. This is done by a suitable choice of the resistors R 6 to /? 9. This is done in such a way that the output voltage is almost independent of the load and the input voltage with the medium required luminosity of the signal lamps. The capacitor C2 is charged via a diode Cr 3 and the resistor /? 9. The voltage divider from the resistors R6 R7. RS represents a shunt to capacitor C2, through which the capacitor is partially discharged.

Eine zwischen den Widerstanden R6 und RS abgenommene Tcilspannung des Kondensators C2. welche sich durch Ändern des am Minuspotential liegenden Potentiometers R 7 einstellen läßt, wird über die Emittcr-Basis-Strecke eines Transistors Ts 1 mit der Sägezahnspannung verglichen. Der Transistor Ts 1 befindet sich im leitenden Zustand, wenn die Sägezahnspannung größer als die Tcilspannung ist. Der Widerstand /?4 verlangsamt den Schaltvorgang, der Widerstand R 5 schützt in Verbindung mit der Diode Cr2 den Transistor 7* 1 vor unzulässiger Spcrrbean spruchung seiner F.mitter-Basis-Strecke. Durch die Wahl anderer Widerstandswerte für die Widerstände R6 und RS lassen sich andere Grenzen für die Ausgangsspannung erreichen. Das Potentiometer R 7 kann von der übrige Schaltung entfernt bei den Verbrauchern angeordnet sein. Dazu wird nur eine zusätzliche Leitung benötigt.A partial voltage of the capacitor C2 taken between the resistors R 6 and RS. which can be adjusted by changing the potentiometer R 7 , which is connected to the negative potential, is compared with the sawtooth voltage via the emitter-base path of a transistor Ts 1. The transistor Ts 1 is in the conductive state when the sawtooth voltage is greater than the Tcil voltage. The resistor /? 4 slows down the switching process, the resistor R 5, in conjunction with the diode Cr2, protects the transistor 7 * 1 from inadmissible stress on its F.mitter-base path. By choosing other resistance values for the resistors R 6 and RS , other limits for the output voltage can be achieved. The potentiometer R 7 can be arranged away from the rest of the circuit at the consumers. Only one additional line is required for this.

Über den Widerstand R 10 wird ein Umkehrtransistor Ts 2 geschaltet. Sein Kollektorstrom ist durch eine Konstantstromschaltung, die von den Dioden Gr4, Gr 5 und einem Widerstand R 12 gebildet wird, begrenzt. Mit dem Umkehrtransistor Ts 2 wird auch die Verbuncl-Transistorstufc Ts 3. Ts 4 bzw. das Transistorstellglied Ts 5 leitend.A reversing transistor Ts 2 is switched across the resistor R 10. Its collector current is limited by a constant current circuit formed by the diodes Gr 4, Gr 5 and a resistor R 12. With the reversing transistor Ts 2 , the Verbuncl transistor stage Ts 3. Ts 4 or the transistor control element Ts 5 becomes conductive.

Ein Widerstand R17 in der F.mitterleiuing des Transistorstellglicdcs Ts 5 dient als Strommcßwiderstand für die Strombegrenzerschaltung.A resistor R 17 in the F.mitterleiuing of the Transistorstellglicdcs Ts 5 serves as a current measuring resistor for the current limiter circuit.

Wird der Ausgang der Regelschaltung überlastet, so wird der .Stromübcrwachungstransistor 7X7 immer dann leitend, wenn der Umkehrtraiisistor Ts 2 einschaltet. Der Umkehrtransistor zieht über den noch leeren Kondensator C 3 einen Teil des Basisstroms der Verbund Transistorstufe als Ladestrom ab. Damit werden Ausgangssforn und Ausgangsspannung abgekuppt. Die Rückführung, bestehend aus einem Widerstand /?23 und dem Kondensator C4, sorgt für Stabilität während des Stromregelvorgangs. Durch Einfügung eines Spannungsteilers W 20, R2\ wird eine rückläufige Stromspannungs-(SU)-Kennlinie erhalten. Diese hat beim Einsetzen der Stromregelung keinen scharfen Kennlinienkniek, wie sie ein reiner Glcichspannungsregler aufweist, weil mit abnehmender Ausgangsspannung 112 die Einschalidaucr desTransistorstcllglicdes 7!v5 zunimmt. Der Kondensator C3 wird pulsend aufgeladen. Bei Kurzschluß geschieht das mit langen Pulsen als konstanter Kollektorstrom der UmkehrstufeIf the output of the control circuit is overloaded, the current monitoring transistor 7X7 is always conductive when the reversing resistor Ts 2 switches on. The reversing transistor draws part of the base current of the composite transistor stage as a charging current via the still empty capacitor C 3. This disconnects the output form and output voltage. The feedback, consisting of a resistor /? 23 and the capacitor C4, ensures stability during the current control process. By inserting a voltage divider W 20, R2 \ a declining current voltage (SU) characteristic is obtained. When the current regulation starts, this does not have a sharp kink in the characteristic curve, as is exhibited by a pure DC voltage regulator, because as the output voltage 112 decreases, the turn-on duration of the transistor switch 7 increases. The capacitor C3 is charged in a pulsating manner. In the event of a short circuit, this happens with long pulses as a constant collector current of the reversing stage

