DE2850629C2

DE2850629C2 -

Info

Publication number: DE2850629C2
Application number: DE2850629A
Authority: DE
Inventors: Akio Tokio/Tokyo Jp Koizumi
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1977-11-22
Filing date: 1978-11-22
Publication date: 1988-01-28
Also published as: AU4178778A; JPS5953787B2; DE2850629A1; US4223378A; CA1112721A; NL7811492A; GB2009534A; FR2409546B1; AU527444B2; JPS5472445A; FR2409546A1; GB2009534B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungsregler entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Gleichspannungsregler ist durch die DE-OS 27 02 277 bekannt. Bei diesem, in Fig. 1 gezeigten Regler, dem eine Netzwechselspannung zugeführt wird, ist ein Netzstecker 1 über Netzschalter 2 mit einem Gleichrichterkreis 3 verbunden, der die zugeführte Wechselspannung in eine Gleichspannung gleichrichtet. Die Gleichspannung des Gleichrichterkreises 3 wird über die Primärwicklung 4 a eines Transformators 4, der einen Magnetkern hat, und eine Diode 5 zur Blockierung eines Rückstroms auf einen NPN-Transistor 6 gegeben, der ein Schaltelement bildet. Die am Mittelabgriff der Primärwicklung 4 a auftretende Gleichspannung wird auf einen NPN-Transistor 7 gegeben, der ein weiteres Schaltelement bildet. Der Induktivitätswert der Primärwicklung 4 a zwischen dem einen Ende und dem Mittelabgriff ist dabei mit L 1 und der zwischen dem Mittelabgriff und dem anderen Ende der Primärwicklung 4 a mit L 2 bezeichnet.

An der Sekundärwicklung 4 b des Transformators 4 erscheint eine Wechselspannung, die einem Gleichrichterkreis 8 zur Gleichrichtung und Glättung zugeführt wird. Die am Ausgang 9 abgegebene Gleichspannung wird auf einen Spannungsdetektorkreis 10 gegeben, der die Größe der zugeführten Gleichspannung ermittelt. Das ermittelte Ausgangssignal wird über einen Koppler 11, z. B. einen Fotokoppler oder dergleichen, zur isolierenden Trennung einem Impulsbreitenmodulator 12 zugeführt, der ein Steuersignal erzeugt. Dem Impulsbreitenmodulator 12 wird ein Taktimpuls eines Taktimpulsoszillators 13 als Träger zugeführt. Das am Ausgang des Impulsbreitenmodulators 12 erhaltene Steuersignal hat eine Impulsbreite, die so geändert wird, daß die am Ausgang 9 erhaltene Gleichspannung einen gewünschten konstanten Wert hat.

Bei dem Beispiel der Fig. 1 ist zwischen die Sekundärwicklung 4 b des Transformators 4 und Erde ein Widerstand 14 geringer Größe geschaltet; der Spannungsabfall am Widerstand 14 wird auf einen Stromdetektorkreis 15 gegeben. Wenn der Spannungsabfall am Widerstand 14, d. h. der Strom am Ausgang 9 niedriger als ein vorbestimmter Wert ITH ist, tritt am Ausgang des Stromdetektorkreises 15 ein niedriger Pegel "0" auf, jedoch ein hoher Pegel "1", wenn der Ausgangsstrom höher als der vorbestimmte Wert ITH ist. Das ermittelte Ausgangssignal des Stromdetektorkreises 15 wird über einen Koppler 16, z. B. einen Fotokoppler oder dergleichen, zur isolierenden Trennung auf einen Speicher, z. B. den D-Eingang eines D-Flip-Flops 17 gegeben, das am Triggereingang T den Taktimpuls des Taktimpulsoszillators 13 erhält. Das Ausgangssignal am -Ausgang des D-Flip-Flops 17 wird als Steuersignal auf den einen Eingang eines UND-Glieds 18 gegeben, dem an seinem anderen Eingang das Steuersignal des Impulsbreitenmodulators 12 zugeführt wird. Das Steuersignal, das das UND-Glied 18 durchlaufen hat, wird der Basis des Transistors 6 zugeführt. Das Ausgangssignal am Q-Ausgang des D-Flip-Flops 17 wird als Steuersignal auf den einen Eingang eines UND-Glieds 19 gegeben, dem an seinem anderen Eingang das Steuersignal des Impulsbreitenmodulators 12 zugeführt wird. Das Steuersignal, das das UND-Glied 19 durchlaufen hat, wird der Basis des Transistors 7 zugeführt.

