DE3726123C2 - Schaltung zum Betreiben eines Gleichstromverbrauchers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Betreiben eines Gleichstromverbrauchers an einer Gleich- oder Wechselspannungs­ quelle, insbesondere eines Elektromotors vorzugsweise in einem Elektrokleingerät, wobei die Schaltung als Schaltnetzteil mit einem einen Übertrager aufweisenden Sperrwandler und mit einem in Reihe mit der Primärwicklung des Übertragers geschalteten, mit seinem Steueranschluß an eine Rückkopplung angeschlossenen Halbleiter­ schalter ausgebildet ist, wobei der Steueranschluß des Halbleiter­ schalters zusätzlich an den einen Pol einer Diode angeschlossen ist, deren anderer Pol mit einem Steuerstromableitpfad verbunden ist (US 43 16 242).

Bei Elektrokleingeräten, z. B. bei Rasierapparaten werden Antriebsmotoren verwendet, die konstruktionsbedingt mit vergleichs­ weise niedriger Gleichspannung betrieben werden, wobei aber die äußere Versorgungsspannung z. B. 220 Volt beträgt. Zum Heruntersetzen dieser Versorgungsspannung ist es bekannt, Schaltnetzteile zu verwenden. Auch kennt man bereits Schaltungsanordnungen, bei denen die Versorgung eines Gleichstrommotors oder dergleichen Gleistrom­ verbraucher bei variabler Eingangsspannung möglich ist, ohne daß dazu manuelles Umschalten erfolgen muß.

Durch die EP 0 057 910 ist eine solche Schaltung bekannt, bei der ein Netzbetrieb oder wahlweise ein Batteriebetrieb des Motors oder dgl. vorgesehen ist. Für einen ausschließlichen Netzbetrieb ohne Akkumulator ergibt sich bei dieser Schaltung jedoch nicht der Regelumfang zum Betreiben in dem geforderten Eingangsspannungs- und beistungsbereich.

Durch eine vergleichsweise aufwendige Regelschaltung könnte man dies zwar erreichen, jedoch können solche Schaltungen aus Platzgründen meist nicht in elektrischen Kleingeräten untergebracht werden. Außerdem ist durch den erforderlichen Schaltungsaufwand eine insbesondere bei Seriengeräten ins Gewicht fallende Verteuerung vorhanden.

Aus der US 4 316 242 ist bereits ein Schaltnetzteil bekannt, bei dem zur Stabilisierung der Ausgangsspannung ein Rückkopplungszweig mit einer an den Steueranschluß des Halbleiterschalters angeschlossenen Diode und einem steuerbaren Stromableitpfad vorgesehen sind. Die Steuerung des Stromableitpfades erfolgt mit einem Steuertransistor, wobei das Ansteuerpotential des Steuer­ transistors zwischen einem auf der maximalen, positiven Spannung am Kollektor des Steuertransistor liegenden Potential und Massepotential variiert werden kann.

Damit können Eingangsspannungsschwankungen zwar in einem großen Bereich ausgeglichen werden, beim Beteiben eines Gleichstromver­ brauchers, der auch einen Betriebszustand mit sehr geringer Leistungsaufnahme aufweist, ist jedoch eine entsprechende Anpassung und Reduzierung der Ausgangsleistung nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die ohne manuelle Eingangs­ spannungsumschaltung zum Betreiben eines Gleichstromverbrauchers oder dgl. geeignet ist, wobei auch ein ausschließlicher Netzbetrieb möglich sein soll. Der Schaltungsaufwand soll dabei so klein gehalten sein, daß auch gut ein Unterbringen in räumlich beengten Elektrokleingeräten möglich ist. Außerdem soll durch Verwendung handelsüblicher Bauteile auch der Kostenaufwand in Hinblick auf eine Serienfertigung kleingehalten werden. Schließlich soll die Möglichkeit bestehen, auch den Ausgangsstrom in die Regelung einzubeziehen und diesen auf sehr kleine Werte reduzieren zu können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der mit dem Steuerstromableitpfad verbundene Pol der Diode mit einem als veränderbare Gleichspannungsquelle geschalteten Operationsver­ stärker verbunden ist, der symmetrisch stromversorgt ist und eine relativ zu einem Bezugspotential von negativem zu positivem Potential variable Ausgangsspannung liefert.

