DE2849619A1

DE2849619A1 - Netzteil mit einem selbstschwingenden sperrwandler

Info

Publication number: DE2849619A1
Application number: DE19782849619
Authority: DE
Inventors: Roman Haas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-11-15
Filing date: 1978-11-15
Publication date: 1980-05-29
Also published as: GB2035628B; FR2441952B1; FR2441952A1; DE2849619C2; US4291367A; GB2035628A; JPS5568882A; IT7927167A0; IT1124949B

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 73 ρ _{t 2} q _{5 BRQ}

Netzteil mit einem selbstschwingenden Sperrwandler.

Die vorliegende Erfindung "betrifft ein Netzteil mit einem selbstschwingenden Sperrwandler, der mit Hilfe eines Schalttransistors und eines Transformators aus einer ihn speisenden Gleichspannung eine vom Transformator über eine Gleichrichteranordnung abnehmbare Gleichspannung erzeugt, und mit einer Regelschaltung im Steuerkreis des Schalttransistors, welche den Schalttransistor als Funktion einer aus dem Primärkreis des Transformators entnommenen Vergleichsspannung steuert.

Netzteile der vorstehend genannten Art sind beispielsweise aus der DE-PS 21 60 659 bekannt. Bei einem derartigen bekannten Netzteil wird das Ansteuersignal für die Regelschaltung, welche den Schalttransistor triggert, durch einen Widerstand im Emitterkreis des Schalttransistors gewonnen. Bei einer derartigen Ausgestaltung tritt jedoch der Nachteil auf, daß bei einem Ausfall des Schalttransistors die volle gleichgerichte-

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-*" ^YPA 78 P 1 2 O 5 BRQ

te Netzspannung am Emitterwiderstand abfällt, so daß die Ansteuerschaltung zerstört werden kann. Weiterhin ist die Spannung an diesem Emitterwiderstand auch mit Überschwingkomponenten behaftet, wodurch Regelschwingungen entstehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit für eine Kollektorstromnachbildung des Schalttransistors anzugeben, welche die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem Netzteil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch ein parallel zur speisenden Gleichspannung liegendes Integrationsglied gelöst, das ein periodisches sägezahnförmiges, dem Strom im Primärkreis entsprechendes Signal erzeugt, mit dem die Regelschaltung zur Triggerung des Schalttransistors angesteuert ist.

Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Beispiels näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Netzteils mit einem Teil einer vorzugsweise in integrierter Technik ausgeführten Regelschaltung;

Fig. 2 einen weiteren Teil der vorzugsweise in integrierter Technik ausgebildeten Regelschaltung; Fig. 3 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen Ausgangsspannung und Ausgangsstrom des Netzteils; und

Fig. 4 Zeitdiagramme der Kollektorspannung, des Kollektorstroms und des Basisstroms des Schalttran-

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sistors, des über einen Gleichrichter im Ausgangskreis des Netzteils fließenden Stroms sowie der Spannung an einer den Kollektorstrom des Schalttransistors nachbildenden RC-Kombination.

Gemäß Fig. 1 wird dem erfindungsgemäßen Netzteil an Klemmen 11 und 12 eine gleichgerichtete Netzspannung U_n zugeführt. Das Netzteil enthält einen Transformator 10 mit einer Primärwicklung L und einer Sekundärwicklung L. Im Kreis der Primärwicklung L_ liegt ein s ρ

Schalttransistor T^, dessen Kollektor-Emitterstrecke ein Kondensator C^ parallelgeschaltet ist, sowie ein Ladekondensator C-r. Im Sekundärkreis des Transformators 10 ist an die Sekundärwicklung L über einen Gleichrichter 13 eine schematisch durch einen Widerstand dargestellte Last 15 angeschaltet, welcher ein Kondensator 14 parallel liegt. Der Wicklungssinn von Primärwicklung L_ und Sekundärwicklung L₀ ist durch

P ^s

Punkte an diesen Wicklungen angedeutet.

