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Freischwingender Tiefsetz-Schaltregler
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Die Erfindung betrifft einen freischwingenden Tiefsetz-Schaltregler
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es ist allgemein bekannt, zur Erzeugung einer geregelten Gleichspannung
aus einer höheren, ungeregelten Gleichspannung das Schaltungsprinzip des Tiefsetz-Schaltreglers
zu verwenden. Ein derart ausgestalteter Sekundärschaltregler weist einen hohen Wirkungsgrad
auf.
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Bei einem Tiefsetz-Schaltregler wird eine Induktivität impulsweise
über einen Schalttansistor mit Strom geladen, wobei der Strom während der Sperrphase
des Schaltransistors über eine Freilaufdiode durch die Induktivität und eine angeschlossene
Last aufrechterhalten wird.
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Hierbei weisen freischwingende Schaltregler den Vorteil auf, daß sie
wenige Bauteile aufweisen, und keinerlei Einschränkungen bezüglich des Tastverhältnisses
und der Regelgeschwindigkeit unterliegen.
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Wenn Leistungen über wenige Watt benötigt werden, werden jedoch fast
ausschließlich Festfrequenz-Tiefsetzschaltregler verwendet, da diese ein definiertes
Schaltverhalten sicherstellen und eine genaue Regelung der Ausgangsspannung ermöglichen.
Sekundärschaltregler, insbesondere Tiefsetz-Schaltregler sind in dem Buch "Halbleiterschaltungstechnik"
von Tietze und Schenk im Kapitel 16.5.1 Seite 391 und ff.) beschrieben. Bei diesen
Festfrequenz-Tiefsetz-Schaltreglern wird der Schalttransistor über einen Pulslängenmodulator
ein- und ausgeschaltet. Die Frequenz ist hierbei durch einen Oszillator bestimmt,
und das Pulspausenverhältnis, das heißt das Tastverhältnis
durch
den Vergleich der Ausgangsspannung mit einer vorgegebenen Istspannung bestimmt.
Ein solcher Sekundärschaltregler enthält aufwendige und kostenintensive Bausteine,
wobei das Tastverhältnis und die Regelgeschwindigkeit aufgrund der verwendeten Bausteine
Einschränkungen unterworfen sind.
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Es ist Aufgabe der Erfindung einen Tiefsetz-Schaltregler für höhere
Leistungen anzugeben, der hinsichtlich Tastverhältnis und Regelgeschwindigkeit keinerlei
Einschränkungen unterworfen ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Tiefsetz-Schaltreglers besteht darin,
daß nur wenige einfache Bauteile erforderlich sind.
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Dadurch, daß die Referenzspannung über einen Widerstand am nichtinvertierenden
Eingang des Vergleichers anliegt, ist eine Verfälschung der Referenzspannung ausgeschlossen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles erläutert.
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Dabei zeigen Fig. 1 den erfindungsgemäßen Tiefsetz-Schaltregler, und
Fig. 2 Impulszustände auf einigen Leitungen des Tiefsetz-Schaltreglers.
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Der in Fig. 1 dargestellte Tiefsetz-Schaltregler weist Eingangsklemmen
El, E2 und Ausgangsklemmen Al, A2 auf,
wobei die Eingangsklemme
E2 und die Ausgangsklemme A2 miteinander verbunden sind. Zwischen die Eingangsklemmen
El, E2, an denen eine Eingangsspannung UE anliegt, ist ein Eingangskondensator CE,
und zwischen die Ausgangsklemmen Al und A2, an denen eine Ausgangsspannung UA abgreifbar
ist, ist ein Ausgangskondensator CA geschaltet. Die Eingangsklemme El ist über die
Reihenschaltung aus der Emitterkollektorstrecke eines Schalttransistors T1 und einer
Induktivität L mit der Ausgangsklemme Al verbunden. Die Ausgangsklemme A2 ist über
eine in Flußrichtung gepolte Freilaufdiode D mit dem Kollektor des Schalttransistors
T1 verbunden. Die Basis des Schalttransistors T1 ist über die Reihenschaltung aus
einem Widerstand R1 und der Kollektoremitterstrecke eines Steuertransistors T2 mit
der Eingangsklemme E2 bzw. der Ausgangsklemme A2 verbunden. Weiter ist ein Vergleicher
V vorgesehen, der an seinem nicht näher bezeichneten Ausgang eine Vergleicherspannung
UV über einen Widerstand R3 auf die Basis des Steuertransistors T2 gibt, an dessen
invertierenden Eingang die Ausgangsspannung UA anliegt, und dessen nicht invertierender
Eingang über einen Widerstand R2 mit einer nicht näher bezeichneten Klemme verbunden
ist, an der eine Referenzspannung UR anliegt.