Ts 2. Wenn der Kondensator C3 so weit aufgeladen ist, daß der Transistor Ts 8 leiten kann, kuppt der Ausgangsstrom praktisch auf Null ab. In dieser Lage hält sich die Schaltung mit den Transistoren Ts 7 und 7a8 selbst, bis durch Entlastung oder kurzes Abschalten !> ihr vom Kondensator C3 gelieferter Haltestrom unterschritten ist. Während der Entlastung oder Abschaltung entlädt der Widerstand R 22 den Kondensator Γ3. Ts 2. When the capacitor C3 is charged so far that the transistor Ts 8 can conduct, the output current decouples practically to zero. In this position, the circuit with the transistors Ts 7 and 7a8 holds itself until the holding current supplied by the capacitor C3 has fallen below the hold current supplied by the capacitor C3 by relieving the load or switching it off briefly. During the discharge or switch-off, the resistor R 22 discharges the capacitor Γ3.

Der Widerstand R 22 k;.inn schließlich auch so gewühlt werden, daß der Kondensator C3 in jede Pulsiage knapp unter die Ansprechgrenze des Transi stors 7\ 8 entladen und kurz nach Einsetzen des Pulse vom konstanten Kollektorstrom der Umkchrtransisto Ts2 wieder über die Ansprechgrenzc des Transistor 7a 8 aulgeladen wird. Dann bleibt am kur/.gcschlosse non Ausgang zwar ein Rcsikur/schlußstrom bestehei Der Schaltregler gelangt dann jedoch nach Beheben de Überlasi sofort wieder in seinen normalen Betrieb.The resistor R 22 k; .inn can finally be churned so that the capacitor C3 discharges in each pulsation just below the response limit of the transistor 7 \ 8 and shortly after the onset of the pulse from the constant collector current of the reversing transistor Ts2 again above the response limit of the transistor 7a 8 is loaded. Then there is a reverse current at the short-circuit / short-circuit output. However, the switching regulator returns to normal operation immediately after removing the overload.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

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Claims

Patent claims:

1. Switching regulator with transistor actuator for generating a continuously adjustable stabilized output voltage and a device for overcurrent limitation for loads with PTC behavior, characterized in that the loads that can be connected via transistors individually or in groups are fed with a voltage of sinusoidal half-waves regulated by phase angle control, that the overcurrent limitation is below Use of a /? C-element (C3, /? 22 ^ which can be charged by the control current for the transistor actuator (Ts 5, /? 22 ^ when the consumer is switched on and in the event of a short circuit) takes place independently of the phase angle control and that the charging of the /? C element is a short-term, limited lowering or causes the output voltage to be switched off (Fig. 2).

2. Switching regulator according to claim I. characterized in that the Steuerkriteriuni for the transistor actuator is obtained by comparing a variable measurement voltage obtained by sieving the output voltage (U2) with a sawtooth voltage derived from sinusoidal half-waves of the input voltage.

3. Switching regulator according to claim 2, characterized in that the control voltage obtained from the comparison of the measurement voltage mil the sawtooth voltage switches a Umkehrtrans disturbance (Ts 2) , the collector of which switches a control current in the form of phase-angle-controlled half-waves to a composite transistor stage (Ts 3, 7s 4) of the transistor actuator (Ts 5 ^ i delivers (Fig. 2).

4. Switching regulator according to one of the preceding claims, characterized in that the sounding for current limitation consists of a /? C-parallel element fC3, R 25) arranged between the base of the transistor actuator or the upstream composite transistor stage and the output of the switching regulator, which is connected in series is arranged with the emitter-collector path of the current monitoring transistor (Ts 7), and that the current monitoring transistor is controlled as a function of the voltage drop of the current measuring resistor (R 17) through which the load current flows (FIG. 2).

5. Switching regulator according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit for current limiting has a further transistor (Ts 8) controlled by the voltage at the FLC parallel element (C 3, R 2Z) , the collector-emitting path of which is the base of the current monitoring transistor with the base of the transistor actuator (Ts 5) or the composite transistor stage (Ts 3. Ts 4) connects.