DE3301068A1

DE3301068A1 - Schaltregler mit einrichtung zum erfassen des mittelwertes der ausgangsspannung

Info

Publication number: DE3301068A1
Application number: DE19833301068
Authority: DE
Inventors: Eckhardt 7151 Allmersbach Grünsch; Jürgen Dipl.-Ing. 7150 Backnang Saxarra
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1983-01-14
Filing date: 1983-01-14
Publication date: 1984-07-19
Also published as: DE3301068C2; GB8400763D0; CA1214209A; GB2134291B; GB2134291A; US4580089A

Description

AEG-TELEFUNKEN Kl E7/Spe/kön

Nachrichtentechnik GmbH BK 80/26 +

Gerberstr. 33 BK 82/157

D-7150 Backnang

Schaltregler mit Einrichtung zum Erfassen des Mittelwertes

der Ausgangsspannung

Die Erfindung betrifft einen Schaltregler gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1. Ein derartiger Schaltregler ist bekannt aus Electronic Design, November 22, 1978, Seite 134.

Dieser Schaltregler besitzt im Ausgangskreis einen Meßfühler, der die Ausgangsspannung erfaßt und den über ein RC-Glied integrierten Mittelwert an einen Komparator weiterleitet. Je nach Höhe dieses integrierten Mittelwertes wird die Pulsweite für den Schalttransistor gesteuert. Die Integration über das RC-Glied ist nötig, um den Regelkreis stabil zu halten und den Schaltregler vor Störungen - überschwingen bei Laständerungen - zu schützen. Die Grenzfrequenz des RC-Gliedes bestimmt die Regelgeschwindigkeit des Schaltreglers.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Schaltregler gemäß' dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß eine schnelle Reaktion des Regelkreises auf Ausgangsspannungsän-

*- 5'- "* '"""BK 80/26 + BK 82/157

derungen erfolgen kann; d.h. die phasendrehenden Eigenschaften, der RC-Glieder im Regelkreis keinen nachteiligen Einfluß auf die Regelgeschwindigkeit mehr haben und damit die Phasenreserve vergrößert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung geht davon aus, daß die Stromwelligkeit in der Glättungsdrossel des Schaltreglers, die als Wechselstrom über den Glättungskondensator fließt, am Meßwiderstand des Komparators eine dem Wechselstrom proportionale Spannung erzeugt. Außerdem erzeugt der Wechselstrom am Ersatzwiderstand des Glättungskondensators - unter der Vorraussetzung, daß der Blindwiderstand des Glättungskondensators sehr viel kleiner ist als sein Wirkwiderstand - ebenfalls eine dem Wechselstrom proportionale Spannung, die der Ausgangsspannung des Schaltreglers überlagert ist. Der Komparator ist so an den Meßwiderstand angeschlossen, daß er im Strom- bzw. Spannungsnulldurchgang den elektronischen Schalter öffnet und diesen Schalter so lange geöffnet hält, wie Strom in den Glättungskondensator hineinfließt, bzw. der Momentanwert der Ausgangspannung grosser ist als der Mittelwert der Ausgangsspannung. Während der Zeit in der Strom aus dem Glättungskondensator herausfließt und der Momentanwert der Ausgangsspannung kleiner als der Mittelwert der Ausgangsspannung ist, bleibt der elektronische Schalter geschlossen.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Schaltreglers ,

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Fig. 2 einen Schaltregler, dessen Meßfühler als Meßübertrager ausgebildet ist,

Fig. 3 Strom- und Spannungsverlaufe zum Schaltregler nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Schaltregler, dessen Meßfühler aus Trennkondensator und. Meßwiderstand besteht,

Fig. 5 einen Schaltregler mit zweitem Komparator und Fig. 6 einen Schaltregler mit Zwangseinschaltung.

In Fig. 1 ist die Eingansspannungsquelle mit Ue bezeichnet. Der Schalttransistor Ts wird von einem Pulsbreitenmodulator PBM gesteuert. Der mit dem Pulsbreitenmodulator PBM verbundene Taktoszillator TG bestimmt die Schaltfrequenz des Schalttransistors Ts. Die Einschaltdauer des Schalttransistors Ts wird von einem Signal am Eingang E des Pulsbreitenmodulators PBM bestimmt. In Serie zum Schalttransistor Ts liegt die Glättungsdrossel Dr. An die Verbindungsleitung zwischen Schalttransistor Ts und Drossel Dr ist die Katode einer Freilaufdiode DF angeschlossen. Oie Anode der Freilaufdiode ist mit der gemeinsamen Masseleitung des Schaltreglers verbunden. Zwischen der potentialführenden Ausgangsklemme A und der gemeinsamen Masseleitung liegt der Lastwiderstand RL. An ihm fällt die Ausgangsspannung U. des Schaltreglers ab. Parallel zum Lastwiderstand RL liegt der Glättungskondensator C1 sowie ein Meßfühler MF, der den Wechselanteil der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstrbmes des Schaltreglers erfaßt. Der Ausgang AM des Meßfühlers MF ist mit einem ersten Eingang eines Komparators K1 verbunden. Der zweite Eingang dieses Komparators K1 ist mit einer Referenzspannung Ur 1 beaufschlagt. Der Ausgang des Kompar.'ators K1 ist an den Steuereingang eines elektronischen Schalters SI geführt. Der elektronische Schalter verbindet im geschlossenen Zustand die potentialführende Ausgangsklemme A des Schaltreglers mit dem Eingang E des Pulsbreitenmodulators PBM. Zwischen Eingang E des Pulsbreitenmodulators und der Masseleitung ist ein Speicherkondensator C2 für den -Momentanwert der Ausgangsspannung U. geschaltet.

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In Fig. \ ist ein Schaltregler dargestellt, der prinzipiell wie der Schaltregler gemäß Fig. 1 aufgebaut ist. Der Meßfühler MF besteht hier aus einem Meßübertrager Tr1. Die Primärwieklung|w1 dieses Meßübertragers Tr1 liegt zwischen der potentialffhrenden Ausgangsklemme A und dem Glättungskondensator Cl. Zur nachfolgenden Erklärung der Funktionsweise des Schaltre^lers ist in Fig. 2 der ohmscfre Ersatzwiderstand Rp_SR des?Glättungskondensators C1 getrennt dargestellt. Die Sekundärwicklung w2 des Meßübertragerst Tr 1 liegt parallel zu den Eingängen des Komparators K1 sowie parallel zu einem Meßwiderstajid R1. Zwischen dem Ausgang des elektronischen Schal-

t
ters S1 und dem Eingang E des Pulsbreitenmodulators PBM ist abweichend zu Fig. 1 ein Regelverstärker RV eingeschaltet.

Für die !folgenden Betrachtungen sei vorausgesetzt, daß der Blindwiderstand des Glättungskondensators C1 sehr viel kleiner ist als fder Wirkwiderstand, also:

ti

I ■

Diese Bedingung ist für Schaltregler mit relativ hohen Schaltfrequen^en (2OkHz) und üblichen Glättungskondensatoren fast immer erfüllt. Unter dieser Vorraussetzung ist der Spannungsabfall an R_170n proportional zum Wechselstrom i.

'' tion

.25 · ι

In Fig.|3 sind die zeitlichen Strom- und Spannungsverläufe des Schaltreglers nach Fig. 2 dargestellt.

Fig. 3a·zeigt den Strom i1 durch den Schalttransistor Ts. Er fließt zwischen den Zeitpunkten t_Q und tp· Zum Zeitpunkt tg wird dieser Strom durch den Strom I₁^_n. durch die Freilaufdiode

i Dr

DF abgej-öst. Der Strom i_np fließt bis zum Ende einer Schaltperiode'_fT. Der Verlauf des Stromes i_o durch die Drossel Dr ist in fig. 3a ebenfalls eingetragen.· Mit Jq ist der Gleichstrommiptelwert für den Lastwiderstand RL bezeichnet.

I
Die StrfDmwelligkeit der Glättungsdrossel Dr, die als Wechsel-

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strom i^über den Glättungskondensator CI fließt, wird mit Hilfe des Meßübertragers Tr1 transformiert und erzeugt an dem Meßwiderstand R1 eine dem Wechselstrom proportionale Spannung U_Di· Der zeitliehe Verlauf dieser Spannung U_n _Λ is^fc

Kl Hl

in Fig. 3b dargestellt. Außerdem erzeugt der Wechselstrom am Ersatzwiderstand R_ESR des Glättungskondensators C1 ebenfalls eine dem Wechselstrom i_. proportionale Spannnung υ_ητ-,,,_η, die der Ausgangsspannung U- überlagert ist. Ihr zeitlicher Verlauf ist entsprechend zum Verlauf in Fig. 3b.

Der Komparator K1 ist so an den Meßwiderstand R1 angeschlossen, daß er im Strom- bzw. Spannungsnulldurchgang den elektronischen Schalter SI öffnet und diesen Schalter so lange geöffnet hält, wie Strom in den Glättungskondensator hineinfließt, bzw. der Wechselanteil der Ausgangsspannung u. grosser ist als der Mittelwert der Ausgangsspannung, vgl. Fig. 3c und 3d.

Während der Zeit, wo Strom aus dem Glättungskondensator C1 herausfließt und die Ausgangsspannung U« kleiner als der Mittelwert der Ausgangsspannung ist, bleibt der elektronische Schalter S1 geschlossen.

Dieser Vorgang soll nun näher erläutert werden. Zu dem Zeitpunkt, wo der Schalttransistor Ts leitend wird, fließt noch Strom aus dem Glättungskondensator C1 heraus.

Dies bedeutet, daß der elektronische Schalter S1 geschlossen ist und der Speicherkondensator C2 niederohmig mit der Ausgangsspannung U» verbunden ist und sich dadurch an die Ausgangsspannung anpassen kann.

Die Grenzfrequenz, die sich aus dem niederohmigen Innenwiderstand des elektronischen Schalters S1 und der kleinen Kapazität des Speicherkondensators C2 ergibt ist so hoch, daß die Spannung U_c2 der Welligkeit der Ausgangsspannung folgen kann. Dies bedeutet auch, daß dieses R-C-Glied kaum einen Einfluß auf den Regelkreis hat. Mit dem Ansteigen des Stromes i1 steigt die Ausgangsspannung U„ und somit die Spannung U_C2

9 "λ." .:. *.."8Κ 80/26 + BK 82/157

an. Gleichzeitig nimmt der Strom, der aus dem Kondensator C1 herausfließt ständig ab. Im Zeitpunkt ti ist der Strom ί^=0. Das heißt, daß der Spannungsabfall am Ersatzserienwiderstand R_ESR des Glättungskondensators C1 auch null ist. Dies bedeu-. tet, daß zu diesem Zeitpunkt die Ausgangsspannung und damit auch die Spannung U„₂ genau so groß wie der Mittelwert der Ausgangsspannung ist.

Da der Strom i1 weiter ansteigt, beginnt nun Strom in den Kondensator C1 hineinzufließen. Sobald jedoch Strom in den Kondensator C1 hineinfließt, polt sich die Spannung U_R1 um, was zur Folge hat, daß der Komparator K1 schaltet und der elektronische Schalter S1 geöffnet wird (Fig. 3b und 3c).

Der elektronische Schalter S1 bleibt nun so lange'geöffnet, bis sich die Spannung U_R1 wieder umpolt (Zeitpunkt t3), d.h. bis wieder Strom aus dem Kondensator herauszufließen beginnt. Dann wird der elektronische Schalter S1 wieder geschlossen und der Speicherkondensator C2 niederohmig mit der Ausgangsspannung U. verbunden.

Während der Zeit, wo der Schalter S1 geöffnet ist, behält der Glättungskondensator C1 die Spannung, die gleich dem Mittelwert der Ausgangsspannung ist und steht als Schaltkriterium zum Abschaltzeitpunkt t2 des Schalttransistors Ts1 zur Verfügung.

Da diese Spannung eine Gleichspannung ist, kann sie ohne integriert zu werden direkt dem Regelverstärker RV zugeführt werden. Dies hat nun den Vorteil, daß ein Integrationsglied und die damit verbundene Phasendrehung entfällt, was bedeutet, daß der Schaltregler wesentlich stabiler wird.

