DE3041202A1 - DEVICE FOR VOLTAGE REGULATION IN DC CURRENT NETWORKS - Google Patents

DEVICE FOR VOLTAGE REGULATION IN DC CURRENT NETWORKS

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DE3041202A1 DE19803041202 DE3041202A DE3041202A1 DE 3041202 A1 DE3041202 A1 DE 3041202A1 DE 19803041202 DE19803041202 DE 19803041202 DE 3041202 A DE3041202 A DE 3041202A DE 3041202 A1 DE3041202 A1 DE 3041202A1
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Description

DIpI. Ing. P«t*r Ott· . 7033 Harrenberg (Kuppingen)DIpI. Ing. P «t * r Ott ·. 7033 Harrenberg (Kuppingen) Patentanwalt Ό " SifeletraQe 7Patent attorney Ό "SifeletraQe 7

Telefon (070 32) 31999Telephone (070 32) 31999

1517/ot/zz
18. Aug. 1980
1517 / ot / zz
Aug 18, 1980

Firma Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1

Vorrichtung zur Spannungsregelung bei Gleichstrom-BordnetzenDevice for voltage regulation in direct current on-board networks

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Spannungsregelung bei Gleichstrom-Bordnetzen von mobilen Einheiten, Kraftfahrzeugen, u.dgl. nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bekannt, Stromgeneratoren, vorzugsweise Drehstromgeneratoren in Kraftfahrzeugen o. dgl. trotz der an sie gestellten hohen Anforderungen durch Regelung des ihnen zugeführten Erregerstroms so zu beeinflussen, daß die Generatorausgangsspannung auf einem im wesentlichen konstanten gewünschten Niveau gehalten wird. Dabei wird der Erregerstrom und damit das Erregerfeld im Läufer des Generators in Abhängigkeit von der im Generator erzeugten Spannung so gesteuert, daß trotz erheblich veränder-The invention is based on a device for voltage regulation for direct current on-board networks of mobile units, motor vehicles, and the like according to the genre of the main claim. It is known, power generators, preferably three-phase generators in motor vehicles o. The like. In spite of the high demands placed on them by regulating the excitation current supplied to them so that the generator output voltage can be influenced is maintained at a substantially constant desired level. The excitation current and thus the Excitation field in the rotor of the generator is controlled as a function of the voltage generated in the generator in such a way that despite considerable changes

-f I C U-f I C U

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18. Aug. 1980 (f- Z -Aug. 18, 1980 (f- Z -

licher Drehzahl zwischen Leerlauf und Voll-Last und trotz erheblicher Belastungsschwankungen des Generators die Generatorklemmenspannung bis zum Maximalstrom konstant bleibt. Als Regler sind bekannt die mechanischen Einkontakt-oder Mehrkontaktregler; üblicherweise werden nunmehr hauptsächlich elektronische Transistorregler eingesetzt, die durch periodisches Schwächen des Erreger strom S1 üblicherweise periodisches Ein- und Ausschaltende Generator spannung regeln, da die in diesem erzeugte SpannungdsmProdukt aus Drehzahl und Erregerstrom im wesentlichen verhältnisgleich ist.licher speed between idle and full load and despite considerable load fluctuations on the generator, the generator terminal voltage remains constant up to the maximum current. The mechanical single-contact or multi-contact regulators are known as regulators; Usually, electronic transistor regulators are now mainly used, which regulate the generator voltage by periodically weakening the excitation current S 1, usually periodically switching the generator on and off, since the voltage dsm product of speed and excitation current generated in this is essentially the same.

Probleme ergeben sich in diesem Zusammenhang etwa auf dem Gebiet der Kraftfahrzeug-Elektrik im Winter oder im Stadtverkehr, denn bei Kälte nimmt der Innenwiderstand der Batterie erheblich zu, so daß deren Kaltstartleistung stark absinkt. Außerdem ergeben sich Batterieladeprobleme bei niedertourigen Drehzahlen. Dabei könnte man zwar durch zumindest zeitweilig erhöhte Ladespannung bei entsprechender Auslegung der Lichtmaschine und daher entsprechend ausreichend vorhandener Lichtmaschinenleistung auch bei Kälte einen ausreichenden Ladestrom erzwingen, die Spannung des Bordnetzes kann aber mit Rücksicht auf spannungsempfindliche Verbraucher, beispielsweise die verwendeten Glühlampen, nicht beliebig gesteigert werden.Problems arise in this context, for example, in the field of motor vehicle electrics in winter or in city traffic, because at When cold, the internal resistance of the battery increases considerably, so that its cold start performance drops sharply. There are also battery charging problems at low speeds. You could go through at least Temporary increased charging voltage if the alternator is designed accordingly and therefore sufficiently available Alternator output force a sufficient charging current even in cold weather, but the voltage of the on-board network can be adjusted with consideration for voltage-sensitive consumers, for example the incandescent lamps used, cannot be increased at will.

Es ergibt sich so bei künftig steigenden Anforderungen an die Qualität der Versorgungsspannung bei Bcrdnetzen der Bedarf nach einem zentralen, leistungsstarken Spannungsregler, der in der Lage ist, bei variabler Eingangsspannung trotz erheblicher, über den Spannungsregler fließender Leistung eine möglichst konstante Ausgangsspannung bereitzustellen.It is the result of future increasing demands on the quality of the Supply voltage in Bcrdnetzen the need for a central, powerful voltage regulator, which is able to with variable Input voltage despite considerable, flowing through the voltage regulator Power to provide an output voltage that is as constant as possible.

ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

I5l7/ot/zzI5l7 / ot / zz

18. Aug. 1980 Ir- 2T- Aug 18, 1980 Ir- 2T-

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß es gelingt, bei Bordnetzen, zunächst ganz allgemein eine äußerst konstante Ausgangsspannung auch bei hoher Leistungsentnahme dann zu erzeugen, wenn die Eingangsspannung zwischen erheblichen Grenzwerten schwankt. So könnte bei einer 12 Volt-Anlage, die als Beispiel hier angeführt wird, die Eingangsspannung zwischen den Spannungswerten von 10... 18 Volt liegen, während die Ausgangsspannung bei konstant 13, 8 Volt gehalten wird.The device according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that it is also possible, in the case of on-board networks, initially in a very general manner, to have an extremely constant output voltage to be generated at high power consumption when the input voltage fluctuates between significant limit values. So could one 12 volt system, which is given here as an example, the input voltage lies between the voltage values of 10 ... 18 volts, while the output voltage is kept at a constant 13.8 volts.

Hierdurch wird es möglich, beispielsweise die Lichtmaschinenspannung entsprechend den Erfordernissen der Batterie einzustellen und auf die bisher vorhandene galvanische Verbindung von Batterie und Bordnetz zu verzichten, die dann von dem erfindungsgemäßen Regler - gegebenenfalls als zweiter Regler - übernommen wird, der die Bordnetzspannung bei unterschiedlicher Eingangsspannung und unterschiedlicher Belastung auf ihremSollwert hält. Dabei ist es selbstverständlich möglich, unkritische Verbraucher, etwa die auf einer reinen Widerstandsheizung beruhenden Heckscheibenheizer u. dgl., vom konstant gehaltenen Bordnetz abzukoppeln und dieses den Verbrauchern zuzuordnen, die eine solche konstante Bordnetzspannung benötigen oder hierauf mit einer besonders langen Lebensdauer reagieren, wie etwa Lampen oder sonstige elektronische Verbraucher.This makes it possible to adjust the alternator voltage, for example to be adjusted according to the requirements of the battery and to the previously existing galvanic connection between the battery and the vehicle electrical system to waive, which is then taken over by the controller according to the invention - possibly as a second controller - which supplies the vehicle electrical system voltage holds at its target value with different input voltages and different loads. It is of course possible to make uncritical ones Consumers, such as the rear window heater and the like based purely on resistance heating, from the on-board network that is kept constant decouple and assign this to the consumers who need such a constant on-board network voltage or thereupon with a special long service life, such as lamps or other electronic consumers.

