DE3710118A1 - Schaltungsanordnung zur strombegrenzung bei einem getakteten gleichspannungswandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung bei einem getakteten Gleichspannungswand­ ler, bei dem eine Potentialtrennung zwischen Primär- und Sekundärseite besteht und bei dem die Einschaltzeiten ei­ nes Schalttransistors im Primärkreis von einem Pulsbrei­ tenmodulator verändert werden, um die Ausgangsspannung auf ihrem Sollwert und den Strom im Primärkreis unter ei­ nem kritischen Wert zu halten, wobei zur Strombegrenzung im Primärkreis die an einem Meßwiderstand abfallenden Spannungen mit einer Schwellspannung verglichen wird.

Eine Schaltungsanordnung mit diesen Merkmalen wird z. B. in einem Datenbuch der Firma SGS (SGS Power Supply Appli­ cation Manual, Juli 1985, S. 509, Fig. 6) vorgeschlagen, in dem u. a. die Verwendung einer integrierten Schaltung (UC 1846) als Pulsbreitenmodulator für getaktete Gleich­ spannungswandler erläutert wird. Der Baustein UC 1846 liegt dabei auf der Primärseite des Wandlers. Ein Stift 1 des Bausteins ist mit dem Mittenabgriff eines Spannungs­ teilers verbunden, der eine Referenzspannung herunter­ teilt. Ein Stift 3 und ein Stift 4 sind jeweils mit einem Anschluß eines Meßwiderstandes verbunden, der in Serie zum Schalttransistor im Primärkreis des Gleichspannungs­ wandlers liegt. Übersteigt die Spannung am Meßwiderstand - diese Spannung wächst mit dem Einschalten des Schalt­ transistors in aller Regel monoton an - eine zur Spannung am Mittenabgriff des Spannungsteilers proportionale Schwellspannung, so sperrt der Pulsbreitenmodulator den Schalttransistor ohne Rücksicht auf die Spannungsverhält­ nisse am Ausgang des Gleichspannungswandlers bis zum nächsten Einschaltimpuls.

Da in jedem konkreten Anwendungsfall die Eingangsspannung für den Gleichspannungswandler - bis auf geringe Schwan­ kungen - festliegt, ist die Strombegrenzung im Primär­ kreis gleichzeitig eine Begrenzung der momentanen Lei­ stungsaufnahme des Gleichspannungswandlers. Aufgrund des konstanten Wirkungsgrades des Gleichspannungswandlers wird damit auch grob (wegen der Zwischenspeicherung von Energie) die momentane Leistungsabgabe des Wandlers be­ grenzt, also auch der momentane Ausgangsstrom, solange die Ausgangsspannung auf ihrem Sollwert gehalten werden kann. Da aber länger werdende Sperrzeiten des Schalt­ transistors zu einem immer stärker werdenden Spannungsab­ fall am Ausgang führen, fällt ab einem kritischen Strom­ anstieg im Primärkreis bzw. beim Überschreiten eines ma­ ximalen Stromes im Sekundärkreis auch die Ausgangsspan­ nung, weil dann die Strombegrenzung im Primärkreis und Spannungsregelung am Ausgang zu gegensätzlichen Forderun­ gen für die Einschaltzeiten des Schalttransistors führen, die Strombegrenzung jedoch Vorrang hat. Da die übertrage­ ne Leistung jedoch die gleiche bleibt, wächst am Ausgang der Strom mit fallender Spannung.

Bei der bekannten Anordnung bedeutet das, daß die strom­ durchflossenen Bauteile im Sekundärkreis und deren Küh­ lung nach dem maximalen sekundären Kurzschlußstrom ausge­ legt werden müssen.

Ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Strombe­ grenzung so vorzunehmen, daß die stromdurchflossenen Bau­ teile im Sekundärkreis im wesentlichen nach dem maximalen Strom ausgelegt werden müssen, bei dem die Regelung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers auf ihren Sollwert noch möglich ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Schwellspan­ nung mit Hilfe eines potentialtrennenden Bausteins dann herabgesetzt wird, wenn die Ausgangsspannung unter einen vorbestimmten Bruchteil ihres Sollwertes fällt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Un­ teransprüchen entnehmbar. An Hand der Figuren und eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung mit erfindungsgemäßen Merkmalen und

Fig. 2 das Ausgangskennlinienfeld eines Gleichspannungs­ wandlers mit erfindungsgemäßer Strombegrenzung.

In Fig. 1 liegt zwischen einer Ausgangsklemme A eines nicht weiter dargestellten Gleichspannungswandlers und Bezugspotential - also in einem Querzweig im Sekundär­ kreis des Gleichspannungswandlers - die Serienschaltung eines Widerstandes R 1, einer Zener-Diode Z und der Leuchtdiode eines Optokopplers O. Der Widerstand R 1 be­ grenzt u. a. den Strom in diesem Querzweig. Über dieser Serienschaltung fällt die Ausgangsspannung Ua ab. Hat diese Spannung ihren Sollwert, ist die Zener-Diode Z durchgeschaltet und die Lichtemission der Leuchtdiode macht die Kollektor-Emitter-Strecke des Foto-Transistors des Optokopplers O leitend. Die Zündspannung der Zener- Diode ist so gewählt, daß beim Absinken der Ausgangsspan­ nung Ua auf etwa 80% ihres Sollwertes der Optokoppler O gerade noch leitend ist.

