DE2948054A1 - Power supply circuit for portable appliances - has pulsed supply switch controlled according to mains voltage level - Google Patents
Power supply circuit for portable appliances - has pulsed supply switch controlled according to mains voltage levelInfo
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Abstract
Description
Schaltungsanordnung zur geregelten Speisung einesCircuit arrangement for the regulated supply of a
Verbrauchers Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur geregelten Speisung eines Verbrauchers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Consumers The invention relates to a circuit arrangement for regulated supply of a consumer according to the preamble of claim 1.
Für viele elektrische Kleinverbraucher, beispielsweise transportable Geräte und hier wiederum elektrische Trockenrasierer, elektronische Blitzgeräte oder dergleichen ist eine Stromversorgungsschaltung erwünscht, die ohne Umschaltung an praktisch allen Stromnetzen der Welt betrieben werden kann und den Verbraucher in der gewünschten Weise speist, beispielsweise mit konstantem Strom oder konstanter Spannung oder auch einer Kombination von beiden. Wenn der Verbraucher einen Akkumulator enthält, um beispielsweise bei einem Trockenrasierer auch unabhängig vom Netz einen Betrieb zu ermöglichen, so soll die Stromversorgungsschal tung wiederum unabhängig von der Netzspannung und -frequenz den Akkumulator aufladen, aber auch den Verbraucher allein speisen können, beispielsweise dann, wenn der Akkumulator entladen ist.For many small electrical consumers, for example transportable Devices and here again electric dry razors, electronic flash units or the like, a power supply circuit that does not switch can be operated on practically all power grids in the world and the consumer feeds in the desired manner, for example with constant current or constant Suspense or a combination of both. If the consumer has an accumulator contains, for example at a dry razor also independently To enable operation from the network, the power supply circuit should in turn charge the accumulator regardless of the mains voltage and frequency, but also the consumer can feed alone, for example when the accumulator is discharged.
Bei den beschriebenen Anwendungsfällen einer solchen Schaltungsanordnung kommt als erschwerende Bedingung hinzu, daß wegen der beengten Platzverhältnisse, beispielsweise in einem Trockenrasierer, der Raumbedarf für die Speiseschaltungsanordnung nur sehr klein sein darf und gleichzeitig die Verlustleistung besonders niedrig gehalten werden muß, weil bei kleinem Volumen die Kühlungsmöglichkeiten sehr begrenzt sind.In the described applications of such a circuit arrangement there is an additional aggravating condition that due to the limited space, for example in a dry razor, the space required for the supply circuit arrangement may only be very small and at the same time the power loss is particularly low must be maintained because the cooling possibilities are very limited when the volume is small are.
Schließlich wird bei vielen tragbaren Geräten ein einwandfreier Betrieb auch bei erhöhter Umgebungstemperatur, beispielsweise bei Reisen in tropische Länder, verlangt.Eventually, many portable devices will work properly even at higher ambient temperatures, for example when traveling to tropical countries, demands.
Es sind schon zahlreiche Schaltungsanordnungen bekannt, die die oben erläuterten Forderungen wenigstens teilweise erfUllen. So wird bei einer Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (GB-AS 20 00 394 A) zur Speisung eines Gleichstrommotors und Aufladung eines Akkumulators, die beispielsweise für einen elektrischen Rasierer verwendet werden, ein über einen Brückengleichrichter an die Jeweilige Netzspannung angeschalteter Sperrwandler benutzt, der sekundärseitig abhängig vom Betriebszustand den Ladestrom für den AkIcumulator oder auch den Betriebsstrom für den Motor liefert. Die Regelung zum Ausgleich der verschiedenen Eingangsspannungen erfolgt mittels einer komplizierten Steuerschaltung in Form einer integrierten Schaltung, die dem primärseitigen Schalttransistor des Sperrwandlers Schaltimpulse zuführt, deren Lange von der Eingangsspannung und dem Jeweiligen Betriebszustand abhingt. Die bekannte Schaltungsanordnung erfüllt jedoch nicht alle Erwartungen. Ihr Aufwand ist verhältnismäßig hoch und der Platzbedarf häufig zu groß. Die integrierte Schaltung benötigt eine eigene Versorgungsspannung und demgemäß eine Start schaltung für den Sperrwandler. Außerdem verbraucht sie Leistung. Bei Netzbetrieb des Motors wird nicht die volle Ladung des Akkumulators erreicht oder gehalten.There are already numerous circuit arrangements known that the above at least partially meet the requirements explained. So is with a circuit arrangement according to the preamble of claim 1 (GB-AS 20 00 394 A) for feeding a direct current motor and charging a battery, for example for an electric razor can be used, one via a bridge rectifier to the respective mains voltage connected flyback converter is used, the secondary side depends on the operating state the charging current for the battery or the operating current for the motor supplies. The regulation for balancing the various input voltages is carried out by means of a complicated control circuit in the form of an integrated circuit, which the primary-side switching transistor of the flyback converter supplies switching pulses whose length depends on the input voltage and the respective operating status. The well-known However, the circuit arrangement does not meet all expectations. Your effort is proportionate high and the space required is often too large. The integrated circuit needs a own supply voltage and accordingly a start circuit for the flyback converter. It also consumes power. When the motor is operated from the mains, the full Battery charge reached or held.
Bekannt ist auch eine Transistor-Wandlerschaltung (DE-OS 20 14 377), mit deren Hilfe aus einer Netzwechselspannung zum einen ein Ladestrom für einen Akkumulator und zum anderen ein höherer Cleichstrom für den Antrieb eines Motors erzeugt werden kann. Dazu ist ein hochfrequent betriebencr Durchflußwandler mit sättigbarem Kern vorgesehen, der prim.irseitig an die gleichgerichtete Netzspannung angeschaltet ist und sekundärseitig die gewünschten Ströme liefert. Die bekannte Schaltung läßt sich nur an einer bestimmten I*Jetz.spar nung betreiben, paßt sich also nicht automatisch an unterschiedliche Spannungen an. Da der Kern des Wandlers jeweils in die Sättigung gelangt, ist der Wirkungsgrad nur klein, und es ergeben sich thermische Probleme.A transistor converter circuit is also known (DE-OS 20 14 377), with the help of which, on the one hand, a charging current for one is generated from an alternating mains voltage Accumulator and, on the other hand, a higher DC current to drive a motor can be generated. A high-frequency flow converter is also included saturable core provided, the primary side to the rectified mains voltage is switched on and supplies the desired currents on the secondary side. The well-known The circuit can only be operated at a certain I * Jetz.spar voltage, it fits so it does not automatically apply to different voltages. Because the core of the converter reaches saturation each time, the efficiency is only small, and it surrender thermal problems.
FUr den Betrieb eines niotorgetriebenen Elektrorasierers ir einem größeren Bereich von Eingangswechselspannungen ist eine Schaltung bekannt (US-PS 4 001 668), bei der ein Kondensator über Transistoren auf einen vorgegebenen Wert von etwa 100 V aufgeladen wird. Zur Abgabe höherer Ströme ist diese Schaltung nicht geeignet, weil keine Transformation stattfindet. Sie eignet sich außerdem nur für Verbraucher mit verhältnismäßig hoher Betriebsspannung. Bei kleinerer Betriebsspannung nimmt der Wirkungsgrad stark ab. Der Platzbedarf ist verhältnismäßig groß.For the operation of a low-powered electric shaver in one A circuit is known for a larger range of AC input voltages (US Pat 4 001 668), in which a capacitor is set to a specified value via transistors is charged by about 100 V. This circuit is not designed to deliver higher currents suitable because no transformation takes place. It is also only suitable for Consumers with a relatively high operating voltage. With lower operating voltage the efficiency decreases sharply. The space requirement is relatively large.
Schließlich ist auch noch ein Ladegerät für Akkumulatoren bekannt (US-PS 3 943 423), das ohne Umschaltung für verschiedene Eingangsspannungen eingesetzt werden kann. Ein Transistorschalter liegt in einer Rückkopplungsschaltung und stellt einen veränderbaren Widerstand dar, der die Stromregelung übernimmt. Eine Transformation findet nicht statt, so daß keine höheren Ströme geliefert werden können.Finally, a charger for accumulators is also known (US-PS 3,943,423), which is used without switching for different input voltages can be. A transistor switch is in a feedback circuit and provides a variable resistor that takes over the current control. A transformation does not take place, so that no higher currents can be supplied.
Ausgehend von dem erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung die allgemeine Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die einen Verbraucher, insbesondere einen Gleichstrommotor mit Akkumulator, aus Netzen unterschiedlicher Spannung und Frequenz einschließlich Gleichstrom mit konstantem Strom oder konstanter Spannung oder einer Kombination aus beiden Werten bei geringstem schaltungstechnischem Aufwand und Bauteil- sowie Platzbedarf mit hohem Wirkungsgrad speisen kann. Wenn der Verbraucher ein Gleichstrommotor mit Akkumulator ist, sollte darüberhinaus die SchaJ.-tungsanordiIung einen Ladungserhaltungsbetrieb mit konstante tem Ladestrom und einen Motorbetrieb mit Lieferung des vollen Motorstroms ermöglichen.The invention is based on the explained prior art the general task of creating a circuit arrangement that has a Consumers, in particular a DC motor with accumulator, from networks of different Voltage and frequency including direct current with constant current or constant Voltage or a combination of both values with the lowest possible circuitry Can feed effort and component and space requirements with high efficiency. if the consumer is a DC motor with accumulator is should In addition, the SchaJ.-tungsanordiIung a charge maintenance operation with constant tem charge current and motor operation with delivery of the full motor current.
Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.The solution to the problem is given in claim 1.
Ohne Verwendung einer komplizierten, integrierten Schaltung als Steuerschaltung, die eine eigene Stromversorgung benötigt, und ohne einen eigenen Oszillator zur Taktsteuerung wird mit wenigen Bauteilen und geringstem Platzbedarf eine Schaltungsanordnung verwirklicht, die einen Verbraucher in einem sehr großen Bereich von Eingangsspannungen zwischen beispielsweise 90 und 270 V Gleich- oder Wechselspannung den Jeweiligen Anforderungen gemäß versorgen kann.Without using a complicated, integrated circuit as a control circuit, which requires its own power supply, and without its own oscillator Clock control becomes a circuit arrangement with a few components and minimal space requirements realized that a consumer in a very wide range of input voltages between 90 and 270 V direct or alternating voltage, for example Can supply according to requirements.
Wenn der Verbraucher einen Akkumulator enthält, beispielsweise ein elektrischer Trockenrasierer ist, so wird zur Erzielung eines konstanten Ausgangsstroms, der den Akkumulator auslad und/oder den Motor speist, die Ausschaltdauer des Halbleiterschalters auf einfache Weise dadurch richtig beeinflußt, daß die Sekundärwicklung nur so lange einen Strom in den Akkumulator liefert, wie ihre Spannung höher ist als die im wosentlichen konstante Klemmenspannung des Akkumulators, Wenn eine konstante Spannung am Verbraucher erzielt werden soll, so kann dazu eine der bekannten Spannungsregelschaltungcn eingesetzt werden, die auf den Halbleiterschalter einwirken.If the consumer contains an accumulator, for example a electric dry shaver is, so to achieve a constant output current, which discharges the accumulator and / or feeds the motor, the switch-off duration of the semiconductor switch in a simple way correctly influenced by the fact that the secondary winding is only so long supplies a current into the accumulator, as its voltage is higher than that in the real world constant terminal voltage of the accumulator, if a constant voltage at the consumer is to be achieved, one of the known voltage regulating circuits can be used for this purpose that act on the semiconductor switch.
In ähnlicher Weise lä6t sich auch eine Kombination einer vorgegebenen Ausgangsspannung mit einem vorgegebenen Ausgangsstrom für einen weiten Bereich von Eingangsspannungen erzielen.In a similar way, a combination of a given one can also be used Output voltage with a given output current for a wide range of Achieve input voltages.
Da dafür gesorgt ist, daß der Kern des Wandlers nicht in die Sättigung gerät, d.h. der Halbleiterschalter vorher den durch die Primärwicklung fließenden Strom ausschaltet, bleiben die Wandlerverluste klein. Auch in den übrigen Bauteilen der Schaltungsanordnung treten nur sehr kleine Verluste auf, so daß insgesamt der Wirkungsgrad groß ist. Die Erwärmung der Schaltung bleibt dann in engen Grenzen, so daß eine Unterbringung auf engstem Raum ohne besondere Kühlung m8glich ist.Because it is ensured that the core of the converter does not go into saturation device, i.e. the semiconductor switch before the one flowing through the primary winding If the power is switched off, the converter losses remain small. Also in the other components the circuit arrangement occur only very small losses, so that overall the Efficiency is great. The heating of the circuit then remains within narrow limits, so that it can be accommodated in the smallest of spaces without special cooling.
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. So kann vorgesehen sein, daß die Ausschaltung des Halbleiterschalters abhängig von einem durch einen Widerstand fließenden Strom erfolgt, welcher eine Kombination darstellt aus dem Primärstrom des Ubertragers und einem der Spannung der Eingangsspannungsquelle entsprechenden Strom, und daß die an dem Widerstand abfallende Spannung zur Steuerelektrode eines zweiten Halbleiterschalters geführt wird, der bei Erreichen einer vorgegebenen Spannung an seiner Steuerelektrode die Ausschaltung des ersten Halbleiterschalters auslöst und damit dessen Einschaltdauer beendet. Der der Spannung der Eingangsspannungsquelle entsprechende Stromanteil kann direkt aus der Eingangsspannungsquelle abgeleitet werden. Zur Verringerung der Verlustleistung wird dieser Stromanteil in Weiterbildung der Erfindung aber zweckmäßig über einen zweiten Widerstand geliefert, der mit der Sckundärwicklung des Übertragers verbunden ist. Während der Einschaltphase des Halbleiterschalters liegt nämlich an der Sekundärwicklung eine Spannung an, die gleich einem dem Windungsverhältnis entsprechendem Bruchteil der Eingangsspannung ist. Außerdem kann in Reihe mit dem zweiten Widerstand eine Anzeigevorrichtung, vorzugsweise eine Leuchtdiodc, geschaltet sein, die dann bei allen Eingangsspannungen den Betriebszustand mit gleicher Leuchtstärke anzeigt.Further developments are the subject of the subclaims. So can be provided be that the switching off of the semiconductor switch depends on one by one Resistance flowing current takes place, which is a combination of the Primary current of the transformer and one corresponding to the voltage of the input voltage source Current, and that the voltage drop across the resistor to the control electrode of a second semiconductor switch is performed when a predetermined voltage is reached triggers the switching off of the first semiconductor switch at its control electrode and thus its duty cycle ends. The voltage of the input voltage source corresponding current component can be derived directly from the input voltage source will. In order to reduce the power loss, this current component is used in further development of the Invention, however, expediently supplied via a second resistor connected to the secondary winding of the transformer is connected. During the switch-on phase of the semiconductor switch namely, a voltage is applied to the secondary winding which is equal to the turns ratio corresponding fraction of the input voltage. In addition, in series with the second resistor, a display device, preferably a light-emitting diode, connected which then has the same luminosity for all input voltages indicates.
Zur Einstellung der jeweils gewünschten Leistung am Verbraucher sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß der erste und der zweite Widerstand veränderlich ausgebildet sind.To set the desired power on the consumer sees a development of the invention provides that the first and the second resistor are variable are trained.
Beispielsweise kann in vorteilhafter Weise dann, wenn der Verbraucher aus einem Akkumulator und einem mit einem Einschalter versehenen Motor besteht, mit dem Einschalter ein weiterer Schalter gekoppelt sein, der bei eingeschaltetem Motor den ersten und zweiten Widerstand so verändert, daß der Sperrwandler alleine einen zum Betrieb des Motors Ausreichenden Strom liefert. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise ein von einem Motor angetriebener, elektrischer Trockenrasierer auch dann an einem beliebigen Stromnetz botreiben, wenn der Akkumulator nicht geladen ist. Andererseits kann bei ausgeschaltetem Motor und damit umgeschalteter Leistung des Sperrwandlers der Ladestrom so eingestellt werden, daß das Gerät beliebig lange an das Netz angeschlossen sein kann, ohne daß es zu einer Schädigung des Akkumulators kommt.For example, in an advantageous manner when the consumer consists of an accumulator and a motor equipped with an on / off switch, be coupled to the on switch, another switch that is switched on when Motor changed the first and second resistor so that the flyback converter alone supplies sufficient current to operate the motor. In this way you can for example a motor-driven dry electric shaver as well then run on any power grid when the battery is not charged is. On the other hand, when the engine is switched off and the power is switched over of the flyback converter, the charging current can be set so that the device can be used for any length of time connected to the network can be without causing damage of the accumulator comes.
Nach einer weiteren Empfehlung der Erfindung kann außerdem mit dem Akkumulator ein spannungsabhängiger Schalter verbunden sein, der den ersten Halbleiterschalter bei Erreichen einer vorgegebenen Akkumulatorspannung ausschaltet. Damit wird ein Überladen des Akkumulators vermieden, so daß auch bei hohem Ladestrom zur Erzielung einer Schnell-Ladung ein sicherer Betrieb möglich ist. Der spannungsabhängige Schalter kann unter Verwendung eines Transistors verwirklicht werden, dessen Basis-Emitterstrecke in Reihe mit einer Ze -nerdiode parallel zum Akkumulator geschaltet ist, und dessen Kollektor mit der Steuerelektrode des ersten Halbleiterschalters verbunden ist. Eine zusätzliche Möglichkeit zur Cleichzeitigen Überwachung der Temperatur eines Akkumulators, insbesondere eines Nickel-Cadmium-Akkumulators, besteht darin, daß die Zenerdiode mit dem Akkumulator thermisch gekoppelt ist.According to a further recommendation of the invention can also with the Accumulator a voltage-dependent switch connected to the first semiconductor switch turns off when a predetermined battery voltage is reached. This becomes a Overcharging of the accumulator avoided, so that even with high charging current to achieve safe operation is possible with a quick charge. The voltage-dependent switch can be realized using a transistor, its base-emitter path is connected in series with a Zener diode in parallel to the accumulator, and its Collector is connected to the control electrode of the first semiconductor switch. An additional option for simultaneous monitoring of the temperature of a Accumulator, in particular a nickel-cadmium accumulator, consists in that the Zener diode is thermally coupled to the accumulator.
Wenn ein Akkumulatorbetrieb nicht erforderlich ist, kann nach einer Weiterbildung der Erfindung anstelle des Akkumulators auch ein Kondensator verwendet werden, der für eine konstante mittlere Ausgangsspannung sorgt.If a battery operation is not required, after a A further development of the invention also uses a capacitor instead of the accumulator which ensures a constant mean output voltage.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanord nung nach der Erfindung zur Verwendung in einem motorbetriebenen Trockenrasierer mit Akkumulator; Fig. 2 Kurvendiagramme für den zeitlichen yerlauf von Spannungen und Strömen an bestimmten Punkten der Schaltungsanordnung nach Fig. 1; Fig. 3 ein Diagramm für die gelieferten Ausgangsströme in Abhängigkeit von der Eingangsspannung; Fig. 4 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1; Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung des Verhaltens der spannungs- und temperaturabhängigen Ladeschaltung in Fig. 4.The invention is described below with reference to the drawings. Show it: Fig. 1 shows an embodiment of a circuit arrangement tion according to the invention for use in a motorized dry shaver with accumulator; Fig. 2 graphs for the time course of voltages and currents at certain points in the circuit arrangement of FIG. 1; Fig. 3 a Diagram for the output currents supplied as a function of the input voltage; FIG. 4 shows a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 1; Fig. 5 is a diagram to explain the behavior of the voltage and temperature dependent charging circuit in Fig. 4.
Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 ist zum Einbau in einen elektrischen Trockenrasierer bestimmt, der mit einem kleiner Gleichstrommotor 1 und einem aus mehreren Zellen bestehenden Nickel-Cadmium-Akkumulator 2 ausgestattet ist. Über einen Schalter S 1 wird der Motor eingeschaltet. Die Netzspannung, die eine Gleich- oder Wechselspannung sein kann, wird den Klemmen 3, 4 zugeführt, mittels einer Gleichrichterbrücke Gl gleichgerichtet und durch einen Kondensator C 1 geglättet.The circuit arrangement according to FIG. 1 is for installation in an electrical Dry razor intended with a small DC motor 1 and one out several cells existing nickel-cadmium accumulator 2 is equipped. Above a switch S 1 turns the engine on. The mains voltage, which is a direct or AC voltage is fed to terminals 3, 4 by means of a rectifier bridge Gl rectified and smoothed by a capacitor C 1.
Man erhält eine Gleichspannung U 1, deren Betrag im Fall einer Wechselspannung etwa gleich dem 1,4-fachen des Effelctivwertes der Wechselspannung ist. Für die folgende Betrachtung wird angenommen, daß die Schaltungsanordnung zunächst.A direct voltage U 1 is obtained, the magnitude of which is in the case of an alternating voltage is approximately equal to 1.4 times the effective value of the alternating voltage. For the The following consideration is assumed that the circuit arrangement initially.
elektrisch in Ruhe ist und die beiden Transistoren T 1 und T 2 sperren.is electrically at rest and the two transistors T 1 and T 2 block.
Sobald die Gleichspannung U 1 an die Reihenschaltung aus der Primärwicklung n 1 des mit einem Ferritkern ausgestatteten WandlerUbertragers 5, dem Schalttransistor T 1 und dessen Emitterwiderstand R 6 angelegt ist, kann über den zwischen den Kollektor und die Basis des Transistors T 1 gelegten Widerstand R 1 ein Basisstrom fließen. Es genügen bereits einige Mikroampere Basisstrom, um im Transistor T 1 einen kleinen Kollektorstrom zu erzeugen, der durch die Wicklung n 1 des Wandlers 5 fließt. Die damit verbundene Änderung des magnetischen Flusses im Ubertrager induziert am Punkt A der okundärwicklung n 2 eine positive Spannung, die über einen Widerstand R 2 und einen Kondensator C 2 auf die Basis des Transistors T 1 geführt wird und einen größeren Basisstrom hervorruft. Durch diese positive Rückkopplung schaltet der Transistor T 1 schnell vollständig ein, wobei nur eine kleine Restspannung zwischen seinem Emitter und Kollektor verbleibt. Der Basisstrom wird im wesentlichen durch den Widerstand R 2 begrenzt.As soon as the DC voltage U 1 is applied to the series circuit from the primary winding n 1 of the converter-transformer 5 equipped with a ferrite core, the switching transistor T 1 and whose emitter resistor R 6 is applied, can be via the between the collector and the base of the transistor T 1 placed resistor R 1 flow a base current. A few microamps of base current are already sufficient to generate a small one in transistor T 1 Generate collector current that flows through the winding n 1 of the converter 5. the associated change in the magnetic flux in the transformer induced at the point A of the secondary winding n 2 has a positive voltage that is passed through a resistor R 2 and a capacitor C 2 is led to the base of the transistor T 1 and one causes larger base current. This positive feedback causes the transistor to switch T 1 quickly and completely, with only a small residual voltage between its The emitter and collector remain. The base current is essentially determined by the resistor R 2 limited.
Mit dem Einschalten des Transistors T 1 steigt der durch die Wicklung n1 des Wandlers 5 fließende Strom I1 linear an, bis über dem Emitterwiderstand R 6 eine dem Strom I 1 proportionale Spannung von ca. 700 mV anliegt, wobei die Bauteile D 1, R 3, R 4, R 5 zunächst außer Acht gelassen werden. Diese Spannung läßt im Transistor T 2 einen Basisstrom fließen, wodurch der Transistor T 2 einschaltet und die Basis des Transistors T 1 zum Bezugspotential zieht. Dadurch leitet der Transistor T 1 weniger gut, so daß der durch die Wicklungen n 1 fließende Strom I 1 kleiner wird. Durch die zugehörige Verringerung des Magnetflusses im Kern des Wandlers 5 erfolgt eine mpolung der Sekundärspannung am Punkt A, die über den Widerstand R 2 und den Kondensator C 2 rückgekoppelt wird, so daß der Transistor T 1 schließlich vollständig ausschaltet. Die Abschaltgeschwindigkeit wird durch den Kondensator C 3 parallel zum Emitterwiderstand R 6 vergrößert, da der Kondensator C 3 die Spannung am Emitter des Transistors T 1 kurzzeitig hält, wodurch die Basis-Emitterspannung des Transistors T 1 im Abschaltmoment negativ wird.When the transistor T 1 is switched on, it rises through the winding n1 of the converter 5, the current I1 flowing linearly until it exceeds the emitter resistor R. 6 a voltage of approx. 700 mV proportional to the current I 1 is applied, with the components D 1, R 3, R 4, R 5 are initially disregarded. This voltage leaves in the transistor T 2 flow a base current, whereby the transistor T 2 turns on and the base of the transistor T 1 pulls to the reference potential. As a result, the transistor T 1 conducts less good, so that the one flowing through the windings n 1 current I 1 gets smaller. By reducing the magnetic flux in the core of the Converter 5, the secondary voltage at point A is mpoled via the resistor R 2 and the capacitor C 2 is fed back, so that the transistor T 1 finally turns off completely. The cut-off speed is determined by the capacitor C 3 increased parallel to the emitter resistor R 6, since the capacitor C 3 the voltage at the emitter of transistor T 1 briefly holds, whereby the base-emitter voltage of the transistor T 1 becomes negative at the moment of switch-off.
Während der Sperrphase des Transistors T 1 fließt die im Kern des Wandlers 5 gespeicherte magnetische Energie in Form eines Stromes aus der Sekundärwicklung n 2 ab. Dabei leitet die Diode D 2,und - der Schalter S 1 sei als geöffnet angenommen - der Akkumulator 2 erhält einen linear abfallenden Ladestrom zugeführt. Ein negativer, abfallender Strom Uber den Widerstand R 2 und den Kondensator C 2 hält den Transistor T 1 gesperrt, bis die im Kern des Wandlers 5 gespeicherte Energie abgeflossen ist. Erst danach kann wieder ein Anlaßstrom über den Widerstand R 1 in die Basis des Transistors T 1 fließen, der den bereits geschilderten Einschaltvorgang auslöst.During the blocking phase of the transistor T 1, the flows in the core of the Converter 5 stored magnetic energy in the form of a current from the secondary winding n 2 from. The diode D 2 conducts, and the switch S 1 is assumed to be open - The accumulator 2 is supplied with a linearly decreasing charging current. A negative, falling current U through the resistor R 2 and the capacitor C 2 holds the transistor T 1 blocked until the energy stored in the core of the converter 5 has flown off. Only then can a starting current flow through the resistor R 1 into the base of the Flow transistor T 1, which triggers the switch-on process already described.
Die Dauer der Sperrphase des Wandlers ist abhängig von der Spannung des Akkumulators 2. Diese ist, vom Wandler aus gr sehen, ann-ernd konstant. Es kann nur Strom in den Akkumulator 2 fließen, so lange die Beziehung : erfüllt ist. Dabei bedeuten: N = Anzahl der Windungen der Wicklung n 2, dt = Änderung des Magnetflusses über die Zeit, UD = an der Diode D 2 abfallende Spannung, U 2 = Akkumulatorspannung.The duration of the converter blocking phase depends on the voltage of the accumulator 2. This is approximately constant, as seen from the converter. Current can only flow into the accumulator 2 as long as the relationship: is satisfied. The following mean: N = number of turns of winding n 2, dt = change in magnetic flux over time, UD = voltage drop across diode D 2, U 2 = battery voltage.
Ist zu Beginn jeder Sperrphase der Energieinhalt des Wandlerkerns 5 stets gleich, so ergibt sich ein im zeitlichen Mittel konstanter Ladestromfluß in den Akkumulator 2. Wenn der Akkumulator Jedoch tief entladen oder kurzgeschlossen ist, so verlängert sich die Sperrphase entsprechend, Dadurch wird eine automatische Strombegrenzung im Störungsfall erreicht, beispielsweise dann, wenn der Motor 1 blockiert oder ein anderer Kurzschluß vorliegt.Is the energy content of the converter core at the beginning of each blocking phase 5 is always the same, the result is a constant charging current flow over time in the accumulator 2. However, if the accumulator is deeply discharged or short-circuited the blocking phase is extended accordingly. This becomes an automatic Current limitation reached in the event of a fault, for example when the motor 1 blocked or there is another short circuit.
Die bisher beschriebene Schaltung bewirkt, daß der Wandlerkern 5 im Abschaltzeitpunkt immer den gleichen Energieinhalt besitzt. Wie oben festgestellt, bedeutet dies bei konstanter Akkumulatorspannung U 2 gleiche Sperrdauer t5 (Fig. 2) des Transistors T 1 und pro Sperrzyklus gleichen Ladestromverlauf I 2 (taue) für den Akkumulator 2 . Der Anstieg des Stroms I 1 durch die Wicklung n 1 ist proportional dem Betrag der angelegten Spannung U 1. Da die Abschaltung des Transistors T 1 in Abhängigkeit von seinem Emitterstrom und damit in guter Näherung vom Strom I 1 erfolgt, stellt sich die Schaltung auf Änderungen der Versorgungsspannung U 1 ein.The circuit described so far causes the converter core 5 in Switch-off time always has the same energy content. As stated above, With a constant battery voltage U 2, this means the same blocking duration t5 (Fig. 2) of the transistor T 1 and the same charging current curve I 2 (taue) per blocking cycle for the accumulator 2. The increase in current I 1 through winding n 1 is proportional the amount of the applied voltage U 1. Since the disconnection of the transistor T 1 in Dependence on its emitter current and thus in good approximation on the current I 1, arises the Switching to changes in the supply voltage U 1 a.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wird bei Verdopplung der Eingangsspannung U 1 auf den Wert 2 U 1 (Fig. 2 b) die Einschaltzeit t1 des Transistors T 1 halbiert. Bci konstanter Ausschaltzeit t5 führt des zu einer Erhöhung der Schaltfrequenz und damit einer Vergrößerung des effektiven Ladestroms I 2 für den Akkumulator 2.As shown in Fig. 2, when the input voltage is doubled U 1 to the value 2 U 1 (Fig. 2 b) halves the switch-on time t1 of the transistor T 1. Bci constant switch-off time t5 leads to an increase in the switching frequency and thus an increase in the effective charging current I 2 for the accumulator 2.
Hinzu kommt, daß die transformierte Spannung am Punkt A (Fig. 1) der Eingangsspannung U 1 proportional ist. Bei steigender Eingangs spannung wird damit der Basisstrom des Transistors T 1 erhöht. Der Transistor T 2 muß dann einen größeren Strom aufwenden, um die Easisspannung des Transistors T 1 zum Zwecke der Ausschaltung zu verringern. Die Folge ist, daß sich auch hierdurch der zeitliche Mittelwert des Ladestroms I 2 mit der Eingangsspannung U 1 ändert. Durch Verwendung eines Thyristors anstelle des Transistors T 2 könnte man zawnr diese Abhängigkeit verringern, nicht aber beseitigen.In addition, the transformed voltage at point A (Fig. 1) of the Input voltage U 1 is proportional. When the input voltage increases, it becomes the base current of the transistor T 1 increases. The transistor T 2 must then have a larger one Apply current to the basic voltage of the transistor T 1 for the purpose of switching off to reduce. The result is that this also changes the time average of the Charging current I 2 changes with the input voltage U 1. By using a thyristor instead of the transistor T 2, this dependency could not be reduced but eliminate it.
Beide Einflüsse der Eingangsspannung U 1 auf den Ladestrom I 2, nämlich Anderung des mittleren Ladestroms durch eine Frequenzänderung des Wandlers und Verschiebung der Stromschwelle des Transistors T 1, werden dadurch kompensiert, daß dem durch den Emitterwiderstand R 6 fließenden Strom I 1 ein Strom Uberlagert wird, der der Eingangsspannung U 1 direkt proportional ist. Dadurch wird der Ausschaltzeitpunkt des Transistors T 1 mittels des Transistors T 2 in Abhan¢igkeit von der Eingangsspannung U 1 zeitlich verlegt.Both influences of the input voltage U 1 on the charging current I 2, namely Change in the mean charging current due to a change in the frequency of the converter and a shift the current threshold of the transistor T 1 are compensated for by the the emitter resistor R 6 flowing current I 1 is superimposed a current that the Input voltage U 1 is directly proportional. This becomes the switch-off time of the transistor T 1 by means of the transistor T 2 in Dependency temporally shifted from the input voltage U 1.
In Fig. 2 c ist gezeigt, daß im Gegensatz zu dem in Fig.2b dargestellten Fall ohne Kompensation bei Verdoppelung der Eingangsspannung auf den Wert 2 U 1 das Ausschalten des Transistors T 1 bei kleinerem Spitzenwert des Stromes I 1 erfolgt, bei der die Ausschaltung auslösende Strom durch den Widerstand R 6 zusätzlich noch einen der Eingangsspannung U 1 proportionalen Stromanteil enthält. Damit ist auch der Energieinhalt des Wandlerkerns kleiner.In Fig. 2c it is shown that in contrast to that shown in Fig.2b Case without compensation when the input voltage is doubled to the value 2 U 1 the transistor T 1 is switched off at a lower peak value of the current I 1, in the case of the current that triggers the disconnection through the resistor R 6 additionally contains a current component proportional to the input voltage U 1. So is that too the energy content of the converter core is smaller.
Der der Eingangsspannung U 1 proportionale Stromanteil könnte durch einen Widerstand (nicht gezeigt) gewonnen werden, der zwischen den Emitter des Transistors T 1 und die Spannung U 1 am oberen Ende der Wicklung n 1 gelegt ist. Ein solcher Widerstand würde aber eine hohe Verlustleistung bewirken. Der Punkt A weist während der Einschaltphase des Transistors T 1, also während des Strom- und Spannungsanstieges am Widerstand R 6 ein Potential auf, das der Eingangsspannung U 1 proportional ist. Der Wandler arbeitet insofern als normaler Transformator. Der an den Verbindungspunkt A angeschaltete Widerstand R 5 liefert demgemäß wegen der wesentlich niedrigeren Spannung am Punkt A auf besonders verlustarme Weise den gewünschten Stromanteil für den Widerstand R 6, der der Eingangsspannung U 1 proportional ist. Bei richtiger Dimensionierung des Widerstandsverhältnisses von R 5 zu R 6 läßt sich in weiten Bereichen ein von der Eingangs spannung U 1 unabhängiger Ladestrom I 2 des Akkumulators 2 einstellen.The current component proportional to the input voltage U 1 could through a resistor (not shown) can be obtained between the emitter of the transistor T 1 and the voltage U 1 is applied to the upper end of the winding n 1. Such a However, resistance would cause high power dissipation. Point A indicates during the switch-on phase of the transistor T 1, that is, during the current and voltage rise at the resistor R 6 a potential which is proportional to the input voltage U 1. The converter works as a normal transformer. The one at the connection point A switched on resistor R 5 delivers accordingly because of the much lower Voltage at point A in a particularly low-loss manner the desired current component for the resistor R 6, which is proportional to the input voltage U 1. With correct Dimensioning of the resistance ratio of R 5 to R 6 can be extended Areas independent of the input voltage U 1 charging current I 2 of the accumulator 2 set.
In Reihe mit dem Widerstand R 5 ist eine Leuchtdiode D 1 zur Betriebsanzeige geschaltet. Aufgrund ihrer Sperrwirkung führt die Diode nur während der Einschaltphase des Trannistors T 1 einen Strom. Da die Einschaltdauer annähernd umlrekehrt proportional zum Betrag der Eingangsspannung U 1 ist, erfolgt automatisch eine Helligkeitsregelung der Leuchtdiode.In series with the resistor R 5 is a light-emitting diode D 1 to indicate the status switched. Due to its blocking effect, the diode only leads during the switch-on phase of the trannistor T 1 a current. Since the duty cycle is almost inversely proportional to the amount of the input voltage U 1, the brightness is automatically regulated the light emitting diode.
Außerdem trennt die Leuchtdiode D 1 den Widerstand R 5 und die noch zu erläuternden Widerstande R 3, R 4 während der Sperrphase vom Punkt A ab. Dadurch werden Verluste vermieden.In addition, the light-emitting diode D 1 separates the resistor R 5 and the still Resistors R 3, R 4 to be explained during the blocking phase from point A. Through this losses are avoided.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Schaltungsanordnung in einem mit dem Gleichstrommotor 1 betriebenen Flektrorasierer verwendet. Bei geöffnetem Schalter S 1 arbeitet die Schaltung im Dauerladebetrieb. Der Motor 1 steht still, es fließt der Dauerladestrom I 2,und die Leuchtdiode D 1 brennt. Schließt man den Schalter S 1 und damit auch den mechanisch gekoppelten Schalter S 2, so wird der vom Wandler 5 abgegebene Strom etwa verzehnfacht, weil dem Widerstand R 5 der Widerstand R 3 und dem Widerstand R 6 der Widerstand R 4 parallelgeschaltet werden. Der Motor 1 läuft dann ohne Entladung des Akkumulators 2, der Jetzt nur als Spannung stabilisator wirkt, und die Leuchtdiode D 1 brennt.In the illustrated embodiment, the circuit arrangement used in a flex shaver operated by the DC motor 1. When the Switch S 1, the circuit works in continuous charging mode. The engine 1 is at a standstill, the continuous charging current I 2 flows and the light-emitting diode D 1 is on. If you close the Switch S 1 and thus also the mechanically coupled switch S 2, the The current delivered by the converter 5 is increased approximately tenfold because the resistor R 5 is the resistance R 3 and the resistor R 6, the resistor R 4 are connected in parallel. The motor 1 then runs without discharging the accumulator 2, which now only acts as a voltage stabilizer works, and the light-emitting diode D 1 burns.
In Fig. 3 ist die Abhängigkeit des Wandlerausgangsstroms 1 in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U 1 für den Ladcbetrieb und den Motorbetrieb dargestellt. Man erkennt, daß in beiden Betriebsfällen die Eingangs spannung U 1 im Bereich zwischen etwa 90 V und 270 V schwanken darf, ohne den Motorstrom oder den Ladestrom wesentlich zu beeinflussen.In Fig. 3, the dependency of the converter output current 1 is dependent shown by the input voltage U 1 for the Ladcbetrieb and the engine operation. It can be seen that in both operating cases the input voltage U 1 is in the range between about 90 V and 270 V may fluctuate without the motor current or the charging current significantly to influence.
Es sei noch nachgetraL:en, daß der Kondensator C 2 eine Gleichstromtrennung bewirkt. Der Wert des Widerstandes R 1 ist ninlich um mehrere Zehnerpotenzen größer als der des Widerstandes R 2. Ohne die Gleichstromtrennung, die ein Abfließen des durch den Widerstand R 1 gelieferten Stromes Uber den Widerstand R 2 verhindert, müßte der Wert des Widerstandes R 1 wesentlich kleiner gewählt werden, wodurch höhere Verluste entstehen.It should also be added that the capacitor C 2 has a direct current separation causes. The value of the resistor R 1 is actually several powers of ten greater than that of the resistor R 2. Without the direct current separation, which would result in a drainage of the prevents the current supplied by the resistor R 1 through the resistor R 2, the value of the resistor R 1 would have to be chosen to be much smaller, which means higher ones Losses arise.
Fig. 4 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach Fig. 1. Die eigentliche Wandlerschaltung mit den Transistoren T 1, T 2 und dem Wandler 5 sowie den Widerstäriden R 1, R 2, R 5, n 6 und der Leuchtdiode D 1 ist auch hinsichtlich der Funktion unverändert geblieben.Fig. 4 shows a modified embodiment of the circuit arrangement according to Fig. 1. The actual converter circuit with the transistors T 1, T 2 and the converter 5 and the resistors R 1, R 2, R 5, n 6 and the light-emitting diode D 1 has also remained unchanged in terms of function.
Statt einer Umschaltung der Wandlerleistung zwischen Lade-und Motorbetrieb mittels des Schalters S 2 und der Widersteindc R 3, R 4 wird jedoch im Falle der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 bei ausgeschaltetem Motor 1 eine Schnellladung des wiederum aus Nickel-Cadmium-Zellen bestehenden Akkumulators 2 mit hohem Strom vorgenommen. Dann ist jedoch eine rechtzeitige Abschaltung des Ladestroms erforderlich, um eine Beschädigung des Akkumulators zu vermeiden. Die Abschaltung erfolgt mit einem spannungsabhängigen Schalter, der einen Transistor T3 enthält. Die Basis-Emitterstreck des Transistors T 3 ist in Reihe mit einem Widerstand R 1 und einer Zehnerdiode ZD parallel zum Akkumulator 2 geschaltet. Wenn dessen Spannung U 2 während des Ladevorgangs den durch die Zehnerdiode ZD vorgegebenen Wert übersteigt, so beginnt der Transistor T 3 durchzuschalten, und die Spannung U 3 an seinem Kollektor wird negativ.Instead of switching the converter output between charging and engine operation by means of the switch S 2 and the resistors R 3, R 4, however, in the case of Circuit arrangement according to FIG. 4 with the engine 1 switched off, rapid charging of the in turn made of nickel-cadmium cells existing accumulator 2 with high current. In this case, however, the charging current must be switched off in good time in order to achieve a Avoid damaging the accumulator. The shutdown takes place with a voltage-dependent Counter, which contains a transistor T3. The base emitter line of the transistor T 3 is in series with a resistor R 1 and a Zener diode ZD connected in parallel to accumulator 2. If its voltage U 2 during charging exceeds the value specified by the zener diode ZD, the transistor begins T 3 to be switched through, and the voltage U 3 at its collector becomes negative.
Fi. 5 zeigt den Verlauf der Kollektorspannung U 3 in Abhängigkeit von der Akkumulator bei verschiedenen Temperaturen. Der sich ergebende Temperaturkoeffizient der Spannung U 3 liegt bei etwa 5 mV/°C und ist damit dem Temperaturgang von zwei in Reihe geschalteten Nickel-Cadmium-Zellen angepaßt. Um eine möglichst direkte Temperaturerfassung der Akkumulatorzellen zu erreichen, ist das Gehäuse der Zehnerdiode ZD thermisch mit dem Akkumulator verbunden, wie in Fig. 4 gestrichelt angedeutet ist.Fi. 5 shows the course of the collector voltage U 3 as a function of the accumulator at different temperatures. The resulting temperature coefficient of the voltage U 3 is about 5 mV / ° C and is therefore adapted to the temperature variation of two series-connected nickel-cadmium cells. In order to achieve as direct a temperature detection of the accumulator cells as possible, the housing of the Zener diode ZD is thermally connected to the accumulator, as indicated by dashed lines in FIG. 4.
Solange die Akkumulatorspannung U 2 unter dem durch die Zehnerdiode ZD festgelegten Wert liegt, fließt kcin Strom über die Zehnerdiode, und der Transistor T 3 sperrt. Der Wandler schwingt dann und liefert Strom zum Schnell-Laden des Akkumulators 2 bzw. zur Speisung des Motors 1. 1. Wenn di<' Spannung U 2 des Akkumulators 2 einen kritischen Wert übersteigt, der unter Berücksichtigung der Temperatur die voJI.As long as the battery voltage U 2 is below that through the Zener diode ZD is a specified value, kcin current flows through the Zener diode and the transistor T 3 blocks. The converter then oscillates and supplies power to quickly charge the battery 2 or for supplying the motor 1. 1. If di <'voltage U 2 of the accumulator 2 exceeds a critical value which, taking into account the temperature, the voJI.
Ladung angibt, fließt ein Strom über die Zehnerdiode ZD und den Widerstand R 7, der sich auf die Basis des Transistors T3 und den Widerstand R 8 aufteilt. Der Transistor T 3 schaltet (lurcll dicsen Basisstrom teilweise ein, und es fließt von dem negativen Anschluß des Akkumulators 2 ein Strom ueber den Widerstand fl 8 zur Basis des Transistors T 1. Sobald der Strom durch den Widerstand R 9 während der Einschaltphase des Transistors T 1 die Summe der über die Widerstände R 1 und R 2 fließenden Basisstromanteile des Transistors T 1 neutralisiert, kann der Transistor T 1 nicht mehr durchschalten. Der Wandler schwingt nicht mehr an, und es herrscht statischer Betrieb. Das Basispotential des Transistors T 1 wird jetzt nur durch die Widerstände R 1 und R 9 bestimmt.Indicates charge, a current flows through the Zener diode ZD and the resistor R 7, which is based on the base of transistor T3 and the resistance R 8 divides. The transistor T 3 switches (lurcll the base current partially on, and a current flows from the negative terminal of the accumulator 2 via the Resistor fl 8 to the base of transistor T 1. As soon as the current through the resistor R 9 during the switch-on phase of the transistor T 1 is the sum of the resistors R 1 and R 2 neutralized flowing base current components of the transistor T 1, can the transistor T 1 no longer switch through. The converter no longer oscillates, and there is static operation. The base potential of the transistor T 1 is now only determined by the resistors R 1 and R 9.
Der Widerstand fl 2 ist durch den Kondensator C 2 abgetrennt.The resistor fl 2 is separated by the capacitor C 2.
Erst wenn der Strom durch den Widerstand R 9 unter den durch den Widerstand R 1 begrenzten Wert abgefallen ist, kann das Basispotential des Transistors T 1 auf einen Wert ansteigen, der das Wiederanschwingen des Wandlers ermöglicht.Only when the current through the resistor R 9 falls below that through the resistor R 1 has fallen to a limited value, the base potential of the transistor T 1 increase to a value that allows the transducer to oscillate again.
Da der jeweils durch den Widerstand R9 fließende Strom zum Abschalten des Wandlers vorwiegend durch den Widerstand R 2 und der Strom zum Einschalten vom Widerstand R 1 abhRngt, ergibt sich ein der Differenz dieser Ströme entsprechendes, erwünschtes Hystereseverhalten. Der Wandler schaltet also nicht dauernd zwischen dem eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand hin und her. Vielmehr muß die Spannung U 2 des Akkumulators erst wieder um einen gewissen Betrag abgesunken sein, bevor der Ladestrom erneut eingeschaltet wird.Because the current flowing through the resistor R9 to switch off of the converter mainly through the resistor R 2 and the current for switching on from Resistance R 1 depends, the result is a corresponding to the difference between these currents, desired hysteresis behavior. The converter does not switch continuously between switched on and off. Rather, the tension must be U 2 of the accumulator will only have dropped again by a certain amount before the charging current is switched on again.
Da beim Ausschalten des Wandlers auch Jeweils die Leuchtdiode D 1 erlischt, ist auf einfache Weise der Ladezustand des Akkumulators festzustcllen.Since when the converter is switched off, the light-emitting diode D 1 goes out, the state of charge of the accumulator can be determined in a simple way.
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8263 | Opposition against grant of a patent | ||
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8281 | Inventor (new situation) |
Free format text: BECKER, KLAUS, DIPL.-ING., 8602 MUEHLHAUSEN, DE |
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AG | Has addition no. |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: BRAUN GMBH, 60326 FRANKFURT, DE |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: BECKER, KLAUS, DIPL.-ING., 40822 METTMANN, DE |