DE3881176T2

DE3881176T2 - Gleichstromversorgung mit hohen und niedrigen Konstantspannungen für die Versorgung einer Wechselrichtersteuerung.

Info

Publication number: DE3881176T2
Application number: DE88311737T
Authority: DE
Inventors: Tooru Kido
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1987-12-11
Filing date: 1988-12-12
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2008-12-13
Also published as: US4864213A; EP0320307B1; AU599556B2; AU2679388A; EP0320307A2; CA1295670C; DE3881176D1; EP0320307A3

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Stromversorgungen, auch Netzteile genannt, und insbesondere einen Spannungskonstanthalter für eine Wechselrichtersteuerungsschaltung.
Eine bekannte Stromversorgung ist in US 3 754 182 offenbart. Darin ist eine Stromversorgung dargestellt, die einen Schmitt-Trigger-Regler und einen Schaltverstärker verwendet, um eine Ausgangslastspannung in einem vorbestimmten Bereich zu halten. Ein Regler in der Schaltung weist einen Sensor für eine zu niedrige Eingangsspannung und einen Ausgangsspannungssensor auf, um den Regler abzuschalten, wenn entweder die Eingangsspannung oder die Ausgangsspannung unter einen vorbestimmten Wert abfällt.
Ein Schaltregler weist auf: einen Festkörperwechselrichter zum Umwandeln einer Gleichsspannung in eine hochfrequente Spannung und eine Gleichrichter/Filterschaltung, die die hochfrequente Spannung in eine gewünschte Gleichspannung zwecks Übergabe an eine Lastschaltung umwandelt. Der Wechselrichter weist eine Halbleiterschaltvorrichtung auf, die die Eingangsgleichspannung als Antwort auf einen dort angelegten Zündimpuls zerhackt, um zu bewirken, daß in einem LC-Schwingkreis ein hochfrequenter Strom erzeugt wird. Der Zündimpuls wird durch eine Wechselrichtersteuerungsschaltung erzeugt, die durch eine integrierte Schaltung implementiert ist. Um die Ausgangsgleichspannung auf einem gewünschten Wert zu halten, vergleicht die Wechselrichtersteuerungsschaltung diesen mit einer Referenzspannung, um die Differenz zwischen ihnen zu ermitteln, und steuert über eine Rückkopplungsschleife die Dauer oder die Periode des Zündimpulses entsprechend der ermittelten Differenz. Wegen des Rückkopplungsbetriebs bewirkt die anfängliche, zu niedrige Ausgangsspannung, die unmittelbar nach dem Einschalten des Netzschalters erzeugt wird, einen zu hohen Eingangsgleichstrom. Um den zu hohen Eingangsgleichstrom zu vermeiden, ist eine bekannte Spannungssteuerungsschaltung, wie in Fig. 1A dargestellt, vorgesehen.
Die Eingangsgleichspannung Vi wird über eine Zener-Diode 4 und einen Widerstand 5 angelegt. Transistor 1 bleibt nichtleitend, und daher ist die Ausgangsspannung Null, wenn die Spannung über der Zener-Diode 4 geringer ist als die Durchschlagspannung VZ. Wenn die Eingangsspannung Vi den Wert einer Schwellspannung VZ + VBE annimmt (wobei VBE die Basis- Emitter-Spannung des Transistors 1 ist), beginnt der Strom, von der Basis des Transistors 1 über den Widerstand 3 und die Diode 4 zu fließen, wodurch der Transistor 1 leitend wird, um eine Ausgangsspannung VO, wie in Fig. 1B dargestellt, zwecks Weitergabe an die IC-Rückkopplungsschaltung sowie an den Wechselrichter zu erzeugen. Ein Widerstand 2 ist zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 1 geschaltet, um einen Reststrom des Transistors 1 durch ihn fließen zu lassen. Wenn man die Ausgangsspannung VO als das Verhältnis Vi - VCE darstellt (wobei VCE die Kollektorspannung des Transistors 1 ist), steigt diese linear mit der Eingangsspannung Vi, nachdem letztere den Schwellwert VZ + VBE überschritten hat. Deshalb müssen Vorkehrungen getroffen werden, um zu verhindern, daß die Ausgangsgleichspannung die Stromversorgungsnennspannung des IC-Chips überschreitet. Eine bekannte Spannungssteuerungsschaltung, dargestellt in Fig. 2A, ist entwickelt worden, um den Nachteil der Steuerungsschaltung gemäß Fig. 1A zu überwinden. Bei dieser Steuerungsschaltung ist die Basis eines Transistors 6 angeschlossen an eine Verbindung zwischen einer Zener-Diode 8 und einem Widerstand 7, über die die Eingangsgleichspannung Vi angelegt wird. Der Widerstand 7 dient als eine Überbrückung für den Reststrom des Transistors 6. Wenn die Eingangsspannung Vi geringer ist als die Durchschlagspannung VZ der Zener-Diode 8, steigt die Ausgangsgleichspannung VO, die sich am Emitter des Transistors 6 entwickelt, linear, wie in Fig. 2B dargestellt. Nachdem die Eingangsgleichspannung den Wert VZ erreicht hat, wird die Ausgangsgleichspannung VO bei einer Spannung VZ - VBE konstantgehalten, wobei VBE die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 6 ist. Obwohl die Ausgangsspannung konstantgehalten werden kann, nachdem eine Schwelle erreicht worden ist, ist die Erzeugung der anfänglichen Ausgangsspannung bei zu geringen Eingangsspannungen nachteilig für die Anwendung von Schaltreglern.