Die Kollektor-Emitter-Strecke des Fototransistors liegt in Serie zu einem Widerstand R 2 auf der Primärseite des Wandlers. Diese Serienschaltung wiederum liegt parallel zu einem weiteren Widerstand R 3, der zusammen mit der Se­ rienschaltung und einem Widerstand R 4 einen steuerbaren Spannungsteiler bildet, über dessen Anschlüsse B+ und B- eine Referenzspannung Ur abfällt. Der Mittenabgriff des Spannungsteilers ist mit dem ersten Stift St 1 eines Bau­ steins UC 1846 verbunden.

Die Spannung zwischen dem Stift St 1 und dem Anschluß B- ist am größten, wenn die Kollektor-Emitter-Strecke des Fototransistors leitend ist, und am kleinsten, wenn der Fototransistor gesperrt ist. Diese Spannung dient dem Baustein UC 1846 zur Ableitung einer Schwellspannung, die intern mit dem Spannungabfall über einem nicht einge­ zeichneten Meßwiderstand im Primärkreis des Gleichspan­ nungswandles verglichen wird. Liegt der Spannungsabfall am Meßwiderstand über der Schwellspannung, wird der eben­ falls nicht eingezeichnete Schalttransistor des Gleich­ spannungswandlers bis zum Auftreten des nächsten Ein­ schaltimpulses gesperrt; die Einschaltzeit des Schalt­ transistors wird also verkürzt. Liegt der Spannungsabfall am Meßwiderstand unter der Schwellspannung, erfolgt die Steuerung des Schalttransistors in Abhängigkeit von ande­ ren Regelgrößen.

Fällt die Ausgangsspannung Ua nach Fig. 1 unter die Zünd­ spannung der Zener-Diode Z, wird der Fototransistor ge­ sperrt. Vom Spannungsteiler sind dann nur noch die Wider­ stände R 3 und R 4 wirksam; das bedeutet, daß der Strom im Primärkreis des Spannungswandlers nun auf kleinere Werte begrenzt wird als vorher.

Fig. 2 zeigt die Folgen der Schwellspannungsänderung am Ausgang des Gleichspannungswandlers. Aufgetragen ist die Ausgangsspannung Ua als Funktion des Ausgangsstroms Ja, und zwar für den kleinsten Wert U 1 der Eingangsspannung und den größt zulässigen Wert U 2 (gestrichelte Kurve).

Die senkrechte Hilfslinie, die die Stromachse im Punk­ te Jm schneidet und durch einen Punkt a geht, deutet den maximalen Strom Jm (für die Eingangsspannung U 1) an, für den die Spannungsregelung noch auf den Sollwert Us mög­ lich ist. Bei weiter steigendem Ausgangsstrom fällt nun die Ausgangsspannung ab. Ohne die erfindungsgemäße Herab­ setzung der Stromschwelle im Primärkreis würde die Span­ nung am Ausgang in der Richtung weiterfallen, die die durchgezogene Linie rechts von der gestrichelten Senk­ rechten erkennen läßt.

Ist die Ausgangsspannung Ua etwa auf zwei Drittel ihres Sollwertes gefallen, setzt auf der Primärseite die ver­ stärkte Strombegrenzung ein. Der Ausgangsstrom Ja geht dann auf den dem Punkt b entsprechenden Wert zurück. Da­ rauf wächst der Strom erneut bei fallender Spannung; die Erklärung hierfür ist die gleiche wie für den Verlauf der Kurve rechts vom Punkt a. Die Fig. 2 läßt erkennen, daß die Stromwerte in der Nähe des Wertes Jm bleiben. Einen vollkommen analogen Verlauf erhält man, wenn die Ein­ gangsspannung auf einen Wert U 2 erkennen läßt.

Bei der Bemessung der Widerstände des Spannungsteilers ist zu beachten, daß der Punkt b unterhalb der Wider­ standsgeraden liegt, die den Nullpunkt des Kennlinienfel­ des mit dem Punkt a verbindet (strichpunktierte Linie). Ist das nämlich nicht der Fall, läuft beim Einschalten des Gleichspannungswandlers die Ausgangsspannung nicht auf den Wert Us hoch, sondern bleibt bei dem durch den Punkt b gegebenen Spannungswert stehen.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung im Primärkreis eines getakteten Gleichspannungswandlers, bei dem eine Potentialtrennung zwischen Primär- und Sekundärkreis be­ steht und bei dem die Einschaltzeiten eines Schalt­ transistors im Primärkreis von einem Pulsbreitenmodulator verändert werden, um die Ausgangsspannung auf ihrem Soll­ wert und den Strom im Primärkreis unter einem kritischen Wert zu halten, und bei dem zur Strombegrenzung im Primärkreis die an einem Meßwiderstand abfallende Spannung mit einer Schwellspannung verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellspannung mit Hilfe eines potentialtrennen­ den Bausteins (O) dann herabgesetzt wird, wenn die Aus­ gangsspannung (Ua) unter einen vorbestimmten Bruchteil ihres Sollwertes fällt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es sich bei dem potentialtrennenden Baustein um einen Optokoppler (O) handelt, dessen Leuchtdiode in Serie mit einer Zener-Diode (Z) in eine Querzweig des Sekundärkreises liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch den Transistor des Optokopplers (O) das Teilungsverhältnis eines Spannungsteilers (R 1, R 2, R 3) verändert wird, dessen Spannung am Mittenab­ griff die Schwellspannung bestimmt.