Zur Nachbildung bzw. Messung des KollektorStroms des . Schalttransistors T^ liegt parallel zu den Klemmen 11 und 12, an denen die speisende Gleichspannung U^ eingespeist wird, ein Integrationsglied in Form eines RC-Gliedes mit einem Widerstand R und einem Kondensator C. An diesem RC-Glied entsteht ein periodisches sägezahnförmiges Signal, das dem Strom im Primärkreis und damit dem Kollektorstrom des Schalttransistors T.. entspricht. Mit diesem periodischen sägezahnförmigen Signal wird eine Regelschaltung angesteuert, welche den Schalttransistor T. triggert. Diese Regelschaltung wird gemäß den Fig. 1 und 2 durch den strichpunktiert eingefaßten Schaltungsteil gebildet. Der Zusammenhang der beiden Schaltungsteile ist durch die Bezugszeichen a und b an der strichpunktierten Einfassung angedeutet.

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Der Schalttransistor T^ wird über einen Koppelkondensator C_k sowie die Parallelschaltung einer Diode 16 und eines Widerstandes 17 von der Regelschaltung angesteuert. Mit einem Widerstand 18 wird eine noch zu erläuternde Stromgegenkopplung durchgeführt.

Die Regelschaltung enthält eine Logik 21, welche einen Operationsverstärker 20 sowie eine Transistorkombination T,, T^ mit einem Emitterwiderstand 19 für den Transistor T, ansteuert. Weiterhin sind Gegenkopplungen für den Operationsverstärker 20 vorgesehen, welche über einen Transistor Tp und den bereits erwähnten Stromgegenkopplungswiderstand 18 auf weitere Eingänge des Operationsverstärkers 20 geführt sind. Die Logik 21 steuert weiterhin einen Transistor T₅ an, welcher mit seinem Emitter an einer Spannung von +2 Volt liegt und dessen Kollektor an den Verbindungspunkt des den Kollektorstrom des Schalttransistors T^ messenden RC-Gliedes angeschaltet ist. Weiterhin ist der Kollektor des Transistors T₁- an einen Eingang eines Operationsverstärkers 22 sowie einen weiteren Eingang des Operationsverstärkers 20 angekoppelt. Der Operationsverstärker 22 erhält über eine Klemme 29 an einem weiteren Eingang ein Triggersignal aus dem Schaltungsteil nach Fig. 2 und steuert mit seinem Ausgang die Logik 21 an. Ein weiterer, die Logik 21 ansteuernder Operationsverstärker 23 wird über eine Rückkopplung mit einer Wicklung 27 des Transformators 10 und einem Widerstand 26 sowie antiparallel geschalteten Schutzdioden 24 und 25 an seinen beiden Eingängen angesteuert. Die Spannungsversorgungen der Regelschaltung sind schematisch gestrichelt von einer mit U_ß bezeichneten Klemme dargestellt.

Der Schaltungsteil der Regelschaltung nach Fig. 2 er-

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zeugt aus einer stabilisierten Spannung U^^ an einer Klemme 28 das Triggersignal an der Klemme 29. In diesem Schaltungsteil wird ein Operationsverstärker 34 über eine Wicklung 37 des Transformators 10, deren Wicklungssinn durch einen Punkt angedeutet ist, und welche mit einem Kondensator 39 und einer Diode 33 beschaltet ist, über einen Spannungsteiler mit Widerständen 32, 33 und einem einstellbaren Widerstand 40 an einem Eingang angesteuert. Ein weiterer Eingang des Operationsverstärkers 34 liegt über einen Spannungsteiler aus Widerständen 30 und 31 an der Klemme 28. Der Operationsverstärker 34 steuert eine Transistorkombination Tg, T„, deren zusammengeschaltete Kollektoren über einen Widerstand 35 an der Klemme 28 liegen. Weiterhin bilden die miteinander verbundenen Kollektoren der Transistoren Tg und Ty die Klemme 29. Ein weiterer Operationsverstärker 36 liegt mit seinem Eingang am Verbindungspunkt der Widerstände 32 und 33 und steuert mit seinem Ausgang den Transistor T^.

