DE2359555C3 - Schaltungsanordnung zum belastungsabhängigen Steuern einer Grundlast in elektronischen Reglern mit impulsbreitengesteuertem Stellglied - Google Patents

Description

strom der Schaltdrossel entspricht. Auf diese Weise ist es möglich, nur bei Minimallast eine Grundlast zuzuschalten und bei Nennlast die zusätzlichen Verluste der Grundlast zu vermeiden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist als komplementäres Schaltmittel ein Transistor vorgesehen, der auf vorteilhafte Weise mit der an der Freilaufdiode mit veränderlichem Tastverhältnis anstehenden Spannung komplemen'är zu diesem Tastverhältnis gesteuert werden kann.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der dazu gehörenden Beschreibung. Die Erfindung wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigt:

F i g. 1 ein schematisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung mit komplementär wirkenden Schaltern 71 und 72,

F i g. 2 den Spannungs- und Stromverlauf,

Fig.3 den Schalterteil eines elektronischen Spannungsreglers in verschiedenen bekannten Ausführungsformen,

F i g. 4 verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsarten des zusätzlichen Schalters mit der komple-nentäi geschalteten Grundlast,

Fig.5 verschiedene bekannte Siebglieder, die der Unterdrückung der infolge des periodischen An- und Abschaltens entstehenden Wechselspannungsanteile dienen und

F i g. 6 Beispiele möglicher Kombinationen der F i g. 3 bis 5.

In der Regelstrecke mit geschaltetem Stellglied nach der Fig. 1 wird eine Ladedrossel Li während der Pulsdauer (O bis ti (F ig. 2) z.B. nach Fig. 3a, b über einen Transistor 71 als Stellglied mit magnetischer Energie geladen. An einer Freilaufdiode Dl liegt dabei etwa die Eingangsspannung Ui in Sperrichlung an. In der darauf folgenden Pulspause entlädt sich die gespeicherte Energie über die Freilaufdiode in einen Verbraucher Rl. Die Freilaufdiode ist dabei in Durchlaßrichtung gepolt. Im Regelfall wird die Ladedrossel Ll dab"i nie bis zur Remanenz abmagnetisiert, d. h. bei Beginn des nächsten Ladezyklus fließt immer noch ein Entladestrom aus der Drossel über die Freilaufdiode in den Ausgangskreis (nicht dargestellt). Erst bei Unterschreitung eines bestimmten minimalen Ausgangsstromes kann sich die Ladedrossel während der Pulspause bis zur Remanenz abmag. ietisieren. In der verbleibenden Zeitspanne (Z bis /3 fließt kein Strom über die Ladedrossel LX. An der Freilaufdiode Dl steht daher in diesem Zeitabschnitt die Ausgangsspannung UZ in Sperrichtung an, vorausgesetzt, daß ein Siebkondensator Cl oder ein ähnlicher Energiespeicher im Ausgangskreis vorhanden ist.

Mit Hilfe eines zusätzlichen Schalters 72 wird die Spannung an der Freilaufdiode Dl genau dann mit einem Grundlastwiderstand Rl belastet, wenn das Stellglied 71 nicht durchgeschaltet ist, d. h. nach dem Diagramm in der Fig. 2 im Zeitabschnitt /I bis (3. Da während der Stromführungsdauer der Freilaufdiodc Dl (ti bis (Z) praktisch keine Spannung an ihr ansteht, wirkt die Belastung nur während der Zeit (Z bis (3 und zieht über die Ladedrossel Ll in Gegenrichtung Ström aus dem Ausgangskreis, wie ebenfalls in der F' i g. 2 zu ersehen ist.

In der Fig. 2 sind Spannungs- und Siromverlaiif zu der Schaltungsanordnung in der Fig. I im lückenden Betriebszustand aufgezeigt. Aus dieser Darstellung ist auch zu erkennen, daß die Grundlast Ri nur während der Lücke eingeschaltet wird und daß die Auswirkungen auf den Gesamiwirkungsgrad im nicht lückenden Betrieb vernachlässigbar sind.

Mit R und S sind in der F i g. 3 der jeweilige Regel- und Steuerten bezeichnet. Fig.3a zeigt einen Schalter 71 mit pnp-Transisior (Kollektoreingang), Fig.3b einen Schalter 71 mit npn-Transistor (Emittereingang), F i g. 3c einen Thyristor als Schalter, F i g. 3d einen Schalter bestehend aus pulsbreitengesteuertem Wechselrichter, Transformator und Mittelpunktgleichrichtung, F i g. 3e als Schalter einen pulsbreitengesieuerten Wechselrichter, Transformator und Brückengleichrichtung, Fi g. 3f eine analoge Darstellung des Schalters Tl entsprechend den Fig.3d und 3e mit sinusförmigem

is Wechselspannungseingang, Transformator und Mittelpunktgleichrichtung mit Thyristorschalter, der als phasenanschnittgesteuerter Gleichrichter wirkt, und F i g. 3g eine entsprechende Ausführung mit halbgesteuerter Brückengleichrichtung. Darüber hinaus ist es

μ möglieh, entsprechend der Fig. 3d nur eine Halbwelle auszunutzen und mit nur einer Gleichrichterdiode und einer Wicklungshälfte im Ausgangski eis zu arbeiten, z. B. wenn pulsbreitengesteuerte Eintaktwechselrichter anstelle von Gegentaktwechselrichtern Verwendung finden.

