DE3405590A1 - Verlustarmer schaltregler - Google Patents

Description

• Verlustarmer Schaltregler
• Die Erfindung betrifft einen verlustarmen Schaltregler für Vermittlungs- und Ubertragungssysteme mit einer Induktivität, mit einer daran angeschlossen Freilaufdiode, mit einer in Reihe mit der Induktivität liegenden Strommeßeinrichtung und mit einem Feldeffektransistor als elektronischen Schalter.
• In Fernmeldeeinrichtungen werden Schaltregler als Konstantstromquellen eingesetzt. Der Schaltregler besteht im wesentlichen aus einer Induktivität, einer Freilaufdiode und einem elektronischen Schalter. Der elektronische Schalter wird so gesteuert, daß der gewünscht Strom fließt. Der elektronische Schalter kann hierbei über einen Stromfühler direkt angesteuert werden; ebenso kann der elektronische Schalter mit Impulsen konstanter Frequenz und geregeltem Tastverhältnis angesteuert werden. Die impulsmäßige Ansteuerung hat den Vorteil, daß die Schaltaugenblicke definiert sind und eine nicht störende Schaltfrequenz gewählt werden kann.
• Aus der deutschen Patentschrift 29 03 660 ist es bekannt, als elektronischen Schalter einen Feldeffekttransistor zu verwenden. Das Gate des Feldeffekttransistors wird über einen Spannungsteiler angesteuert.
• Die im Feldeffekttransistor erzeugte Verlustleistung ist von seinen Umschaltzeiten abhängig.
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen verlustarmen Schaltregler anzugeben, bei dem die Schaltzeiten des elektronischen Schalter verwendeten Feldeffekttransistors gering sind.
• Ausgehend von einem einleitend beschriebenen Schaltregler wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Gate des Feldeffekttransistors vom Ausgang eines niederohmigen Verstärkers über einen Koppelkondensator mit rechteckförmigen Scha lt impulsen angesteuert wird und daß ein Widerstand und/oder eine Diode zwischen dem Gate und einem den Arbeitspunkt bestimmenden Potential angeschlossen ist.
• Der Feldeffekttransistor wird Uber den Koppelkondensator niederohmig angesteuert. Hierdurch werden seine Schaltzeiten entsprechend kurz und es entsteht nur eine kleine Verlustleistung. Es können praktisch beliebige Potentialunterschiede überbrückt werden. Der Arbeitspunkt wird durch einen an das Gate angeschalteten Widerstand bestimmt, der an ein entsprechendes Potential geschaltet ist. Diesem Potential überlagern sich die rechteckigen Ansteuerimpulse. Bei der Festlegung des Arbeitspunktes durch eine Diode entspricht der Arbeitspunkt bis auf die Durchlaßspannung der Diode dem Potentialtan das die Diode angeschaltet ist. Die Ansteuerimpulse werden entsprechend unsymmetrisch diesem Potential überlagert. Der Spannungshub am Ausgang des Verstärkers darf natürlich die zulässigen Spannungen am Gate des Feldeffekttransistors nicht überschreiten, sonst ist ein Spannungsteiler vorzusehen.
• Es ist vorteilhaft, daß ein selbstsperrender Feldeffekttransistor vorgesehen ist und daß zwischen Gate- und Source-Anschluß die Parallelschaltung eines Widerstandes und einer Diode angeschlossen ist.
• Bei der Verwendung eines selbstsperrenden Feldeffekttransistors kann das Sourcepotential zur Erzeugung des Arbeitspunktes verwendet werden. Die benötigte Gate- spannung ist natürlich vom verwendeten Feldeffekttsansistortyp anhängig.
• Bei der impulsmäßigen Ansteuerung ist es zweckmäßig, daß als weiterer Verstärker ein Transistor vorgesehen ist, dessen Emitter an das erste Versorgungspotential angeschlossen ist und dessen Kollektor Ciber einen Kollektorwiderstand an das zweite Versorgungspotential und über eine Entkopplungsdiode auf einen Eingang des niederohmigen Verstärkers rückgekoppelt ist.
