DE2814254B2 - Schaltregler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltregler, enthaltend

- Eingangsklemmen für eine Gleichspannungs-Energiequelle,

- Ausgangsklemmen für einen Energie-Verbraucher,

- einen Filter mit einer Drossel, einem Kondensator und einer Diode,

- eine Schaltvorrichtung, die zwischen den Eiragangsklemmen und den Ausgangsklemmen angeordnet ist, mit einem Leistungsschalttransistoir, der durch Steuerorgane in einen leitenden und in einen sperrenden Zustand umschaltbar ist,

- einen ersten Komparator, der die Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung vergleicht und bei Abweichung ein Signal an die Steueroi gane leitet,

- einen Steuerschalttransistor, der den Strom in einem Widerstand überwacht und bei Überschreiten eines zulässigen Wertes ein Signal an die Steurorgane leitet.

Bei einem bekannten Schaltregler dieser Art (U5i-PS 3 396326) weist die Drossel auch eine Übertragungswicklung auf, welche bei Abnahme des durch die Drosselspule fließenden Stromes ein Signal zum Sperren des Leistungsschalttransistors abgibt. Diese Übertragungswicklung hat wesentliche Nachteile:

!. Ein Überwachen einer vollständigen Abgabe, der in der Drosselspule enthaltenden Energie ist nicht gewährleistet und es besteht die Gefahr, daß die Drosselspule trotzdem in der Sättigung ι arbeitet, was zur Überlastung des Schaltreglers

führt.

2. Drosseln mit Übertragungswicklung sind nicht handelsüblich.

3. Mit einer Übertragungswicklung kann rar das in 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 Eingangsspanungsvariaüonen von z. B. 1:10 und große Ausgangsbelastungsschwankungen zulässig sind, ohne daß einzelne Elemente des Schaltreglers durch Überlastung zerstört werden. Insbesondere soll vermieden werden, daß die Drossel in der Sättigung arbeitet.

.'ο Der erfindungsgemäße Schaltregler ist gekennzeichnet durch einen zweiten Komparator (LDl), der die Spannung am Eingang (A) der Drossel (DA) mit der Spannung (UA) am Ausgang der Drossel (DR) vergleicht und der ein Signal an die Steuerorgane (T₁,

r> T₅) leitet zum Sperren des Leitungsschalttransistors (T₂), 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

in Schaltreglers ist anhand der Zeichnung im folgenden ausführlich beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltschema eines bekannten Schaltreglers, und

Fig. 2 ein Schaltschema des erfindungsgemäßen

r> Schaltreglers.

Gemäß Fig. 1 besitzt ein Schaltregler zwei Klemmen mit der Eingangsgleichspannung UE und ;wei Klemmen mit der Ausgangsgleichspannung UA Die beiden positiven Klemmen sind über einen Lei-

»I stungs-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

■r> 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 bekannten Schaltreglers ist wie folgt. Die Ausgangsspannung UA bewirkt über den Komparator LD ein Ein- und Ausschalten des Schalttransistors T, d. h. sobald die Ausgangsspan-

-,-, nung einen gewissen Wert überschreitet, wird über den Komparator, der die Ausgangsspannung dauernd mit einer Referenzspannung i/R vergleicht, der Schalttransistor T gesperrt. Dadurch sinkt die Ausgangsspannung UA, wodurch der Komparator LD

wi 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 Z₁ ansteigt. Wenn der Schalttransistor T ge-

h-, sperrt ist, kann die Energie aus der Spule DR über die Diode D abfließen und der Strom /, wird kleiner. Es ist klar, daß die Ausgangsspannung UA abhängig ist von der Zeit t., an welcher der Schalttransistor 7

leitend ist sowie von der Schwingungsdauer I₁ des Systems, d. h.

VAIOE = ί,/fj,

wobei t₂ = 1//ist, wenn /die Frequenz des Systems ist. Wesentlich ist die optimale Anpassung der Bauteile dieses Schaltregisters 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.

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 T₂ miteinander verbunden. Ein erster Komparator LDl ist an die positive Ausgangsklemme und über die Steuertransistoren 7"4, TS und 71 an die Basis des Schalttransistors Tl 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.

Es sind aber noch folgende zusätzliche Bauteile angeordnet.

1. Ein zweiter Komparator LDZ ist einerseits an die positive Ausgangsklemme und andererseits über d'e Steuertransistoren TS und 71 an die Basis des Schalttransistors Tl angeschlossen. Ferner ist der Komparator an einen Punkt A vor der Induktionsspule und an die Hilfsspannungsquelle DDC angeschlossen.

2. Parallel zum Schalttransistor Tl ist ein zweiter Schalttransistor 73 angeordnet, dessen Basis mit dem Kollektor des Schalttransistors Tl verbunden ist. Ferner ist ein erster Widerstand A3 zwischen die positive Eingangsklemme und dem Kollektor des Schalttransistors Tl, ein zweiter Widerstand A4 zwischen die Basis des zweiten Scha'ttransistors 73 und dem Kollektor des ersten Schalttransistors Tl und ein dritter Widerstand KS zwischen dem Kollektor des zweiten Schalttransistors 73 und der Basis des Steuertransistors TA angeordnet.

