DE2950190A1 - Geschalteter regler mit unabhaengigem rueckkopplungsfilter - Google Patents

Description

RCA 72,934

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)

Geschalteter Regler mit unabhängigem Rückkopplungs-

filter

Die Erfindung bezieht sich auf geschaltete Regler, die sich zur Anwendung in Fernsehempfängern eignen.

Selbstschwingende geschaltete Regler enthalten einen Leistungsschalter, der an eine Quelle ungeregelter Gleichspannung angeschlossen ist. Der Schalter wird über eine Steuerschaltung ein- und ausgeschaltet, so daß eine pulsierende Gleichspannung entsteht, die einer Serieninduktivität und einer Querkapazität zur Mittelwertsbildung der Impulse zugeführt wird, so daß eine Gleichspannung für die Speisung einer Last entsteht. Die Steuerschaltung vergleicht üblicherweise einen Abtastwert der Lastgleichspannung mit einer Bezugsspannung zur Erzeugung eines Schaltregelsignals. Bei sinkender Lastspannung wird der Schalter eingeschaltet, um die Lastspannung zu erhöhen, und wenn die Lastspannung zu hoch ist, wird der Schalter gesperrt, so daß die Lastspannung absinken kann. Die Stabilität eines solchen Reglers kann durch ein Hystereseverhalten der Regelschaltung sichergestellt werden. Bei derartigen Schaltreglern ist die Ausgangsspannung proportional dem Tastverhältnis des Schalters. Daher sucht sich das Tastverhältnis bei Änderungen der ungeregelten

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Gleichspannung ebenfalls zu verändern, um die geregelte Spannung konstant zu halten. Bei zunehmendem Laststrom entlädt sich der Siebkondensator jedoch schneller, und die Wiederholfrequenz oder das Tastverhältnis des Reglers sucht anzusteigen. Ein besonderer Nachteil solcher bekannter Regelschaltungen besteht darin, daß die Welligkeit der Ausgangsspannung zur Ansteuerung einer Vergleichsschaltung benutzt wird und daher bei kleinen Ausgangsströmen nicht abnimmt.

Bei Verwendung in einem Fernsehempfänger ist es zweckmäßig, die Schaltfrequenz eines geschalteten Reglers mit der Horizontalablenkung zu synchronisieren, so daß auf dem Bildschirm eine scheinbare Bewegung von Ausgleichsvorgängen, die durch das Schalten des Reglers bedingt sind, vermieden wird. Damit wird die Wiederholfrequenz des Reglers konstantgehalten, und es stehen nur Änderungen des Tastverhältnisses zur Regelung der Spannung zur Verfügung. Im normalen Betrieb ist zu erwarten, daß bei einem Fernsehempfänger erhebliche Schwankungen des Strombedarfs auftreten, die hauptsächlich von Änderungen des mittleren Bildröhrenstroms herrühren. Diese Stromschwankungen belasten den Regler, und weil die synchronisierte Wiederholfrequenz fest ist, führen sie zu Änderungen der Kurvenform der Spannung am Siebkondensator. Infolge dieser Änderungen besteht eine Neigung zur Entsynchronisierung des Reglers durch Anwachsen der natürlichen Wiederholfrequenz auf einen Wert oberhalb der Synchronisierfrequenz.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält ein geschalteter Regler für synchronisierten Betrieb mit einer Lastschaltung und für die Speisung aus einer ungeregelten Gleichspannungsquelle einen steuerbaren Schalter mit einer Steuerelektrode und einer Hauptstromstrecke, die durch einen ersten und einen zweiten Anschluß begrenzt ist. Der erste Anschluß ist mit einem Anschluß der ungeregelten Spannungsquelle verbunden, und ein Filter mit einer Drossel ist an den zweiten Anschluß des Schalters und an einem Teil der Lastschaltung angeschlossen, um diesen mit einer im wesentlichen konstanten Spannung zu versorgen. Eine

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Spannungsregelschaltung ist an die Steuerelektrode des Schalters und an den zweiten Anschluß der Hauptstromstrecke zur Regelung der Schaltzeit im Sinne einer Konstanthaltung der mittleren Spannung am zweiten Anschluß verbunden.

Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 2 Amplituden-Zeit-Darstellungen von Spannungen und Strömen, wie sie im Betrieb der Schaltung gemäß Fig. 1 auftreten.

