DE2715571C2 - Einrichtung zur Steuerung eines Schaltreglers - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung eines Schaltreglers gemäß dem Oberbegriff des Palentanspruchs 1. Eine solche Einrichtung ist bekannt aus US 37 81 654.

Eine an einem Widerstand abfallende rechteckförmige Spannung wird beim Gegenstand der US 37 81 654 einer Referenzspannung Oberlagert und sorgt dafür, daß ein freischwingender geregelter Gleichspannungswandler überhaupt schaltet.

in der Zeitschrift Valvo »Technische Informationen für die Industrie«, Heft-Nr. 760 121, 1976 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 Vergleichsspannung, gewonnen aus der Ausgangsspannung und einer Referenzspannung, einem Pulsdauer-Modulator zugeführt wird. Es wird eine Rechteckspannung erzeugt, deren Tastverhältnis durch die Abweichung der Ausgangsspannung von der Referenzspannung bestimmt wird. Eine solche Regelschaltung hat den Nachteil, daß sie hinsichtlich ihrer Schwingneigung schwer zu beherrschen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszubilden, daß der Schaltregler ein stabiles Verhalten zeigt, wodurch eine Schwingneigung vermindert bzw. gänzlich beseitigt wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Ansprüche 2 und 3 geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung 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 zeigt die

F i g. 1 das Prinzipschaltbild eines Sperrwandlers nach der Erfindung, die

F i g. 2 die graphische Darstellung des Sprungverhaltens der erfindungsgemäßen Schaltungsanordoung, 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 näher erläutert werden. Die Schaltpunkte A und B sind überbrückt. Die Stromquelle C erzeugt eine Spannung Uo und der elektronische Schalter 51 ist geschlossen. An dem Verbraucher steht die Verbraucherspannung Ui. Der Operationsverstärker JC vergleicht die Ausgangsspannung U1 mit der Referenzspannung Uref und wirkt auf den Schalter SI ein. Durch die Dauer des geschlossenen Schalters Sl wird die Verbraucherspannung Ui bestimmt.

Bei geschlossenem Schalter S1 wird in der Induktivität L i Energie gespeichert. Der Strom fließt also von dem Pluspol der Stromquelle C über die Induktivität L 1, die Primärwicklung des Transformators Tr 1 und den Schalter S1 zum Minuspol der Stromquelle G. Wird der Schalter S i geöffnet, dann will der Strom, der in der Induktivität L 1 gespeichert ist, weiterfließen und fließt über die Diode Dl in den Kondensator Cl und den parallel geschalteten Verbraucher RL

Die Ausgangsspannung ist auf diese Weise regelbar, indem man den Schalter S1 mehr oder weniger lang geschlossen hält. Die Regelung erfolgt also durch die Impulsbreite bei konstanter Frequenz. Eine weitere Möglichkeit der Regelung ist dadurch gegeben, indem man die Impulsbreite konstant hält und die Frequenz variiert.

Durch den Transformator Tr 1 wird der Strom auf der Sekundärseite im Übersetzungsverhältnis transformiert und erzeugt in dem Widerstand R 1 einen Spannungsabfall, öffnet der Schalter S1, verbleibt ein Anteil gespeicherter Energie in der Sekundärwicklung des Transformators Tr 1. Diese gespeicherte Energie wird in der der

so Sekundärwicklung parallel geschalteten Zenerdiode D2 in Serie mit einer weiteren Diode DZ vernichtet. Die in dem Stromlauf dieses Kreises eingeschaltete weitere Diode DA richtet den Strom gleich.

Der Widerstand R 1 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 wechselstrommäßig ein kompliziertes Gebilde dar und auf ihr Schwingve.'halten kann aus der Schallung selbst nicht ohne weiteres geschlossen werden, da sie eine Induktivität, eine Kapazität und auch andere phasendrehende Glieder enthält, die nicht nur die gewünschte Phasendrehung von 180° ausübt, was die Bedingung für ein Regelwirken dieser Anordnung ist. Sehr leicht können dann Phasendrehungen bis zu 360° auf-

treten, die dann im Zusammenwirken mit einer Verstärkung zur Selbsterregung führen können.

