DE2733031C2 - DC-DC converter - Google Patents

DC-DC converter

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DE2733031C2 DE19772733031 DE2733031A DE2733031C2 DE 2733031 C2 DE2733031 C2 DE 2733031C2 DE 19772733031 DE19772733031 DE 19772733031 DE 2733031 A DE2733031 A DE 2733031A DE 2733031 C2 DE2733031 C2 DE 2733031C2
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Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler im Umfang des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.The invention relates to a DC voltage converter within the scope of the preamble of claim 1.

Durch die US-PS 33 96 326 ist ein Wandler bekannt, der unter anderem diese Merkmale aufweist. Bei dieser Anordnung wird der Stromfluß durch die Speicherdrossel durch einen mit ihr in Reihe liegendem Ohm'schen Meßwiderstand aufgrund des an diesem auftretenden Spannungsabfalls festgestellt. Über diesen Spannungsabfall wird dann mit Erreichen eines oberen Grenzwertes die Sperrung des Schalttransistors veranlaßt. Die Einschaltung eines derartigen Widerstandes hat jedoch den Nachteil, daß bei großen Strömen eine erhebliche Verlustleistung in Kauf genommen werden muß. Durch die GB-PS 13 73 740 ist es ferner bekannt, bei einer Anordnung zur Spannungsregulierung einen Impulsübertrager zu verwenden, der mit einem konstanten Strom beaufschlagt wird. Die entsprechende Konstantstromquelle ist getastet und beaufschlagt die Primärwicklung des Impuisübertragers. Eine Sekundärwicklung ist unmittelbar an die Basis-Emitter-Strecke des im Lastkreis liegenden Schalttransistors angeschaltet Eine weitere Wicklung ist mit Hilfe eines Transistors kurzschließbar. Der diesem Kurzschluß entsprechende Stromstoß in der zweitgenannten Wicklung bewirkt, daß die Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors sehr rasch entladen wird, und entsprechend schnell in seinen nichtleitenden Zustand gesteuert wird. Durch diese Maßnahme werden die Verlustleistung des Schalttransistors gesenkt und der Wirkungsgrad der Gesamtschaltung entsprechend verbessert.From US-PS 33 96 326 a converter is known which has these features, among other things. At this Arrangement is the current flow through the storage choke by an ohmic measuring resistor lying in series with it due to the occurring at this Voltage drop detected. This voltage drop is then used when an upper limit value is reached the blocking of the switching transistor causes. However, the inclusion of such a resistor has the disadvantage that with large currents a considerable power loss has to be accepted. By GB-PS 13 73 740 it is also known, in an arrangement for voltage regulation, a pulse transformer to be used, which is supplied with a constant current. The corresponding constant current source is keyed and applied to the primary winding of the pulse transformer. A secondary winding is connected directly to the base-emitter path of the switching transistor in the load circuit Another winding can be short-circuited with the aid of a transistor. The one corresponding to this short circuit Current surge in the second-mentioned winding causes the base-emitter path of the switching transistor to be very is discharged rapidly, and is accordingly quickly controlled into its non-conductive state. Through this Measure, the power loss of the switching transistor and the efficiency of the overall circuit are reduced improved accordingly.

Durch die US-PS 39 31566 schließlich ist ein Stromversorgungsgerät bekannt, bei dem zur Feststellung und der damit verknüpften Regelung des Stromflusses eine speziell ausgebildete und mit der Speicherdrossel unmittelbar gekoppelte Spule verwendet wird. Über im Luftspalt dieser Drossel angeordnete Fühlerwicklungen kann durch die Auswirkung des magnetischen Flusses eine Aussage über den in der Drossel fließenden Strom abgeleitet werden. Neben den fertigungstechnischen Schwierigkeiten für eine derartige spezielle Meßspule ergibi sich ein zusätzlicherFrom US-PS 39 31566 finally a power supply device is known in which to determine and the associated regulation of the current flow a specially trained and with the Storage choke directly coupled coil is used. About arranged in the air gap of this throttle Due to the effect of the magnetic flux, sensor windings can provide information about the in the Choke flowing current can be diverted. In addition to the manufacturing difficulties for such a special measuring coil results in an additional one