Dadurch ist einerseits ein sehr großer Regelbereich und damit das Betreiben eines Verbrauchers in einem weiten Bereich an unterschiedlichen Spannungen möglich. Weiterhin kann das Ausgangspotential des Operations-Verstärkers und damit das Ausgangspotential für das Ansteuern des Halbleiterschalters bei dieser Schaltung durch die symmetrische Stromversorgung des Operations-Verstärkers auch über das O-Potential hinaus soweit in den negativen Bereich abgesenkt werden, daß die Ausgangsleistung des Schaltnetzteiles an einen sehr niedrigen Leistungsbedarf angepaßt werden kann. Dies ist bei Kleingeräten von Bedeutung, bei denen batteriebetriebene Antriebsmotoren eingesetzt werden. Die Antriebsbatterie wird hierbei von dem Schaltnetzteil geladen, wobei sichergestellt sein muß, daß auch eine Reduzierung auf sehr kleine Ladeströme zur Erhaltungsladung möglich ist. Ein zu großer Erhaltungsladestrom würde zu einer Reduzierung der Batterielebens­ dauer und zu einer Aufheizung durch unnötige Verlustwärme führen.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß als Rückkopplung ein RC-Glied, bestehend aus zumindest einem Widerstand und einem in Reihe dazu geschalteten Kondensator dient, welches RC-Glied einerseits an die Sekundärwicklung des Übertragers und andererseits an den Steueranschluß des Halbleiterschalters angeschlossen ist und daß vorzugsweise den Widerstand eine weitere Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator parallel geschaltet ist. Durch Verwendung dieser einfachen RC-Glied-Rückkopplung sind für den Übertrager nur zwei Wicklungen erforderlich und es kann eine dritte Rückkopplungswicklung eingespart werden. Der Aufwand ist somit reduziert. Wird zusätzlich die Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator parallel zu dem Widerstand des RC-Gliedes vorgesehen, so wird ein schnelles Aufsteuern des Halbleiterschalters und somit geringe Verlustleistungen erreicht, was in Anbetracht der Unterbringung unter beengten Verhältnissen in Elektrokleingeräten von Bedeutung ist.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt:

Eine Schaltung eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteiles.

Die gezeigte Schaltung bildet ein Schaltnetzteil 1 und weist einen Übertrager 2 mit einer Primärwicklung 3 und einer Sekundärwicklung 4 auf. In Reihe mit der Primärwicklung 3 ist als Halbleiterschalter ein Transistor T₁ geschaltet.

An den einen Anschluß B der Sekundärwicklung 4 ist ein Rückkopp­ lungsnetzwerk 5 mit den RC-Gliedern R₄ und C₃ sowie R₅ und C₄ angeschlossen, welches andererseits mit dem Steueranschluß (Basis) des Transistors T₁ verbunden ist.

Zusätzlich ist an die Basis des Transistors T₁ ein Pol einer Diode D₃ angeschlossen, deren anderer Pol mit einer veränderbaren Gleichspannung verbunden ist. Je nach der an dem Punkt A anliegenden und von der Gleichspannungsquelle 6 geliefertem Spannungspotential wird der Zeitpunkt beeinflußt, wo die Diode D₃ leitend wird und den über das Rückkopplungsnetzwerk 5 fließenden Steuerstrom über den Steuerstromableitpfad 7 ableitet.

Sowie dies erfolgt, sperrt der Transistor T₁. Die Ein­ schaltdauer des Transistors T₁ kann somit variiert werden, wodurch die im Übertrager 2 magnetisch gespei­ cherte Energie in weitem Bereich gesteuert werden kann. Im Ausführungsbeispiel ist als Halbleiterschalter ein npn-Transistor vorgesehen und dementsprechend ist an die Basis dieses Transistors die Anode der Diode D₃ angeschlossen. An die Kathode dieser Diode ist als Steuerstromableitpfad 7 ein Kondensator C₅ vorgesehen. Außerdem ist die Kathode an den Ausgang eines die Gleichspannungsquelle 6 bildenden Operationsverstärkers angeschlossen.

Eine Besonderheit hierbei ist, daß dieser Operations­ verstärker 6 symmetrisch stromversorgt wird, so daß an seinem Ausgang eine relativ zu einem Bezugspotential negative oder positive, variable Ausgangsspannung ge­ liefert werden kann. Dadurch ergibt sich ein sehr großer Regelbereich, so daß die an die Eingangsklemmen 8 und 9 angelegte Eingangsspannung über einen großen Bereich variieren kann und die Ausgangsleistung konstant gehalten bzw. geregelt wird.

Die Stromversorgung des Operationsverstärkers 6 erfolgt über eine doppelte Einweggleichrichterschaltung, wobei über die Diode D₄, geglättet bzw. gepuffert durch den Kondensator C₆ positive Spannung und über die Diode D₅, gepuffert durch den Kondensator C₇ negative Spannung zugeführt wird. Da sich in der Leitphase und in der Sperrphase des Transistors T₁ jeweils die Polarität an der Sekundärwicklung 4 umkehrt, kann diese doppelte Einweggleichrichterschaltung zur Anwendung kommen.

