DE1463553A1 - Verfahren zur Stabilisierung einer Gleichspannung mit einem Stelltransistor und einer Drosselspule - Google Patents

Verfahren zur Stabilisierung einer Gleichspannung mit einem Stelltransistor und einer Drosselspule

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DE1463553A1 DE19631463553 DE1463553A DE1463553A1 DE 1463553 A1 DE1463553 A1 DE 1463553A1 DE 19631463553 DE19631463553 DE 19631463553 DE 1463553 A DE1463553 A DE 1463553A DE 1463553 A1 DE1463553 A1 DE 1463553A1
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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAfT 8QQ0
Ha/Bla ■ /Vh y'
■•'■'-:-- P H 63 553.1
PA 63/2803
Verfahren zur Stabilisierung einer Gleichspannung mit einem Stelltransistor, und einer Drosselspule
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stabilisierung einer Gleichspannung mit einem im Längszweig der Stabilisierungsschaltung liegenden, von einer Rechteckspannung mit veränderbarem Tastverhältnis gesteuerten Stelltransistor, einer als Energiespeicher dienenden Drossel und. einer im Querzweig angeordneten* -die Eingangsseite der Drossel zwischen den beiden Eingangsklemmeh der Schaltung periodisch hin- und hersehaltenden Diode.
Schaltungen, die nach diesem oder einem ähnlichen Verfahren arbeiten, sind unter der Bezeichnung "Schaltregler" bekannt* Ebenso sind verschiedene Verfaiiren1 bekannt, den Stelltransistor eines solchen Schaltreglers anzusteuern.
Das Öffnen und Sperren des Stelltränsistors kann z.B* bei bestimmten Spannungswerten, unterhalb, und oberhalb der Nenn- ,; Ausgangsspahnung erfolgen. Ein solcher Zweipunktregler arbeitet mit einer"in weiten Grenzen schwankenden Schaltfrequenz, die außerdem'nicht frei gewählt werden kann. Die Schaltfrequenz ist zwangsläufig von der der stabilisierten Gleichspannung überlagerten Wechselspannung abhängig. Da die Schaltfrequenz wegen der Schaltverlüste im Stelltransistor nicht beliebig heraufgesetzt werden kann, ist die erreichbare Siebung für viele Anwendungen nicht ausreichend.
Andere bekannte Schaltungen verwenden zur Steuerung des Stelitranaistors die Spannung an der Lüftspaltdrossel des Last-
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kreises. Auch dieser (rückgekoppelte) Schaltregier arbeitet mit stark veränderlicher Schaltfrequenz. Zwischen Schaltfrequenz und überlagerter Wechselspannung besteht eine Abhängigkeit, die die Bemessung erschwert. In vielen Fällen ist eine Nachsiebung erforderlich, die jedoch wiederum das dynamische Verhalten des Schaltreglers verschlechtert. Die Steuerspannung des Stelltransistors wird durch die Spannung an der Luftspaltdrossel bestimmt, so daß ein großer Regelbereich und insbesondere ein Kurzschluß am Ausgang des Schaltreglers nicht ohne weiteres zu beherrschen sind.
Es ist ebenfalls bekannt, den Stelltransistor mit rechteekförmigen Impulsen zu steuern, deren Tastverhältnis zugleich mit der Periodendauer veränderbar ist, so daß auch hier die Siebung einen großen Aufwand erfordert.
Diese Nachteile werden gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß der Stelltransistor von einer rechteekförmigen Steuerspannung konstanter Periodendauer und Amplitude angesteuert wird, deren Tastverhältnis in an sich bekannter Weise durch Überlagerung einer dreieckförmigen Hilfsspannung konstanter Periodendauer und einer Meßspannung, die von der stabilisierten Ausgangsspannung abgeleitet ist, in Abhängigkeit von der Eingangsspannung bzw. vom. Ausgangsstrom der Stabilisierungsschaltung verändert wird. '...-.