Um feststellen zu können, ob eine solche Schaltung zur Selbsterregung neigt, untersucht mai ihr Sprungverhalten bzw. ihre Sprungantwort. Die in der Schaltung der Fig.l eingefügte Brücke A-B wird aufgetrennt. Am Punkt A wird zur Aufrechterhaltung des stationären Zustandes die Spannung UV angelegt. Wird die Spannung U V am Punkt A plötzlich um einen kleinen Be'rag auf den Wert AUV geändert, so wird dieser Spannungssprung am Punkt A durch einen Stromsprung am Punkt B beantwortet. Den Ladekondensator Cl denkt man sich durch eine Spannungsquelle ersetzt, so daß die Ausgangsspannung U 1 keine Änderung erfährt.

Dieses Sprungverhalten der Schaltung nach F i g. 1 ist in einem Diagramm der Fig. 2 graphisch dargestellt. In dir Abszisse ist die Zeit t und in der Ordinate der durch die Induktivität L 1 fließende Strom J aufgetragen. Die schraffierte Fläche der einzelnen Intervalle T, 2T, 37"usf. stellt die Stromzeitfläche am Punkt S der Schaltung der Fig. 1 dar. Die am Punkt Λ erfolgte Spannungsänderung AU V und der dadurch erfolgte Stromsprung am Punkt B wird durch den Punkt Cin der F i g. 2 wiedergegeben. Durch diesen Spannungssprung im Punkt A erfährt das Tastverhältnis eine Änderung.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung nach der F i g. 1 ist hierbei so, daß der Referenzspannung Uref die an dem Widerstand R 1 abfallende Spannung hervorgerufen durch den über den Transformator Tr 1 tranformierten Strom, überlagert ist. Wird die Spannung am Punkt A um AU V verändert, so wird der Strom aus Punkt S so verändert, daß am Widerstand R 1 eine Spannungsänderung in der Höhe von AUV entsteht. Dies stellt der Punkt Cin der Fig.2 dar. Dabei ändern sich ebenfalls die schraffierten Flächen in diesem Diagramm. Der mittlere Strom ergibt sich aus der schraffierten Fläche Π dividiert durch die gesamte Periodendauer T. Es entsteht dabei ein Übergangsverhalten der Regelung, die aus der Breite der schraffierten Flächen T\ in den einzelnen Perioden hervorgeht. Schon nach der dritten bis vierten Periode erreicht die Impulsbreite wieder ihren Ausgangswert TX. Der Impuls ist am Ende seines Übergangsverhaltens von gleicher Breite wie vorher, aber um die Sprunghöhe A] größer geworden. Dieses Übergangsverhalten tritt bei Durchflußwandlern nicht auf.

Der eigentliche Erfindungsgedanke besteht darin, daß man der Referenzspannung Uref nicht einen Sägezahn gemäß dem Stand der Technik überlagert und den Operationsverstärker JC in Abhängigkeit des Sägezahns steuert, sondern man verwendet eine stromabhängige Spannungsgröße zur Steuerung des elektronischen Schalters 5 1.

Der Vorteil dieses Regelverhaltens kann unmittelbar aus dem Sprungverhalten der Schaltungsanordnung abgelesen werden, wie dies anhand des Diagramms in de. F i g. 2 beschrieben wurde. Es liegt also eine spannungsgesteuert.e 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 Parallelschaltungen 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 folgende:

Die Eingangsspannung an der einseitig an Bezugspotential geschalteten Spannungsquelle C ist Uo. Die Ausgangsspannung an dem Verbraucher RL ist ί,Ί. Wenn der elektronische Schalter S1 schließt, wird Energie in der Induktivität L 1 gespeichen. und wenn der elektronische Schalter S 1 wieder öffnet, wird die gespeicherte Energie über die Diode D 1 an den Verbraucher RL abgegeben. Durch Variation des Tastverhältnisses. Leitzeit zur gesamten Periodendauer, wird die Ausgangsspannung U 1 am Verbraucher RL verändert bzw. auch konstant gehallen.

