DE3110934C2 - Schaltnetzteil für elektronische Geräte - Google Patents

Abstract

Schaltnetzteil für elektronische Geräte, bestehend aus einem ersten geregelten Schaltnetzteil in Form eines parallelen Spannungswandlers mit einer Induktivität und einem gesteuerten Schalter, sowie einem zweiten geregelten Schaltnetzteil mit einem gesteuerten Schalter in Reihe zu einer Induktivität und einer Primärwicklung eines Stromtransformators, dessen Sekundärwicklung den Basisstrom für den gesteuerten Schalter liefert, die von einem gesteuerten Thyristor überbrückt ist, der von einer Steuerschaltung ein- und ausschaltbar ist. Die Erfindung besteht darin, daß diese beiden Schaltnetzteile über einen Transformator miteinander verkoppelt sind, wodurch das dadurch gebildete geregelte Gesamt-Schaltnetzteil in der Lage ist, trotz großen Netzspannungsbereiches im Standby-Betrieb auch sehr geringe Leistungen mit gutem Wirkungsgrad abzugeben, auch wenn das Netzteil für hohe Leistungen ausgelegt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteii nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Schaltnetzteil ist in der EP-A 1 43 761 (ältere Anmeldung mit französischer Priorität Nr. 80 14 912 vom 7.4.1980) beschrieben.

Derartige Schaltnetzteile bestehen aus einem an eine Gleichspannung angeschlossenen Schaltkreis in Form einer Induktivität und einem mit dieser in Serie geschalteten steuerbaren Schalter in Verbindung mit einem Stromtransformator, dessen Primärwicklung im Stromkreis des steuerbaren Schalters liegt und dessen Sekundärwicklung den Steuerstrom für den steuerbaren Schalter liefert, wo-vei ein Meßwiderstand vorgesehen ist, durch den der Steuerstrom fließt. Der Meßwiderstand ist zwischen die Katode eines Thyristors und einem Bezugspotential geschaltet. Der Thyristor ist parallel zur Sekundärwicklung des Stromtransformators geschaltet und schaltet den steuerbaren Schalter bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes des Steuerstroms ab (s. a. US-PS 39 25 717 und FR-PS 24 31 807).

Es handelt sich bei diesen Netzteilen um solche, die eine ungeregelte Ausgangsspannung abgeben.

Es sind auch Schaltnetzteile bekannt in Form von parallelen Spannungswandlern (DE-AS 23 36 110) mit einem gesteuerten Schalter in Reib«; zu einer Induktivitat, in welcher magnetische Energie gespeichert wird, weiche im geöffneten Zustand des gesteuerten Schalters an eine Gleichrichterschaltung zur Erzeugung von Betriebsspannungen abgegeben wird.
Werden derartig aufgebaute Schaltnetzteile für größere Leistungen ausgelegt, dann ist es sehr schwierig, sehr kleine Leerlaufleistungen zu erzielen, oder es sind die bekannten Spannungswandler nicht dazu geeignet, sehr geringe Leistungen, wie sie für den Standby-Betrieb eines elektronischen Gerätes z. B. notwendig sind,

;o abzugeben. Die bekannten Schaltungen arbeiten deshalb nicht funktionssicher, weil bei den geringen Leistungsaufnahmen des elektronischen Geräts die Zeit der Durchschaltung des Schalttransistors nicht unter den Wert von einigen Mikrosekunden sinken darf, da dann das Schaltnetzteil nicht mehr anläuft. In diesem Fall muß dann die Frequenz des Schaltnetzteils sehr stark verringert werden. Dies bringt aber den Nachteil von hörbaren Geräuschen, die durch die mechanischen Schwingungen erzeugt werden, durch das magnetische Feld der Transformatorwicklungen oder auch durch Magnetostriktion der Elektrolyt-Kondensatoren hervorgerufen werden.