In Fig. 4 ist ein Schaltregler dargestellt, dessen Meßfühler MF anders als im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ausgebildet ist. Der Meßfühler MF besteht hier aus einem Gleichspannungsabtrennkondensator C3 mit nachgeschaltetem Meßwiderstand R1. Der meßwiderstandsferne Anschluß des Gleichspannungsabtrennkondensators C3 ist an die Verbindungsleitung zwischen poten-

tialführender Ausgangskleinme A und dem Glättungskondensator C1 angeschlossen. Der dem Gleichspannungsabtrennkondensator C3 nachgeschaltete Meßwiderstand R1 überbrückt die Eingangsklemmen des !Comparators K1. Für den zeitlichen Verlauf der Ströme und Spannungen gelten die entsprechenden Darstellungen gemäß Fig. 3. Die Ausbildung des Meßfühlers nach Fig. U hat den Vorteil, daß die einschränkende Bedingung ^resR^>:> "~CT ^nicht mehr eingehalten werden braucht. Am Meßwiderstand R1 entsteht eine Spannung, die proportional zum Wechselanteil der Ausgangsspannung U. ist.

Fig. 5 zeigt eine vorteilhafte Ausführung eines Schaltreglers die insbesondere günstig bezüglich schnellen Entlastungen ist. Beim Schaltregler nach Fig. 2 wird ein Mittelwert der Ausgangsspannung während einer Taktperiode T nur zwischen den Zeitpunkten t_Q bis t* und t-, bis t,-, usw. festgestellt; d.h. bei geschlossenem Schalter S1. Tritt nun eine plötzliche ausgangsseitige Entlastung zwischen den Zeitpunkten Z^ und t~ ein, so kann der Spannungsanstieg von U» durch den Speicherkondensator C2 nicht miterfaßt werden. Es kann daher zur Regelung auf einen falschen Mittelwert kommen. Durch Verwendung eines zweiten {Comparators K2 kann eine solche Änderung der Ausgangsspannung U-» miterfaßt werden. In Fig. 5 ist daher der zweite Komparator K2 so geschaltet, daß im Falle eines Anstiegs der Ausgangsspannung U« über eine bestimmte Schwelle, die höher liegt als die Ansprechschwelle des ersten !Comparators K1, der elektronische Schalter S1 durch ein Ausgangssignal· des !Comparators K2 geschossen wird und so eine Feststellung des Momentanwertes der Gleichspannung U. über den Schalter S1 mittels des Speicherkondensators C2 auch während der Zeitintervalle t_Q bis t.j, t_g bis tj-, usw. erlaubt. Parallel zum Lastwiderstand RL ist ein Spannungsteiler R2, R3 vorgesehen. Der Mittelabgriff dieses Spannungsteilers ist mit einem Eingang des !Comparators K2 verbunden. Der andere Eingang von K2 ist mit jener Referenzspannung Ur1 beaufschlagt, die auch das Referenzpotential des Komparators K1 bestimmt.

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Der Ausgang des Komparators K2 ist wie ,der Ausgang des !Comparators K1 mit dem Steuereingang des elektronischen Schalters^ ST verbunden. Der Spannungsteiler R2, R3 ist so dimensioniert, daß K2 bei einem Wert anspricht, d.h. den elektronischen Schalter S1 schließt, der höher ist als der Spitzenwert U

(vgl. Fig. 3d) den die Ausgangsspannung U. ohne Einschaltung des elektronischen Schalters S1 durch K1 maximal erreichen würde.

. Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für¹einen ίο Schaltregler. Dem ersten elektronischen Schalter S1, der wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen aktiviert wird, ist ein weiterer elektronischer Schalter S2 parallel geschaltet. Sein Steuereingang ist mit dem Taktoszillator TG verbunden. Vom Taktoszillator TG bekommt der weitere elektronische Schalter S2 einen Schließbefehl am Ende jeder Schaltperiode T, vgl. Fig. 3. Der Schalter S2 wird demnach vom Taktoszillator TG zwangseingeschaltet, wodurch eine richtige Erfassung des Gleichspannungsaugenblickwertes bei plötzlichen ausgangsseitigen Entlastungen ermöglicht wird. Zur Erreichung eines definierten Einschaltimpulses wird das rechteckförmig vorliegende Ausgangssignal des Taktoszillators über ein Differenzierglied R¹J, C3 an den Steuereingang des elektronischen Schalters S2 geführt.

