DE3213869A1

DE3213869A1 - Schaltungsanordnung zur regelung eines sekundaerschaltreglers

Info

Publication number: DE3213869A1
Application number: DE19823213869
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing. FH 8000 München Schierjott
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-04-15
Filing date: 1982-04-15
Publication date: 1983-10-27
Also published as: DE3213869C2; US4514679A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 02 P 12 9 6 DE"

Schaltungsanordnung zur Regelung eines Sekundärschaltreglers

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Sekundärschaltregler werden u.a. zur Erzeugung einer geregelten Gleichspannung aus einer ungeregelten Gleichspannung verwendet. Eine spezielle Anwendung ist die Erzeugung einer Gleichspannung, die höher ist als die Eingangsspannung. Hierbei liegen zwischen dem Eingang und dem Bezugspotential des Sekundärschaltreglers eine Induktivität und in Serie dazu ein Schalttransistor, der abwechselnd voll durchgesteuert und gesperrt wird. Zwischen dem Schalttransistor und der Induktivität wird über eine Diode die Ausgangsspannung abgegriffen, die mit einem Kondensator geglättet wird. Zur Regelung ist eine Steuereinheit vorgesehen, die eine Ansteuerspannung auf die Basis des Schalttransistors gibt.

Es ist bekannt (Tietze und Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 5. Auflage), den Schalttransistor mit einer Ansteuerspannung konstanter Frequenz zu betreiben. Die Steuereinheit regelt das Tastverhältnis der Ansteuerspannung, d.h. das Verhältnis der Einschaltzeit zur Frequenz, so, daß die Ausgangsspannung den gleichen Wert annimmt, wie eine Referenzspannung. Diese Schaltungsanordnung hat die Nachteile, daß eine Referenzspannung und eine aufwendige Steuereinheit mit einer festen Frequenz verwendet werden muß, wodurch größere Schaltverluste auftreten können.

Kro 1 Fra / 13.4.1982

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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung für einen Sekundärschaltregler anzugeben, bei der wenige einfache Bauteile zur Steuerung verwendet werden, und wobei nur kleine Schaltverluste auftreten. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist, daß bei kleinen Leistungen billige UKW-Drosseln verwendet werden können.

Weiter ist es vorteilhaft, daß die Ausgangsspannungsregelung praktisch verzögerungsfrei arbeitet, und dadurch schnelle Lastwechsel und'starke Eingangsspannungsschwankungen praktisch verzögerungsfrei ausgeglichen werden können.

Es ist auch vorteilhaft, daß keine zusätzlichen Hilfsspannungen benötigt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 ein Schaltbild eines inneren Regelkreises, Fig. 3 ein Schaltbild eines äußeren Regelkreises, Fig. 4 eine Anordnung zur Strombegrenzung und Fig. 5 ein detailliertes Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Anhand von Fig. 1 wird im folgenden der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Sekundärschaltregler, bestehend aus einer Induktivität L, einem Halbleiterschaltelement T1,

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einer Diode D1 und einem Kondensator C3, wie er in der Einleitung beschrieben wurde. Ein ¥iderstand R1 dient zum Öffnen des Halbleiterschaltelements T1 beim Anlegen einer Spannung an einen Eingang E. Zur Steuerung, d.h.

zur Einhaltung einer gewünschten Spannung am Ausgang A, sind ein innerer Regelkreis IR und ein äußerer Regelkreis AR vorgesehen. Zur Begrenzung des Stromes durch das Halbleiterschaltelement T1 ist eine Anordnung zur Strombegrenzung SB vorgesehen. Die Wirkungsweise dieser Regelkreise wird später anhand von Fig. 5 beschrieben.

In Fig. 2 ist der innere Regelkreis IR dargestellt, der aus einem kapazitiven Spannungsteiler C1, C2, einem Widerstand R3 und einem Halbleitersteuerelement T3 besteht.

Der kapazitive Spannungsteiler besteht aus zwei hintereinandergeschalteten Kapazitäten, beispielsweise zwei Kondensatoren. Wenn bei einem Spannungsteilerpunkt SP, der sich zwischen den beiden Kapazitäten des Spannungsteilers C1, C2 befindet, die Spannung unter einen bestimmten Grenzwert sinkt, wird dadurch über den Widerstand R3 durch den Steuereingang des Halbleitersteuerelements dieses leitend geschaltet. Dieser Grenzwert ist durch den Widerstand R3 und durch die Sperrspannung des Steuereinganges bestimmt.

