DE3701395A1

DE3701395A1 - Verfahren zum betreiben eines schaltreglers

Info

Publication number: DE3701395A1
Application number: DE19873701395
Authority: DE
Inventors: Eckhardt Gruensch
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-01-20
Filing date: 1987-01-20
Publication date: 1988-07-28
Also published as: DE3701395C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltreglers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Schaltregler mit einer Steuerschaltung in Verbindung mit einem astabilen Multivibrator zur Blockierung bzw. Freigabe des Schaltreglerstellgliedes sind prinzipiell bekannt (z. B. DE-OS 15 63 058; DE-OS 25 28 662). Bei Betrieb solcher Schaltregler über einen Vorwiderstand, insbesondere den Lei tungswiderstand eines Kommunikationsnetzes, kann der Schalt regler in einen Reglerarbeitspunkt gelangen, aus dem er selbständig nicht mehr herauskommen kann. Dieser Fall tritt beispielsweise dann ein, wenn die Belastung des Schaltreglers so groß wird, daß die Eingangsspannung des Schaltreglers kleiner wird als die halbe Speisespannung U _E und damit ein Hochlaufen des Schaltreglers nicht mehr möglich ist. Als Speisespannung U _E sei hier jene Spannung definiert, die am leitungsfernen Ende des Schaltreglers beispielsweise zwi schen den Klemmen der Amtsbatterie auftritt. Um einen solchen unerwünschten Reglerarbeitspunkt zu vermeiden, ist es prinzipiell möglich, einen Komparator zu verwenden, der eine Freigabe des Schalttransistors nur dann zuläßt, wenn eine Eingangsspannungsschwelle größer als U _E /2 überschritten wird. Ein solcher Komparator müßte für Kleinleistungswand ler, insbesondere im ISDN-Netz, in teurer C-MOS Technik realisiert werden. Der dazu erforderliche Meßspannungsteiler an der Eingangsspannung des Schaltreglers würde zusätzliche Verluste verursachen.

Aufgabe der Erfindung ist es ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruches 1 ein Verfahren zum Betrieb eines Schalt reglers anzugeben, bei dem ein unerwünschter Reglerarbeits punkt vermieden wird, ohne daß hierzu eine Auswerteeinrichtung zur Feststellung eines Schwellwertes für die Eingangs spannung nötig ist. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Schritte des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteran sprüche zeigen Ausgestaltungen dieses Verfahrens auf.

Das Verfahren nach der Erfindung hat insbesondere den Vor teil, daß keine verlustleistungserzeugende und teuere Aus werteeinrichtung zur Feststellung eines Schwellwertes für die Eingangsspannung nötig ist. Ein an einem Vorwiderstand betriebenenr Schaltregler zur Speisung der Teilnehmer über die Kommunikationsleitung funktioniert normalerweise nur bis zur Leistungsanpassung. Bei noch stärkerer Belastung würde der Schaltregler noch mehr Strom aufnehmen, was zur Folge haben würde, daß der Spannungsabfall am Leitungswiderstand größer werden würde als die Eingangsspannung U _ce am Schalt regler. Der Schaltregler würde in diesem Zustand verharren (U _ce<U _E/2) und es wäre keine Reglung mehr möglich. Mit den Maßnahmen der Erfindung wird ein solches Verhalten wirksam unterbunden.

Das Verfahren nach der Erfindung wird nun anhand eines Schaltregler-Stromlaufplanes näher erläutert. Der Schalt regler ist vom Typ eines Sperrwandlers mit galvanischer Trennung zwischen Primär- und Sekundärkreis. Dazu ist die Speicherdrossel L des Schaltreglers mit drei getrennten Wicklungen w 1, w 2 und w 3 versehen. Er weist ein Schaltreg lerstellglied - Feldeffekttransistor T 1 - auf, welches über eine Steuerschaltung St in seinen Einschaltzustand gesteuert wird. Die Steuerschaltung St enthält einen Vierfach-Schmitt- Trigger bestehend aus den Baugruppen D 11, D 12, D 13, D 14.