Für die Baueinheiten Pulsbreitenmodulator-PBM- und Taktoszillator-TG-kann eine integrierte Schaltung verwendet werden, beispielsweise LAS 3800 oder LAS 63OO. Für die elektronischen Schalter S1 und S2, die als bilaterale Schalter ausgebildet sein müssen, kann beispielsweise der integrierte Schaltkreis

jQ 4066 verwendet werden.

Claims

AEG-TELEFUNKEN K1 E7/Spe/kön

Nachrichtentechnik GmbH . BK 80/26 +

Gerberstr. 33 BK 82/157

D-7150 Backnang

Patentansprüche

/Schaltregler, dessen Schalttransistor (Ts) von einem Pulsbreitenmodulator (PBM) gesteuert ist, wobei im Ausgangskreis des Schaltreglers ein Meßfühler (MF) zur Erfassung des Wechselanteils der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms mit einem ersten Eingang eines Komparators (K1) verbunden ist, an dessen zweiten Eingang eine Referenzspannung gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Schalter (S1) vorgesehen ist über den die potentialführende Ausgangsklemme des Schaltreglers mit dem Eingang des Pulsbreitenmodulators (PBM) und mit einer Speichereinrichtung (C2) für den Momentanwert der Ausgangsspannung des Schaltreglers verbunden ist und daß der Ausgang des Komparators (K1) mit dem Steuereingang des elektronischen Schalters (S1) verbunden ist.
2. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (MF) aus einem Meßübertrager (Tr1) besteht, dessen Primärwicklung (w1) mit dem einen Anschlußende an die Verbindungsleitung zwischen dem elektronischen Schal-

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ter (S1) und der potentialführenden Ausgangsklemme des Schaltreglers angeschlossen ist, daß das andere Anschlußende der Primärwicklung (w1) des Meßübertragers (Tr1) an den nicht Massepotential führenden Anschluß des Glättungskondensators (C1) im Ausgangskreis des Schaltreglers angeschlossen ist, und daß die Sekundärwicklung (w2) des Meßübertragers (Tr 1) mit einem ihr parallel geschalteten Meßwiderstand (R1) an den nicht auf Referenzpotential liegenden Eingang des !Comparators (K1) angeschlossen ist.
3. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (MF) aus einem Gleichspannungsabtrennkondensator (C3) mit nachgeschaltetem Meßwiderstand (RI) besteht, daß der Gleichspannungsabtrennkondensator (C3) arr den gemeinsamen Verbindungspunkt des ersten Eingangs des !Comparators (K1) mit der potentialführenden Ausgangsklemme des Schaltreglers und dem nicht Massepotential führenden Anschluß des Glättungskondensators (C1) angeschlossen ist.
4. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Komparator (K2) vorgesehen ist, daß der Ausgang des weiteren Komparators (K2) ebenfalls mit dem Steuereingang des elektronischen Schalters (S1) verbunden ist, daß ein Eingang des weiteren Komparators (K2) mit einer Referenzspannung beaufschlagt ist und daß ein weiterer Eingang des weiteren Komparators (K2) derart mit einem Wert proportional zur Ausgangsspannung des Schaltregler .beaufschlagt ist, daß der Ansprechwert des weiteren Komparators (K2) zum Schließen des elektronischen Schalters (S1) höher liegt als jener des ersten Komparators (K1).
5. Schaltregeler nach einem der Ansprüche 1 bis U, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektronischen Schalter (S1) ein weiterer elektronischer Schalter (S2) parallel geschaltet ist und daß der Steuereingang des weiteren elektronischen

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Schalters (S2) mit dem Taktoszillator (TG) des Pulsbreitenmodulators (PBM) verbunden ist.