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Schaltregler
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung, die sich
im wesentlichen aus einer Induktivität, einer Schaltdiode und zwei Steuergruppen
zur Betätigung wenigstens eines Schalttransistors sowie aus mehreren in- und außerhalb
der Steuergruppen vorgesehenen elektronischen Bauelementen zusammensetzt.
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Es ist bekannt, daß sich die Induktivität eines Schaltreglers abschalten
läßt und der Strom dann über die jetzt offene Diode aufrecht erhalten wird. Dieser
Diodenstrom ist entgegengesetzt zum Spulenstrom gerichtet, was zur Erzeugung einer
Minusspannung ausgenutzt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun in der Entwicklung einer mit
möglichst geringem Aufwand verbundenen Schaltungsanordnung für eine gepolte Spannungen
erzeugenden Schaltregler; mit anderen Worten, es soll die Möglichkeit gescnaffen
werden, in einfacher Weise aus einer Plusspannung eine Minusspannung zu erzeugen
und umgekehrt. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Emitter
des Schalttransistors mit der Induktivität, einem Meßwiderstand und zwei miteinander
parallel geschalteten elektronischen Bauelementen in Serie geschaltet und dieser
Serienzweig - den Transistor ausgenommen -von der Schaltdiode überbrückt ist, daß
ferner die beiden Steuergruppen untereinander elektrisch verbunden und jeweils an
den Kollektos- und an den Emitterzweig des Transistors
angeschlossen
sind, und daA außerdem die zweite Steuergruppe an die Basis des Transistors rückgekoppelt
ist. Die eine elektronische Steuergruppe schaltet hierbei den Ladestrom der Induktivität
ab, wenn seine gewünschte Größe erreicht ist.
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Dies kann z.B. auch bei Überlastung der Fall sein. Die andere, gleichfalls
elektronische Steuergruppe schaltet den Ladestrom wieder ein, wenn ein gewisser
Spannungswert unterschritten wird. Sie hält auch die Ausgangsspannung bei möglicherweise
variierendem Laststrom konstant. Außerdem läßt sich mit der an erster Stelle genannten
Steuergruppe über die andere Steuergruppe die Ladeenergie der Induktivität unabhängig
von der Eingangsspannung konstant halten.
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Von Vorteil ist es ferner, wenn die beiden Steuergruppen mit je einem
eingangsseitig mittel- oder unmittelbar mit einem Einsteller verbundenen Operationsverstärker
sowie je einer deren Vergleichsspannungen konstant haltenden Zenerdiode bestückt
sind, wobei die Anodenseite der Zenerdioden direkt mit der Masse und die Kathodenseite
einmal über eine Serienschaltung von Widerständen mit der Masse und zum anderen
über je einen Widerstand mit dem Kollektorzweig des Schalttransistors verbunden
sind. Zweckmäßig ist es in diesem Zusammenhang, daß der eine Einsteller-Widerstand
mit weiteren Widerständen in Serie geschaltet ist und das eine Ende dieser Serienschaltung
mit dem anodenseitigen Ende der Schaltdiode verbunden ist, während das andere Ende
der Serienschaltung zusammen mit dem einen Ende des anderenendsan Masse geschlossenen
Kondensators sowie dem einen Ende des gleichfalls anderenends an Masse geschlossenen
anderen Einsteller-Widerstands zwischen zwei. zu Wi Widerstände gekoppelt ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung sehen vor, daß der Pluspol des zweiten
Operationsverstärkers zwischen der Induktivität und dem Meßwiderstand, sein Minuspol
an dem einen Einsteller-Widerstand und sein Ausgang an einer Verbindung des Minuspols
des
ersten Operationsverstärkers zu dem aus zwei Widerständen bestehenden Serienzweig
angeschlossen ist, während der'Pluspol des ersten Operationsverstärkers an dem anderen
Einst ell er-Widerstand und sein Ausgang an der Basis des Schalttransistors angeschlossen
ist. Für eine flexible Stromentnahme kann es schließlich noch erforderlich sein,
daß ein aus einem Widerstand sowie einem Kondensator bestehender Serienzweig einenends
an den Minuspol des zweiten Operationsverstärkers und anderenends an Masse geschlossen
ist, und daß ein weiterer aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehender
Serienzweig einenends zwischen den an erster Stelle genannten Widerstand und anderenends
zwischen die Induktivität und den Meßwiderstand gekoppelt ist.
