DE3340395C2

DE3340395C2 - Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE3340395C2
Application number: DE3340395A
Authority: DE
Inventors: Bill Ray Kokomo Ind. McWhorter
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1982-11-22
Filing date: 1983-11-04
Publication date: 1986-10-09
Also published as: US4459537A; DE3340395A1; JPS59103568A; CA1192952A

Abstract

Ein Spannungsregler zum Bilden einer gewünschten geregelten Sollspannung enthält einen Aufwärtsregler, der in Reihe mit einem PNP-Transistor liegt, dessen Basiselektrode mit einer ungeregelten Spannungsquelle verbunden ist. Der Aufwärtsregler spricht auf die Spannung an der Kollektorelektrode des PNP-Transistors an, um die Spannung an dessen Emitterelektrode bei Schwankungen der Spannung der Spannungsquelle zu steuern, indem über die Basisspannung die Spannung an der Kollektorelektrode des PNP-Transistors auf den gewünschten Sollwert eingestellt und gehalten wird. Es wird hierdurch ein besserer Wirkungsgrad bei kurzer Ansprechzeit erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen zweistufig geregelten Gleichspannungswandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Bei einem bekannten Gleichspannungswandler der eingangs genannten Art ist die der Filteranordnung nachgeschaltete Längstransistorstufe als ein im Schaltbetrieb arbeitender Tiefsetzsteller ausgebildet (DE-Z etz-Archiv, Bd. 3 (1981), H. 10, S. 335 bis 339).

Bei diesem bekannten Gleichspannungswandler ist eine alternative Ansteuerung zweier jeweils im Schaltbetrieb arbeitender Wandlerstufen erforderlich. In Abhängigkeit davon, ob die Eingangsspannung kleiner oder größer als die Soll-Ausgangsspannung ist, muß das Transistorelement des Tiefsetzstellers durchgeschaltet sein bzw. im Schaltbetrieb arbeiten. Die Ansteuerung eines derartigen Gleichspannungswandlers mit zwei alternativ im Schaltbetrieb arbeitenden Stufen sowie die gegenseitige Anpassung dieser Stufen ist jedoch relativ aufwendig. Darüber hinaus wirkt sich die zusätzliche im Schaltbetrieb arbeitende Tiefsetzsteller-Stufe ungünstig auf das Ansprechverhalten des Wandlers aus.

In der DE-Z Kerntechnik 7. Jahrgang (1965), H. 2, S. 65 bis 70 ist ein in Form eines Sperrwandlers realisierter Hochsetzsteller beschrieben, dem über einen Gleichrichter und eine Filteranordnung ein PNP-Längs-Transistor nachgeschaltet ist. Dieser Längs-Transistor arbeitet jedoch in stets ungesättigtem Zusand als zusätzliche Glättungseinrichtung.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungsregler der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei einfachem Aufbau unter Aufrechterhaltung eines relativ hohen Wirkungsgrades relativ kurze Ansprechzeiten gewährleistet und gleichzeitig eine einfache und zuverlässige Ansteuerung insbesondere

äüi ννβΐ5ΐ.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Aufgrund dieser Ausbildung wird eine relativ einfache und damit zuverlässige Regelung bzw. Ansteuerung der Längstransistorstufe erzielt. Indem der Hochsetzsteller die Last des PNP-Transistors der Längstransistorstufe bildet und die Basis dieses Transistors über eine Diode an der Eingangsklemme des Wandlers Hegt. wird dieser Transistor stets dann ohne größeren Steuerungsaufwand in Sättigung betrieben, wenn die Eingangsspannung kleiner als die Soll-Ausgangsspannung ist Die Verluste der Längstransistorstufe sind in diesem Falle vernachlässigbar klein. Indem andererseits die Längstransistorstufe auch dann nicht im Schaltbetrieb

ίο arbeitet, wenn die Eingangsspannung größer als die Soll-Ausgangsspannung wird, werden relativ kurze Ansprechzeiten erhalten. Ferner ist die gegenseitige Anpassung der Hochsetzsteller- und Längstransistorstufen problemlos möglich. Vom Transistor der Längstransistorstufe sind aber keinerlei Schaltströme des vorgeschalteten Hochsetzstellers aufzunehmen, so daß dieser Transistor entsprechend klein dimensioniert werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt

F i g. 1 ein vereinfachtes Schaltbild eines zweistufig geregelten Gleichspannungswandlers, und

F i g. 2 ein schematisches Schaltbild des Gleichspannungswandlers in detaillierter Form.