Durch die verkürzte Leitzeit des Transistors wird außerdem der Wirkungsgrad der Schaltung wesentlich vermindert. Für eine bestimmte Nenn-Leistung von z. B. 180 W ergibt sich eine Leistung für den Standby-Betrieb von 15 bis 25 Watt. Dies hängt ab von den Schaltungsmaßnahmen zur Begrenzung der zeitlichen Spannungs-

änderungen (Spannungsanstieg) am Leistungstransistor, den Maßnahmen zur Begrenzung der Spitzenspannung sowie vom Wirkungsgrad des Leistungstransformators für sehr kurze Steuerspannungsimpulse.

Es ist auch die Anordnung eines Schaltreglers bekannt (DE-AS 20 35 177), der zur Erzeugung mehrerer geregelter Spannungen dient. Dieser besitzt jedoch den Nachteil, daß mit ihm kein großer Eingangsspannungsbereich bei beliebiger Ausgangsspannung verarbeitet werden kann. Auch ist ein Standby-Betrieb wegen der zu geringen abgegebenen Leistung nicht möglich.

Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil dahingehend zu verbessern, daß ein Standby-Betrieb bei sehr geringer Leerlauf-Leistung möglich ist bei gleichzeitigem hohem Eingangsspannungsbereich von z. B. 90 bis 270 V, wobei das Schaltnetzteil in de\- Lage ist, eine hohe Nennleistung abzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch gekennzeichne ^le Erfindung gelöst. Es handelt sich bei der Lösung der gestellten Aufgabe um die Kombination von zwei einzeln bekannten Schaltnetzteilen, die durch den angemeldeten Zusammenbau in Verbindung mit den SteuerschalWngen ein geregeltes neuartiges Scbaltnetzteil mit geforderten Eigenschaften bildet

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung soll nachstehend mit Hilfe der Zeichnung erläutert werden.

F i g. 1 zeigt ein Schaltbild des Netzteils;

F i g. 2 zeigt verschiedene Strom- und Spannungskurven an den in F i g. 1 gekennzeichneten Schaltungspunkten.

Ein erstes Schaltnetzteil 1 liegt an der Wechselspannung Vn, die mit Hilfe eines Gleichrichters 6 gleichgerichtet wird, so daß an einem Siebkondensator 7 die Gleichspannung V_A steht Die Gleichspannung liegt an einer Induktivität 5 in Serie zu einem gesteuerten Schalter 8, der diese an das Bezugspotential schaltet. Der Schalter 8 wirkt strommäßig in beiden Richtungen durch die Parallelschaltung eines Transistors 9 mit einer Diode 10 und spannungsmäßig in einer Richtung. Die Schaltung wird durch die Spannung V_A gespeist und arbeitet in bekannter Weise als Rücklaufgenerator. Hierbei unterscheidet man zwischen einer Hinlaufphase während einer Zeitdauer ta und einer Rücklaufphase während einer Zeitdauer tr.

Wie bei der Beschreibung von Ablenkschaltungen allgemein üblich, beginnt diese zum Zeitpunkt des Beginns der zweiten Hinlaufphase. Während der zweiten Hälfte der Hinlaufphase ta ist der Schalter 8 geschlossen, es fließt ein sägezahnförmig ansteigender Strom durch die Induktivität 5. Am Ende des Hinlaufs wird der Schalter 8 geöffnet, indem der Transistor 9 durch eine Steuerschaltung mit Hilfe eines Thyristors 11 gesperrt wird. Die in der Induktivität 5 gespeicherte Energie