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Für einen Schaltregler mit den vorbeschriebenen Merkmalen läßt sich
zusammenfassend sagen, daß seine Herstellung mit geringem Aufwand und ebenso geringem
Platzbedarf verbunden ist. Andererseits sind sein Wirkungsgrad und seine Betriebssicherheit
unverhältnismäßig hoch, so daß man insgesamt gesehen einen preisgünstigen und wenig
störanfälligen Schaltregler erhält.
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Im folgenden wird an Hand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert, wobei die in den Figuren einander entsprechenden
Teile die gleichen Bezugszeichen tragen. Es zeigt Fig. 1 das Schaltungsprinzip eines
Schaltreglers, Fig. 2a den Funktionsablauf gemäß Fig. 1 in bis verschiedenen Impulsdiagrammen
und Fig. 3 eine Variante des Schaltreglers gemäß Fig. 1.
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Die Schaltungsanordnung des Schaltreglers gemäß Fig. 1 besteht im
wesentlichen aus dem Schalttransistor T, dessen Emitter mit der Induktivität L,
dem Widerstand i und einer aus dem Kondensator C1 und dem Lastwiderstand PL bestehenden
Parallelschaltung in Reihe geschaltet ist, Die Reihenschaltung wird von der Schaltdiode
D überbrückt. Mit diesem Schaltungsteil sind zwei jeweils mit einem Operationsverstärker
JCl bzw. JC2 bestückte elektronische Steuergruppen A und B verbunden, die in Fig.l
durch eine gestrichelte Umrandung gekennzeichnet sind. Dabei iuurde eine Verbindung
zwischen der Induktivität L und dem Widerstand ziels abgezweigt und an den eingangsseitigen
Pluspol des Operationsverstärkers JC2 geführt.
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Eine andere Verbindung führt vom eingangsseitigen Minuspol dieses
Operationsverstärkers über den Widerstand R1 und den Einsteller des Widerstandes
R2 an Masse, an die auch der aus dem Kondensator C1 und dem Lastwiderstand PL bestehende
Parallelzweig angeschlossen ist. An Masse sind ferner noch der Kondensator C2, ein
aus den beiden Widerständen R3 und Rlr bestehender Serienzweig und ein aus der Zenerdiode
Dz2 und einem Widerstand R8 bestehender weiterer Serienzweig einenends angeschlossen.
Die anderen Enden des Widerstands R2 und des Kondensators C2 sind zusammen mit einem
weiteren, aus den drei Widerständen R5, R6 und R7 bestehenden Serienzweig zwischen
die beiden Widerstände R3 und R/1, und der Widerstand R3 mit seinem anderen Ende
zwischen die Zenerdiode Dz2 und den Widerstand R8 gekoppelt, wobei letzterer seinerseits
an den Kollektor des Schalttransistors T gekoppelt ist. Eine elektrische Verbindung
führt nun vom Ausgang des Operationsverstärkers JC2 über den Widerstand Rg zum eingangsseitigen
Minuspol des Operationsverstärkers JC1, der außerdem noch mit dem Punkt F elektrisch
verbunden ist. Der eingangsseitige Pluspol des Operationsverstärkers JC1 ist mit
dem Einsteller des Widerstandes R6 verbunden. Der Minuspol des letztgenannten Operationsverstärkers
ist
ferner auch noch zwischen die in Reihe geschalteten Widerstände Rlo und R11 gekoppelt,
wobei das andere Ende des Widerstands R11 an Masse und das andere Ende des Widerstands
R10 zwischen die gleichfalls in Reihe geschaltete Zenerdiode DZ1 und den Widerstand
R12 gekoppelt ist. Dieser Serienzweig liegt einenends an Masse und anderenends am
Kollektor des Schalttransistors T.
