DD205314B1 - Kombinierte steuer- und regelschaltung fuer gleichspannungswandler - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Steuer- und Regelschaltung für Gleichspannungswandler, die nach dem Durchfluß-, Sperroder Gegentakt-Wandlerprinzip arbeiten und deren Eingangskreis und Ausgangskreis vorzugsweise galvanisch, zum Beispiel durch einen Übertrager, voneinander getrennt sind. Eingangskreis und Ausgangskreis werden bei galvanischer Trennung häufig auch als Primärkreis und Sekundärkreis bezeichnet.

Gleichspannungswandler dienen im allgemeinen zur verlustarmen Transformation einer Gleichspannung. Soll der Ausgangsstrom oder die Ausgangsspannung des Wandlers konstant gehalten werden, so geschieht dies häufig durch eine Strom- oder Spannungsregelung. Im weiteren wird nur die Spannungsregelung betrachtet.

Charakteristik bekannter technischer Lösungen

Es sind Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen im Primärkreis die Primärwicklung eines Übertragers in Reihe mit einem Schalttransistor an die Eingangsgleichspannung geschaltet ist. Im Sekundärkreis wird die Ausgangsgleichspannung aus einer Sekundärwicklung des Übertragers mit anschließender Gleichrichtung und Siebung gewonnen. Die Regelung geschieht durch entsprechende Beeinflussung des Tastverhältnisses des im Primärkreis liegenden Schalttransistors. Die Regelschaltung beziehungsweise der Regelschaltkreis ist dabei auf der Sekundärkreisseite angeordnet, wobei eine hohe Genauigkeit der Regelgröße erzielt wird, vgl. I. Wüstehube, „Schaltnetzteile", expert-verlag Grafenau/VDE-Verlag Berlin 1979, S. 179. Für die Spannungsversorgung des Regelschaltkreises im Einschaltmoment des Gleichspannungswandlers sind jedoch besondere Maßnahmen erforderlich. Die Spannungsversorgung kann zum Beispiel eine extern zugeführte Hilfsspannung, ein Hilfswandler oder ein separates Netzteil mit Netztransformator übernehmen.

Es ist ferner bekannt, den Regelschaltkreis auf der Primärkreisseite anzuordnen, vgl. Wüstehube a. a. O. S. 178. Hierbei läßt sich die Spannungsversorgung des Regelschaltkreises und der Treiberschaltung relativ einfach realisieren, zum Beispiel durch direkte Gewinnung aus der Eingangsgleichspannung oder durch eine einfache Anlaufschaltung. Von Nachteil hierbei ist, daß die Regelspannung mittels einer Hilfswicklung des Leistungsübertragers gewonnen wird, was die Regelgenauigkeit der Ausgangsgleichspannung beeinträchtigt.

Es ist weiterhin bekannt, die mittels eines auf der Sekundärseite angeordneten Operationsverstärkers gewonnene Regelqleichspannung über einen Optokoppler einem primärseitig angeordneten Impulssbreitenmodulator zuzuführen, vgl. DD-PS 140 523, G 05 F/1.20. Mit dieser Lösung werden zwar die Regeleigenschaften gegenüber bekannten Schaltungsanordnungen, die Optokoppler einsetzen, verbessert, vgl. DE-AS 2 459 375, H 02 P/13.22, jedoch muß bei der Übertragung der Regelgleichspannung durch einen Optokoppler sein schlechtes Temperaturverhalten und seine geringe Langzeitstabilität in Kauf genommen werden, was den Gebrauchswert solcher Geräte herabsetzt. Nicht zu vernachlässigen sind auch die Toleranzen der Optokoppler. Ferner ist bei der bekannten Schaltungsanordnung nach DD-PS 140 523 ein erwünschter Langsamanlauf nicht möglich, da der Wandler in der Anlaufphase als quasiselbstschwingendes System arbeitet. Dies führt gegenüber dem eingeschwungenen Zustand zu einer erheblich höheren Belastung der sekundärseitig angeordneten Gleichrichterdioden, die dazu zwingt, größere und teurere Gleichrichterdioden einzusetzen. Ferner führt diese Art des Schaltungsaufbaus zu einem zu schnellen Anstieg der Ausgangsgleichspannung und zu deren Überschwingen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es bei einem Gleichspannungswandler die Regelgenauigkeit fur die Ausgangsgleichspannung zu erhohen bei gleichzeitigem Schutz der Bauelemente vor Überlastung

