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Schaltungsanordnung zur Impulsbreitensteuerung einer
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getakteten Stromversorgungseinheit Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Impulebreitensteuerung einer getakteten Stromversorgungseinheit, insbesondere
zur Stromversorgung einer Hochfrequenz Endstufe eines Hochfrequenzchirurgiegerätes,
mit einem Steuer- und Regelschaltkreis, an dessen Modulationseingang zur Taktverhältnisbegrenzung
eine am Abgriff eines aus Teilerwiderständen bestehenden, von einer stabilisierten
Gleichspannungsquelle gespeisten Spannungsteilers entnommene Gleichspannung geführt
ist, Es sind Schaltungsanordnungen zur Impulsbreitensteuerung getakteter Stromversorgungseinheiten
in Verbindung mit einem Steuer- und Regelschaltkreis bekannt, bei denen das Tastverhältnis
auf einen gewünschten maximalen Wert begrenzt wird, wobei eine Bezugsgleichspannung
am Schaltkreis angelegt werden muß (H,M Krüger, Integrierte Schaltnetzteilansteuerschaltung
B 260 D und ihre Einsetzmöglichkeiten, radio fernsehen elektronik 31, 1982, H. 2,
S. 71 ff). Diese Spannung wird in der Regel aus einer zur Verfügung stehenden stabilisierten
Spannungsquelle im Schaltkreis entnommen und über einen Spannungsteiler auf ein
Bezugspotential begrenzt.
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Dieses Potential wird im Schaltkreis mit einer Sägezahnspannung verglichen
und bei Obereinstimmung beider tritt eine Begrenzung der Impulsbreite des Ausgangssignals
ein, wo durch ein maximal mögliches Tastverhältnis festgeschrieben wird. Dieser
Schaltkreis weist fernerhin noch einen Modulationseingang auf, der gleichfalls nach
dem Prinzip des Potentialvergleichs arbeitet und über den sich das Tastverhältnis
in linearer Abhängigkeit innerhalb eines Spannungsbereiches verändern läßt, wobei
das vorher eingestellte maximale Tastverhältnis nicht überschritten werden kann.
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Dieser Eingang ist jedoch in der Regel zur Ausgangsspannungstabilisierung
der
getakteten Strolnversorgungseinheit belegt, indem eine Regelgröße, die proportional
der Ausgangsspannung ist auf diesen Eingang zurückgeführt wird und dadurch eine
Impulsbreitenmodulation in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung erreicht wird.
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Somit ist es Zweck der Erfindung, die Anwendungsmöglichkeiten getakteter
Stroaversorgungseinheiten der eingangs genannten Art, das heißt, von getakteten
Stromversorgungseinheiten, die einen Steuer- und Regelschaltkreis zur Erzeugung
einer oder mehrerer konstanter Ausgangsspannungen besitzen, auf wirtschaftliche
Art und weise zu erweitern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine kontinuierliche Einstellbarkeit
der Impulsbreite im Sinne einer Steuerung zwischen einer gleichfalls einstellbaren
unteren und einer einstellbaren oberen Grenze zuläßt, wobei auch in einfacher Weise
eine Dehnung des unteren Stellbereiches im Sinne einer Feineinstellmöglichkeit gegeben
sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen die
Gleichspannungsquelle und den Spannungsteiler eine Reihenschaltung bestehend aus
einem ersten einstellbaren Widerstand und einer Paralleischaltung eines zweiten
einstellbaren Widerstandes mit einem Regelwiderstand geschaltet ist, wobei der Verbindungspunkt
zwischen erstem und zweitem einstellbaren Widerstand über einen Widerstand gegen
Masse geführt ist.
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Eine vorteilhafte Ausbildungsform der Erfindung sieht vor, daß der
Regelwiderstand eine nichtlineare Kennlinie aufweist.
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In einer weiteren günstigen, weil die Leerlaufverluste herabsetzenden
Ausbildungsform ist vorgesehen, zwischen Gleichspannungsquelle und erstem einstellbaren
Widerstand
einen ersten Kontakt und zwischen zweiten einstellbaren
Widerstand und Spannung steiler einen zweiten Kontakt anzuordnen sowie den gegen
Masse geschalteten Teilerwiderstand einen Kondensator parallelzuschalten.
