DE3635789A1 - Schaltung zur feststellung einer abnormalen bedingung fuer einen sperrwandler - Google Patents
Schaltung zur feststellung einer abnormalen bedingung fuer einen sperrwandlerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Feststellung einer
abnormalen Bedingung, welche einen abnormalen Abfall einer
Eingangsspannung eines Rücklauf-Sperrwandlers feststellt.
Da Steuervorrichtungen oder elektrische Maschinen immer kleiner
und leichter werden, werden vereinfachte Sperrwandler gefordert,
welche die Stromzuführung kleiner und leichter machen.
Insbesondere werden viele Rücklauf-Sperrwandler verwendet,
von denen einer in Fig. 1 gezeigt ist.
In Fig. 1 wird ein Basisstrom I B von einer Quelle für eine
Eingangsgleichspannung V in über einen Widerstand 2 zugeführt.
Wenn der Transistor 1 eingeschaltet wird, fließt ein Kollektorstrom
I C durch eine Wicklung N 1 eines Transformators 4 in der
in der Zeichnung durch Pfeile angedeuteten Richtung. Dadurch
wird der Eisenkern des Transformators 4 erregt, wodurch über
den Wicklungen N 2 und N 3 eine induzierte Spannung erzeugt
wird. In der Wicklung N 2 fließt kein Strom in Richtung der
induzierten Spannung, die erzeugt wird, wenn der Transistor 1
eingeschaltet wird, so daß nur die Erregung des Eisenkernes
bewirkt wird.
Andererseits wird in der die Wicklung N 3 enthaltenden Schaltung
die induzierte Spannung, die erzeugt wird, wenn der Transistor 1
eingeschaltet wird, einer Differenzierschaltung mit einem Kondensator 5
und einem Widerstand 6 zugeführt, wodurch es einem
Augenblicksstrom ermöglicht wird, in einer Richtung zu fließen,
welcher den Basisstrom des Transistors 1 vergrößert.
Wenn, wie in Fig. 2 gezeigt, der Transistor 1 zur Zeit t 1 eingeschaltet
wird, vergrößert sich der Strom I C proportional zur
Zeit. Jedoch nimmt der Strom I C zur Zeit t 2, welche durch die
verschiedenen Schaltungskonstanten bestimmt wird, ab, so daß
über der Wicklung N 3 eine induzierte Spannung in einer Richtung
erzeugt wird, die derjenigen entgegengerichtet ist, die dann
entsteht, wenn der Transistor 1 eingeschaltet wird. Infolgedessen
nimmt der Basisstrom des Transistors 1 durch die den Kondensator 5
und den Widerstand 6 enthaltende Differenzierschaltung
schnell ab.
Somit wird der Strom I C weiter verringert, so daß der Transistor
augenblicklich ausgeschaltet wird. Infolgedessen wird über der
Wicklung N 1 durch den in dem Eisenkern des Transformators 4
bei eingeschaltetem Transistor 1 gespeicherten Magnetfluß eine
Spannung in umgekehrter Richtung erzeugt. Gleichzeitig hiermit
wird auch über der Wicklung N 2 eine Spannung erzeugt, und zwar
in einer Richtung entgegengesetzt zu derjenigen, die bei eingeschaltetem
Transistor 1 erzeugt wurde, wodurch ein Kondensator 7
über eine Diode 3 auf eine Spannung V out geladen wird.
Wenn zu dieser Zeit ein Laststrom I L fließt, wird die Magnetflußenergie,
die in dem Eisenkern des Transformators während
einer Zeitperiode gespeichert worden ist, während welcher der
Transistor sich im Einschaltzustand befindet, vernichtet. Auf
der Basis der Vernichtungszeit (erhalten als eine Funktion des
Laststromes I L , der Eingangsspannung V in und der Induktivität N 3
der Wicklung N 1), wird die Aus-Zeit des Transistors 1 bestimmt.