In der F i g. 4a ist eine Grundlastschaltung dargestellt, die komplementär zu dem Schalter 71 arbeitet und nur mit der Ausführungsform nach der Fig. 3a zusammen funktionsfähig ist. Die F i g. 4b zeigt einen Grundlastschalter, der über eine Diode DZ stromgesteuert wird. Wenn in dieser Schaltungsausführung die Diode DT. während der Pulszeit (0 bis /1 stromdurchflossen ist, ist der Transistor 72 gesperrt. Wenn die Diode D2 während der Pausenzeit ti bis ti nicht stromdurchflos-

3Ί sen ist, fließt über einen Widerstand Ri nur dann aufsteuernder Strom in die Basis des Transistors 72, wenn gleichzeitig lückender Betrieb ist und an der Diode Dl die Ausgangsspannung ansteht, d. h. während der Zeit (Z bis r3. Der Transistor 72 arbeitet ebenfalls

•«ι komplementär zu dem Transistor 71.

Die F i g. 4c zeigt eine Schaltungsanordnung, die die komplementäre Anordnung des Transistors 72 zu dem Transistor 71 zu den Ausführungsformen in den F i g. 3d und 3e sicherstellt. Beim Anliegen der durchgeschalte-

v, ten Impulse während der Zeitspanne /0 bis /1 wird über Dioden Di und D4 Sperrpotential an die Basis des Transistors 72 gelegt. Während der Pausen fl bis ti fließt über den Widerstand Ri unter Bedingungen wie bei Fig.4b beschrieben, aufsteuernder Strom in die

¹U) Basis des Transistors 72. Die Schaltungsanordnung nach der F i g. 4d zeigt die gleiche Wirkung wie die Ausführungsform nach der Fig.4c jedoch mit einer zusätzlichen Diode Dh zur Verhinderung übermäßiger Sperrspannungsbeanspruchung der Basis des Transi-

)"> stors Tl. Die Diode D5 kann bei den Ausführungsformen nach Fig.4c und 4d zur besseren Sperrung d-;s Transistors 72 während der Zeit /0 bis ti angeordnet werden.

In der F i g. 5a ist ein integrierendes Ausgangssieb-

wi glied mit einer Freil^ufdiode Dl und in der Fi g. 5b ein entsprechendes Siebglied ohne Diode dargestellt. Die Freilaufdiode wird hierbei durch die Gleiehfichterdiode im Fall der Verbindung mit den F i g. 3d und Je ersetzt.

In der Fig. 6 sind tabellcnartig Beispiele möglicher

"' Kombinationen der F i g. 3 bis 5 /usammengefafit. Zu erwähnen ist ferner, d ¹J entsprechende komplementäre Halbleiteranordnungen mit umgekehrter Polarität der eingesetzten Spannungen möglich sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche;

   1, Schaltungsanordnung zum belastungsabhängigen Steuern einer Grundlast in elektronischen Spannungsreglern mit impulsbreitengesteuertem Stellglied (Schaltregler), in Reihe dazu liegender Ladedrossel und parallel angeordnetem Kondensator und Freilaufdiode, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel (72) vorgesehen sind, die die Grundlast (Ri) komplementär zu dem geschalteten Stellglied (71) wirkend im Takt der Arbeitsfrequenz für die Zeit einschalten, während der die Ladedrossel (Li) der Regelstrecke in den sogenannten lückenden Betrieb geht.

   Z Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als komplementäres Schaltmittel (72) ein Transistor vorgesehen ist.

   3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Kollektorkreis des komplementären Transistors (72) ein Grundlastwiderstand (Ri) liegt (F i g. ^a) und daß die Basis des Transistors (Tl) mit der Basis des komplementär hierzu wirkenden Schalttransistors (TI) zusammengeschaltet ist.

   4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des komplementären Transistors (72) über einen Widerstand (RS) aufgesteuert wird und daß zwischen Basis und Emitter dieses Transistors eine Diode (D2) derart angeordnet ist, daß sie vom Ladestrom der Ladedrossel (Li) in Durchlaßrichtung durchflossen wird (F ig. 4b).

   5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Dioden (Di und EA) derart zwischen die Basis de* komplementären Transistors (72) und die Aus_bangsanschlüsse eines pulsbreitengesteuerten Wechselrichters mit Transforniatorankopplung geschaltet sind, daß während der Pulsphase fiO bis ti) jeder Halbwelle Sperrpotential an die Basis des Transistors (Tl) gelangt bzw. daß sie an den Ausgang einer phasenanschnittgesteuet'ten Gleichrichterschaltung mit gleicher Wirkungsweise angeschlossen sind (F ig. 4c, d).