In Fig. 3.ist der äußere Regelkreis AR dargestellt,-der aus einem Widerstand R4, einer Zenerdiode Z und einem Halbleitersteuerelement T4 besteht. Wenn die Spannung am Ausgang A einen bestimmten Grenzwert übersteigt, wird über den Widerstand R4 und die in Sperrichtung gepolte Zenerdiode Z durch den Steuereingang des Halbleitersteuerelements T4 dieses gesperrt. Dieser Grenzwert ist durch den Widerstand R4, die Durchbruchsspannung der Zenerdiode Z und den Eingangs-widerstand des Steuereingangs bestimmt.

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In Fig. 4 ist die Anordnung zur Strombegrenzung SB dargestellt, die mindestens aus einem Widerstand R2 und einem Halbleitersteuerelement T5 besteht. Wenn der Strom durch den Widerstand R2, d.h. der Spannungsabfall am Widerstand R2, einen bestimmten Grenzwert übersteigt, wird über eine bedarfsweise zwischengeschaltete, in Flußrichtung gepolte Diode D2 durch den Steuereingang des Halbleitersteuerelements T5 dieses leitend geschaltet. Dieser Grenzwert ist durch den Widerstand R2, den Spannungsabfall an der Diode D2, und dem Eingangswiderstand des Steuereingangs bestimmt. Wann die Diode D2 notwendig ist, wird später anhand von Fig. 5 erläutert.

Die Halbleiterschalt- und -Steuerelemente sind beispielsweise Schalt- und Steuertransistoren, und dessen Steuereingänge sind die Basen der Transistoren.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Schaltbild sind die in Fig. 1 dargestellten Regelkreise, der innere Regelkreis IR, der äußere Regelkreis AR, und die Anordnung zur Strombegrenzung SB durch die jeweils in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Schaltungen ersetzt. Zur Reduzierung des Schaltungsaufwandes sind die drei in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Steuertransistoren T3 bis T5 durch einen Steuertransistor T2 ersetzt. In diesem Fall ist die Diode D2 in der Schaltungsanordnung notwendig.

Beim Anlegen einer Spannung an den Eingang E gelangt eine steigende Spannung über den Widerstand R1 an die Basis des Schalttransistors T1, wodurch dieser leitend geschaltet wird. Der Steuertransistor T2 ist in diesem Moment gesperrt, da weder der innere Regelkreis IR noch der äußere Regelkreis AR, noch die Strombegrenzung SB eine Spannung an die Basis des Steuertransistors T2 geben. Der leitende Schalttransistor T1 bewirkt ein lineares Ansteigen des Stromes in der Induktivität L und dem Widerstand R2. Ab

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einem bestimmten Grenzwert des Stromes durch den Widerstand R2 ist der dadurch entstehende Spannungsabfall so groß, daß die Anordnung zur Strombegrenzung SB eine Spannung auf die Basis des Steuertransistors T2 gibt. Dadurch wird dieser leitend geschaltet, und die Spannung an der Basis des Schalttransistors T2 sinkt so weit ab, daß dieser gesperrt wird. Dies bewirkt, daß die Spannung am Kollektor des Schalttransistors T1 bzw. am ausgangsseitigen Ende der Induktivität L auf einen Wert ansteigt, der über dem Wert der Eingangsspannung liegt. Die in der Induktivität L gespeicherte Energie wird nun in Form von elektrischem Strom abgegeben, wodurch über die Diode D1 der Kondensator C3 aufgeladen wird. Sobald die Energie in der Induktivität L abgebaut ist, sinkt die Spannung am Kollektor des Schalttransistors T1, und dadurch auch am Spannungsteilerpunkt SP des kapazitiven Spannungsteilers C1, C2 ab. Hierdurch sinkt über den Widerstand R3 auch die Spannung an der Basis des Steuertransistors T2 ab, wodurch dieser gesperrt wird. Dies bewirkt, daß die Spannung an der Basis des Schalttransistors T1 wieder steigt, und dieser leitend geschaltet wird, wodurch die Induktivität L wieder erneut mit Energie aufgeladen wird.