Wenn bei ausgeschaltetem Transistor 1 der in dem Eisenkern
des Transformators 4 gespeicherte Magnetfluß auf einen festen
Wert verringert wird, wird der Transistor 1 erneut eingeschaltet
(Zeit t 3), wodurch in dem Transformator 4 eine Speicherung
des Magnetflusses beginnt. Somit bewirkt der Transistor 1 wiederholt
eine Ein-Aus-Operation. In dieser Zeit wird die Ein-
Aus-Zeit durch den Laststrom gesteuert, wodurch die Ausgangsspannung
V out auf einem festen Spannungswert gehalten wird.
Fig. 2 zeigt Wellenformen von Signalen die auf entsprechenden
Komponenten der Hauptschaltung des in Fig. 1 gezeigten Sperrwandlers
erscheinen, wobei V 3 eine Spannung darstellt, die
über der Wicklung N 3 erscheint, während I C einen Strom darstellt,
der durch die Wicklung N 1 fließt (ein Kollektorstrom
des Transistors 1), und wobei I B einen Basisstrom des Transistors 1
darstellt.
Der Rücklauf-Sperrwandler führt die oben erwähnte Operation
aus und hält dabei die Ausgangsspannung V out unabhängig von
Änderungen der Eingangsspannung V in und des Ausgangsstromes
I L konstant.
Wie oben erwähnt, ist der zulässige Bereich der Eingangsspannung
V in , welche der Sperrwandler steuern kann, im
wesentlichen durch die Schaltungskonstanten oder die Teilleistung
u. s. w. bestimmt. Wenn die Eingangsspannung abnormal
wird, wird die Ausgangsspannung entsprechend abnormal. Aus
diesem Grunde ist es, wenn die Eingangsspannung V in sich
außerhalb eines vorbestimmten Bereiches befindet, erforderlich,
der nächsten Stufe des Sperrwandlers unter Verwendung irgendeines
geeigneten Verfahrens anzukündigen, daß die Spannung
sich in einer abnormalen Bedingung befindet.
Da die Primär- und Sekundärseiten des Transformators 4
elektrisch isoliert gehalten werden sollten, ist es nicht
wünschenswert, die abnormale Bedingung der Eingangsspannung
V in direkt festzustellen. Infolgedessen ist es allgemein
zweckmäßig, eine abnormale Bedingung der Eingangsspannung V in
auf der Primärseite auf der Basis der Ausgangsspannung V out
auf der Sekundärseite festzustellen.
Mit Rücksicht hierauf ist der obengenannte Sperrwandler nach
Fig. 4 mit einer Meßschaltung versehen, welche die abnormale
Bedingung der Eingangsspannung V in auf der Basis der abnormalen
Bedingung der Ausgangsspannung V out feststellt. In Verbindung
mit dieser Meßschaltung wird der Basisstrom eines Signal-
Ausgangstransistors 12 durch eine Zener-Diode 10 gesteuert,
um ein Signal auszugeben, welches anzeigt, daß sich die Spannung
in einem abnormalen Zustand befindet.
In Fig. 3 ist eine Kurve, welche die Beziehung zwischen der
Ausgangsspannung V out und der Eingangsspannung V in zeigt. Die
oben erwähnte Meßschaltung zur Bestimmung der abnormalen
Spannungsbedingung arbeitet, um einen abnormalen Abfall unter
einen Pegel B der Eingangsspannung V in aufgrund der Tatsache
festzustellen, daß die Ausgangsspannung V out abnormal unter
einem Pegel A abgesunken ist.
