DE3924805A1

DE3924805A1 - Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE3924805A1
Application number: DE3924805A
Authority: DE
Inventors: Willi Dipl Ing Kuehn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1989-07-27
Publication date: 1991-01-03
Also published as: JPH0336956A; SE9002281D0; US4999566A; KR910002088A; SE9002281L

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler mit einer von einer Primärspannung gespeisten Induk tivität und einer die Induktivität schaltenden Schwingstufe zur Erzeugung einer Sekundärspannung.

Spannungswandler der eingangs genannten Art sind für vielerlei Aufgaben einsetzbar. Bei Insassenschutzvor richtungen in Fahrzeugen sind Gleichspannungswandler für den Fall erforderlich, daß die Betriebsspannung, (Bordnetzspannung) einen zulässigen Grenzwert unter schreitet, so daß die Auslösung der Insassenschutz vorrichtung in Frage steht. So muß für die Funktion der Zündpille eines Airbags eine bestimmte Mindest spannung vorliegen, damit Zündverzögerungen bzw. -ausfälle verhindert werden. Sofern nun - aus hier nicht näher erwähnten Gründen - eine Absenkung der Betriebspannung des Kraftfahrzeugs erfolgt, ist der eingangs genannte Gleichspannungswandler in der Lage, aus der niedrigen Betriebspannung eine höhere Versor gungsspannung zu erzeugen, an die die Zündpille im Auslösefall der Insassenschutzvorrichtung gelegt wird.

Nähere Einzelheiten zu dem vorstehend angeführten Problemkreis gehen aus dem deutschen Patent 35 06 487 hervor.

Aus der US-PS 40 13 935 geht ein Gleichspannungswand ler der eingangs genannten Art hervor, der mit einer Spannungsvergleichsstufe versehen ist. Der bekannte Gleichspannungswandler besitzt eine mit Schalttransi stor versehene Schwingstufe, wobei die Kollektor- Emitterspannung des Schaltransistors mit einem vor herbestimmbaren Referenzsignal mittels der Spannungs vergleichsstufe verglichen wird.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler mit dem im Hauptanspruch genannten Merkmalen hat demgegenüber den Vorteil, daß eine Stromregelung erfolgt, das heißt, bei zu hohem Schwingstrom wird dieser auf ei nem bestimmten Wert begrenzt. Dieses stellt sicher, daß keine Überlastung der Bauteile der Schwingstufe eintritt und daß die Induktivität nicht in der Sätti gung betrieben wird. Damit ist der erfindungsgemäße Gleichsspannungswandler gleichzeitig unempfindlich gegen Überspannungen, die insbesondere in Bordnetzen in Kraftfahrzeugen auftreten können. Durch die erfin dungsgemäße Strombegrenzung speichert die Induktivi tät - unabhängig von der Größe der zur Verfügung ste henden Primärspannung - gleichgroße Energien.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese hen, daß der Schwingstrom über ein Steueranschluß ei nes Steuergliedes eingestellt wird. Vorzugsweise wird der Schwingstrom von einem Sensor erfaßt, der den Steueranschluß des Steuergliedes beeinflußt.

Ein besonders einfacher Schaltungsaufbau ist dadurch erzielt, daß das Steuerglied ein Strombegrenzungs- Transistor ist, über dessen Kollektor-Emitter-Strecke der Schwingstrom fließt und daß der Steueranschluß von der Basis des Strombegrenzungs-Transistors gebil det wird.

Vorzugsweise liegt im Kollektor-Emitter-Strompfad des Strombegrenzungs-Transistors ein den Sensor bildender Widerstand. Dieser kann insbesondere gleichzeitig auch den Emitterwiderstand des Strombegrenzungs-Tran sistors bilden, so daß der Widerstand eine Doppel funktion erfüllt. Hierdurch reduziert sich die Anzahl der einzusetzenden Bauteile.