Wenn bei dem bekannten Regler mit dem beschriebenen und in Fig. 1 gezeigten Aufbau mit dem Ausgang 9 eine kleine Last (nicht gezeigt), verbunden ist, ist der Strom am Ausgang 9 gering. Wenn jedoch der Strom am Ausgang 9 niedriger als der vorbestimmte Schwellwert ITH des Stromdetektorkreises 15 ist, wird das ermittelte Ausgangssignal "0". Daher wird das Ausgangssignal am Q-Ausgang des D-Flip-Flops 17 "0" synchron mit dem Taktimpuls des Taktimpulsoszillators 13, so daß der Transistor 7 gesperrt wird.

Da jedoch zu diesem Zeitpunkt das Ausgangssignal am -Ausgang des Flip-Flops 17 "1" wird, wird das Steuersignal des Impulsbreitenmodulators 12 über das UND-Glied 18 auf die Basis des Transistors 6 gegeben. Die Eingangsgleichspannung wird daher vom Transistor 6 geschaltet und die Ausgangsgleichspannung VO wird auf den Ausgang 9 gegeben. Wird eine Eingangsgleichspannung Vi des Gleichrichterkreises 3 auf die Primärwicklung 4 a des Transformators 4 gegeben, d. h. die Reihenschaltung der Induktivitäten L 1 und L 2, wird ferner angenommen, daß das Tastverhältnis des Steuersignals D ist, so kann die Ausgangsgleichspannung VO wie folgt ausgedrückt werden, wenn die Periode mit TP und der Widerstandswert der Last mit RL bezeichnet wird:

Die maximale elektrische Ausgangsleistung PO kann dann wie folgt ausgedrückt werden:

Wenn bei dem bekannten Regler die Induktivitäten L 1 und L 2 zuvor in geeigneter Weise gewählt werden, kann bei Laständerungen eine ausreichende stabile Gleichspannung VO erhalten werden, selbst wenn die Last klein ist. Wenn die Last groß ist, wird der Strom am Ausgang 9 groß. Wenn der Strom am Ausgang 9 den Schwellwert ITH des Stromdetektorkreises 15 überschreitet, wird sein Ausgangssignal "1". Das Ausgangssignal am -Ausgang des Flip-Flops 17 wird daher synchron mit dem Taktimpuls des Taktimpulsoszillators 13 "0", und damit wird das Ausgangssignal des UND-Glieds 18 "0". Der Transistor 6 sperrt daher. Zu diesem Zeitpunkt wird jedoch das Ausgangssignal des Q-Ausgangs des -Flip-Flops 17 "1", so daß das Steuersignal des Impulsbreitenmodulators 12 über das UND-Glied 19 der Basis des Transistors 7 zugeführt wird und diesen leitend macht. Es wird somit die Primärwicklung 4 a des Transformators 4 vom einen Ende bis zu ihrem Mittelabgriff verwendet, so daß die Induktivität in diesem Falle nur L 1 ist. Die maximale elektrische Ausgangsleistung VO kann daher für diesen Fall wie folgt ausgedrückt werden:

Die maximale elektrische Ausgangsleistung PO am Ausgang 9 wird daher groß, wie aus den Gleichungen (1) und (2) ersichtlich ist. Dies bedeutet, daß die Gleichspannung am Ausgang 9 stabil ist, selbst wenn ein großes Ausgangssignal abgegeben wird, und zwar auch bei einer Laständerung. Da der Induktivitätswert (L 1+L 2) bzw. L 1 in Abhängigkeit von der Last geändert wid, wird der Wirkungsgrad nicht verringert.