Diese bekannte Meßschaltung zur Feststellung einer abnormalen
Spannungsbedingung kann aber die abnormale Bedingung einer
Ausgangsspannung, die erhalten wird, wenn die Eingangsspannung
V in sich zwischen den Punkten B und C in Fig. 3 befindet, nicht
feststellen. Infolgedessen wird die Ausgangsspannung kontinuierlich
an die nächste Stufe des Systems geliefert, während
diese sich in einem abnormalen Zustand zwischen diesen Punkten
befindet, was dazu führen kann, daß die Operation des Systems
abnormal wird. Um zu ermöglichen, daß die Punkte B und C nahe
beieinander liegen, ist es erforderlich, daß der Pegel A veranlaßt
wird, sich dem normalen Wert der Ausgangsspannung zu
nähern. In dem Fall jedoch, in welchem der Pegel A veranlaßt
wird, sich dem normalen Wert zu nähern, wird, wenn die Spannung
V out aus irgendeinem Grunde leicht erniedrigt wird, die abnormale
Bedingung festgestellt, und zwar auch dann, wenn eine
normale Eingangsspannung, wie sie durch V in » C erhalten werden
könnte. Infolgedessen ist es erforderlich, den Pegel A
auf einen Wert einzustellen, der um ein gewisses Maß unterhalb
dem normalen Wert liegt.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Schaltung zur Bestimmung
einer abnormalen Bedingung für einen Sperrwandler,
die in der Lage ist, einen abnormalen Abfall der Eingangsspannung
auf der Basis der Spannung der Sekundärwicklung des Transformators
augenblicklich festzustellen.
Die Erfindung schafft einen Meßschaltung zur Feststellung einer
abnormalen Bedingung für einen Sperrwandler, welche die abnormale
Bedingung einer Eingangsspannung eines Rücklauf-Sperrwandlers
feststellt, wobei die Schaltung eine Spitzen-Ladeschaltung
enthält, die durch eine über einer Transformator-
Sekundärwicklung erzeugte Spannung aufgeladen wird und eine
Gleichspannung liefert, die einer Konstantspannungs-Steuerung
durch eine Diode unterworfen ist, um einen Spitzenwert der
Ladespannung festzustellen, wobei die Ladespannung in einer
Richtung erzeugt wird, die der Durchlaßrichtung der Diode
entgegengesetzt ist, und bei welcher ein Spannungskomparator
zum Vergleich des Spitzenspannungswertes mit einem Einstellwert
vorgesehen ist, um in Abhängigkeit von der Differenz
zwischen diesen Werten ein Ein-Aus-Signal auszugeben. Hierdurch
wird es ermöglicht, mit hoher Geschwindigkeit eine
Feststellung eines abnormalen Abfalles der Eingangsspannung
und einer schädlichen Operation des Sperrwandlers unter Verwendung
der Sekundärspannung des Transformators auszuführen.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel einer bekannten Meßschaltung
zur Feststellung einer abnormalen
Bedingung für einen Sperrwandler, die
in Verbindung mit der Hauptschaltung des
Sperrwandlers vorgesehen ist,
Fig. 2 Wellenformen von Schaltungskomponenten
der Hauptschaltung des in Fig. 1 gezeigten
Sperrwandlers zur Erläuterung des
Arbeitsprinzips der in Fig. 1 gezeigten
Schaltung zur Feststellung einer abnormalen
Bedingung,
Fig. 3 eine Kurve, welche die Beziehung zwischen
V out und V in zeigt, und zwar zur Erläuterung,
wie der Spannungspegel-Meßpunkt in der bekannten
Schaltung zur Feststellung einer abnormalen
Bedingung nach Fig. 1 bestimmt
wird,
Fig. 4 eine Ausführung einer Schaltung zur Feststellung
einer abnormalen Bedingung für
einen Sperrwandler nach der Erfindung,
die in Verbindung mit der Hauptschaltung
des Sperrwandlers vorgesehen ist,
Fig. 5 eine Kurve, welche die Beziehungen zwischen
V x und V in und zwischen V out und V in zeigt,
und zwar zur Erklärung, wie der Spannungshöhenmeßpunkt
in der vorliegenden Erfindung
bestimmt wird, und
Fig. 6 bis 8 andere Ausführungen einer Schaltung zur
Feststellung einer abnormalen Bedingung
für einen Sperrwandler gemäß der Erfindung.
Die Erfindung wird im folgenden im einzelnen in Verbindung mit
den Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
beschrieben.