Vorteilhaft ist, daß der erfindungsgemäße, sehr genaue Spannungsregler einfach und kostengünstig herstellbar ist und auch bei schon vorhandenenIt is advantageous that the very precise voltage regulator according to the invention can be produced easily and inexpensively and also with existing ones

a U 4 Ί 2 ü 2a U 4 Ί 2 ü 2

I5l7/ot/z2I5l7 / ot / z2

18. Aug. 1980 g- X- Aug 18, 1980 g- X-

Anlagen eingesetzt werden kann. Es gelingt so, sich von den starren Zwängen einer möglichst konstanten Bordnetzspannung für nur wenige, spannungsempfindliche Verbraucher freizumachen und beispielsweise den sehr unterschiedlichen Ladeleistungsbedürfnissen etwa der Batterie zu entsprechen. Die heutigen Bordnetze stellen im Grunde einen Kompromiß beispielsweise zwischen dem Ladeleistungsbedarf der Batterie einerseits und dem möglichst konstanten Spannungsbedarf in der verwendeten Glühlampe andererseits dar.Plants can be used. It manages to stand out from the stare To release the constraints of a vehicle electrical system voltage that is as constant as possible for only a few voltage-sensitive consumers, and for example the very different charging power requirements of the battery, for example correspond to. Today's vehicle electrical systems basically represent a compromise, for example, between the charging power requirement of the battery on the one hand On the other hand, the voltage requirement in the incandescent lamp used is as constant as possible.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist bei Unterscheidung zwischen einer Aufwärtsregelung einerseits und einer Abwärtsregelung andererseits eine Sparschaltungs-Ausbildungsform derart, daß eine Verminderung der Halbleiterschaltleistung und damit der Verlustleistung zusätzlich noch erzielt werden kann.The measures listed in the subclaims are advantageous Developments and improvements of those specified in the main claim Device possible. It is particularly advantageous to distinguish between upward regulation on the one hand and downward regulation on the other hand, an economy circuit embodiment such that a reduction in the semiconductor switching power and thus the power loss can also be achieved.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Schaltungsbeispiel einer Sperrwandlerschaltung, wie sie für sich gesehen schon bekannt ist, die Fig. la und Ib Kurvenverläufe des Eingangs- und des Aus gangs Stroms des in Fig. 1 gezeigten Sperrwandlers, Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spannungsregelschaltung als Sperrwandler-Sparschaltung, undEmbodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail in the description below. Show it Fig. 1 shows a circuit example of a flyback converter circuit such as Is already known in and of itself, the Fig. La and Ib curve profiles the input and output current of the flyback converter shown in Fig. 1, FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a voltage regulating circuit according to the invention as a flyback converter economy circuit, and FIG

ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

3OA12023OA1202

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18. Aug. 1980 a - S - Aug 18, 1980 a - S -

die Fig. 3 bis 6 weitere Ausführungsformen von Sperrwandler-Sparschaltungen, schließlich zeigen die Fig. 7 und 8 mögliche Ausführungsformen von Trigger glieder zur Ansteuerung des in jeder erfindungsgemäßen Spannungsregler schaltung vorhandenen, mindestens einen Halbleiters.3 to 6 further embodiments of flyback converter economy circuits, Finally, FIGS. 7 and 8 show possible embodiments of trigger members for controlling the in each of the invention Voltage regulator circuit existing, at least one semiconductor.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments

Zum besseren Verständnis der in den Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, 5 und Fig. 6 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele wird im folgenden zunächst kurz auf die in Fig. 1 dargestellte, für sich gesehen bekannte Prinzipschaltung eines Sperrwandlers eingegangen und dessen Einsatz mit Bezug auf die Konstanthaltung einer Bordnetz-Ausgangsspannung genauer untersucht. Legt man der weiter vorn schon geschilderten, beispielsweisen Regelaufgabe die Konstanthaltung einer zwischen 10 Volt und 18 Volt liegenden Eingangs spannung auf eine Aus gangs spannung von beispielsweise 13,8 Volt zugrunde, dann muß der Schalttransistor Tr des in Fig. 1 gezeigten Sperrwandlers für mindestens eine Spannung vonFor a better understanding of the FIGS. 2, 3, 4, 5 and 6 The exemplary embodiments according to the invention shown are briefly referred to below first of all to those shown in FIG. 1, which are known per se Basic circuit of a flyback converter received and its use with reference to keeping an on-board network output voltage constant examined more closely. If one puts the already described above, for example The control task is to keep an input voltage between 10 volts and 18 volts constant to an output voltage of for example 13.8 volts, then the switching transistor Tr of the flyback converter shown in Fig. 1 must for at least a voltage of

u = u + u /ü (1)u = u + u / ü (1)

T emax a'T emax a '

und einen Strom vonand a stream of

i_ = 2 *(ü + u /u . )'i (2)i_ = 2 * (ü + u / u.) 'i (2)

T v a' emin a 'T v a 'emin a'

bemessen sein. Diese Formelzeichen sind auch in den Stromverläufen der Fig. la und Ib angegeben, wobei T + T = T die Ar-be measured. These symbols are also in the current curves of Fig. la and Ib, where T + T = T the Ar-

1 Ci 1 Ci

beitsperiodendauer des Sperrwandlers ist.is the operating period of the flyback converter.

Der in Fig. 1 gezeigte Sperrwandler besteht aus dem eigentlichen Wandler oder Transformator Tr mit einer Primärwicklung Wl und einer Sekundärwicklung W 2 mit dem Übersetzungsverhältnis ü = w2/wl. InThe flyback converter shown in Fig. 1 consists of the actual converter or transformer Tr with a primary winding Wl and a secondary winding W 2 with the transformation ratio ü = w2 / wl. In

JIM I ΖΌΖ JIM I ΖΌΖ

I5l7/ot/zzI5l7 / ot / zz

18. Aug. 1980 y|0 - JSr- Aug 18, 1980 y | 0 - JSr-

Reihe mit der Primärwicklung Wl ist ein Halbleiterschaltelement angeordnet, vorzugsweise ein Transistor Tr; es können aber auch andere geeignete Halbleiterschaltelemente, wie Thyristoren in geeigneter Form und Ansteuerung eingesetzt werden. Der Aufbau des in Fig. l gezeigten Sperrwandlers vervollständigt sich durch einen Eingangskondensator Ce parallel zur Reihenschaltung der Primärwicklung mit dem Halbleiterschaltelement, an welchem die Eingangsspannung u anliegt. Ausgangsseitig liegt die Sekundärwicklung des Wandlers Tr in Reihe mit einer Diode D und parallel zu beiden ein Ausgangskondensator Ca, an welchem die Ausgangsspannung u abfällt. Die Arbeitsweise eines solchen Sperrwandlers ist wie in der Darstellung der Fig. la und Ib gezeigt; während des Einschaltzeitraums T des Halbleiterschaltelements steigt der Strom i durch die Primärwicklung Wl bis zum Scheitelstrom i an; nach Sperren des Transistors Tr wird in der Sekundärwicklung des Wandlers eine Spannung induziert, die zu einem entsprechendem Ausgangsstrom i mit dem Scheitelstromwert i führt. Eingangsstrom i und Ausgangs-A semiconductor switching element is arranged in series with the primary winding Wl, preferably a transistor Tr; however, other suitable semiconductor switching elements such as thyristors can also be used in a suitable form and control can be used. The structure of the one shown in FIG Flyback converter is completed by an input capacitor Ce parallel to the series connection of the primary winding with the semiconductor switching element, at which the input voltage u is applied. On the output side, the secondary winding of the converter Tr is in series with one Diode D and parallel to both an output capacitor Ca, across which the output voltage u drops. How such a flyback converter works is as shown in the illustration of Fig. La and Ib; the current increases during the switch-on period T of the semiconductor switching element i through the primary winding Wl up to the peak current i on; after Blocking the transistor Tr, a voltage is induced in the secondary winding of the converter, which leads to a corresponding output current i leads with the peak current value i. Input current i and output

strom i sind arithmetische Mittelwerte der Scheitelstrom verlaufe, acurrent i are arithmetic mean values of the peak current, a

