DE3726123A1 - Circuit for operating a DC load - Google Patents

Circuit for operating a DC load

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Abstract

A switched-mode power supply (1) is used for operating a DC load from a DC or AC voltage source. The switched-mode power supply has a transformer having a semiconductor switch which is connected in series with its primary winding and whose control connection is connected to a feedback path. In addition, a diode is now connected to this control connection, the other pole of which diode is connected to a variable DC voltage source and to a control current dissipation path. The timing of the conducting phase of the DC voltage source (6) is determined in accordance with the magnitude of the DC voltage applied to the diode from said DC voltage source (6). In consequence, the switching-on duration of the semiconductor switch can be varied, as a result of which the magnetic energy stored in the transformer can be controlled over a wide range. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Betreiben eines Gleichstromverbrauchers an einer Gleich- oder Wechselspannungsquelle, insbesondere eines Elektromotors vorzugsweise in einem Elektrokleingerät, wobei die Schaltung als Schaltnetzteil mit einem einen Übertrager aufweisenden Sperrwandler und mit einem in Reihe mit der Primärwicklung des Übertragers ge­ schalteten, mit seinem Steueranschluß an eine Rückkopplung angeschlossenen Halbleiterschalter ausgebildet ist.The invention relates to a circuit for operating a DC consumer at a DC or AC voltage source, especially an electric motor, preferably in one Small electrical appliance, the circuit as a switching power supply with a flyback converter having a transformer and with one in series with the primary winding of the transformer switched, with its control connection to a feedback connected semiconductor switch is formed.

Bei Elektrokleingeräten, z. B. bei Rasierapparaten werden Antriebsmotoren verwendet, die konstruktionsbedingt mit vergleichsweise niedriger Gleichspannung betrieben werden, wobei aber die äußere Versorgungsspannung z. B. 220 Volt beträgt. Zum Heruntersetzen dieser Versorgungsspannung ist es bekannt, Schaltnetzteile zu verwenden. Auch kennt man bereits Schaltungsanordnungen, bei denen die Versorgung eines Gleichstrommotors oder dergleichen Gleichstromver­ braucher bei variabler Eingangsspannung möglich ist, ohne daß dazu ein manuelles Umschalten erfolgen muß.For small electrical appliances, e.g. B. in shavers Drive motors used with the design comparatively low DC voltage are operated, but where the external supply voltage z. B. 220 volts is. To reduce this supply voltage is it is known to use switching power supplies. You also know already circuit arrangements in which the supply a DC motor or the like DC power user with variable input voltage is possible without that manual switchover is required.

Durch die EP 00 57 910 ist eine solche Schaltung bekannt, bei der ein Netzbetrieb oder wahlweise ein Batteriebetrieb des Motors oder dgl. vorgesehen ist. Für einen ausschließ­ lichen Netzbetrieb ohne Akkumulator ergibt sich bei dieser Schaltung jedoch nicht der Regelumfang zum Betreiben in dem geforderten Eingangsspannungs- und Leistungsbereich. Such a circuit is known from EP 00 57 910, where a mains operation or alternatively a battery operation of the engine or the like is provided. For an exclusive Lichen network operation without an accumulator results in this Circuit however not the scope of rules for operating in the required input voltage and power range.  

Durch eine vergleichsweise aufwendige Regelschaltung könnte man dies zwar erreichen, jedoch können solche Schaltungen aus Platzgründen meist nicht in elektrischen Kleingeräten untergebracht werden. Außerdem ist durch den erforder­ lichen Schaltungsaufwand eine insbesondere bei Serien­ geräten ins Gewicht fallende Verteuerung vorhanden.A comparatively complex control circuit could you can achieve this, however, such circuits usually not in small electrical devices for reasons of space be accommodated. It is also required by the Liche circuit effort especially in series significant price increases.