Zusammenfassung

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Stromversorgung bereitzustellen, die die Vorteile der bekannten Techniken kombiniert und dabei deren Nachteile beseitigt.
Die erfindungsgemäße Stromversorgung weist eine Wechselrichterschaltung auf, um eine Eingangsspannung aus einer Gleichspannungsquelle in eine gewünschte Ausgangsspannung umzuwandeln, indem sie die Eingangsspannung mit einer vorbestimmten Frequenz zerhackt und die Ausgangsspannung einer Lastschaltung zuführt. Der Wechselrichter wird entsprechend der Ausgangsspannung von einer Steuerungsschaltung so gesteuert, daß er bei einem sich ändernden Strom der Lastschaltung einen gewünschten Wert hält. Eine Schwellwertschaltung mit einer Zener-Diode ist zwischen die Anschlüsse der Gleichspannungsquelle geschaltet. Ein Transistor einer Spannungsmeßschaltung weist eine Basis auf, die mit der Zener-Diode verbunden ist, um in einen leitenden Zustand umzuschalten, wenn die Gleichspannung einen vorgeschriebenen Wert überschreitet, der durch die Schwellspannungen der Zener-Diode und des Transistors bestimmt wird. Eine stromführende Schaltung mit einem Transistorpaar ist zwischen die Gleichspannungsquelle und einen Stromversorgungsanschluß der Wechselrichtersteuerungsschaltung geschaltet. Die Transistoren der stromführenden Schaltung sprechen an auf das Schalten des Transistors der Spannungsmeßschaltung, um Strom von der Gleichspannungsquelle zum Spannungsversorgungsanschluß der Wechselrichtersteuerungsschaltung fließen zu lassen, damit sich eine Spannung entwickelt, die im wesentlichen durch die Schwellspannungen der Zener-Diode und des Transistors der Spannungsmeßschaltung und einen der Transistoren der stromführenden Schaltung bestimmt wird. Somit wird der Stromversorgungsanschluß der Wechselrichtersteuerungsschaltung auf einem Null-Spannungspegel gehalten, bis die Eingangsgleichspannung über den vorgeschriebenen Wert steigt, woraufhin sie auf einen hohen Spannungspegel springt, der von der Zener-Diode, dem Transistor der Spannungsmeßschaltung und den Transistoren der stromführenden Schaltung konstantgehalten wird.
In einer bevorzugten erf indungsgemäßen Ausführungsform weist die Stromversorgung eine Hystereseschaltung auf, um der Basis des Spannungsmeßtransistors Strom zuzuleiten, wenn die Eingangsgleichspannung zwischen einem höheren vorgeschriebenen Wert und einem geringeren vorgeschriebenen Wert liegt. Die Hystereseschaltung verhindert das Schwingen der Ausgangsgleichspannung, die der Wechselrichtersteuerungsschaltung zugeführt wird, zwischen Null und hohen Spannungspegeln, das sonst durch eine Schwankung der Eingangsgleichspannung um den höheren vorgeschriebenen Wert verursacht werden könnte.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachstehend wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1A ein Schaltbild einer bekannten Spannungssteuerungsschaltung für einen Schaltregler und Fig. 1B eine grafische Darstellung der Arbeitskennlinie der Schaltung gemäß Fig. 1A;
Fig. 2A ein Schaltbild einer weiteren bekannten Spannungssteuerungsschaltung und Fig. 2B eine grafische Darstellung einer Arbeitskennlinie der Schaltung gemäß Fig. 2A;
Fig. 3 ein Schaltbild einer Stromversorgung gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 4 eine grafische Darstellung der Arbeitskennlinie der ersten Ausführungsform;
Fig. 5 ein Schaltbild einer Spannungssteuerungsschaltung gemäß einer zweiten erfindungsgeinäßen Ausführungsform; und
Fig. 6 eine grafische Darstellung der Arbeitskennlinie der zweiten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung

In Fig. 3 ist eine Stromversorgung gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt. Die Stromversorgung weist im wesentlichen auf: einen Schaltregler 10, der niedrigfrequente Energie von einer Wechselstromquelle 13 über einen Netzschalter 12 aufnimmt, und eine Spannungssteuerungsschaltung 11. Der Schaltregler 10 weist eine Gleichrichter- und Filterschaltung 14 auf, die eine Wechselstromquellenspannung in eine Gleichspannung Vi umwandelt, die an einen Wechselrichter 15 und eine Spannungssteuerungsschaltung 11 angelegt wird. Der Wechselrichter 15 weist einen Schalttransistor 20 auf, der auf einen Zündimpuls von einer als integrierte Schaltung ausgeführte Wechselrichtersteuerungsschaltung 17 anspricht, indem er die Gleichspannung Vi zerhackt, um zu bewirken, daß ein Strom durch eine Spule 21 fließt. Wenn der Transistor 20 ausgeschaltet ist, wird eine Diode 22 leitend und bewirkt dabei, daß ein Strom durch einen Kondensator 23 fließt, um eine Schwingung zu vollziehen. Der Vorgang wiederholt sich durch das Anlegen aufeinanderfolgender Zündimpulse von der Wechselrichtersteuerungsschaltung 17, so daß die Gleichspannung Vi in eine gewünschte Ausgangsspannung Eo umgewandelt wird, die zwischen den Ausgängen 18a und 18b erscheint. Der Ausgang 18A ist mit einem Eingang eines Komparators 24 der Wechselrichtersteuerungsschaltung 17 verbunden, um einen Vergleich durchzuführen zwischen der Ausgangsgleichspannung Eo und einer Referenzspannung, um einem pulsdauermodulator 26 ein Ausgangssignal, das die Differenz zwischen beiden repräsentiert, zuzuführen, um mit dein Ausgangssignal eines Oszillators 25 eine Pulsdauermodulation zu ermöglichen. Das Ausgangssignal des Pulsdauermodulators 26 wird der Basis des Transistors 20 zugeführt, der das Gleichstromeingangssignal zerhackt, um eine hochfrequente Spannung zu erzeugen. Die Referenzspannung des Komparators 24 repräsentiert eine gewünschte Ausgangsspannung des Schaltreglers 10. Durch den Rückkopplungsbetrieb geht die Differenz zwischen der Ausgangsspannung Eo und der Referenzspannung zurück auf Null, und aufgrund dieses Vorgangs wird die Energie, die der LC-Schaltung des Wechselrichters 15 zugeführt wird, proportional gesteuert, um der Höhe des Laststroms zu entsprechen, der von einer Lastschaltung abgenommen wird, die zwischen die Anschlüsse 18a und 18b geschaltet ist, so daß die Ausgangsspannung Eo bei sich ändernden Lastströmen auf dem gewünschten Wert gehalten wird.