Die Schaltleistung des Transistors Tr erhält man durch Verknüpfung der Beziehungen (1) und (2) zu:The switching capacity of the transistor Tr is obtained by linking the relationships (1) and (2) to:

CtCt

ρ = u_.i = 2-u 'i «(1 + u /u .) + 2'i -(ü-u +_ L_) (3)ρ = u_.i = 2-u 'i «(1 + u / u.) + 2'i - (ü-u + _ L_) (3)

*T TT a a emax' emin' a v emax TFü Γ' '* T TT aa emax 'emin' a v emax TFü Γ ''

emmemm

Dabei gelten voraussetzungsgemäß noch die Beziehungen u = const so-Wie uemin " ue ~ uemax·According to the assumption, the relationships u = const as well as u emin " u e ~ u emax

Bei gegebenen Spannungen und Strömen wird ü so gewählt, daß die Schaltleistung pT minimal wird:For given voltages and currents, ü is chosen so that the switching power p T is minimal:

opt 'opt '

1 . · U1 . · U

emm emaxemm emax

ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

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18. Aug. J 980 Αλ - 7 - Aug. 18 J 980 Αλ - 7 -

Bezeichnet man das Produkt u * i als Durchgangsleistung p„ und führtIf the product u * i is denoted as the throughput p “and leads

a a L) aa L)

den Term c = u /u . als Abkürzung ein, dann erhält man, wennthe term c = u / u. as an abbreviation, then you get if

emax' emin " emax 'emin "

man die Beziehung (4) in die Beziehung (3) einsetzt = 2'VV(1 + C + one substitutes the relation (4) in relation (3) = 2 'VV (1 + C +

Die notwendige Schaltleistung beträgt dann bei konstanter Eingangsspannung, also für c = 1,0 das 8-fache der Durchgangsleistung; mit den weiter vorn angegebenen Zahlenwerten des Beispiels einer 12 Volt-Anlage ergibt sich c = 1, 4 und die Schaltleistung erhöht sich auf das 11-fache. Dies führt zu erheblichen Problemen bei größeren Durchgangsleistungen bei einem Bordnetzeiner mobilen Einheit, bei der etwa 300 Watt als mittlerer Wert der Ausgangsleistung des Spannungsreglers erforderlich sind, und zu erheblichen Verlustleistungen, wenn es gelingt, Halbleiter schaltelemente mit derart hohen Schaltleistungen zur Verfügung zu stellen.The required switching capacity is then with constant input voltage, thus for c = 1.0 8 times the throughput; with the numerical values given above for the example of a 12 volt system results in c = 1, 4 and the switching capacity increases to 11 times. This leads to considerable problems with higher throughputs in an on-board network of a mobile unit, at around 300 watts as the medium one Value of the output power of the voltage regulator are required, and significant power dissipation if it is possible to use semiconductor switching elements to make available with such high switching capacities.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel reduziert die erforderliche Leistung drastisch und sichert dennoch einen hochgenauen Spannungsregler, der kostengünstig bei beliebigen Bordnetzen eingesetzt werden kann. Dabei ist eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang nicht vorgesehen, da nicht erforderlich. Der Sperrwandler ist in Fig. 2 mit 20 bezeichnet; er weist eine Primärwicklung 6 und eine Sekundärwicklung 5 auf. Die Primärwicklung 6 liegt in Reihe mit einem ersten Halbleiterschaltelement 2 und bildet so mit dem Eingangskondensator 21 den Eingangskreis. In Reihe mit der Sekundärwicklung 5 liegt die im Prinzipschaltbild des Sperrwandlers der Fig. 1 schon vorhandene Gleichrichtdiode 3; es ist aber noch eine zweite Freilaufdiode 4 vorgesehen, die den anderen Anschluß der Sekundärwicklung 5 mit Masse bzw. dem zweiten Pol der Schaltung verbindet und die inThe embodiment shown in Fig. 2 reduces the required Performance is drastic and still ensures a high-precision voltage regulator that can be used inexpensively in any on-board network can be. Galvanic isolation between input and output is not provided as this is not required. The flyback converter is designated in Fig. 2 with 20; it has a primary winding 6 and a secondary winding 5. The primary winding 6 is in series with a first semiconductor switching element 2 and thus forms the input circuit with the input capacitor 21. In series with the secondary winding 5 is the rectifying diode 3 already present in the basic circuit diagram of the flyback converter of FIG. 1; but there is still a second free-wheeling diode 4 is provided, which connects the other terminal of the secondary winding 5 to ground or the second pole of the circuit and the in

3U412Ü23U412Ü2

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18. Aug. 1980 AJAug 18, 1980 AJ

der gleichen Flußrichtung wie die Gleichrichtdiode 3 gepolt ist. In einer besonderen Ausgestaltung vorliegender Erfindung ist dann noch entsprechend der Darstellung der Fig. 2 der Verbindungspunkt der Sekundärwicklung 5 mit der Freilaufdiode 4 über ein zweites Halbleiterschaltelement 1 mit der Eingangsklemme 23 der Spannungsregelspannung der Fig. 2 verbunden, der bei Anwendung auf ein Bordnetz beispielsweise die positive Generatorausgangsspannung zugeführt ist. Die Stromschiene 24 führt dann den negativen Pol. Die Funktion des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungs ge mäßen leistungsstarken Spannungsreglers ist dann wie folgt. Ist die Eingangs spannung größer als die Ausgangsspannung, dann arbeitet die Schaltung nach dem Prinzip der Abwärtsregelung und der Schalttransistor 2 ist dauernd gesperrt. Der Schalttransistor 1 leitet und sperrt abwechselnd. Während seiner Einschaltzeit t steigt der Strom, der durch diesen Transistor 1, die Sekundärwicklung 5 des Sperrwandlers 20 und die Diode 3 fließt, an, wie dies in Fig. la auch noch gezeigt ist. Während der Sperrzeit t des Schalttransistors 1 wird der von der Wicklungsinduktivität der Sekundärwicklung 5 erzwungene weitere Stromfluß über die Freilaufdiode 4 statt über den Transistor 1 ermöglicht, wobei aber von der Eingangsseite keine Energiezuführung mehr erfolgt.the same direction of flow as the rectifying diode 3 is polarized. In a The connection point of the special embodiment of the present invention is then still corresponding to the illustration in FIG Secondary winding 5 with the freewheeling diode 4 via a second semiconductor switching element 1 connected to the input terminal 23 of the voltage control voltage of FIG. 2, which when applied to an on-board network for example, the positive generator output voltage is supplied. The busbar 24 then carries the negative pole. The function of the first embodiment of a fiction ge MAe powerful The voltage regulator is then as follows. If the input voltage is greater than the output voltage, then the circuit works on the principle of down regulation and the switching transistor 2 is permanently blocked. The switching transistor 1 conducts and blocks alternately. During its switch-on time t, the current flowing through this transistor increases 1, the secondary winding 5 of the flyback converter 20 and the diode 3 flows, as is also shown in Fig. La. During the blocking period t of the switching transistor 1 is the further current flow forced by the winding inductance of the secondary winding 5 via the freewheeling diode 4 instead of via the transistor 1, but no more energy is supplied from the input side.