Aufgabe der vorliegen Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die ohne manuelle Eingangsspannungsumschaltung zum Betreiben eines Gleich­ stromverbrauchers oder dgl. geeignet ist, wobei auch ein ausschließlicher Netzbetrieb möglich sein soll. Der Schal­ tungsaufwand soll dabei so klein gehalten sein, daß auch gut ein Unterbringen in räumlich beengten Elektrokleingeräten möglich ist. Schließlich soll durch Verwendung handels­ üblicher Bauteile auch der Kostenaufwand in Hinblick auf eine Serienfertigung kleingehalten werden.The object of the present invention is a circuit of the type mentioned at the outset, without manual Input voltage switchover to operate a DC current consumer or the like. Is suitable, also a exclusive network operation should be possible. The scarf processing effort should be kept so small that also good housing in confined electrical appliances is possible. Finally, by using trade usual components also the cost in terms of series production can be kept small.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorge­ schlagen, daß der Steueranschluß des Halbleiterschalters zusätzlich an den einen Pol einer Diode angeschlossen ist, deren anderer Pol mit einer veränderbaren Gleich­ spannungsquelle sowie einem Steuerstromableitpfad ver­ bunden ist.To solve this problem, the invention provides suggest that the control terminal of the semiconductor switch additionally connected to one pole of a diode is whose other pole has a changeable equal voltage source and a control current leakage path ver is bound.

Dadurch kann der Halbleiterschalter in seiner Einschalt­ dauer variiert werden, indem die Vorspannung an der Diode variiert und somit der Zeitpunkt ihrer Leitphase bestimmt wird. Somit kann die im Übertrager gespeicherte magnetische Energie in einem weiten Bereich gesteuert werden. Durch diese Schaltung läßt sich über die Schalt­ diode eine Regelung mit vergleichsweise geringem Aufwand durchführen.This enables the semiconductor switch to be switched on duration can be varied by the preload on the Diode varies and therefore the time of its leading phase is determined. Thus, the one stored in the transmitter controlled magnetic energy in a wide range will. This circuit can be switched diode control with comparatively little effort carry out.

Zweckmäßigerweise dient als Gleichspannungsquelle ein Operationsverstärker, der vorzugsweise symmetrisch stromversorgt ist und eine relativ zu einem Bezugspo­ tential von negativem zu positivem Potential variable Ausgangsspannung liefert.Expediently serves as a DC voltage source Operational amplifier, which is preferably symmetrical  is powered and a relative to a reference Po potential from negative to positive potential variable Output voltage supplies.

Dadurch ist ein sehr großer Regelbereich und damit das Betreiben eines Verbrauchers in einem weiten Bereich an unterschiedlichen Spannungen möglich.This is a very large control range and therefore that Operate a consumer in a wide range different voltages possible.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher er­ läutert.Additional embodiments of the invention are in the further subclaims listed. Below is the Invention based on an embodiment he closer purifies.

Die einzige Figur zeigt:The only figure shows:

Eine Schaltung eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteiles.A circuit of a switching power supply according to the invention.

Die gezeigte Schaltung bildet ein Schaltnetzteil 1 und weist einen Übertrager 2 mit einer Primärwicklung 3 und einer Sekundärwicklung 4 auf. In Reihe mit der Primär­ wicklung 3 ist als Halbleiterschalter ein Transistor T 1 geschaltet.The circuit shown forms a switching power supply 1 and has a transformer 2 with a primary winding 3 and a secondary winding 4 . In series with the primary winding 3 , a transistor T 1 is connected as a semiconductor switch.

An den einen Anschluß B der Sekundärwicklung 4 ist ein Rückkopplungsnetzwerk 5 mit den RC-Gliedern R 4 und C 3 sowie R 5 und C 4 angeschlossen, welches andererseits mit dem Steueranschluß (Basis) des Transistors T 1 verbunden ist.At one terminal B of the secondary winding 4 , a feedback network 5 with the RC elements R 4 and C 3 and R 5 and C 4 is connected, which on the other hand is connected to the control terminal (base) of the transistor T 1 .

