DE2814254A1

DE2814254A1 - Schaltregler

Info

Publication number: DE2814254A1
Application number: DE19782814254
Authority: DE
Inventors: Hans Jaggy; Peter Steiner
Original assignee: Werkzeugmaschinenfabrik Oerlikon Buhrle AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1977-04-07
Filing date: 1978-04-03
Publication date: 1978-10-12
Also published as: FI66267C; IE780685L; AU505011B1; DE2814254B2; FR2386862B1; FR2386862A1; RO75948A; ATA202478A; PL124080B1; IT1093459B; SE429487B; FI66267B; GB1601178A; BE865801A; IE46524B1; DK142778A; IT7821948A0; AT360122B; HU178374B; TR20476A

Description

BR - 2 -

Werkzeugmaschinenfabrik Oerlikon-Bührle AG

Schaltregler

Die Erfindung betrifft einen Schaltregler, enthaltend

- Eingangskleirunen (UE) für eine Gleichspannungs-Energiequelle,

- Ausgangsklemmen (UA) für einen Energie-Verbraucher,

- einen Filter mit einer Drossel (DR), einem Kondensator (C) und einer Diode (D),

- eine Schaltvorrichtung, die zwischen den Eingangsklemmen (UE) und den Ausgangsklemmen (UA) angeordnet ist, mit einem Leistungsschalttransistor (T2), der durch Steuerorgane (Tl, T4, T5) in einen leitenden und in einen sperrenden Zustand umschaltbar ist,

- einen ersten Komparator (LDl), der die Ausgangsspannung (UA) mit einer Referenzspannung (UR) vergleicht und bei Abweichung ein Signal an die Steuerorgane (Tl, T4, T5) leitet,

- einen Steuerschalttransistor (T3), der den Strom in einem Widerstand (R4) überwacht und bei Ueberschreiten eines

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zulässigen Wertes ein Signal an die Steuerorgane (Tl, T4, T5) leitet.

Bei einem bekannten Schaltregler dieser Art (US-PS 3 396 326) weist die Drossel auch eine üebertragungswicklung auf, welche bei Abnahme des durch die Drosselspule fliessenden Stromes ein Signal zum Sperren des Leistungsschalttransistors abgibt. Diese Üebertragungswicklung hat wesentliche Nachteile:

1. Ein Ueberwachen einer vollständigen Abgabe, der in der Drosselspule enthaltenen Energie ist nicht gewährleistet und es besteht die Gefahr, dass die Drosselspule trotzdem in der Sättigung arbeitet, was zur Ueberlastung des Schaltreglers führt.

2. Drosseln mit Üebertragungswicklung sind nicht handelsüblich.

3. Mit einer Üebertragungswicklung kann nur das dynamische, nicht das statische Verhalten der Drossel überwacht werden.

Die Aufgabe, die mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden soll, besteht in der Schaffung eines Schaltreglers, bei dem grosse Eingangsspannungsvariationen von z.B. 1 : 10 und grosse Ausgangsbelastungsschwankungen zulässig sind, ohne dass einzelne Elemente des Schaltreglers durch Ueberlastung zerstört werden. Insbesondere soll vermieden werden, dass die Drossel in der Sättigung arbeitet.

Der erfindungsgemässe Schaltregler ist gekennzeichnet durch einen zweiten Komparator (LD2), der die Spannung am Eingang (A) der Drossel (DR) mit der Spannung (UA) am Ausgang der Drossel

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(DR) vergleicht und der ein Signal abgibt, sobald die Spannung (UA) am Ausgang der Drossel (DR) gleich oder kleiner ist als die Spannung am Eingang (A) der Drossel (DR) -

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Schaltreglers ist anhand der beigefügten Zeichnung im folgenden ausführlich beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltschema eines bekannten Schaltreglers und Fig. 2 ein Schaltschema des erfindungsgemässen Schaltreglers.

Gemäss Fig. 1 besitzt der Schaltregler zwei Klemmen mit der Eingangsgleichspannung UE und zwei Klemmen mit der Ausgangsgleichspannung UA. Die beiden positiven Klemmen sind über einen Leistungs-Schalttransistor T und eine in Serie angeordnete Drosselspule DR miteinander verbunden. Ein Komparator LD ist an die positive Ausgangsklemme und an die Basis des Transistors T angeschlossen. Dieser Komparator ist ferner an eine Hilfsspannung UH und an eine Referenzspannung UR angeschlossen, die nur durch einen Pfeil angedeutet sind. Ferner ist ein Filter vorhanden, das aus der Drosselspule DR und einem Kondensator C besteht. Parallel zum Kondensator C und zur Drosselspule DR ist noch eine Freigabe-Diode D angeordnet.