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine fur Gleichspannungswandler universell, d h bei Sperrwandlern, Durchflußwandlern und Gegentaktwandlern, einsetzbare Steuer- und Regelschaltung zu schaffen, die sich durch einen kleinen Temperaturkoeffizienten und große Langzeitstabilitat auszeichnet Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe dadurch gelost, daß bei einem Gleichspannungswandler mit einer Steuerschaltung auf der Primarseite beziehungsweise Eingangsseite, deren Ausgang mit einer Treiberschaltung des Schalttransistors verbunden ist, deren Impulsbreitenmodulator über einen Optokoppler von einer sekundarseitigen beziehungsweise ausgangsseitigen Regelschaltung zur Erfassung der Regelabweichung angesteuert wird und der zur Spannungsversorgung im Einschaltmoment und bei sekundarseitiger Oberlast eine Anlaufschaltung zugeordnet ist, auch in der sekundarseitigen Regelschaltung ein Impulsbreitenmodulator vorgesehen ist, der den Optokoppler über eine Schaltstufe digital ansteuert, und daß der Ausgang des Optokopplers über einen Operationsverstärker mit dem Synchronisiereingang und einem der Modulationseingange des Impulsbreitenmodulators in der Steuerschaltung auf der Primarseite verbunden ist In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, daß ein Modulationseingang des Impulsbreitenmodulators in der sekundarseitigen Regelschaltung mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers verbunden ist, dessen Eingang ein vom Sekundargleichstrom durchflossener Widerstand parallel geschaltet ist, wodurch ein Überlastschutz des Gleichspannungswandlers gewährleistet wird Das Wesen der Erfindung besteht dann, daß durch die serielle Verkopplung zweier Impulsbreitenmodulatoren eine einheitliche digitale Arbeitsweise der Steuer- und Regelschaltung ermöglicht wird Somit lassen sich zur Verkopplung der beiden Impulsbreitenmodulatoren nunmehr vorteilhafterweise Optokoppler einsetzen, die bisher bei analoger Übertragung wegen ihrer schlechten Langzeitstabilitat und ihres schlechten Temperaturkoeffizienten sowie ihrer stark streuenden Kenndaten nur bei geringen Anforderungen an die Regelgenauigkeit der Ausgangsgleichspannung einsetzbar waren und die bisher bei digitaler Übertragung eine zusätzliche galvanisch getrennte Hilfsspannungsversorgung fur die sekundarseitige Regelschaltung erforderten Die Steuer- und Regelschaltung laßt sich vorteilhafterweise durch integrierte Schaltkreise fur die Steuerschaltung auf der Primarseite und fur die Regelschaltung auf der Sekundarseite realisieren Sie ist auch dann anwendbar, wenn die galvanische Trennung im Leistungskreis, beispielsweise bei Batteriestromversorgungen, entfallen kann In diesem Fall gliedert sich die Schaltung in Eingangsseite und Ausgangsseite Fur die galvanische Trennung im Signalkreis ist es auch möglich, statt eines Optokopplers einen Impulsubertrager einzusetzen Die Versorgungsspannung fur den im Sekundarkreis angeordneten Impulsbreitenmodulator wird vorteilhafterweise aus der Eingangsgleichspannung des Gleichspannungswandler abgeleitet Insgesamt zeichnet sich die erfinderische Schaltung dadurch aus, daß eine hohe Regelgenauigkeit mit geringem Schaltungsaufwand, insbesondere minimalem Aufwand an Wickelgutern, erreicht wird

Ausfuhrungsbeispiel

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausf uhrungsbeispielen wird die Erfindung naher erläutert In der Zeichnung zeigen

