DE4438387A1 - Schaltregler mit galvanischer Trennung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Schaltregler mit einem Leistungsübertrager zur galvanischen Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangskreis.

Ein solcher Schaltregler ist bekannt aus der DE 28 04 694 A1.

Bei dem Schaltregler gemäß der DE 28 04 694 A1 erfolgt die Regelung des Schaltreglers über ein Kurzschließen der Sekundärwicklung des Leistungsübertragers in Abhängigkeit der ausgangsseitigen Fehlerspannung. Wenn der Energieaufnahmestrom durch die Primärwicklung des Leistungsübertragers während eines von einem Taktgenerator gelieferten Taktpulses einen bestimmten Wert überschreitet, wird das Stellglied für die restliche Dauer des Taktes in den sperrenden Zustand gebracht. Das Kurzschließen der Sekundärwicklung erfolgt während der Energieabgabe des Schaltreglers; d. h. während der Phase, in der der Schalttransistor gesperrt ist. Es wird also während der Kurzschließphase Energie zwischengespeichert, die später an den Sekundärkreis abgegeben wird.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es einen Schaltregler eingangs genannter Art so auszugestalten, daß ein günstiges dynamisches Verhalten erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen auf.

Der Erfindung liegen folgende Voraussetzungen bzw. Erkenntnisse zugrunde:
Während beim Schaltregler gemäß der DE 28 04 694 A1 das Kurzschließen der Sekundärwicklung während einer Sperrphase des Schaltregler-Schalttransistors in Form eines Stellgliedes erfolgt, wird bei vorliegendem Schaltregler die Sekundärwicklung des Leistungsübertragers dann niederohmig überbrückt, wenn der Schaltregler-Schalttransistor leitend ist. Sobald die niederohmige Überbrückung der Sekundärwicklung aktiviert ist, steigt der Energieaufnahmestrom durch den Schaltregler-Schalttransistor steil an, da durch die Überbrückung der Sekundärwicklung ein zusätzlicher Strom fließt. Der Schwellwert der Stromregeleinrichtung, die den Abschaltzeitpunkt des Schaltregler-Stellgliedes bestimmt, wird früher erreicht und der Schaltregler-Schalttransistor schaltet früher ab. Bei der DE 28 04 694 A1 erfolgt hingegen während der Überbrückungsphase eine Energiezwischenspeicherung.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Schaltreglers nach der Erfindung,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des Energieaufnahmestromes durch das Stellglied und

Fig. 3 einen Stromlauf für einen Schaltregler, der als selbstschwingender Gleichspannungswandler aufgebaut ist.

Beim Prinzipschaltbild gemäß Fig. 1 liegt im Primärkreis des Schaltreglers die Eingangsgleichspannungsquelle QE parallel zur Serienschaltung bestehend aus der Wicklung w1 des Leistungsübertragers Tr, dem beispielsweise als Feldeffekttransistor FET ausgebildeten Schaltregler- Stellglied und einem Strommeßwiderstand RM. Der Sekundärkreis des Schaltreglers wird gebildet durch die Wicklung w2 des Leistungsübertragers, die Diode D1 für die Gleichrichtung der an der Wicklung w2 auftretenden Spannung und dem ausgangsseitigen Glättungskondensator CA, über den die Ausgangsspannung UA abgreifbar ist. Die Wicklungen w1 und w2 weisen einen solchen Wicklungssinn auf, daß der Schaltregler als Sperrwandler arbeitet.

Die Ansteuerung des Stellgliedes FET erfolgt über einen Taktgenerator TG, d. h. mit jedem neuen Taktpuls des Taktgenerators TG wird das Stellglied FET leitend gesteuert. Den Abschaltezeitpunkt bestimmt die Stromsteuereinrichtung bestehend aus dem Strommeßwiderstand RM, Widerstand RE, Integrationskondensator CI und Transistor T2. Der Energieaufnahmestrom des Schaltreglers wird durch den Strommeßwiderstand RM erfaßt und über den Widerstand RE auf den Integrationskondensator CI geführt. Wenn die energieaufnahmestromproportionale Spannung am Integrationskondensator CI einen vorgegebenen Schwellwert - im Ausführungsbeispiel die Basis-Emitterspannung des Transistors T2 - erreicht, wird dieser Transistor T2 leitend. Über den leitenden Transistor T2 wird das Steuerpotential für den FET, das vom Taktgenerator TG geliefert wird, abgezogen und der FET beginnt zu sperren. Die Steigung des Energieaufnahmestromes erfährt bei sperrendem FET eine Änderung, was eine Polaritätsumkehr der Spannungen an den Wicklungen w1 und w2 bewirkt. Es beginnt die Energieabgabephase in den Sekundärkreis.

