NO772633L - Fremgangsm}te til drift av en selvtaktet koblingsregulator samt koblingsregulator til gjennomf¦relse av fremgangsm}ten - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte til drift av en selvtaktet koblingsregulator hvor en styrbar bryter innkobles når utgangsspenningen underskrider en første ønskeverdi, og hvor den styrbare bryter utkobes når utgangsspenningen overskrider en annen ønskeverdi, og angår også en selvtaktet koblingsregulator som er bestemt for gjennomførelse av fremgangsmåten og innbefatter en styrbar bryter over hvilken et LC-ledd er forbundet med inngangsklemmene,' og hvor de to tilslutninger til LC-leddets kondensator danner utgangsklemmene for tilslutning til en last, samt hvor LC-leddet er shuntet med en friløpsdiode og ytterligere er ført til én grenseverdigiver hvis utgang er forbundet med en styreinngang til bryteren, til hvis måleverdi-inngang den ved utgangsklemmene og foreliggende spenning er ført, og hvis ønskeverdiinngang dels er forbundet med en klemme,

og dels er sammenknyttet med forbindelsespunktet i en seriekobling av en motstand og en Z-diode som friløpsdioden er parallellkoblet med.

En fremgangsmåte og en selvtaktet koblingsregulator som om-talt er kjent fra "Siemens-Zeitschrift!i 48 (1974), Beihéft "Inter-grierte Bausteinsysteme SIMATIC", side 76 til 79. De anvendes særlig til strømforsyning f.eks. ved integrerte koblingskretser. Ved disse ^elvtaktede koblingsregulatorer er bryteren, som i almindelig-het utgjøres av en reguleringstransistor, enten fullt gjennbmstyrt eller fullstendig sperret. Med LC-leddet som er etter bryteren, blir den pulserende likespenning som"opptrer ved bryterens utgang igjen glattet. Ved valg av den første og den annen ønskeverdi oppnås en periodisk utstyring av bryteren hvormed puls-pauseforholdet er bestem-mende for 6rden av den konstante likespenningen som foreligger ved utgangsklemmene. De to ønskeverdier blir i alminnelighet gitt på forhånd med to innstillbare grenseverdier fra en grenseverdigiver hvis hysterese dermed bestemmer den selvtaktede koblingsregulators koblingsfrekvens. Ved den kjente fremgangsmåte forblir koblinsfre-kvensen imidlertid avhengig av forskjellige ytre størrelser, f.eks. inngangsspenningen, omgivrelsestemperatur, og lasten. Koblingsfrekven^sen for en selvtaktet koblingsregulator som arbeider efter den kjente metode, lar seg derfor vanskelig holde konstant, skjønt dette kan være viktig f.eks. ved 'at koblingsfrekvensen skal forbii utenfor det hørbare område, altså høyere enn 20 kHz, for å utelukke akustiske forstyrrelser.

Der foreligger her den oppgave å realisere en fremgangsmåte

av den innledningsvis nevnte art, som et såvel som innretninger til gjennomførelse av den, på en slik måte at koblingsfrekvensen i det minste tilnærmelsesvis forblir konstant.

Ifølge o<p>pfinnelsen blir denne oppgave løst ved at der med en eksponensiélti variabel annen ønskeverdi oppnås en i det minste tilnærmelsesvis konstant inn- og utkoblings forbryteren. Fortrinnsvis blir der med en eksponesiell svinnende første ønskeverdi oppnådd en konstant innkoblingstid eller med en eksponensielt stigende, , annen ønskeverdi oppnådd en konstant utkoblings,tid.

Med denne fremgangsmåten blir deri i tilfellet av en konstant innkoblingstid i det minste oppnådd en omgivelsestemparatur ■uav-hengig koblingsfrekvens eller i tilfellet en konstant utkoblingstid oppnådd en koblingsfrekvens som er uavhengig både av omgivelsetempe-raturen og langt på vei også av inngangsspenningen og lasten. Dermed kan der i samsvar med de stilte krav realiseres en frekvenskon-stans hvormed spesielt også akustiske forstyrrelser utelukkes. Det skål fremheves at denne konstante koblingsfrekvens bare er forbundet med en liten økonimisk påkostning. Dessuten er det ved anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen mulig å gjennomføre en synkroni-sering av koblingsfrekvensen for parallellkoblede koblingsregulatbrer. uten at der opptrer svevingsfenomener som dem der forekommer ved kjente koblingsregulatorer. Dermed oppnår man med fremgangsmåten ifølge o<p>pfinnelsen ikke bare en selvtaktet koblingsregulators, men også en fremmedtaktet kobli-ngsregulators fordeler.

