DE2715571A1

DE2715571A1 - Verfahren zur steuerung eines schaltreglers

Info

Publication number: DE2715571A1
Application number: DE19772715571
Authority: DE
Inventors: Eckhardt Gruensch; Juergen Ing Grad Saxarra
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1977-04-07
Filing date: 1977-04-07
Publication date: 1978-10-12
Also published as: DE2715571C2

Description

Verfahren zur Steuerung eines Schaltreglers
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Ausgangsspannung ist suf diese Weise regelbar, indem man den Schalter S1 mehr oder weniger lang geschlossen halt.
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.
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.
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.
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.
Sehr leicht können dann Phasendrehungen bis zu 3600 auftreten, die dann im Zusammenwirken mit einer Verstärkung zur Selbsterregung führen können.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Demzufolge würde auch die Ausgangsspannung verändert, je nach dem, ob die Schaltung unter Vollast oder mit weniger Last betrieben wird.
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.
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.
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.

Claims

Patentansprüche IVerfahren zur Steuerung eines Schaltreglers, der an eine Gleich stromquelle angeschlossen ist und aus der Serienschaltung eines steuerbaren, elektronischen Schalters mit einem Verbraucher besteht, dadurch gckennzeichnet, daß von dem den elektronischen Schalter (S1) durchfließenden Strom (JS) ein Kriterium zur Steuerung der Verbraucherspannung (U1) abgeleitet wird.
2. Verfahren zur Steuerung eines Schaltreglers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Verbraucher (RL) stehende Spannung (U1) mit einer durch den Strom (JS) transformierten, an einem Widerstand (R1) abfallenden und einer überlagerten Referenzspannung (Uref) verglichen wird und die Vergleichsspannung den elektronischen Schalter (S1) steuert.
3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit ihrer einen Klemme gegen Bezugspotential geschaltete Gleichspannungsquelle (G) mit ihrer anderen Klemme über die Durchflußelektroden eines Transistors (S1) die Primärwicklung eines Transformators (Trl) und eine gegen Bezugspotential geschaltete Induktivität (lot), der die Serienschaltung einer in Durchflußrichtung gepolte Diode (D1) mit dem durch eine Kapazität (C1) überbrückten Verbraucher (RL) parallel liegt, mit Bezugspotential verbunden ist, wobei der Verbraucher (RL) mit dem einen Eingang eines Operationsverstarkers (JC2) und sein anderer Eingang über einen Gleichrichter (D4), die Sekundärwicklung des Transformators (tut) und eine Vergleichsspannungsquelle (Q) gegen Bezugspotential geschaltet und der Ausgang des Operationsverstärkers (JC) mit der Steuerelektrode des Transistors (S1) verbunden ist.
4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärwicklung des Transformators (Trl) ein Widerstand (R1) und die Serienschaltung einer in Flußrichtung gepolten Zenerdiode (D2) mit einer entgegengesetzt gepolten Diode (D3) parallel geschaltet ist.