Bei dem bekannten Gleichspannungsregler wird jedoch, um eine Laständerung zu ermitteln, der Strom auf der Sekundärseite des Transformators 4 ermittelt, so daß der Koppler 16 notwendig ist, um die Primärseite des Transformators von der Sekundärseite zu isolieren; außerdem sind der Widerstand 14 sowie der Stromdetektorkreis 15 notwendig. Der bekannte Regler besitzt daher einen komplizierten aufwendigen Aufbau.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Regler entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, daß sich ein wesentlich vereinfachter Aufbau ergibt.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 2 und 3 beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Gleichspannungsreglers und

Fig. 3A bis 3F den Verlauf von Signalen zur Erläuterung der Arbeitsweise des Reglers in Fig. 2.

Anhand der Fig. 2 und der Fig. 3A bis 3F wird nun der Gleichspannungsregler beschrieben, wobei Elemente entsprechend Fig. 1 mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind und nicht näher beschrieben werden.

Wie Fig. 2 zeigt, sind ein erster und ein zweiter Bezugsimpulsgenerator 20 a und 20 b vorgesehen. Ein erster Bezugsimpuls, der von dem ersten Bezugsimpulsgenerator 20 a abgegeben wird, besitzt eine Impulsbreite a (Fig. 3A), die etwas größer als die minimale Impulsbreite des Steuersignals am Ausgang des Impulsbreitenmodulators 12 ist, wenn die Last klein und der Transistor 7 leitend ist. Ein zweiter Bezugsimpuls, der von dem zweiten Bezugsimpulsgenerator 20 b abgegeben wird, besitzt eine Impulsbreite b (Fig. 3B), die durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:

wobei Da das Tastverhältnis des ersten Bezugsimpulses und Db das des zweiten Bezugsimpulses darstellt. Der erste und zweite Bezugsimpuls sind dabei so gewählt, daß sie mit dem Taktimpuls des Taktimpulsoszillators 13 synchron sind.

Der erste Bezugsimpuls des ersten Bezugsimpulsgenerators 20 a wird auf den einen Eingang eines ersten NAND-Glieds 21 gegeben, dem an anderen Eingang das Ausgangssignal "0" oder "1" zugeführt wird, das am Q-Ausgang des D-Flip-Flops 17 erhalten wird; der zweite Bezugsimpuls des zweiten Bezugsimpulsgenerators 20 b wird auf den einen Eingang des zweiten NAND-Glieds 22 gegeben wird, dem am anderen Eingang das Ausgangssignal des Q-Ausgangs des Flip-Flops 17 über einen Inverter 23 zugeführt wird. Die Ausgangssignale der NAND-Glieder 21 und 22 werden auf die Eingänge eines dritten NAND-Glieds 24 gegeben. Die NAND-Glieder 21, 22, 24 und der Inverter 23 bilden einen Bezugsimpulswählkreis 20 c. Am Ausgang des NAND-Glieds 24 werden der erste Bezugsimpuls erhalten, wenn das Ausgangssignal am Q-Ausgang des Flip-Flops 17 "1" ist, während der zweite Bezugsimpuls erhalten wird, wenn das Ausgangssignal am Q-Ausgang "0" ist. Der erste und zweite Bezugsimpuls, die am Ausgang des NAND-Glieds 24 erscheinen, werden dem einen Eingang eines Komparators 25 zugeführt. Das Steuersignal, das am Ausgang des Impulsbreitenmodulators 12 erhalten wird, wird dem einen Eingang eines Exklusiv-ODER-Glieds 26 zugeführt, dem am anderen Eingang das Signal "0" oder "1" zugeführt wird, das am Q-Ausgang des Flip-Flops 17 erhalten wird.

Das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Glieds 26 wird dem anderen Eingang des Komparators 25 zugeführt. Dieser Komparator 25 ist derart ausgebildet, daß sein Ausgangssignal beim Abfall des Bezugsimpulses "1" wird, wenn das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Glieds 26 auf einem hohen Pegel, nämlich "1" ist. Das Ausgangssignal des Komparators 25 wird dem D-Eingang des Flip-Flops 17 zugeführt. Der übrige Schaltungsaufbau in Fig. 2 ist im wesentlichen gleich dem in Fig. 1.

Es wird nun anhand der Fig. 3A bis 3F der Betrieb des in der erläuterten Weise aufgebauten Reglers beschrieben. Es sei angenommen, daß das Steuersignal des Impulsbreitenmodulators 12 die Impulsbreite der Fig. 3C hat, die größer als die Impulsbreite a des ersten Bezugsimpulses (Fig. 3A), jedoch kleiner als die Impulsbreite b des zweiten Bezugsimpulses (Fig. 3B) ist. Wenn der Q-Ausgang des Flip-Flops 17 "1" ist, wird das Steuersignal über ein UND-Glied 19 auf die Basis des Transistors 7 gegeben und hält die Gleichspannung am Ausgang 9 konstant. Der erste Bezugsimpuls wird dabei zur Ausgangsseite des NAND-Glieds 24 abgegeben. Wenn in diesem Zustand die mit dem Ausgang 9 verbundene Last niedrig wird und die Impulsbreite des Steuerimpulses des Impulsbreitenmodulators 12 schmäler als die Impulsbreite a des ersten Bezugsimpulses wird (Fig. 3D), ist das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Glieds 26 beim Abfall des ersten Bezugsimpulses bereits "1", wie Fig. 3E zeigt. Das Ausgangssignal des Komparators 25 wird daher während des folgenden Zyklus "0". Dieses Ausgangssignal des Komparators 25 wird auf das Flip-Flop 17 gegeben, um es synchron mit dem Taktimpuls umzukehren, so daß das Signal am Q-Ausgang des Flip-Flops 17 "0" und am -Ausgang "1" wird. Der am Ausgang des NAND-Glieds 24 erhaltene Bezugsimpuls ist daher der zweite Bezugsimpuls. Das Steuersignal des Impulsbreitenmodulators 12 wird daher über ein UND-Glied 18 auf die Basis des Transistors 6 gegeben, um diesen zu schalten. Da die Impulsbreite des Steuersignals des Impulsbreitenmodulators 12 entsprechend dem Pegel der Ausgangsgleichspannung am Ausgang 9 geändert wird, bleibt die Gleichspannung am Ausgang 9 konstant. Wenn die mit dem Ausgang 9 verbundene Last groß wird, wird die Ausgangsgleichspannung entsprechend verringert. Die Impulsbreite des Steuersignals des Impulsbreitenmodulators 12 wird daher groß. Wenn die Impulsbreite des Steuersignals größer als die Breite b des zweiten Bezugsimpulses wird (Fig. 3F), wird das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Glieds 26 beim Abfall des zweiten Bezugsimpulses "1" (dabei ist das Signal am Q-Ausgang "0", so daß das Schaltsignal unverändert auf den Ausgang des Exklusiv-ODER-Glieds 26 gegeben wird). Das Signal am Ausgang des Komparators 25 wird daher "1" und das Flip-Flops 17 wird synchron mit dem Taktimpuls umgeschaltet. Das Signal am Q-Ausgang wird daher "1" und am -Ausgang "0". Das Steuersignal wird daher über das UND-Glied 19 auf die Basis des Transistors 7 gegeben.

Wenn die Last am Ausgang klein ist, wird der Transistor 6 geschaltet, um die gesamte Primärwicklung 4 a des Transformators 4 bzw. alle Induktivitäten L 1+L 2 zu verwenden; ist die Last am Ausgang 9 dagegen groß, so wird, nur ein Teil der Primärwicklung 4 a zwischen dem einen Ende und dem Mittelabgriff bzw. die Induktivität L 1 verwendet, so daß die gleiche Wirkung wie bei dem Regler der Fig. 1 erzielt wird.