Erfindungsgemäß ist nun zusätzlich an die Basis des Transistors T 1 ein Pol einer Diode D 3 angeschlossen, deren anderer Pol mit einer veränderbaren Gleichspannungs­ quelle 6 sowie einem Steuerstromableitpfad 7 verbunden ist. Je nach der an dem Punkt A anliegenden und von der Gleichspannungsquelle 6 geliefertem Spannungspotential wird der Zeitpunkt beeinflußt, wo die Diode D 3 leitend wird und den über das Rückkopplungsnetzwerk 5 fließenden Steuerstrom über den Steuerstromableitpfad 7 ableitet. According to the invention, a pole of a diode D 3 is now additionally connected to the base of the transistor T 1 , the other pole of which is connected to a variable DC voltage source 6 and a control current discharge path 7 . Depending on the voltage potential present at point A and supplied by the DC voltage source 6 , the point in time is influenced when the diode D 3 becomes conductive and the control current flowing via the feedback network 5 is discharged via the control current leakage path 7 .

Sowie dies erfolgt, sperrt der Transistor T 1. Die Ein­ schaltdauer des Transistors T 1 kann somit variiert werden, wodurch die im Übertrager 2 magnetisch gespei­ cherte Energie in weitem Bereich gesteuert werden kann. Im Ausführungsbeispiel ist als Halbleiterschalter ein npn-Transistor vorgesehen und dementsprechend ist an die Basis dieses Transistors die Anode der Diode D 3 angeschlossen. An die Kathode dieser Diode ist als Steuerstromableitpfad 7 ein Kondensator C 5 vorgesehen. Außerdem ist die Kathode an den Ausgang eines die Gleichspannungsquelle 6 bildenden Operationsverstärkers angeschlossen.As soon as this takes place, the transistor T 1 blocks. The on time of the transistor T 1 can thus be varied, whereby the magnetically stored energy in the transmitter 2 can be controlled in a wide range. In the exemplary embodiment, an npn transistor is provided as the semiconductor switch and the anode of the diode D 3 is accordingly connected to the base of this transistor. A capacitor C 5 is provided on the cathode of this diode as a control current discharge path 7 . In addition, the cathode is connected to the output of an operational amplifier forming the DC voltage source 6 .

Eine Besonderheit hierbei ist, daß dieser Operations­ verstärker 6 symmetrisch stromversorgt wird, so daß an seinem Ausgang eine relativ zu einem Bezugspotential negative oder positive, variable Ausgangsspannung ge­ liefert werden kann. Dadurch ergibt sich ein sehr großer Regelbereich, so daß die an die Eingangsklemmen 8 und 9 angelegte Eingangsspannung über einen großen Bereich variieren kann und die Ausgangsleistung konstant gehalten bzw. geregelt wird.A special feature here is that this operational amplifier 6 is supplied with symmetrical power so that a negative or positive, variable output voltage can be supplied at its output relative to a reference potential. This results in a very large control range, so that the input voltage applied to the input terminals 8 and 9 can vary over a wide range and the output power is kept constant or regulated.

Die Stromversorgung des Operationsverstärkers 6 erfolgt über eine doppelte Einweggleichrichterschaltung, wobei über die Diode D 4, geglättet bzw. gepuffert durch den Kondensator C 6 positive Spannung und über die Diode D 5, gepuffert durch den Kondensator C 7 negative Spannung zugeführt wird. Da sich in der Leitphase und in der Sperrphase des Transistors T 1 jeweils die Polarität an der Sekundärwicklung 4 umkehrt, kann diese doppelte Einweggleichrichterschaltung zur Anwendung kommen.The operational amplifier 6 is supplied with power via a double one-way rectifier circuit, positive voltage being supplied via the diode D 4 , smoothed or buffered by the capacitor C 6, and via the diode D 5 , buffered by the capacitor C 7 . Since the polarity of the secondary winding 4 is reversed in the conducting phase and in the blocking phase of the transistor T 1 , this double one-way rectifier circuit can be used.

Als Operationsverstärker 6 ist ein Differenzverstärker vorgesehen, der mit einem ersten Eingang (-) an eine Referenzspannung angeschlossen, die durch die Spannungs­ teilerwiderstände R 6, R 7 und R 8 sowie die Diode D 6 gebildet ist.A differential amplifier is provided as an operational amplifier 6 , which is connected with a first input (-) to a reference voltage, which is formed by the voltage divider resistors R 6 , R 7 and R 8 and the diode D 6 .

ln der Sperrphase des Transistors T 1 wird über die Diode D 7 der für den Gleichstromverbraucher vorgesehene Arbeitsstrom abgeleitet. Im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel ist als Gleichstromverbraucher ein Akkumulator 10 und parallel dazu über einen Schalter 11 zuschaltbar, ein Motor 12 vorgesehen.In the blocking phase of the transistor T 1 , the working current provided for the direct current consumer is derived via the diode D 7 . In the present exemplary embodiment, an accumulator 10 is connected as a direct current consumer and can be connected in parallel via a switch 11 , a motor 12 is provided.

