DE3316251A1

DE3316251A1 - Schaltungsanordnung zur gleichspannungswandlung

Info

Publication number: DE3316251A1
Application number: DE19833316251
Authority: DE
Inventors: Winfried 7143 Vaihingen Arnold; Rainer 7250 Leonberg Rudolph
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1983-05-04
Filing date: 1983-05-04
Publication date: 1984-11-08
Also published as: ATA144984A; JPS60121958A; AT381813B

Description

Schaltungsanordnung zur Gleichspannungswandlung
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur rzeugung einer bipolaren Ausgangsspannung aus einer unpolaren Eingangsspannung mit einer Frequenzerzeugungsstufe.
Derartige Schaltungsanordnungen sind beispielsweise aus "Circuits for electronics engineers, Samuel Weber, c.
Graw-Hill Publications Co., New York, 19?, Seite 28 bekannt. 3ei dieser Schaltungsanordnung wird ;iie Primärwicklung eines Transformators mit der unipolaren ingangsspannung beaufschlagt und die erfindung der Primärwicklung mit dem Massepunkt periodisch durch einen Schaler unterbrochen. Dieser Teil der Anordnung einschlie.3lich der zugehörigen Diodenwiderstände und Kapazitäten dient zur Erzeugung der positiven Ausgangsspannung. Dadurch, laß die Sekundärwicklung des Transformators gleichspannungsmäßig von der Primärwicklung isoliert ist, ist es reigestellt, welcher der beiden Anschlüsse der Sekundärwicklung mit dem Massepunkt verbunden wird. Im vorliegenden Beispiel ist es sinnvoll, die Seite der Sekundärwicklung mit der positiveren Spannung, die bei einer Betätigung des Schalters in der Sekundärwicklung induziert wird, auf Masse zu legen. Am Ausgang des Sekundärspulenkreises, der ebenso wie der Primärkreis mit einer Diode, einem Widerstand und einer Kapazität ausgestattet ist, läßt sich dann eine negativetSpannung in Bezug auf den Massepunkt abgreifen.
Nachteilig an dieser bekannten Anordnung erweist sich, daß zur Erzeugung einer bipolaren Ausgangsspannung aus einer unipolaren Eingangsspannung ein Transformator notwendig ist, der im Regelfall sehr große räumliche Abmessungen und ein hohes Gewicht in Relation zu den verwendeten elektronischen Bauelementen aufweist. Darüber hinaus stellt ein Transformator in einer Schaltungsanordnung zur Gleichspannungswandlung einen bedeutenden Kostenfaktor dar.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer bipolaren Ausgangs spannung aus einer unipolaren Eingangs spannung mit einer Frequenzerzeugerstufe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die aufgeführten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Insbesondere in der Kraftfahrzeugelektronik erweist sich die erfindungsgemäße Anordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs als eine sehr kostengünstige, platzsparende sowie leichte Wandeleinheit zur Erzeugung bipolarer Ausgangsspannungen, die beispielsweise als Versorgungsspannungen für bipolar zu betreibende elektronische Verstärker und Regler zu verwenden sind.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ist eine vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserung der im Hauptanspruch angegebenen Schaltungsanordnung möglich.
So erweist es sich als besonders günstig, als Mittel zur Stabilisierung gegen Schwankungen der Versorgungsspannung bzw. Laständerungen Spannungsregler und/oder Schaltregler einzusetzen und somit eine hohe Präzision der Gleichspannungswandler-Schaltungsanordnung zu gewährleisten.
Durch die in den Nebenansprüchen aufgeführten Maßnahmen läßt sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vorteilhaft beispielsweise in der Kraftfahrzeugelektronik einsetzen, um während Batteriespannungseinbrüchen oder aber während Phasen einer Überspannung die Versorgung der elektronischen Komponenten sicherzustellen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den zugehörigen Zeichnungen.
