DE4401797C1 - Schaltregler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltregler mit einer Regelschaltung, einer Speicherdrossel, in deren Primärkreis mindestens ein Schaltreglerstellglied angeordnet ist, und Mitteln zum Erfassen einer lastabhängigen, gleichgerichteten Spannung in einem Sekundärkreis, wobei diese Spannung sowohl als Fehlersignal als auch zur Spannungsversorgung dient.

Ein Schaltregler dieser Art ist aus der DE 41 11 277 A1 bekannt. Dieser nutzt einen induktiven Abgriff sowohl zur Spannungsversorgung als auch zur Regelung. Eine integrierte Schaltung steuert einen Schalttransistor durch Variation von Impulsbreite und Frequenz.

Aus W. Blaesner: "Erhöhte Betriebssicherheit und niedrigere Kosten", Elektronik 9, 27. 4. 1990, S. 134-140, sind ebenfalls Schaltregler bekannt, bei denen eine Regel- und Speisespannung induktiv an einem Übertrager abgegriffen ist.

In W. Blaesner: "Schaltnetzteile mit Stromregelung einfach realisiert", Elektronik 3, 2. 2. 1990, S. 43-48, sind Gleichspannungswandler beschrieben, die einen Oszillator, einen Regler und einen Pulsbreitenmodulator aufweisen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schaltregler der eingangs genannten Art anzugeben, der mit geringem Bauteileaufwand einen hohen Wirkungsgrad erzielt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der erfindungsgemäße Schaltregler enthält eine Regelschaltung, die nur drei aktive Standardbauteile aufweist, z. B. Komparatoren, die in einer integrierten Schaltung zusammengefaßt sein können. Sie besitzt einen hohen Wirkungsgrad, auch bei kleiner Ausgangsleistung, und kann sehr kompakt aufgebaut werden. Eine einfache Anlaufschaltung, die während des Normalbetriebs deaktiviert ist, ermöglicht einen sicheren Betriebsstart. Durch die alleinige Verwendung von einfachen Standardbauteilen wird ein Schaltregler mit einer hohen Zuverlässigkeit ermöglicht. Primärkreis und Sekundärkreis sind galvanisch entkoppelt. Bei Verwendung von Komparatoren mit offenen Kollektorausgängen können deren Ausgänge parallel geschaltet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand eines Prinzipschaltbildes näher erläutert.

In der Zeichnung ist als Anlaufschaltung ein Transistor T1 als Längsregler beschaltet mittels eines Widerstands R1, einer Zenerdiode Z1 und eines Kondensators C2. Der Transistor T1 erzeugt in einer Anlaufphase aus einer Eingangsspannung U_e eine Anlaufspannung U(Z1). Während des Betriebs wird die Spannung U(Z1) durch die Betriebsspannung U_R ersetzt und der Transistor T1 wird abgekoppelt, wie nachfolgend ausgeführt.

Durch einen Widerstand R7, Zenerdiode Z2 und Kondensator C3 wird ein Bezugspotential U₂ aus der Spannung U_R abgeleitet. Ein Komparator K1 mit offenem Kollektor-Ausgang (Open Collector) ist als selbstschwingender Schmitt-Trigger beschaltet, indem er über die beiden Widerstände R2, R3 mit seinem nichtinvertierenden Eingang und über den Tiefpaß R4, C1 mit seinem invertierenden Eingang rückgekoppelt ist. Der Ausgang des Komparators K1 ist über einen Widerstand R5 mit der Betriebsspannung U_R verbunden.

Befindet sich der offene Kollektor-Ausgang des Komparators K1 in dem Zustand "hoch", so wird der Kondensator C1 über die Widerstände R4 und R5 soweit aufgeladen, bis die Spannung am invertierenden Eingang über die des nichtinvertierenden Eingangs steigt. Dann schaltet der Komparator K1 um und der Kondensator C1 wird über den Widerstand R4 entladen. Durch den Umschaltvorgang fällt gleichzeitig die Spannung am nichtinvertierenden Eingang ab, entsprechend dem Spannungsteilerverhältnis der Widerstände R2 und R3.