Nach einer Weiterbildung ist eine von dem Sensor an gesteuerte Steuerstufe vorgesehen, die an die Basis des Strombegrenzungs-Transistors angeschlossen ist. Die Größe des von dem Sensor erfaßten Steuerstromes führt mittels der Steuerstufe zu einer entsprechenden Ansteuerung der Basis des Strombegrenzungs-Transi stors, um den Schwingstrom auf den gewünschten Wert zu begrenzen.

Für einen besonders einfachen und nur aus wenigen Bauteilen bestehenden Schaltungsaufbau ist ferner vorgesehen, daß die Steuerstufe einen Steuer-Transi stor aufweist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke an die Basis des Strombegrenzungs-Transistors ange schlossen ist und dessen Basis von dem Sensor ange steuert ist.

Da die Primärspannung eine Gleichspannung ist, muß diese für die Spannungswandlerfunktion zerhackt wer den. Diese Aufgabe wird von einem schwingungsfähigen System des Gleichspannungswandlers vorgenommen. Zur Bildung dieses Systems wird die Basis des Steuerstu fen-Transistors über einen Kondensator mit dem Kol lektor des Strombegrenzungs-Transistors verbunden.

Die Erfindung sowie Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen gekennzeichnet.

Der Gegenstand der Erfindung wird vorzugsweise auf dem Sektor der Kraftfahrzeugelektronik eingesetzt, ist jedoch nicht auf diesen Bereich begrenzt.

Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers für positive Span nungen und

Fig. 2 ein Schaltbild eines weiteren Ausfüh rungsbeispieles für negative Spannungen.

Die Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines ersten Ausfüh rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gleichspannungs wandlers. Eine Primärspannung U₁, welche die im Kraftfahrzeug zur Verfügung stehende Bordnetzspannung darstellt, wird an eine Klemme 1 gelegt, die mit ei nem Anschluß einer Induktiviät L₁ verbunden ist. Der andere Anschluß der Induktivität L₁ führt zu der An ode einer Diode D₁, deren Kathode mit dem einem An schluß eines Widerstandes R₁ verbunden ist. Der an dere Anschluß des Widerstandes R₁ führt zu einer se kundärseitigen Klemme 2. An der Klemme 2 kann eine Sekundärspannung U₂ abgegriffen werden. An den Klem men 1 bzw. 2 ist jeweils der positive Pol der Primär- bzw. Sekundärspannung U₁, U₂ ausgebildet, während der jeweils negative Pol an Masse 3 liegt.

Mit der Klemme 1 ist ferner ein erster Anschluß eines Widerstandes R₂ verbunden, dessen zweiter Anschluß zu einem Steueranschluß 4 eines Steuergliedes 5 führt. Das Steuerglied 5 ist vorzugsweise als Strombegren zungs-Transistor T₁ ausgebildet. Insofern bildet die Basis 6 des Strombegrenzungs-Transistors T₁ den Steu eranschluß 4. Der Kollektor 7 des Strombegrenzungs- Transistors T₁ ist an die Verbindung zwischen der In duktivität L₁ und der Diode D₁ angeschlossen. Ferner ist er mit einer Parallelschaltung 8 einer Diode D₂ und eines Widerstandes R₃ verbunden. Die Bauelemente sind dabei derart angeordnet, daß die Kathode der Di ode D₂ zu dem Anschluß der Parallelschaltung 8 führt, der an den Kollektor 7 angeschlossen ist. Der andere Anschluß 9 der Parallelschaltung 8 steht mit einem Kondensator C₁ in Verbindung, der über einen Verbin dungspunkt 10 zu der Kathode einer Diode D₃ führt, dessen Anode an Masse 3 liegt. Der Emitter 11 des Strombegrenzungs-Transistors T₁ ist an einen Wider stand R₄ angeschlossen, dessen weiterer Anschluß ebenfalls an Masse 3 liegt. Ferner ist zwischen dem Emitter 11 des Strombegrenzungs-Transistors T₁ und dem Verbindungspunkt 10 ein Widerstand R₅ geschaltet.

Außerdem ist ein Steuerstufen-Transistor T₂ einer Steuerstufe 12 vorgesehen, dessen Basis 13 an den Verbindungspunkt 10 angeschlossen ist. Der Kollektor 14 des Steuerstufen-Transistors T₂ steht mit der Ba sis 6 des Strombegrenzungs-Transistors T₁ in Verbin dung. Der Emitter 15 des Steuerstufen-Transistors T₂ ist an Masse 3 gelegt.

Die Anode einer Zenerdiode D₄ ist an dem Verbindungs punkt 10 angeschlossen und die zugehörige Kathode führt zu einem Widerstand R₆, der - mit seinem ande ren Anschluß - an der Klemme 2 liegt. Zwischen die Klemme 2 und Masse 3 ist ferner ein Ladekondensator C₂ geschaltet.

Die in der Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung hat folgende Wirkungsweise:

Zwischen die Klemme 1 und Masse 3 wird die Primär spannung U₁ derart gelegt, daß das positive Potential an der Klemme 1 und das negative Potential an Masse 3 liegt. Durch das Anlegen der Primärspannung U₁ wird der Strombegrenzungs-Transistor T₁ auf Grund der Po tentialvorgabe durch den Widerstand R₂ eingeschaltet. Dieses bedeutet, daß dessen Kollektor-Emitter-Strecke leitend wird, so daß hierüber ein von der Primärspan nung U₁ über die Induktivität L₁ getriebener Schwing strom I_s fließt. Dieser Schwingstrom I_s bewirkt einen magnetischen Energieaufbau in der Induktivität L₁ und verursacht einen entsprechenden Spannungsabfall an dem Widerstand R₄. Dieser Spannungsabfall an dem Wi derstand R₄ führt dazu, daß der Steuerstufen-Transi stor T₂ über den Widerstand R₅ in den leitenden Zu stand versetzt wird. Da der Kollektor 14 des Steuer stufen-Transistors T₂ mit der Basis 6 des Strombe grenzungs-Transistors T₁ verbunden ist, führt das Durchschalten des Steuerstufen-Transistors T₂ zu ei ner Überführung des Strombegrenzungs-Transistors T₁ in seinen Sperrzustand. Dieses wird insbesondere da durch bewirkt, daß der Steuerstufen-Transistor T₂ eine Verringerung des Basisstromes des Strombe grenzungs-Transistors T₁ vornimmt. Daraufhin steigt die Spannung am Kollektor 7 des Strombegrenzungs- Transistors T₁ und steuert den Steuerstufen-Transi stor T₂ über den Widerstand R₃ und den Kondensator C₁ in Mitkopplungsschaltung durch. Insofern bewirkt die ses insgesamt ein sehr schnelles Sperren des Strombegrenzungs-Transistors T₁.

Der von der Induktivität L₁ getriebene Strom fließt über die Diode D₁ und den Widerstand R₁ in den Lade kondensator C₂, an dem die Sekundärspannung U₂ zur Verfügung steht. Der Widerstand R₁ dient zur Unter drückung von Schwingungen zwischen der Induktivität L₁ und dem Ladekondensator C₂. Die von dem Widerstand R₃ und dem Kondensator C₁ gebildete Reihenschaltung hat eine derart gewählte Zeitkonstante, daß der Strombegrenzungs-Transistor T₁ solange ausgeschaltet bleibt, bis der Strom durch die Induktivität L₁ zu Null geworden ist. Beim erneuten Einschalten des Strombegrenzungs-Transistors T₁ wird der Kondensator C₁ über die Diode D₂, den Strombegrenzungs-Transistor T₁, den Widerstand R₄ und die Diode D₃ schnell entla den, wobei der Steuerstufen-Transistor T₂ aufgrund einer negativen Basisvorspannung gesperrt ist. Die Umladung des Kondensators C₁ führt zu einem erneuten Sperren des Strombegrenzungs-Transistors T₁, sobald ein bestimmter Stromwert überschritten wird. Die Größe diese Stromwertes wird durch die Wahl des Wi derstandswertes des Widerstandes R₄ festgelegt.