Der in Fig. 1 gezeigte Schaltregler 10 hat Anschlüsse 12 und 14, die an eine nicht dargestellte Quelle ungeregelter Gleichspannung anschließbar sind, wie einen an eine Netzwechselspannungsleitung angeschlossenen Gleichrichter und Siebkondensator. Der Regler 10 enthält einen PNP-Leistungsschalttransistor 16, dessen Emitter am Anschluß 12 liegt. Sein Kollektor ist an einem Schaltungspunkt A mit einer Siebdrossel 18 verbunden. Das andere Ende der Drossel 18 liegt an einem Schaltungspunkt E an einem Ende eines Siebkondensators 20, dessen anderes Ende wiederum mit dem Anschluß 14 (nachfolgend als Masse bezeichnet) verbunden ist. Die zu regelnde Ausgangsgleichspannung erscheint zwischen den Punkten E und Masse. Eine Kommutator- oder Freilaufdiode 22 ist mit ihrer Kathode an den Punkt A und mit ihrer Anode an Masse angeschlossen.

Eine Regelschaltung 30 enthält eine Differentialvergleichsschaltung mit emittergekoppelten NPN-Transistoren 32 und 34, deren zusammengeschaltete Emitter über einen Widerstand 36 an Masse liegen. Der Kollektor des Transistors 34 ist mit der Basis des Transistors 16 verbunden und der Kollektor des Transistors 32 liegt am Schaltungspunkt F an der Basis eines PNP-Transistors 38, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen Basis und Emitter des Transistors 16 geschaltet ist. Die Basis des Transistors 34 ist Über einen Schaltungspunkt B und einen Widerstand 42 an eine als Batterie 40 dargestellte Bezugsspannungsquelle angeschlossen.

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Der Widerstand 42 sorgt zusammen mit dem zwischen die Schaltungspunkte A und B liegenden Widerstand 44 für eine Hysteresecharakteristik der Vergleichsschaltung. Die Basis des Transistors 32 ist am Schaltungspunkt C an eine Integrationsschaltung 46 mit einem Widerstand 48 und einem Kondensator 50 angeschlossen. Der Eingang der Integrationsschaltung 46 üegt am Punkt A. Eine durch einen Widerstand 42 dargestellte Last liegt über dem Kondensator 20.

Im Betrieb sind unmittelbar vor dem Zeitpunkt TO (siehe Fig. 2) die Transistoren 32 und 38 leitend und der Transistor 34 ist gesperrt. Daher ist auch der Transistor 16 gesperrt und die Diode 22 leitet und führt der Drossel 18 den benötigten Strom zu. Der Schaltungspunkt A liegt nominal auf Massepotential, wie die Kurve VA in Fig. 2a zeigt. Die Spannung am Punkt B, die als Bezugsspannung für die Vergleichsschaltung 30 verfügbar ist, ist kleiner als die (negativ gegenüber der) Spannung der Batterie 40, wie die Kurve VB in Fig. 2b zeigt. Der Kondensator 50 entlädt sich über dem Widerstand 48 auf das nominelle Massepotential am Punkt A, und es entsteht eine abfallende Rampenspannung VC am Schaltungspunkt C, wie Fig. 2c zeigt. Der Kondensator 20 lädt sich auf die der Last 52 zugeführte Ausgangsspannung VE auf,und der Strom in der Drossel 18 nimmt gemäß der Kurve IL in Fig. 2d ab, wenn der in ihrem Magnetfeld als Energie gespeicherte Teil zum Kondensator 20 übertragen wird. Der für die Konstanthaltung der geregelten Spannung erforderliche mittlere Strom durch die Drossel 18 muß gleich der Stromentnahme durch die Last 52 sein. Der vom Kondensator 20 durch die Last 52 entnommene Strom ist größer als der von der Drossel 18 zur Verfügung gestellte, und die Spannung VE am Schaltungspunkt E nimmt ab, wie die Kurve VE in Fig. 2e zeigt. Fig. 2e zeigt nur die Wechselkomponente oder Welligkeit der Spannung VE.