Ved en fordelaktig anordning til gjennomførelse .av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er grenseverdigiverens annen -utgang forbundet med uttaket på et RC-ledd som er parallellkoblet med Z-dioden. Med denne utførelsesform er det mulig å realisere en konstant innkoblingstid og dermed gjøre koblingsfrekvensen uavhengig av omgivelsestemperaturen.

Ved en annen gunstig utførelsesform er der parallelt med fri-løpsdioden koblet en annen seriekobling av motstand og Z-diode, samtidig som motstanden hos denne annen seriekobling er shuntet med et RC-ledd hvis uttak er forbundet med ønskéverdiinngangen til grenseverdigiveren. Samtidig kan der være koblet en diode parallelt med motstanden hos RC-leddet. Med denne iitf ørelsesf orm blir utkoblingstiden holdt konstant., og man får dermed en koblingsf rekvens som er uavhengig av omgivelsestemperaturen og i det vesentlige også av inn-gangss<p>enningen og lasten. Ved et høyt forhold mellom inngangs- og utgangsspenning er koblingsfrekvensen fullstendig konstant. For Stabilisering" av grenseverdigiverens hysterese kan motstanden hos

den annen seriekobling av motstand og Z-diode ved denne utførelses-form ha et uttak som er forbundet dels med RC-leddet og dels med en ytterligere Z-diode som er koblet parallelt' med en delmotstand og Z-dioden hos den annen seriekobling.

I det følgende vil o<p>pfinnelsen bli nærmere belyst ved utførel-seseksempler under henvisning til tegningen. Identiske komponenter i de forskjellige utførelseseksempler er forsynt med samme henvisnings-betegnelser.

For å anskuerliggjøre den problematikk som ligger til grunn for oppfinnelsen, viser fig. 1 skjematisk utkoblingsskjemaet for en selvtaktet koblingsregulator i en utførelse som f.eks. er kjent fra den omtalte publikasjon og tjener til strømforsyning av integrerte kob-linskretser. Inngangsklemmer 1, hvor der foreligger en inngangs-likespenning , er forbundet med en styrbar bryter 2, s om f.eks. kan være en transistor. Bryteren 2 efterfølges av et LC-ledd 3 som tjener som glattefilter resp. lavpassfilter og består av en seriekobling av - en drosselspole 4 og en kondensator 5. Beleggene på konsentoren 5 er forbundet med utgangsklemmene 6, som lasten 7 er tilkoblet. Som erstatningssymbol for tapsmotstanden av kondensatoren 5 er der i skjema vist en seriemotstand 8. I allmindelighet blir der ved koblingsregulatorer benyttet en elektrolyttkondensator som kondensator 5 i LC-leddet 3. Serietapsmotstanden 8 er da. eiektrolyttkondensa-torens såkalte ekvivalente erstatningsmotstånd, også betegnet ESR (Equivalent Series Resistance). LC-leddet 3 er shuntet med en fri-løpsdiode 9.

For påstyring av bryteren 2 er dens styreinngang 2a, f.eks.

en transistors basis, forbundet med utgangen fra en grenseverdigi-

ver resp.regulerings.forsterker10med topunktfunksjon. Til måle-^ verdiinngangen 10a til grenseverdigiveren 10 er utgangsspenningen 6 som foreligger ved klemmene 6, ført ved en ledning 11. Ønskeverdiinngangen 10b er via en motstand 12 forbundet med en klemme 13

som får en referansespenning Ur^ tilført som første ønskeverdi. Dessuten er ønskeverdiinngangen 10b til grenseverdigiveren 10 ved

en variabel motstand 14 tilsluttet forbindelsespunktet 15 hos en seriekobling 16 som består av en motstand 17 og Z-diode 18 og er koblet parallelt med friløpsdioden 9. Ved hjelp av motstanden 14 i seripkoblingen 16 er der fastlagt en annen ønskeverdi U2som er større enn Ur^. Ved utgangen fra grenseverdigiveren 10 står et signal hvormed bryteren 2 sluttes når måleverdien underskrider', den ønskeverdi U ^ som foreligger på klemmen 13. Dette signal forsvinner og bryteren 2 åpner når den annen ønskeverdi U.^ i som er gitt ved seriekoblingen 16, blir underskredet.