Als Operationsverstärker 6 ist ein Differenzverstärker vorgesehen, der mit einem ersten Eingang (-) an eine Referenzspannung angeschlossen, die durch die Spannungs­ teilerwiderstände R₆, R₇ und R₈ sowie die Diode D₆ gebildet ist.

In der Sperrphase des Transistors T₁ wird über die Diode D₇ der für den Gleichstromverbraucher vorgesehene Arbeitsstrom abgeleitet. Im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel ist als Gleichstromverbraucher ein Akkumulator 10 und parallel dazu über einen Schalter 11 zuschaltbar, ein Motor 12 vorgesehen.

Der durch den Akkumulator 10 bzw. den Motor 12 fließende Strom erzeugt an dem Widerstand R₁₀ eine dem Strom pro­ portionale Spannung, welche über den Widerstand R₁₂ dem zweiten Eingang (+) des Operationsverstärkers 6 als Regelgröße zugeführt wird. Eine zweite Regelstrecke wird bei geöffnetem Motorschalter aktiviert, wenn die Akkuspannung, bedingt durch den Ladezustand der Zellen, eine Größe annimmt, die die Schwellspannung der Zener- Diode D₈ überschreitet. Dadurch wird ein vom Ladezustand abhängiger Ladestrom erreicht. Zu dieser Ladestromrege­ lung gehören noch die Bauteile D₉, R₉, R₁₁ und C₈ Die Dioden D₆, D₈, D₉ haben einen negativen Temperaturko­ effizienten und können so zur Temperaturkomensation des Ladestromes herangezogen werden. Dabei kann die Diode D₈ mit dem Akkumulator auch in thermischen Kontakt gebracht werden, wodurch eine gute thermische Über­ wachung des Akkus erreicht werden kann.

Erwähnt sei noch, daß durch die besondere Auslegung und Ausbildung des Rückkopplungsnetzwerkes 5, insbesondere mit dem Widerstand R₅ und dem Kondensator C₄ insbeson­ dere ein schnelles Aufsteuern des Transistors T₁ und somit geringe Verlustleistungen erreichbar sind. Auch dies ist wegen der Unterbringung unter beengten Verhält­ nissen in Elektrokleingeräten von Bedeutung.

Claims (7)

1. Schaltung zum Betreiben eines Gleichstromverbrauchers an einer Gleich- oder Wechselspannungsquelle, insbesondere eines Elektromotors vorzugsweise in einem Elektrokleingerät, wobei die Schaltung als Schaltnetzteil mit einem einen Übertrager aufweisenden Sperrwandler und mit einem in Reihe mit der Primärwicklung des Übertragers geschalteten, mit seinem Steueranschluß an eine Rückkopplung angeschlossen Halbleiter­ schalter ausgebildet ist, wobei der Steueranschluß des Halbleiterschalters (T₁) zusätzlich an den einen Pol einer Diode (D₃) angeschlossen ist, deren anderer Pol mit einem Steuerstromableitpfad (7) verbunden ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der mit dem Steuerstromableitpfad (7) verbundene Pol der Diode (D₃) mit einem als veränderbare Gleichspannungs­ quelle (6) geschalteten Operationsverstärker (6) verbunden ist, der symmetrisch stromversorgt ist und eine relativ zu einem Bezugspotential von negativem zu positivem Potential variable Ausgangsspannung liefert

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerstromableitpfad (7) ein Kondensator (C₅) vorgesehen ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Rückkopplung (5) ein RC-Glied, bestehend aus zumindest einem Widerstand (R₄) und einem in Reihe dazu geschalteten Kondensator (C₃) dient, welches RC-Glied einerseits an die Sekundärwicklung (Anschluß B) des Übertragers (2) und andererseits an den Steueranschluß des Halbleiterschalters (T₁) angeschlossen ist und daß vorzugsweise dem Widerstand (R₄) eine weitere Reihenschaltung aus einem Widerstand (R₅) und einem Kondensator (C₄) parallel geschaltet ist.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterschalter ein Transistor (T₁) dient, an dessen Basis die Diode (D₃) mit ihrer Anode angeschlossen ist.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer symmetrischen Versorgungsspannung für den Operationsverstärker (6) an die Sekundärwicklung (4) des Übertragers (2) eine doppelte Einweggleichrichterschaltung (Delon-Schaltung) mit zwei Reihenschaltungen von jeweils einer Diode (D₄, D₅) und einem Kondensator (C₆, C₇) angeschlossen ist.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (6) als Differenzverstärker ausgebildet ist, der mit einem ersten Eingang (-) an eine Referenzspannung angeschlossen ist und an dessen zweiten Eingang (+) eine dem Verbraucherstrom proportionale Spannung angelegt ist.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Eingang (+) des Operationsver­ stärkers (6) mit einer der Zellenspannung eines Akkus (10) proportionalen Größe und/oder einer dem Verbraucherstrom proportionalen Größe beaufschlagt ist.