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Erfindungsgemäß ist der Ausgang des Vergleichers über einen Kondensator
C auf den nichtinvertierenden Eingang rückgekoppelt. Eine Spannung UP am nichtinvertierenden
Eingang ist die Summe, aus der über den Kondensator C rückgekoppelten Vergleicherspannung
UV und der über den Widerstand R2 angelegten Referenzspannung UR. Durch die Referenzspannung
UR ist in an sich bekannter Weise der Wert der Ausgangsspannung UA bestimmt.
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In Fig. 2 ist jeweils in Abhängigkeit von der Zeit t in Zeile 1 der
Strom IT durch den Schalttransistor Tl, in Zeile 2 der Strom ID durch die Freilaufdiode
D, in Zeile 3 die Vergleicherspannung UV, und in Zeile 4 die Ausgangsspannung UA
und die Spannung am nichtinvertierenden Eingang UP dargestellt. Einschaltzeitpunkte
des Schalttransistors T1 sind Zeitpunkte tl, t3, t5, und Ausschaltzeitpunkte sind
die Zeitpunkte t2, t4 und t6.
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Im folgenden wird die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Tiefsetz-Schaltreglers
unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.
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Der Erfindung liegt das Prinzip des freischwingenden Tiefsetz-Schaltreglers
zugrunde. Der Vergleicher V vergleicht die Ausgangsspannung UA mit einer vorgegebenen
Referenzspannung UR. Wenn die Ausgangsspannung UA unter die vorgegebene Referenzspannung
UR sinkt, so gibt der Vergleicher V zum Einschaltzeitpunkt tl an seinem Ausgang
die Vergleicherspannung UV auf die Basis des Steuertransistors T2, die einen der
logischen 1 entsprechenden Wert aufweist. Hierdurch wird der Schalttransistor T1
leitend geschaltet, wodurch der Strom IT durch den Schalttransistor T1 zunimmt und
der Strom ID durch die Freilaufdiode D abnimmt. Über den Kondensator C wird ein
Teil der Vergleicherspannung UV auf den nichtinvertierenden Eingang zurückgekoppelt.
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Wenn der Wert der Ausgangspannung UA zum Ausschaltzeitpunkt t2 den
Wert der Referenzspannung UR erreicht bzw. übersteigt, so wird über die Vergleicherspannung
UV der Steuertransistor T2 und damit auch der Schalttransistor T1 gesperrt. Die
Vergleicherspannung weist jetzt
einen der logischen 0 entsprechenden
den Wert auf, und somit wird auf den nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers
V eine negative Spannung zurückgekoppelt.
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Diese Spannung weist betragsmäßig den gleichen Wert auf, wie die zum
Einschaltzeitpunkt tl. Durch die Rückkopplung einer sogenannten Hysteresespannung,
die beispielsweise 0,6 Volt beträgt, wird ein sofortiges Wiedereinschalten des Vergleichers
V nach dem Ausschaltzeitpunkt t2 verhindert. Die Abnahme dieser Hysteresespannung
ab dem Zeitpunkt tl bzw. die Zunahme ab dem Zeitpunkt t2 ist durch den Wert des
Widerstandes R2 und den Wert des Kondensators C bestimmt. Die Welligkeit der Ausgangsspannung
UA ist durch den Wert der Induktivität L und den Wert des Ausgangskondensators CA
bestimmt.
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Ab dem Zeifpunkt t3 wiederholt sich der gleiche Vorgang wie ab dem
Zeitpunkt tl.
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Durch die zurückgekoppelte Hysteresespannung vom Ausgang des Vergleichers
V auf dessen nichtinvertierenden Eingang wird über den Steuertransistor T2 der Schalttransistor
T1 für eine vorgebbare Zeit (Widerstand R2, Kondensator C) gesperrt. Hierdurch ist
ein sicherer Schaltbetrieb des Tiefsetz-Schaltreglers gewährleistet, wobei keine
Verfälschung der Referenzspannung UR in Kauf genommen werden muß.
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2 Patentansprüche 2 Figuren
Bezugszeichenliste El,
E2 Eingangsklemmen Al, A2 Ausgangsklemmen UE Eingangsspannung UA Ausgangsspannung
CE Eingangskondensator CA Ausgangskondensator T1 Schalttransistor T2 Steuertransistor
L Induktivität D Freilaufdiode R1- R3 Widerstände V Vergleicher UV Vergleicherspannung
C Kondensator UR Referenzsspannung IT Strom durch Schalttransistor ID Strom durch
Freilaufdiode UP Spannung am nichtinvertierenden Eingang tl,t3, Einschaltzeitpunkte
t5 t2, t4,Ausschaltzeitpunkte t6
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