F i g. 1 zeigt den Aufbau eines geregelten Gleichspannungswandlers, der von einer nicht dargestellten Spannungsquelle eine ungeregelte Eingangsspannung Vi_n über eine positive Eingangsklemme 17 erhält. Die Spannungsquelle liegt über eine weitere Eingangsklemme 18 an Masse. Der Gleichspannungswandler liefert eine gewünschte Sollausgangsspannung V_reg zwischen einer Ausgangsklemme 19 und einer an Masse liegenden weiteren Ausgangsklemme 20. Der Gleichspannungswandler enthält einen Spannungsverstärker in Form eines Hochsetzstellers 21, der mit der positiven Eingangsklemme 17 verbunden ist, und an den sich ein als dissipative Längstransistorstufe dienender PNP-Transistors 22 mit veränderlicher Impedanz anschließt, der mit der Ausgangsklemme 19 verbunden ist.

Der Hochsetzsteller 21 enthält einen Pulsbreitenmodulator 23, eine Spule 24 als Längsinduktivität, einen NPN-Transistor 26 als pulsbreitengeregelter Querschalter, der vom Pulsbreitenmodulator 23 gesteuert wird, um die Spule 24 periodisch aufzuladen. Ferner ist ein Kondensator 28 vorgesehen, der von der Spule 24 aufgeladen wird und mit einer Spule 30 und einem Kondensator 32 eine Filteranordnung bildet. Der Ausgang des Hochsetzstellers 21 erscheint am Kondensator 32 der Filteranordnung.

Der Pulsbreitenmodulator 23 liefert Spannungspulse mit einer vorgegebenen Frequenz und einem Tastverhältnis, das durch den Betrag bestimmt wird, um den die Spannung an einem positiven Eingang unter der Spannung an einem negativen Eingang liegt. Eine Abtastspannung Ken ist als Maß für die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen 19 und 20 dem positiven Eingang des Pulsbreitenmodulators 23 über einen Spannungsteiler zugeleitet, der aus zwei hintereinandergeschalteten Widerständen 34 und 36 zwischen den Ausgangsklemmen 19 und 20 gebildet ist. Eine Bezugsspan-

ituiig rrcfi uic y\cn giciv-n 131, weint r_rt.j>ucii gcwuii^nucu Wert hat, wird dem negativen Eingang des Pulsbreitenmodulators 23 zugeleitet. Die Weite des Pulsbreitenmodulators 23 hat einen Kleinstwert, wenn V_si.„ gleich oder größer als V_rci ist, und erhöht sich, wenn V_icn unter V._c, fällt.
Der Ausgang des Pulsbreitenmodulators 23 liegt an

einem Widerstand 38, der zwischen der Basiselektrode des NPN-Transistors 26 und Masse angeordnet isL Der N PN-Transistor 26 verbindet in erregtem Zustand die Spu'e 24 über eine Sperrdiode 40 mit der an die Eingangsklemmen 17,18 angeschlossene Spainungsquelle. Die Spule 24 wird dann auf eine Spannung aufgeladen, die durch die vom Pulsbreitenmodulator 23 gegebene Pulsbreite bestimmt wird. Bei nichtleitendem NPN-Transistor 26 entlädt sich die Spule 24 über eine Diode 42. den Kondensator 28, die an den Eingangsklemmen 17,18 liegende Spannungsquelle und die Sperrdiode 40. Hierbei wird der Kondensator 28 auf eine von der Spannung der Spule 24 abhängige Spannung aufgeladen. Die Spannung am Kondensator 28 wird durch die Spule 30 und den Kondensator 32 der Filteranordnung gefiltert und erscheint als Ausgang des Hochsetzstellers 21 am Kondensator 32. Diese künftig als Zwischenspannung bezeichnete Spannung wird der Emitterelektrode des PNP-Transistors 22 zugeleitet

Die Basiselektrode des PNP-Transistors 22 ist mit der positiven Eingangsklemme 17 über einen Speisekreis verbunden, der aus einem Widerstand 44, einer Sperrdiode 46 und der Sperrdiode 40 besteht Durch diese Verbindung kann der PNP-Transistor 22 nicht leitend geschaltet werden, sofern nicht die der Emitterelektrode zugeführte Zwischenspannung größer als die von der positiven Eingangsklemme 17 zugeleitete Eingangsspannung V_1n ist. Wie noch beschrieben wird, spricht bei allen Werten von V,„ der Hochsetzsteller 21 auf die Abtastspannung Vsen an, die die Sollausgangsspannung V_reg darstellt, und erhöht V_in um einen Betrag, der den P.NP-Transistor 22 in den leitenden Zustand bringt, wodurch V_re/ auf dem gewünschten Wert der Sollspannung gehalten wird.

