DD258692A1 - Schaltungsanordnung zur spannungsversorgung der steuerelektronik von eintakt-durchflusswandlern - Google Patents

Abstract

In Stromversorgungseinrichtungen fuer elektronische Funktionsgruppen und Einrichtungen, deren Speisespannungsquellen, beispielsweise Batterien in Fahrzeugen oder Schiffen, erhebliche Spannungseinbrueche aufweisen, soll die Erfindung mit geringem schaltungstechnischen Aufwand und ohne zusaetzliche elektrische Verluste eine stoerungsfreie Spannungsversorgung der internen Steuerelektronik von Eintakt-Durchflusswandlern gewaehrleisten. Erreicht wird dies dadurch, dass die Entmagnetisierungsenergie aus dem Uebertrager nicht wie ueblich staendig in den Eingangskreis zurueckgespeist, sondern zur zusaetzlichen Versorgung der Steuerelektronik ausgenutzt wird. Hierzu dienen ein Schaltelement mit fremd- oder eigengesteuerter Spannungscharakteristik und eine Entkopplungsdiode. Figur

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist für Stromversorgungseinrichtungen vorgesehen, an deren Anschlußklemmen während des Normalbetriebes erhebliche, das untere Toleranzband unterschreitende Spannungseinbrüche auftreten. Dies trifft beispielsweise auf batteriegespeiste Stromversorgungseinrichtungen für elektronische Funktionsgruppen und Einrichtungen in Fahrzeugen oder Schiffen zu, deren Batterien zusätzlichen starken Belastungsstößen durch unregelmäßige Schalt- und Anlaufvorgänge ausgesetzt sind.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In Eintakt-Durchflußwandlem, die aus Speisenetzen mit niedrigen Spannungen, z. B. Batterienetzen, versorgt werden, wird die interne Versorgungsspannung für die Steuerelektronik üblicherweise direkt aus der an den Eingangsklemmen anliegenden Speisespannung abgeleitet. Als Steuerelektronik werden hier alle elektronischen Funktionsgruppen bezeichnet, die sowohl zur Ansteuerung des Leistungsschalttransistors als auch zur Regelung der Ausgangsspannung vorgesehen sind. Diese Form der Bereitstellung der internen Spannungsversorgung hat den Nachteil, daß bei auftretenden Spannungseinbrüchen an den Eingangsklemmen der Stromversorgungseinrichtung die Funktionstätigkeit der gesamten Schaltung beeinträchtigt wird, da in einem derartigen Betriebsfall die interne Steuerelektronik nicht mehr mit der notwendigen Spannung versorgt wird. Eine Abhilfe dieses Zustandes wäre durch eine Anordnung möglich, wo der interne Energiespeicher wesentlich vergrößert wäre. Dies würde eine beträchtliche Vergrößerung der Kapazität des internen Speicherkondensators erfordern, der so beschaffen sein müßte, daß er in der Lage ist, auch während der Spannungseinbrüche an den Eingangsklemmen die interne Steuerelektronik ausreichend mit Spannung zu versorgen. Die sich hier einstellende Spannung müßtejedoch durch ein Schaltelement, z. B. eine Diode, von der an den Eingangsklemmen anliegenden Speisespannung entkoppelt sein, damit während der Spannungseinbrüche keine Rückspeisung in das Speisenetz stattfindet.

Die Nachteile einer derartigen Anordnung bestehen darin, daß einerseits eine große Anzahl von zusätzlichen Kondensatoren benötigt wird, was eine beträchtliche Volumen- und Gewichtsvergrößerung zur Folge hat und daß andererseits der Spannungsabfall an der vom gesamten Betriebsstrom durchflossenen Entkopplungsdiode beachtliche Dauerverluste hervorruft. ,