£, - 1/2 · L · I_n? I_n, = 1/2 · V_A ■ IaZL₅

wird in der anschließenden Rücklaufphase tr in den Kondensator 12 übertragen, an welchem ein sinusförmiger Spannungsverlauf entsteht. Daraufhin wird diese Energie mit einem entgegengesetzten Strom in die Induktivität 5 zurückgegeben. Wenn die Spannung am Kondensator 12 auf den Wert Null abgesunken ist, öffnet die Diode 10 den Schalter 8 am Ende des Rücklaufintervalls, von welchem Zeitpunkt ab ein neuer Hinlauf beginnt Ein geringer Teil der Energie E₅ geht verloren, so daß sich eine Leerlaufleistung Po=k ■ E₅ · /ergib*, wobei /die Frequenz und k ein Faktor zwischen 02 und 0,5 je nach Qualität der Schaltung ist

Aus Vorstehendem ergibt sich folgendes:
Die Spannung an der Induktivität 5 ist während des Hinlaufs gleich der Spannung K*. Die Rücklaufspannung ist sinusförmig und so groß, daß der Mittelwert

ίο über eine Periode T= ta+tr Null ist Der Spitzenwert dieser Rücklaufspannung richtet sich jedoch nach der Spannung V_A und nach dem Verhältnis von tr/T. Bei Parallelschalten eines Schaltkreises zur Induktivität 5 entzieht dieser während des Rücklaufs eine beträchtliehe Energiemenge. Die restliche Energie in der Induktivität 5 kann dann zu schwach werden, um den Schalter 8 mit der Diode 10 in den leitenden Zustand zu bringen, so daß die Schaltung nicht mehr arbeiten kann. Jede Belastung der Schaltung während der Rücklaufphase beeinflußt die RGcklaufzeit fr ebenso wie die Kurvenform der Spannung, so daß eine Änderung de·. Frequenz und des Tastverhäitnisses rr/Tdie Foige ist. Aus dem Ausdruck für die Leerlaufleistung Po geht hervor, daß E_s so klein wie möglich gehalten werden muß. Dies wird durch die Zuschaltung eines zweiten Netzteils 2 erreicht, das über eine magnetische Kopplung mit Hilfe eines Transformators 3 an das erste Netzteil 1 angekoppelt wird, wobei das Übersetzungsverhältnis der Trafo-Wicklungen so dimensioniert ist, daß die Spannungen und Ströme im zweiten Netzteil optimiert sind. Das Übersetzungsverhältnis ist dabei so zu wählen, daß es ungefähr dem Verhältnis der gewünschten maximalen Ausgangsspannung Vb zur mittleren Eingangsgleichspannung V_A entspricht. Bei z.B. Vs=IOOV und einer mittleren Spannung V_A von 235 V bei einem angenommenen Gleichspannungsbereich von 120 V bis 350V, d.h. wenn die Wechselspannung Vs von 90 bis 270 V schwanken kann, ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis

ü = W4/W5 = 100/235 «1:2.

De. Schalter 8 im ersten Netzteil 1 ist über einen Stromiransformator 13 mit einer Steuerschaltung 14 verkoppelt, indem eine im Kollektorkreis des Tranjistors 9 Hegende Wicklung 15 den Basisstrom über die Wicklung 16 liefert. Bei Überschreiten des Kollektorstroms über einen bestimmten Grenzwert fließt ein entsprechender Strom über den Meßwiderstand 17, der einen Thyristor 11 einschaltet, wodurch der Transistor 9 gesperrt wird.

so Dadurch schaltet auch der Thyristor 18 im zweiten Netzteil 2 vor Beenden einer Periode ab.

Das zweite Netzteil 2 besitzt, über die Wicklung 4 an das erste Netzteil 1 angekoppelt, einen Thyristor 18, der in bekannter Weise mit den Speicherspulen 19 und den Kondensatoren 20 über die Gleichrichter 21 einen parallelen Spannungswandler bildet. Sowoii! das erste Netzteil 1 als auch das zweite Netzteil 2 können je nach Erfordernis über Steuerschaltungen 22,23 derart beeinflußt werden, daß verschiedene Betriebsbedingungen erzwungen werden können. So kann z. B. durch das über eine Hilfswicklung 27 getriggerte Steuerteil 23 den Spitze-Spitzewert der Spannung am Transistor 9 l'onstant halten, indem durch die Steuerschaltung das Verhältnis tr/T geändert wird. Wenn sich die Spannung V,\ ändert, kann auch mit Hilfe der Steuerschaltung 23 die Fläche der Spannungskurve konstant gehalten werden, d. h. für einen großen Gleichspannungsbereich V_A wird T und damit ta derart geändert, daß das Produkt V,₍ · tu kon-