Mittels der Zenerdiode D₄ und des Widerstandes R₆ läßt sich die am Ladekondensator C₂ vorhandene Se kundärspannung U₂ festlegen. Nach einem nicht darge stellten Ausführungsbeispiel kann die Sekundärspan nung U₂ auch mittels eines Analog/Digitalwandlers ge messen und durch ein positives Signal an der Basis 13 des Steuerstufen-Transistors T₂ der Spannungswandler ein- bzw. ausgeschaltet werden.

Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß der erfindungs gemäße Gleichspannungswandler stromgeregelt ist, das heißt, bei zu großem Schwingstrom I_s wird dieser durch entsprechende Ansteuerung des Strombegrenzungs- Transistors T₁ auf einen niedrigeren Wert herunterge regelt. Hierdurch wird einerseits der Strombegren zungs-Transistor T₁ vor Überlastung geschützt und an dererseits die Induktivität L₁ nicht in der Sättigung betrieben. Gegenüber Spannungsschwankungen der Pri märspannung U₁ besteht überdies ein Schutz, da eine damit einhergehende Stromüberhöhung aufgrund der er findungsgemäßen Stromregelung nicht auftreten kann. Aufgrund der besonderen Einfachheit der erfindungsge mäßen Gleichsspannungswandler-Schaltung ist ein preiswerter Aufbau gewährleistet. Ferner erzeugt der erfindungsgemäße Spannungswandler seine Oszilla torfrequenz zum Zerhacken der Primärspannung U₁ in seiner Schwingstufe 40 selbst, das heißt, eine beson dere Oszillatorschaltung ist nicht erforderlich. Das Schwingen setzt bereits bei sehr kleinen Primärspan nungen U₁ ein, da der Strombegrenzungs-Transistor T₁ über den Widerstand R₂ schon bei relativ kleinen Ein gangsspannungen eingeschaltet wird. Schließlich ar beitet der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler somit in einem sehr großen Eingangsspannungsbereich (Primärspannung U₁) und ist damit besonders gut für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug geeignet.

In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, mit dem auf einfacher Weise negative Spannungen erzeugt werden können.

Die Primärspannung U₁ liegt zwischen einer Klemme 20 und Masse 21. Die Klemme 20 ist mit einem Widerstand R₁₀ verbunden, der - mit seinem anderen Anschluß - an dem Emitter 22 eines Strombegrenzungs-Transistors T₃ angeschlossen ist. Der Strombegrenzungs-Transistor T₃ bildet ein Steuerglied 23, das einen Steueranschluß 24 aufweist , der von der Basis 25 gebildet wird. Der Kollektor 26 des Strombegrenzungs-Transistors T₃ ist an den einen Anschluß einer Induktivität L₂ ange schlossen, deren anderer Anschluß an Masse 21 liegt. An dem Kollektor 26 des Strombegrenzungs-Transistors T₃ liegt der eine Anschluß einer aus einer Diode D₁₀ und einem Widerstand R₁₁ gebildeten Parallel schaltung. Der andere Anschluß der Parallelschaltung - zu dem auch die Kathode der Diode D₁₀ führt ist an einem Kondensator C₁₀ angeschlossen, der ferner - mit seinem zweiten Anschluß - zu der Basis 27 eines Steu erstufen-Transistors T₄ einer Steuerstufe 28 führt. Die Basis 27 des Steuerstufen-Transistors T₄ ist mit dem Emitter 22 des Strombegrenzungs-Transistors T₃ über einen Widerstand R₁₂ verbunden. Ferner ist an die Klemme 20 die Kathode einer Diode D₁₁ angeschlos sen, deren Anode mit der Basis 27 des Steuerstufen- Transistors T₄ in Verbindung steht. Der Emitter 28′ des Steuerstufen-Transistors T₄ führt ebenfalls zur Klemme 20. An den Kollektor 29 des Steuerstufen-Tran sistors T₄ ist die Basis 25 des Strombegrenzungs- Transistors T₃ angeschlossen, die ferner über einen Widerstand R₁₃ an Masse 21 führt.

An die Verbindung zwischen dem Kollektor 26 des Strombegrenzung-Transistors T₃ mit der Induktivität L₂ ist ein Widerstand R₁₄ angeschlossen, mit dem eine Diode D₁₂ derart in Reihe liegt, daß ihre Kathode zum Widerstand R₁₄ führt. Die Anode der Diode D₁₂ ist an eine Klemme 30 angeschlossen, die gegenüber der Masse 21 die Sekundärspannung U₂ aufweist. Die Klemme 30 ist ferner mit dem Emitter 31 eines Transistors T₅ verbunden, dessen Basis 32 über einen Widerstand R₁₅ an die Klemme 30 führt. Die Basis 32 des Transistors T₅ steht mit der Reihenschaltung eines Widerstandes R₁₆ und einer Zenerdiode D₁₃ in Verbindung, welche mit ihrer Kathode an Masse 21 liegt. Der Kollektor 33 des Transistors T₅ ist über einen Widerstand R₁₇ mit der Basis 27 des Steuerstufen-Transistors T₄ verbun den. Zwischen die Klemme 30 und Masse 21 ist ein La dekondensator C₁₁ geschaltet.

In Abweichung von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird die Einstellung der Sekundärspannung U₂ nicht durch eine einfache Reihenschaltung einer Zenerdiode und eines Widerstandes vorgenommen, sondern mittels des Transistors T₅ eingestellt, wobei die Spannungs vorgabe durch Ansteuerung seiner Basis 32 erfolgt.

Die Funktion der in der Fig. 2 dargestellten Schal tung entspricht ansonsten derjenigen der Fig. 1, so daß hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.

Claims

1. Gleichspannungswandler mit einer von einer Primär spannung gespeisten Induktivität und einer die Induk tivität zur Erzeugung einer Sekundärspannung schal tenden Schwingstufe, dadurch gekenn zeichnet, daß der durch die Induktivität (L₁, L₂) fließende Schwingstrom (I_s) erfaßt und von der Schwingstufe (40) auf einen vorgebbaren Wert selbst tätig begrenzt wird.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Schwingstrom (I_s) über ein Steueranschluß (4, 24) ei nes Steuerglieds (5, 23) eingestellt wird.

3. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Schwingstrom (I_s) von einem Sensor (Widerstand R₄, R₁₀) erfaßt wird, der den Steueran schluß (4, 24) des Steuerglieds (5, 23) beeinflußt.

4. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß das Steuerglied (5, 23) ein Strombe grenzungs-Transistor (T₁, T₃) ist, über dessen Kol lektor-Emitter-Strecke der Schwingstrom (I_s) fließt und daß der Steueranschluß (4, 24) von der Basis (6, 25) des Strombegrenzungs-Transistors (T₁, T₃) ge bildet ist.

5. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß in dem Kollektor-Emitter-Strompfad des Strombegrenzungs-Transistors (T₁, T₃) ein den Sensor bildender Widerstand (R₄, R₁₀) liegt.

6. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Widerstand (R₄, R₁₀) ein Emitter-Wi derstand des Strombegrenzungs-Transistors (T₁, T₃) ist.

7. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehen den Ansprüche, gekennzeichnet durch eine von dem Sensor (Widerstand R₄, R₁₀) gesteuerte Steu erstufe (12, 28), die an die Basis (6, 25) des Strombe grenzungs-Transistors (T₁, T₃) angeschlossen ist.

8. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Steuerstufe (12, 28) einen Steuerstu fen-Transistor (T₂, T₄) aufweist, dessen Kollektor Emitter-Strecke an die Basis (6, 25) des Strombegren zungs-Transistors (T₁, T₃) angeschlossen ist und des sen Basis (13, 27) von dem Sensor (Widerstand R₄, R₁₀) angesteuert ist.

9. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß zur Bildung eines schwingungsfähigen Sy stems die Basis (13, 27) des Steuerstufen-Transistors (T₂, T₄) über einen Kondensator (C₁, C₁₀) mit dem Kollektor (7, 26) des Strombegrenzungs-Transistors (T₁, T₃) verbunden ist.