AT501799B1 - Hochsetzsteller - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochsetzsteller zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung.

Schaltwandler sind zur Versorgung von elektronischen Geräten in einer Vielzahl bekannt ge-5 worden, wobei man zwischen Sperr- und Flusswandlern unterscheidet, jedoch auch Mischtypen bekannt geworden sind. Aufwändige Lösungen werden den verschiedensten Anforderungen hinsichtlich Leistung, Kurzschlussfestigkeit, Störfreiheit etc. gerecht.

Es gibt Fälle, in welchen zur Stromversorgung kleinerer Geräte, beispielsweise auch der An-io Steuerschaltung eines Schaltwandlers eine Hilfsstromversorgung benötigt wird, an die keine besonderen elektrischen Anforderungen gestellt werden, die jedoch die Kosten des eigentlichen Geräts, beispielsweise eines Schaltwandlers, nicht merklich beeinflussen soll. In solchen Fällen werden oft selbstschwingende Sperrwandler eingesetzt, bei welchen jedoch Voraussetzung das Vorhandensein eines Übertragers mit einer zusätzlichen Hilfswicklung ist. Eines von vielen 15 Beispielen eines solchen Sperrwandlers ist beispielsweise der DE 30 07 566 A1 zu entnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines selbstschwingenden Schaltwandlers, d. h. eines Schaltwandlers, der keinen eigenen Ansteuerbaustein benötigt, welcher mit möglichst wenigen Bauteilen kostengünstig aufgebaut werden kann. 20

Aus der US 5,227,964 geht ein Schaltwandler hervor, bei welchem eine durch Gleichrichtung einer Wechselspannung gewonnene Gleichspannung mit Hilfe eines gesteuerten Schalters an die Primärwicklung eines Transformators schaltbar ist und die an der Sekundärwicklung auftretende Wechselspannung durch Zweiweggleichrichtung in eine Ausgangs-Gleichspannung 25 umgewandelt wird. Die an einem primärseitig gelegenen Messwiderstand verwendete Spannung wird mit einem Referenzwert verglichen und ein Verstärker liefert ein Überstrom-Schutzsignal an die Ansteuerschaltung des gesteuerten Schalters, um den Strom zu begrenzen. 30 Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Hochsetzsteller zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung gelöst, welcher erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch einen in Serie mit einer Speicherinduktivität und einem Sensorwiderstand liegenden ersten Halbleiterschalter, dessen Steuerelektrode über einen Widerstand an der Eingangsspannung liegt, wobei der Widerstand den Arbeitswiderstand eines zweiten Halbleiter-35 Schalters bildet, der Spannungsabfall an dem Sensorwiderstand als Maß für den Strom durch die Speicherinduktivität der Steuerelektrode des zweiten Schalters zugeführt ist, und der an dem ersten Schalter liegende Anschluss der Speicherinduktivität einerseits über eine Gleichrichterdiode zu einem Ausgangskondensator geführt ist, an dem die Ausgangsspannung liegt, sowie andererseits über ein Serien-RC-Glied zu dem Steuereingang des zweiten Schalters. 40

Ein Sperrwandler nach der Erfindung kann mit zwei Transistoren und einer Induktivität sowie mit einigen Widerständen und zwei Kondensatoren aufgebaut werden und er benötigt weder einen Transformator noch eine eigene Ansteuerschaltung. Für die Versorgung kleinerer Geräte, beispielsweise auch für die Versorgung der Ansteuerschaltung eines größeren Schaltwandlers, ist 45 ein solcher Sperrwandler daher vorzüglich geeignet.

Es kann im Sinne einer einfachen Entkopplung vorteilhaft sein, wenn der Spannungsabfall an dem Sensorwiderstand der Steuerelektrode des zweiten Schalters über einen Widerstand zugeführt ist. 50

Wenn ein Funktionieren des Wandlers auch ohne Last garantiert werden soll, empfiehlt es sich, wenn zur Regelung der Ausgangsspannung parallel zu der Schaltstrecke des zweiten Schalters die Schaltstrecke eines dritten Halbleiterschalters liegt, dessen Steuereingang mit der Ausgangsspannung über eine Zenerdiode in Verbindung steht. 55 3 AT 501 799 B1

Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der Zeichnung veranschaulicht ist. Diese zeigt in der einzigen Figur die Schaltung eines Schaltwandlers nach der Erfindung mit einer einzigen Speicherinduktivität. 5 Wie die Figur zeigt, liegt eine Eingangsgleichspannung UE über eine Speicherinduktivität L1, die Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors T1 und einen Sensorwiderstand R2 gegen Masse. Von dem Pluspol der Eingangsgleichspannung UE führt ein Widerstand R1 zur Basis des Transistors T1 bzw. zum Kollektor eines weiteren Transistors T2, dessen Emitter an Masse liegt. Der Emitter des ersten Transistors T1 führt den Spannungsabfall an R2 zur Basis des zweiten Tran-10 sistors T2, welche über die Serienschaltung eines Kondensators C1 und eines Widerstandes R5 mit dem Verbindungspunkt der Speicherinduktivität L1 und des Kollektors des Transistors T1 verbunden ist. Dieser Verbindungspunkt führt über eine Gleichrichterdiode D1 zu einem Ausgangskondensator C2. 15 Wenn an die soeben beschriebene Schaltung kein Lastwiderstand RB, wie ganz rechts in der Figur gezeigt, angeschlossen ist, muss für die Regelung der Ausgangsspannung UA an dem Kondensator C2 Sorge getragen werden. Dazu ist ein dritter Transistor T3 vorgesehen, dessen Kollektor-Emitterstrecke parallel zur Kollektor-Emitterstrecke des Transistors T2 liegt, und dessen Basis über einen Widerstand R6 und eine Zenerdiode D4 mit der Ausgangsspannung UA 20 verbunden ist.