Insgesamt wirken diese Baugruppen als Pulsfrequenzmodula tionsstufe mit Puls-Pausen-Regelung über die Ausgangsspannung U _A für den Feldeffekttransistor T 1, wie nachfolgend noch detailliert beschrieben wird. Die Amplitude der Aus gangsgleichspannung U _A des Schaltreglers wird über den Spannungsteiler R 1, R 2 festgestellt und über den Regelver stärker RV und den Optokoppler - Fotodiode FD und Foto transistor FT - in die Steuerschaltung St übertragen. Die Speisespannung U _E wird über den Leitungswiderstand R _L des Kommunikationsnetzes zum Eingangskondensator C _e des Schalt reglers geführt. Die Eingangsspannung U _ce für den Schalt regler ist demnach die Spannung am Kondensator C _e. Dem Eingangskondensator C _e ist die Serienschaltung, bestehend aus Primärwicklung w 1 der Speicherdrossel L, Schaltstrecke des Feldeffekttransistors F 1 und Strommeßwiderstand R 3, parallelgeschaltet. Der Längsregler LR, bestehend aus dem Feldeffekttransistor T 2 den Widerständen R 4, R 5, R 6 und dem Transistor T 3, ist an den Eingangskondensator C _e angeschlossen und erfaßt die Ladespannung des Kondensators C _e. Der Widerstand R 4 ist der Drain-Gate-Widerstand des Feldeffekt transistors T 2. Die Widerstände R 5 und R 6 liegen in Serie zur Schaltstrecke des Feldeffekttransistors T 2 und bilden einen Spannungsteiler für die Ansteuerung des Transistors T 3.

Das Schaltspiel der Steuerschaltung St ist folgendermaßen: Nach Anlegen der Speisespannung U _E geht der Längsregler LR in Betrieb. Der astabile Multivibrator AM, bestehend aus dem Schmitt-Trigger D 11, dem Widerstand R 8 und dem Kondensator C 1 als frequenzbestimmendes Glied, schaltet am Ausgang auf Low-Potential, da der Kondensator C 1 entladen ist und beide Eingänge von D 11 H-Potential führen. Das L-Potential am Ausgang von D 11 bewirkt, daß er nachgeschaltete Schmitt- Trigger D 12 an seinem Ausgang H-Potential führt. Über die Diode V 1 wird der Kondensator C 2 geladen. Über den Wider stand R 7 gelangt vom Ausgang des Bausteins D 11 L-Potential zum einen Eingang des Schmitt-Triggers D 13. Der Ausgang von D 13 führt daher H-Potential und ermöglicht ein Laden des Kondensators C 3 über die Diode V 2. Der Schmitt-Trigger D 14 führt am Ausgang L-Potential, welches den Feldeffekttransistor T 1 blockiert hält. Die Blockierung wird so lange aufrecht erhalten, bis sich der Eingangskondensator C _e auf die Speisespannung U _E aufgeladen hat. Über den nun leitend gesteuerten Längsregler-Transistor T 2 kann sich der Konden sator C 1 über den Widerstand R 8 aufladen. Nach Unterschrei ten der Schmitt-Trigger-Schwelle von D 11 springt das Aus gangspotential von D 11 von L auf H. Über den Widerstand R 7 erhält der Schmitt-Trigger D 13 H-Potential. Damit springt sein Ausgang auf L-Potential. Der Schmitt-Trigger D 12 führt nun an beiden Eingängen H-Potential. Sein Ausgang springt auf L-Potential, was zur Freigabe des Anlaufkondensators C 2 ("Soft Start") führt.

Der Kondensator C 3 kann sich zunächst noch nicht entladen, weil über den sich jetzt erst entladenden Kondensator C 2 das Emitter-Potential des Transistors T 4 so weit angehoben ist, daß dieser noch sperrt. Mit dem weiteren Entladen von C 2 kann der Transistor T 4 allmählich mit sehr kleinem Strom leitend werden und mit diesem Strom den Kondensator C 3 langsam entladen. Diese Entladung führt dazu, daß die Schmitt-Trigger-Schwelle von D 14 unterschritten wird und T 1 leitend gesteuert wird. Bei leitendem Schaltregler-Stellglied - Feldeffekttransistor T 1 - fließt ein ansteigender Energieaufnahmestrom i _E über w 1 in die Speicherdrossel L. Mit dem Strommeßwiderstand R 3 wird dieser Energieaufnahme strom i _E erfaßt. Sobald der Spannungsabfall an R 3 einen vorgegebenen Maximalwert erreicht, wird der Transistor T 5 leitend. Am Ausgang des Schmitt-Triggers D 13 erscheint H-Potential und demzufolge am Ausgang des Schmitt-Triggers D 14 L-Potential, was zum Abschalten des Feldeffekttran sistors T 1 führt. Die Energieaufnahmestromamplitude ist daher immer gleich. Wenn am Ausgang des Schmitt-Triggers D 13 H-Potential erscheint, kann der Kondensator C 3 schlagartig geladen werden. Der maximale Entladestrom J _max des Konden sators C 3 und damit die maximale Schaltfrequenz des Schalt reglers ergibt sich zu:

da der Fototransistor FT hierbei nicht leitend ist und der Ausgang von D 13 weiter L-Potential führt. Die Spannung U _{R 10} fällt am Widerstand R 10 ab, der zwischen dem Ausgang des Transistors T 3 und dem Basiseingang des Transistors T 4 angeordnet ist. Dieser Widerstand R 10 entkoppelt den Kondensator C 4 von der Zenerdiode ZD 1. Es gilt:

U _{R 10} « U _{BE (T 4)}.