Fig. 4 zeigt eine Ausführung einer Schaltung zur Feststellung
einer abnormalen Bedingung für einen Sperrwandler nach der
Erfindung. Die Schaltung zur Feststellung einer abnormalen
Bedingung in dieser Ausführung ist mit einer Spitzenspannungs-
Ladeschaltung versehen, die eine Diode 8 und einen Kondensator 9
enthält, die dazu dienen, eine Spannung V x herauszunehmen,
die über der Wicklung N 2 erscheint, um augenblicklich den
Spannungswert V x zu speichern, und es ist die Schaltung mit
einer Spannungshöhen-Meßschaltung mit einer Zener-Diode 10
und einem Widerstand 11 versehen. Andere Schaltungskomponenten,
welche die Hauptschaltung des Sperrwandlers bilden, sind die
gleichen wie diejenigen der in Fig. 1 gezeigten bekannten Schaltung.
Allgemein wird bei einem Rücklauf-Sperrwandler ein Ausgang mit
stabilisierter Gleichspannung erhalten, wenn sich der Transistor 1
im Aus-Zustand befindet, während eine über der Wicklung N 2
erscheinende Spannung V x , wenn sich der Transistor 1 in seinem
Ein-Zustand befindet, nicht als Ausgang verwendet wird. Aus
diesem Grunde ist die Spannung V x nicht stabilisiert, jedoch
ändert sie sich proportional zur Eingangsspannung V in .
Es haben nämlich die Eingangsspannung V in und die Spannung V x
(die durch das Windungsverhältnis von N 1 zu N 2 bestimmt ist)
das in Fig. 5 gezeigte Verhältnis. Es ist somit aus dieser
Figur zu entnehmen, daß die Spannung V x anstelle der Eingangsspannung
V in zur Feststellung einer abnormalen Bedingung verwendet
werden kann. Im Hinblick hierauf beabsichtigt die vorliegende
Erfindung die Feststellung einer abnormalen Bedingung
der Eingangsspannung V in unter Verwendung der Spannung V x ohne
Feststellung einer abnormalen Bedingung der Eingangsspannung
V in unter Verwendung der Ausgangsspannung V out , wie es bei den
bekannten Vorrichtungen ausgeführt worden ist.
Die Zener-Diode 10 hat eine solche Charakteristik, daß sie,
wenn der Spannungswert V x oberhalb eines eingestellten Wertes
liegt, eingeschaltet wird, während sie ausgeschaltet wird,
wenn dieser Wert unterhalb des eingestellten Wertes liegt.
Infolgedessen wird der Wert der Zener-Spannung so gewählt,
daß der eingestellte Wert gleich dem Punk C in Fig. 5 ist.
Wenn sich in Fig. 4 der Transistor 1 in seinem Ein-Zustand befindet,
fließt ein Strom durch die Primärwicklung N 1 des Transformators 4
in der Richtung von I C . Infolgedessen wird über
den Wicklungen N 2 und N 3 durch den Eisenkern des Transformators 4
eine induzierte Spannung erzeugt.
Die über der Wicklung N 3 erzeugte Spannung dient als Basisstrom
des Transistors 1 durch die Differenzierschaltung, welche
den Kondensator 5 und den Widerstand 6 enthält. Wenn die Ladung
des Kondensators 5 abgeschlossen ist, fließt kein Strom in
der Schaltung, mit dem Ergebnis, daß der Basisstrom des Transistors 1
abnimmt.
Der Strom I C , der durch die Wicklung N 1 fließt nimmt weiterhin
proportional zur Zeit zu. Wenn aber der Basisstrom des Transistors 1
anfängt abzunehmen, kann der obengenannte Strom I C
nicht mehr größer werden, weshalb dieser Strom I C ebenfalls
anfängt abzunehmen (Zeit t 2).
Wenn der Strom I C auf der Basis der Charakteristik des Transformators 4
anfängt abzunehmen, wird über der Wicklung N 3
eine induzierte Spannung erzeugt, und zwar in einer Richtung,
die derjenigen entgegengerichtet ist, die erzeugt wurde, als
sich der Transistor 1 im Ein-Zustand befand. Dies ermöglicht
einen Stromfluß in einer Richtung, welche den Basisstrom herabsetzt.
