DE4023612A1 - Spannungsversorgungsschaltung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spannungs­ versorungsschaltung nach dem Gattungsbegriff des Patent­ anspruches 1.

Eine solche Spannungsversorgungsschaltung ist vorgesehen für Anwendungen, die eine hochpräzise Ausgangsspannung bei sich stark ändernden Eingangsspannungen benötigen, wobei zusätzlich noch ein hoher Wirkungsgrad erforderlich ist.

Spannungsregler mit hohem Wirkungsgrad sind an sich bekannt. Diese bestehen im allgemeinen aus Schaltreglern, die jedoch die unangenehme Eigenschaft haben, eine gewisse, von einigen Lasten nicht zu tolerierende Welligkeit der Ausgangsspannung zu besitzen. Ferner ist die Regelgüte solcher Schaltregler bei sich stark ändernden Eingangsspannungen unzureichend, so daß diese Schaltregler für bestimmte Anwendungen nicht in Frage kommen.

Auf der anderen Seite sind Linearregler bekannt, die eine sehr geringe Welligkeit der Ausgangsspannung bei einem jedoch systembedingten geringem Wirkungsgrad besitzen. Dieser geringe Wirkungsgrad der Linearregler ist durch die im allgemeinen große Differenz von Eingangs- und Ausgangsspannung bei näherungsweise gleichem Eingangs- und Ausgangsstrom bedingt. Im allgemeinen wird der Wirkungsgrad um so besser, je geringer die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ist.

Ausgehend von diesen bekannten Reglern ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spannungsversorgungsschaltung anzugeben, die bei hohem Wirkungsgrad und hoher Regelgüte die zur Verfügung gestellte Energie optimal auszunutzen gestattet. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungs­ schaltung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die vorliegende Spannungsversorgungsschaltung dient vorzugsweise der Energieversorgung eines Zünders für Kleinkalibermunition. Hierbei muß aus einem Kondensator die gesamte Zünderelektronik für ca. 10 Sekunden mit Energie versorgt werden, wobei dieser Kondensator vor der geforderten Funktionsphase während einer kurzen Energieübertragungsphase von beispielsweise 50 ms aufgeladen wird. Dies geschieht über ein hochfrequentes Magnetfeld, dem eine Empfangsspule ausgesetzt ist, mit anschließender Gleichrichtung der empfangenen induzierten Spannung und Aufladung eines Kondensators.

Um den aus Schaltregler und Linearregler bestehenden Spannungsregler in einem definierten Zeitpunkt in seinem Betrieb zu starten, ist insbesondere eine spezielle statische Startschaltung vorgesehen, die während der Energieübertragungs­ phase kurzzeitig betrieben wird. Während der Funktionsphase des eigentlichen Spannungsreglers wird keine zusätzliche Energie zum Betrieb der Startschaltung benötigt.

Anhand der einzigen Figur der beiliegenden Zeichnung sei im folgenden die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsschaltung nach Aufbau und Wirkungsweise beschrieben.

