DE3726123C2 - Circuit for operating a DC consumer - Google Patents

Circuit for operating a DC consumer

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Betreiben eines Gleichstromverbrauchers an einer Gleich- oder Wechselspannungs­ quelle, 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 geschalteten, mit seinem Steueranschluß an eine Rückkopplung angeschlossenen Halbleiter­ schalter ausgebildet ist, wobei der Steueranschluß des Halbleiter­ schalters zusätzlich an den einen Pol einer Diode angeschlossen ist, deren anderer Pol mit einem Steuerstromableitpfad verbunden ist (US 43 16 242).The invention relates to a circuit for operating a DC consumer on a DC or AC voltage source, in particular an electric motor, preferably in one Small electrical appliance, the circuit as a switching power supply with a a flyback converter having a transformer and with one in series switched with the primary winding of the transformer, with its Control connection to a feedback connected semiconductor is formed switch, the control terminal of the semiconductor switch is also connected to one pole of a diode whose other pole is connected to a control current leakage path is (US 43 16 242).

Bei Elektrokleingeräten, z. B. bei Rasierapparaten werden Antriebsmotoren verwendet, die konstruktionsbedingt mit vergleichs­ weise 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 Gleistrom­ verbraucher bei variabler Eingangsspannung möglich ist, ohne daß dazu manuelles Umschalten erfolgen muß. For small electrical appliances, e.g. B. in shavers Drive motors used, the design with comparative as low DC voltage are operated, but the external supply voltage z. B. is 220 volts. To put it down this supply voltage it is known to switch power supplies use. Circuit arrangements are also known in which the supply of a DC motor or similar track current consumer with variable input voltage is possible without manual switching must be done.  

Durch die EP 0 057 910 ist eine solche Schaltung bekannt, bei der ein Netzbetrieb oder wahlweise ein Batteriebetrieb des Motors oder dgl. vorgesehen ist. Für einen ausschließlichen Netzbetrieb ohne Akkumulator ergibt sich bei dieser Schaltung jedoch nicht der Regelumfang zum Betreiben in dem geforderten Eingangsspannungs- und beistungsbereich.Such a circuit is known from EP 0 057 910, at which is a mains operation or alternatively a battery operation of the motor or the like. is provided. For exclusive network operation However, this circuit does not result without an accumulator the range of rules for operation in the required input voltage and service area.

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 erforderlichen Schaltungsaufwand eine insbesondere bei Seriengeräten ins Gewicht fallende Verteuerung vorhanden.With a comparatively complex control circuit, one could achieve this, but such circuits can For reasons of space, usually not in small electrical devices be accommodated. It is also required by the Circuit complexity is particularly important for series devices falling price increases present.

Aus der US 4 316 242 ist bereits ein Schaltnetzteil bekannt, bei dem zur Stabilisierung der Ausgangsspannung ein Rückkopplungszweig mit einer an den Steueranschluß des Halbleiterschalters angeschlossenen Diode und einem steuerbaren Stromableitpfad vorgesehen sind. Die Steuerung des Stromableitpfades erfolgt mit einem Steuertransistor, wobei das Ansteuerpotential des Steuer­ transistors zwischen einem auf der maximalen, positiven Spannung am Kollektor des Steuertransistor liegenden Potential und Massepotential variiert werden kann.A switched-mode power supply is already known from US Pat. No. 4,316,242 a feedback branch to stabilize the output voltage with one to the control connection of the semiconductor switch connected diode and a controllable current leakage path are provided. The current leakage path is controlled with a control transistor, the control potential of the control transistor between one at the maximum positive voltage potential at the collector of the control transistor and Ground potential can be varied.