Sinkt im Betrieb V_reg unter den Sollwert, so wird V_jen dem Pulsbreitenmodulator 23 mit einem Wert zugeleitet, der geringer als die Bezugsspannung V_Kr ist, so daß die Pulsbreite vergrößert wird, die den NPN-Transistor 26 veranlaßt, im leitenden Zustand eine größere Aufladung der Spule 24 zu bewirken. Wird dann der NPN-Transistor 26 gesperrt, so bewirkt die Entladung der Spule 24 eine erhöhte Aufladung des Kondensators 28, dessen Spannung zur Zwischenspannung gefiltert der Emitterelektrode des PNP-Transistors 22 zugeleitet wird, dessen Leitfähigkeit erhöht wird, wodurch V_reg auf den Sollwert gebracht wird.

Steigt andererseits V_rcg über den Sollwert, so wird die Breite am Pulsbreitenmodulator 23 verringert und damit auch die Zwischenspannung an der Emitterelektrode des PNP-Transistors 22, der dadurch weniger leitfähig wird und V_n^aUf den Sollwert zurückbringt.

Das erwähnte Ansprechen auf die Abtastspannung Vscn zum Aufrechterhalten der Sollausgangsspannung V_Kg erfolgt bei allen Spannungen der Spannungsquelle, also bei Werten oberhalb oder unterhalb des gewünschten Sollwerts der Sollausgangsspannung. Ist die Eingangsspannung V/„ niedriger als der Wert der Sollspannung, wird der PNP-Transistor 22 in den Sättigungszustand belastet, da die Speisespannung der Easiselektrode und die Zwischenspannung vom Hochsetzsteller 21 der Emitterelektrode zugeleitet wird, so daß der Gleichspannungswandler nach Fig. 1 als Hochsetzsteller arbeitet. Unter diesen Bedingungen wird die Eingangsspannung V_1n durch den Hochsetzsteller 21 auf eine Zwischenspannung erhöht, die dem gewünschten Wert der Sollausgangsspannung V_reg gleich ist. Steigt die Eingangsspannung Vj_n über den Sollwert der Sollausgangsspannung V_rce. so wird V,„ auf eine höhere Zwischenspannung erhöht, die den PNP-Transistor 22 in seinem linearen Betriebsbereich belastet so daß eine Impedanz vorliegt die die Eingangsspannung auf den Sollwert der Sollausgangsspannung erniedrigt. In diesem Falle wirkt der Gleichspannungswandler nach Fig. 1 als dissipativer Tiefsetzsteller.

In Fig.2 ist ein detailliertes Schaltbild des Gleichspannungswandlers gezeichnet dem Schutzkreise zugeordnet sind. Gleiche Bauteile aus F i g. 1 haben hier gleiehe Bezugszeichen erhalten.

Der Pulsbreitenmodulator 23 ist als integrierte Schaltung mit beispielsweise 16 Anschlüssen ausgebildet

In dieser Schaltung ist die Eingangsspannung V_m an die Kollektorelektroden von zwei Treibertransistoren über einen spannungsbegrenzenden Widerstand 47 an Anschlüsse 8 und 11 angeschlossen. Die Treibertransistoren liefern den Basisstrom für den NPN-Transistor 26. Der Pulsbreitenmodulator 23 hat eine Frequenz, die durch einen Widerstand 48 und einen Kondensator 50 bestimmt wird. Der Pulsbreitenmodulator 23 enthält ferner einen Bezugsspannungsgeber, der die Bezugsspannung Vref an einen Anschluß 14 bereit stellt Diese Spannung wird dem negativen Eingang eines Fehlerverstärkers über einen Widerstand 59 und einen Anschluß 2 zugeleitet Die Abtastspannung V_sen wird dem positiven Eingang des Fehlerverstärkers an einem Anschluß 1 zugeleitet Die Differenz zwischen der Bezugsspannung und der Abtastspannung bestimmt die Pulsbreite, deren Signal an Anschlüssen 9 und 10 mit der durch den Widerstand 48 und den Kondensator 50 bestimmten Frequenz abgenommen wird.

Die Niederfrequenzverstärkung des Pulsbreitenmodulators 23 bewirkt ein Rückkopplungswiderstand 60, der an den Anschluß 2 und einen Anschluß 3 angeschlossen ist Die Verstärkung des Pulsbreitenmodulators 23 wird bei hohen Frequenzen durch einen Rückkopplungskondensator 62 und einen Rückkopplungswiderstand 64 verringert, die zwischen den Anschlüssen 2 und 3 liegen.