Bei Eintakt-Durchflußwandlem, die mit asymmetrischen Stromimpulsen arbeiten, muß die im Übertrager gespeicherte Magnetisierungsenergie in den Sperrphasen des Leistungsschalttransistors abgebaut werden. Geschieht dies nicht, so kommt der Übertrager in die Sättigung, und der Leistungsschalttransistor wird zerstört. Um dies zu vermeiden, besitzt der Übertrager von Eintakt-Durchflußwandlem eine Entmagnetisierungswicklung, mittels der die Magnetisierungsenergie üblicherweise auf die an den Eingangsklemmen anliegende Speisespannung zurückgespeist wrid. Hierbei ist der eine Anschluß der Entmagnetisierungswicklung mit Masse und der andere Anschluß über eine zur einspeisenden Spannung in Sperrichtung gepolte Sperrdiode mit der Eingangsklemme verbunden. Anordnungen, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind bekannt, beispielsweise aus Velthooven, Hetterscheid: Dimensionierung von Durchflußwandler-Schalt-Netzteilen, Informationsschrift der Fa. VALVO, Seite 1, Bild 1.

Bei Speisespannungseinbrüchen erfolgt nachteiligerweise auch bei dieser Anordnung trotz der zusätzlichen Nutzung der Entmagnetisierungsenergie eine Rückspeisung der Energie aus der internen Kondensatoranordnung in das externe Speisenetz und steht demzufolge für die Versorgung der Steuerelektronik nicht mehr zur Verfügung.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung soll bei der Aufrechterhaltung einer ungestörten internen Spannungsversorgung in Eintakt-Durchflußwandlern bei Speisespannungseinbrüchen den Bauelemente- und Raumbedarf sowie die elektrischen Verluste verringern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine störungsfreie Spannungsversorgung der internen Steuerelektronik von Eintakt-Durchflußwandlern auch bei solchen stoßartigen Einbrüchen der Speisespannung gewährleistet, die die für die statische Einspeisung vorgegebene untere Toleranzgrenze unterschreiten. Die Erfindung, mit der diese Aufgabe gelöst wird, geht von Eintakt-Durchflußwandlern aus, deren Übertrager eine einseitig an Masse angeschlossene Entmagnetisierungswicklung enthält, aus der über eine in bezug auf die Speisespannung in Sperrichtung gepolte Sperrdiode eine Rückspeisung der Entmagnetisierungsenergie in den Eingangskreis stattfindet. Die Erfindung ist durch die nachfolgenen Merkmale gekennzeichnet. Zwischen der Eingangsklemme des Eintakt-Durchflußwandlers und der Sperrdiode ist eine Entkopplungsdiode entgegengesetzt gepolt zur Sperrdiode angeordnet. Der Verbindungspunkt zwischen beiden Dioden bildet den Versorgungseingang der Steuerelektronik. Von diesem Versorgungseingang aus sind zur Masse hin ein Stützkondensator und zur Eingangsklemme hin ein spannungsabhängiges Schaltelement angeordnet. Die Spannungscharakteristik des Schaltelements ist entweder eigengesteuert durch den Spannungsabfall am Schaltelement selbst oder fremdgesteuert durch eine Spannung des Eintakt-Durchflußwandlers oder durch eine Kombination aus beiden beeinflußbar. Als Schaltelement mit eigengesteuerter Spannungscharakteristik kann beispielsweise eine Z-Diode eingesetzt werden.

Während des ungestörten Betriebes wird der parallel zur Steuerelektronik angeordnete Stützkondensator sowohl aus der an der Eingangsklemme anliegenden Speisespannung als auch aus der Entmagnetisierungswicklung gespeist, wobei diese beiden Speisequellen gegeneinander durch die beiden Dioden entkoppelt sind. Das Schaltelement sorgt im Störungsfall dafür, daß ein Nachladen des Stützkondensators aus der Energie der Entmagnetisierungswicklung stattfindet.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Eintakt-Durchflußwandler mit der erfindungsgemäßen Anordnung.