Die Wirkungsweise dieses an sich bekannten Schaltreglers ist wie folgt. Die Ausgangsspannung UA bewirkt über den Komparator LD ein Ein- und Ausschalten des Schalttransistors T, d.h. sobald die Ausgangsspannung einen gewissen Wert überschreitet, wird über den Komparator, der die Ausgangsspannung dauernd

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mit einer Referenzspannung UR vergleicht, der Schalttransistor T gesperrt. Dadurch sinkt die Ausgangsspannung UA, wodurch der Komparator LD den Transistor T wieder leitend macht. Solange der Schalttransistor T leitend ist, ist das Filter, d.h. die Induktionsspule DR und der Kondensator C an die Eingangsspannung UE angeschlossen, wodurch ein Strom i, ansteigt. Wenn der Schalttransistor T gesperrt ist, kann die Energie aus der Spule DR über die Diode D abfHessen und der Strom i, wird kleiner. Es ist klar, dass die Ausgangsspannung UÄ abhängig ist von der Zeit t_1# an welcher der Schalttransistor T leitend ist sowie von der Schwingungsdauer t„ des Systems, d.h.

UA/UE = t₁/t₂,

wobei t„ = 1/f ist, wenn f die Frequenz des Systems ist. Wesentlich ist die optimale Anpassung der Bauteile dieses Schaltreglers an die jeweiligen Bedürfnisse, da der Wirkungsgrad, d*h. die Verluste von der geeigneten Wahl der Elemente abhängig sind. Insbesondere muss die Induktionsspule DR so dimensioniert werden, dass sie über den ganzen Eingangsbereich UE und bei der höchsten zulässigen Belastung des Schaltregler-Ausgangs nicht in die Sättigung gelangt.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist der bekannte Schaltregler gemäss der vorliegenden Erfindung verbessert worden.

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Gemäss Fig. 2 besitzt der erfindungsgemässe Schaltregler ebenfalls zwei Klemmen mit der Eingangsgleichspannung UE und zwei Klemmen mit der Ausgangsgleichspannung UA. Die beiden positiven Klemmen sind wiederum über einen Leistungs-Schalttransistor T„ miteinander verbunden. Ein erster Komparator LDl ist an die positive Ausgangsklemme und über die Steuertransistoren T4, T5 und Tl an die Basis des Schalttransistors T2 angeschlossen. Der Komparator LDl ist ferner an eine Hilfsspannungsquelle DDC und an eine Referenzspannung UR angeschlossen. Es ist ebenfalls ein Filter vorhanden, das aus einer Induktionsspule oder Drossel DR und einem Kondensator C besteht. Parallel zum Kondensator C ist eine Diode D angeordnet.

Die bisher beschriebenen Bauteile unterscheiden sich in ihrer Anordnung nicht vom bekannten Schaltregler gemäss Fig. 1.

Erfindungsgemäss sind aber noch folgende zusätzliche Bauteile angeordnet.

1) Ein zweiter Komparator LD2 ist einerseits an die positive Ausgangsklenune und anderseits über die Steuertransistoren T5 und Tl an die Basis des Schalttransistors T2 angeschlossen. Ferner ist der Komparator an einen Punkt A vor der Induktionsspule und an die Hilfsspannungsquelle DDC angeschlossen.

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2) Parallel zum Schalttransistor T2 ist ein zweiter Schalttransistor T3 angeordnet, dessen Basis mit dem Kollektor des Schalttransistors T2 verbunden ist. Ferner ist ein erster Widerstand R3 zwischen die positive Eingangsklemme und dem Kollektor des Schalttransistors T2, ein zweiter Widerstand R4 zwischen die Basis des zweiten Schalttransistors T3 und dem Kollektor des ersten Schalttransistors T2 und ein dritter Widerstand R5 zwischen dem Kollektor des zweiten Schalttransistors T3 und der Basis des Steuertransistors T4 angeordnet.

3) Ferner ist ein Zeitglied TMl vorhanden, das über eine Eingangsklemme E über die Steuertransistoren T5 und Tl an die Basis des Schalttransistors T2 angeschlossen ist.

4) Parallel zum Zeitglied TMl ist an die Eingangsklemme E noch ein geschwindigkeits- oder spannungsabhängiger Pegelschalter LD3 angeschlossen.

Die Wirkungsweise des beschriebenen Schaltreglers ist wie folgt:

1) Beim Normalbetrieb wird der Istwert der Ausgangsspannung UA im Komparator LDl mit der Referenzspannung UR verglichen. Sobald die Ausgangsspannung UA grosser wird als die Referenzspannung UR, so schaltet der Komparator LDl vom Wert "0" auf den Wert "1" um. Dieses Um-

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schalten auf den Wert "1" bewirkt, dass der Steuertransistor T4 leitend wird. Dadurch wird der Steuertransistor T5 gesperrt. Dies hat zur Folge, dass der Steuertransistor Tl ebenfalls gesperrt wird, und somit auch der Schalttransistor T2. Sobald die Ausgangsspannung UA kleiner wird als die Referenzspannung UR, so schaltet der Komparator LDl wieder vom Wert "1" auf den Wert "0" zurück, wodurch der Steuertransxstor T4 gesperrt wird, und somit die Steuertransistoren T5 und Tl sowie der Schalttransistor T2 leitend werden. Dieser Vorgang spielt sich bei stationärem oder Normal-Betrieb ab/ d.h. solange die Belastung gleich oder kleiner als die maximal zulässige Belastung ist.