Damit wird die Schaltfrequenz .und die Größe der Steuerspannung völlig unabhängig von der zu regelnden Ausgangsspannung des Schaltreglers ausschließlich von der Steuerschaltung bestimmt und die Stabilisierung der Aus gangs spannung erfolgt. ■ ,.._ nur durch die Änderung des Verhältnisses Durchlaßzeit zu Sperrzeit des Stell transistors. Die von bekannten Verf da r en....,... abweichende Ansteuerung des Stelltransistors bringt eine ^1 Reihe von Vorteilen,; die maßgebend für die Eigenschaften des...,-,/ ganzen Schaltreglers sind und dessen Verwendungsmöglichkeiten
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■bestimmen. So kann mit relativ geringem Aufwand an Si ermitteln die der Gleichspannung überlagerte Wechselspannung klein gehalten werden. Das Verfahren schafft außerdem einen großen Regelbereich und ist auch zur Stabilisierung großer Gleichspannungen geeignet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können durch Ergänzung der Grundschaltung des nach dem neuen Verfahren arbeitenden Schaltreglers durch einen an den Ausgängen der Schaltung angeschlossenen Transistor-Gleichspannungswandler Gleichspannungen bis zu einigen 1000 V stabilisiert werden. Dieser Vorteil resultiert daraus, daß der Schaltregler mit einer konstanten Schaltfrequenz für den Stelltransistor betrieben wird. .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zur Durchführung des Verfahrens in der Steuerschaltung ein Transistor-Wechselrichter als Taktgeber vorgesehen, von dessen rechteckförmiger Ausgangsspannung mit zwei RC-Gliedern die dreieckförmige Hilfsspannung konstanter Periodendauer abgeleitet wird. Außerdem ist eine bistabile Kippstufe vorgesehen, die von der verstärkten aus der Dreieckspannung und der Ausgangsspannung der Stabilisierungsschaltung gebildeten Summenspannung gesteuert abwechselnd eine von zwei gleich großen Gleichspannungen entgegengesetzter Polarität in einem von der Ausgangsspannung abhängigen Tastverhältnis mit großer Flankensteilheit auf die * Steuerstrecke des Stelltransistors schaltet.
Die Erfindung wird anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
Als Anwendungsbeispiel des fremdgesteuerten Schaltreglers zeigt Fig.1 ein geregeltes Netzgerät, das einen Schaltregler mit einem"Stelltransistor enthält. Die Netzspannung ist an der Primärwicklung I des Netztransformators Tr1 angeschlossen, dessen Sekundärwicklungen II bzw. III die Speisespannungen für den Lastkreis L bzw. für den Steuerteil S liefern.
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Die mit dem Gleichrichter Gr1 gleichgerichtete und mit dem Kondensator C1 geglättete Spannung wird dem Lastkreis des Schalt reglers zugeführt. Der Las tier eis ist nach bekannter Schaltung aufgebaut und enthält den Stelltransistor T1, die Diode D1 sowie die Speicherdrossel Dr und den Kondensator C3 zur Glättung der Aus gangs spannung. Ist der Stelltransistor T1 leitend (Durchlaßzeit), so fließt über den Transistor T1 und die Drossel Dr ein linear ansteigender Strom zum Ausgang. Beim Sperren des Transistors T1 fließt der Strom in der Drossel linear abnehmend über das Ventil D1 weiter (Sperrzeit).
Das Verhältnis Durchlaßzeit zu Sperrzeit (Tastverhältnis) bestimmt die Größe der Ausgangsspannung. Eine Abweichung der Ausgangs spannung vom Sollwert bewirkt über eine Meßschaltung M und den Steuerteil S eine Änderung des Tastverhältnisses, die der Spannungsabweichung entgegenwirkt. Die Meßschaltung M besteht aus einer Brückenschaltung mit einer Zenerdiode als Bezugsspannungsquelle und einem Transistor als Verstärker. Die Anordnung liefert, zum Steuerteil einen Strom, der der Ausgangs spannung (Spannungsregelung) bzw. nach Überschreiten der Nennlast dem Laststrom (Strombegrenzung) proportional ist.
Der Steuerteil S wird aus einer Hilfsgleichspannung gespeist, damit seine Bemessung vollkommen unabhängig von der Ausgangsspannung des Reglers wird. Mit dem Gleichrichter Gr2 und dem Kondensator C2 wird die Eingangsgleichspannung für den Steuerteil erzeugt und geglättet. Die Gleichspannung speist einen Hilfswechselrichter in Gegentaktschaltung, der im wesentlichen aus den Transistoren T2 und T3 sowie dem Transformator Tr2 besteht. Das Umsteuern der Transistoren wird durch die Sättigung des Transformators bewirkt. Die Arbeitsfrequenz ist also unabhängig von der Netzfrequenz frei wählbar. Die Schaltfrequenz des Transistorreglers ist gleich der doppelten Wechselrichterfrequenz j als Arbeitsfrequenz des Wechselrichters hat sich mit Rücksicht auf die Schalt-
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verluate des Transistors T1 ein Wert von ungefähr 500 Hz als vorteilhaft erwiesen.