Virkemåten av koblingsregulatoren på fig. 1 vil bli forklart under henvisning til figurene 2a og 2b, hvor henholdsvis den spenning som foreligger ved inngangen til LC-leddet 3, og den strøm 1^som går i drosselspolen 4, er oppført som funksjon av tiden t. Grenseverdigiveren 10 i koblingen på fig. 1 sammenligner utgangsspenningen Ug med ref eransespenningen U ^. Blir Ug mindre enn U^ f bevirker utgangssignalet fra grenseverdigiveren 10 at bryteren 2 sluttes på tidspunktet t^. Under innkoblingstiden At^går der nu

en strøm ^ over bryteren 2 til lagringsdrosselspolen 4 inntil utgangsspenningen Ug på tidspunktet t 2 er steget til den ønskespen- ;

ningsverdi som er gitt véd motstanden 14, resp. til det øvre kulminasjonspunkt Ur2°9bryteren 2 takket være utgangssignalet fra r'grenseverdigiveren 10 åpnes på tidspunktet • Under den påfølgende utkoblingstid At^ driver den i drosselen 4 lagrede energi fortsatt strømmen igjennom lasten 7, kondensatoren 5 og friløpsdioden 9 inntil utgangsspenningen Ug igjen når det nedre kulminasjonspunkt,

som er gitt ved referansespenningen U^, og det samme forløp begyn-ner på ny..

For hystresen AU som er bestemt ved øvre og nedre kulminasjonspunkt, gjelder: og strømmen 1^i drosselen 4 er gitt ved:

hvor U1g betegner den synkende spenning på Z-dioden 18, og R12og R^4betegner motstandsverdiene for motstandene 12 og 14. Over kondensatoren 5 går der en vekselstrøm med trekantet kurveform hvorav Ai = i - ig, hvor Ig betegner den glattede strøm som flyter over utgangsklemmene 6, og som tilsvarer middelverdien . av I2og lg- På grunn av serietapsmotstanden 8 får man med strømmen

AI gjennom kondensatoren 5 et tilsvarende spenningsfall som like-ledes har trekantet kurveform, og som i det minste ved tilstrekke-lig stor kapasitet av kondensatoren 5 er lik hysteresen AU:

hvor Rg betegner motstandsverdien for motstand U, og Ug betegner utgangsspenningens middelverdi.Hysteresen AU opptrer dermed som pulsasjoner i utgangsspenningen Ug.

Under innkoblingstidenAt1får man for strømstigningen i drosselen sammenhengen:

hvorav man får innkoblingstiden At^ pulsasjonen resp. hysteresen AU: . ■" ."■'■"■-■■.-.

hvor L . som betegner induktiviteten av drosselen 4. Strømminsknin-

gen i drosselen 4 under utkoblingstiden At2 er gitt ved:

hvilket sammen med uttrykket (3) gir følgende uttrykk for At og s AU: ut fra uttrykket for koblingsfrekvensen blir det dermed mulig å beregne denne, og man får:

Fra dette uttrykket kan det utledes at koblingsfrekvensen F ved - selvtaktede koblingsregulatorer i henhold til fig. 1 og med på forhånd gitt konstant hysterese AU avhenger av serietapsmotstanden 8 og inngangsspenningen U^, og spesielt at den er proposjonal med motstandsverdien Rg av motstanden 8. Ved høyere iftngangsspenninger er innkoblingstiden At^kortere, mens utkoblingstiden At^for-