Der Transistor T 4 wirkt als gesteuerte Stromquelle. Die Steuerung erfolgt in Abhängigkeit der Ausgangsspannung U _A des Schaltreglers über den Fototransistor FT des Optokopp lers. Der parallel zum Fototransistor FT angeordnete Kondensator C 4 integriert die Welligkeit der Ausgangsspannung. Die gesteuerte Stromquelle entlädt den Kondensator C 3, der das Puls-Pausenverhältnis zur Ansteuerung des Feldeffekttransistors T 1 bestimmt. Zu Beginn - Kondensator C 3 voll geladen - ergibt sich eine lange Pausenzeit, die sich mit fortlaufender Entladung bei weiteren Schaltspielen verkürzt (Soft- Start). Nach dem Anlaufen wird der Entladestrom des Kondensators C 3 durch den Spannungsabfall am Fototransistor FT bestimmt, der wiederum von der Höhe der Ausgangsspannung U _A des Schaltreglers abhängt. Somit wird die Pausenzeit in Angängigkeit der Ausgangsspannung U _A gesteuert. Durch den in seiner Höhe konstanten Energieaufnahmestrom i _E wird die aufgenommene Leistung begrenzt und eine Kurzschlußfestigkeit des Schaltreglers erreicht.

Befindet sich der Schaltregler im Betriebszustand U _ce U _E /2, so befindet sich sowohl die Ausgangsspannung U _A als auch die Hilfsspannung U _H unterhalb ihres Nennwertes und der Längsregler LR regelt die Hilfsspannung U _H auf einen etwas kleineren Wert. Dies bedeutet, daß der astabile Multivibrator AM aktiv wird und den Schaltregler für eine bestimmte Zeit blockiert, so daß ein Anlaufen wie zuvor beschrieben stattfinden kann. Nach dem Anlaufen wird die Hilfsspannung U _H über die Hilfswicklung w 3 der Speicherdrossel L und der Diode V 2 auf einen etwas höheren Wert geregelt. Dies hat zur Folge, daß der Transistor T 3 voll leitend wird und den astabilen Multivibrator außer Betrieb setzt. Gleichzeitig wird der Transistor T 2 gesperrt und die Stromentnahme aus der Eingangsspannung unterbrochen.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Schaltreglers über einen Vorwiderstand, insbesondere den Leitungswiderstand (R _L ) eines Kommunikationsnetzes, wobei eine Steuerschaltung in Verbindung mit einem astabilen Multivibrator (AM) zur Blockierung bzw. Freigabe des Schaltreglerstellgliedes (T 1) vorgesehen ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- nach Anlegen der Eingangsspannung (U _E ) wird der Schalt regler solange blockiert bis sichergestellt ist, daß sich der Eingangskondesator (C _e) des Schaltreglers auf die angelegte Eingangsspannung aufgeladen hat,
- anschließend wird der Schaltregler durch den astabilen Multivibrator (AM) zum Anlaufen freigegeben,
- wenn der Schaltregler in einen Regelbereich kommt, bei dem die Spannung (U _ce) am Schaltreglereingang kleiner wird als die halbe Speisespannung (U _E ), aktiviert ein Längsregler (LR) den astabilen Multivibrator (AM), der den Schaltregler solange blockiert, bis die Freigabe zum Anlaufen des Schaltreglers erfolgen kann,
- nach dem Anlaufen wird über eine Hilfsspannung (U _H ) des Schaltreglers der Längsregler (LR) gesperrt und der astabile Multivibrator (AM) außer Betrieb gesetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit des astabilen Multivibrators (D 11) über eine Spannung an der Hilfswicklung (w 3) der Schaltreg ler-Speicherdrossel (L) gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieaufnahmestrom (i _E ) des Schaltreglers gemessen wird, daß bei Erreichen eines bestimmten Energieaufnahme stromes (i _E ) das Schaltreglerstellglied (T 1 ) abgeschaltet wird und somit immer eine konstante Energieaufnahme des Schaltreglers erreicht wird, und daß das Puls-Pausen- Verhältnis des Schaltreglerstellgliedes (T 1) durch die Ausgangsspannung (U _A ) des Schaltreglers bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Längsreglers (LR) die Speisespannung (U _E ) des Schaltreglers erfaßt wird und eine konstante Versorgungsspannung für die Steuerschal tung des Schaltreglers zur Verfügung gestellt wird.