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Fig. 3 zeigt eine im Prinzip der Fig. 1 entsprechende Schaltungsanordnung
mit dem Kondensator C1, dem Lastwiderstand PL sowie den Steuergruppen A und B. Dabei
schützen die Transistoren T1 und T2 sowie die Diode DZ1 den Schaltregler vor Überspannungen
bis zu etwa 50 V. Die prinzipiell auch durch einen Transistor ersetzbaren Transistoren
T3, T4 und T werden in 5 der Praxis wegen des großen Temperaturganges MILmäßig gefordert.
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Dabei sind nun die Transistoren T11 T2 und T5 jeweils über ihre Kollektor,
und die Transistoren T3 und T4 über ihren Emitter an Masse M1 geschlossen. Die Basis
des Transistors T1 ist zwischen die Zenerdiode D Zl und den Widerstand R12, sein
Emitter an den Punkt 3 des Operationsverstärkers JC1 geführt.
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Von letzterem Zweig führt eine Verbindung zu Punkt 8 des Operationsverstärkers
JC2, wobei an die Verbindung einmal die Basis des Transistors T2 und zum anderen
ein Widerstand R19 gekoppelt ist, dessen anderes Ende zwischen Punkt 7 des Operationsverstärkers
JC2 und den Widerstand R9 gekoppelt ist.
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Der Kollektor des Transistors T2 ist mit der Basis des Transistors
T3 verbunden, wobei das Verbindungsstück über den Widerstand R18 an Masse M1 liegt.
Ferner sind der Kollektor des letztgenannten Transistors T3 und die Basis des Transistors
T4 miteinander verbundene wobei dieses Verbindungsstück über den Widerstand R20
an Masse M2 liegt. Schließlich ist auch noch der Kollektor des Transistors T4 mit
der Basis des Transistors T5 verbunden und das Verbindungsstück über
den
Widerstand R17 an die Induktivität L angeschlossen, die anderenends mit dem Widerstand
RMess verbunden ist, wobei dieses Verbindungsstück über den Widerstand R16 nach
dem Plus,' pol (Punkt 2) des Operationsverstärkers JC2 führt. Zwischen letzteren
und den Widerstand R16 ist die anderenends an Masse M2 liegende Zenerdiode Dz2 gekoppelt,
während der Widerstand R15 die Schaltdiode D überbrückt. Ein weiterer, zwischen
Masse M2 und die Verbindung der Widerstände R2 und R5 geschalteter Widerstand R21
ist mit dem Widerstand R22 in Reihe geschaltet, wobei letzterer anderenends an den
Punkt 4 des Operationsverstärkers JC2 geschlossen ist. Der Einsteller des Widerstands
R2 führt über den Widerstand R1 zum Minuspol (Punkt 3) des Operationsverstärkers
JC2. Zwischen Masse M2 und Punkt 10 des Operationsverstärkers JC2 liegt der Widerstand
R25, wobei sein massenseitiges Ende noch mit Punkt 1 und sein anderes Ende mit Punkt
6 dieses Operationsverstärkers verbunden ist. Punkt 5 des Operationsverstärkers
führt direkt nach Masse M2. Was den anderen Operationsverstärker JC1 anbetrifft,
so liegen zwischen Masse M2 und seinem Punkt 8 der Widerstand R23 bzw. seinem Punkt
1 der Widerstand R24; auch der Punkt 4 ist mit der Masse M2 verbunden, während der
Punkt 7 über den Kondensator C6 an die Verbindung des Pluspols (Punkt 6) dieses
Operationsverstärkers mit dem Einsteller des Widerstands R6 rückgekoppelt ist. Der
Kondensator C5 schließlich geht an die Verbindung des Widerstands R9 mit dem Minuspol
(Punkt 5) des Operationsverstärkers JC1, während der von einem Kondensator c8 überbrückte
Kondensator C7 zwischen die beiden Massen M1 und M2 geschaltet ist.