Die Höhe der Aus gangs spannung ergibt sich dann über das relative Einschaltverhältnis zu:The level of the output voltage then results from the relative switch-on ratio to:

u *e . u (6)u * e . u (6)

a τη— e a τη- e

τητη

e se s

In dieser Position arbeitet die Schaltung nach dem Prinzip eines sogenannten Tiefsetzstellers. Ist jedoch, üblicherweise im fließenden ÜberIn this position, the circuit works on the principle of a so-called Buck converter. However, it is usually in the flowing over

ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

3OA12023OA1202

I5l7/ot/zzI5l7 / ot / zz

18. Aug. 1980 - &■ Aug. 18, 1980 - & ■

A3A3

gang, die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung, dann ergibt sich das Grundprinzip einer Aufwärtsregelung und der Schalttransistor 1 ist dann zunächst dauernd leitend geschaltet. Der Schalttransistor 2 leitet und sperrt dann abwechselnd, wobei dann transformatorisch noch eine Leistung auf die Ausgangsseite übertragen wird, die jedoch nur ein Bruchteil der Durchgangsleistung pn ist, die ein Sperrwandler in der Vollschaltung nach Fig. 1 zu übertragen hätte. Die transformatorisch von der Schaltung der Fig. 2 übertragene Leistung bei der Aufwärtsregelung beträgt dann lediglich ρ = (u - u ) · i .output, the input voltage is less than the output voltage, then the basic principle of upward regulation results and the switching transistor 1 is then initially switched on continuously. The switching transistor 2 conducts and blocks alternately, with a power being transmitted to the output side by means of a transformer, which, however, is only a fraction of the throughput p n that a flyback converter in the full circuit according to FIG. 1 would have to transmit. The power transmitted by the circuit of FIG. 2 in the form of a transformer during the upward regulation is then only ρ = (u - u) · i.

3. 6 3.3. 6 3.

Die folgenden Angaben machen noch einige Aussagen mit Bezug auf die bei Abwärts- bzw. Aufwärtsregelung von den einzelnen Schalttransistoren zu übernehmenden Schaltleistungen.The following information makes some statements with reference to the in the case of downward or upward regulation by the individual switching transistors switching capacities to be taken over.

Bei der Abwärtsregelung übernimmt der Schalttransistor 1 die folgende Schaltleistung:In the downward regulation, the switching transistor 1 takes on the following Switching capacity:

P_, =u -i . k, (7)P_, = u -i. k, (7)

Tl emax aTl emax a

wobei die Konstante k sich von ihrem Maximalwert k = 2 durch Erhöhung der Schaltfrequenz bis in die Nähe ihres Mindestwertes k = 1 verringern läßt. Die Schaltleistung des Schalttransistors 2 weist bei der Aufwärtsregelung die folgende Größe auf:where the constant k differs from its maximum value k = 2 by increasing it the switching frequency can be reduced to near its minimum value k = 1. The switching capacity of the switching transistor 2 has the upward regulation the following size:

P„=(u . + Ua " Uemin ) · 2· (ü + Ua " Uemin ) · i (8) ι ζ emin „ ——————— ^ P "= (u. + U a" U emin ) · 2 · (ü + U a " U emin ) · i (8) ι ζ emin" ——————— ^

ü uü u

eminemin

Führt man die folgenden Abkürzungen einIntroduce the following abbreviations

a = emax und b= emina = emax and b = emin

u uu u

a aa a

dann ergibt sich die Gesamtschaltleistung zuthen the total switching capacity results

PT -PT1 +PT2 - 2-ia.V [2 + ψ 2b + b .(U+ \Λ\ - D2)] · (9)P T -P T1 + P T2 - 2-i a . V [2 + ψ 2b + b. (U + \ Λ \ - D 2 )] · (9)

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18. Aug. 1980 - 10 -Aug 18, 1980 - 10 -

Bei gegebenen Spannungen und Strömen wird ü wieder so gewählt, daß die Schaltleistung pTminimal wirdFor given voltages and currents, ü is selected again so that the switching power p T is minimal

"opt ■ E - ' <10) "opt ■ E - '<10)

Unter Benutzung der bereits definierten Durchgangsleistung ρ erhält man dann bei Einsetzen der Beziehung (10) in die Gleichung (9) die folgende Angabe für das Verhältnis der zu schaltenden Durchgangs leistungenUsing the throughput power already defined, ρ is obtained then, by inserting relationship (10) into equation (9), the following specification for the ratio of the passage to be switched Services

Damit reduziert sich bei Verwendung einer erfindungsgemäßen, auf dem Sperrwandlerprinzip beruhenden Sparschaltung für das oben angegebene Zahlenbeispiel bei einer 12 Volt-Anlage die benötigte Transistorschaltleistung auf mindeste das 4, 8-fache, günstigstenfalls auf das 3, 5-fache der Durchgangsleistung gegenüber dem weiter vorn errechneten 11-fachen Betrag.When using an economy circuit according to the invention based on the flyback converter principle, this is reduced for what is specified above Numerical example for a 12 volt system, the required transistor switching capacity to at least 4, 8 times, ideally to 3.5 times the throughput compared to the one calculated above 11 times the amount.

Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungsreglers für Bordnetze ist in Fig. 3 dargestellt, bei der sich auch eine zusätzliche Minderung der Tr an si stör schaltleistung noch erzielen läßt, wenn man voraussetzt, daß der Übergang zwischen der Aufwärts- und der Abwärtsregelung nur selten und dann vergleichsweise langsam erfolgt. Zunächst muß aber darauf hingewiesen werden, daß die jeweils verwendeten Schalttransistoren an ihren Eingangs- oder Steuerelektroden mit entsprechenden Ansteuer- oder Triggerimpulsfolgen versorgt werden, die in ihrem Tastverhältnis und gegebenenfalls in ihrer Frequenz so eingestellt und auf das gewünschte Verhältnis der Eingangsspannungen zu den Ausgangsspannungen bezogen werden, daß sich die angestrebte Spannungskonstanthaltung erzielen läßt. Ein Ausführungs-Another embodiment of a voltage regulator according to the invention for vehicle electrical systems is shown in Fig. 3, in which an additional reduction in the Tr to si disturbing switching capacity can still be achieved, if it is assumed that the transition between upward and downward regulation occurs only rarely and then comparatively slowly. First of all, however, it must be pointed out that the switching transistors used in each case are connected to their input or control electrodes are supplied with appropriate drive or trigger pulse sequences, which in their duty cycle and possibly in their frequency so adjusted and related to the desired ratio of the input voltages to the output voltages that the Can achieve desired voltage constant maintenance. An execution

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18. Aug. 1980 a5 " H "Aug. 18, 1980 a5 " H "

beispiel einer solchen, die Ansteuerimpulsfolgen erzeugenden Schaltung ist dann in Fig. 7 dargestellt und wird weiter unten noch genauer erläutert. example of such a circuit that generates the drive pulse trains is then shown in Fig. 7 and will be explained in more detail below.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird lediglich ein Schalttransistor l' benötigt, wobei zusätzlich noch Umschaltkontakte vorgesehen sind, die zweckmäßigerweise von einem Relais 7 mit drei, gegebenenfalls mit vier Kontakten 8, 9, 10 und 12 gesteuert sind.In the embodiment of FIG. 3, only one switching transistor is used l 'is required, with changeover contacts also being provided which are expediently controlled by a relay 7 with three, possibly with four contacts 8, 9, 10 and 12.

Im Falle der Abwärtsregelung verbindet das Relais 7 über den dann geschlossenen Kontakt 8 den Ausgangsanschluß des Schalttransistors Γ direkt mit der Sekundärwicklung 5 des Transformators oder Wandlers 20, wobei das Tastverhältnis der dem Schalttransistor l' dann zugeführten Steuerimpulsfolge das genaue Regelverhältnis zwischen Eingangsspannung und konstanter Ausgangsspannung bestimmt. In the case of downward regulation, the relay 7 connects via the then closed Contact 8 the output terminal of the switching transistor Γ directly to the secondary winding 5 of the transformer or converter 20, the duty cycle of the switching transistor 1 'then supplied Control pulse sequence determines the exact control ratio between input voltage and constant output voltage.