stant bleibt. Es wird somit die Schaltfrequenz des ersten Netzteils 1 entsprechend gesteuert.

Es kann mit dem beschriebenen Schaltnetzteil auch der Fall gesteuert werden, in welchem die abgegebene Leistung unabhängig von der Eingangsspannung V.\ -, konstant gehalten werden soll. Dies kann durch die Steuerschaltung 23 derart geschehen, daß das Verhältnis /r/Tentsprechend geändert wird.

Umgekehrt kann auch die Frequenz und damit das Verhältnis tr/T konstant gehalten werden, wobei mit Hilfe der sekundären Steuerschaltung 22 der Thyristor 18 derart geschaltet wird, daß die Ausgangsleistung begrenzt wird. In diesem Fall ist dann die Spitzenspannung während des Rücklaufs eine Funktion der Eingangsspannung V.\.

Für den Fall, daß es notwendig ist, in Abhängigkeit von der Belastung das Tastverhältnis la/T zu ändern, erscheint die Information des sekundären Spitzenstroms auf die Primärseite übersetzt, indem der Basisstrom des Transistors 9 als Abbild seines Kollektor-Stroms am Widerstand 17 eine entsprechende Steuerspannung für die Steuerschaltung 23 liefert.

Für die Entnahme geringerer Leistung, z. B. zur Bereitstellung der Standby-Leistung für ein elektronisches Gerät kann über die Steuerschaltung 22 der Thyristor 18 abgeschaltet werden, so daß nur eine geringe Leistung an der Hilfswicklung 25 abgenommen werden kann.

Die angemeldete Anordnung erlaubt einen vom Netz getrennten Standby-Betrieb des elektronischen Gerates. Ist für diesen Betrieb eine von der Eingangsspannung V_A unabhängige Spannung erforderlich, so kann mit Hilfe der Steuerschaltung 23 die Fläche V_A ■ ta konstant gehalten werden, und die Spannung durch Rücklaufgleichrichtung gewonnen werden, weil dann die Spitzenspannung konstant bleibt. Die Leistung, die im System schwingt, ergibt sich zu E/T. Die Leerlaufleistung ist ein Weri, der zwischen 20% bis 50% dieser Leistung liegen kann. Wenn nun die Standby-Leistung derart klein ist, daß die Summe aus dieser und der Leerlaufleistung Pq kleiner ist als Ei/T, kann die Schaltung mit Rücklaufgleichrichtung stabil arbeiten. Dadurch ergibt sich ein sehr guter und mit den bisher bekannten Schaltnetzteilen nicht erreichbarer Wirkungsgrad im Standby-Betrieb.

In Fig. 2 sind die Spannungs- und Stromdiagramme aufgezeichnet, wie sie an den gekennzeichneten Schaltungspunkten a—e auftreten.

F i g. 2a zeigt den Spannungsverlauf, wie er als u_c an der Wicklung 4 auftritL Mit einem Spitze-Spitzenwert Uns und einem maximalen Wert U₂ während der Zeit ta. Es ergibt sich ein Lade- bzw. Entladestrom durch die Wicklung 19 nach F i g. 2b durch das Zünden des Thyristors 18 in der zweiten Hinlaufhälfte, der während des Rücklaufs wieder geöffnet wird. Am Thyristor 18 ergibt sich ein Spannungsverlauf nach F i g. 2a Die Spannungen an der Spule 19 und an der Diode 21 sind in den F i g. 2d und 2e dargestellt F i g. 2 gilt für den Fall, daß die Entladezeit länger als die Rücklaufzeit fr ist