Fig 1 ein Schaltbild eines Gleichspannungswandlers nach dem Sperrwandlerprinzip in vereinfachter Darstellung, Fig 2 ein Blockschaltbild eines Impulsbreitenmodulators

Es sind nur die fur das Verständnis der Erfindung notwendigen Einzelheiten dargestellt Der in Fig 1 dargestellte Gleichspannungswandler besteht im wesentlichen aus einem Primarkreis und einem Sekundarkreis, die durch einen Leistungsubertrager Cl sowie durch einen Optokoppler OK galvanisch voneinander getrennt sind Im Primarkreis befinden sich eine Anlaufschaltung AS, eine Gleichrichter- und Siebschaltung GS2, eine Treiberschaltung TS, ein Schalttransistor T1 mit Emitterwiderstand R1, ein Regelschaltkreis RS2 mit einem Impulsbreitenmodulator IM2 nebst Ausgangsstufe AT2 als Hauptbestandteil und ein Operationsverstärker OV2

Im Sekundärkreis befinden sich eine Gleichrichter und Siebschaltung GS1, ein Meßwiderstand R8, ein Operationsverstärker OV3, ein Regelschaltkreis RS1 mit einem Impulsbreitenmodulator IMI nebst Ausgangsstufe AT1, einem Operationsverstärker OV1 und Einstellwiderstande R4, R5 fur die Verstärkung, ein Ausgangsspannungsteiler R2, R3 und eine Schaltstufe ST mit einem Transistor T2, einem Widerstand R7, einer Z Diode Z und einem Arbeitswiderstand R6 Das Schaltbild zeigt die prinzipielle Verbindung der Bauelemente untereinander Die Eingangsgleichspannung U₄ liegt an zwei Klemmen E1, E2, die Ausgangsspannung wird an zwei Klemmen A1, A2 abgenommen Die Versorgungsspannung fur den Primär Regelschaltkreis ist mit U_p und die Versorgungsspannung des Sekundär Regelschaltkreises ist mit U, bezeichnet

Der in Fig 2 erweitert dargestellte Impulsbreitenmodulator IM besteht im wesentlichen aus einem Sagezahngenerator ZG, dem eigentlichen Pulsdauermodulator PDM, einer internen Spannungsversorgung SV, einem Komparator K, einer Logikschaltung L und einem Ausgangstransistor AT Der Aufbau trifft fur beide Impulsbreitenmodulatoren zu Der primarseitig eingesetzte Impulsbreitenmodulator besitzt noch ein Widerstands Kondensator Netzwerk R9, R10, C, das für den Langsamanlauf sorgt Die einzelnen Eingangsbezeichnungen bedeuten U_p/S = Eingang fur die Versorgungsspannung, f = Frequenzeinstellung, S = Synchronisiereingang, M1, M2 = Modulationseingange, V_T = Begrenzungseingang fur das maximale Tastverhältnis, U_r = Referenzspannung, U₂ = Ausgang der internen Spannungsversorgung, O - Bezugspotential, B = Strombegrenzungseingang, A = Ausgang, SV = interne Spannungsversorgung, K = Komparator, L = Logikschaltung Im Einschaltmoment stellt die Anlaufschaltung AS die Versorgungsspannung U_p fur die Treiberschaltung TS, den Impulsbreitenmodulator IM2 und fur den Operationsverstärker OV2 zur Verfugung Der Operationsverstärker OV2 kann sowohl in den Optokoppler OK als auch in den Impulsbreitenmodulator integriert sein Am Ausgang A21 gibt der Impulsbreitenmodulator IM2

Impulse mit langsam ansteigender Impulsdauer an die Treiberschaltung TS ab, die den Schalttransistor T1 derart steuert, daß die Emgangsgleichspannung U„ in eine Rechteckspannung zerhackt wird, die an der Primärwicklung des Übertragers Cl ansteht Die dabei auf die erste Sekundärwicklung übertragene Energie wird in Abhängigkeit vom Tastverhältnis der Ansteuerimpulse des Schalttransistors T1 gesteuert Nach Gleichrichtung und Siebung in der Gleichrichter und Siebschaltung GS1 liegt an den Ausgangsklemmen Al A2 die dem Verbraucher zuzuführende Ausgangsspannung U₃ Gleichzeitig gelangt die Ausgangsspannung U_a über den Spannungsteiler R2, R3 an den Operationsverstärker OV1 und in diesem Falle auch als Versorgungsspannung U, an die Schaltstufe ST und den Impulsbreitenmodulator IM1