Im Falle der Aufwärtsregelung wird der Ausgangsanschluß des gleichen Transistors über den dann geschlossenen Schaltkontakt 9 mit der Primärwicklung 6 des Wandlers 20 verbunden, wobei gleichzeitig ein dann geschlossener Schaltkontakt 10 des Relais 7 eine Verbindung zwischen der E in gangs spannung am Eingang 23 mit dem Verbindungspunkt der Sekundärwicklung 5 und der Freilaufdiode 4 herstellt. Das Relais 7 wird dabei über eine Triggerschaltung 11, die die Höhe der Eingangsschaltung feststellt, angesteuert und zieht bei Abwärtsregelung an, wenn nämlich die Eingangs spannung eine bestimmte vorgegebene Höhe überschreitet, bei der der Übergang von der Aufwärts- zur Abwärtsregelung erfolgen muß. Die Triggerschaltung 11 verfügt daher über eine Referenz-In the case of up regulation, the output terminal becomes the same Transistor via the then closed switching contact 9 with the primary winding 6 of the converter 20 connected, at the same time a then closed switching contact 10 of the relay 7 a connection between the input voltage at input 23 with the connection point of the Secondary winding 5 and the freewheeling diode 4 produces. The relay 7 is via a trigger circuit 11 that controls the level of the input circuit detects, controls and picks up in the case of downward regulation, namely when the input voltage exceeds a certain predetermined level, where the transition from up to down regulation must take place. The trigger circuit 11 therefore has a reference

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Spannungschaltung, die intern verglichen wird mit der der Schaltung zugeführten Eingangsspannung; entsprechend der Ausgangsspannung eines für diesen Vergleich beispielsweise verwendeten Komparators erfolgt dann die Ansteuerung des Relais 7.Voltage circuit that is compared internally with that of the circuit applied input voltage; corresponding to the output voltage of a comparator used for this comparison, for example The relay 7 is then activated.

Bei dieser Schaltung entsprechend Fig. 3 reduziert sich die benötigte Schaltleistung für den einen lediglich noch vorhandenen Transistor l' jeweils auf den größeren Wert ρ oder p™, der nach den weiter vorn schon angegebenen Beziehungen (7) und (8) berechnet wird: PT1 =a'PD * k In this circuit according to FIG. 3, the required switching capacity for the only remaining transistor 1 'is reduced to the larger value ρ or p ™, which is calculated according to the above-mentioned relationships (7) and (8): P T1 = a 'P D * k

=8-(l-b)-pD (13)= 8- (lb) -p D (13)

Die Schaltleistung ρ ist dabei für den meist zutreffenden Fall vonThe switching capacity ρ is for the mostly applicable case of

J. Ct J. Ct

8· (]-b)>aJc maßgebend. In diesem oben genannten Zahlenbeispiel redue e ,günstigstenfallsF 8 · (] -b)> aJc decisive. In this numerical example given above, redu ee , ideally F

ziert sich die benötigte Transistorleistung'auf das 2, 2-fache der Durchgangsleistung, wobei sich gegenüber dem eingangs beschriebenen Sperrwandler in Vollschaltung eine Einsparung von 80 % der Transistorschaltleistung erzielen läßt.if the required transistor power is 2.2 times the throughput, Compared to the flyback converter described at the beginning, this results in a saving of 80% of the transistor switching capacity when fully switched can be achieved.

Als weiterer Vorteil dieses in Fig. 3 gezeigten Spannungsreglers mit Relaisumschaltung ist die Maßnahme anzusehen, daß im Falle der Aufwärtsregelung die Verlustleistung des Transistors 1 - verglichen mit Fig. 2 - insgesamt eingespart wird, da dieser durch den Kontakt 10 in Fig. 3 ersetzt wird. Die Verlustleistung läßt sich dadurch insgesamt etwa auf die Hälfte vermindern.As a further advantage of this voltage regulator shown in FIG. 3 Relay switching is to be seen as the measure that, in the case of upward regulation, the power loss of transistor 1 - compared with Fig. 2 - is saved overall, since this is replaced by the contact 10 in FIG. The power loss can thereby be total reduce it by about half.

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Ferner kann ohne größeren Aufwand durch einen weiteren, dem Relais 7 zugeordneten Schaltkontakt 12 die bei Abwärtsregelung nicht mehr benötigte Diode 3 überbrückt werden, so daß auch hier noch eine Verlustminderung erzielt wird.In addition, another relay, the relay 7 associated switching contact 12, the diode 3, which is no longer required in the case of downward regulation, can be bridged, so that here too there is still a reduction in loss is achieved.

Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung vorliegender Erfindung ist es im Übrigen möglich, in einer Modifizierung entsprechend der Darstellung der Fig. 4 einen Sperrwandler-Spannungsregler besonders vorteilhaft dann einzusetzen, wenn eine alleinige Aufwärtsregelung ins Auge gefaßt und zu berücksichtigen ist. Bei dieser in Fig. 4 gezeigten Variante einer Sperrwandler-Sparschaltung entfallen mit Bezug auf die Darstellung der Fig. 2 noch die dort gezeigte Freilaufdiode 4 und der Schalttransistor 1, so daß bei ständiger galvanischer Verbindung der Spannung am Eingang und der Sekundärwicklung 5 über die Verbindungsleitung 25 lediglich noch der Schalttransistor 24 vorgesehen ist, der mit der Primärwicklung 6 des Wandlers oder Transformators 20 verbunden ist. Die von dieser modifizierten Schaltung benötigte Transistorleistung geht aus der oben dargestellten Beziehung (13) hervor und zeigt auch hier eine deutliche Minderung.According to a further embodiment of the present invention it is also possible in a modification according to the illustration 4, a flyback converter voltage regulator can be used particularly advantageously when an upward regulation alone is in the eye must be taken and taken into account. In this variant of a flyback converter economy circuit shown in FIG. 4 are omitted with reference to the Representation of Fig. 2 still the free-wheeling diode 4 and the switching transistor 1 shown there, so that with constant galvanic connection of the Voltage at the input and the secondary winding 5 via the connecting line 25 only the switching transistor 24 is provided, which is connected to the primary winding 6 of the converter or transformer 20 is. The transistor power required by this modified circuit is shown in relation (13) above and also shows a clear reduction here.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ergibt sich die Möglichkeit in einer weiteren Variante zwischen Vollschaltung und Sparschaltung des Sperrwandler-Spannungsreglers umzuschalten, je nachdem, ob die Ausgangsspannung kleiner - Abwärtsregelung - oder größer - Aufwärtsregelung - als die Eingangsspannung ist.In the embodiment of FIG. 5, there is the possibility in another variant to switch between full circuit and economy circuit of the flyback converter voltage regulator, depending on whether the output voltage smaller - down regulation - or larger - up regulation - than the input voltage.

Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt die Sekundärwicklung 5 des Transformators 20 über einen Umschaltkontakt 14 entweder an der unterenIn this embodiment, the secondary winding 5 of the transformer is located 20 via a changeover contact 14 either on the lower one

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18. Aug. 1980 - )Λ - '■ ' - - ' '- - ■ Aug. 18, 1980 - ) Λ - '■' - - '' - - ■