• Bei der gleichstromfreien Ansteuerung über einen Kondensator muß dafür gesorgt werden, daß der Abstand der Impulse nicht zu groß wird, da sonst der FET nicht mehr voll durchgesteuert wird. Dies wird erreicht, indem der über den Spannungsteiler fließende Ladestrom, der den Feldeffekttransistor aufsteuert, gemessen wird. Sinkt dieser unter einen vorgegebenen Wert, so wird außerhalb des Regelvorganges der Kondensator kurz entladen und damit der Schalttransistor kurz hochohmig. Der Regelvorgang läuft danach normal weiter.
• Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• Es zeigen Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 eine Variante zur Erzeugung der Ansteuerimpulse und Fig. 3 eine zweite Variante zur Erzeugung der Ansteuerimpulse.
• Der in Figur 1 dargestellte Schaltregler besteht aus der Reihenschaltung eines Feldeffekttransistors FT, einer Induktivität L sowie einer vom Verbindungspunkt des Feldeffekttransistors und der Induktivität nach Masse geschalteten Freilaufdiode D2. In Reihe mit der Induktivität L liegt eine Strommeßeinrichtung SM, die in den Leitungsstromkreis eingeschaltet ist. An dem nicht mit der Induktivität verbundenen Anschlußpunkt A der Strommeßeinrichtung ist die c-Ader angeschlossen.
• Relais, ohmsche Widerstände sowie der Widerstand der c-Ader sind durch einen Lastwiderstand RL symbolisiert, dessen zweiter Anschluß an Masse geschaltet ist. Über die mit ihrem Pluspol ebenfalls an Masse liegende Amtsbatterie U, deren Minuspol mit dem Source-Anschluß des Feldeffekttransistors FT verbunden ist, ist der Leitungsstromkreis geschlossen. Zwischen Gate und Source liegt eine Z-Diode Z und ein Widerstand R6.
• Der Ausgang eines niederohmigen Verstärkers OP ist über einen Koppelkondensator C4 mit dem Gate des Feldeffekttransistors FT verbunden und liegt über einem Spannungsteiler R4, R5 an einem positiven Versorgungspotential +UV. Über eine in Sperrichtung geschaltete Diode D2 ist der Ausgang des Operationsverstärkers mit einem negativen Versorgungspotential - Uv verbunden. Über den invertierenden Eingang E3 wird der Operationsverstärker angesteuert. Dieser Eingang ist über einen kapazitätiven Spannungsteiler C2, C1 mit Masse verbunden. Der Abgriff dieses Spannungsteilers ist über einen Widerstand R7 auf einen ersten Eingang E7 geführt, an dem eine Rechteckspannung mit ungleichem Tastverhältnis anliegt. Der invertierende Eingang E3 ist außerdem mit dem Meßausgang B der Strommeßeinrichtung SM verbunden. Der nichtinvertierende Eingang E4 des Operationsverstärkers OP ist mit dem Abgriff eines zwischen Masse und der positiven Versorgungsspannung +UV liegende Spannungsteilers R2, R21 verbunden.
• Zwischen den beiden Eingängen des Operationsverstärkers liegt ein Siebkondensator C3. Der Eingang eines Verstärkers V ist an den Abgriff des ohmschen Spannungsteilers R4, R5 angeschlossen, sein Ausgang über eine erste Diode D1 auf den nicht invertierenden Eingang E4 des Operationsverstärkers OP rückgekoppelt. Der Verstärker V enthält einen pnp-Transistor TR1, dessen Emitter am positiven Versorgungspotential +UV liegt, und dessen Kollektor über einen Kollektorwiderstand R3 an das negative Versorgungspotential -UV angeschlossen ist. Der Kollektor bildet den Ausgang des Verstärkers. Die Basis-Emitter-Strecke des Transistors TR1 kann durch die Emitter-Kollektor-Strecke eines zweiten pnp-Transistors TR2 kurzgeschlossen werden. Die Basis des zweiten Transistors TR2 ist auf einen Steuereingang E2 geführt, über diesen Eingang kann der Schaltregler von einer Steuerung oder Vermittlungseinrichtung außer Betrieb gesetzt werden.