3. Ferner ist ein Zeitglied TMl vorhanden, das über eine Eingangsklemme E über die Steuertransistoren TS und 71 an die Basis des Schalttransistors Tl angeschlossen ist.

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

Die Wirkungsweise des beschriebenen Schaltreglers ist wie folgt:

1. Beim Normalbeirieb wird der Istwert der Ausgangsspannung UA im Komparator LDl mit der Referenzspannung UR verglichen. Sobald die Ausgangsspannung UA größer wird als die Referenzspannung UR, so schaltet der Komparator LDl vom Wert »0« auf den Wert »1« um, Dieses

ι Umschalten auf den Wert »1« bewirkt, daß der

Steuertransistor 7*4 leitend wird. Dadurch wird der Steuertransistor TS gesperrt. Dies hat zur Folge, daß der Steuertransistor 71 ebenfalls gesperrt wird, und somit auch der Schalttransistor

in Tl. 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 Steuertransistor T4 gesperrt wird, und somit die Steuertran-

Ii sistoren TS und 71 sowie der Schalttransistor

TS 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 überlastung oder Kurzschluß des Regler-Ausgangs wird die Einschal.iauer des Schalttransistors Tl so groß, daß die Drossel DR in die Sättigung gelangt. Bei Sättigung der Drossel DR steigt der Strom im Schalttransistor Tl und

j ι führt zu dessen plötzlicher Zerstörung. Um diese

Zerstörung zu verhindern, ist es notwendig, den Stromanstieg zu überwachen. Die Stromüberwachung erfolgt mit Hilfe der Widerstände A3, A4, RS und dem Schalttransistor 73. Mit diesen EIe-

i" menten kann der Leistungs-Sclialttransistor Tl

vor Zerstörung durch einen zu großen Strom geschützt werden. Diese Stromüberwachung alleine kann jedoch eine Zerstörung des Schalttransistors TZ durch thermische Überlastung

!· 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 ΓΖ so groß,

in daß eine Überhitzung 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,

■i"> die Drossel DR zu überwachen. Die Überwachung der Drossel DR erfolgt mit Hilfe des zweiten !Comparators LDl, dieser vergleicht die Ausgangsspannung UA hinter der Drossel DR mit der Spannung am Punkt A vor der Drossel

in DR. Solange die Spannung im Punkt A kleiner

ist als die Aufgangsspannung UA, gibt die Drossel DR noch Energie ab. Der Schalttransistor TZ muß daher gesperrt werden. Solange die Spannung im Punkt A kleiner ist als die Ausgnngs-

i) spannung UA, bleibt der Komparator LDl auf

dem Wert »0«, wodurch die Steuertiansistoren TS und 71, und somit auch der Schalttransistor Tl gespeirt sind. Wenn die Spannung im Punkt A gleich oder größer ist als die Ausgangs-

Mi spannung UA, dann schaltet der Komparator

LDl auf den Wert »1« um und der Transistor Γ5 wird leitend, somit werden auch det Steuertransistor 71 und der Schalttransistor 7*2 leitend. Im stationären oder Normalbetrieb ist die Zeit für

<■> die Energieabgabe der Drossel DR kürzer als die Regelzeit, in diesem Falle hat der Komparator LDl keine Bedeutung.

Bei Kurzschluß wird zuerst die Stromüberwachung

und anschließend die Drosselüberwachung einsetzen. Durch diese Kombination von Stromüberwachiing und Drosselüberwachung wird eine günstige Einschal (dauer des Schalttransistors Tl erreicht, wodurch der Schaltregler kurzschlußsicher ist.

Beim Einschalten des in Fig. 2 dargestellten Schaltreglers muß zuerst die Hilfsspannung in der Hüfsspannungsquelle DDC aufgebaut werden, bevor der Regler arbeiten kann. Es ist daher das Zeitgliec TMl notwendig, das die Steuertransistoren TS unc Tl, und somit auch den Schalttransistor TZ so lange sperrt, bis die Hilfsspannung aufgebaut ist.

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

Hierzu 2 Mliitt /

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Ein Schaltregler, enthaltend:

   - Eingangsklemmen für eine Gleichspannungs-Energiequelle,

   - Ausgangsklemmen für einen Energie-Verbraucher,

   - einen Filter mit einer Drossel, einem Kondensator und einer Diode,

   - eine Schaltvorrichtung, die zwischen den Eingangsklemmen und den Ausgangsklemmen angeordnet ist, mit einem Leistungüschalttransistor, der durch Steuerorgane in einen leitenden und einen sperrenden Zustand umschaltbar ist,

   - einen ersten Komparator, der die Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung vergleicht und bei Abweichung ein Signal an die Steuerorgane leitet,

   - einen Steuerschalttransistor, der den Strom in einem Widerstand überwacht und bei Überschreiten eines zulässigen Wertes ein Signal an die Steuerorgane leitet, gekennzeichnet durch

   - einen zweiten Komparator (LD2), der die Spannung am Eingang (A) der Drossel (DA!) mit der Spannung (UA) am Ausgang der Drossel (DR) vergleicht, und der ein Signal an die Steuerorgane (T₁, T₅) leitet zum Speirren des Leitungsschalttransistors (T₂), sobald die Spannung (UA) am Ausgang der Drossel (DA)gleich odei kleine: ist als die Spannung am Eingang (A) der Drossel (DR).