eIchnung Es zeigern Figur 1, 3 und 4 verschiedene Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer bipolaren Ausgangsspannung aus einer unipolaren Eingangsspannung mit einer Frequenzerzeugerstufe sowie Figur 2 ein Pulsdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung der Figur 1, Figur 5 zeigt eine weitere Verwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Schalzungsanordnung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist mit 10 eine unipolare Gleiehspannungsiuelle gekennzeichnet, die an eine Induktivität 11 sngeschlossen ist. Die Verbindung der Induktivität 11 mit dem Pluspol der unipolaren Gleichspannungsquelle 10 ist über einen Schalter S1, die Verbindung der Induktivitat 11 mit dem Massepotential über einen Schalter S2 auftrennbar. Diese beiden Schalter S1 und S2 werden über eine Frequenzerzeugungsstufe 12 gleichphasig betatigt.
An dem mit X bezeichneten Anschluß der Induktivität ist eine Serienschaltung aus einer Diode 13 und einer Stabilisierungsschaltung 14, die ihrerseits über einen weiteren Anschluß mit dem Massepotential verbunden ist, angeordnet.
Zwischen der Diode 13 und der Stabilisierungsanordnung 14 führt eine als Kondensator ausgebildete Speichereinheit 15 zum Massepotential. Am Ausgang der Stabilisierungsanordnung 14 ist die mit U2 bezeichnete negative Ausgangsspannung abgreifbar. In gleicher Weise ist am Punkt Y der Induktivität 11 eine Diode 16 sowie eine Stabilisierungsanordnung 17 und ein Kondensator 18 angeordnet.
Der einzige Unterschied besteht in der Tatsache, daß die Dioden 13 und 16 in entgegengesetzten Richtungen gepolt sind, so daß am Ausgang der Stabilisierungsanordnung 17 die positive Spannung U1 abnehmbar ist. Die Stabilisierungsanordnungen 14, 17 können im einfachsten Fall aus Zenerdioden bestehen, oder aber auch als Längsregler ausgebildet sein.
Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Figur 1 soll mit Hilfe des Diagramms der Figur 2 dargestellt werden. Geht man von dem in Figur 2a eingezeichneten Tastverhältnis der gleichphasig betätigten Schalter S1 und 32 aus, so ergibt sich für die mit U bezeichnete x Spannung am Punkt X der Spule der in der Figur 2b eingetragene Verlauf in Abhängigkeit von der Zeit. Ist der Schalter 51 geschlossen, so liegt am Punkt X die Spannung Uo der clnipolarerl Gleichspannungsquelle 10. Wird der Schalter 31 nun geöffnet, so tritt aufgrund der Selbstinduktion eine Induktionsspannung umgekehrter Polarität auf, so daß am Punkt X bei geöffnetem Schalter die Spannung -U2 anliegt. Für die Spannung U am y Punkt Y gilt entsprechendes (Figur 2c): Bei geschlossenem Schalter ist der Punkt Y mit Massepotential verbunden, während bei geöffnetem Schalter am Punkt Y aufgrund der Selbstinduktion eine positive Spannugn U1 auftritt. In Figur 2d ist der entsprechende Stromfluß durch die Induktivität 11 in Abhängigkeit von der Schalterstellung der Schalter S1 und S2 aufgetragen. Für geschlossene Schalter S1 und S2 wächst der Spulenstrom nahezu linear mit der Zeit an. Werden die Schalter S1 und S2 geöffnet, so fließt der Entladestrom der Induktivität 11 über den Kondensator 18, die Diode 16, die Diode 13 und den Kondensator 15 weiter und lädt dadurch den Kondensator 18 und den Kondensator 15 auf die in igur 2e eingezeichneten Werte auf. Die Stabilisierungsanordnungen 14 und 17 dienen zu einer Stabilisierung der Ausgangsspannungen U2, U1 gegen Lastschwankungen.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindugsgemäßen Schaltanordnung dargestellt, bei dem Maßnahmen gegen Schwankungen der unipolaren Gleichspannungsquelle 10 vorgesehen sind. Dieses sowie das nächste in Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel erweisen sich besonders nützlich für eine Verwendung der Schaltungsanordnung in der Kfz-Elektronik. Es ist bekannt, daß die Batteriespannung eines Kraftfahrzeuges, die dann als unipolare Gleichspannungsquelle 10 Verwendung findet, in verschiedenen Situationen, wie z.B.