Da der Strom auf der Sekundärseite des Transformators nicht ermittelt wird, ist es nicht notwendig, irgendeinen Koppler zu verwenden, der die Primärseite des Transformators von seiner Sekundärseite isoliert; es sind ferner keine Elemente zur Ermittlung des Stroms notwendig. Der Regler hat daher einen einfachen Aufbau.

Claims

1. Gleichspannungsregler

- mit einem Transformator (4) mit einer ersten und einer dazu in Reihe liegenden zweiten Primärwicklung (4 a, L₁, L₂) sowie mit einer Sekundärwicklung (4 b),
- mit einem in Reihe zur ersten Primärwicklung und zur Gleichspannungsquelle liegenden ersten Schalttransistor (7),
- mit einem in Reihe zur ersten und zweiten Primärwicklung und zur Gleichspannungsquelle liegenden zweiten Schalttransistor (6),
- mit einem mit der Sekundärwicklung verbundenen Gleichrichter (8) zum Anschluß einer Last,
- mit einem Taktimpulsoszillator (13) und einem damit verbundenen, ein Steuersignal für die Schalttransistor (6, 7) erzeugenden Impulsbreitenmodulator (12), dem das Ausgangssignal eines die Ausgangsgleichspannung erfassenden Spannungsdetektors (10) zugeführt wird,
- wobei der Ausgang des Impulsbreitenmodulators mit einer Gatterschaltung (18, 19) verbunden ist, die das Steuersignal lastabhängig dem ersten oder zweiten Schalttransistor (7 bzw. 6) zuführt,

gekennzeichnet durch

- einen Bezugsimpulsgenerator (20 a), der einen Bezugsimpuls mit einer Standardimpulsbreite erzeugt,
- und einen Komparator (25), der durch Vergleich der Impulsbreite des Steuersignals mit der des Bezugsimpulses ein Schaltsignal erzeugt, das der Gatterschaltung (18, 19) zwecks Bestimmung des anzusteuernden Schalttransistors (6, 7) zugeführt wird.

2. Gleichspannungsregler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- einen ersten Bezugsimpulsgenerator (20 a), der einen ersten Bezugsimpls mit einer ersten Standardimpulsbreite erzeugt,
- einen zweiten Bezugsimpulsgenerator (20 b), der einen zweiten Bezugsimpuls mit einer zweiten Standardimpulsbreite erzeugt, die größer als die erste Standardimpulsbreite ist,
- sowie einen Bezugsimpulswählkreis (20 c) zur Wahl des dem Komparator (25) zuzuführenden ersten oder zweiten Bezugsimpulses.

3. Gleichspannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Komparator (25) und der Gatterschaltung (18, 19) angeordneten Speicher (17).

4. Gleichspannungsregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher ein D-Flip-Flop (17) ist.

5. Gleichspannungsregler nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Anschlüsse des D-Flip-Flop (17):

- einen mit dem Ausgang des Impulsbreitenmodulators (12) verbundenen T-Anschluß,
- einen mit dem Ausgang des Komparators (25) verbundenen D-Anschluß,
- sowie mit der Gatterschaltung (18, 19) verbundene Q- und -Anschlüsse.

6. Gleichspannungsregler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gatterschaltung (18, 19) aus zwei UND-Gliedern (18, 19) besteht, deren einer Eingang mit dem Q- bzw. -Anschluß des D-Flip-Flop (17), deren anderer Eingang mit dem Ausgang des Impulsbreitenmodulators (12) und deren Ausgang mit dem zweiten bzw. ersten Schaltelement (6 bzw. 7) verbunden ist.

7. Gleichspannungsregler nach den Ansprüchen 2 bis 6, gekennzeichnet durch ein Exklusiv-ODER-Glied (26), dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Impulsbreitenmodulators (12), dessen anderer Eingang mit dem Q-Anschluß des D-Flip-Flop (17) und dessen Ausgang mit dem Komparator (25) verbunden ist.