DE3635789A1 - Schaltung zur feststellung einer abnormalen bedingung fuer einen sperrwandler - Google Patents

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.