DE3246288A1 - Schaltspannungs-regler - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dr. rer. net. Thomas Berendt

Dr.-Ing. Hans Leyh Innere WtosrStr. 20 - D 8Q0O München 80

Unser Zeichen: A 14 Lh/fi

Ferranti plc

Bridge House, Park Road, Gatley, Cheadle, Cheshire, England

Schaltspannungs-Regler

Ferranti pic - A 14 607 -

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Schaltspannungs-Regler, insbesondere einen Regler für Gleichstrom bzw. Gleichspannung, bei dem die Ausgangsspannung bestimmt ist durch das Ein-Aus-Verhältnis eines in Reihe geschalteten Schalters. Bekannte Regler dieser Art verwenden normalerweise einen Halbleiterschalter.Diese Schaltungen sind relativ komplex, abhängig von den verwendeten Einrichtungen zur Steuerung des Schalters und zur Aufrechterhaltung der Ausgangsspannung auf einem gewünschten Wert, trotz Veränderungen des Stromes, der einer Belastung zugeführt wird. Schaltspannungs-Regler brauchen irgendeine Glättung zur Reduzierung der Wenigkeit auf ein akzeptables Niveau, wozu gewöhnlich ein reihengeschalteter Induktor benutzt wird, der eine Diode hat, die zwischen der Schalterseite des Induktors und einem Anschluß liegt, ferner mit einem Kondensator, der zwischen der Lastseite des Induktors und einem Anschluß liegt. Diese Schaltung erlaubt es im Betrieb, Energie im Induktor zu speichern, während der Reihenschalter geschlossen ist, wobei während dieser Zeit die Diode nicht-leitend ist. Wenn der Schalter öffnet, wird der Laststrom durch die Diode aufrechterhalten, die leitend wird, und es ermöglicht, daß die im Induktor gespeicherte Energie an die Last gelegt wird.

Der Schalter muß sehr schnell arbeiten, um die Schaltverluste zu reduzieren. Häufig ist jedoch festzustellen, daß die Diode noch leitet, wenn der Schalter schließt, infolge der Diffusionskapazität der Diode. Dies hat zur Folge, daß ein Stromimpuls kurzer Dauer und großer Amplitude durch die Diode fließt, bis die Diode nicht mehr leitet. Ein solcher Stromimpuls ist einerseits unwirtschaftlich und er kann außerdem beträchtliche Funkfrequenzstörungen und Überlagerungen erzeugen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schaltspannungs-Regler mit einem reihengeschalteten Schalter zu schaffen, bei dem die vorgenannten

Nachteile im wesentlichen beseitigt sind.

Nach der Erfindung ist. hierzu ein Schaltspannungsregler mit einem reihengeschalteten Schalter vorgesehen, ferner mit einem Glattungskreis für die Ausgangsspanraysfäjg, der zwischen dem Schalter und einem Paar Ausgangsklemmen liegt, wobei die Glättungsschaltung einen ersten und einen zweiten Induktor aufweist, die in Reihe zueinander zwischen dem Schalter und einer dieser Ausgangsklemmen liegen, einer ersten Diode, die zwischen der Verbindungsstelle der beiden Induktoren und der anderen Ausgangsklemme geschaltet ist, einen Kondensator, der zwischen diesen beiden Ausgangsklemmen liegt, sowie einer zweiten Diode, die so geschaltet ist, daß Energie, die in dem Induktor nächst zu dem Schalter gespeichert ist, verbraucht bzw. abgegeben wird, wenn dieser Schalter offen ist.

Eine beispielsweise Ausführungsform wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, in der

Fig. 1 eine Schaltung eines bekannten Schaltspannungs-Reglers zeigt.

Fig. 2 zeigt die Schaltung einer ersten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 3 zeigt die Schaltung einer weiteren Ausführungsform.

In allen Zeichnungen ist die Steuerschaltung für die Schalteinrichtung aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen worden. Für diese Art von Spannungsreglern sind zahlreiche Steuerungen für reihengeschaltete Schalter bekannt.

Bei dem bekannten Regler nach Fig. 1 wird eine Eingangs-Gleichspannung an ein Paar Eingangsklemmen 10 gelegt. Der Null-Leiter des Einganges ist an eine eines Paares von Ausgangsklemmen 11 gelegt. Die andere Eingangsklemme ist an den Kollektor eines Schalttransistors TR geschaltet,

dessen Emitter über eine Induktivität L1 mit der anderen Ausgangsklemme verbunden ist. Eine Diode D1 liegt zwischen der Null-Leitung und der Verbindung der Induktivität U und des Transistors TR und ein Kondensator C ist zwischen der Null-Leitung und dem anderen Ende der Induktivität geschaltet. Eine Last LD ist an die Ausgangsklemmen gelegt.