Wenn der Basisstrom des Transistors 1 herabgesetzt ist, nimmt
auch der Strom I C weiter ab. Durch diese Wiederholung wird
der Transistor 1 augenblicklich ausgeschaltet (Zeit t 2). Als
Ergebnis wird über der Wicklung N 3 eine elektromotorische Kraft
erzeugt, und zwar in einer Richtung, welche den Transistor 1
abschaltet.
Wenn der Transistor 1 auf diese Weise abgeschaltet ist, wird
über der Wicklung N 2 eine Ausgangsspannung V out erzeugt, und
zwar in einer Richtung, die derjenigen der Spannung V x entgegengerichtet
ist, als der Transistor 1 sich in seinem Ein-Zustand
befand. Somit lädt diese Ausgangsspannung V out den Kondensator 7
durch die Diode 3 auf. Durch wiederholte Ausführung dieses
Ladevorganges wird eine vorbestimmte Ausgangsspannung erreicht.
Wie vorher erwähnt, dient die die Diode 8 enthaltende Spitzenspannungs-
Ladeschaltung dazu, eine Spannung V x zu entnehmen, die
über der Wicklung N 2 erscheint, wenn sich der Transistor 1 in
seinem Ein-Zustand befindet. Diese Schaltung arbeitet so, daß
sie den Kondensator 9 mit einer ausreichend kleinen Kapazität
auf den Spitzenwert von V x auflädt.
Ferner arbeitet der Spannungshöhendetektor, welcher die Zener-
Diode 10 und den Widerstand 11 enthält, derart, daß er dann,
wenn sich die Spannung V x oberhalb des Einstellwertes der
Zener-Diode 10 befindet, eingeschaltet wird, während er dann,
wenn die Spannung unterhalb des Einstellwertes liegt, ausgeschaltet
wird, um einen unendlich kleinen Strom I 0 zu steuern
und so die Hochgeschwindigkeits-Feststellung der Spannungshöhe
zu bewirken.
Ein Transistor 12 stellt eine Signal-Ausgangsschaltung dar,
welche mit dem unendlich kleinen Strom I 0 als Basisstrom eine
Schaltoperation ausführt. Diese Schaltung verstärkt den unendlich
kleinen Strom I C derart, daß er zu einem Signal wird, das
für das System der nächsten Stufe erforderlich ist, um eine
Spannung als Feststellungssignal einer abnormalen Bedingung
auszugeben. Wenn sich nämlich der Sperrwandler in einer normalen
Bedingung befindet, ist die Zener-Diode 10 eingeschaltet,
und es ist der Transistor 12 auch eingeschaltet. Wenn aber
die abnormale Bedingung auftritt (V in ≦ωτ C), wird die Zener-
Diode 10 abgeschaltet, und es wird auch der Transistor 12
abgeschaltet, wodurch das Auftreten der abnormalen Bedingung
angezeigt wird. Ferner ist es möglich, deutlich zu unterscheiden,
zwischen der normalen Bedingung und der abnormalen Bedingung,
wobei der Punkt C für die Feststellung der abnormalen Bedingung
als Grenzlinie dazwischen dient. Infolgedessen tritt eine
fehlerhafte Feststellung, wie sie mit den bekannten Vorrichtungen
vorgekommen ist, nicht auf.
Es werden nunmehr andere Ausführungen nach der Erfindung in
Verbindung mit den Fig. 6 bis 8 beschrieben.
Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung, in welcher die Zener-
Diode 10 und der Widerstand 11, welche den Spannungshöhendetektor
darstellen, und der Transistor 12, welcher die Signal-
Ausgangsschaltung darstellt, durch einen Komparator 19 ersetzt
sind. Diese Schaltung führt die gleiche Operation aus wie die
Schaltung nach Fig. 4. Es wird nämlich eine zu V out proportionale
Spannung, welche durch die die Widerstände 17 und 18 verwendende
Spannungsteilerschaltung erhalten wird, an die nicht
invertierende (+) Eingangsklemme des Komparators 19 geliefert,
und es wird eine der Summe von V out und V x , die durch die die
Widerstände 15 und 16 verwendende Spannungsteilung erhalten
ist, an die invertierende (-) Eingangsklemme des Komparators
geliefert. Somit kann der Komparator 19 die Größe von V x
feststellen.