AtAt

Masseschiene oder an einer Verbindungsleitung 25', die die Sekundärwicklung 5 direkt mit der Eingangs spannung der Schaltung verbindet, entsprechend der Darstellung der Fig. 4. Betätigt wird der Umschaltkontakt von einem Relais 13, welches angesteuert werden kann von einer mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 identischen Triggerschaltung 11, die in der Lage ist, zwischen der Abwärts- und der Aufwärtsregelung zu unterscheiden. Man erzielt so den gleichen Zweck wie auch bei der Schaltung der Fig. 4, kann jedoch auch abwärts regeln. Die erforderliche Transistorschaltleistung steigt hier entsprechend der Beziehung (5) mit c = 1 auf das 8-fache der Durchgangsleistung an; dafür ist jedoch die für die Ansteuerung des Schalttransistors 26 benötigte Logik-Schaltung in diesem Fall einfacher, da stets nach dem gleichen Schema geregelt wird.Ground rail or on a connecting line 25 ', which the secondary winding 5 connects directly to the input voltage of the circuit, as shown in FIG. 4. The changeover contact is actuated by a relay 13, which can be controlled by a trigger circuit identical to the embodiment of FIG. 3 11, which is able to switch between the downward and the upward regulation to distinguish. The same purpose is achieved in this way as with the circuit in FIG. 4, but it is also possible to regulate downwards. The required Transistor switching capacity increases here in accordance with relation (5) with c = 1 to 8 times the throughput; Therefore however, the logic circuit required for driving the switching transistor 26 is simpler in this case, since it is always the same Scheme is regulated.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wird die vorher beschriebene Umschaltmöglichkeit zwischen Vollschaltung und Sparschaltung des Sperrwandler-Spannungsreglers durch den Thyristor 30 und die Diode 4 erreicht, deren Kombination den Umschaltkontakt 14 des Relais 11 in Fig. 5 ersetzt. Diese Variante ist dort vorteilhaft,wo der Wechsel zwischen Aufwärts- und Abwärtsregelung häufig und/oder rasch erfolgt.In the embodiment of FIG. 6, the one previously described is used Possibility to switch between full circuit and economy circuit of the flyback converter voltage regulator through the thyristor 30 and the diode 4 reached, the combination of which replaces the changeover contact 14 of the relay 11 in FIG. This variant is advantageous where the change occurs frequently and / or rapidly between up and down regulation.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Sekundärwicklung 5 des Wandlers 20 einerseits über die Diode 4 mit der unteren Masseschiene, andererseits über den Thyristor 30 mit der Potential führenden Eingangsschiene 23 verbunden entsprechend der Darstellung in Fig. 6. Der Thyristor wird von einer Triggerschaltung ll' im Falle der Aufwärtsregelung kontinuierlich gezündet.In this embodiment, the secondary winding is 5 of the converter 20 on the one hand via the diode 4 with the lower ground rail, on the other hand via the thyristor 30 with the input rail carrying potential 23 connected in accordance with the illustration in FIG. 6. The thyristor is activated by a trigger circuit ll 'in the case of upward regulation ignited continuously.

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Es versteht sich, daß das wirtschaftliche Optimum bei den in den Fig. 3, 4, 5 und 6 dargestellten Schaltungen von der verlangten Durchgangsleistung und dem vorgegebenen Verlauf der Eingangsspannung abhängig und daher jeweils entsprechend zu ermitteln ist.It goes without saying that the economic optimum in the circuits shown in FIGS. 3, 4, 5 and 6 depends on the required throughput and the predefined curve of the input voltage and is therefore to be determined accordingly in each case.

Im folgenden wird der mögliche Aufbau einer die Schalttransistoren ansteuernden Logikschaltung anhand der Darstellung in den Fig. 7 und 8 nach Aufbau und Wirkungsweise noch kurz erläutert.The following is the possible structure of a switching transistor controlling Logic circuit with reference to the representation in FIGS. 7 and 8 explained briefly according to structure and mode of operation.

Die für die Ansteuerung des mindestens einen Schalttransistors 1, 2, l', 24, 26 erforderliche Logikschaltung entsprechend Fig. 7 umfaßt im wesentlichen eine proportional und integral wirkende Regelschaltung 28, einen Generatorbaustein 27 für die Erzeugung eines rechteckförmigen Spannungsverlaufs, dessen Tastverhältnis oder Tastgrad im nachgeschalteten Modulator 31 entsprechend dem Stellsignal des Reglers variiert wird, eine Triggerschaltung 32 zur Ansteuerung der Schalttransistoren der weiter vorn angegebenen Ausführungsbeispiele und einen Komparator 11 zur Steuerung des Umschaltrelais 13 (siehe Fig. 5). Der Regler erhält an seinem Eingang 28a über den einstellbaren Spannungsteiler 33a, 33b die auf konstanten Wert zu regelnde Aus gangs spannung u zugeführtThe logic circuit required for driving the at least one switching transistor 1, 2, 1 ', 24, 26 according to FIG downstream modulator 31 is varied according to the control signal of the controller, a trigger circuit 32 for controlling the switching transistors of the above-mentioned embodiments and a comparator 11 for controlling the switching relay 13 (see FIG. 5). The regulator receives at its input 28a via the adjustable voltage divider 33a, 33b the output voltage u to be regulated to a constant value

elel

und vergleicht sie mit der konstanten Sollspannung an seinem Eingang 28b, die in bekannter Weise als Referenzspannung unter Verwendung mindestens eines, einen konstanten Spannungswert liefernden Schaltelementes wie beispielsweise einer Zenerdiode 29 aus der zwischen uand compares it with the constant nominal voltage at its input 28b, which is used in a known manner as a reference voltage using at least one switching element which supplies a constant voltage value such as a Zener diode 29 from the between u

und u variablen Eingangs spannung u gewonnen wird.and u variable input voltage u is obtained.

Die Funktion ist so, daß eine eventuelle Differenzspannung an den Eingängen 28a und 28b vom Regler 28 proportional verstärkt und/oderThe function is such that a possible differential voltage at the inputs 28a and 28b proportionally amplified and / or by the controller 28

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18. Aug. 1980 20Aug 18, 1980 20

aufintegriert und als kontinuierlich veränderliche Stellgröße dem Modulatorbaustein 31 zugeführt wird, der das Tastverhältnis einer an seinem Eingang 31b aus einem Generator 27 gelieferten Rechteckspannung entsprechend der Stellgröße an seinem anderen Eingang 31a verändert. Generatoren, die an ihrem Ausgang eine Steuerimpulsfolge mit sich änderndem Tastgrad in Abhängigkeit zu einer sich ändernden analogen Eingangs spannung erzeugen, sind für sich gesehen bekannt. Unter Tastgrad versteht man bei einer Rechteckimpulsfolge beispielsweise die Einschaltdauer bezogen auf die Periodendauer, so daß bei gleichen Ein- und Aueschaltzeiten der Tastgrad den Wert l/2 hat.integrated and fed as a continuously variable manipulated variable to the modulator module 31, which the duty cycle of a at its input 31b from a generator 27 supplied square-wave voltage corresponding to the manipulated variable at its other input 31a changes. Generators that have a control pulse train at their output with a changing duty cycle depending on a changing one generate analog input voltage are known per se. A duty cycle is understood to mean, for example, in the case of a square-wave pulse train the switch-on duration related to the period duration, so that with the same switch-on and switch-off times, the duty cycle has the value l / 2.

Die Rechteckspannung mit variablen Tastgrad wird anschließend einer Triggerschaltung 32, die allgemeine Verstärkerform haben kann, zugeleitet und in geeignete Spannungen und Ströme zur Ansteuerung der jeweiligen Stelltransistoren 1, 2, l', 24 und 26 derart umgesetzt, daß die an dem Regler 28 anstehende Spannungsdifferenz zu Null wird. Hierbei stellt der in den Fig. 7 und 8 dargestellte Schaltungsblock 32' die Gesamtheit der erfindungsgemäßen Spannungsregelschaltung dar, die in den Fig. 1 bis 6 schon umfassend erläutert wurde.The square wave voltage with variable duty cycle is then one Trigger circuit 32, which can have general amplifier form, fed and in suitable voltages and currents for controlling the respective Adjusting transistors 1, 2, 1 ', 24 and 26 implemented in such a way that the voltage difference present at the controller 28 becomes zero. Here, the circuit block 32 'shown in FIGS. 7 and 8 represents the The entirety of the voltage regulating circuit according to the invention, which has already been comprehensively explained in FIGS. 1 to 6.