Damit können Eingangsspannungsschwankungen zwar in einem großen Bereich ausgeglichen werden, beim Beteiben eines Gleichstromver­ brauchers, der auch einen Betriebszustand mit sehr geringer Leistungsaufnahme aufweist, ist jedoch eine entsprechende Anpassung und Reduzierung der Ausgangsleistung nicht möglich.This means that input voltage fluctuations can be large Area to be compensated for when operating a direct current ver user who also has an operating state with very low Power consumption, however, is a corresponding adjustment and reduction of the output power is not possible.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die ohne manuelle Eingangs­ spannungsumschaltung zum Betreiben eines Gleichstromverbrauchers oder dgl. geeignet ist, wobei auch ein ausschließlicher Netzbetrieb möglich sein soll. Der Schaltungsaufwand soll dabei so klein gehalten sein, daß auch gut ein Unterbringen in räumlich beengten Elektrokleingeräten möglich ist. Außerdem soll durch Verwendung handelsüblicher Bauteile auch der Kostenaufwand in Hinblick auf eine Serienfertigung kleingehalten werden. Schließlich soll die Möglichkeit bestehen, auch den Ausgangsstrom in die Regelung einzubeziehen und diesen auf sehr kleine Werte reduzieren zu können.The object of the present invention is a circuit of the to create the kind mentioned above, without manual input voltage switchover for operating a direct current consumer or the like. Is suitable, with an exclusive network operation should be possible. The circuitry should be so small be kept that also good accommodation in confined spaces  Small electrical appliances is possible. In addition, by use commercially available components also the cost in terms of series production can be kept small. After all, the Possibility to also regulate the output current and to reduce it to very small values can.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der mit dem Steuerstromableitpfad verbundene Pol der Diode mit einem als veränderbare Gleichspannungsquelle geschalteten Operationsver­ stärker verbunden ist, der symmetrisch stromversorgt ist und eine relativ zu einem Bezugspotential von negativem zu positivem Potential variable Ausgangsspannung liefert.To solve this problem it is proposed that the with Control current leakage path connected to the diode with a pole changeable DC voltage source switched Operationsver is more connected, which is symmetrically powered and one relative to a reference potential from negative to positive Potential variable output voltage provides.

Dadurch ist einerseits ein sehr großer Regelbereich und damit das Betreiben eines Verbrauchers in einem weiten Bereich an unterschiedlichen Spannungen möglich. Weiterhin kann das Ausgangspotential des Operations-Verstärkers und damit das Ausgangspotential für das Ansteuern des Halbleiterschalters bei dieser Schaltung durch die symmetrische Stromversorgung des Operations-Verstärkers auch über das O-Potential hinaus soweit in den negativen Bereich abgesenkt werden, daß die Ausgangsleistung des Schaltnetzteiles an einen sehr niedrigen Leistungsbedarf angepaßt werden kann. Dies ist bei Kleingeräten von Bedeutung, bei denen batteriebetriebene Antriebsmotoren eingesetzt werden. Die Antriebsbatterie wird hierbei von dem Schaltnetzteil geladen, wobei sichergestellt sein muß, daß auch eine Reduzierung auf sehr kleine Ladeströme zur Erhaltungsladung möglich ist. Ein zu großer Erhaltungsladestrom würde zu einer Reduzierung der Batterielebens­ dauer und zu einer Aufheizung durch unnötige Verlustwärme führen.On the one hand, this creates a very large control range and therefore operating a consumer in a wide range different voltages possible. Furthermore, that Output potential of the operational amplifier and thus that Output potential for driving the semiconductor switch this circuit through the symmetrical power supply of the Operational amplifiers so far beyond the O potential be lowered into the negative range that the output power of the switching power supply to a very low power requirement can be adjusted. This is important for small devices, in which battery-powered drive motors are used. The drive battery is charged by the switching power supply, whereby it must be ensured that a reduction to very low small charging currents for trickle charging is possible. Too big Trickle charging current would reduce battery life duration and lead to heating due to unnecessary heat loss.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß als Rückkopplung ein RC-Glied, bestehend aus zumindest einem Widerstand und einem in Reihe dazu geschalteten Kondensator dient, welches RC-Glied einerseits an die Sekundärwicklung des Übertragers und andererseits an den Steueranschluß des Halbleiterschalters angeschlossen ist und daß vorzugsweise den Widerstand eine weitere Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator parallel geschaltet ist. Durch Verwendung dieser einfachen RC-Glied-Rückkopplung sind für den Übertrager nur zwei Wicklungen erforderlich und es kann eine dritte Rückkopplungswicklung eingespart werden. Der Aufwand ist somit reduziert. Wird zusätzlich die Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator parallel zu dem Widerstand des RC-Gliedes vorgesehen, so wird ein schnelles Aufsteuern des Halbleiterschalters und somit geringe Verlustleistungen erreicht, was in Anbetracht der Unterbringung unter beengten Verhältnissen in Elektrokleingeräten von Bedeutung ist.An embodiment of the invention provides that as feedback an RC element consisting of at least one resistor and one capacitor connected in series is used, which RC element on the one hand to the secondary winding of the transformer and on the other hand is connected to the control terminal of the semiconductor switch  and that preferably the resistor is another series connection connected in parallel from a resistor and a capacitor is. By using this simple RC link feedback only two windings are required for the transformer and it can a third feedback winding can be saved. The effort is thus reduced. In addition, the series connection from one Resistor and a capacitor in parallel with the resistance of the RC element provided, so a quick opening of the Semiconductor switch and thus low power losses achieved, what considering the accommodation in cramped conditions is important in small electrical appliances.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.Additional embodiments of the invention are in the others Subclaims listed. The invention is illustrated below of an embodiment explained in more detail.