• Der Strom I fließt über den Lastwiderstand RL, die Strommeßeinrichtung SM, die Induktivität L und denLFeldeffekttransistor FT vom Masseanschluß der Amtsbatterie U zum negativen Potential - UB. Ist der Feldeffekttransistor FT gesperrt, dann wird der Stromkreis über die Freilaufdiode D2 geschlossen. Spannungsquelle ist dann L. Die Ansteuerung des Feldeffekttransistors FT erfolgt mit Rechteckimpulsen Uber den Koppelkondensator C4. Durch die Z-Diode Z schwankt das Potential an dem Gate des Feldeffekttransistors gegenüber dem an dem Source-Anschluß liegenden negativen Potential -UB zwischen ca. -0,7 Volt und +9 Volt, wenn mit Versorgungsspannungen tUv von + 5 Volt gearbeitet wird. Durch den Widerstand R6 wird der Koppelkondensator C4 entladen gehalten, wenn kein Strom über den Schaltregler fließen soll. Die Z-Diode dient außerdem, wie auch die Diode D2 am Ausgang des Operationsverstärkers OP, zum Schutz der Bauelemente beim Einschalten der Spannungen. Die Größe des Stroms I wird durch den Schaltregler über die Strommeßeinrichtung und den Operationsverstärker OP geregelt. Am invervierenden Eingang E3 des Operationsverstärkers wird eine sägezahnfdrmige oder auch dreieckfdrmige Spannung erzeugt, der eine vom Strommesser SM abgegebene Regelspannung UR überlagert wird. Durch den als Komparator arbeitenden Operationsverstärker werden hierdurch Rechteckimpulse unterschiedlicher Breite erzeugt, deren Tastverhältnis die Größe des Stromes I bestimmt.
• Beim Einschalten des Schaltreglers, beispielsweise ausgelöst durch eine Belegungsanforderung, ist der Feldeffekttransistor FT zunächst gesperrt. Durch Sperren von TR2 über E2t wird veranlaßt, daß der Ausgang des Operationsverstärkers eine positive Spannung abgibt, die über den Koppelkondensator C4 den Feldeffekttransistor FT aufsteuert. Fließt, weil der Strom I noch zu klein ist, kein Ladestrom mehr über den Spannungsteiler R4, R5, so wird der Transistor TR1 über den Widerstand R5 gesperrt, über den Kollektorwiderstand R3 und die Entkopplungsdiode D1 wird der nicht invertierende Eingang E4 des Operationsverstärkers negativ, und damit wird der Feldeffekttransistor zunächst wieder gesperrt um gleich darauf wieder leitend gesteuert zu werden. Der Strom I wird größer bis der Pangbereich der Regelschaltung erreicht ist.
• In Figur 2 ist anstelle des Verstärkers V ein Komparator CO eingesetzt. Sein invertierender Eingang ist an den Abgriff des Spannungsteilers R4, R5 angeschaltetund sein Ausgang Uber einen Spannungsteiler R31, R33 mit dem negativen Versorgungspotential -UV verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Kompparators ist an eine Vergleichsspannung Uc angeschaltet.
• An seinem Ausgang liegt normalerweise die positive Versorgungsspannung +UV an, nur in der Einschaltphase des Schaltreglers liegt an seinem Ausgang zur Steuerung des Operationsverstärkers kurzzeitig die negative Versorgungsspannung -UV an. Als Betriebsspannungen werden dem Operationsverstärker OP und dem Komparator CO die VersorgungsspannuE en zugeführt Durch Begrenzung des Spannungshubes an dem invertierenden Eingang E3 des Operationsverstärkers OP kann natürlich ebenfalls dafür gesorgt werden, daß der Fangbereich nicht : verlassen wird.