Unterschreitet die Spannung am invertierenden Eingang während des Entladungsvorgangs des Kondensators C1 die des nichtinvertierenden, so schaltet der Komparator K1 um in den Zustand "hoch". An seinem invertierenden Eingang entsteht so angenähert eine Dreieckspannung, die einen Offset gegenüber Masse, bestimmt durch die Zenerdiode Z2, aufweist. Die Amplitude der Dreieckspannung ist durch den Spannungssprung am nichtinvertierenden Eingang gegeben.

Der durch den beschalteten Komparator K1 gebildete Oszillator kann auch auf andere Weise aufgebaut sein. Oszillatorschaltungen sind beispielsweise aus Tietze/Schenk: Halbleiterschaltungstechnik, 4. Auflage, 1978, S. 444-449 bekannt. Der Oszillator dieses Schaltreglers kann anstatt der dreieckförmigen Spannung auch andere periodische Signale zur Verfügung stellen, die Verwendung eines sinusförmigen Signales im Schaltregler ist beispielsweise ebenfalls möglich.

Ein zweiter Komparator K2 mit offenem Kollektor-Ausgang, dessen zwei Eingänge über dem Widerstand R4 angeschlossen sind, wertet die Stromrichtung des am Widerstand R4 anliegenden periodischen Signales aus. An seinem Ausgang liegt über einen Widerstand R6 die Betriebsspannung U_R an.

Der Komparator K2 legt die Einschaltzeit pro Periode (Duty Cycle) eines Schaltreglerstellgliedes, Z.B. eines Transistors T2, fest. Da an dem Widerstand R4 eine angenäherte Dreieckspannung anliegt, ist die Einschaltzeit etwa 50%. Durch den Widerstand R5 kann die Form der Dreieckspannung in gewissen Grenzen verändert werden, da der Kondensator C1 über R4 und R5 aufgeladen, aber nur über R4 entladen wird. Hierdurch ändert sich die Einschaltzeit des Transistors T2.

Der Transistor T2 schaltet die Eingangsspannung Ue über eine Primärwicklung Lp einer Speicherdrossel (Lp, Ls1, Ls2) nach Masse durch. Dies bewirkt eine Leistungsübertragung in Sekundärwicklungen Ls1 und Ls2. Das in der Sekundärwicklung Ls1 entstehende Signal wird durch eine Diode D1 gleichgerichtet und wird sowohl als Fehlersignal als auch als Betriebsspannung UR der Regelschaltung genutzt. Das in der zweiten Sekundärwicklung Ls2 induzierte Signal wird, nach einer Gleichrichtung und Stabilisierung (D2, C4), von einem Verbraucher R_L genutzt. Die Sekundärwicklungen Ls1 und Ls2 sind durch die Wicklungen in der Speicherdrossel stark miteinander gekoppelt und deshalb voneinander abhängig.

Die von der Sekundärspule Ls1 erzeugte Spannung wird als Betriebsspannung U_R für die Regelschaltung verwendet sowie als Fehlersignal U_R zur Steuerung des Tastverhältnisses des Transistors T2. Die Betriebsspannung UR ist größer als die Anlaufspannung U(Z1), so daß der Transistor T1 während des Betriebes sperrt, und die Regelschaltung des Schaltreglers allein mit der Betriebsspannung U_R betrieben wird.

Ein dritter Komparator K3 mit offenem Kollektorausgang vergleicht das Fehlersignal U_R mit dem vom Komparator K1 erzeugten Dreiecksignal. Die Ausgänge der beiden Komparatoren K2 und K3 sind beide mit dem Basisanschluß des Schalttransistors T2 im Sinne einer Oder-Verknüpfung verbunden. Damit ist die Regelschleife geschlossen. Der Komparator K3 bewirkt eine Verkleinerung des Tastverhältnisses in Abhängigkeit des Fehlersignals U_R.