Die Spannungssteuerungsschaltung 11 weist einen ersten npn-Transistor 31 mit einem Kollektor auf, der mit dem positiven Ausgang der Gleichrichter- und Filterschaltung 14 verbunden ist und der über einen Widerstand 36 mit seiner Basis verbunden ist. Mit der Basis des Transistors 31 verbunden ist die Kathode einer Zener-Diode 34, deren Anode über einen Widerstand 35 mit Masse bzw. mit dem negativen Ausgang der Gleichrichter- und Filterschaltung 14 verbunden ist. Die Verbindungsstelle zwischen der Zener-Diode 34 und dem Widerstand 35 ist verbunden mit der Basis eines zweiten npn-Transistors 32, dessen Emitter mit Masse verbunden ist und dessen Kollektor über einen Widerstand 38 mit der Basis eines dritten pnp-Transistors 33 verbunden ist. Der Emitter des dritten Transistors 33 ist mit dem Emitter des ersten Transistors 31 und ferner über einen Widerstand 37 mit dessen Basis verbunden. Eine Ausgangsgleichspannung Vo entwickelt sich zwischen dem Kollektor des dritten Transistors 33 und Masse und wird als eine Quellenspannung zwischen dem Vcc-Anschluß und dem Masseanschluß der als integrierte Schaltung ausgeführten Wechselrichtersteuerungsschaltung 17 angelegt.
Der Betrieb der Spannungssteuerungsschaltung 11 wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben.
Wenn die Eingangsgleichspannung Vi geringer ist als eine Schwellspannung V&sub1; = VZ1 + VBE2 (wobei VZ1 und VBE2 die Durchschlagspannung der Zener-Diode 34 bzw. die Basis-Emitter- Spannung des zweiten Transistors 32 sind), fließt kein Strom in die Basis des zweiten Transistors 32. Somit bleiben der zweite und der dritte Transistor 32 und 33 nichtleitend, und die Ausgangsspannung Vo wird bei einem Wert von Null Volt gehalten. In dem Moment, wo die Eingangsgleichspannung Vi die Schwellspannung V&sub1; überschreitet, fließt ein Strom in die Basis des zweiten Transistors 32 und bewirkt, daß dieser leitend wird und daß ein Strom aus der Basis des dritten Transistors 33 durch den Widerstand 38 fließt. Somit sind der erste und der dritte Transistor 31 und 33 eingeschaltet. Wenn dies geschieht, wird das Potential am Emitter des ersten Transistors 31 bei einer Spannung gehalten, die VZ1 + VBE2 - VBE1 entspricht, wobei VBE1 der Spannungsabfall über der Basis und dem Emitter des ersten Transistors 31 ist. Somit wird die Ausgangsspannung Vo bei einer konstanten Spannung V&sub2; gehalten, die sich ergibt aus VZ1 + VBE2 - VBE1 - VCE3, wobei VCE3 der Spannungsabfall über dem Kollektor und dem Emitter des dritten Transistors 33 ist.
Dabei ist folgendes zu erkennen: Wenn die Ausgangsspannung Vo bei Null gehalten wird, bevor die Eingangsgleichspannung einen vorgeschriebenen Wert erreicht, und wenn sie auf einem konstanten hohen Wert gehalten wird, nachdem der vorgeschriebene Wert überschritten worden ist, dann fließt beim Einschalten des Netzschalters 12 kein zu hoher Eingangsstrom in den Schaltregler 10, und die Quellenspannung der Wechselrichtersteuerungsschaltung 17 wird im zulässigen Bereich des mit einer integrierten Schaltung versehenen Chips gehalten.