Im Diagramm nach Fig. 3 ist der Verlauf der Ausgangsspannung U. über dem Ausgangsstrom I^ dargestellt. Danach fließt bei TOO % der Ausgangsspannung U. der maximale Ausgangsstrom I^_max von 100 % sowie bei einer Ausgangs spannung u\ mit dem Wert Null ein Kurzschlußstrom Itt. Im Diagramm nach Fig. 4 ist im oberen Teil die Kollektorspannung Up des Schalttransistors T^ als Funktion der Zeit dargestellt, wobei aus diesem Diagramm der Spannungsverlauf während der Flußzeiten T™ und der Sperrzeiten T_g ersichtlich ist. In einem darunter befindlichen Diagramm ist der Verlauf des Kollektorstroms I_c als ausgezogene Kurve und der Verlauf eines über den Gleichrichter 13 im Ausgangskreis fließenden Stroms I₁^ durch eine gestrichelte Kurve als Funktion der Zeit dargestellt. Ein weiteres Diagramm

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zeigt den Verlauf des Basisstroms I_ß des Schalttransistors T₁ als Funktion der Zeit. Schließlich zeigt ein weiteres Diagramm den Verlauf der Spannung U_RC an dem den Kollektorstrom des Schalttransistors T₁ nachbildenden RC-Glied.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Netzteils mit selbstschwingendem Sperrwandler entspricht im Prinzip derjenigen des Netzteils nach der oben genannten DE-PS 21 60 659. Im Gegensatz zu diesem bekannten Netzteil sind beim erfindungsgemäßen Netzteil jedoch neue Ansteuerprinzipien realisiert. Für ein einwandfreies Arbeiten sind für die Ansteuerung des Schalttransistors T₁ verschiedene Informationen erforderlich.

Dabei handelt es sich im Einzelnen um folgende Informationen: Erstens darf eine Einschaltfreigabe nur dann erfolgen, wenn die Spannung U_n am Transistor T^ gleich oder kleiner der speisenden Spannung U^ ist. Zweitens darf bei der indirekten Messung des Kollektorstroms des Schalttransistors T₁ durch das RC-Glied nur eingeschaltet werden, wenn der über den Gleichrichter 13 fließende Strom I^ , gleich Null ist. Die Restenergie in der Primärwicklung L kann mit dem RC-Glied nicht erkannt werden, woraus eine besondere Gefahr bei Kurzschluß am Ausgang repräsentiert durch den Widerstand entsteht.

Die beiden vorgenannten Bedingungen werden durch das Rückkoppelnetzwerk mit dem Widerstand 26, der Wicklung 27, den Dioden 24 und 25 sowie dem Operationsverstärker 23 erreicht. Die von der Wicklung 27 gelieferte Rückkoppelspannung wird vom Operationsverstärker 23 verstärkt und steht an dessen Ausgang als Rechteckspannung zur Verfügung. Die Dioden 24 und 25 bilden Schutzdioden für den Operationsverstärker 23 ο Es müssen Wechsel-

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spannungen von ca. 0,7 Volt (ein Diodenschwellwert) an der Sekundärwicklung L_ am Ausgang des Operationsverstärkers 23 noch als Rechteckspannung erkannt werden.

Als Abschaltbedingung gilt, daß auf alle Fälle bei Erreichen des maximal zulässigen Kollektorstroms.Ip des Schalttransistors T.. abgeschaltet werden muß. Ein vorzeitiges Abschalten wird notwendig, wenn die durch den Widerstand 15 gegebene Ausgangslast abnimmt oder die gleichgerichtete Netzspannung ILr steigt. Das bedeutet, daß die Ausgangsspannung U. am Kondensator 14 konstant gehalten werden muß. Am Kondensator 39 tritt eine zu dieser Spannung proportionale Spannung auf, welche am Eingang des Operationsverstärkers 34 mit der stabilisierten Spannung U + , an der Klemme 29 verglichen wird, so daß über den Transistor Tg und den Widerstand 35 das Triggersignal an der Klemme 29 entsteht. Der maximale Triggerpegel beträgt U . . . Dieser Pegel ist über den Transistor T₇ reduzierbar. Dieser Transistor Ty wird über den Operationsverstärker 36 angesteuert, welcher eine Information der Spannung am Kondensator über seinen Eingang erhält.