Die Schaltung hält hierdurch die Sollausgangsspannung Vrcg an der Ausgangsklemme 19 auf dem gewünschten Wert, unabhängig von dem Wert der Eingangsspannung Vin.
Der Pulsbreitenmodulator 23 enthält außerdem einen Totzeitsteuereingang an einem Anschluß 4, der eine Mindesttotzeit zwischen den den Anschlüssen 9 und 10 zugeleiteten Pulse bestimmt. Die Totzeit erhöht sich mit steigender Spannung am Anschluß 4, wodurch die maximale Pulsbreite die an den Anschlüssen 9 und 10 erlaubt

so ist, verringert wird. Zwischen dem Anschluß 14 und Masse liegen in Reihe Widerstände 66 und 68, die eine nominale Totzeit bestimmen, um die Pulsbreite an den Anschlüssen 9 und 10 auf beispielsweise 50% des Arbeitsspiels zu begrenzen. Zum Schutz bei Lastabfall, sind in Serie eine Zenerdiode 70 und ein Widerstand 72 zwischen der Eingangsklemme 17 und Masse vorgesehen, so daß am Widerstand 72 eine Spannung auftritt, wenn die Eingangsspannung V_1n die Durchbruchspannung der Zenerdiode 70 übersteigt. Diese Spannung wird dann dem Anschluß 4 über eine Diode 74 zugeleitet, um die minimale Totzeit zu erhöhen und die Pulsbreite des Pulsbreitenmodulators 23 auf einen kleinen Wert zu bringen, wodurch auch die dem PNP-Transistor 22 zugeleitete Zwischenspannung gesenkt wird. Ein Kondensator 75 liegt parallel zum Widerstand 68, so daß beim ersten Anlegen der Eingangsspannung V,_n an die Eingangsklemme 17 die volle Bezugsspannung vom Anschluß 14 dem Anschluß 4 zugeleitet wird Dipsp

5 6

Spannung bringt das Minimum der Totzeit auf einen

hohen Wert, wodurch ein anfänglicher Spannungsstoß

verhindert wird, der durch den anfangs geringeren Wert

der Abtastspannung an der Ausgangsklemme 19 auftre- '

ten könnte. Der aufgedrückte Kleinstwert der Totzeit 5

wird dann auf den normalen Wert durch die Widerstän- '

de 66 und 68 wieder verringert, wenn der Kondensator

75 aufgeladen wird.

Zur Begrenzung des Stroms ist ein Kreis vorgesehen,
der aus einem Widerstand 76, einem Widerstand 78 und 10
einer Diode 80 besteht und die Spannungsdifferenz zwischen der Eingangsklemme 17 und der Ausgangsklemme 19 abtastet Die zwischen den Widerständen 76 und Ä 78 abgenommene Spannung wird einem negativen Ein- $L gang eines Differentialvergleichers im Pulsbreitenmo- 15 a dulator 23 über einen Anschluß 15 zugeleitet. Die Ver- g gleichsspannung vom Anschluß 14 wird dem Pulsbrei- ψί tenmodulator 23 über einen Widerstand 82 an einem Hl Anschluß 16 zugeführt Die Spannung am Anschluß 16 If stammt von einem Kondensator 84. Sollte an der Aus- 20 \ gangsklemme 19 ein Kurzschluß auftreten, so fällt die an |ϊ den Widerständen 76 und 78 abgenommene Spannung \ ab und am Anschluß 15 wird eine kleinere Spannung als _t am Anschluß 16 herrschen, so daß der Ausgang des ^f Pulsbreitenmodulators 23 auf den Kleinstwert gezwun- 25 ,' gen wird und damit die dem Emitter des PNP-Transi- ,, stors 22 zugeleitete Zwischenspannung verringert wird _t/ und der PNP-Transistor 22 gesperrt wird. Eine Diode 86 _v"i bewirkt eine schnelle Entladung des Kondensators 84, I wenn die integrierte Schaltung des Pulsbreitenmodula- 30 *', tors 23 entregt wird. / %

Zwischen der Eingangsklemme 17 und Masse ist ein ' 4

Filterkondensator 90 angeordnet Kondensatoren 92
und 94 sind mit der Anode der Sperrdiode 40 verbunden, um vom Hochsetzsteller 21 kommende Rauschsi- 35
gnale auszufiltern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Zweistufig geregelter Gleichspannungswandler für stark veränderliche Eingangsspannung mit einem Hochsetzsteller mit Längsinduktivität und abhängig vom Soll-Ist-Vergleich der Ausgangsspannung pulsbreitengeregeltem Querschalter, dem über einen Gleichrichter eine Filteranordnung nachgeschaltet ist, woran sich eine Längstransistorstufe anschließt, welche gesättigt bleibt, solange die Eingangsspannung kleiner ist als die Sol!-Ausgangsspannung und eine Spannungsabsenkung bewirkt, wenn die Eingangsspannung größer ist als die Soll-Ausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Längstransistorstufe einen PNP-Transistor (22) aufweist, dessen Emitter an der Filteranordnung (28, 30, 32), dessen Kollektor an de*· Ausgangsklemme (19) des Wandlers und dessen Basis über eine Diode an der Eingangsklemme (17) des Wandlers liegt, so daß die Spannungsabsenkung durch einen Spannungsabfall an der Kollektor-Emitter-Strecke des PNP-Transistors erzeugt wird.