Der dargestellte Eintakt-Durchflußwandler enthält in bekannter Weise einen Übertrager Ü, dessen Primärwicklung Wp mit einem Leistungsschalttransistor T in Reihe geschaltet ist, der mit asymmetrischen Impulsen angesteuert wird. Die gesamte Elektronikanordnung des Eintakt-Durchflußwandlers, die zur Erzeugung der Ansteuerimpulse, meist in Verbindung mit einer Regelung der Ausgangsspannung dient, wird in der Darstellung als Steuerelektronik ST zusammengefaßt. Die Speisung des Eintakt-Durchflußwandlers erfolgt mit Hilfe einer Speisespannung Ue, die z. B. aus einer Batterie bereitgestellt wird.

Üblicherweise wird zur Realisierung eines niedrigen Innenwiderstandes der Spannungsversorgung ein Speicherkondensator C1 eingefügt.

Entsprechend dem Wirkungsprinzip eines Eintakt-Durchflußwandlers wird in den Flußphasen des Leistungsschalttransistors T Energie von der Primär- auf die Sekundärseite übertragen. An die Sekundärwicklung Ws ist eine Last L angeschlossen, die aus einer Gleichrichter- und Siebschaltung sowie einer entsprechenden Belastung besteht.

Der Übertrager Ü besitztauch eine Entmagnetisierungswicklung We, mit deren Hilfe die während der Leitphasen im Übertrager Ü gespeicherte Magnetisierungsenergie in den Sperrphasen abgebaut wird, indem eine Rückspeisung über eine Sperrdiode D 2 in den Eingangskreis erfolgt. Die Sperrdiode D 2 ist in bezug auf die Speisespannung Ue in Sperrichtung gepolt.

Die Spannungsversorgung der Steuerelektronik ST erfolgt über einen Versorgungseingang EV. Gegenüber bekannten Anordnungen, wo dieser Eingang EV direkt mit dem Speicherkondensator C1 verbunden ist, trägt in der erfindungsgemäßen Lösung zur Spannungsversorgung der Steuerelektronik ST sowohl die an der Eingangsklemme E anliegende Speisespannung Ue als auch die Spannung bei, die durch die Entmagnetisierungswicklung We erzeugt wird.

Der Beitrag, der von der an der Eingangsklemme E anliegenden Speisespannung Ue geleistet wird, gelangt über die Entkopplungsdiode D1 auf den Versorgungseingang EV der Steuerelektronik ST. Parallel dazu ist ein Stützkondensator C2 angeordnet. Der Beitrag der Entmagnetisierungswicklung We gelangt über die Sperrdiode D2 ebenfalls auf den Versorgungseingang EV. Die Entkopplungsdiode D1 und die Sperrdiode D2 sind gegeneinandergeschaltet und somit entgegengesetzt gepolt. Zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt beider Dioden und der Eingangsklemme E ist ein Schaltelement SE angeordnet, welches eine eigene oder fremdgesteuerte Spannungscharakteristik aufweist oder aus einer Kombination von beiden besteht. Eine Fremdsteuerung der Spannungscharakteristik des Schaltelements SE kann entweder von der Spannung zwischen der Eingangsklemme E und Masse M oder der Spannung zwischen dem Versorgungseingang EV und Masse M erfolgen. Ein Schaltelement SE mit eigengesteuerter Spannungscharakteristik wäre z.B. durch eine Z-Diode realisierbar.

Zuerst wird die Wirkungsweise bei Einsatz eines fremdgesteuerten Schaltelements SE betrachtet. Solange die Speisespannung Ue eine vorgegebene untere Toleranzgrenze nicht unterschreitet, befindet sich das Schaltelement SE im durchgeschalteten Zustand. Damit ist zwischen der Eingangsklemme E und dem Versorgungseingang EV praktisch eine leitende Verbindung hergestellt.

Unterschreitet die Speisespannung Ue an der Eingangsklemme E die untere Toleranzgrenze, so wird das Schaltelement SE entweder von dieser oder der an dem Versorgungseingang EV anliegenden Spannung in den hochohmigen Zustand geschaltet.

Als Folge davon wird in den Sperrphasen des Leistungsschalttransistors T die Entmagnetisierungsenergie mit Hilfe der Entmagnetisierungswicklung We über die Sperrdiode D2 auf den Stützkondensator C2 übertragen. Damit erhöht sich die Spannung am Versorgungseingang EV.