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 Primärwicklung 3 ist als Halbleiterschalter ein Transistor T₁ 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 . A transistor T 1 is connected in series with the primary winding 3 as a semiconductor switch.

An den einen Anschluß B der Sekundärwicklung 4 ist ein Rückkopp­ lungsnetzwerk 5 mit den RC-Gliedern R₄ und C₃ sowie R₅ und C₄ angeschlossen, welches andererseits mit dem Steueranschluß (Basis) des Transistors T₁ verbunden ist.At one terminal B of the secondary winding 4 , a feedback network 5 with the RC elements R₄ and C₃ and R₅ and C₄ is connected, which on the other hand is connected to the control terminal (base) of the transistor T₁.

Zusätzlich ist an die Basis des Transistors T₁ ein Pol einer Diode D₃ angeschlossen, deren anderer Pol mit einer veränderbaren Gleichspannung verbunden ist. Je nach der an dem Punkt A anliegenden und von der Gleichspannungsquelle 6 geliefertem Spannungspotential wird der Zeitpunkt beeinflußt, wo die Diode D₃ leitend wird und den über das Rückkopplungsnetzwerk 5 fließenden Steuerstrom über den Steuerstromableitpfad 7 ableitet. In addition, a pole of a diode D₃ is connected to the base of the transistor T₁, the other pole of which is connected to a variable DC voltage. Depending on the point at point A and supplied by the DC voltage source 6 , the point in time is influenced when the diode D₃ becomes conductive and the control current flowing through the feedback network 5 is derived via the control current leakage path 7 .

Sowie dies erfolgt, sperrt der Transistor T₁. Die Ein­ schaltdauer des Transistors T₁ 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 D₃ angeschlossen. An die Kathode dieser Diode ist als Steuerstromableitpfad 7 ein Kondensator C₅ vorgesehen. Außerdem ist die Kathode an den Ausgang eines die Gleichspannungsquelle 6 bildenden Operationsverstärkers angeschlossen.As this happens, the transistor T₁ blocks. The switching time of the transistor T₁ 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, accordingly, the anode of the diode D 3 is connected to the base of this transistor. At the cathode of this diode, a capacitor C₅ is provided as the 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 D₄, geglättet bzw. gepuffert durch den Kondensator C₆ positive Spannung und über die Diode D₅, gepuffert durch den Kondensator C₇ negative Spannung zugeführt wird. Da sich in der Leitphase und in der Sperrphase des Transistors T₁ jeweils die Polarität an der Sekundärwicklung 4 umkehrt, kann diese doppelte Einweggleichrichterschaltung zur Anwendung kommen.The power supply to the operational amplifier 6 takes place via a double unidirectional rectifier circuit, positive voltage being supplied via the diode Dätt, smoothed or buffered by the capacitor C und and via the diode D₅ buffered by the capacitor C₇. 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 R₆, R₇ und R₈ sowie die Diode D₆ gebildet ist.As an operational amplifier 6 , a differential amplifier is provided, which is connected with a first input (-) to a reference voltage, which is formed by the voltage divider resistors R₆, R₇ and R₈ and the diode D..

In der Sperrphase des Transistors T₁ wird über die Diode D₇ 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 D₇. In the present exemplary embodiment, an accumulator 10 is connected as a direct current consumer, and a motor 12 is connected in parallel via a switch 11 .

Der durch den Akkumulator 10 bzw. den Motor 12 fließende Strom erzeugt an dem Widerstand R₁₀ eine dem Strom pro­ portionale Spannung, welche über den Widerstand R₁₂ 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 D₈ überschreitet. Dadurch wird ein vom Ladezustand abhängiger Ladestrom erreicht. Zu dieser Ladestromrege­ lung gehören noch die Bauteile D₉, R₉, R₁₁ und C₈ Die Dioden D₆, D₈, D₉ haben einen negativen Temperaturko­ effizienten und können so zur Temperaturkomensation des Ladestromes herangezogen werden. Dabei kann die Diode D₈ 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 proportional voltage at the resistor R₁ pro, which is supplied via the resistor R₁₂ to the second input (+) of the operational amplifier 6 as a control 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 D₈. A charging current that is dependent on the state of charge is thereby achieved. To this charge current control still include the components D₉, R₉, R₁₁ and C₈ The diodes D₆, D₈, D₉ have a negative Temperaturko efficiency and can thus be used for temperature compensation of the charging current. The diode D₈ 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 R₅ und dem Kondensator C₄ insbeson­ dere ein schnelles Aufsteuern des Transistors T₁ 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 R₅ and the capacitor C₄, in particular enables the transistor T₁ 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.