60

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schaltnetzteii für elektronische Geräte, bestehend aus einem ersten geregelten Schaltnetzteil in Form eines Rücklaufgenerators mit einer zwischen einer Gleichspannungsquelle liegenden Induktivität und einem in Serie mit dieser geschalteten aus einem Transistor mit antiparallelgeschalteter Diode gebildeten Unterbrecher sowie mit einem Stromtransformator, dessen Primärwicklung zwischen die Induktivität und den Kollektoranschluß des Transistors geschaltet ist und dessen Sekundärwicklung einerseits mit der Basis des Transistors und andererseits mit einem Meßwiderstand verbunden ist, wobei diese Sekundärwicklung einen dem Kollektorstrom des Transistors proportionalen Basisstrom liefert, welcher an dem mit der Katode eines Thyristors verbundenen Meßwiderstand einen Spannungsabfall erzeugt, de; bei Überschreiten eines vorbestimmten Wertes des Stromes den Thyristor zündet, welcher der Sekundärwicklung des Stromtransformators parallelgeschaltet ist, sowie bestehend aus einem zweiten geregelten Schaltnetzteii in Form eines parallelen Spannungswandlers mit einem gesteuerten Schalter in Serie zu einer Induktivität, in welcher im durchgeschalteten Zustand des gesteuerten Schalters magnetische Energie gespeichert wird, welche im geöffneten Zustand des gesteuerten Schalters an eine Gleichrichterschaltung zur Erzeugung von Betriebsspannungen für das elektronische Gerät abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schaitnetzieile (1 und 2) über einen magnetischen Kreis derart miteinander verkoppelt sind, daß die Wicklung der Induktivität (5) des ersten Schaltnetzteils (1) und die Wicklung der Induktivität (4) des zweiten Schaltnetzteils (2) einen Transformator (3) bilden, wobei das Übersetzungsverhältnis der Wicklungen derart gewählt ist, daß das Schaltnetzteii auch bei Entnahme sowohl großer als auch kleiner Leistungen aus dem zweiten Schaltnetzteil (2) und bei großem Eingangsspannungsbereich des ersten Schaltnetzteils (1) arbeitet.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung (22) für den gesteuerten Schalter (18) im zweiten Schaltnetzteil (2) vorgesehen ist, der diesen bei Entnahme kleinerer Leistung des elektronischen Gerätes geöffnet hält, und daß auf dem Transformatorkern des Transformators (3) eine Hilfswicklung (25) angebracht ist, die in Verbindung mit einer Gleichrichterschaltung (26) eine sehr geringe Leistung aus dem ersten Schaltnetzteii (1) überträgt.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (22) des zweiten Schaltnetzteils (2) von einer Wicklung (24) des Transformators (3) getaktet in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (Uo)diese konstant hält.

4. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Konstanthaltung der gleichgerichteten Spitzenspannung während des Rücklaufs des ersten Schaltnetzteils (1) die Steuerschaltung (23) das Verhältnis von Rücklaufzeit zu Periodenzeit (tr/T) entsprechend verschiebt, so daß eine konstante Fläche (V_A ■ ta) für den gesamten Spannungsbereich der Eingangsspannung (Vn) konstant bleibt.

5. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch ge-

kennzeichnet, daß zur Konstanthaltung der Spitzen-Spitzenspannung (Uss) am Transistor (9) die Steuerschaltung (23) das Verhältnis von Rücklaufzeit zu Periodenzeit (tr/T) entsprechend einstellt.

6. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (23) des ersten Schaltnetzteils (1) den Einschaltpunkt des Schalttransistors (9) derart verschiebt, daß die Ausgangsleistung konstant unabhängig von ,3er Eingangsspannung (V_A) gehalten wird