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Was nun die Funktion des Schaltreglers anbetrifft, so muß zunächst
die Stromquelle Q (Fig.1) eingeschaltet werden. Der Schalttransistor T besitzt jetzt
Durchgang, so daß ein ansteigender Strom iLa über den Widerstand Niets die Induktivität
L, den Schalttransistor T nach dem Pluspol fließt.
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Dieser Strom steigt so lange an, bis der Spannungsabfall am Widerstand
N armes eine bestimmte Größe erreicht hat und der Operationsverstärker JC2 umschaltet;
letzterer schaltet sodann den Operationsverstärker JC1 um, der seinerseits den Schalttransistor
T sperrt. Nun schlägt die Polung der Spannung UL um 1800 um und die Schaltdiode
D wird in Pfeilrichtung bzw. von der Kathode zur Anode leitend. In der einem schlagenen
Richtung fließt der Strom weiter, und zwar von Masse über den Widerstand N ess die
Induktivität L, die S-chaltdiode D und den Lastwiderstand RL zurück nach Masse,
wobei der Kondensator C1 so lange aufgeladen wird, bis die Energie des Magnetfeldes
der Induktivität L aufgebraucht ist; dann sperrt die Schaltdiode D wieder. Sinkt
anschließend die Ausgangsspannung UA am Kondensator C1 unter einen bestimmten cl
Wert ab, schaltet der Operationsverstärker JCl den Schalttransistor T wieder ein
und die Induktivität L wird wieder magnetisiert. Der Widerstand R2 dient hierbei
der Einstellung des maximalen Ladestromes JLa der Induktivität L, während über den
Widerstand R6 die Wiedereinschaltung des Schalttransistors T in Abhängigkeit von
der negativen Ausgangsspannung möglich ist. Durch die Zenerdiode DZl wird die Vergleichsspannung
für den Operationsverstärker JCl sowie die Spannung F - die beispielsweise 1,7 V
betragen kann - konstant gehalten und durch die Zenerdiode D Z2 die Vergleichsspannung
für den Operationsverstärker JC2 und die Fußpunktspannung E von R6 ~ die beispielsweise
3 V betragen kann.
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6 Durch die strichpunktiert eingezeichneten Bauelemente C3, C4 R13
und R14 wird der Abschaltpunkt des Schalttransistors T in Abhängigkeit des Ladestroms
der Induktivität L so verändert, daß er mit zunehmender. Belastung am Lastwiderstand
RL steigt, während er mit fallender Belastung auf den mittels des Widerstandes R2
eingestellten Wert zurückgeht.
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Je höher nun der Ausgangsstrom JA ist, desto schneller fällt die Spannung
am Kondensator Cl ab und desto häufiger wird über diesen Spannungsabfall der Operationsverstärker
JCl um-und dadurch der Schalttransistor T eingeschaltet. Bezogen auf die Impulsdiagramme
von ring. 2 bedeutet dies, daß die Lade-und Entladeimpulse näher zusammenrücken.
Überschneiden sich beide Impulse, kommt also der Ladeimpuls bereits zu einem Zeitpunkt,
wo der Entladeimpuls noch nicht zu Ende ist, so bricht die periodische Schwingung
zusammen und der Schaltregler arbeitet nicht mehr. Dadurch ist eine automatische
Strombegrenzung erreicht. Sobald jedoch am Kondensator Cl die Belastung wieder aufgehoben
wird, läuft der Schaltregler wieder an. Im einzelnen sind die Impulsdiagramme der
Fig. 2 folgenden Stellen in Fig. 1 zugeordnet: Während Fig. 2a die am Kollektor
des Transistors T und an der Induktivität L anstehenden Impulse zeigt, sind in Fig.