Claims (7)

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 aufweisenden Sperrwandler und mit einem in Reihe mit der Primärwicklung des Übertragers geschalteten, mit seinem Steueranschluß an eine Rückkopplung angeschlossen Halbleiter­ schalter ausgebildet ist, wobei der Steueranschluß des Halbleiterschalters (T₁) zusätzlich an den einen Pol einer Diode (D₃) angeschlossen ist, deren anderer Pol mit einem Steuerstromableitpfad (7) verbunden ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der mit dem Steuerstromableitpfad (7) verbundene Pol der Diode (D₃) mit einem als veränderbare Gleichspannungs­ quelle (6) geschalteten Operationsverstärker (6) verbunden ist, der symmetrisch stromversorgt ist und eine relativ zu einem Bezugspotential von negativem zu positivem Potential variable Ausgangsspannung liefert1. 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 switching power supply with a flyback converter having a transformer and with a series connection with the primary winding of the transformer, with its control connection to one Feedback connected semiconductor switch is formed, wherein the control terminal of the semiconductor switch (T₁) is additionally connected to the one pole of a diode (D₃), the other pole of which is connected to a control current discharge path ( 7 ), characterized in that the control current discharge path ( 7 ) connected pole of the diode (D₃) with a variable as a DC voltage source ( 6 ) connected operational amplifier ( 6 ) which is symmetrically powered and a relative to a reference potential from negative to positive potential variable output voltage li efert 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerstromableitpfad (7) ein Kondensator (C₅) vorgesehen ist. 2. Circuit according to claim 1, characterized in that a capacitor (C₅) is provided as the control current discharge path ( 7 ). 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Rückkopplung (5) ein RC-Glied, bestehend aus zumindest einem Widerstand (R₄) und einem in Reihe dazu geschalteten Kondensator (C₃) dient, welches RC-Glied einerseits an die Sekundärwicklung (Anschluß B) des Übertragers (2) und andererseits an den Steueranschluß des Halbleiterschalters (T₁) angeschlossen ist und daß vorzugsweise dem Widerstand (R₄) eine weitere Reihenschaltung aus einem Widerstand (R₅) und einem Kondensator (C₄) parallel geschaltet ist.3. A circuit according to claim 1 or 2, characterized in that as a feedback ( 5 ) is an RC element, consisting of at least one resistor (R₄) and a series capacitor (C₃), which RC element on the one hand to the Secondary winding (terminal B) of the transformer ( 2 ) and on the other hand is connected to the control terminal of the semiconductor switch (T₁) and that preferably the resistor (R₄), a further series circuit comprising a resistor (R₅) and a capacitor (C₄) is connected in parallel. 4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterschalter ein Transistor (T₁) dient, an dessen Basis die Diode (D₃) mit ihrer Anode angeschlossen ist.4. Circuit according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that a transistor as a semiconductor switch (T₁) serves at the base the diode (D₃) is connected to its anode. 5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer symmetrischen Versorgungsspannung für den Operationsverstärker (6) an die Sekundärwicklung (4) des Übertragers (2) eine doppelte Einweggleichrichterschaltung (Delon-Schaltung) mit zwei Reihenschaltungen von jeweils einer Diode (D₄, D₅) und einem Kondensator (C₆, C₇) angeschlossen ist.5. Circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that for generating a symmetrical supply voltage for the operational amplifier ( 6 ) to the secondary winding ( 4 ) of the transformer ( 2 ) a double one-way rectifier circuit (Delon circuit) with two series circuits of each a diode (D₄, D₅) and a capacitor (C₆, C₇) is connected. 6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.6. Circuit according to one of claims 1 to 5, 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. 7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Eingang (+) des Operationsver­ stärkers (6) mit einer der Zellenspannung eines Akkus (10) proportionalen Größe und/oder einer dem Verbraucherstrom proportionalen Größe beaufschlagt ist.7. Circuit according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second input (+) of the operational amplifier ( 6 ) with a size proportional to the cell voltage of a battery ( 10 ) and / or a size proportional to the consumer current is applied.
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