DE4023612C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spannungs
versorgungsschaltung, die aus der Reihenschaltung eines Schaltreglers
und eines Längsreglers besteht.
Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der Zeitschrift
"Electronics", 9. März 1962, Seite 62 bis 64 bekannt. Diese
Schaltungsanordnung wird aus einem Generator über einen
Transformator konstant mit Energie versorgt, so daß die
Notwendigkeit einer Energieeinsparung nicht vorliegt.
Das Prinzip eines Schaltreglers kann der Zeitschrift "Medical &
Biological Engineering & Computing", Nov. 1983, Seiten 756 bis
761 entnommen werden. Ein solcher Schaltregler besitzt einen
hohen Wirkungsgrad, hat aber die unangenehme Eigenschaft, 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.
Schließlich zeigt die CH-PS 3 97 008 eine Schaltungsanordnung zur
Erzeugung einer Versorgungsspannung, bei der ein Kondensator
über einen Schalter jeweils nachgeladen wird, wenn seine
Spannung unter einen vorgegebenen Wert abgesunken ist. Um die
entstehende Welligkeit auszuregeln, ist zwischen den Kondensator
und den Ausgang ein Linearregler geschaltet. Auch dort wird die
Schaltungsanordnung konstant aus einer Speisespannungsquelle
versorgt, so daß sich das Problem einer optimalen Energieausnutzung
nicht stellt.
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,
indem die Regelschaltung in einem definierten Zeitpunkt ihren
Betrieb aufnimmt. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den
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 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
hochfrequenten 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 Vcc
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 Vcc 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.
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 weiter verringert.
Parallel zum Hochlaufen der Spannung am Kondensator C4 beginnt
auch der Verstärker N1 seinen Arbeitspunkt einzustellen. Der
invertierende Eingang des Verstärkers N1 liegt über dem
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 Vcc 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
Vcc ab. Zur Erreichung der gewünschten Einstellgenauigkeit
und zur Verbesserung des Regelverhaltens ist der Längsregler
mit PI-Verhalten ausgestattet.
Claims (5)
1. Spannungsversorgungsschaltung mit einem von einer gleichgerichteten
hochfrequenten Wechselspannung aufgeladenen ersten
Speicherkondensator (C3) und einer nachgeschalteten Regelschaltung,
welche aufweist:
- a) einen Schaltregler zur Umformung der an dem ersten
Speicherkondensator (C3) anstehenden Spannung in eine
Spannung an einem weiteren Speicherkondensator (C4), wobei
dieser Schaltregler umfaßt:
die Reihenschaltung der Emitter/Kollektorstrecke eines Schalttransistors (V7) und einer Induktionsspule (L1) zwischen dem ersten Speicherkondensator (C3) und dem weiteren Speicherkondensator (C4), eine Freilaufdiode (V6) und einen Komparator (N2), der den Schalttransistor (V7) in Abhängigkeit von der Spannung am weiteren Speicherkondensator (C4) und einer Referenzspannung steuert; - b) einen dem weiteren Speicherkondensator (C4)
nachgeschalteten linearen Spannungsregler zur Vorgabe der
Ausgangsspannung, welcher Spannungsregler umfaßt:
die Emitter/Kollektorstrecke eines Regeltransistors (V8) zwischen dem weiteren Speicherkondensator (C4) und dem Ausgang der Schaltung, dessen Basis von einem Verstärker (N1) angesteuert wird, der die Ausgangsspannung mit der vorgegebenen Referenzspannung vergleicht, und - c) eine statische Startschaltung (V9, V10, V14, V17, R3, R5, R6, R8-R10), die den Schalttransistor (V7) bis zum Aufbau einer vorgegebenen Spannung auf den beiden Speicherkondensatoren (C3, C4) in den leitenden Zustand steuert.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Startschaltung umfaßt:
einen ersten, anfänglich gesperrten Transistor (V17) und
einen zweiten, anfänglich leitenden Transistor (14), 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.
einen ersten, anfänglich gesperrten Transistor (V17) und
einen zweiten, anfänglich leitenden Transistor (14), 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.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Basis des Schalttransistors (V7)
über die Kollektor/Emitterstrecke des zweiten anfänglich
leitenden Transistors (V14) und die Kollektor/Emitterstrecke
eines hierzu parallelgeschalteten Transistors (V13) angesteuert
ist und der anfänglich leitende Transistor (V14) der
Freigabe des Schalttransistors (V7) und der hierzu parallelgeschaltete
Transistor (V13) der Sperrung des Schalttransistors
(V7) dient.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der anfänglich leitende Transistor
(V14) über einen Spannungsteiler (V10, V9, R10, R3, V17, R6, R7)
gesperrt wird und der dazu parallelgeschaltete Transistor
(V13) durch das Ausgangssignal des Komparators (N2) gesperrt
wird.
5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Reihenschaltung eines Kondensators
(C5) und eines Widerstandes (R13) zwischen den Ausgang und
den invertierenden Eingang des Verstärkers (N1) geschaltet
ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4023612A DE4023612A1 (de) | 1990-07-25 | 1990-07-25 | Spannungsversorgungsschaltung |
US07/735,976 US5132893A (en) | 1990-07-25 | 1991-07-25 | Voltage supply circuit |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4023612A DE4023612A1 (de) | 1990-07-25 | 1990-07-25 | Spannungsversorgungsschaltung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE4023612A1 DE4023612A1 (de) | 1992-01-30 |
DE4023612C2 true DE4023612C2 (de) | 1993-02-18 |
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ID=6410984
Family Applications (1)
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DE4023612A Granted DE4023612A1 (de) | 1990-07-25 | 1990-07-25 | Spannungsversorgungsschaltung |
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