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Es ist fernerhin vorteilhaft, daß mehrere Reihenschaltungen vorgesehen
sind und über entsprechende Kontakte wahlweise Jeweils eine der Reihenschaltungen
anschaltbar ist. Dadurch wird erreicht, daß mit mehreren, jeweils unabhängig voneinander
einstellbaren Steuerbereichen für die Impulsbreite gearbeitet werden kann.
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Schließlich ist es günstig, wenn die Kontakte jeweils Arbeitskontakte
von Relais sind und die Relais von einer Auswahleinrichtung unter Zwischenschaltung
von Optokopplern ansteuerbar sind. Hierdurch wird eine Potentialtrennung und eine
ausreichende Spannungsfestigkeit, insbesondere im medizinischen Anwendungsfall erreicht.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Beispieles und einer zugehörigen
Zeichnung näher erläutert werden.
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Die Zeichnung zeigt im Schema eine erfindungsgemäße Schal -tungsanordnung
zur Impulebreitensteuerung einer getakteten Stromversorgungseinheit, die zur Stromversorgung
einer Hochfrequenz-Endstufe eines Hochfrequenzchirurgiegerätes dient.
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Die getaktete Stromversorgungseinheit, auch als Schaltnetzteil bezeichnet,
setzt sich aus folgenden Baugruppen zusammen: einem Netzgleichrichter 1 mit Siebglied
2, einem aus einem 20-kHz-Schalter 3, einem Transformator 4 und einem Niderspannungsgleichrichter
5 mit Siebglied 6 bestehenden Gleichepannungswandler 7, einem Steuer- und Regelechaltkreis
8, einer Treiberstufe 9 sowie einer Hilfsspannungsversorgung 10.
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Die Arbeitsweise einer solchen bekannten Stromversorgungseinheit,
die sich gegenüber herkommlichen mit einem 50-Hz-Transformator ausgexsteten Netzgeräten
durch ein günstigeres
Volumen- und ein günstigeres Masse-Leistungsverhält
nis auszeichnet, ist folgende: Zunächst sorgt der Netzgleichrichter 1 und das Siebglied
2 für eine Gleichrichtung und Siebung der Netzspannung U ~ , .
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Die erhaltene Gleichspannung wird nachfolgend dem Gleichspannungswandler
7 zugeführt, wo sie mit Hilfe des 20-kHz-Schalters 3, der beispielsweise ein schnellschaltender
Transistor sein kann, zerhackt wird. Die durch Zerhacken gewonnene Rechteckspannung
wird nun mittels Transformators 4, der gleichzeitig für eine galvanische Netztrennung
sorgt, übersetzt und anschließend mit Hilfe des Niederspannungsgleichrichters 5
und des Siebgliedes 6 gleichgerichtet und gesiebt. Die Ausgangsspannung UO wird
dabei vom Tastverhältnis VT beeinflußt, indem der Steuer- und Regelschaltkreis 8
über die Treiberstufe 9 auf den 20-kHz-Schalter 3 arbeitet.
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Da die bei einer vorausgesetzt konstanten Frequenz allein das Tastverhältnis
VT bestimmende Impulsbreite linear abhängig von einer am Modulationseingang des
Steuer- und Regelschaltkreises 8 angelegten Gleichspannung ist, wird dieser Schaltkreis
8 zu diesem Zweck mit einer stabilisierten Gleichspannung versorgt, die in diesem
Fall aus einer unmittelbar im Schaltkreis 8 zur Verfügung stehenden Spannungsquelle
entnommen wird, Zur Begrenzung des Tastverhältnisses W auf einen maximalen Wert
VTmax ist der Steuer- und Regelschaltkreis 8 mit einem Spannungsteiler 11; 12 beschaltet,
der von dieser stabilisierten Gleichspannungsquelle gespeist wird.