Eine modifizierte erf indungsgemäße Ausführungsform ist in Fig. 5 dargestellt, in der Teile, die denen in Fig. 3 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 versehen sind. Die modifizierte Spannungssteuerungsschaltung weist zusätzlich auf: eine zweite Zener-Diode 41, die zwischen den Kollektor des zweiten Transistors 32 und den Widerstand 38 geschaltet ist, und eine Reihenschaltung mit einer Diode 42 und einem Widerstand 43, die zwischen die Basis des zweiten Transistors 32 und dem Kollektor des dritten Transistors 33 geschaltet sind. Die Schaltung gemäß Fig. 5 arbeitet genauso wie die Schaltung gemäß Fig. 3, wenn die Eingangsgleichspannung Vi beginnt, von Null bis zur Schwellspannung V&sub1; zu steigen.
Wegen des Toleranzbereiches, in dem sich die Netz-Wechselspannung der Stromquelle 13 bewegt, enthält die Gleichstromausgangsspannung der Gleichrichter- und Filterschaltung 14 einen Wechselstromanteil. Ein solcher Wechselstromanteil würde sonst scharfe Veränderungen der Ausgangsspannung Vo zwischen Null und V&sub2; im Fall von Fig. 3 verursachen. In der Schaltung gemäß Fig. 5 bewirkt jedoch ein Spannungsabfall der Eingangsgleichspannung Vi von der Schwellspannung V&sub1;, daß der Basisstrom des zweiten Transistors 32, der über die Verbindung zwischen der Zener-Diode 34 und dem Widerstand 35 zugeführt worden ist, aufhört zu fließen und die Diode 42 einschaltet. Die Quelle dieses Basisstroms ist jetzt auf die Ausgangsschaltung der Spannungssteuerungsschaltung umgeleitet, so daß der Basisstrom über den Widerstand 43 und die nunmehr leitende Diode 42 vom Kollektor des dritten Transistors 33 kommt. Der zweite Transistor 32 bleibt also im leitenden Zustand, selbst wenn die Eingangsgleichspannung unter den Schwellwert V&sub1; abfällt. Der Basisstrom des zweiten Transistors 32 über den Widerstand 43 und die Diode 42 fließt weiter, bis die Eingangsgleichspannung Vi unter eine Schwellspannung V&sub3; abfällt, die sich ergibt aus der Beziehung VZ2 + VCE2 + VBE3 + VCE1, wobei VZ2 die Durchschlagspannung der Zener-Diode 42, VCE2 die Kollektor-Emitter-Spannung des zweiten Transistors 32, VBE3 der Spannungsabfall über der Basis und dem Emitter des dritten Transistors 33 und VCE1 der Spannungsabfall über dem Kollektor und dem Emitter des ersten Transistors 31 ist. Wenn die Eingangsgleichspannung Vi unter den Schwellwert V&sub3; abfällt, fließt kein Strom in die Basis des dritten Transistors 33, was dazu führt, daß er ausgeschaltet wird, um die Ausgangsspannung Vo auf Null herabzusetzen. Während die Ausgangsgleichspannung Vo sich mit der Eingangsgleichspannung Vi verringern kann, bis letztere unter den unteren Schwellwert V&sub3; abfällt (siehe Fig. 6), liegt sie dennoch im Toleranzbereich des mit der integrierten Schaltung versehenen Chips. Durch die Hysterese wird verhindert, daß die Ausgangsspannung Vo unter dem Einfluß eines Wechselstromanteils zwischen den Werten Null und V&sub2; hinund herschaltet.