Die vom Ausgangsspannungsteiler R2, R3 gelieferte Spannung wird im Operationsverstärker OV1 mit der Referenzspannung U_r verglichen, verstärkt und dem Modulationseingang M11 als Regelspannung zugeführt Die Verstärkung wird mit Hilfe der Einstellwiderstande R4, R5 festgelegt Im Pulsdauermodulator PDM des Impulsbreitenmodulators IM 1 werden in Abhängigkeit von der Regelspannung Impulse entsprechender Dauer erzeugt, die an die Ausgangsstufe AT1 gelangen

Hat die sekundarseitige Versorgungsspannung U_s den Schwellwert der Z-Diode Z erreicht, so wird der Transistor T2 der Schaltstufe ST in den Durchlaßzustand geschaltet, und die Lumineszenzdiode des Optokopplers OK erhalt Spannung und leuchtet Erst jetzt werden die am Ausgang A11 des Impulsbreitenmodulators IM1 liegenden Impulse wirksam, das heißt, bei jedem Impuls erlischt die Lumineszenzdiode des Optokopplers OK, und in den Pausen leuchtet sie wieder auf Das wiederholte Aufleuchten wird als Lichtimpulse von der Fotodiode oder dem Fototransistor des Optokopplers OK aufgenommen und in elektrische Impulse umgewandelt, die an den Eingang des Operationsverstärkers OV2 gelangen Im Operationsverstärker OV2 werden die elektrischen Impulse regeneriert und gelangen anschließend an den Modulationsemgang M21 und an den Synchronisiereingang S2 des primarseitigen Impulsbreitenmodulators IM2 Die Impulse an seinem Synchronisiereingang S2 synchronisieren den Sagezahngenerator ZG, so daß dieser auf der gleichen Frequenz wie der Sagezahngenerator ZG des sekundarseitigen Impulsbreitenmodulators IM1 schwingt Nach Verstärkung durch den Ausgangstransistor AT2 liegen am Ausgang A21 Impulse vor, die über die Treiberstufe TS den Schalttransistor T1 steuern Damit ist der Regelkreis geschlossen Die Anlaufschaltung AS schaltet sich automatisch ab Die Gleichrichter und Siebschaltung GS2 übernimmt die interne Stromversorgung aus einer Sekundärwicklung des Leistungsubertragers U

Bei einer Storbeeinflussung, zum Beispiel einer Lasterhohung im Sekundarkreis, sinkt infolge des Innenwiderstandes des Gleichspannungswandler die Sekundar-Gleichspannung U_a, und der Operationsverstärker OV1 legt eine höhere Regelspannung an den Modulationseingang M11 Hierdurch wird eine längere Impulsdauer am Ausgang Al 1 bewirkt Bis zum Schalttransistor TI spielen sich jetzt die vorher beschriebenen Vorgange ab Die längeren Ansteuerimpulse am Schalttransistor T1 bewirken eine Erhöhung der zu übertragenden Energie, wodurch eine Erhöhung der Sekundar-Gleichspannung U, bis zu ihrem Nennwert eintritt Bei einer Lastverringerung tritt eine Erhöhung des Sekundär Gleichspannung ein, wodurch die Regelimpulsdauer verringert wird Die Steuer- und Regelvorgange sind den vorher beschriebenen analog und haben eine Verringerung der Sekundär Gleichspannung U_a zur Folge, bis der Nennwert wieder erreicht ist

Einen gleichen Verlauf nehmen die Vorgange bei einer Verringerung beziehungsweise einer Erhöhung der Primär Gleichspannung