Im Betrieb schaltet der Transistor TR ein und aus mit einer Rate, die durch die Steuerungs-Schaltung bestimmt ist. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, fließt Strom zur Last, wobei der Kondensator C aufgeladen und im Induktor bzw. in der Induktivität L1 zur gleichen Zeit Energie gespeichert wird. Die Diode D1 ist rückwärts vorgespannt und daher nicht-leitend. Wenn der Transistor abschaltet, gibt die Induktivität L1 ihre Energie über die Diode an die Last ab und der Laststrom wird aufrechterhalten. Wenn der Transistor erneut leitend wird, sollte theoretisch die Diode D1 sofort nicht-leitend werden, um die Entstehung eines Stromimpulses kurzer Dauer und großer Amplitude zu vermeiden, der zu den obengenannten Schwierigkeiten führt. Die Diode muß ferner den vollen Laststrom durchlassen, wenn der Transistor abgeschaltet ist. Es ist diese Kombination hoher Stromkapazität und hoher Schaltgeschwindigkeit, die schwierig zu erreichen ist, wegen der Effekte der Dissusionskapazität, insbesondere bei Lastströmen über etwa 5A. Eine hohe Schaltgeschwindigkeit bei niedrigen Strömen ist leicht erreichbar, ebenso wie eine hohe Stromkapazität bei niedriger Schaltgeschwindigkeit.

Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit zur Überwindung dieses Problems. Die Schaltung hat alle Merkmale der Fig. 1, es ist jedoch eine zweite Induktivität L2 in Reihe mit der ersten Induktivität und zwischen dieser und dem Transistor TR geschaltet. An dieser Induktivität L2 liegt ferner eine Diode D2, in der Weise, daß sie Energie, die in der Induktivität gespeichert ist, abgeben kann, wenn der Transistor TR abgeschaltet ist. Die Spule oder Induktivität L2 hat zweckmäßigerweise einen niedrigeren Induktivitätswert als die Spule L1.

Wenn der Transistor TR leitet, fließt Strom in den Induktor L2 und baut sich auf, bis auf den erforderlichen Belastungswert, während die zuvor

leitende Diode D1 aufhört zu leiten. Dann fließt Strom durch den Induktor L1 zur Last, wie zuvor. Wenn der Transistor abschaltet, kann der Laststrom, der zuvor durch den Induktor L2 geflossen ist, in gesteuerter Weise über die Diode D2 abklingen. Zur selben Zeit beginnt. dieDiode D1 zu leiten, wie oben beschrieben, um den Laststrom aufrechtzuerhalten. Die Diode D1 braucht zwischen ihrem leitenden und ihrem nichtleitenden Zustand nicht besonders schnell umzuschalten, aber sie muß den Laststrom führen. Die Diode D2 andererseits muß schnell umschalten, sie führt jedoch nur einen relativ niedrigen Strom. Die Diode D2 wird auch Hochgeschwindigkeits-Diode· genannt. Dies bedeutet, daß nicht mehr als 10% der Zeit, die sie in einem Schaltzustand verbringt, z.B. leitend oder nichtleitend, für die Umschaltung von einen in den anderen Zustand verwendet wird. Vorzugsweise sollte diese Zeit etwa 2-3% betragen. Dioden der beiden obengenannten Arten sind handelsüblich verfügbar.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform, wobei die Diode D2 zwischen der Schalterseite des Induktors L2 und der gemeinsamen Leitung bzw. der Null-Leitung liegt. Die Wirkung dieser Schaltung ist dieselbe wie die anhand von Fig. 2 beschriebene.

Claims (1)

1. Ferranti pic A 14 607

   Patentansprüche

   Schaltspannungs-Regler mit einem reihengeschalteten Schalter und einem Glättungskreis für die Ausgangsspannung, der zwischen dem Schalter und einem Paar Ausgangsklemmen liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Glättungskreis einen ersten und einen zweiten Induktor (L1, L2) aufweist, die in Reihe zueinander zwischen dem Schalter (TR) und einer der Ausgangsklemmen (11) liegen, einer ersten Diode (D1), die zwischen der Verbindungsstelle der beiden Induktoren und der anderen Ausgangsklemme (11) liegt, einem Kondensator (C), der zwischen den beiden Ausgangsklemmen geschaltet ist und einer zweiten Diode (D2), die so geschaltet ist, daß sie Energie, die in dem Induktor gespeichert ist, der am nächsten zu dem Schalter (TR) liegt, abgibt, wenn dieser Schalter geöffnet ist.

   Schaltspannungs-Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Diode (D2) parallel zu dem zweiten Induktor (L2) liegt.

   Schaltspannungs-Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Diode (D2) zwischen der Verbindungsstelle des Schalters (TR) und dem zweiten Induktor (L2) einerseits und der anderen Ausgangsklemme (11) geschaltet ist.

   Schaltspannungs-Regler nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Diode (DZ) eine Hochgeschwindigkeitsdiode ist.