Claims

1. Stromversorgung mit einer Wechselrichtereinrichtung (15) zum Umwandeln einer Eingangsspannung (Vi) aus einer Gleichspannungsquelle (14) in eine Ausgangsspannung (Eo) durch Zerhacken der Eingangsspannung (Vi) mit einer vorbestimmten Frequenz und durch Einspeisen der Ausgangsspannung in einen Lastkreis und mit einer Wechselrichtersteuereinrichtung (17), um die Wechselrichtereinrichtung zu veranlassen, die Eingangsspannung (Vi) entsprechend der Ausgangsspannung (Eo) zu zerhacken, so daß die Ausgangsspannung bei sich veränderndem Strom des Lastkreises auf einem gewünschten Wert gehalten wird, und mit einer Spannungsmeßschaltung (11) mit einer Zener-Diode (34), die zwischen den ersten und zweiten Anschluß der Gleichspannungsquelle (14) geschaltet ist, um eine Schwelle zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmeßschaltung aufweist:

einen ersten, zweiten und dritten Transistor, wobei der zweite Transistor (32) eine Basis aufweist, die mit der Zener- Diode (34) verbunden ist, um von einem nichtleitenden Zustand in einen leitenden Zustand umzuschalten, wenn die Eingangsspannung (Vi) die Schwelle (V&sub1;) überschreitet, die von den Schwellspannungen der Zener-Diode (34) und des zweiten Transistors (32) bestimmt wird; und wobei

der erste und zweite Transistor (31, 33) in Reihe geschaltet sind zwischen den ersten Anschluß der Gleichspannungsquelle und einen Anschluß (Vcc) der Stromversorgung und am Anschluß (Vcc) der Stromversorgung eine Spannung (V&sub2;) entwickeln, die von den Schwellspannungen der Zener-Diode (34), des ersten, zweiten und dritten Transitors (31, 32, 33) bestimmt wird.

2. Stromversorgung nach Anspruch 1, wobei der erste und dritte Transistor (31, 33) von entgegengesetztem Leitungstyp sind und Emitter haben, die miteinander verbunden sind.

3. Stromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner eine Hystereeinrichtung aufweist, um Strom in die Basis des zweiten Transistors (32) einzuspeisen, wenn die Eingangsspannung (Vi) zwischen der Schwelle (V&sub1;) und einer zweiten Schwelle (V&sub3;), die niedriger ist als die Schwelle (V&sub1;), liegt.

4. Stromversorgung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hystereseeinrichtung ein unidirektionales Element (42), das zwischen den Anschluß (Vcc) der Stromversorgung und die Basis des zweiten Transistors (32) geschaltet ist, und eine zweite Zener-Diode (41) aufweist, die zwischen den Kollektor des zweiten Transistors (32) und die Basis des dritten Transistors (33) und in Reihe mit einem Widerstand (38) geschaltet ist.

5. Stromversorgung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode der Zener-Diode (34) über einen zweiten Widerstand (36) mit dem ersten Anschluß der Spannungsquelle und die Anode der Zener-Diode (34) über einen zweiten Widerstand (35) mit dem zweiten Anschluß der Spannungsquelle, die Basis des ersten Transistors (31) über den zweiten Widerstand (36) mit dem ersten Anschluß der Spannungsquelle (14) und dessen Kollektor, der Kollektor des zweiten Transistors (32) über den ersten Widerstand (38) mit der Basis des dritten Transistors (33), die Basis des zweiten Widerstands (32) mit der Anode der Zener-Diode (34), der Emitter des zweiten Transistors (32) mit dem zweiten Anschluß der Spannungsquelle, die Basis des dritten Transistors (33) über einen vierten Widerstand (37) mit dessen Emitter und der Emitter des ersten Transistors (31) mit dem Emitter des dritten Transistors (33) und der Kollektor des dritten Transistors (33) mit dem Anschluß (Vcc) der Stromversorgung verbunden ist.