Steigt bei Entnahme der vollen Ausgangsleistung an den Ausgangsklemmen A1, A2 die Emgangsgleichspannung U. sprunghaft an, so kann dies auch zu einem sehr steilen Anstieg des Kollektorstromes des Schalttransistors T1 fuhren Bevor dieser Strom durch die vorher beschriebenen Regelvorgange verringert wird, sorgt der am Emitter des Schalttransistors T1 liegende Widerstand R1 fur eine Strombegrenzung über den Strombegrenzungseingang B2 des Impulsbreitenmodulators IM2 Hierdurch wird die Impulsdauer reduziert beziehungsweise werden die Impulse völlig gesperrt Statisch wirkt diese Strombegrenzung auch auf den Ausgangsgleichstrom

Bei zu hoher Stromentnahme auf der Sekundarseite wird ein Überlastschutz zusätzlich dadurch gewährleistet, daß die am Widerstand R8 abfallende Spannung nach Verstärkung durch den Operationsverstärker OV3 auf einen weiteren Modulationseingang M12 des Impulsbreitenmodulators IM1 einwirkt, wodurch ebenfalls die Impulsdauer reduziert wird, die Impulse jedoch nicht völlig unterdruckt werden

Somit besitzt die vorliegende Schaltung in einem gewissen Bereich der Ausgangsgleichspannung eine Konstantstromcharakteristik, die eine Parallelschaltung mehrerer Gleichspannungswandler mit gleicher Ausgangsgleichspannung ohne besondere Maßnahmen zulaßt

Die beiden Impulsbreitenmodulatoren IM1, IM2 sowie die Operationsverstärker OV1, OV2 sind ohne weiteres integrierbar Der pnmarseitige Operationsverstärker OV2 kann auch in der Optokoppler OK integriert sein, da er in jedem Falle nur einmal benotigt

Es liegt im Wesen der Erfindung, daß diese nicht auf das Ausfuhrungsbeispiel beschrankt ist, bei dem vorzugsweise eine galvanische Trennung des Primär- und Sekundarkreises durch einen Übertrager gewählt wurde Anstelle einer galvanischen Trennung im Pnmarkreis und Sekundarkreis ist analog auch eine Trennung beziehungsweise Unterteilung in Eingangskreis und Ausgangskreis dadurch möglich, daß anstelle eines Übertragers zum Beispiel eine Speicherurossel zwische ι den Schalttransistor T1 und die eine Ausgangsklemme A2 geschaltet wird

In Betracht gezogene Druckschriften

USPS 360280/1 (G 05 F/1/20)

US-PS 377104/0 (H 02 M/3/32)

Wustehube „Schaltnetzteile" VDE Verlag GmbH Berlin (W) 1979 radio fernsehelektronik Heft 2,1982

Claims (2)

1. Kombinierte Steuer- und Regelschaltung für Gleichspannungswandler mit einer Steuerschaltung auf der Primärseite beziehungsweise Eingangsseite, deren Ausgang mit einer Treiberschaltung des Schalttransistors verbunden ist, deren Impulsbreitenmodulator über einen Optokoppler von einer sekundärseitigen beziehungsweise ausgangsseitigen Regelschaltung zur Erfassung der Regelabweichung angesteuert wird und der zur Spannungsversorgung im Einschaltmoment und bei sekundärseitiger Überlast eine Anlaufschaltung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auch in der sekundärseitigen Regelschaltung ein Impulsbreitenmodulator (IM1) vorgesehen ist, der den Optokoppler (OK) über eine Schaltstufe (ST) digital ansteuert, und daß der Ausgang des Optokopplers (OK) über einen Operationsverstärker (OV2) mit dem Synchronisiereingang (S2) und einem der Modulationseingänge (M21) des Impulsbreitenmodulators (IM2) in der Steuerschaltung (RS2) auf der Primärseite verbunden ist.

2. Kombinierte Steuer- und Regelschaltung für Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Modulationseingang (M12) des Impulsbreitenmodulators (IM1) in der sekundärseitigen Regelschaltung (RS1) mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers (OV3) verbunden ist, dessen Eingang ein vom Sekundärgleichstrom durchflossener Widerstand (R8) parallel geschaltet ist.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen