DE3608082A1 - Circuit arrangement for stabilising the output DC voltage with a varying input DC voltage of a step-down/step-up controller combination - Google Patents
Circuit arrangement for stabilising the output DC voltage with a varying input DC voltage of a step-down/step-up controller combinationInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.The invention relates to a circuit arrangement according to the Preamble of the claim.
Eine solche Tiefsetz-Hochsetzstellerkombination ist durch die DE-OS 31 04 965 bekannt. Solange die Eingangsspannung oberhalb eines bestimmten Wertes liegt, ist der Tiefsetzsteller in Betrieb; fällt die Eingangsspannung unter diesen Wert, arbeitet statt dessen der Hochsetzsteller.Such a buck-boost converter combination is through the DE-OS 31 04 965 known. As long as the input voltage is above a certain one Value, the buck converter is in operation; the input voltage drops below this value, the step-up converter works instead.
Eine Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art wird überall dort benötigt, wo spannungsempfindliche Gleichspannungsverbraucher, wie Meß- und Regeleinrichtungen, elektronische Schutzrelais oder Leittechnikschränke in Kraftwerken, aus einer Spannungsquelle mit großen Spannungsänderungen gespeist werden. Eine Spannungsquelle mit großen Spannungsänderungen kann z. B. eine sich entladende und wieder aufladbare Batterie sein. Die Spannungen können dabei durchaus 20% oberhalb bzw. unterhalb der Nennspannung der Batterie liegen. Die Verbraucher dagegen benötigen eine konstante Spannung, die eine Abweichung von höchstens ±1% aufweisen darf. Es muß also sichergestellt sein, daß die Umschaltung der Tiefsetz-Hochsetzstellerkombination vom Tiefsetzbetrieb auf den Hochsetzbetrieb und umgekehrt genügend exakt erfolgt, um die geforderte Spannungskonstanz zu gewährleisten. A circuit arrangement of the type mentioned is everywhere wherever voltage-sensitive DC voltage consumers are required, such as measuring and control devices, electronic protection relays or Control cabinets in power plants, from a voltage source with large voltage changes are fed. A voltage source with large voltage changes z. B. a discharging and rechargeable battery. The tensions can well 20% above or below the nominal voltage of the battery. On the other hand, consumers need a constant voltage, the one Deviation of no more than ± 1%. So it must be ensured be that the changeover of the buck-boost converter combination sufficient from step-down mode to step-up mode and vice versa exactly to ensure the required constant voltage.
Es ist denkbar, die Umschaltung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung vorzunehmen. Das führt jedoch zu dem Nachteil, daß bei einer Änderung der geforderten Ausgangsspannung der Umschaltpunkt neu eingestellt werden muß. Darüber hinaus ergeben sich aufgrund unterschiedlicher Spannungsabfälle beim Leerlauf und bei Vollast Spannungsänderungen, die bereits außerhalb der Toleranzgrenze für die Spannungskonstanz beim Verbraucher liegen.It is conceivable to switch depending on the input voltage to make. However, this leads to the disadvantage that when there is a change the required output voltage, the switchover point can be reset got to. In addition, there are different voltage drops at idle and at full load voltage changes that already outside the tolerance limit for constant voltage at the consumer lie.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die ein exaktes Umschalten vom Tiefsetz- auf den Hochsetzbetrieb und umgekehrt unabhängig von der eingestellten Ausgangsspannung gewährleistet, wobei die Spannungsabfälle in den Leitungen und an den Schaltelementen mit erfaßt werden und die Ausgangsspannung nach dem Umschalten der Betriebsart keinen Sprung aufweist.The invention has for its object a circuit arrangement of Specify the type mentioned at the beginning, which an exact switching from the step-down to step-up operation and vice versa regardless of the set Output voltage ensured, the voltage drops can be detected in the lines and on the switching elements and the output voltage after switching the operating mode none Jump.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by the in claim marked features solved.
Auf vorteilhafte Weise wird durch die Auswertung des Pegels am Ausgang des die Ausspannung regelnden Regelgliedes die Betriebsart vorgegeben, die notwendig ist, um die Ausgangsspannung konstant zu halten.The evaluation of the level at the output is advantageous the operating mode of the regulating element regulating the unclamping, which is necessary to keep the output voltage constant.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnungsfigur dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden.The invention is based on one in the drawing figure illustrated embodiment are explained.
Die Zeichnungsfigur zeigt das Prinzipschaltbild für eine Tiefsetz-Hochsetzstellerkombination und deren Steuerungsteil.The drawing figure shows the block diagram for a step-up / step-up converter combination and their control part.
Der Leistungsteil der Tiefsetz-Hochsetzstellerkombination ist mit 1 bezeichnet. Eingangsseitig ist dabei über einen Kondensator C 1 an diese Kombination eine stark veränderliche Gleichspannung U 1 gelegt. Am Ausgang der Kombination soll daraus an einem Glättungskondensator C 2 eine konstante Ausgangsgleichspannung U 2 erstellt werden, die an einen (nicht gezeigten) spannungsempfindlichen Verbraucher gelegt wird. The power section of the buck-boost converter combination is designated by 1 . On the input side, a strongly variable DC voltage U 1 is applied to this combination via a capacitor C 1 . At the output of the combination, a constant DC output voltage U 2 is to be created from this on a smoothing capacitor C 2 , which is applied to a voltage-sensitive consumer (not shown).
Der Tiefsetzsteller besteht innerhalb der Kombination aus einem Transistorschalter V 1, einer Freilaufdiode V 2 und einer Drosselspule L 1.The buck converter consists of a combination of a transistor switch V 1 , a freewheeling diode V 2 and a choke coil L 1 .
Der Hochsetzsteller ist durch einen Transistorschalter V 3, eine Diode V 4, die Drosselspule L 1 und zusätzlich durch den leitend angesteuerten Transistorschalter V 1 gebildet.The step-up converter is formed by a transistor switch V 3 , a diode V 4 , the choke coil L 1 and additionally by the transistor switch V 1 which is driven in a conductive manner.
Der Transistorschalter V 1 wird über ein Steuerglied A 1, der Transistorschalter V 3 über ein Steuerglied A 2 angesteuert.The transistor switch V 1 is controlled via a control element A 1 , the transistor switch V 3 via a control element A 2 .
Die Stromerfassung I IST erfolgt für beide Betriebsarten über einen Meßshunt R 1. Der Istwert U IST der Ausgangsspannung U 2 wird über dem Kondensator C 2 abgegriffen. Beide Istwerte werden einem Steuerungsteil 2 für die Tiefsetz-Hochsetzstellerkombination 1 zugeführt, der die Steuerglieder A 1 bzw. A 2 mit entsprechenden Signalen zur Ansteuerung der Transistorschalter V 1 und V 3 im Tiefsetz- und Hochsetzbetrieb ansteuert.The current detection I IST takes place for both operating modes via a measuring shunt R 1 . The actual value U IST of the output voltage U 2 is tapped via the capacitor C 2 . Both actual values are fed to a control part 2 for the step-down / step-up converter combination 1 , which controls the control elements A 1 or A 2 with corresponding signals for controlling the transistor switches V 1 and V 3 in step-down and step-up operation.
Im Steuerungsteil 2 wird das dem Istwert U IST der Ausgangsspannung U 2 der Tiefsetz-Hochsetzstellerkombination 1 entsprechende Signal über einen ohmschen Widerstand R 8 einem Vergleichspunkt zugeführt, an den zum anderen über einen ohmschen Widerstand R 10 eine dem geforderten Sollwert U SOLL der Ausgangsspannung U 2 entsprechende Größe angelegt ist. Die sich im Vergleichspunkt ergebende Regelabweichung ist über einen ohmschen Widerstand R 9 an den einen Eingang eines Spannungsreglers (Operationsverstärkers) V 7 gelegt, der über einen zweiten Eingang und einen ohmschen Widerstand R 11 an ein Bezugspotential (Masse) angeschlossen ist. Der Spannungsregler V 7 weist eine Rückführung aus ohmschen widerständen R 12, R 16 und einem Kondensator C 3 an den zweiten Eingang auf. Das Ausgangssignal des Spannungsreglers V 7 liegt über den ohmschen Widerstand R 12 an einem über zwei antiparallele Diodenreihenschaltungen V 9, V 10 bzw. V 11, V 12 mit dem Bezugspotential verbundenen Bezugspunkt B als eine Stromführungsgröße. Der Bezugspunkt B ist über einen ohmschen Widerstand R 4 an ein positives Bezugspotential + angeschlossen. In the control section 2 , the signal corresponding to the actual value U ACTUAL of the output voltage U 2 of the step-down / step-up converter combination 1 is fed via a ohmic resistor R 8 to a comparison point, to which a reference point U SOLL of the output voltage U 2 is supplied via an ohmic resistor R 10 appropriate size is created. The control deviation resulting in the comparison point is connected via an ohmic resistor R 9 to the one input of a voltage regulator (operational amplifier) V 7 , which is connected via a second input and an ohmic resistor R 11 to a reference potential (ground). The voltage regulator V 7 has a feedback from ohmic resistors R 12 , R 16 and a capacitor C 3 to the second input. The output signal of the voltage regulator V 7 is via the ohmic resistor R 12 at a reference point B connected to the reference potential via two antiparallel diode series connections V 9 , V 10 and V 11 , V 12 as a current control variable. The reference point B is connected to a positive reference potential + via an ohmic resistor R 4 .
Die Stromregelgröße I IST , die vom Meßshunt R 1 dem Steuerungsteil 2 zugeführt ist, wird über einen ohmschen Widerstand R 2 auf den negativen Eingang eines Operationsverstärkers V 5 gegeben, der diese auf z. B. maximal 1 V verstärkt. Der aktive Bereich für den Spannungsregler V 7 liegt demnach im Punkt B im Bereich von 0 bis +1 V. Der Operationsverstärker V 5, dessen positiver Eingang am Bezugspotential liegt, weist eine Rückführung mit einem ohmschen Widerstand R 3 auf.The current control variable I IST , which is supplied to the control part 2 by the measuring shunt R 1 , is passed through an ohmic resistor R 2 to the negative input of an operational amplifier V 5 , which is connected to z. B. amplified a maximum of 1 V. The active range for the voltage regulator V 7 is accordingly at point B in the range from 0 to +1 V. The operational amplifier V 5 , whose positive input is at the reference potential, has a feedback with an ohmic resistor R 3 .
Die Stromführungsgröße (Punkt B) wird über einen ohmschen Widerstand R 6 und die Stromregelgröße (Punkt A) wird über einen ohmschen Widerstand R 5 einem eine Rückführung mit einem ohmschen Widerstand R 7 aufweisenden Komparator V 6 zugeführt. Am Ausgang des Komparators V 6 entsteht am Punkt C ein Impulsmuster, das über eine Impulsumschaltlogik A 3 auf die Steuerglieder A 2 und/oder A 1 zur Steuerung der Transistorschalter V 1 bzw. V 3 gegeben wird.The current control variable (point B ) is fed via an ohmic resistor R 6 and the current control variable (point A ) is fed via a ohmic resistor R 5 to a comparator V 6 having a feedback with an ohmic resistor R 7 . At the output of the comparator V 6 , a pulse pattern arises at point C , which is given via a pulse switching logic A 3 to the control elements A 2 and / or A 1 for controlling the transistor switches V 1 and V 3 .
Die Impulsumschaltlogik A 3, die die Umschaltung der Tiefsetz-Hochsetzstellerkombination -1 vom Tiefsetz- auf den Hochsetzbetrieb und umgekehr vornimmt, besitzt dazu ein ODER-Glied, das ausgangsseitig mit dem Steuerglied A 1 verbunden ist, und ein UND-Glied das ausgangsseitig mit dem Steuerglied A 2 verbunden ist. Eingangsseitig liegen das UND- und das ODER-Glied zum einen beide am Ausgangspunkt C des Komparators V 6 und zum anderen am Ausgang eines Komparators V 8. Die Polarität des Ausgangssignals des Komparators V 8 am Punkt E bestimmt die Umschaltung bei der Impulsumschaltlogik A 3 vom Tiefsetz- auf den Hochsetzbetrieb und umgekehrt.The pulse switching logic A 3 , which switches the step-down step-up converter combination - 1 from step-down to step-up mode and vice versa, has an OR gate that is connected on the output side to the control element A 1 , and an AND gate that connects the output side to that Control element A 2 is connected. On the input side, the AND and the OR gate are both at the starting point C of the comparator V 6 and the other at the output of a comparator V 8 . The polarity of the output signal of the comparator V 8 at point E determines the switching in the pulse switching logic A 3 from step-down to step-up operation and vice versa.
Der Ausgang des Komparators V 8 ist auf seinen positiven Eingang über einen ohmschen Widerstand R 15 zurückgeführt. Der negative Eingang liegt am Bezugspotential, während der positive Eingang über zwei ohmsche Widerstände R 13, R 14, zwischen denen ein Kondensator C 4 mit dem Bezugspotential verbunden ist, an den Ausgang (Punkt D) des Spannungsreglers V 7 geschaltet ist. The output of the comparator V 8 is fed back to its positive input via an ohmic resistor R 15 . The negative input is at the reference potential, while the positive input is connected to the output (point D ) of the voltage regulator V 7 via two ohmic resistors R 13 , R 14 , between which a capacitor C 4 is connected to the reference potential.
Die Umschaltung vom Tiefsetzen auf das Hochsetzen (bzw. umgekehrt) erfolgt gemäß der Erfindung wie folgt:Switching from low to high (or vice versa) takes place according to the invention as follows:
Ist die Eingangsspannung U 1 (z. B. von einer geladenen Batterie geliefert) größer als die Ausgangsspannung U 2, so muß der Tiefsetzsteller in Betrieb sein. Der Punkt E liegt auf negativem Potential (z. B. -12 V). Aus dem Vergleich der Stromregelgröße (Punkt A) und der Stromführungsgröße (Punkt B) entsteht am Punkt C ein Impulsmuster, welches über die Impulsschaltlogik A 3 den Transistorschalter V 1 ansteuert.If the input voltage U 1 (eg supplied by a charged battery) is greater than the output voltage U 2 , the buck converter must be in operation. The point E is at a negative potential (e.g. -12 V). From the comparison of the current control variable (point A ) and the current control variable (point B ), a pulse pattern arises at point C , which controls the transistor switch V 1 via the pulse switching logic A 3 .
Sinkt die Eingangsspannung (durch langsame Entladung der Batterie), so reicht irgendwann die Betriebsart Tiefsetzen nicht mehr aus, um die Ausgangsspannung U 2 konstant zu halten. Es muß nun auf Hochsetzbetrieb umgeschaltet werden.If the input voltage drops (due to slow discharge of the battery), at some point the step-down mode is no longer sufficient to keep the output voltage U 2 constant. It must now be switched to step-up operation.
Diese Information wird aus dem Ausgang des Spannungsregelers V 7 (Punkt D) gewonnen, kann per Prinzip aber auch aus einem separaten Operationsverstärker mit gleichem Soll-Istwert-Vergleich gewonnen werden.This information is obtained from the output of the voltage regulator V 7 (point D ), but can in principle also be obtained from a separate operational amplifier with the same setpoint / actual value comparison.
Reicht also gemäß dieser Schaltung der Tiefsetzbetrieb nicht mehr aus, so wird die Spannung am Ausgang des Spannungsreglers V 7 größer als 1 V. Die Rückführung des Komparators V 8 ist so gewählt, daß er nach einer kleinen Zeitkonstante (R 14, C 4) bei einer Eingangsspannung von 1 V auf positives Potential +UB kippt (+UB Hochsetzbetrieb).If, according to this circuit, the step-down operation is no longer sufficient, the voltage at the output of the voltage regulator V 7 will be greater than 1 V. The feedback of the comparator V 8 is selected such that it is after a small time constant ( R 14 , C 4 ) an input voltage of 1 V to positive potential + UB tilts (+ UB step-up operation).