während des Anlaßvorganges der Brennkraftmaschine, starken Schwankungen unterworfen ist. Wird die bipolare Ausgangsspannung zum Betreiben einer konstanten und symmetrischen Last verwendet, so ist es ausreichend zur Stabilisierung gegen Eingangsspannungsschwankungen U0 einen Schaltregler 20, wie in Figur 3 dargestellt, zu verwenden. Alle anderen, zur Figur 1 identischen Komponenten der Schaltungsanordnung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist der Istwerteingang des Schaltreglers 20 mit der Ausgangsspannung U1 verbunden. Als Sollwert wird dem Schaltungsregler 20 eine Referenzspannung URef zugeführt. Die Ausgangsspannung des Schaltreglers 20, die zur Ansteuerung der Schalter S1 und S2 dient, wird hinsichtlich der Impulsfolgefrequenz bzw. hinsichtlich des Tastverhältnisses in der Weise geändert, daß die Ausgangsspannung U1 oder ein bestimmter, durch einen Spannungsteiler gegebener Anteil der Ausgangsspannung U1 mit der Referenzspannung URef übereinstimmt. Unter der obengenannten Voraussetzung einer konstanten und symmetrischen Last wird die ungeregelte Spannung U2 der geregelten Spannung U1 nachgeführt, so daß beide Ausgangsspannungen betragsmäßig gleich große Werte annehmen.
In einem weiteren, in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die beiden Schalter S1 und S2 durch zwei verschiedene Schaltregler 22 und 21 angesteuert.
Als Istinformation dient dem Schaltregler 22 die Ausgangsspannung U2, während als Sollwert die Referenzspannung U'Ref zugeführt wird. Analog hierzu erhält der Schaltregler 21 die Eingangsgrößen U1 sowie einen Referenzwert URef und steuert mit seinem Ausgang den Schalter 32 an. In dieser Anordnung, die insbesondere bei ner unsymmetrischen und nicht konstanten Last Anwendung findet, müssen die beiden Schalter S1 und S2 nicht mehr gleichzeitig und im Gleichtakt betrieben werden sondern es können auch Fälle auftreten, in denen beispielsweise nur der Schaltregler 22 den Schalter 81 betätigt, während Schalter S2 ständig geschlossen ist. Dies ist z.B. dann der prall, wenn die Belastung der Ausgangsspannung U2 wesentlich kleinere Werte aufweist als die Belastung U1.
Die Schalter S1 und S2 können verschiedene Ausführungsformen wie z.B. Relaisschalter oder Halbleiterschalter aufweisen. Als besonders vorteilhaft, insbesondere unter dem Gesichtspunkt eines hohen Wirkungsgrades der Anordnung, erweist sich die Verwendung von MOS-Leistungs-FET's.
Durch geringfügige Schaltungsmodifikationen und geeignete Ansteuerung der Schalter S1, S2 ist es möglich, eine kleinere oder größere positive Ausgangsspannung, z.B. die Spannung U bezogen auf eine positive Eingangsspannung zu erzeugen.
Modifiziert man das Ausführungsbeispiel der Figur 3, wie in Figur 5 dargestellt, in der Weise, daß mittels eines Schalters S3 die Diode 13 anstelle mit Kondensator 15 mit Masse verbunden wird und beaufschlagt den Schaltregler 20 zusätzlich mit der Eingangsspannung U , so laßt sich diese Anordnung z.B. sinnvoll im Kraftfahrzeug einsetzen, um z.B. während der Startphase bei Batteriespannungseinbrüchen die Versorgung und Funktion der Kraftfahrzeugelektronik sicherzustellen. Über eine im Schaltregler 20 integrierte auf die Gleichspannung U empfindliche Er-0 kennungsschaltung können die Schalter S1 und S2 wie in der folgenden Tabelle dargestellt, betätigt werden mit T = Takten, L = Offen (statisch), H = Geschlossen (statiscin):