• Dem in Fig. 3 dargestellten Operationsverstärker OP wird wieder die Vergleichsspannung UC zugeführt, die Jedoch periodisch negative Impulse enthält. Dem nichtinvertierenden Eingang E3 wird, wie beschrieben, eine Dreieckspannung zugeführt, die von der Regelspannung UR überlagert ist. Durch die negativen Impulse ist sichergestellt, daß der Operationsverstärker stets mit der gewünschten Frequenz zum richtigen Zeitpunkt schaltet und der Feldeffekttransistor immer angesteuert wird.
• 9 Patentansprüche 3 Figuren Leerseite

Claims (9)

1. Patentansprüche erlustarmer Schaltregler für Vermittlungs- und ertragungssysteme mit einer Induktivität (L), mit einer daran angeschlossenen Freilaufdiode es2), mit einer in Reihe mit der Induktivität (L) liegenden Strommeßeinrichtungen (SM) und mit einem Feldeffekttransistor als elektronischen Schalter, d a d u r c h g e-k e n n z e i c h n e t , daß das Gate des Feldeffekttransistors (fit) vom Ausgang eines niederohmigen Verstärkers (OP) über einen Koppelkondensator (C4) mit rechteckfdrmigen Schaltimpulsen angesteuert wird und daß ein Widerstand (R6) und/oder eine Diode (Z) zwischen dem Gate und einem den Arbeitspunkt bestimmenden Potential (-UB) angeschlossen ist.
2. 2. Schaltregler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein selbstsperrender Feldeffekttransistor (FT) vorgesehen ist und daß zwischen Gate- und Source-Anschluß die Parallelschaltung eines Widerstandes (R6) und einer Diode (Z) angeschlossen ist.
3. 3. Schaltregler nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Diode (Z) eine Z-Diode vorgesehen ist.
4. 4. Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Tastverhältnis der Schaltimpulse geregelt wird und deren Frequenz konstant ist.
5. 5. Schaltregler nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Frequenz der Schaltimpulse 64 icHz beträgt.
6. 6. Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als niederohmiger Verstärker (OP) ein OPEN-Kollektor-Verstärker vorgesehen ist, an dessen Ausgang ein Spannungsteiler an eine erste Versorgungsspannung (+Uv) angeschlossen ist, daß der Abgriff des Spannungsteilers (R4, R5) an den Ausgang eines weiteren Verstärkers (V) angeschlossen ist, dessen Ausgang auf einen Eingang (E4) des niederohmigen Verstärkers (OP) so rückgekoppelt ist, daß bei fehlendem Ausgangsstrom der niederohmige Verstärker (OP) an seinem Ausgang kurzzeitig das zweite Versorgungspotential (-Uv) abgibt.
7. 7. Schaltregler nach Anspruch 6 , d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß als weiterer Verstärker (V) ein Transistor (TR1) vorgesehen ist, dessen Emitter an das erste Versorgungspotential (+UV) angeschlossen ist und dessen Kollektor über einen Kollektorwiderstand (R3) an das zweite Versorgungspotential (-Uv) und über eine Entkopplungsdiode (D1) auf einen Eingang (E4) des niederohmigen Verstärkers (OP) rückgekoppelt ist.
8. 8. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß einem Eingang des niederohmigen Verstärkers (OP) eine Vergleichsspannung (Uc) zugeführt ist, der schmale Impulse mit der Ansteuerfrequenz überlagert sind, die den Feldeffekttransistor (FT) sperren.
9. 9. Schaltregler nach einem der vorhergehenden AnsprUche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er für die Stromeinspeisung in die c-Ader von Fernmeldevermittlungs- oder Fernmeldeübertragungssysteme vorgesehen ist.