■»ο Raumbedarf für einen solchen Meükreis.■ »ο Space required for such a measuring circle.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Gleichspannungswandler zu schaffen, dessen Verlustleistung bei einem möglichst geringen Platzbedarf auf ein Minimum reduziert wird und der schaltungstechnisch zudem so ausgebildet ist, daß ein Parallelbetrieb mit beliebig vielen Exemplaren möglich ist.It is the object of the invention to create a DC voltage converter whose power loss is The smallest possible space requirement is reduced to a minimum and the circuitry is also so is designed that parallel operation with any number of copies is possible.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Bei entsprechender Wahl der Induktivität und der Hilfsdrossel kann der Stromfluß durch den parallel liegenden Meßkreis sehr klein gehalten werden. Durch die Ansteuerung der Eingangswicklung des Impulsübertragers, der zur Potentialtrennung dient, wird gleichzeitig ein definierter Basis-Emitterstrom für den Schalttransistor eingespeist. Durch eine genaue Strombegrenzung kann die Speicherdrossel optimal genutzt werden. Die Ansteuerung des Schalttransistors vermittels eines Impulsübertragers erfordert nur eine geringe Energie, so daß dadurch Verlustleistung eingespart wird.This object is achieved by the characterizing features of claim 1.
With an appropriate choice of inductance and the auxiliary choke, the current flow through the parallel measuring circuit can be kept very small. By controlling the input winding of the pulse transformer, which is used for potential separation, a defined base-emitter current for the switching transistor is fed in at the same time. The storage choke can be used optimally by precisely limiting the current. The control of the switching transistor by means of a pulse transmitter requires only a small amount of energy, so that power loss is saved as a result.

Dadurch, daß eine den jeweiligen Toleranzbereich berücksichtigende Hysteresespannung sowohl für die Spannungs- als auch für die Strombegrenzung von demselben Widerstand abgegriffen wird, ist ein nahtloser Übergang von der Spannungsbegrenzung auf die Strombegrenzung und umgekehrt sichergestellt. Dies wiederum ermöglicht einen problemlosen Parallelbetrieb mehrerer Baugruppen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der ErfindungThe fact that a hysteresis voltage that takes into account the respective tolerance range is tapped from the same resistor for both the voltage and the current limitation ensures a seamless transition from voltage limitation to current limitation and vice versa. This in turn enables problem-free parallel operation of several assemblies.
According to a further embodiment of the invention

besteht der Impulsübertrager aus zwei Wicklungen, wobei die Steuerwicklung unmittelbar an den Basis-Emitteranschluß des Schalttransistors angeschaltet ist. Die Eingangswicklung, die von der Konstantstromquelle beaufschlagt wird, welche ihrerseits durch den der Spannungsbegrenzung dienenden Spannungsregler getastet ist, wird durch einen weiteren, über eine Hilfswicklung der Speicherdrossel und einem Begrenzungswiderstand angesteuerten Transistor kurzgeschlossen. Dadurch wird die Auf- und Entladung der Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors beschleunigt, so daß die Vorteile eines gesättigten Schalttransistors erhalten bleiben.the pulse transformer consists of two windings, with the control winding directly connected to the base-emitter connection of the switching transistor is switched on. The input winding coming from the constant current source is acted upon, which in turn is scanned by the voltage regulator serving to limit the voltage is, by a further, via an auxiliary winding of the storage choke and a limiting resistor activated transistor short-circuited. This will allow the charging and discharging of the Base-emitter path of the switching transistor accelerated, so that the advantages of a saturated switching transistor remain.

Im folgenden sei die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert:In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiment shown in the drawing explained:

Der gezeigte Gleichspannungswandler besitzt ein aus einer Induktivität Ll und einem Kondensator CX bestehendes Eingangssieb. Daran schließen sich Stützkondensatoren C2 und CZ an, die prinzipiell auch durch einen einzigen Kondensator realisiert sein könnten. Im Längszweig ist als Schalter ein Schalttransistor T, vorgesehen, der über eine Steuerwicklung I eines Impulsübertragers L 4 gesteuert wird. Ferner liegt im Längszweig eine Speicherdrossel L 2 mit ihrer Hauptwicklung I mit einem parallel zum Ausgang liegenden Glättungskondensator C4 in Reihe. Im Querzweig ist zu der Speicherdrossel L 2 und dem Glättungskondensator C 4 eine entgegengesetzt zur Betriebsspannung gepoile Freilaufdiode DX vorgesehen. Parallel zur Speicherdrossel L 2 ist ein Meßkreis aus einer Hilfsdrossel L 3 und einem Widerstand R1 angeordnetThe DC voltage converter shown has an input sieve consisting of an inductance Ll and a capacitor CX. This is followed by backup capacitors C2 and CZ , which in principle could also be implemented by a single capacitor. A switching transistor T, which is controlled via a control winding I of a pulse transmitter L 4, is provided as a switch in the series branch. Furthermore, a storage inductor L 2 with its main winding I is connected in series with a smoothing capacitor C4 lying parallel to the output in the series branch. A freewheeling diode DX polarized opposite to the operating voltage is provided in the shunt branch for the storage inductor L 2 and the smoothing capacitor C 4. A measuring circuit comprising an auxiliary choke L 3 and a resistor R 1 is arranged parallel to the storage choke L 2

Zum Freigeben des Gleichspannungswandlers dient ein Starter 57^ der von der Betriebsspannung UX versorgt wird und der die Höhe dieser Spannung bewertet und mit seiner Aussage einen Stromregler SR beeinflußt. Dieser Stromregler wird ebenfalls von der Betriebsspannung UX versorgt und erhält seine Vergleichswerte vom Widerstand R 1 und beeinflußt seinerseits einen Spannungsregler SP. Auch dieser wird von der Betriebsspannung U1 versorgt und erhält seine Meßwerte über Fühlerleitungen Ft und F2. Der Spannungsregler arbeitet beim Regein auf einen Widerstand R2 von dem die Hysteresespannung sowohl für den Spannungsregler selbst als auch für den Stromregler abgeleitet wird. Mi'. R 3 und R 4 sind Entkoppelungswiderstände bezeichnet. A starter 57 ^ which is supplied by the operating voltage UX and which evaluates the level of this voltage and uses its information to influence a current regulator SR serves to enable the DC voltage converter. This current regulator is also supplied by the operating voltage UX and receives its comparison values from the resistor R 1 and in turn influences a voltage regulator SP. This is also supplied by the operating voltage U 1 and receives its measured values via sensor lines Ft and F2. When Regein, the voltage regulator works on a resistor R2 from which the hysteresis voltage is derived both for the voltage regulator itself and for the current regulator. Wed '. R 3 and R 4 are designated decoupling resistors.

Der Spannungsregler SP tastet eine Konstantstromquelle KS, die über eine Diode D3 die Eingangswicklung II des Impulsübertragers L 4 versorgt. Ein Transistor T2 wird über eine Hilfswicklung II der Speicherdrossel L 2 und einen Begrenzungswiderstand R 5 angesteuert und schließt mit seinem Kollektorkreis über eine Diode D 2 die Eingangs wicklung II des Impulsübertragers L 4 kurz. Durch die Widerstände R 6 und R 7 werden die Fühlerleitungen FX und F2 mit Jem notwendigen Bezugspotential der Ausgangsspannung + 1)2 und OVauch dann versorgt, wenn keine externen Verbindungen ausgeführt sind.The voltage regulator SP samples a constant current source KS, which supplies the input winding II of the pulse transformer L 4 via a diode D 3. A transistor T2 is controlled via an auxiliary winding II of the storage choke L 2 and a limiting resistor R 5 and shorts the input winding II of the pulse transformer L 4 with its collector circuit via a diode D 2. The sensor lines FX and F2 are supplied with the necessary reference potential for the output voltage +1) 2 and OV through the resistors R 6 and R 7 , even if no external connections are made.

Wenn die Betriebsspannung +UX z.B. auf ihrem halben Wert liegt, ist die Schaltung noch im Ruhezustand, d. h., der Starter ST befindet sich noch im »Aus-Zustand«. Er hält bei dieser Betriebslage auch den Stromregler im »Aus-Zustand«. Der Stromregler SR hält den Spannungsregler SP und dieser wiederum die Konstantstromquelle KS in dem »Aus-Zustand«. Der Schalttransistor TX ist ebenfalls gesperrt und die Ausgangsspannung t/2 hat den Wert Null.If the operating voltage + UX is, for example, at half its value, the circuit is still in the idle state, ie the starter ST is still in the "off state". In this operating position, it also keeps the current regulator in the "off state". The current regulator SR keeps the voltage regulator SP and this in turn keeps the constant current source KS in the “off state”. The switching transistor TX is also blocked and the output voltage t / 2 has the value zero.

ίο Steigt die Betriebsspannung UX weiter an, dann wird der Einschaltzeitpunkt des Starters STerreicht, der den Stromregler SR freigibt. Dieser gibt auch den Spannungsregler SP frei. Weil die Ausgangsspannung L/2 noch den Wert Null hat, schaltet der Spannungsregler SP die Konstantstromquelle KS ein, wodurch ein Strom durch die Eingangswicklung II des Impulsübertragers L 4 fließt, der mit seiner Steuerwicklung I den Schalttransistor TX einschaltet. Damit steigt der Strom in der Hauptwickiung I der Speicherdrossel 12 auf seinen maximalen Wert, was im Meßkreis am Widerstand R X festgestellt und -dem Stromregler SR mitgeteilt wird. Daraufhin schaltet d«,r Stromregler SR aus. In Abhängigkeit dieses Vorganges sperrt der Spannungsregler SPden Schalttransistor TX, wie es in umgekehrter Weise bereits beschrieben ist. Der Gleichspannungswandler beginnt mit maximalem Strom zu arbeiten. Dabei steigt die Ausgangsspannung t/2 an. Wenn sie ihren Sollwert erreicht, was über die Fühlerleitungen Fl und F2 dem Spannungsregler SP ίο If the operating voltage UX continues to rise, the switch-on time of the starter ST is reached, which enables the current regulator SR . This also enables the voltage regulator SP . Because the output voltage L / 2 still has the value zero, the voltage regulator SP switches on the constant current source KS , whereby a current flows through the input winding II of the pulse transformer L 4, which switches on the switching transistor TX with its control winding I. This increases the current in the main winding I of the storage choke 12 to its maximum value, which is determined in the measuring circuit at the resistor RX and communicated to the current regulator SR. Thereupon d «, r switches the current regulator SR off. As a function of this process, the voltage regulator SP blocks the switching transistor TX, as has already been described in reverse. The DC / DC converter begins to work with maximum current. The output voltage t / 2 increases. When it reaches its setpoint, this is transmitted to the voltage regulator SP via the sensor lines F1 and F2

angezeigt wird, tritt dieser in Aktion und tastet entsprechend die Konstantstromquelle und damit den Schalttransistor TX. Der Strom in der Hauptwicklung I der Speicherdrossel L 2 stellt sich jetzt auf die tatsächliche Belastung am Ausgang t/2 ein. Der Stromregler tritt erst wieder in Tätigkeit, wenn die Sekundärseite (Ausgangsspannung t/2) überlastet wird.is displayed, it comes into action and scans the constant current source and thus the switching transistor TX accordingly. The current in the main winding I of the storage choke L 2 is now adjusted to the actual load at the output t / 2. The current regulator only comes into operation again when the secondary side (output voltage t / 2) is overloaded.

Sinkt die Betriebsspannung UX unter die festgelegteIf the operating voltage UX falls below the specified

Schwelle des Starters, so geht dieser wieder in den »Aus-Zustand« und damit ist der GleichspannungsThreshold of the starter, it goes back into the "off-state" and thus the DC voltage

wandler wieder in dem zu Anfang beschriebenen Ruhezustand.converter again in the idle state described at the beginning.

Beim Schalten des Spannungsreglers erzeugt dieser an dem Widerstand R 2 eine Spannung, die sowohl beim Spannungs- als auch beim Stromregler a!s Hysteresespannung wirkt, wodurch ein nahtiocer Übergang von Spannungsbegrenzung auf Strombegrenzung und umgekehrt sichergestellt ist. Damit wird ein problemloser Parallelbetrieb mit beliebig vielen Baugruppen ermöglicht. When switching the voltage regulator that generates across the resistor R2 is a voltage that both the voltage and current regulator at a! S hysteresis effect, whereby a nahtio c he transition of voltage limitation to current limitation and vice versa ensured. This enables problem-free parallel operation with any number of assemblies.

Beim Abschalten der Speicherdrossel L 2 wird in deren Hilfswicklung II eine Spannung induziert, die über den Widerstand R 5 den Transistor T2 in seinen leitenden Zustand steuert, der über die Diode D 2 die Eii.gangswicklung II des Impulsübertragers L 4 kurz-When the storage choke L 2 is switched off, a voltage is induced in its auxiliary winding II which, via the resistor R 5, controls the transistor T2 to its conductive state, which briefly connects the output winding II of the pulse transformer L 4 via the diode D 2.

« schließt. Der hierdurch in die Wicklung I des Impulsübertragers L4 induzierte Stromstoß bewirkt eine rasche Entladung der Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors Ti, so daß dieser unverzüglich gesperrt wird.«Closes. The current surge induced in this way in the winding I of the pulse transformer L 4 causes the base-emitter path of the switching transistor Ti to discharge rapidly, so that it is immediately blocked.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims (2)