blir konstant. Den frekvensendring dette fører til, er imidlertid liten, da innkoblingstiden i alminnelighet er vesentlig kortere enn utkoblingstiden. Således utgjør forholdet At^ : At2f,eks. ved en inngangsspenning U^på 24V og en utgangsspenning Ug på omtrent 5V ca.~1 : 4. Også med induktiviteten av drosselen 4 kan koblings-^frekvensen forandre seg. Induktiviteten av lagringsdrosselen 4 kan ved en strømverdi på ca. en tiendel av det nominelle øke med 10%. Ifølge de anførte ligninger'Vil koblingsfrekvensen dermed også

synke proposjonalt,

Ved den koblingsregulator som er vist på fig. 1, er således koblingsfrekvensen som bryteren 2 påstyres med, avhengig både av inngangsspenningen U, og av mbtstandsverdien Rg av serietapsmotstanden 8 og dermed av omgivelsestemperaturen. Dette kan, som allérede forklart, særlig føre til akustiske forstyrrelser.

Et utførelseseksempel på en koblingsregulator som er utført i samsvar med oppfinnelsen, og hvor innflytelsen av serietapsmotstanden 8 er kompensert, er vist på fig. 3. Koblingsregulatoren på fig. 3 skiller seg fra den på fig. 1 ved kompensisasjonsanord-ningen 19. I denne er der parallelt med Z-dioden 8 hos seriekoblingen 16 koblet et RC-ledd 20 bestående av en kondensator 21 og en i utførelseseksempelet variabel motstand 22 hvis uttak 23 via en avkoblingsdiode 24 er forbundet med ønskeverdiinngangen 10b til grenseverdigiveren 10.

Virkemåten av en koblingsregulator i henhold til fig. 3 vil bli forklart under henvisning til fig. 4, hvor den spenning U^q som opptrer ved ønskeverdiinngangen 10b til grenseverdigiveren 10, er oppført som funksjon av tiden t. Med RC-leddet 20 får man en eksponensielt svindende hysterese. Antas inngangsmotstanden til grenseverdigiveren 10 å tilta mot uendelig, får man for spenningen U^g ved ønskeverdiinngangen 10b til grenseverdigiveren 10 uttrykket : hvor R22er motstandsverdien av motstanden 22, og C*-, er kapasite-ten av kondensatoren 21. I første tilnærmelse forløper U^q under innkoblingstiden At^liniært, og dens vinkelkoeffisient utgjør: ;Vinkelkoeffisienten N2for utgangsspenningen Ug under innkoblings^tiden At^er som følge av ligning (7) gitt ved ;og er stor i forhold til N2. F.eks. ved en inngangsspenning på 24V, en utgangsspenning Ug på 5V, en referansespenning U . på 5V, en induktivitet av drosselen 4 på . lOOaH, en motstandsverdi av seriemotstanden 8 på 50i~l og en koblingsf rekvens F på 20 kHz, fås = -lV/as og N2=0,0095 V/&s. Dermed kan ønskeverdi-spenningen u^q og måleverdispenningen U^ med første tilnærmelse utrykkes med: i øvre kulminåsjonspunkt for grenseverdigiveren 10 gjelder U^q = ^11'°^man får: ;Innkoblingstiden At1er dermed som første tilnærmelse konstant og uavhengig av stigningen av såvel utgangsspenning som måleverdispen-^ ning. Ut fra ligningene (7) og OI får man for T: og dermed fås for koblingsfrekvensen ;Dermed blir koblingsfrekvensen F rett og slett omvendt proposjonal med inngangsspenningen U^da At^~ og Ug er konstante. Der forekom mer ikke lenger noen avhengighet av serietapsmotstandens motstandsverdi Rg og dermed av omgivelsestemperaturen. Ved tiltagende last kan der imidlertid i tillegg inntre et spenningsfall i bryteren 8 ;med derav følgende tilleggsendringer i koblingsfrekvensen F. ;Et utførelseseksempel på koblingsregulatoren ifølge oppfinnelsen hvor også koblingsfrekvensens avhengighet av inngangsspenningen U1og av lasten 7 blir kompensert, er vist på fig. 5. Fra kob-lingsregulatorene på fig. 1 og 3 skiller utførelseseksempelet på ;fig. 5 seg ved kompensasjonskoblingen 25. Denne innholder en annen seriekobling 26 som består av motstand 27 og en Z-diode 28, og som igjen er parallellkoblet med friløpsdioden 9. Parallelt med motstanden 27 er det koblet et RC-ledd 29 som består av en i utførel-seseksempelet variabel motstand 30 og en kondensator 31, og hvis uttak 32 via en avkoblingsdiode 33 er forbundet medønskeverdiinngangen 10b til grenseverdigiveren 10. Med sikte på rask utladning av kondensatoren 31 ved innkoblihgen er der parallelt med motstanden 30 koblet en diode 34. ;Med RC-leddet 29 blir der ved utkoblingén på tidspunktet t2frembragt en eksponensielt stigendeønskeverdispenning resp. hysterese som ved dioden 33 mates inn i ønskeverdiinngangen 10b til grenseverdigiveren 10. Denne eksponensielt stigende hysterese sam-virker med den hysterese som forårsakes av motstanden 14, hvorved der fås en konstant utkoblingstid At2og dermed en koblingsfre- ;kvens F som er uavhengig av motstandsverdien av serietapsmotstanden 8 og i dét vesentlige uavhengig av inngangsspenningen U. og lasten. Ved et høyere forhold U^: Ug er koblingsfrekvensen F fullstendig konstant". ;Virkemåten av koblingsregulatoren på fig. 5 vil bli for- ;klart under henvisning til fig. 6, hvor den. ønskeverdispenning U^q som foreligger ved inngangen 10b til grenseverdigiveren 10, er opp-ført som funksjon av tiden t. Beregning av den konstante utkoblingstid At2 og koblingsfrekvensen F skjer på tilsvarende måte som i forbindelse med fig. 5. Av. den eksponensielt stigende hysterese under utkoblingstiden At2følger at U^q stiger lineært med vinkelkoeffisienten : ;hvor Ux= f(Ug) er hysteresespenningen. Vinkelkoeffisienten for utgangsspenningen Ug og dermed for måleverdispenningen U^ utgjør som følge av ligning (10): ;I den forbindelse gjelder In^I » |n4I F.eks. ved en inngangsspenning på 24 V, en utgangsspenning på 5 V, en referansespenning U på 5 V, en spenning U2g over Z-di'oden 28 på 10 V, en motstandsverdi Rg på 50 m Hl og en innkoblingsfrekvens på 20 kHz blir stigningen N<3 = 0,325 V/osog stigningen N4= - 0,0025 V/ as.. For U1Qog U^^får man dermed: ;og i skjæringspunktet mellom U1Qog ^^. 1' dvs * nedre kulminas jons-punkt, resp. nedre ønskeverdi gir U1Q= U^: Dermed er At2konstant når KU er konstant. Ut fra dette kan man beregne koblingsfrekvensen F ved bruk av ligning (6) og (10) og får