Die Sekundärwicklung III des Wechselrichter-Transformators Tr2 gibt eine Rechtecksρannung ab, die mit dem Gleichrichter Gr3 gleichgerichtet und mit den Kondensatoren C4, C5 geglättet wird. Der Mittelabgriff der Wicklung ist mit dem Mittelpunkt der Kondensatoren und mit dem Emitter des Stelltransistors TI züsammengeschaltet, so daß sich gegenüber diesem Bezugspunkt (OV) eine positive und eine negative Gleichspannung ergeben. Die Summenspannung speist eine bistabile Kippstufe mit den Transistoren T4, T5. Die zugehörigen Widerstände R2 bis.R4 sind so bemessen, daß bei leitendem Transistor T4 an der Basis des Stelltransistors T1 positives Potential (während der Sperrzeit) liegt und bei gesperrtem Transistor T4 über den Widerstand R3 negatives Potential wirksam wird. Die Kippstufe wird von einer Verstärkerstufe mit den Transistoren T6, T7 angesteuert. Aus der kontinuierlichen Ansteuerung durch die Verstärkerstufe erzeugt die Kippstufe eine rechteckförmige Steuerspannung mit großer Flankensteilheit, die ein rasches Schalten des Transistors T1 gewährleistet.
Die Wirkungsweise der Steuarteile S wird mit Hilfe von Fig.2 erläutert. Am Eingang der Verstärkerstufe, d.h. an der Basis des Transistors T7 ist die Überlagerung von zwei Spannungen wirksam. Vom Bezugspunkt (Emitter vom Transistor T1) ausgehend, wirkt als negative Spannung die Dreieckspannung mit überlagerter Gleichspannung U-p (Mg.2a). Der Spannung IL, entgegen wirkt die am Widerstand R5 durch einen Strom von der Meßschaltung erzeugte Gleichspannung U«. Die Summenspannung entspricht der Emitter-Basisspannung des Transistors T7, weil sein Emitterpotential nur um die vernachlässigbar kleine Emitter-Basisspannung des Transistors T6 vom angenommenen Bezugspunkt (OV) abweicht. Der Transistor T7 wird bei einer bestimmten Spannung IL. abwechselnd gesperrt und leitend ge-
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steuert. Da sich nur die positive Basisspannung frei ausbilden kann, ergibt sich der in Bild 2a gezeichnete Verlauf der Basisspannung; die gestrichelt gezeichneten Kurvenstücke sollen nur die Entstehung erläutern. Solange der Transistor T7 gesperrt ist, bleibt T6 leitend, T5 gesperrt und T4 wiederum leitend. Der Stelltransistor T1 bekommt, wie in Fig.2b gezeichnet, positive Basisspannung und bleibt gesperrt bis die Basisspannung am Transistor T7 entsprechend dem Verlauf der Dreieckspannung negativ wird und über die Kippstufe die Durchlaßzeit des Stelltransistors T1 einleitet. Die Fig.2c und 2d zeigen den Verlauf der Emitter-Kollektorspannung am Transistor T1 und den Verlauf des Stromes in der Speicherdrossel Dr. Der Widerstand R1 bildet einen niederohmigen Abschluß der Emitter-Basisstrecke und gewährleistet die Sperrfähigkeit des Transistors T1 auch dann, wenn keine Ansteuerung durch den Steuerteil erfolgt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Hilfsspannung an den Klemmen 1, 2 des Steuerteils fehlt.
Die Regelwirkung der Schaltung ist folgende: Eine angenommene Erhöhung der Ausgangsspannung vergrößert den Gleichstrom, den die Meßschaltung an den Steuerteil abgibt. Die Spannung IL. wird größer und verschiebt die Summenkurve in Fig.2a nach oben ins Positive. Die Durchlaßzeit des Transistors T7 und damit ebenso des Stelltransistors T1 wird kürzer, die Sperrzeit länger, während die Periodendauer erhalten bleibt. Die angenommene Spannungserhöhung wird ohne Änderung der Schaltfrequenz lediglich durch die Änderung des Tastverhältnisses ausgeglichen. Das jeweilige Tastverhältnis wird dabei nur durch das Verhältnis der Eingangs- zur Ausgangsspannung festgelegt; eine Abhängigkeit des Tastverhältnisses von der Belastung ergibt sich lediglich infolge des Innenwiderstandes des vorgeschalteten Netzgerätes und infolge der ohmschen Spannungsabfälle des Reglers.
Der Arbeitsbereich erstreckt sich von einer Grenzlage zur ande-
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ren: Der Transistor Tt kann auch dauernd leitend oder dauernd gesperrt sein. Bei diesen Grenzlagen und bei Bämtlichen dazwischenliegenden Arbeitspunkten wird der Stelltransistor T1 stete mit derselben Basisspannung bzw. demselben Basisstrom betrieben.