2b die durch die Induktivität L hindurchfließenden Stromimpulse dargestellt, die
am Widerstand N eine proportionale Spannung erzeugen; dieselbe findet Verwendung
zur Umschaltqng des Operationsverstärkers JC2, sofern die gewinschte Stromgröße
in der Induktivität L erreicht ist. In Fig. 2c sind ferner diejenigen Impulse aufgezeigt,
die der Operationsverstärker JC2 abgibt, wenn der Strom nach der aus Fig. 2b ersichtlichen
Kurve sein Maximum erreicht hat. Diese Impulse schalten den Operationsverstärker
JCl so um, daß der Transistor T gesperrt und die Aufladung der Induktivität abgebrochen
wird. Fig. 2d schließlich zeigt einen kleinen Ausgangsspannungsrippel am minusseitigen
Ende des Lastwiderstandes PL von ungefähr lOOmV - je nach Größe der der Ausgangsspannung
LA überlagerten Kapazität des Kondensators Cl.
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Dieser Spannungsrippel wird gebraucht zur Steuerung des Operationsverstärkers
JCl. Letzterer wird, wenn die Ausgangsspannung UA unter den gewünschten Wert gesunken
ist, so umgeschaltet,
daß der Transistor T durchschaltet und'die
Induktivität L wieder aufgeladen wird.
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Das Zusammenspiel der vorstehend aufgezählten Impulse läuft nun wie
folgt ab: Wenn die Ausgangsspannung UA mit ihrem.
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Spannungsrippel im Abschnitt Z (Fig, 2d) den Punkt 4E erreicht hat,
schaltet der Transistor T mit der Flanke 1.1 (Fig. 2a) ein und es beginnt ein Ladestrom
2.1 (Fig. 2b) durch die Induktivität L zu fließen. Hat der Strom die vorgewählte
Größe erreicht, schaltet der Ausgang des Operationsverstärkers JC2, Puls 3.1 (Fig.
2c), über den Operationsverstärker JCl den Transistor T mit der Flanke 1.2 ab. Während
dieser Aufladezeit ist die Ausgangsspannung UA weiter bis an den Abschnitt 4.2 gesunken.
Nachdem der Transistor T abgeschaltet hat, beginnt jetzt die Entladung der Induktivität
L.
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Ein Teil der Energie wird über den Lastwiderstand PL direkt verbraucht,
der andere Teil wird im Kondensator C1 zwischengespeichert, wodurch die Ausgangsspannung
UA - wie aus Abschnitt 4.2 ersichtlich - ein wenig größer wird.
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Wenn die Induktivität L ihre ganze Energie abgegeben hat, wird die
Spannung an ihr zu OV (Flanke 1.3) und der Strom ebenfalls zu Null (Abschnitt 2.3).
In dieser Phase (Abschnitt 4.3) wird der Lastwiderstand PL nur von dem im Abschnitt
4.2 aufgeladenen-Kondensator C1 mit Strom versorgt; dabei nimmt die Spannung am
Kondensator Cl so lange mehr oder weniger schnell ab -je nach dem Stromverbrauch
am Lastwiderstand PL - bis der Punkt 4E erreicht ist. Ab jetzt beginnt der Zyklus
wieder von vorne.
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Wird am Lastwiderstand w viel Strom verbraucht, ist der Abschnitt
4.3 sehr kurz, weil nämlich der Kondensator C1 schnell entladen wird und demzufolge
auch die Spannung schnell absinkt; der Transistor (£ geschaltet dann häufiger. Wird
dagegen weniger Strom gebraucht, ist der Abschnitt 4.3 sehr viel länger und der
Transistor T schaltet nur in großen Abständen ein. Die Pulsbreite von Flanke 1.1
bis 1.2 bleibt immer gleich groß,
womit auch die Aufladung der
Induktivität L immer gleich groß bleibt; sie kann nur geändert werden, wenn der
Widerstand Ru ems größer oder kleiner gemacht wird. Dabei ist es zweckmäßig, wenn
RMess dergestalt gewählt wird, daß die Induktivität soweit wie möglich ohne in die
Sättigung zu kommen aufgeladen wird. Um bei großen Lastschwankungen die in Fig.
2a aufgezeigten Pulsabstände nicht zu stark wandern zu lassen bzw. um nicht große
Taktfrequenzänderungen in Kauf nehmen zu müssen, werden die in Fig. l strichpunktiert
eingezeichneten Bauelemente benötigt.