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Verfahren zur Steuerung eines Schaltreglers
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Steuerung
eines Schaltreglers, der an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist und aus der
Serienschaltung eines steuerbaren, elektronischen Schalters mit einem Verbraucher
besteht.
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In der Zeitschrift Valvo "Technische Informationen für die Industrie
760121 ist unter dem Titel "Steuerschaltung TDA 2640 für Schaltnetzteile" ein Sperrwandler
beschrieben, bei dem ein Miller-Generator als Taktgeber benutzt wird. Der Miller-Generator
gibt eine Sägezahnspannung ab, die zusammen mit einer Vergleichspannung, gewonnen
aus der Ausgangsspannung und einer Referenzspannung, einem Pulsdauer-Modulator zugeführt
wird. Ee wird eine Rechteckspannung erzeugt,
deren Tostverhnltnis
durch die Abweichuiig der Ausgangs<pannung von der Referenzspannung bestimmt
wird. Eine solche Regelschaltung hat den Nachteil, daß sie hinsichtlich ihrer Schwingneigung
schwer zu beherrschen ist.
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In der Zeitschrift "Frequenz" wird unter dem Titel "Stabilit.-itsuntersuchungen
an impulsbreitengeregelten DurchfluB- und Sperrwandlern" von Herrn Dr. Pivit das
Stabilitatsverhalten derartig gesteuerter Schaltungen ausführlich beschrieben.
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Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren zur Steuerung eines
Schaltreglers zu schaffen, bei dem der Schaltregler ein stabiles Verhalten zeigt,
wodurch eine Schwingneigung vermindert bzw. gänzlich beseitigt wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß von dem den
elektronischen Schalter durchfließenden Strom ein Kriterium zur Steuerung der Verbraucherspannung
abgeleitet wird, wobei die an dem Verbraucher stehende Spannung mit einer durch
den Strom transformierten, an einem Widerstand abfallenden und einer überlagerten
Referenzspannung verglichen wird und die Vergleichsspannung den elektronischen Schalter
steuert.
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Das Verfahren wird durch eine Schaltungsanordnung realisiert,
die
darin besteht, dat! die mit ihrer einen Klemme gegen Uezugspotential geschaltete
Gleichspannungsquelle mit t ihrer anderen Klemme über die Durchflußelektroden eines
Transistors, die Primärwicklung eines Transformators und eine gegen Bezugspotential
geschaltete Induktivität, der din Serienschaltung einer in Durchflußrichtung gepolte
Diode mit dem durch eine Kapazität überbrückten Verbraucher parallel liegt, mit
Bezugspotential verbunden ist, wobei der Verbraucher mit dem einen Eingang eines
Operationsverstsirkers und sein nnderer Eingang über einen Gleichrichter, die Sekundärwicklung
des Transformators und eine Vergleichsspannungsquelle gegen Bezugspotential geschaltet
und der Ausgang des Operationsverstärkers mit der Steuerelektrode des Transistors
verbunden ist. Eine Weiterbildung dieser Schaltungsanordnung besteht darin, daß
der Sekundärwicklung des Transformators ein Widerstand und die Serienschaltung einer
in Flurichtung gepolten Zenerdiode mit einer entgegengesetzt gepolten Diode parallel
geschaltet ist.
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Dieses Verfahren und seine in der vorgeschlagenen Schaltung gegebene
Realisierung hat den Vorteil, daß die Längsinduktivität, die die Gefahr zur Schwingneigung
darstellt, fortgeblieben ist und damit nicht mehr wirksam sein kann.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen noch
näher erläutert. Es zeigen:
Die Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines
Sperrwandlers nach der Erfindung, die Fig. 2 die graphische Darstellung des Sprungvehaltens
der erfindungsgemaßen Schaltungsanordnung und die Fig. 3 das Ausführungsbeispiel
eines Sperrwandlers unter Verwendung der Regelschaltung nach der Erfindung, die
Fig. 4 das Generatorersatzschaltbild eines nach der Erfindung gesteuerten Sperrwandlers.
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Aus der Schaltung der Fig. 1 soll die Funktion der Regelschaltung
nach der Erfindung naher erläutert werden. Die Schaltpunkte A und B sind überbrückt.
Die Stromquelle G erzeugt eine Spannung Uo und der elektronische Schalter S1 ist
geschlossen. An dem Verbraucher steht die Verbraucherspannung U1. Der Operationsverstarker
JC vergleicht die Ausgangsspannung U1 mit der Referenzspannung Uref und wirkt auf
den Schalter S1 ein. Durch die Dauer des geschlossenen Schalters S1 wird die Verbraucherspannung
U1 bestimmt.
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Bei geschlossenem Schalter S1 wird in der Induktivität L1 Energie
gespeichert. Der Strom fließt also von dem Pluspol der Stromquelle G über die Induktivität
Li, die Primärwicklung des Transformators Trl und den Schalter S1 zum Minuspol der
Stromquelle G. Wird der Schalter S1 geöffnet, dann
will der Strom,
der in der Induktivität Li gespeichert ist, weiterfließen und flient über die Diode
D1 in den Kondensator C1 und den parallel geschalteten Verbraucher L.
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Die Ausgangsspannung ist suf diese Weise regelbar, indem man den Schalter
S1 mehr oder weniger lang geschlossen halt.
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Die Regelung erfolgt also durch die Impulsbreite bei onstanter Frequenz.
Eine weitere Möglichkeit der Regelung ist dadurch gegeben, indem man die Impulsbreite
konstant hält und die Frequenz variiert.
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Durch den Transformator Trt wird der Strom auf der Sekundärseite im
Übersetzungsverhältnis transformiert und erzeugt in dem Widerstand R1 einen Spannungsabfall.
Öffnet der Schalter S1, verbleibt ein Anteil gespeicherter Energie in der Sekundärwicklung
des Transformators Trl. Diese gespeicherte Energie wird in der der Sekundärwicklung
parallel geschalteten Zenerdiode D2 in Serie mit einer weiteren Diode D3 vernichtet.
Die in dem Stromlauf dieses Kreises eingeschaltete weitere Diode D4 richtet den
Strom gleich.
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Der Widerstand R1 ist über die Spannungsquelle zur Erzeugung der Referenzspannung
Uref gegen Bezugspotential geschaltet. Diese Referenzspannungsquelle Q kann aus
einer Zenerdiode oder einer getrennten, konstanten Spannungsquelle bestehen.
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Von besonderer Wichtigkeit ist die Beurteilung der Stabilität einer
solchen Regelschaltung. Diese Schaltung stellt wechselstrommanig ein kompliziertes
Gebilde dar und auf ihr Schwingverhalten kann aus der Schaltung selbst nicht ohne
weiteres geschlossen werden, da sie eine Induktivität, eine Kapazität und auch andere
phasendrehende Glieder enthalt, die nicht nur die gewünscht Phasendrehung von i800
ausübt, was die Bedingung für ein Regelwirken dieser Anordnung ist.
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Sehr leicht können dann Phasendrehungen bis zu 3600 auftreten, die
dann im Zusammenwirken mit einer Verstärkung zur Selbsterregung führen können.
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Um feststellen zu können, ob eine solche Schaltung zur Selbsterregung
neigt, untersucht man ihr Sprungverhalten bzw. ihre Sprungantwort. Die in der Schaltung
der Fig. 1 eingefügte Brücke A - B wird aufgetrennt. Am Punkt A wird zur Aufrechterhaltung
des stationären Zustandes die Spannung U1' angelegt. Wird die Spannung Ul' am Punkt
A plötzlich um einen kleinen Betrag auf den Wert bUI' geändert, so wird dieser Spannungssprung
am Punkt A durch einen Stromsprung am Punkt B beantwortet. Den Ladekondensator Ct
denkt man sich durch eine Spannungsquelle ersetzt, so daß die Ausgangsspannung U1
keine Änderung erfährt.
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Dieses Sprungverhalten der Schaltung nach der Fig. t ist
in
einem Diagramm der Fig. 2 graphisch dargestellt. In der Abszisse ist die Zeit t
und in der Ordinate der durch die Induktivität L1 fließende Strom J aufgetragen.
Die schraffierte Fläche der einzelnen Intervalle T, 2T, 3T usf. stellt die Stromzeitfläche
am Punkt B der Schaltung der Fig. 1 dar.
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Die am Punkt A erfolgte Spannungsänderung AUI' und der dadurch erfolgte
Stromsprung am Punkt B wird durch den Punkt C in der Fig. 2 wiedergegeben. Durch
diesen Spannungssprung im Punkt A erfährt das Tastverhältnis eine Änderung.
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Die Wirkungsweise dieser Schaltung nach der Fig. 1 ist hierbei so,
daß der Referenzspannung Uref die an dem Widerstand R1 abfallende Spannung, hervorgerufen
durch den über den Transformator Trl transformierten Strom, überlagert ist.
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Wird die Spannung am Punkt A um Heu1' verändert, so wird der Strom
aus Punkt B so verändert, daß am Widerstand R1 eine Spannungsänderung in der Höhe
von AU1' entsteht. Dies stellt der Punkt C in der Fig. 2 dar. Dabei ändern sich
ebenfalls die schraffierten Flächen in diesem Diagramm.
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Der mittlere Strom ergibt sich aus der schraffierten Fläche T dividiert
durch die gesamte Periodendauer T. Es entsteht dabei ein Übergangsverhalten der
Regelung, die aus der Breite der schraffierten Flächen T1 in den einzelnen Perioden
hervorgeht. Schon nach der dritten bis vierten Periode erreicht die Impulsbreite
wieder ihren Ausgangswert T1. Der Impuls ist am Ende seines Übergangsverhaltens
von
gleicher ISreite wie vorher, aber um die Sprunghohe #J größer geworden. Dieses Übergangsverhalten
tritt bei Durch flußwandlern nicht auf.
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Der eigentliche Erfindungsgedanke besteht darin, daß man der Referenzspannung
Uref nicht einen S.igezahn gem«-iß dem Stand der Technik überlagert und den Operationsverstärker
JC in AbhLingigkeit des S.igezahns steuert, sondern man verwendet eine stromabh.-ingige
Spannungsgröße zur Steuerung des elektronischen Schalters 51.