Der Stelltransistor T1 wird während der Sperrzeit mit der Summe, von Eingangsspannung am Kondensator C1 und Durchlaßspannung an der Diode D1 beansprucht. Die Durchlaßspannung der Diode D1 ist sehr klein, so daß die zulässige Sperrspannung am Transistor die höchste Eingangsspannung des Reglers bestimmt. Unter Berücksichtigung der Netzspannungsänderungen ä und der Lastabhängigkeit ist damit auch die mögliche Ausgangsspannung festgelegt. Die Stabilisierung größerer Gleichspannungen ist jedoch mit Hilfe einiger Ergänzungen, die das beschriebene Prinzip der Fremdsteuerung mit dem Steuerteil nicht verändern, auf einfache Weise möglich.
Pig.3 zeigt die Schaltung eines Schaltreglers mit nachgeschaltetem Transistor-Umrichter, durch welche die Stabilisierung von größeren Gleichspannungen bis zu einigen tausend Volt möglich ist. Die vom Schaltregler am Kondensator C3 abgegebene Spannung dient als Eingangsspannung für einen Transistor-Umrichter nach bekannter Gegentaktschaltung. Der Umrichter besteht aus den beiden Transistoren T8 und T9, aus dem Trans- Ί formator Tr3 sowie dem Gleichrichter Gr5 mit dem Kondensator C9. Zur Steuerung der Transistoren T8, T9 wird hierbei die Wicklung V des Wechselrichter-Transformators Tr2 vom Steuerteil verwendet. Der Umrichter arbeitet daher mit derselben Frequenz von 500 Hz wie der Hilfswechselrichter des Steuerteils. Die gegenüber der Netzfrequenz 50 Hz erhöhte Frequenz ist vorteilhaft, weil sie eine kleine Transformatortype und geringen Siebaufwand am Ausgang des Umrichters ergibt. Die günstige Arbeitsfrequenz des Umrichters wird bei dem fremdgesteuerten Schaltregler ohne zusätzlichen Aufwand an Schaltmitteln erreicht.
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Die Pluspole der Ausgangsspannungen des Schaltreglers und des Umrichters (Kondensatoren C3 und 09) sind verbunden, so daß die an der zu regelnden Ausgangsspannung angeschlossene Meßschaltung in bereits beschriebener Weise auf den Steuerteil einwirken kann. Abhängig von der Ausgangsspannung, das ist die vom Umrichter abgegebene Spannung, wird das Tastver-f hältnis des Schaltreglers so festgelegt, daß der Umrichter die jeweils notwendige Eingangsspannung erhält und sich eine Stabilisierung der vom gesamten Gerät abgegebenen Spannung ergibt.
3 Patentansprüche
3 Figuren
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Claims (3)

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    Patentansprüche
    (j.' Verfahren zur Stabilisierung einer Gleichspannung mit einem im Längszweig der Stabilisierungsschaltung liegenden, von einer Rechteckspannung mit veränderbarem Tastverhältnis gesteuerten Stelltransistor, einer als Energiespeicher dienenden Drossel und einer im Querzweig angeordneten, die Eingangsseite der Drossel zwischen den beiden Eingangsklemmen der Schaltung periodisch hin- und herschaltenden Diode, dadurch gekennzeichnet, daß der Stelltransistor von einer rechteckförmigen Steuerspannung konstanter Periodendauer und Amplitude angesteuert wird, deren Tastverhältnis in an sich bekannter Weise durch Überlagerung einer dreieckförmigen Hilfsspannung konstanter Periodendauer und einer Meßspannung, die von der stabilisierten Ausgangsspannung abgeleitet ist, in Abhängigkeit von der Eingangsspannung bzw. vom Ausgangsstrom der Stabilisierungsschaltung verändert wird.
  2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuerschaltung als Taktgeber ein Transistor-Wechselrichter vorgesehen ist, von dessen rechteckförmiger Ausgangsspannung mit zwei RC-Gliedern die dreieckförmige Hilfsspannung konstanter Periodendauer abgeleitet wird, und daß eine bistabile Kippstufe vorgesehen ist, die von der gegebenenfalls verstärkten aus der Dreieckspannung und der Ausgangsspannung der Stabilisierungsschaltung gebildeten Summenspannung abwechselnd eine von zwei gleich großen Gleichspannungen entgegengesetzter Polarität in einem von der Auagangsspannung abhängigen Tasbverhält- ni;) mit großer Flankensj beilheit auf die Steuerstrecke des r! i.·-· I I. bran--i:i.M buff.; s'-hnlbet.
    BAD OFUQINAL
  3. 3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bei Stabilisierung vorzugsweise sehr hoher Gleichspannungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Stabilisierungsschaltung ein auf die konstante Steuerfrequenz des Stelltransistors abgestimmter Gleichspannungswandler angeschaltet ist.
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