Nach einigen Schaltzyklen erreicht so die Ausgangsspannung am Ausgang A einen bestimmten Wert. Dieser Wert ist so groß,-daß die Zenerdiode Z durchschaltet, und somit der äußere Regelkreis AR eine Spannung auf die Basis des · Steuertransistors T2 gibt. Dieser wird dadurch leitend geschaltet, wodurch wiederum der Schalttransistor T1 gesperrt wird. Hierdurch fließt bei jedem Schaltzyklus nur soviel Energie durch die Induktivität L, wie zur Aufrechterhaltung der Spannung am Ausgang A nötig ist.

Die Schaltfrequenz wird bei dieser Schaltungsanordnung durch die Induktivität L und durch die Kapazitäten C1 und C2 bestimmt. Sie liegt üblicherweise zwischen 20

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und 100 kHz. Beispielsweise hat die Induktivität L den Wert 2 mH und die Kapazitäten C1 und C2 haben den Wert 4,7 nF. Im Leerlauf, d.h. ohne Last am Ausgang A, ergibt sich hieraus eine Schaltfrequenz von 80 kHz.

Im eingeschwungenen Zustand bewirkt der kapazitive Spannungsteiler C1, C2 ein Einschalten des Schalttransistoi-s T1 bei geringer Spannung und niedrigem Strom, wodurch Verluste weitgehend vermieden werden. Das Sperren des Schalttransistors T1 erfolgt aus dem nicht gesättigten Zustand, d.h. bei einem Basisstrom, der geringer ist als der zur Sättigung erforderliche Strom, durch aktives Ausräumen der Basisladungsträger durch den Steuertransistor T2, und somit unter idealen Bedingungen für kleine Schalt-Verluste. Bei Überlastung des Ausgangs A schützt sich die Schaltung selbständig durch die Strombegrenzung SB.

6 Patentansprüche
5 Figuren

Claims

Patentansprüche

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Sekundärschaltregler mit einem, eine Induktivität (L) und ein Halbleiterschaltelement (T1) enthaltenden Eingangskreis, und einem Ausgangskreis mit einem Gleichrichter (D1) mit zugehörigem Glättungselement (C3), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Induktivität (L) und dem Steuereingang des Halbleiterschaltelements (T1) ein innerer Regelkreis (IR) geschaltet ist, daß zwischen einem Ausgang (A) des Sekundärschaltreglers und dem Steuereingang des Halbleiterschaltelementes (T1) ein äußerer Regelkreis (AR) geschaltet ist, daß im Eingangskreis eine Anordnung zur Strombegrenzung (SB) liegt, und daß die Regelkreise (IR, AR) und die Anord-' nung zur Strombegrenzung (SB) derart ausgebildet sind, daß der innere Regelkreis (IR) in Abhängigkeit von der Spannung an der Induktivität (L), der äußere Regelkreis (AR) in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und die Anordnung zur Strombegrenzung (SB) in Abhängigkeit von dem Strom durch den Eingangskreis das Halbleiterschaltelement (T1) ansteuern.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der innere Regelkreis (IR) einen kapazitiven Spannungsteiler (C1, C2), einen Widerstand (R3) und ein Halbleitersteuerelement (T3) aufweist, wobei von einem Spannungsteilerpunkt (SP) zwischen den Kapazitäten des kapazitiven Spannungsteilers (C1, C2) über den Widerstand (R3) das Halbleitersteuerelement (T3) angesteuert wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a durch gekennzeichnet, daß der äußere Regelkreis (AR) eine Serienschaltung aus einem Widerstand (R4) und einer in Sperrichtung gepolten Zenerdiode (Z), und ein Halbleitersteuerelement (T4) aufweist,

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wobei von der Ausgangsspannung über.die Serienschaltung das Halbleitersteuerelement (T4) angesteuert wird.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die

Anordnung zur Strombegrenzung (SB) einen Widerstand (R2) und ein Halbleitersteuerelement (T5) aufweist, wobei
durch den Spannungsabfall am Widerstand (R2) das Halbleitersteuerelement (T5) angesteuert wird.
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5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den inneren Regelkreis (IR), den äußeren Regelkreis (AR) und die Anordnung zur Strombegrenzung (SB) ein gemeinsames Halbleitersteuerelement (T2) vorgesehen ist, wobei
in dem zur Strombegrenzung (SB) gehörenden Schaltungsteil dem Steuereingang des Halbleiterschaltelements (T2.) eine Diode (D2) vorgeschaltet ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L) eine UKW-Drossel ist.