Dermed blir koblingsfrekvensen F.også i utførelseseksempelet på fig. 5 uavhengig av serietapsmotstanden 8. Men den forblir avhengig av inngangsspenningen U. skjønt denne avhengighet er bagatell-messig og man eventuelt kan se bort fra den, da uttrykket ^ U 1 - U 6--er tilnærmet konstant når det U^ >Ug, For U^ » Ug forsvin-r uxner avhengigheten praktisk talt helt, da den angitte brøk tilnærmelsesvis blir lik 1.

En modifikasjon av utførelseseksempelet på fig. 5 er vist på fig. 7. I dette eksempel er kompensasjonskoblingen 25 supplert med en Z-diode 35 som er koblet parallelt med Z-dioden 28 og en delmotstand 27b av seriekoblingen 26. I dette utførelseseksempel tjener motstanden 27a og Z-dioden 35 til å stabilisere hysteresespenningen Ux. Takket være denne forholdsregel blir hysteresespenningen proposjonal med inngangsspenningen U1 ,, hvorved utkoblingstiden At2

ved høyere inngangsspenninger U, blir øket og den frekvensavhengig-het som ennu forekom i utførelseseksempelet på fig. 5, blir minsket ytterligere.

Sluttelig skal det tilføyes at de kbblingsregulatorer i henhold til oppfinnelsen som er vist på figurene 3, 5 og 7/'vil kunne parallellkobles via klemmene 36 og synkronisere hverandre gjen-sidig. Dermed forener koblingsregulatoren ifølge oppfinnelsen en fremmedtaktet koblingsregulators fordeler med en selvtaktets.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte til drift av en selvtaktet koblingsregulator hvor en styrbar bryter innkobles når utgangsspenningen underskrider en på forhånd gitt første ønskeverdi, og hvor den styrbare bryter utkobles når utgangsspenningen overskrider en annen ønskeverdi,karakterisert vedder med en eksponensielt variabel annen ønskeverdi (U^q) oppnås en i det minste tilnærmelsesvis konstant inn- eller utkoblingstid t^t^. resp. rAt2) får bryteren (2).

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisertved at der med en eksponentielt stigende første ønskeverdi (U-^q) fås en konstant innkoblingstid ( At^).

3. Fremgangmåte som angitt i krav 1,karakterisertved der med fås en eksponensielt stigende annen ønskeverdi (U^q) fås en konstant utkoblingstid (At2).

4. Selvtaktet koblingsregulator til gjennomførelse av en fremgangsmåte som er angitt i krav 1 eller 2, med en styrbar bryter over hvilken et LC-ledd er forbundet med inngangsklemmene, samtidig som de to tilslutninger til LC-leddets kondensator danner utgangsklemmene for tilslutning av en last og LC-leddet er shuntet med en friløpsdiode, og med en grenseverdigiver hvis utgang er forbundet med en styreinngang til bryteren, til hvis måleverdiinngang den ved utgangsklemmene foreliggende spenning er ført, og hvisønskeverdiinngang dels er forbundet med en klemme og dels er sammenknyttet med forbindelsespunktet hos en med friløpsdioden parallellkoblet seriekobling av en motstand og en Z-diode,karakterisert vedat grenseverdigiverens (10) ønskeverdiinngang er forbundet med uttaket (23) -på et RC-ledd (20) som er koblet parallelt med Z-dioden (18).

5. Koblingsregulator som angitt i krav 4,karakterisert vedat grenseverdigiverens (10) ønskeverdiinngang(10b)erforbundet med uttaket (23) over en avkoblingsdiode (24).

6. Koblingsregulator som angitt i krav 4 eller 5,karakterisert vedat RC-leddets (20) motstand (22) er variabel.

7. Selvtaktet koblingsregulator til gjennomførelse av en fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 3, med en styrbar bryter over hvilken et RC-ledd er forbundet med inngangsklemmene, samtidig som de to tilslutninger til LC-leddets kondensator danner utgangsklem mene for tilslutning av en last, og LC-leddet er shuntet med en fri-løpsdiode, samt med en grenseverdigiver hvis utgang er forbundet med en styreinngang til bryteren, til hvis måleverdiinngang den ved utgangsklemmene foreliggende spenning er ført, og hvisønskeverdiinngang dels er forbundet med en klemme og dels er sammenknyttet med forbindelsespunktet hos en med friløpsdioden parallellkoblet seriekobling av en motstand av en Z-diode,karakterisertved at der parallelt med friløpsdioden (9) er koblet en annen seriekobling (26) av en motstand (27) og en Z-diode (28) og denne annen seriekoblings motstand er shuntet med et RC-ledd (29) hvis uttak (32) grenseverdigiverens (10) , ønskeverdiinngang (10b) er forbundet med.

8. Koblingsregulator som angitt i krav 7,karakterisert vedat ønskeverdiinngangen (10b) er forbundet med uttaket (33) på RC-leddet (29) over en avkoblingsdiode (33).

9. Koblinsregulator som angitt i krav 7 eller 8,karakterisert vedat der paraTl^lt med RC-leddets (29) motstand (30) er koblet en diode (34).

10. Koblingsregulator som angitt i krav 7, 8 eller 9,karakterisert vedat RC-leddets (29) motstand (30) er variabel.

11. Koblingsregulator som angitt i et av kravene 7-10,karakterisert vedat motstanden (27) i den annen seriekobling (26) av motstand (27) og Z-dipde (28) har et uttak forbundet dels med RC-leddet (29) og dels med en ytterligere Z-diode (35) som er koblet parallelt med en delmotstand (27b) og Z-dioden hos den annen seriekobling.