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Indem nun erfindungsgemäß zwischen die stabilisierte Gleichspannungsquelle
und den Teilerwiderstand 11 eine Reihenschaltung 18 bestehend aus einem ersten einstellbaren
tWiderstand 13 und einer Parallelschaltung eines zweiten einstellbaren IWiderstandes
14 mit einem Regelwiderstand 15 geschaltet ist, wobei der Verbindungspunkt zwischen
erstem und zweitem einstellbaren Widerstand 13 bzww 14 über einen Widerstand 16
gegen Masse geführt ist, wird eine externe kontinuierliche
Einstellbarkeit
des Tastverhältnisses VT zwischen einem gleichfalls extern, also ohne unmittelbaren
Eingriff in den Steuer- und Regelschaltkreis 8, frei einstellbaren unteren und einem
oberen Grenzwert bzw. VT(grenr/o) erreicht. Dabei kann das maximale Tastverhältnis
VTmax nicht überschritten werden, weil im Extremfall, des heißt, wenn sowohl der
einstellbare Widerstand 13 als auch der einstellbare Widerstand 14 und/oder der
Regelwiderstand 15 auf den Widerstandswert von 0 Ohm gestellt sind, die Gleichspannung
am Modulationseingang durch das Verhältnis der entsprechend dimensionierten Teilerwiderstände
11; 16 bestimmt und damit das maximale Tastverhältnis VTmax festgelegt ist. Die
Einstellung eines oberen Grenzwertes VT(grenz/o) unterhalb des maximalen Tastverhältnissee
VTmax erfolgt mit Hilfe des einstellbaren Widerstandes 13. Der maximal erreichbare
Widerstandswert und damit der untere Grenzwert VTgrenz/u) des Tastverhältnisses
VT kann am einstellbaren Widerstand 14 eingestellt werden. Indem zwischen der Gleichspannungsquelle
und dem ersten einstellbaren Widerstand 13 ein erster von einem Relais 17 betätigbarer
Arbeitskontakt 17/1 sowie zwischen dem zweiten einstellbaren Widerstand 14 und dem
Teilerwiderstand 11 ein zweiter Arbeitskontakt 17/2 des Relais 17 angeordnet ist
und indem weitere analog zu der Reihenschaltung 18 aufgebaute Reihenschaltungen
vorgesehen sind, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Zeichnung nur
eine weitere Reihenschaltung 19 mit einstellbaren Widerständen 20;21, einem Regelwiderstand
22 und einem Widerstand 23 dargestellt ist und diese Reihenschaltungen 18; 19 über
entsprechend angeordnete von Relais betätigbare Arbeitskontakte - für die Reihenschaltung
19 sind es die Arbeitskontakte 24/1 und 24/2 eines Reilais 24 - wahlweise zwischen
die Gleichspannungsquelle und den Spannungsteiler 11;12 einschaltbar sind, wird
schließlich erreicht. daß die Impulsbreite und damit das Tastverhältnis VT in mehreren
Berei
chen unabhängig voneinander steuerbar ist und zwar jeweils
kontinuierlich zwischen einem unteren und einem oberen Grenzwert VT(grenz/u) bzw.
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Für die gemäß Ausführungsbeispiel speziell gewählte Stromversorgung
der HF-Endstufe eines Hochfrequenzchirurgiege rätes, das in 3 Leistungebereichen
entsprechend der gewünschten Betriebsweise für 'Koagulation","SchneidenY oder "bipolar"
arbeitet. werden zugehörig 3 einstellbare unterschiedliche Spannungebereiche benötigt.
die jeweils eine untere und obere Begrenzung besitzen müssen und wahlweise, einzeln
unter Potentialtrennung zugeschaltet werden. Die Einschaltung des jeweils gewünschten
Spannungs-Bereiches geschieht über eine Auswahleinrichtung 25. von der aus die Relais
17; 24 jeweils unter Zwischenschaltung eines Optokopplers 26 bzw. 27 durch ein Startsignal,
beispielsweise ein TTL-Signal, ansteuerbar sind Dabei werden die Relaisstromkreise
ebenso wie die Treiberstufe 9 von der Hilfsspennungsversorgung 10 gespeist.