Zur zusätzlichen Regelung des Gleichspannungswandlers in Abhangigkeit einer Ausgangsgröße - z. B. der Ausgangsspannung UA - wird erfindungsgemäß die Sekundärwicklung w2 während der Leitendphase des FET über eine Einrichtung E1 niederohmig überbrückt.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist im Ausgangskreis des Schaltreglers ein Pulsbreitenmodulator PBM vorgesehen, der gleichzeitig als Regelverstärker arbeitet. Die Ausgangsspannung UA wird über einen Spannungsteiler erfaßt und zu dem einen Eingang des Pulsbreitenmodulators PBM geleitet. Der zweite Eingang ist mit einem Referenzsignal REF beaufschlagt. Der Pulsbreitenmodulator PBM vergleicht die Ausgangsspannung UA mit dem Referenzsignal REF. Für die Zeit, während welcher die Ausgangsspannung UA höher ist als die Referenzspannung - (Fehlerspannung ΔUA) Referenzsignal REF - wird die Sekundärwicklung w2 über den elektronischen Schalter T1 am Ausgang des Pulsbreitenmodulators PBM niederohmig überbrückt. Der Energieaufnahmestrom iE durch den FET steigt dann steil an (Fig. 2), da durch das niederohmige Überbrücken ein zusätzlicher Strom über den FET fließt, und erreicht früher den Schwellwert S zur Strombegrenzung; d. h. der FET schaltet dann früher ab (Zeitpunkt t2 anstelle von t1). Das Referenzsignal REF kann aus der Welligkeit des Stromes oder der Spannung im Sekundärkreis gewonnen werden oder z. B. aus einem Sägezahnsignal, welches synchron zur normalen Energieaufnahme verläuft. Es kann beispielsweise auch vom Taktgenerator TG abgeleitet werden.

Eine Diode D2 in Serie zum Schalter T1 ist so gepolt, daß die Diode D1 sperrt, wenn die Diode D2 leitet. Der Einbau der Diode D2 hat u. a. den Vorteil, daß bei Erreichen des Schwellwertes für die Begrenzung des Energieaufnahmestroms das niederohmige Überbrücken der Wicklung w2 sofort unterbleibt.

Anstelle des Pulsbreitenmodulators PBM kann ein Regelverstärker RVT - Fehlersignalverstärker - zur Auswertung der Ausgangsspannung UA verwendet werden. Der nachgeschaltete Transistor T1′ arbeitet dann nicht als Schalter, sondern als aktiver steuerbarer Widerstand, der die Sekundärwicklung w2 mehr oder weniger niederohmig überbrückt.

Der Schaltregler kann auch als selbstschwingender Gleichspannungswandler ausgebildet sein (Fig. 3). Der Leistungstransformator Tr weist dann beispielsweise eine Wicklung w3 auf, über deren Spannungsabfall der Feldeffekttransistor FET im wesentlichen gesteuert wird. Zum Anlauf des Feldeffekttransistor FET ist der Anlaufwiderstand RA vorgesehen, der die Eingangsgleichspannungsquelle QE über den Widerstand RV2 mit der Steuerelektrode des Feldeffekttransistor FET verbindet. Über den Anlaufwiderstand RA gelangt das Pulspotential der Eingangsgleichspannungsquelle QE zur Steuerelektrode des FET. Dieser wird dadurch leitend und es fließt ein Strom über die Wicklung w1. Dadurch bildet sich an der Wicklung w1 ein Spannungsabfall U1. Auch an der Wicklung w3 entsteht dadurch ein Spannungsabfall U3. Der Wicklungssinn der Wicklung w3 ist so gewählt, daß von der Wicklung w3 und über Serienschaltung bestehend aus dem Kondensator CU und den Widerständen RV1, RV2 ein Strom fließen kann, der den FET zusätzlich leitend steuert. Der Energieaufnahmestrom durch den FET wird wie zuvor geschildert mit dem Strommeßwiderstand RM erfaßt und über den Widerstand RE auf den Integrationskondensator CI geführt. Wenn die energieaufnahmestromproportionale Spannung am Integrationskondensator CI einen vorgegebenen Schwellwert - im Ausführungsbeispiel die Basis-Emitterspannung des Transistors T2′ - erreicht, wird dieser Transistor T2′ leitend. Über den leitenden Transistor T2′ wird das Steuerpotential an der Steuerelektrode des FET abgezogen und der FET beginnt zu sperren. Die Steigung des Energieaufnahmestromes erfährt bei sperrendem FET eine Änderung, was eine Polaritätsumkehr der Spannungen U1, U2, U3 an den Wicklungen w1, w2 und w3 bewirkt. Über den mit der Wicklung w3 verbundenen Kondensator CU wird der FET schlagartig gesperrt. Der zuvor über die Spannung U3 aufgeladene Kondensator CU lädt sich über eine Umladeeinrichtung, d. h. die Widerstände RV1, RV2, die Zenerdiode ZD und die Wicklung w3 um auf die entgegengesetzte Polarität. Dieser Umladevorgang bleibt solange bestehen, bis der Leistungstransformator Tr über die Wicklung w2 und den Gleichrichter D1 seine Energie auf den Ausgang abgegeben hat. Nach dieser Energieabgabe schwingt die Spannung am Leistungstransformator Tr um. Da der Kondensator CU durch die Umladung negativ vorgeladen ist, wird der FET wieder leitend gesteuert und die Energieaufnahmephase läuft wie zuvor beschrieben erneut ab.

Bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 3 ist die Wicklung w3 mit einer Gleichrichterschaltung bestehend aus der Diode D3 und dem Kondensator C1 beschaltet. Am Kondensator C1 wird so eine Gleichspannung proportional zur Eingangsspannung erzeugt, die als Hilfsspannung zur Versorgung eventueller zusätzlicher Einrichtungen dienen kann. Über den an die Gleichrichterschaltung angeschlossenen Widerstand R1, der zur Basis des Transistors T2′ führt, ist eine Kompensation der Ansprechschwelle der Strombegrenzung über der Eingangsspannung möglich.

Eine weitere Gleichrichterschaltung, bestehend aus der Diode D4 und aus dem Kondensator C2, liefert eine Spannung entgegengesetzter Polarität, die proportional zur Ausgangsspannung ist und die dazu benutzt werden kann einen Gleichspannungswandler mit rücklaufender (fold-back-) Kennlinie zu realisieren. Hierzu ist der Widerstand R2 vorgesehen, der die Gleichrichterschaltung D4, C2 mit der Regelschleife, d. h. der Basis des Transistors T2, verbindet.

Claims (7)

1. Schaltregler mit folgenden Merkmalen:

• - einem Leistungstransformator (Tr) zur galvanischen Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangskreis,
• - einem primärseitigen Schaltregler-Stellglied (FET) in Reihe zur Primärwicklung (w1) des Leistungsübertragers (Tr),
• - einer Einrichtung (E1) mittels derer die Sekundärwicklung (w2) des Leistungsübertragers (Tr) während der Einschaltzeit des primärseitigen Stellgliedes (FET) in Abhängigkeit der Größe eines ausgangsseitigen Fehlersignals (ΔUA) niederohmig überbrückbar ist,
• - einer Stromsteuereinrichtung (RM, T2) mittels derer der Abschaltzeitpunkt des primärseitigen Stellgliedes (FET) nach dem Kriterium geregelt wird, daß der Energieaufnahmestrom einen vorgegebenen Schwellwert erreicht.

2. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (E1) aus einem über einen Pulsbreitenmodulator (PBM) steuerbaren Schalttransistor (T1) besteht, wobei der Pulsbreitenmodulator (PBM) einerseits mit dem ausgangsseitigen Fehlersignal (ΔUA) und einem Referenzsignal (REF) beaufschlagbar ist.

3. Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (E1) aus einem Fehlersignalverstärker (RVT) besteht, dem ein aktiver steuerbarer Widerstand (T1′) nachgeschaltet ist.

4. Schaltregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal (REF) synchron zum Einschaltsignal für das primärseitige Schaltregler-Stellglied (FET) gewählt ist.

5. Schaltregler nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal (REF) aus der Welligkeit des Stromes oder der Spannung im Sekundärkreis des Schaltreglers abgeleitet ist.

6. Schaltregler nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal (REF) von einem Taktgenerator (TG) für das primärseitige Stellglied (FET) abgeleitet ist.

7. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einrichtung (E1) bzw. dem Schalttransistor (T1) oder aktiven steuerbaren Widerstand (T1′) eine Diode (D2) in Serie geschaltet ist, deren Polung so gewählt ist, daß diese sperrt, wenn die Diode (D1) für die Gleichrichtung der Spannung im Schaltregler- Ausgangskreis leitet.