Nahe dem Zeitpunkt TO wird die abfallende Rampenspannung am Punkt C gleich oder geringfügig kleiner als die Spannung am Schaltungspunkt B, worauf die Vergleichsschaltung 30 schaltet und die Transistoren 32 und 38 sperrt, den Transistor 34 dagegen

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leitend macht. Bei leitendem Transistor 34 und gesperrtem Transistor 38 sättigt der dem Transistor 16 zugeführte Basisstrom diesen Transistor und läßt die Spannung VA am Schaltungspunkt A auf einen größeren (positiveren) Wert als die Spannung VE ansteigen. Durch das Ansteigen der Spannung VA steigt auch die Spannung am Schaltungspunkt B auf einen Wert etwas größer als die Spannung der Batterie 40 und auch größer als die dann am Schaltungspunkt C erscheinende Spannung an, so daß sichergestellt wird, daß der Transistor 34 auch ohne dem Transistor 32 leitend bleibt. Die Diode 22 wird gesperrt und der Strom IL in der Drossel 18 beginnt anzuwachsen, wie Fig. 2d zeigt. Nach dem Zeitpunkt TO bewirkt das Anwachsen der Spannung VA, daß die Spannung VC am Schaltungspunkt C einen positiv anwachsenden Rampenteil bekommt, wenn sich der Kondensator 50 über den Widerstand 48 aufzuladen beginnt. Im Zeitintervall zwischen TO und T1 ist der Strom IL in der Drossel 18 trotz seines Anwachsens jedoch immer noch kleiner als der von der Last 52 entnommene Strom, und der Unterschied wird durch Entladung des Kondensators geliefert. Demnach sinkt die Spannung VE am Kondensator 2O weiterhin im Intervall TO bis T1 ab, obgleich die Entladung nahe dem Zeitpunkt T1 gering ist. Zum Zeitpunkt T1 ist der Strom in der Drossel 18 gleich der Stromentnahme durch die Last 52. Zum Zeitpunkt T1 fließt kein Strom im Kondensator 20, so daß dieser weder aufgeladen noch entladen wird.

Im Zeitintervall T1 bis T2 übersteigt der Stromfluß in der Drossel 18 den mittleren Strombedarf der Last, und damit steigt die ^ Spannung VE an. Zu Zeitpunkten nahe T2 übersteigt der Strom IL den Laststrombedarf erheblich, und es steht ein relativ großer Strom für die schnelle Aufladung des Kondensators 20 zur Ver fügung .

Nahe dem Zeitpunkt T2 wird die anwachsende Rampenspannung VC am Schaltungspunkt C gleich der dann der Vergleichsschaltung am Punkt B zugeführten Spannung und übersteigt diese etwas. Zum Zeitpunkt T2, wo die Vergleichsschaltung 30 schaltet, werden die Transistoren 32 und 38 leitend und der Transistor 34 wird ge-

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sperrt. Durch den leitenden Transistor 38 wird verhindert, daß restlicher Kollektorstrom vom Transistor 34 durch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 16 fließt. Damit ist der Transistor 16 gesperrt, und die Energie des Magnetfeldes der Drossel 18 läßt die Spannung am Punkt A schnell negativ werden. Die Diode 22 wird leitend und begrenzt die negativ gerichtete Änderung am Punkt A auf 1V_ßE unterhalb Masse. Wenn der Schaltungspunkt A auf Nominal-Masse liegt, dann fällt die Spannung am Schaltungspunkt B auf einen Wert unterhalb der Spannung der Batterie 40, und damit wird sichergestellt, daß die Transistoren 32 und 38 leitend bleiben und der Transistor 34 gesperrt ist. Der Kondensator 50 beginnt eine negativ gerichtete Rampenspannung am Schaltungspunkt C auftreten zu lassen, wenn er sich über dem Widerstand 48 entlädt. Die Rampenspannung VC und die Ausgangsspannung VE nehmen weiter ab, bis auf VC VB schneidet und die Vergleichsschaltung erneut schaltet und der Zyklus sich wiederholt.

Soweit bisher beschrieben ist, schwingt die Regelschaltung 10 frei. Ihre Synchronisierung wird bewirkt durch Zuführung eines negativ gerichteten Impulses zum Schaltungspunkt F. Ein negativer Impuls am Schaltungspunkt F spannt den Transistor 38 in den Leitungszustand vor, so daß der Transistor 16 gesperrt wird und der Zeitpunkt T2 als Bezug entsteht. Solange die natürliche Eigenschwingungszeit des Reglers 10 größer als das Zeitintervall zwischen Synchronimpulsen ist, bleibt der Regler synchronisiert. Ein Anwachsen der Frequenz infolge der Synchronisierung auf zunehmende Wiederholfrequenz über die natürliche Wiederholfrequenz des Oszillators bewirkt eine Neigung zur Verkleinerung des Tastverhältnisses des Schalters 16 und damit der mittleren Ausgangsspannung. Diese Abnahme der mittleren Spannung am Punkt A gelangt über die Integrationsschaltung 46 zum Schaltungspunkt C und trachtet den Transistor 32 für einen längeren Abschnitt des zur Verfügung stehenden Intervalls zu sperren. Demzufolge neigt der Transistor 34 einen längeren Abschnitt des verfügbaren Intervalls leitend zu bleiben und wirkt durch die Rückkopplung einer Tendenz zum Absinken der Ausgangsspannung entgegen. Die Ausgangsspannung