Bei den Transistoren T1, T2 und T3 handelt es sich ganz allgemein um gesteuerte Halbleiterschalter, wobei bevorzugt FETs verwendet werden. 25 Die Schaltung nach der Erfindung arbeitet wie folgt. An der Speicherinduktivität L1, sowie an dem Widerstand R1 liegt die Eingangsgleichspannung UE von beispielsweise 15 V an, welche bei Verwendung eines FETs die zulässige Gate-Source-Spannung nicht überschreiten darf. Über den Widerstand R1 wird das Gate des Transistors TI geladen und dieser schaltet ein, wodurch in der Speicherinduktivität L1 der Strom linear ansteigt. Der Wert dieses Stroms wird 30 an dem Sensorwiderstand R2 abgebildet, d. h. der an diesem Widerstand liegende Spannungsabfall ist ein Maß für den Strom durch die Induktivität und dieser Spannungsabfall wird über den Widerstand R4 dem zweiten Transistor zugeführt. Wenn der zweite Transistor T2 ein npn-transistor ist, und die an dem Widerstand R2 abfallende Spannung größer als die Basis-Emitterspannung dieses Transistors ist, wird dieser leitend und er schaltet den Transistor T1 ab. 35

Nun versucht im Sinne des Hochsetzerprinzips die Induktivität L1 den Stromfluss aufrecht zur erhalten und führt den Strom über die Diode D1 in den Ausgangskondensator C2. Über den Kondensator C1 und den Strombegrenzungswiderstand R5 wird der Transistor T2 leitend gehalten und der Transistor T1 bleibt gesperrt. Erst wenn der Kondensator C1 aufgeladen ist, 40 wird der Transistor T1 wieder freigegeben und über den Widerstand R1 das Gate neuerdings geladen. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die gewünschte Ausgangsspannung erreicht ist. Dann greift der beschriebene Regler auf Basis des Transistors T3 und der Zenerdiode D4 ein, d. h., falls die Ausgangsspannung erreicht ist, wird über die Zenerdiode D4 und den Widerstand R6 der Transistor T3 eingeschaltet und somit das Gate des Transistors T1 kurzge-45 schlossen. T1 bleibt so lange abgeschaltet, bis die gewünschte Ausgangsspannung wieder unterschritten wird, dann leitet die Zenerdiode D4 nicht mehr und der Transistor T3 gibt den ersten Transistor T1 wieder frei.

Bei dieser einfachen Schaltung kommt es somit zu einem Aussetzen der Schwingungen, wenn so die gewünschte Spannung erreicht ist. Für die Funktion sind zwei Zeitkonstanten maßgeblich, nämlich jene der Speicherinduktivität L1 und des Sensorwiderstands R2, welche die Einschaltschwelle des zweiten Transistors T2 und die Einschaltdauer t1 bestimmen, wogegen die Zeitkonstante des Kondensators C1 und des Widerstands R5 die Ausschaltdauer t2 festlegen. 55

Claims (3)

1. 4 AT 501 799 B1 Patentansprüche: 1. Hochsetzsteller zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung (Ue) in eine Ausgangsgleichspannung (UA) 5 gekennzeichnet durch einen in Serie mit einer Speicherinduktivität (L1) und einem Sensorwiderstand (R2) liegenden ersten Halbleiterschalter (T1), dessen Steuerelektrode über einen Widerstand (R1) an der Eingangsspannung liegt, wobei der Widerstand (R1) den Arbeitswiderstand eines zweiten Halbleiterschalters (T2) bildet, der Spannungsabfall an dem Sensorwiderstand (R2) als io Maß für den Strom durch die Speicherinduktivität (L1) der Steuerelektrode des zweiten Schalters (T2) zugeführt ist, und der an dem ersten Schalter liegende Anschluss der Speicherinduktivität (L1) einerseits über eine Gleichrichterdiode (D1) zu einem Ausgangskondensator (C2) geführt ist, an dem die Ausgangsspannung (UA), liegt, sowie andererseits über ein Serien-RC-Glied (C1, R5) zu dem Steuereingang des zweiten Schalters (T2). 15
2. 2. Hochsetzsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsabfall an dem Sensorwiderstand (R2) der Steuerelektrode des zweiten Schalters (T2) über einen Widerstand (R4) zugeführt ist.
3. 3. Hochsetzsteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Ausgangsspannung (UA) parallel zu der Schaltstrecke des zweiten Schalters (T2) die Schaltstrecke eines dritten Halbleiterschalters (T3) liegt, dessen Steuereingang mit der Ausgangsspannung (UA) über eine Zenerdiode (D4) in Verbindung steht. 25 Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 30 35 40 45 50 55