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Die Potentialtrennung wird durch die Relais 17; 24 und die Optokoppler
26; 27 erzielt, wobei letztere die Aufgabe der Erhöhung der Spannungsfestigkeit
übernehmen Selbstverständlich ist es auch denkbar. anstelle der von Relais betätigt
baren Arbeitskontakte steuerbare Halbleiter-Schaltelelente einzusetzen.
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Um eine möglichst groBe medizinische Anwendungebreite des Hochfrequenzchirurgiegerätes
zu gewährleisten. ist es wünschenswert. die Möglichkeit einer Feineinstellung kleiner
Ausgangsleistungen vorzusehen und zwer dehingehend, daß innerhalb des ersten Drittels
des Stellweges am entsprechenden Einstellorgan nur ein Sechstel der Ausgangsleistung
des Hochfrsquenzchirurgiegerätes realisiert wird. hingegen in den weiteren zwei
Dritteln des Stellweges fünf Sechstel der Ausgangsleistung. Dieser Forderung kann
in einfacher Weise nachgekommen werden, wenn der die Ausgengsleistung beeinflussende
Regelwiderstand für den unteren Leistungsbereich,
beispielsweise
der Regelwiderstand 15 eine entsprechend exponentiell abfallende Regelcharakterietik
aufweist.
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Der gegen Masse geschaltete Teilerwiderstand 12 dient neben seiner
Funktion als Teil eines Spannungsteilers darüber hinaus zur Entladung eines ihm
parallel geschalteten Kondensators 28, wenn die Arbeitskontakte 17/1 und 17/2 sowie
24/1 und 24/2 offen sind. Dadurch wird das Potential am Modulationseingang des Schaltkreises
8 entsprechend der Zeitkonstante der Bauelemente 12 und 28 auf Massepotential gezogen,
was in diesem Fall gleichzeitig einen Rückgang des Tastverhältnisses VT bis auf
den Wert Null hervorruft. Bei fehlendem Teil*widerstand 12 und offenen Arbeitskontakten
17/1; 17/2; 24/1; 24/2 würde das Tastverhältnis VT auf seinen maximalen Wert sprungartig
ansteigen und damit den mit Leistungetraneistoren bestückten 20-kHz-Schalter 3 gefährden.
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Außerdem wird ein Leelaufbetrieb des Schaltnetzteiles bei eingeschaltetein
Hochfrequenzchirurgiegerät und inaktiver hF-Endstufe vermieden, so daß die Leerlaufverluste
minimiert werden. was bei einer erforderlichen ständigen Betriebsbereitschaft des
Gerätes während des praktischen Einsatzes besonders günstig ist. Der Kondensator
28 wird beim Einschalten eines der Regelbereiche, das heißt, beim Schließen der
Arbeitekontakte 17/1; 17/2; oder 24/1; 24/2. langsam aufgeladen, was am Ausgang
des Steuer- und Regelschaltkreises 8 ein langsames Vergrößern der Impulsbreite bis
auf den eingestellten Wert bewirkt und gleichfalls dem Schutz der Leistungetraneistoren
dient.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Netzgleichrichter 2 Siebglied
3 20-kHz-Schalter 4 Transformator 5 Netzspannungsgleichrichter 6 Siebglied 7 Gleichspannungswandler
8 Steuer- und Regelschaltkreis 9 Treiberstufe 10 Hilfsspanungsversorgung 11;12 Teilerwiderstände
(Spannungsteiler) 13;14 einstellbare Widerstände 15 Regelwiderstand 16 Widerstand
17 Relais 17/1 Arbeitekontakte 17/2 Arbeitskontakte 18 ; 19 Reihenschaltungen 20/21
einstellbarer Widerstand 22 Regelwiderstände 23 Widerstand 24 Relais 24/1; 24/2
Arbeitskontakte 25 Auswahleinrichtung 26;27 Optokoppler 28 Kondensator Netzspannung
U UO Ausgangsspannung VT Tastverhältnis VT(grenz/u) Tastverhältnis-Grenzwert VT(grenzXO)
Tastverhältnis-Grenzwert VT max maximales Tastverhältnis