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am Schaltungspunkt E hat im wesentlichen denselben Mittelwert wie die Spannung am Punkt A und unterscheidet sich nur durch einen kleinen Spannungsabfall IR in der Drossel 18. Das Tastverhältnis des Reglerschalters nach der Synchronisation ist das gleiche wie bei freiem Schwingen bei derselben Ausgangsspannung.

Die hier beschriebene Anordnung ergibt im synchronisierten Betrieb eine höhere Stabilität im Vergleich zu bekannten Anordnungen, weil laststromabhängige Änderungen des der Vergleichsschaltung zugeführten Spannungsabtastwertes eliminiert werden, welche ein Anwachsen der natürlichen Schwingungsfrequenz bewirken wollen. Zusätzlich besteht der Vorteil, daß die Größe der Welligkeitsspannung, die der Ausgangsgleichspannung des Reglers überlagert ist, bei niedrigen Lastströmen kleiner ist, weil die Vergleichsschaltung nicht vom Ausgang aus angesteuert wird.

Für den Fachmann verstehen sich weitere Ausführungsformen der Erfindung, beispielsweise kann die Bezugsspannungsquelle 40 durch eine Zenerdiode anstatt durch eine Batterie gebildet werden. Es können auch andere Vergleichsschaltungen benutzt werden, und der Kondensator 20 kann an den Anschluß 12 als Bezugsanschluß anstelle an den Anschluß 14 angeschlossen werden. Die Polaritäten der Transistoren und Dioden können für entgegengesetzte Polung der ungeregelten Gleichspannung umgekehrt werden.

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Leerseite

Claims (4)

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   RCA 72,934 Sch/Vu
   U.S. Ser. No. 969,156
   vom 13. Dezember 1978

   RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)

   Patentansprüche

   / 1) Jbeschalteter Regler der sich zum synchronisierten Betrieb mrt—diner Lastschaltung und zur Speisung aus einer Quelle unge regelter Gleichspannung eignet, gekennzeichnet durch einen steuerbaren Schalter (16) mit einer Steuerelektrode und einer Hauptstromstrecke zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluß (12 bzw A), deren erster (Anschluß 12) mit einem Anschluß der Spannungsquelle verbunden ist, durch ein Filter mit einer Drossel (18), welches mit dem zweiten Anschluß (A) des Schalters (16) und mit einem Teil der Lastschaltung (52) zur Speisung mit einer im wesentlichen konstanten Spannung ver bunden ist, und durch eine Spannungssteuerschaltung (30), die mit der Steuerelektrode (Basis des Transistors 16) und dem zwei ten Anschluß (A) zur Regelung der Schaltzeit im Sinne einer Kon stanthaltung des Spannungsmittelwertes am zweiten Anschluß (A) gekoppelt ist.

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2. 2) Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter weiterhin eine Kapazität (Kondensator 20) enthält, die mit der Drossel (18) zur Siebung der den erwähnten Teil der Lastschaltung speisenden Spannung gekoppelt ist.
3. 3) Regler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Bezugsspannungsquelle (40), eine Vergleichsschaltung (32,34), die mit einem ersten Eingang (B) an die. Bezugsspannungsquelle (40) und mit einem Ausgang (Kollektor des Transistors 34) an die Steuerelektrode (Basis des Transistors 16) angeschlossen ist und ferner eine zweite Eingangselektrode (C) aufweist, und eine Integrationsschaltung (48,50) die mit dem zweiten Anschluß (A) des Schalters (16) zur Mittelung der Spannung am zweiten Anschluß

   (A) sowie mit der zweiten Eingangselektrode (C) zur Bestimmung des Schaltzeitpunktes der Vergleichsschaltung im Sinne einer Konstanthaltung der mittleren Spannung am zweiten Anschluß (A) gekoppelt ist.
4. 4) Geschalteter Regler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastschaltung eine Fernsehwiedergabeeinrichtung ist und daß die Spannungssteuerschaltung (30) mit dieser Wiedergabeeinrichtung zur Synchronisierung des Reglers mit einer Ablenkfrequenz der Wiedergabeeinrichtung gekoppelt ist (bei F).

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