Fig. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung, in welcher V x und V out
unter Verwendung von Widerständen 20 und 21 in der Spannung
geteilt werden, und zwar anstelle durch die Zener-Diode 10 und
den Widerstand 11, wobei die Widerstände 20 und 21 den Spannungshöhen-
Detektor darstellen, und es wird, wenn V x unterhalb des
Einstellwertes liegt, der Transistor 12 der Signal-Ausgangsspannung
eingeschaltet, um eine abnormale Bedingung der Eingangsspannung
festzustellen.
Schließlich zeigt Fig. 8 eine Schaltungsanordnung, in welcher
die vorliegende Erfindung angewendet ist auf einen Rücklauf-
Sperrwandler, der mit einer Mittelanzapfung der Wicklung N 2
versehen ist, um dadurch gleichstromstabilisierte Spannungen
V out A und V out B auf der Basis von plus und minus zu dem
Leistungszuführungssystem zu erhalten. In dieser Ausführung
ist der Transistor 12 der in Fig. 4 gezeigten Signal-Ausgangsschaltung
ersetzt durch die Kombination eines Transistors
26 und eines optoelektronischen Kopplers 27, und es wird
die stabilisierte Ausgangsspannung V out A als Stromzuführung
für den optoelektronischen Koppler verwendet. Somit wird das
Signal für die Feststellung der abnormalen Bedingung als
Lichtsignal vom photoelektronischen Koppler erzeugt.
Wie oben ausgeführt, ist die die abnormale Bedingung anzeigende
Schaltung für einen Sperrwandler nach der vorliegenden Erfindung
so ausgebildet, daß eine Transformatorwicklungsspannung V x
proportional der nicht-stabilisierten Eingangsspannung V in
entnommen wird, um eine abnormale Spannungsbedingung festzustellen,
wobei es möglich gemacht wird, der äußeren Schaltung ohne
Verzögerung anzukündigen, daß sich die Eingangsspannung in
einem abnormalen Zustand befindet, und daß die Schwingung des
Sperrwandlers gestoppt ist. Somit ist die Schaltung zur Feststellung
einer abnormalen Bedingung äußerst vorteilhaft zur
Verbesserung der Zuverlässigkeit von Vorrichtungen, in denen
ein Rücklauf-Sperrwandler verwendet ist.
Claims (5)
1. Schaltung zur Feststellung einer abnormalen Bedingung
für einen Sperrwandler, welche eine abnormale Bedingung einer
Eingangsspannung (Vin) bei einem Rücklauf-Sperrwandler feststellt,
gekennzeichnet durch eine Spitzenspannungs-Ladeschaltung
(8, 9), die durch eine über einer Transformator-Sekundärwicklung
(N 2) erzeugte Spannung aufgeladen wird und eine Gleichspannung
(V out ) liefert, die einer Konstantspannungs-Steuerung
durch eine Diode (3) unterworfen ist, um einen Spitzenwert
der Ladespannung festzustellen, wobei die Spannung in einer
Richtung erzeugt wird, die der Durchlaßrichtung der Diode (3)
entgegengerichtet ist, und durch einen Spannungs-Komparator
(10, 11; 19; 20, 21) zum Vergleich des Spitzenwertes mit einem
Einstellwert, um in Abhängigkeit von der Differenz zwischen
diesen Werten ein Ein-Aus-Signal auszugeben.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Spitzenspannungs-Ladeschaltung eine in Reihe mit der Sekundärwicklung
(N 2) geschaltete Diode (8) und einen parallel
zur Sekundärwicklung (N 2) und der Diode (8) geschalteten Kondensator
(9) enthält.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Spannungshöhen-Detektor eine in Reihe mit der Sekundärwicklung
(N 2) geschaltete Zener-Diode (10) und einen parallel
zur Zener-Diode (10) geschalteten Widerstand (11) enthält.
4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Spannungshöhen-Detektor einen Komparator (19) enthält.
5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Spannungshöhen-Detektor eine Spannungsteilerschaltung (20, 21)
enthält.
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