Ein Spannungsteiler R8, R9 ermöglicht die Einstellung der sekundärseitigen Ausgangsspannungen. Idealerweise ist R8 gleich R9, so daß das selbst erzeugte und als Versorgungsspannung genutzte Fehlersignal U_R gleich der doppelten Zenerspannung der Zenerdiode Z2 ist.

In der Anlaufphase wird der Kondensator C2 schneller aufgeladen als die Kondensatoren C3 und C1, so daß der Komparator K3 den Schalttransistor T2 in dieser Zeit sperrt. Der Kondensator C1 wird soweit aufgeladen, bis der Komparator K3 in den Schalt- und Regelbetrieb überwechselt.

Die Widerstände R2 und R3 sind so dimensioniert, daß die Amplitude der angenäherten Dreieckspannung sehr klein ist. Dies bewirkt, daß die Spannungsschwankungen durch die Regelung gering sind.

Außer den beiden Sekundärwicklungen Ls1 und Ls2 können in der Speicherdrossel zusätzliche Sekundärwicklungen mit unterschiedlichen Windungszahlen angeordnet sein für weitere Ausgangsspannungen. In einer anderen Ausgestaltung kann das Fehlersignal U_R in dem Sekundärkreis Ls2 des Verbrauchers R_L abgegriffen sein.

Als Schalttransistor T2 kann auch ein Thyristor oder ein Feldeffekttransistor (FET) angeordnet sein. Es können ebenfalls mehrere Schalttransistoren (T2) parallel geschaltet sein. Eine andere Ausgestaltung kann eine Treiberstufe zur Ansteuerung einer oder mehrerer Schalttransistoren T2 verwenden. Anstatt als Sperrwandler kann der Schaltregler auch als Durchflußwandler geschaltet sein.

Durch die Verwendung von schnellen Komparatoren K1, K2, und K3 mit kurzen Umschaltzeiten werden die Verluste in dem Transistor T2 gering gehalten. Es können aber auch andere aktive Bauteile, so z. B. Differenzverstärker, digitale Gatter oder Transistorstufen angeordnet sein. Der Schaltregler besitzt ein gutes dynamisches Verhalten, da er kein Integrationsglied in der Regelschleife enthält. Seine Schwingneigung ist gering, da der Komparator K2 eine Schwingungsunterdrückung bewirkt.

Claims (4)

1. Schaltregler mit einer Regelschaltung, einer Speicherdrossel, in deren Primärkreis mindestens ein Schaltreglerstellglied angeordnet ist, und Mitteln zum Erfassen einer lastabhängigen, gleichgerichteten Spannung in einem Sekundärkreis, wobei diese Spannung sowohl als Fehlersignal als auch zur Spannungsversorgung dient, mit folgenden Merkmalen:

• a) in der Regelschaltung ist ein Oszillator zur Erzeugung eines periodischen Signals (K1, C1, R2, R3, R4) vorgesehen,
• b) es ist eine erste Vergleichsstufe (K3) für den Vergleich des Fehlersignals mit dem periodischen Signal vorgesehen,
• c) es ist eine zweite Vergleichsstufe (K2) vorhanden, die die Stromrichtung des periodischen Signales in einem Bauelement (R4) mißt und daraus die Einschaltzeit pro Periode des Schaltreglerstellgliedes (T2) ableitet,
• d) die erste und die zweite Vergleichsstufe (K3, K2) sind im Sinne einer Oder-Verknüpfung miteinander verbunden.

2. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das periodische Signal als dreieckförmiges Signal mit geringer Amplitude ausgebildet ist.

3. Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Vergleichsstufe (K3, K2) als Komparator geschaltete Differenzverstärker sind.

4. Schaltregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzverstärker (K3, K2) Komparatoren mit offenem Kollektor-Ausgang sind.