Die Impulsumschaltlogik A 3 sorgt dafür, daß dann der Transistorschalter V 1 eingeschaltet bleibt und der Transistorschalter V 3 mit dem Impulsmuster (Punkt C) angesteuert wird.The pulse switching logic A 3 ensures that the transistor switch V 1 then remains switched on and the transistor switch V 3 is controlled with the pulse pattern (point C ).
Steigt die Eingangsspannung U 1 wieder an (z. B. durch Aufladen der Batterie) und wird sie größer als die Ausgangsspannung U 2, so geht der Ausgang des Spannungsregelers V 7 nach minus. Wird die Spannung am Punkt D kleiner als -1 V, so kippt nach der durch den ohmschen Widerstand R 13 und den Kondensator C 4 bestimmten Zeitkonstante der Ausgang des Komparators V 8 (Punkt E) auf negatives Potential -UB (-UB Tiefsetzbetrieb). Dadurch wird die Impulsansteuerung vom Transistorschalter V 3 auf den Transistorschalter V 1 umgeschaltet.If the input voltage U 1 rises again (eg by charging the battery) and it becomes greater than the output voltage U 2 , the output of the voltage regulator V 7 goes to minus. If the voltage at point D is less than -1 V, the output of comparator V 8 (point E ) tilts to negative potential - UB (- UB step-down operation) after the time constant determined by ohmic resistor R 13 and capacitor C 4 . As a result, the pulse control is switched from transistor switch V 3 to transistor switch V 1 .
Durch die Auswertung des Pegels am Ausgang des Spannungsreglers V 7 wird erreicht, daß auch bei Sollwertänderungen keine Neueinstellungen für den Umschaltpunkt Hochsetz-Tiefsetzbetrieb erforderlich sind. Der Regler V 7 gibt also die Betriebsart vor, die erforderlich ist, um die Ausgangsspannung konstant zu halten.By evaluating the level at the output of the voltage regulator V 7 , it is achieved that no new settings are required for the changeover point between step-up and step-down operation even when the setpoint changes. The controller V 7 thus specifies the operating mode that is required to keep the output voltage constant.
Claims (1)
- - dessen einer Eingang mit einem Bezugspotential verbunden ist und dessen anderer Eingang an den Ausgang (D) eines die Ausgangsgleichspannung (U 2) der Tiefsetz-Hochsetzstellerkombination (V 1, V 2, L 1; V 3, V 4, L 1, V 1) durch Vergleich des Istwerts (U IST ) dieser Ausgangsspannung (U 2) mit einem frei einstellbaren Sollwert (U SOLL ) regelnden Operationsverstärkers (V 7) angeschlossen ist und
- - dessen Ausgangssignal ein Umschaltglied (A 3) zwischen den Steuerungen (A 1, A 2) für die Schaltelemente (V 1, V 3) des Tiefsetzstellers (V 1, V 2, L 1) und des Hochsetzstellers (V 3, V 4, L 1, V 1) betätigt.
- - whose one input is connected to a reference potential and whose other input to the output ( D ) one of the output DC voltage ( U 2 ) of the step-up / step-up converter combination ( V 1 , V 2 , L 1 ; V 3 , V 4 , L 1 , V 1 ) is connected by comparing the actual value ( U IST ) of this output voltage ( U 2 ) with a freely adjustable setpoint ( U SOLL ) regulating operational amplifier ( V 7 ) and
- - The output signal of a switching element ( A 3 ) between the controls ( A 1 , A 2 ) for the switching elements ( V 1 , V 3 ) of the step-down converter ( V 1 , V 2 , L 1 ) and the step-up converter ( V 3 , V 4 , L 1 , V 1 ) actuated.
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