Während einer kurzen Energieübertragungsphase von beispielsweise 50 ms, ist eine Empfangsspule L2 einem hochfreguenten Magnetfeld ausgesetzt. Die in der Empfangsspule L2 induzierte Wechselspannung wird durch einen Vollweg-Brückengleichrichter V1-V4 gleichgerichtet und lädt über eine Diode D5 einen Kondensator C3 auf, dessen andere Belegung zusammen mit dem anderen Abgriffspunkt des Brückengleichrichters an Masse gelegt ist. Zwischen die beiden Abgriffpunkte des Brückengleichrichters ist ferner die Reihenschaltung eines Widerstandes R5 und der Kollektor/Emitterstrecke eines Transistors V17 geschaltet. Die Basis des Transistors V17 liegt über einen Widerstand R1 an Masse. Ferner ist der Kollektor des Transistors V17 über die Reihenschaltung zweier Widerstände R6 und R7 an Masse gelegt, und der Spannungsteilerpunkt der beiden Widerstände R6 und R7 ist an die Basis eines weiteren Transistors V14 angeschlossen, dessen Kollektor/Emitterstrecke zusammen mit der Reihenschaltung zweier Widerstände R18 und R19 dem Kondensator C3 parallelgeschaltet ist. Die Diode V5 entkoppelt hierbei den den Transistor V17 enthaltenden Zweig von dem Kondensator C3. Eine Zenerdiode V15 ist zur Spannungsbegrenzung dem Konden­ sator C3 parallelgeschaltet. Ein weiterer Kondensator C4 ist dem Kondensator C3 parallelgeschaltet, wobei ein Transistor V7 mit seiner Emitter/Kollektorstrecke und eine Induktionsspule L1 im Längszweig zwischen den beiden Kondensatoren C3 und C4 angeordnet sind. Eine Diode V6 dient als Freilaufdiode und ist der Serienschaltung aus Induktionsspule L1 und Kondensator C4 parallelgeschaltet. Die Basis des Transistors V7 liegt einerseits über die Reihenschaltung eines Widerstandes R17 und die Kollektor/Emitterstrecke eines Transistors V13 und andererseits über einen Widerstand R18 und die Kollektor/Emitterstrecke des Transistors V14 an Masse. Ferner ist zwischen die Basis und den Emitter des Transistors V7 ein Widerstand R19 geschaltet. Die Basis des Transistors V13 liegt über einen Widerstand R2 an Masse und über einen Widerstand R8 am Ausgang eines Komparators N2.

Ein Spannungsteiler, bestehend aus einem Widerstand R12 und einer Zenerdiode V16, ist parallel zu dem Kondensator C4 geschaltet. Der nicht-invertierende Eingang des Komparators N2 ist an den Teilerpunkt dieses Spannungsteilers angeschlossen. Der invertierende Eingang des Komparators N2 liegt einmal über einen Widerstand R10, einen als Diode geschalteten Transistor V9 und die Kollektor/Emitterstrecke eines Transistors V10 an der vorgeregelten Betriebsspannung und zum anderen über einen Widerstand R3 und einen Widerstand R1 bzw. über den Transistor V17 an Masse. Der als Diode geschaltete Transistor V9 dient hierbei zur Kompensation des Temperaturganges der Basis/Emitterstrecke des Transistors V17. Die Basis des Transistors V10 liegt über einen Widerstand R9 an dem Spannungsteilerpunkt des Spannungsteilers bestehend aus dem Widerstand R12 und der Zenerdiode V16.

Ein Regeltransistor V8 ist mit seiner Emitter/Kollektorstrecke zwischen den Kondensator C4 und den Ausgangsanschluß V_cc geschaltet. Die Basis des Transistors V8 liegt über einen Widerstand R11 und die Kollektor/Emitterstrecke eines Transistors V12 an Masse. Die Basis des Transistors V12 ist über den Widerstand R16 mit dem Ausgang eines Verstärkers N1 verbunden, dessen nicht-invertierender Eingang an dem Spannungsteilerpunkt des Spannungsteiler R12, V16 liegt und dessen invertierender Eingang an einen Spannungsteiler bestehend aus der Reihenschaltung zweier Widerstände R14, R15 zwischen der Ausgangsspannung V_cc und Masse geschaltet ist. Dem Ausgang ist ferner ein Kondensator C1 zur Glättung parallelgeschaltet. Der Ausgang des Verstärkers N1 ist über die Reihenschaltung eines Kondensators C5 und eines Widerstandes R13 auf den invertierenden Eingang zurückgeführt, um ein PI-Verhalten für die Spannungsregelung vorzugeben.

Aus dem vorstehend beschriebenen Aufbau ergibt sich folgende Wirkungsweise:
Die in der Empfangsspule L2 empfangene, hochfrequente Trägerspannung wird durch die Dioden V1-V4 gleichgerichtet und steuert über die Widerstände R5 und R6 den Transistor V14 an. Gleichzeitig wird über die Entkopplungsdiode V5 der Kondensator C3 aufgeladen. Überschreitet die Spannung am Kondensator C3 beispielsweise den Wert von 4,5 V, dann werden die Transistoren V14 und V7 so weit leitend, daß der Kondensator C4 über die Induktionsspule L1 auf die Spannung des Kondensators C3 aufgeladen wird. Der Schaltregler hat zu diesem Zeitpunkt noch keine Funktion, da der Transistor V7 über den Transistor V14 aufgesteuert ist und somit die Funktion des Schaltreglers gesperrt ist.

Steigt die Spannung an dem Kondensator C4 auf beispielsweise 1,1 V, so beginnt der Komparator N2 zu arbeiten. Der invertierende Eingang des Komparators N2 liegt über die Widerstände R3 und R1 an Masse und der nicht-invertierende Eingang des Komparators N2 liegt auf dem Potential der Zenerdiode V16 (ca. 0,9 V). Der Ausgang des Komparators N2 wird daher positiv und steuert den Transistor V13 durch. Aufgrund der Parallelschaltung der Transistoren V14 und V13 ergibt sich durch die zusätzliche Ansteuerung des Transistors V13 eine Basisstromzunahme des Transistors V7, die den Spannungsabfall der Emitter/Kollektorstrecke weiterverringert.

Parallel zum Hochlaufen der Spannung am Kondensator C4 beginnt auch der Verstärker N1 seinen Arbeitspunkt einzustellen. Der invertierende Eingang des Verstärkers N1 liegt über den Widerstand R14 auf Massepotential, und der nicht-invertierende Eingang liegt wiederum auf dem durch die Zenerdiode V16 vorgegebenen Potential (ca. 0,9 V). Der Ausgang des Verstärkers N1 wird daher positiv und steuert den Transistor V12 durch, so daß auch der Transistor V8 durchgesteuert wird und ein Ansteigen der Ausgangsspannung V_cc ermöglicht.

Steigt die Spannung über dem Kondensator C4 auf beispielsweise 2,2 V an, so vergrößert sich dementsprechend auch der Spannungsabfall über dem Widerstand R12. Dieser Spannungsabfall reicht sodann aus, um den Transistor V10 in den leitenden Zustand zu steuern. Über die Emitter/Kollektorstrecke fließt nunmehr Strom in den Spannungsteiler bestehend aus den Elementen V9, R10, R3 und V17. so daß bei einem entsprechenden Stromanstieg über dem Spannungsteiler der Transistor V17 durchgesteuert wird und hiermit der Transistor V14 gesperrt wird. Nunmehr ist der Schaltregler freigegeben. Durch das weitere Ansteigen der Spannung an dem Kondensator C4 steigt auch die Spannung an dem invertierenden Eingang des Komparators N2 weiter an. Übersteigt diese Spannung die Spannung am nicht-invertierenden Eingang des Komparators, so kippt dessen Ausgang von dem hohen auf das niedrige Potential, wodurch die Transistoren V13 und V7 gesperrt werden. Durch das schnelle Abschalten wird in der Induktivität L1 eine entsprechende Selbstinduktionsspannung erzeugt. Über die Freilaufdiode V6 wird der Stromkreis nach Masse geschlossen. so daß die elektrische Energie der Induktionsspule L1 im Kondensator C4 gespeichert werden kann.

Die Spannung an dem Kondensator C4 beginnt anschließend solange zu sinken bis die Spannung am invertierenden Eingang unter die durch die Zenerdiode V16 vorgegebene Spannung gefallen ist. Dann beginnt der Vorgang von neuem, usw. Die Schaltfrequenz des Schaltreglers ist hierbei nur von der Höhe der Eingangsspannung und vom Ausgangsstrom abhängig.

Die durch den Schaltregler vorgeregelte Spannung wird anschließend in dem nachgeschalteten Längsregler, der nur eine kleine Eingangs-/Ausgangs-Spannungsdifferenz benötigt, auf den gewünschten Spannungswert ausgeregelt und stabilisiert. Wenn die Spannung an dem Spannungsteiler R14, R15 auf den Spannungswert ansteigt, der durch die Zenerdiode V16 vorgegeben ist, so wird die Ausgangsspannung des Verstärkers N1 geringer, was zur Folge hat, daß den Transistoren V12 und V8 weniger Basisstrom zugeführt wird. Somit nimmt der Spannungsabfall über der Emitter/Kollektorstrecke des Transistors V8 zu und im gleichen Maß die Ausgangsspannung V_cc ab. Zur Erreichung der gewünschten Einstellgenauigkeit und zur Verbesserung des Regelverhaltens ist der Längsregler mit PI-Verhalten ausgestattet.

Claims (6)

1. Spannungsversorgungsschaltung mit einem von einer gleichgerichteten hochfrequenten Wechselspannung aufgeladenen Speicherkondensator und einer nachgeschalteten Regelschaltung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Regelschaltung in Kombination umfaßt:
einen Schaltregler (V7, L1, C4, V6, N2) zur Umformung der über dem Speicherkondensator (C3) anstehenden Spannung in eine Spannung über einem hierzu parallelgeschalteten weiteren Speicherkondensator (C4) und
einen dem weiteren Speicherkondensator (C4) nachgeschalteten linearen Spannungsregler (V8, N1, V12) zur Vorgabe der Ausgangsspannung (V_cc),
und daß eine statische Startschaltung (V9, V10, V14, V17, R3, R5, R6, R8-R10) angeordnet ist, die den Schaltregler bis zum Aufbau einer vorgegebenen Spannung auf den Speicherkondensatoren (C3, C4) sperrt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schaltregler umfaßt: die Reihenschaltung der Emitter/Kollektorstrecke eines Schalttransistors (V7) und einer Induktionsspule (L1) zwischen dem ersten Speicherkondensator (C3) und dem zweiten Speicherkondensator (C4), wobei die Basis des Schalttransistors (V7) über die Kollektor/Emitterstrecke zweier parallelgeschalteter Transistoren (V13, V14) angesteuert ist und der eine Transistor (V14) der Freigabe des Schalttransistors (V7) und der andere Transistor (V13) der Sperrung des Schalttransistors (V7) dient.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der eine Transistor (V14) über einen Spannungsteiler (V10, V9, R10, R3, V17, R6, R7) gesperrt wird und der andere Transistor (V13) durch das Ausgangssignal eines Komparators (N2) gesperrt wird, der die Spannung des zweiten Speicherkondensators (C4) mit einer Referenzspannung vergleicht.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spannungsregler umfaßt: die Emitter/Kollektorstrecke eines Regeltransistors (V8) zwischen dem zweiten Speicherkondensator (C4) und dem Ausgang (V_cc) der Schaltung, dessen Basis von einem Verstärker (N1) angesteuert wird, der die Ausgangsspannung (V_cc) mit einer vorgegebenen Referenzspannung vergleicht.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reihenschaltung eines Kondensators (C5) und eines Widerstandes (R13) zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Verstärkers (N1) geschaltet ist.

6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Startschaltung umfaßt:
einen ersten anfänglich gesperrten Transistor (V17) und
einen zweiten anfänglich leitenden Transistor (V14), die beide mit ihren Kollektor/Emitterstrecken dem ersten Speicherkondensator (C3) parallelgeschaltet sind, und
erste und zweite Spannungsteiler (R5, R6, R7; R1, R3, R10, V9, V10, V17) wobei ein Teil des ersten Spannungsteilers (R5, R6, R7) durch den zweiten Spannungsteiler beim Erreichen eines vorgegebenen Spannungswertes auf dem zweiten Speicherkondensator (C4) nach Masse kurzgeschlossen und dadurch der zweite Transistor (V14) gesperrt wird.