PatentansprücheClaims 1. Gleichspannungswandler in Form eines Schaltreglers, der erst beim Erreichen der vorgegebenen unteren Grenze der Betriebsspannung mittels eines Starters freigegeben wird und bei dem eine Speicherdrosse! und in Schalttransistor mit seiner Kollektor- und Emitterstrecke im Längszweig und eine Diode im Querzweig liegt, ferner ein Glättungskondensator am ausgangsseitigen Anschluß der Speicherdrossel angeschlossen ist und der außerdem ein von dem Starter freigegebenen Strom- und Spannungs-Regler für die Strom- und Spannungsbegrenzung enthält, wobei dem Stromregler für die Strombegrenzung diesbezügliche Meßwerte von einem Strommeßkreis geliefert werden,
dadurch gekennzeichnet, daß1. DC voltage converter in the form of a switching regulator, which is only released by means of a starter when the specified lower limit of the operating voltage is reached and which has a storage throttle! and in the switching transistor with its collector and emitter path in the series branch and a diode in the shunt branch, furthermore a smoothing capacitor is connected to the output-side connection of the storage choke and which also contains a current and voltage regulator released by the starter for current and voltage limitation, whereby the current controller for the current limitation is supplied with the relevant measured values from a current measuring circuit,
characterized in that a) als Strommeßkreis ein parallel zur Speicherdrossel (L 2) angeordneter und aus der Reihensch&iiung einer Hilfsdrossel (L 3) und einem Widerstand (R 1) bestehender Kreis vorgesehen ist,a) a circuit arranged parallel to the storage choke (L 2) and consisting of the series connection of an auxiliary choke (L 3) and a resistor (R 1) is provided as the current measuring circuit, b) daß der Spannungsregler (SP) dem Stromregler (SR) unterlagert ist, und daß dessen Ausgangssignal während des Einspeichervorganges für die Speicherdrossel (LC!) eine Konstantstromquelle (KS) impulsweise an die Eingangswicklung II eines Impulsübertragers(L4) schaltet,b) that the voltage regulator (SP) is subordinate to the current regulator (SR) , and that its output signal switches a constant current source (KS) to the input winding II of a pulse transformer (L4) in pulses during the storage process for the storage choke (LC!), c) daß zur Steuerung des Schalttransistors (Π) in an sich bekannter Weise parallel zu dessen Basis-"mitter-Strecke die Steuerwicklung (I) des Impulsübertragers (f. 4) angeordnet ist,c) that to control the switching transistor (Π) in a manner known per se in parallel to it The control winding (I) of the pulse transformer (f. 4) is arranged in the base "middle section," d) daß im Eingang des Stromreglers (SR) und im Eingang des Spannungsreglers (SP) ein an den ausgangsseitigen Anschluß der Speicherdrossel (L 2) angeschalteter Widerstand (R 2) angeordnet ist, d) that a resistor (R 2) connected to the output-side connection of the storage choke (L 2) is arranged in the input of the current regulator (SR) and in the input of the voltage regulator (SP), e) daß dem Widerstand (R 2) über den Ausgang des Spannungsreglers (SP) ein zusätzlicher Spannungswert derart zuführbar ist, daß für den Übergang in der Wirksamkeit der jeweils für die Strom- und Spannungsbegrenzung maßgebenden Reglereinheiten (SR, SP) durch den Spannungsabfall an dem Widerstand (R 2) ein Hystereseverhalten auftritt.e) that an additional voltage value can be fed to the resistor (R 2) via the output of the voltage regulator (SP) in such a way that for the transition in the effectiveness of the respective regulator units (SR, SP) , which are decisive for the current and voltage limitation, due to the voltage drop the resistor (R 2) a hysteresis behavior occurs. 2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsübertrager (L 4) aus zwei Wicklungen (I, II) besteht, wobei die Steuerwicklung (I) unmittelbar an den Basis-Emitteranschluß des Schalttransistors (7*1) angeschaltet ist und die von dem der Spannungsbegrenzung dienenden Spannungsregler (SP) getasteten Konstantstromquelle (KS) beaufschlagte Eingangswicklung (II) durch einen weiteren, über eine Hilfswicklung (II) der Speicherdrossel (L2) und einen Begrenzungswiderstand (R 5) angesteuerten Transistor (T2) kurzgeschlossen wird, derart, daß der in die genannte Steuerwicklung (1) des Impulsübertragers (L 4) induzierte Stromstoß eine rasche Entladung der Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors (T1) herbeiführt.2. DC voltage converter according to claim 1, characterized in that the pulse transformer (L 4) consists of two windings (I, II), wherein the control winding (I) is connected directly to the base-emitter terminal of the switching transistor (7 * 1) and the from the voltage regulator (SP) gated constant current source (KS) applied to the input winding (II) is short-circuited by a further transistor (T2) controlled via an auxiliary winding (II) of the storage choke (L2) and a limiting resistor (R 5), such that the current surge induced in said control winding (1) of the pulse transformer (L 4) causes a rapid discharge of the base-emitter path of the switching transistor ( T 1).
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