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Der Vorteil dieses Regelverhaltens kann unmittelbar aus dem Sprungverhalten
der Schaltungsanordnung abgelesen werden, wie dies anhand des Diagramms in der Fig.
2 beschrieben wurde. Es liegt also eine spannungsgesteuerte Stromquelle vor, wie
in der Fig. 4 dargestellt.
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Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung kann in einem Sperrwandler,
einem Durchflußwandler, einem Gegentakt-Durchflußwandler oder in Mehrtaktschaltungen
von Durchfluß- und Sperrwandlern in Reihen-oder Parallel schaltungen verwendet werden.
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In der Fig. 3 der Zeichnung ist die Anwendung der Erfindung in einem
Eintaktsperrwandler als ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Wirkungsweise dieser
Schaltung ist die
folgendc: die Eingangsspannung an der einseitig
nn flezugspotential geschalteten Spannungsquelle G ist Uo. Dic Ausgangsspannung
an dem Verbraucher RL ist U1. Wenn der elektronische Schalter S1 schließt, wird
Energie in der Induktivität Li gespeichert, und wenn der elektronische Schalter
51 wieder öffnet, wird die gespeicherte Energie über die Diode DA an den Verbraucher
RL abgegeben. Durch Variation des Tastverhältnisses, Leitzeit zur gesamten Periodendauer,
wird die Ausgangsspannung U1 am Verbraucher RL verändert bzw. auch konstant gehalten.
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Der elektronische Schalter S1 wird über eine Treiberstufe Tb an seiner
Basis angesteuert, diese wiederum erhält ihr Steuersignal aus einem Multivibrator
Mb, das den elektronischen Schalter St öffnet oder schließt. Über den Transformator
Trt wird auf die Sekundärseite ein Strom induziert, der an dem Widerstand R1 einen
Impuls erzeugt. Wenn die Amplitude des Impulses am Widerstand R1 einen bestimmten
Wert erreicht hat, schaltet der als Kippstufe ausgebildete Kippschalter JCl um und
blockiert die Ansteuerung des elektronischen Schalters S1. Diese Schalterstellung
des Kippschalters JCl wird durch das Einfügen einer Diode D2 in Serie mit einem
weiteren Widerstand R3 beibehalten. Erst durch einen neuen Impuls, der synchron
von dem Multivibrator Mb herrührt und als Rückstellimpuls von einem Rückstellimpulsgeber
Rip
wirkt, wird der Kippschalter JCi wieder in Bereitschaft gebracht. Erst durch einen
neuen Impuls, der über den Transformator Tri an dem Widerstand R1 als Spannungsimpuls
abfällt, wird der Kippschalter JCI wieder umgeschaltet.
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Das Konstanthalten der Ausgangsspannung erfolgt über den Operationsverstärker
JC2, der die Ausgangsspannung U1 mit der Referenzspannung Uref, die an einer Zenerdiode
D3 steht, vergleicht. Diese Vergleichsspannung erzeugt an den in Serie geschalteten
Widerständen Rt und R2 einen Spannungsabfall, wobei der Widerstand R2 5> R1 ist.
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Gleichzeitig wird über den Transformator Trl in die Sekundrseite ein
Strom induziert, der an dem Widerstand R1 einen Spannungsabfall hervorruft. In den
Widerständen fil und R2 überlagern sich beide Spannungen. Je großer der Strom durch
diesen Widerstand R1 ist, desto mehr wird der Schaltzeitpunkt verschoben. Es wird
also das Tastverhältnis durch die Spannung, die an dem Widerstand fit steht, beeinflußt.
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Demzufolge würde auch die Ausgangsspannung verändert, je nach dem,
ob die Schaltung unter Vollast oder mit weniger Last betrieben wird.
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Aus diesem Grund wird die Ausgangs spannung U1 in dem Operationsverstärker
JC2 mit der Referenzspannung Uref an der
Zenerdiode D3 verglichen.
Durch die Verstärkung des Operationsversturhers JC2 wird die Spannungsdifferenz
verstarkt und in dem Widerstand R2 des Spannungsteilers eingekoppelt u.zw. derart,
da. die über den Tranbformator Tr in der Sekundärwicklung transformierte Spannung,
die am Wider tand R1 abfällt, kompensiert wird. Dadurch bleibt die Spaniiung zwischen
dem Widerstand R4 und R5 am Eingang des Kippschal ters JC1 immer konstant.
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Geht der Verbraucherstrom zurück, so wird an dem Widerstand Rl eine
kleinere Spannung abfallen. Dieser Spannungsabfall wird durch eine Nachregelung
aus dem OperationsverstarkeXr JC2 wieder kompensiert, so daß die Ausgangsspannung
U1 konstant gehalten wird.
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Der MuXtivibrator Mb liefert einen Rechteckimpuls konstanter Frequenz
und Amplitude. Uber ein R-C-Glied (nicht dargestellt) wird in einem Impulsumformer
Rip ein Rückstellimpuls zur Rückstellung des Kippschalters JC1 gewonnen.