Bei Einsatz eines Schaltelements SE mit eigengesteuerter Spannungscharakteristik, z. B. einer Z-Diode, bildet sich am Schaltelement SE ständig eine Spannung aus, die der charakteristischen Spannung, z. B. der Z-Spannung, des Schaltelements SE entspricht. Dies bedeutet, daß die Entmagnetisierungsenergie mit Hilfe der Entmagnetisierungswicklung We über die Sperrdiode D2 ständig auf den Stützkondensator C2 übertragen wird, was eine Erhöhung der Spannung am Versorgungseingang EV zur Folge hat, die solange ansteigt, bis die Summe aus der an der Eingangsklemme E anliegenden Spannung und der charakteristischen Spannung des Schaltelements SE erreicht ist.' Nachfolgende Energieimpulse werden über das Schaltelement SE auf den Speicherkondensator C1 geleitet. Im Endergebnis stellt sich am Versorgungseingang EV eine um den Betrag der charakteristischen Spannung des Schaltelements SE erhöhte Versorgungsspannung ein.

Werden im Schaltelement SE Bauelement kombiniert, die sowohl eine eigene als auch eine fremdgesteuerte Spannungscharakteristik aufweisen, so sind zwei Betriebsfälle zu betrachten.

Im ersten Fall wird davon ausgegangen, daß die an der Eingangsklemme E anliegende Speisespannung Ue eine vorgegebene untere Toleranzgrenze nicht unterschritten hat. Hierbei befindet sich das Schaltelement SE im durchgeschalteten Zustand, und die am Versorgungseingang EV anliegende Versorgungsspannung erreicht annähernd den Wert, der am Speicherkondensator Ci anliegenden Gleichspannung.

Unterschreitet dagegen die Speisespannung Ue an der Eingangsklemme E die untere Toleranzgrenze, so wird das Schaltelement SE hochohmig. Dadurch gelangt die Entmagnetisierungsenergie mit Hilfe der Entmagnetisierungswicklung WE über die Sperrdiode D2 auf den Stützkondensator C2, was zu einer Erhöhung der Spannung am Versorgungseingang EV führt. Dies hält solange an, bis die Summe aus der an der Eingangsklemme E anliegenden Spannung und der charakteristischen Spannung der eigengesteuerten Komponente im Schaltelement SE erreicht ist. Nachfolgende Energieimpulse werden über das Schaltelement SE auf den Speicherkondensator C1 geleitet, so daß sich in diesem Fall eine um den Betrag der charakteristischen Spannung der eigengesteuerten Komponente des Schaltelementes SE erhöhte Versorgungsspannung am Versorgungseingang EV einstellt.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung der Steuerelektronik von Eintakt-Durchflußwandlern, deren Übertrager eine einseitig an Masse angeschlossene Entmagnetisierungswicklung enthält, aus der über eine zur Speisespannung in Sperrichtung gepolte Sperrdiode eine Rückspeisung der Entmagnetisierungsenergie in den Eingangskreis stattfindet, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen der Eingangsklemme (E) und der Sperrdiode (D2) eine Entkopplungsdiode (D 1) entgegengesetzt gepolt zur Sperrdiode (D2) angeordnet ist, daß der Verbindungspunkt zwischen beiden Dioden den Versorgungseingang (EV) der Steuerelektronik (ST) bildet, daß vom Versorgungseingang (EV) aus zur Masse (M) ein Stützkondensator (C2) und zur Eingangsklemme (E) ein spannungsabhängiges Schaltelement (SE) angeordnet ist, dessen Spannungscharakteristik entweder eigengesteuert durch den Spannungsabfall am Schaltelement (SE) selbst oderfremdgesteuert durch eine Spannung des Eintakt-Durchflußwandlers beeinflußbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Schaltelement (SE) mit eigengesteuerter Spannungscharäkteristik eine Z-Diode eingesetzt ist.