Bei Nennspannung am Kondensator 14 bzw. am Kondensator 39 ist der Transistor T₇ gesperrt, so daß der maximale Triggerpegel +U -. ·. auftreten kann. Ist die Spannung am Kondensator 39 kleiner, so wird auch der maximale Triggerpegel entsprechend reduziert. Damit ist eine rückläufige Uberlastcharakteristik nach Fig. 3 erreichbar, d. h., der Kurzschlußstrom I, ist kleiner als

Amax*

Der Abschaltzeitpunkt wird durch Vergleichen des Triggersignals am Punkt 29 und der Sägezahnspannung am Eingang des Operationsverstärkers 22 bestimmt. Diese

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Information wird der Logik 21 zugeführt. Die Spannung U_RC entspricht in ihrem zeitlichen Verlauf dem Kollektorstrom durch den Schalttransistor T₁. Während der Sperrzeit T„ (Fig. 4) wird die Spannung U_RT durch den Transistor Tr auf +2 Volt geklemmt. Der Transistor T,-wird während der Flußzeit T„ gesperrt, so daß die Spannung U„_c sägezahnförmig ansteigen kann.

Weiterhin wird die Spannung U™ zur positiven Basisstromformung benutzt. Dies erfolgt über den Operationsverstärker 20 und den Transistor Tp, wobei mit dem Widerstand 18 eine Stromgegenkopplung durchgeführt wird. Der Wert des Widerstandes 18 beeinflußt das Verhältnis des Basisstroms und des Kollektorstroms, wobei der Basisstrom Ig dem Produkt aus R₁₈ und I_c proportional ist. Somit ist der Augenblickswert des Basisstroms während der Flußzeit T„ proportional zum Augenblickswert des Kollektorstroms, woraus sich eine optimale Ansteuerung ergibt. Während der Sperrzeit Tg werden der Operationsverstärker 20 und der Transistor Tp von der Logik 21 gesperrt, während die Transistoren T^ und T-, eingeschaltet werden, um den Schalttransistor T₁ abzuschalten, wobei Strom aus der Basis des Transistors T₁ über den Koppelkondensator C^- und den Transistor T-, nach Masse fließt. Weiterhin fließt über die Diode 16, den Koppelkondensator C_K und den Transistor T^ die restliche Ausgleichsladung.

4 Figuren

5 Patentansprüche

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Claims

- 1 - VPA ^2 ρ j 2 Q 5 BRD

Patentansnruche

( 1.)Netzteil mit einem selbstschwingenden Sperrwandler, aer mit Hilfe eines Schalttransistors und eines Transformators aus einer ihn speisenden Gleichspannung eine vom Transformator über eine Gleichrichteranordnung abnehmbare Gleichspannung erzeugt, und mit einer Regelschaltung im Steuerkreis des Schalttransistors, welche den Schalttransistor als Funktion einer aus dem Primärkreis des Transformators entnommenen Vergleichsspannung steuert, gekennzeichnet durch ein parallel zur speisenden Gleichspannung (U*t) liegendes Integrationsglied (RC) das ein periodisches, sägezahnförmiges, den Strom im Primärkreis (L_O> T-i) entsprechendes Signal erzeugt, mit dem die Regelschaltung zur Triggerung des Schalttransistors (T^) angesteuert ist.
2. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Integrationsglied (R, C) ein RC-Glied ist, das über einen synchron mit dem Schalttransistor (T-.) geschalteten Schalter (T-) entladen wird.
3· Netzteil nach Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch einen das periodische sägezahnförmige Signal in einen proportionalen Strom überführenden Verstärker (20, T₂, 18), dessen Ausgangsstrom den Schalttransistor (T₁) während seiner Flußzeit steuert.
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4. Netzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den Schalttransistor (T.) während seiner Flußzeit ansteuernde Verstärker (20, T₂, 1S) über einen Koppelkondensator (C_x,) an den Schalttransistor (T.) ange-

IV I

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koppelt ist, und daß der Koppelkondensator (C_£) in einem während der Sperrphase des Schalttransistors (T..) eingeschalteten Entladekreis (T,, Cg-, 16) liegt, über den die mittlere Gleichspannung am Koppelkondensator (C_K) konstant gehalten wird.
5. Netzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Rückkopplungswicklung (57) auf dem Transformator (10) zur Erzeugung eines dem Signal in der Primärwicklung (L ) proportionalen Rückkopplungssignal und durch einen durch das Rückkopplungssignal angesteuerten Begrenzerverstärker (23, 24, 25, 26) zur Erzeugung eines Signals mit zwei vorgegebenen Pegeln, die jeweils den ins positive bzw. ins negative gehenden Null-Durchgängen des Rückkopplungssignals entsprechen.

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