Der durch den Akkumulator 10 bzw. den Motor 12 fließende Strom erzeugt an dem Widerstand R 10 eine dem Strom pro­ portionale Spannung, welche über den Widerstand R 12 dem zweiten Eingang (+) des Operationsverstärkers 6 als Regelgröße zugeführt wird. Eine zweite Regelstrecke wird bei geöffnetem Motorschalter aktiviert, wenn die Akkuspannung, bedingt durch den Ladezustand der Zellen, eine Größe annimmt, die die Schwellspannung der Zener- Diode D 8 überschreitet. Dadurch wird ein vom Ladezustand abhängiger Ladestrom erreicht. Zu dieser Ladestromrege­ lung gehören noch die Bauteile D 9, R 9, R 11 und C 8. Die Dioden D 6, D 8, D 9, haben einen negativen Temperaturko­ effizienten und können so zur Temperaturkomensation des Ladestromes herangezogen werden. Dabei kann die Diode D 8 mit mit dem Akkumulator auch in thermischen Kontakt gebracht werden, wodurch eine gute thermische Über­ wachung des Akkus erreicht werden kann.The current flowing through the accumulator 10 or the motor 12 generates a voltage proportional to the current at the resistor R 10 , which voltage is supplied via the resistor R 12 to the second input (+) of the operational amplifier 6 as a controlled variable. A second controlled system is activated when the motor switch is open when the battery voltage, due to the state of charge of the cells, assumes a size that exceeds the threshold voltage of the Zener diode D 8 . A charging current that is dependent on the state of charge is thereby achieved. To this charge current regulation still belong the components D 9 , R 9 , R 11 and C 8 . The diodes D 6 , D 8 , D 9 , have a negative Temperaturko efficiency and can thus be used for temperature compensation of the charging current. The diode D 8 can also be brought into thermal contact with the accumulator, as a result of which good thermal monitoring of the accumulator can be achieved.

Erwähnt sei noch, daß durch die besondere Auslegung und Ausbildung des Rückkopplungsnetzwerkes 5, insbesondere mit dem Widerstand R 5 und dem Kondensator C 4 insbeson­ dere ein schnelles Aufsteuern des Transistors T 1 und somit geringe Verlustleistungen erreichbar sind. Auch dies ist wegen der Unterbringung unter beengten Verhält­ nissen in Elektrokleingeräten von Bedeutung. It should also be mentioned that the special design and configuration of the feedback network 5 , in particular with the resistor R 5 and the capacitor C 4, in particular enables the transistor T 1 to be turned on quickly and thus low power losses can be achieved. This is also important because of the confined space in small electrical appliances.

Alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesent­ lich sein.All in the description, the claims and the drawing Features shown can be both individually and essential to the invention in any combination be.

Claims (8)