Sl S2

A) U > U1 T L

0

B) U < U1 H T

0

c) Uo = U1 H L

H T

Die Schaltungsanordnung für Fall A) entspricht einer an sich bekannten Abwärts-Regelanordnung, die für Wall B? einer an sich bekannten Aufwärts-Regelanordnung. Für Fall C) sind zwei Möglichkeiten denkbar, wobei insbesondere die zweite Lösung mit S1 geschlossen und 52 getaktet besonders vorteilhaft bei einer nachgeschalteten Stabilisierungsanordnung einsetzbar ist. Eine Stabilisierung der Ausgangsspannung ist in der in Figur 1 dargestellten Form denkbar.
Die Ausgangsspannung läßt sich jedoch auch über eine Variation der Schaltfrequenz oder des Tastverhältnisses oder durch Änderung beider Parameter regeln. Eine Steuerung der Ausgangsspannung ist ebenso dadurch möglich, daß die Schaltfrequenz in Abhängigkeit von der Eingangsspannung UO beispielsweise mittels eines VCO's eingestellt 0 wird.

Claims

Ansprüche 1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer bipolaren usgangsspannung aus einer unipolaren Eingangsspannung mit einer Frequenzerzeugungsstufe, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen einer Spule (11) mit dem Plus- bzw. Minus-Pol der unipolaren Spannungsquelle (10) von zwei im Takt der Frequenzerzeugungsstufe (12) betätigten Schaltern (S1, S2) unterbrochen und die an den Spulenenden (x, y) auftretende Induktionsspannung in Speichern (15, 18) gespeichert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Speicher (15, 18) Kondensatoren eingesetzt werden, die über entsprechend gepolte Dioden (13, 14) mit den Spulenendpunkten (x, y) verbunden sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S1, S2) zur Unterbrechung der Spulenverbindungen als elektronische Schalter ausgelegt sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Stabilisierung der bipolaren Ausgangsspannung gegen Lastschwankungen parallel zu den Speichern geschaltete Zenerdioden vorgesehen sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Stabilisierung der bipolaren Ausgangsspannung gegen Lastschwankungen in Serie mit den angeschlossenen Verbrauchern an sich bekannte Spannungsregler vorgesehen sind.

6. Sehaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Stabilisierung der bipolaren Ausgangs spannung gegen Schwankungen der unipolaren Eingangsspannung ein Schaltregler (20) vorgesehen ist, der die Impulsfolgefrequenz und/oder das Tastverhältnis der die Schalter (S1, S2) ansteuernden Signalgrößen ändert.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für eine konstante und symmetrische Belastung der bipolaren Spannungsquelle entweder der positive oder der negative Anteil der bipolaren Ausgangsspannung über den Schaltregler (20) geregelt und der negative bzw. positive Anteil ungeregelt nachgeführt wird.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für eine unsymmetrische und variable Belastung der bipolaren Spannungsquelle der positive und der negative Spannungsanteil der bipolaren Ausgangsspannung separat durch eine getrennte Ansteuerung der Schalter (S1, S2) mit Hilfe von Schaltreglern (21, 22) geregelt ird.

). Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Ausgangsspannung aus einer unipolaren Eingangsspannung mit einer \?requenzerzeugungsstufe, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung einer Spule (11) mit dem Plus- bzw.

Minus-Pol der unipolaren Spannungsquelle (10) von zwei Schaltern (S1, S2) unterbrochen, die an einem Spulenende (y) auftretende Spannung in einem Speicher gespeichert und das andere Spulenende (x) über einen Freilaufkreis, beispielsweise eine Diode (13) mit Masse verbunden wird.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterstellung der Schalter (S1, S2) über eine im Schaltregler (20) integrierte, auf die Gleichspannung (U0) empfindliche Erkennungsschaltung gesteuert wird.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für Werte der Ausgangsspannung (U1) größer als Werte der Eingangsspannung (U ) der Schalter (S1) geschlossen und der Schalter (S2) getaktet betrieben wird.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für Werte der Ausgangsspannung (U1) kleiner als Werte der Eingangsspannung (U ) der Schalter (S1) getaktet betrieben und der Schalter (S2) geöffnet wird.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für Werte der Ausgangsspannung (11) gleich den Werten der Eingangsspannung (U ) der Schalter (S1) geschlossen und der Schalter (S2) entweder geschlossen oder getaktet betrieben wird.

1ç. Schaltungsanordnung nach einem der Anspruche a bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Steuerung und/oder zur Regelung der Ausgangsspannun (Ul zur Stabilisierung vorgesehen sind.

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung der Ausgangsspannung (U1) in Abhängigkeit von der Eingangsspannung (U0) mittels einer Variation der Schaltfrequenz beispielsweise mit einem VCO vorgesehen ist.