2) Bei Ueberlastung oder Kurzschluss des Regler-Ausgangs, wird die Einschaltdauer des Schalttransistors T2 so gross, dass die Drossel DR in die Sättigung gelangt. Bei Sättigung der Drossel DR steigt der Strom im Schalttransistor T2 und führt zu dessen plötzlicher Zerstörung. Um diese Zerstörung zu verhindern, ist es notwendig, den Stromanstieg zu überwachen. Die Stromüberwachung erfolgt mit Hilfe der Widerstände R3, R4, R5 und dem Schalttransistor T3. Mit diesen Elementen kann der Leistungs-Schalttransistor T2 vor Zerstörung durch einen zu grossen Strom geschützt werden. Diese Stromüberwachung alleine kann jedoch eine Zerstörung

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des Schalttransxstors T2 durch thermische Ueberlastung nicht verhindern, weil die Stromüberwachung schnell arbeitet, d.h. mit mehr als 100 kHz und mit einer Einschaltdauer von etwa 50%. Bei hoher Eingangsspannung UE werden die Leistungsverluste im Schalttransistor T2 so gross, dass eine üeberhitzung und Zerstörung erfolgt. Ausserdem hat die Drossel DR keine Möglichkeit, die in ihr gespeicherte Energie abzugeben. Die Drossel DR arbeitet daher praktisch ständig in der Sättigung. Es ist daher auch notwendig, die Drossel DR zu überwachen. Die Ueberwachung der Drossel DR erfolgt mit Hilfe des zweiten Comparators LD2, dieser vergleicht die Ausgangsspannung UA hinter der Drossel DR mit der Spannung am Punkt A vor der Drossel DR. Solange die Spannung im Punkt A kleiner ist als die Ausgangsspannung UA, gibt die Drossel DR noch Energie ab. Der Schalttransistor T2 muss daher gesperrt werden. Solange die Spannung ±Κι Punkt A kleiner ist als die Ausgangsspannung UA, bleibt

der Komparator LD2 auf den Wert "O"/ wodurch die Steuertransistoren T5 und Tl, und somit auch der Schalttransistor T2 gesperrt sind. Wenn die Spannung im Punkt A gleich oder grosser ist als die Ausgangsspannung UA, dann schaltet der Komparator LD2 auf den Wert "1" um und der Transistor T5 wird leitend, somit werden auch der Steuertransistor Tl und der Schalttransistor T2 leitend.

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Im stationären oder Normalbetrieb ist die Zeit für die Energieabgabe der Drossel DR kürzer als die Regelzeit, in diesem Falle hat der Komparator LD2 keine Bedeutung.

Bei Kurzschluss wird zuerst die Stromüberwachung und anschliessend die Drosselüberwachung einsetzen. Durch diese Kombination von Stromüberwachung, und Drosselüberwachung wird eine günstige Einschaltdauer des Schalttransistors T2 erreicht, wodurch der Schaltregler kurzschlussicher ist.

Beim Einschalten des in Fig. 2 dargestellten Schaltreglers muss zuerst die Hilfsspannung in der Hilfsspannungsquelle DDC aufgebaut werden, bevor der Regler arbeiten kann. Es ist daher das Zeitglied TMl notwendig, das die Steuertransistoren T5 und Tl, und somit auch den Schalttransistor T2 solange sperrt, bis die Hilfsspannung aufgebaut ist.

Mit Hilfe des Pegelschalters LD3 kann erreicht werden, dass der Schaltregler erst bei einer bestimmten Geschwindigkeit oder bei einer bestimmten Spannung zu arbeiten beginnt.

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Le e rse rte

Claims

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Patentanspruch

Ein Schaltregler, enthaltend:

- Eingangsklemmen (UE) für eine Gleichspannungs-Energiequelle,

- Ausgangsklemmen (UA) für einen Energie-Verbraucher,

- einen Filter mit einer Drossel (DR), einem Kondensator (C) und einer Diode (D),

- eine Schaltvorrichtung, die zwischen den Eingangsklemmen (UE) und den Ausgangsklemmen (UA) angeordnet ist, mit einem

Leistungsschalttransistor (T2), der durch Steuerorgane (Tl, T4, T5) in einen leitenden und in einen sperrenden Zustand umschaltbar ist,

- einen ersten Komparator (LDl), der die Ausgangsspannung (UA) mit einer Referenzspannung (UR) vergleicht und bei Abweichung ein Signal an die Steuerorgane (Tl, T4, T5) leitet,

- einen SteuerSchalttransistor (T3), der den Strom in einem Widerstand (R4) überwacht und bei Ueberschreiten eines zulässigen Wertes ein Signal an die Steuerorgane (Tl, T4, T5) leitet, gekennzeichnet durch einen zweiten Komparator (LD2),

der die Spannung am Eingang (A) der Drossel (DR) mit der Spannung (UA) am Ausgang der Drossel (DR) vergleicht und der ein Signal abgibt, sobald die Spannung (UA) am Ausgang der Drossel (DR) gleich oder kleiner ist als die Spannung am Eingang (A) der Drossel (DR).

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