Der elektronische Schalter 5 1 wird über eine Treiberstufe Tiian seiner Basis angesteuert, diese wiederum erhält ihr Steuersignal aus einem Multivibrator Mb. das den elektronischen Schalter S 1 öffnet oder schließt. Über den Transformator Tr 1 wird auf die Sekundärseite ein Strom induziert, der an dem Widerstand R 1 einen Impuls erzeugt. Wenn die Amplitude des Impulses am Widerstand R 1 einen bestimmten Wert erreicht hat. schaltet der als Kippstufe ausgebildete Kippschalter /Cl um und blockiert die Ansteuerung des elektronischen Schalters Sl. Diese Schalterstellung des Kippschalters yCl wird durch das Einfügen einer Diode D 2 in Serie mit einem weiteren Widerstand R 3 beibehalten. Erst durch einen neuen Impuls, der synchron von dem Multivibrator Mb herrührt und als Rückstellimpuls von einem Rückstellimpulsgeber Rip wirkt, wird der Kippschalter /Cl wieder in Bereitschaft gebracht. Erst durch einen neuen Impuls, der über den Transformator Tr 1 an dem Widerstand R 1 als Spannungsimpuls abfällt, wird der Kippschalter JC1 wieder umgeschaltet.

Das Konstanthalten der Ausgangsspannung erfolgt über den Operationsverstärker JC2, der die Ausgangsspannung U 1 mit der Referenzspannung Uref. die an einer Zenerdiode D 3 steht, vergleicht. Diese Vergleichsspannung erzeugt an den in Serie geschalteten Widerständen R 1 und R 2 einen Spannungsabfall, wobei der Widerstand R 2 > R 1 ist.

Gleichzeitig wird über den Transformator Tr 1 in die Sekundärseite ein Strom induziert, der an dem Widerstand R 1 einen Spannungsabfall hervorruft. In den Widerständen R 1 und R 2 überlagern sich beide Spannungen. Je größer der Strom durch diesen Widerstand R 1 ist, desto mehr wird der Schaltzeitpunkt verschoben. Es wird also das Tastverhältnis durch die Spannung, die an dem Widerstand R 1 steht, beeinflußt. Demzufolge würde auch die Ausgangsspannung verändert, je nach dem. ob die Schaltung unter Vollast oder mit weniger Last so betrieben wird.

Aus diesem Grund wird die Ausgangsspannung U 1 in dem Operationsverstärker /C2 mit der Referenzspannung Uref an der Zenerdiode D 3 verglichen. Durch die Verstärkung des Operationsverstärkers /C2 wird die Spannungsdifferenz verstärkt und in dem Widerstand R2 des Spannungsteilers eingekoppelt u.zw. derart, daß die über den Transformator Tr in der Sekundärwicklung transformierte Spannung, die am Widerstand R 1 abfällt, kompensiert wird. Dadurch bleibt die Spanbo nung zwischen dem Widerstand R 4 und R 5 am Eingang des Kippschalters/Cl immer konstant.

Geht der Verbraucherstrom zurück, so wird an dem

Widerstand R 1 eine kleinere Spannung abfallen. Dieser Spannungsabfall wird durch eine Nachregelung aus

b5 dem Operationsverstärker /C2 wieder kompensiert, so daß die Ausgangsspannung U 1 konstant gehalten wird.

Der Multivibrator Mb liefen einen Rechtcckimpuls

konstanter Frequenz und Amplitude. Üb-:r ein R-C-

Glied (nicht dargestellt) wird in einem Impulsumformer Rip ein Riickstellimpuls zur Rückstellung des Kippschalters JC1 gewonnen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

IO

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Steuerung eines Schaltreglers, der an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist und aus der Serienschaltung eines steuerbaren elektronischen Schalters mit einem Verbraucher besteht, wobei eine Vergleichseinrichtung vorhanden ist. deren Ausgang mit dem Steuereingang des elektronischen Schalters verbunden ist, wobei ein Eingang der Vergleichseinrichtung an der Verbraucherspannung liegt, und wobei der andere Eingang mit der Reihenschaltung eines Widerstandes und einer Referenzspannung beschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (Ri) derart mit Schaltmitteln im Stromkreis des elektronischen Schalters (Si) beschaltet ist, da3 an ihm eine zum Strom durch den elektronischen Schalter (S 1) proportionale Spannung abfällt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Pfad zwischen dem elektronischen Schalter (Sl) und dem Verbraucher (R_L) die Primärwicklung eines Transformators (TrI) geschaltet ist und daß der Widerstand (R 1) zusammen mit einem Gleichrichter (D4) in einem Parallelzweig zur Sekundärwicklung des Transformators (TrX) liegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Sekundärwicklung des; Transformators (Tr \) die Serienschaltung aus einer in Flußrichtung gepolten Zenerdiode (D 2) und einer entgegengesetzt gepolten Diode (D 3) liegt.