1. Schaltung zum Betreiben eines Gleichstromverbrauchers an einer Gleich- oder Wechselspannungsquelle, insbesondere eines Elektromotors vorzugsweise in einem Elektrokleingerät, wobei die Schaltung als Schaltnetzteil mit einem einen Übertrager aufweisen­ den Sperrwandler und mit einem in Reihe mit der Primärwicklung des Übertragers geschalteten, mit seinem Steueranschluß an eine Rückkopplung ange­ schlossenen Halbleiterschalter ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuer­ anschluß des Halbleiterschalters (T 1) zusätzlich an den einen Pol einer Diode (D 3) angeschlossen ist, deren anderer Pol mit einer veränderbaren Gleich­ spannungsquelle (6) sowie einem Steuerstromableit­ pfad (7) verbunden ist.1. Circuit for operating a direct current consumer at a direct or alternating voltage source, in particular an electric motor, preferably in a small electrical appliance, the circuit as a switched-mode power supply having a transformer, the flyback converter and having a control terminal connected in series with the primary winding of the transformer a feedback connected semiconductor switch is formed, characterized in that the control connection of the semiconductor switch ( T 1 ) is additionally connected to one pole of a diode ( D 3 ), the other pole with a variable DC voltage source ( 6 ) and a control current path ( 7 ) is connected. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerstromableitpfad (7) ein Kondensator (C 5) vorgesehen ist.2. Circuit according to claim 1, characterized in that a capacitor ( C 5 ) is provided as the control current discharge path ( 7 ). 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß als Gleichspannungsquelle (6) ein Operations­ verstärker dient, der vorzugsweise symmetrisch stromversorgt ist und eine relativ zu einem Bezugs­ potential von negativem zu positivem Potential variable Ausgangsspannung liefert.3. A circuit according to claim 1 or 2, characterized in that an operational amplifier is used as the DC voltage source ( 6 ), which is preferably supplied with symmetrical power and delivers a variable output voltage relative to a reference potential from negative to positive potential. 4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Rückkopplung (5) ein RC-Glied, bestehend aus zumindest einem Widerstand (R 4) und einem in Reihe dazu geschalteten Kondensator (C 3) dient, welches RC-Glied einerseits an die Sekundär­ wicklung (Anschluß B) des Übertragers (2) und an­ dererseits an den Steueranschluß des Halbleiter­ schalters (T 1) angeschlossen ist und daß vorzugs­ weise dem Widerstand (R 4) eine weitere Reihenschal­ tung aus einem Widerstand (R 5) und einem Kondensator (C 4) parallel geschaltet ist.4. Circuit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the feedback ( 5 ) is an RC element, consisting of at least one resistor ( R 4 ) and a series-connected capacitor ( C 3 ), which RC- Link on the one hand to the secondary winding (terminal B) of the transformer ( 2 ) and on the other hand to the control terminal of the semiconductor switch ( T 1 ) and that preference, the resistor ( R 4 ) another series circuit device from a resistor ( R 5 ) and a capacitor ( C 4 ) is connected in parallel. 5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterschalter ein Transistor (T 1), vorzugsweise ein npn-Transistor dient, an dessen Basis die Diode (D 3) mit ihrer Anode angeschlossen ist.5. Circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that a transistor ( T 1 ), preferably an npn transistor is used as the semiconductor switch, at the base of which the diode ( D 3 ) is connected with its anode. 6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer symmetri­ schen Versorgungsspannung für den Operationsver­ stärker (6) an die Sekundärwicklung (4) des Über­ tragers (2) eine doppelte Einweggleichrichter­ schaltung (Delon-Schaltung) mit zwei Reihenschal­ tungen von jeweils einer Diode (D 4, D 5) und einem Kondensator (C 6, C 7) angeschlossen ist.6. Circuit according to one of claims 1 to 5, characterized in that for generating a symmetrical's supply voltage for the Operationsver stronger ( 6 ) to the secondary winding ( 4 ) of the transformer ( 2 ) a double one-way rectifier circuit (Delon circuit) with two series circuits of one diode ( D 4 , D 5 ) and one capacitor ( C 6 , C 7 ) is connected. 7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (6) als Differenzverstärker ausgebildet ist, der mit einem ersten Eingang (-) an eine Referenzspannung angeschlossen ist und an dessen zweiten Eingang (+) eine dem Verbraucherstrom proportionale Spannung angelegt ist.7. Circuit according to one of claims 1 to 6, characterized in that the operational amplifier ( 6 ) is designed as a differential amplifier which is connected to a reference voltage with a first input (-) and at the second input (+) of which is proportional to the consumer current Voltage is applied. 8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Eingang (+) des Operationsverstärkers (6) mit einer der Zellen­ spannung eines Akkus (10) proportionalen Größe und/oder einer dem Verbraucherstrom proportio­ nalen Größe beaufschlagt ist.8. Circuit according to one of claims 1 to 7, characterized in that the second input (+) of the operational amplifier ( 6 ) with a cell voltage of a battery ( 10 ) proportional size and / or a proportional to the consumer current is applied size.
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