   6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Diode (DS) mit Emitterkreis des komplementären Transistors (Dl) derart angeordnet ist, daß sie bei durchgeschaltetem Transistor (Tl) in Durchlaßrichtung beansprucht ist (Fig. 4c und 4d).

   7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode (736) zwischen Basis und Emitter des komplementären Transistors (Tl) so angeordnet ist, daß sie das Sperrpotential zwischen dessen Basis und Emitter auf die Diodendurchlaßspannung begrenzt.

   Elektronische Regler mit einem im Längszweig als Stellglied liegenden Schalttransistor, einer als Energiespeicher dienenden Drosselspule und einer im Querzwejg angeordneten, entgegengesetzt zur Betriebsspannung gepolten Diode, der sogenannten Freilaufdiode, wobei der Stelltransistor von einer Spannungquelle mit einer Rechtecksteuerspannung ζ. Β. konstanter Periodendauer und mit einem von der zu stabilisierenden Ausgangsspannung abhängigen Tastverhältnis gesteuert wird, sind auch unter der Bezeichnung Schaltregler bekannt.

   Aus der US-PS 36 21 372 und der DE-OS 20 56 853

   sind entsprechende Schaltregler bekannt, bei denen zusätzlich zum geschalteten Stellglied auch ein weiterer, komplementär zu ihm geschalteter Transistor eingesetzt ist.

   Wenn der Stelltransistor eines solchen Schaltreglers leitend ist, fließt über den Transistor und die Drossel ein linear ansteigender Strom zum Ausgang, Während dieser Zeit, d. ti. der Durchlaßzeit des Transistors, ist die Diode gesperrt Unterbricht nun der Taktgeber den Steuerstrom, so wird für den Drosselstrom der Entladestromkreis dadurch geschlossen, daß die nun zwangsläufig die Richtung wechselnde Induktionsspannung der Drossel die Diode in Durchlaßrichtung polt, wobei diese Spannung nur um die Durchlaßspannung der Diode und den Spannungsabfall am Wicklungswiderstand größer sein muß als die Ausgangsspannung. In dieser Pulspause entlädt sich also die gespeicherte Energie in der Drossel über die Diode in den Ausgangskreis. Normalerweise wird die Drossel dabei nie bis zur Remanenz abmagnetisiert, da der Strom und damit der magnetische Fluß in der Drossel nur in Abhängigkeit von der Ausgangspannung gesteuert wird, d. h. ohne Rücksichtnahme auf den jeweiligen Energieeinhalt der Drossel im Augenblick des Umschaltens. Hierdurch wird im Normalfall die Periodendauer verschieden von der Summe der Durchlaßzeit des Transistors und der ZeK, die als Dauer der vollständigen Entladung der in der Drossel gespeicherten Energie über die Diode definiert ist. Im Extremfall kann also zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stromimpulsen eine mehr oder weniger breite Lücke liegen, in der kein Strom über die Drossel fließt. Das ist der sogenannte lückende Betrieb, der häufig unter Leerlaufbedingung von elektronischen Schaltreglern eintritt.

   In elektronischen Spannungsreglern mit geschaltetem Stellglied ist gewöhnlich eine minimale Belastung der Ausgangsspannung in Form einer sogenannten Grundlast nötig, um zu verhindern, daß bei Leerlauf der Kondensator zu weit aufgeladen wird. Diese Grundlast verschlechtert den möglichen Wirkungsgrad.

   In der Zeitschrift Elektronik 1968, Heft 11 wird auf den Seiten 359 und 360 ein impulsgeregeltes Konstantspannungsgerät beschrieben. Die in diesem Aufsatz erwähnte Grundlast erfordert in der Regel derartige Schaltregler zum Ausgleich des restlichen Magnetisierungsstromes der Ausgangsdrossel bei minimalen Impulsbreiten. Diese Grundlast verschlechtert aber prinzipiell den möglichen Wirkungsgrad solcher Geräte. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen und die Schaltungsanordnung der im Anspruch 1 vorausgesetzten Art so zu gestalten, daß diese Grundlast nur bei Unterschreitung eines vorgegebenen Minimalstromes im Ausgangskreis wirksam werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Schaltmittel vorgesehen sind, die die Grundlast komplementär zu dem geschalteten Stellglied wirkend im Takt der Arbeitsfrequenz für die Zeit einschalten, während der die Ladedrossel der Regelstrecke in den sogenannten lückenden Betrieb geht. Dies wird dadurch erreicht, daß einerseits die Schaltmittel komplementär zum .Stellglied wirken und andererseits die Grundlast nur dann stromdurchflossen ist, wenn im lückenden Betrieb die Ausgangsspannung in Sperrichtung an der Freilaufdiode des .Schaltreglers ansteht. Der lückende Betrieb tritt jedoch erst bei Unterschreitung eines minimalen Laststromes (kritischer Strom) auf, der dem mittleren Magnetisierungs-