Der Komparator 11 erhält an seinem Eingang 11a über einen justierbarenThe comparator 11 has an adjustable input at its input 11a

Spannungsteiler 34a, 34b ebenfalls die zwischen u . und u vari-Voltage divider 34a, 34b also between u. and u vari-

c ° emm emax c ° emm emax

able Eingangs spannung u zugeführt und vergleicht diese Spannung mit derable input voltage u and compares this voltage with the

am anderen Eingang 11b anstehenden Referenzspannung des Schaltelements 29. Die Vergleichs spannung kann natürlich auch in einem eigenen, nur dem Komparator 11 zugeordneten Referenzkreis erzeugt werden. Die Schalt schwelle des Komparators wird beispielsweise am justierbaren Spannungsteiler 34a, 34b auf u -Au = u eingestellt, wobei Λ u u. a. die unvermeidlichen Spannungsverluste in den Schalttransistoren l',Reference voltage of the switching element present at the other input 11b 29. The comparison voltage can of course also be generated in a separate reference circuit assigned only to the comparator 11. the Switching threshold of the comparator is set, for example, at the adjustable voltage divider 34a, 34b to u -Au = u, where Λ u and a. the inevitable voltage losses in the switching transistors l ',

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24, 26 und in der Diode 3 bezeichnet. Am Ausgang des Komparators ergibt sich dann ein absolutes Signal, welches lediglich angibt, ob im Fall u -^u>u abwärts oder im Fall u -Δ u^u aufwärts geregelt werden muß, und welches direkt oder nach geeigneter Verstärkung zur Ansteuerung des Relais 7 bzw. 13 verwendet werden kann. Im Fall alleiniger Aufwärtsregelung nach Fig. 4 ist der Komparator entbehrlich. 24, 26 and in the diode 3 designated. At the output of the comparator there is then an absolute signal which only indicates whether im If u - ^ u> u downwards or if u -Δ u ^ u upwards must be, and which can be used directly or after suitable amplification to control the relay 7 or 13. In the case The comparator can be dispensed with if only the upward regulation according to FIG. 4 is used.

Ist der Umschaltkontakt 14 des Relais 13 beispielsweise durch den Thyristor 30 in Fig. 6 ersetzt, so ist statt des Komparators 11 ein Komparator 11' mit invertiertem Ausgangssignal zur Ansteuerung des Gate-Anschlusses des Thyristors zu verwenden.Is the changeover contact 14 of the relay 13, for example by the Thyristor 30 in Fig. 6 replaced, so instead of the comparator 11 is a comparator 11 'with an inverted output signal for controlling the Gate connection of the thyristor to be used.

Im Fall der Steuerung über 2 Transistoren 1 und 2, wie in Fig. 2 gezeigt, können die Ausgänge des Komparators 11 und des Modulators 31 beispielsweise wie in der Fig. 8 gezeigt über 3 Logik-Gatter 35, und 37 mit den Ansteuerschaltungen 32a und 32b der beiden Transistoren 1 und 2 verbunden sein. Dadurch wird, wie bereits oben beschrieben, erreicht, daß im Falle der Aufwärtsregelung bei logischem Pegel "0" des Komparators 11 der Transistor 2 in der vom Modulator 31 vorbestimmten Weise zyklisch ein- und ausgeschaltet wird bei gleichzeitig kontinuierlich leitendem Transistor 1, während im Falle der Abwärtsregelung bei logischem Pegel "l" des Komparators 11 der Transistor zyklisch ein- und ausgeschaltet wird bei gleichzeitig dauernd sperrendem Transistor 2. Zu diesem Zweck ist dem Modulator 31 und dem Komparator 11, die mit den entsprechenden Schaltungselementen der Fig. 7 identisch sein können, je ein UND-Glied 35, 36 nachgeschaltet,In the case of control via 2 transistors 1 and 2, as shown in Fig. 2, the outputs of the comparator 11 and the modulator 31 can, for example, as shown in FIG. 8 via 3 logic gates 35, and 37 be connected to the drive circuits 32a and 32b of the two transistors 1 and 2. This, as already described above, achieved that in the case of upward regulation at logic level "0" of the comparator 11, the transistor 2 in the predetermined by the modulator 31 Way is cyclically switched on and off while transistor 1 is continuously conducting at the same time, while in the case of down regulation at logic level "1" of the comparator 11, the transistor is cyclically switched on and off while the transistor 2 is permanently off. For this purpose, the modulator 31 and the Comparator 11, which can be identical to the corresponding circuit elements of FIG. 7, each followed by an AND gate 35, 36,

JIMJIM

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die von dem Modulator und dem Komparator auch kreuzweise angesteuert sind. Die UND-Schaltung 35 arbeitet direkt über eine Triggerschaltung 32a auf den Schalttransistor 2, während der UND-Schaltung 36 noch ein Funktionsblock 37 nachgeschaltet ist, der, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa nur positive Signale passieren läßt. Die Ansteuerung des Schalttransistors 1 erfolgt dann über eine weitere Triggerschaltung 32b. Das UND-Glied 35 und der Funktions block 37 sind im übrigen mit dem negierten Ausgangssignal des Komparators 11 angesteuert.which are also driven crosswise by the modulator and the comparator are. The AND circuit 35 operates directly via a trigger circuit 32a on the switching transistor 2, during the AND circuit 36 is followed by a function block 37 which, in the case of the one shown Embodiment only allows positive signals to pass. The switching transistor 1 is then controlled via a further trigger circuit 32b. The AND gate 35 and the function block 37 are otherwise with the negated output signal of the comparator 11 controlled.

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Claims (10)

Dipl. Ing. Peter Ott· 7033 Herrenberg (Kuppingen)Dipl. Ing.Peter Ott 7033 Herrenberg (Kuppingen) Patentanwalt Eifeletraße 7Patent attorney Eifeletraße 7 Telefon (070 32) 31999Telephone (070 32) 31999 1517/ot/zz
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Firma Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1 PatentansprücheClaims / 1. !Vorrichtung zur Spannungsregelung bei Gleichstrom-Bordnetzen von mobilen Einheiten, Kraftfahrzeugen, Bahnen u. dgl., mit einem drehangetriebenen Generator, vorzugsweise Drehstromgenerator, und einer elektrische Energie speichernden Batterie, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sperrwandlerschaltung, bestehend aus einem Wandler (20) mit Primär- und Sekundärwicklung (6, 5) und gegebenem Wicklungsverhältnis (ü) und mindestens ein aktives Halbleiterschaltelement (1, 2, l', 24, 26) vorgesehen sind, daß der Eingang der Sperrwandlerschaltung mit der variablen, gleichgerichteten Generatorausgangsspannung und ihre konstante Ausgangsspannung mit dem Bordnetz verbunden sind und daß mindestens eine Verbindungsleitung (1, 10, 25, 25') vorgesehen ist, die unter Umgehung der Sperrwandler-Primärwicklung (6) den Eingangsbereich mit dem Sekundärwicklungsbereich verbindet./ 1.! Device for voltage regulation in direct current on-board networks of mobile units, motor vehicles, trains, etc., with a rotary-driven generator, preferably a three-phase generator, and a battery storing electrical energy, characterized in that a flyback converter circuit consisting of a converter (20) with primary and secondary windings (6, 5) and a given winding ratio (ü) and at least one active semiconductor switching element (1, 2, 1 ', 24, 26) are provided that the input of the flyback converter circuit connected to the variable, rectified generator output voltage and its constant output voltage to the vehicle electrical system are and that at least one connecting line (1, 10, 25, 25 ') is provided, which bypassing the flyback converter primary winding (6) connects the input area to the secondary winding area.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sperrwandlerschaltung mit der Schaltung eines Tiefsetz-Stellers derart kombiniert ist, daß der eine Anschluß der Sekundärwicklung (5) des Wandlers über eine Freilaufdiode (4) mit dem Schaltungsnullpunkt und gleich-2. Apparatus according to claim 1, characterized in that a flyback converter circuit is combined with the circuit of a buck converter in such a way that one terminal of the secondary winding (5) of the converter via a freewheeling diode (4) to the circuit zero point and equal I5l7/ot/zzI5l7 / ot / zz 18. Aug. 1980 - 2 -Aug 18, 1980 - 2 - zeitig über ein erstes Halbleiterschaltelement (Transistor: 1) mit dem die variable Eingangs spannung (u ) führendem Eingang verbunden ist, daß der gleiche Eingangsanschluß über ein weiteres Halbleiterschaltelement (Transistor 2) mit der Primärwicklung (6) des Wandlers (20) verbunden ist und daß in jeder der beiden Regelrichtungen (Abwärtsregelung, Aufwärtsregelung) eines der beiden Halbleiterschaltelemente abwechselnd leitet und sperrt und das andere entweder dauernd gesperrt oder dauernd leitend geschaltet ist (Fig. 2).timely via a first semiconductor switching element (transistor: 1) with the the variable input voltage (u) leading input is connected that the same input terminal via a further semiconductor switching element (Transistor 2) is connected to the primary winding (6) of the converter (20) and that in each of the two control directions (downward regulation, Upward regulation) one of the two semiconductor switching elements alternately conducts and blocks and the other is either permanently blocked or is permanently switched on (Fig. 2). 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (5) des Wandlers (20) über eine in gleicher Richtung wie die Freilaufdiode (4) gepolte Diode (3) mit dem Ausgang verbunden ist und daß eine Ansteuer-Logik-Schaltung (27, 28) vorgesehen ist, die dem jeweils periodisch schaltenden Halbleiterschaltelement eine Ansteuerimpulsfolge mit einem solchen Tastverhältnis zuführt, daß sich die gewünschte konstante Ausgangsspannung (u ) bei variabler Eingangs spannung (u ) ergibt.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the secondary winding (5) of the converter (20) is connected to the output via a diode (3) polarized in the same direction as the freewheeling diode (4) and that a control logic circuit (27, 28) is provided which each periodically switching semiconductor switching element a drive pulse train with such a duty cycle that the desired constant output voltage (u) with variable input voltage (u) results. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Abhängigkeit zum Verhältnis der Eingangs spannung zur Ausgangsspannung (u , u ) umschaltendes Relais (7) vorgesehen ist, welches je nach der Richtung der Regelung (Aufwärtsregelung, Abwärtsregelung) die Sekundärwicklung (5) des Wandlers (20) über einen geschlossenen Schaltkontakt (10, 8) entweder direkt mit dem potentialführenden Eingangsanschluß (23) oder über einen Schalttransistor (l") verbindet, wobei bei der direkten Verbindung der Schalttransistor (lO über einen Schalt-4. Apparatus according to claim 1, characterized in that one as a function to the ratio of the input voltage to the output voltage (u, u) switching relay (7) is provided which, depending on the direction of regulation (upward regulation, downward regulation), the secondary winding (5) of the converter (20) via a closed switching contact (10, 8) either directly to the potential-carrying input connection (23) or via a switching transistor (1 ") connects, with the direct connection of the switching transistor (lO via a switching ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED 1517/ot/zz1517 / ot / zz 18. Aug. 1980 - 3 -Aug 18, 1980 - 3 - kontakt (9) des Relais (7) mit dem Primärwicklungsanschluß des Wandlers (20) verbunden ist, unter doppelter Ausnutzung des lediglich einmal vorhandenen Schalttransistors (I') (Fig. 3).contact (9) of the relay (7) with the primary winding connection of the converter (20) is connected, with double use of the switching transistor (I ') which is only present once (Fig. 3). 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltrelais (7) einen weiteren Schaltkontakt (12) aufweist, der die Diode (3) im Ausgangskreis dann überbrückt, wenn die Schaltung als Tiefsetz-Steller arbeitet (Schalttransistor Y ist mit Sekundärwicklung 5 verbunden).5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the changeover relay (7) has a further switching contact (12) which bridges the diode (3) in the output circuit when the circuit works as a buck converter (switching transistor Y is with secondary winding 5 tied together). 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei lediglicher Aufwärtsregelung der Sekundärwicklungsanschluß direkt mit dem auf Eingangspotential liegendem Eingangsanschluß (23) verbunden ist, wobei der Schaltungsnullpunkt für Eingangs- und Ausgangsseite gemeinsam ist (4) (Fig. 4).6. Apparatus according to claim 1, characterized in that when single Upward regulation of the secondary winding connection is directly connected to the input connection (23) which is at input potential, where the circuit zero point for input and output side is common (4) (Fig. 4). 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Primärwicklung (6) des Wandlers (20) verbundener Schalttransxstor (26) vorgesehen ist sowie ein Umschaltrelais (13) mit einem Umschaltkontakt, der alternativ je nach der Richtung der Regelung (Abwärtsregelung, Aufwärtsregelung) den Sekundärwicklungsanschluß über einen Umschaltkontakt (14) entweder mit dem Schaltungsnullpunkt oder direkt mit einer Eingangsverbindungsleitung (25') verbindet (Fig. 5).7. Apparatus according to claim 1, characterized in that one with the primary winding (6) of the converter (20) connected switching transformer (26) is provided as well as a changeover relay (13) with a changeover contact, which alternatively, depending on the direction of regulation (downward regulation, Upward regulation) the secondary winding connection via a changeover contact (14) either with the circuit zero point or directly with an input connection line (25 ') connects (Fig. 5). 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination aus einer Freilaufdiode (4') und einem Thyristor (30) vorgesehen ist, wobei zur Abwärtsregelung der Thyristor (30) b·! wirksamer Freilaufdiode (4') gesperrt und zur Aufwärtsregelung der gezündete Tran-8. Apparatus according to claim 1, characterized in that a combination is provided from a freewheeling diode (4 ') and a thyristor (30), the thyristor (30) b ·! effective freewheeling diode (4 ') blocked and for upward regulation the ignited tran- V 1 I t_ ν»/V 1 I t_ ν »/ 1517/ot/zz1517 / ot / zz 18. Aug. 1980 - 4 -Aug 18, 1980 - 4 - sistor (30) das E in gangs potential der Sekundärwicklung (5) des Sperrwandlers zuführt bei dadurch gleichzeitig gesperrter Freilaufdiode (Fig. 6).Sistor (30) supplies the input potential of the secondary winding (5) of the flyback converter with the freewheeling diode blocked at the same time (Fig. 6). 9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der Schalttransistoren mit einer in ihrem Tastgrad veränderbaren Ansteuerimpulsfolge eine Logikschaltung vorgesehen ist, die einen Frequenzgenerator (27) umfaßt und einen Sollwert der konstanten Aus gangs spannung sowie die Ausgangs-Ist-Spannung (u ) zugeführt erhält.9. Device according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that for controlling the switching transistors with a drive pulse train whose duty cycle is variable, a logic circuit is provided which has a frequency generator (27) and a setpoint value of the constant output voltage and the output actual voltage (u) is supplied. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung einen Regler (28) aufweist, dem der aus der variablen Eingangsspannung an einem einen konstanten Spannungswert liefernden Schaltelement gewonnene Aus gangs-Sollwert sowie die Ausgangs-Ist-Spannung zugeführt ist, daß dem Regler (28) ein Modulator (31) nachgeschaltet ist, der die ihm vom Generator (27) zugeführte Steuerimpulsfolge in ihrem Tastgrad entsprechend der Ausgangs spannung des Reglers (28) beeinflußt und daß der Modulator (31) über eine Triggerschaltung (32) mit dem jeweiligen Schaltelement verbunden ist.10. Apparatus according to claim 9, characterized in that the logic circuit a regulator (28), which supplies a constant voltage value from the variable input voltage to a regulator Switching element obtained from output setpoint and the output actual voltage is supplied that the controller (28) is followed by a modulator (31) which controls the sequence of control pulses supplied to it by the generator (27) influenced in their duty cycle according to the output voltage of the controller (28) and that the modulator (31) via a trigger circuit (32) is connected to the respective switching element. ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
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