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Die Erfindung betrifft Gleichspannungswandler mit Überlastschutz.
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Die USA 4 246 634 und die EP-A 0 139 226 beschreiben jede einen
Gleichspannungswandler mit einem Leitungseingang, wobei der Wandler einen
Transformator mit einer Primärwicklung, wenigstens einer Sekundärwicklung
und einer Hilfswicklung enthält, wobei mit dem Leitungseingang eine
serielle Anordnung verbunden ist, die wenigstens die Primärwicklung und
eine impulsgesteuerte Stromquelle mit einem Steuereingang und eine mit dem
Steuereingang der Stromquelle verbundene Steuerschaltung enthält.
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Wandler dieses Typs werden bei der Wandlung eines Gleichspannungssignals
in eine oder mehrere Versorgungsspannungen für elektronische Schaltungen
verwendet. In öffentlichen Fernsprechnetzen wird zum Beispiel eine
Vielzahl von Versorgungsspannungen aus dem über den Leitungseingang
eingehenden Gleichspannungssignal erzeugt, die für das, was allgemein als
"Netzwerkabschluß" bezeichnet wird, am Teilnehmerort zur Verfügung
gestellt werden. Eine wichtige, von dem Wandler zu erfüllende Anforderung
besteht darin, daß dieser beim Erzeugen der Versorgungsspannung wenig
Leistung verlieren sollte und der Leitung einen beschränkten
Leistungsbetrag entnehmen sollte. In dem Wandler des USA 4 246 634 ist
eine Starterschaltung mit dem Leitungseingang verbunden, der während des
Startens des Wandlers eine Versorgungsspannung an dem
Versorgungsspannungsausgang für die Verwendung im Wandler erzeugt. Der
Wandler wird durch die Versorgungsspannung gestartet, wonach eine mit der
Hilfswicklung des Transformators verbundene Gleichrichterschaltung die
Erzeugung der Versorgungsspannung der Starterschaltung übernimmt. Diese
als Rücklauf bekannte Übernahmeaktion beschränkt die Verlustleistung des
Wandlers.
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Bei diesen bekannten Wandlern dient die Steuerschaltung der Steuerung der
Spannung und des in der Sekundärwicklung des Transformators erzeugten
Stroms, diese Steuerschaltung steuert aber die Sekundärspannung und den
Strom nicht in einer zufriedenstellenden Weise, wenn an der Sekundärseite
des Transformators eine Überlast auftritt, z.B. aufgrund eines
Kurzschlusses in einer der mit einer Sekundärwicklung verbundenen Leitung.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, ihre eigenen Verluste und die von dem
Wandler an dem Leitungseingang entnommenen Leistung, im speziellen während
einer Überlastbedingung oder eines Kurzschlusses, in einfacher Weise zu
beschränken.
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Gemäß der Erfindung wird ein Gleichspannungswandler wie in Anspruch 1
beansprucht zur Verfügung gestellt.
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Die bereits für den "Rücklauf" vorhandene Hilfswicklung bietet die
Möglichkeit der Bereitstellung von Signalen zum Informieren über das
Auftreten einer Überlast oder eines Kurzschlusses an der Sekundärseite des
Transformators auf einfache Weise. Da der zusätzliche Steuereingang direkt
mit der Hilfswicklung des Transformators gekoppelt sein kann, kann diese
Signalmeldung überdies schnell ohne irgendeine nachteilige Verzögerung
bewirkt werden und kann in einer Weise realisiert werden, in der die
elektrische Isolierung zwischen der Primär- und der Hilfswicklung auf der
einen und der Sekundärwicklung des Transformators auf der anderen Seite
beibehalten wird.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der Wandler einen an
den Versorgungsspannungsausgang der Starterschaltung gekoppelten Detektor,
und die Stromquelle hat einen mit dem Detektor verbundenen
Sperrsignaleingang, um die Stromquelle mittels eines durch den Detektor
erzeugten Meldesignals in dem eingeschalteten Zustand zu halten, solange
der Amplitudenwert der Versorgungsspannung einen Minimalwert
überschreitet. Der Detektor gestattet das Schalten der Stromquelle nicht,
so lange der Amplitudenwert der Versorgungsspannung einen Minimalwert
überschreitet. Somit ist der Wert der Versorgungsspannung, und
konsequenterweise der Wert der in dem Wandler von der Versorgungsspannung
abgeleiteten Spannungen, gut definiert und demzufolge betriebssicher, so
daß ein stabiler und geeignet steuerbarer Wandler realisiert wird.
Zusätzlich trägt der Detektor dazu bei, die Leistungsentnahme durch den
Wandler am Leitungseingang während einer Überlast in zuverlässiger Weise
zu beschränken und folgerichtig zur gleichen Zelt den internen Verlust des
Wandlers zu beschränken. Falls während einer Überlastsituation die
Ansteuerbeschränkung der Stromquelle nicht geeignet funktioniert, schaltet
der Detektor die Stromquelle beim Auftreten einer Überlast vollständig ab,
was zu einem sehr zuverlässigen Funktionieren des Wandlers führt.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die Starterschaltung
zwei parallel angeordnete Reihenschaltungsanordnungen, wobei die erste
Schaltung einen ersten Widerstand und den Hauptstromweg eines zweiten
Transistors enthält und die zweite Anordnung, in einer Anordnung einer
nach dem anderen angeordnet, wenigstens einen zweiten Widerstand, den
Hauptstromweg eines ersten Transistors und einen dritten Widerstand
enthält, wobei die Basis des ersten Transistors mit dem Anschlußpunkt
zwischen dem ersten Widerstand und dem zweiten Transistor verbunden ist
und der Anschlußpunkt zwischen dem Hauptstromweg des ersten Transistors
und dem dritten Widerstand den Versorgungsspannungsausgang darstellt, der
an die Basis des zweiten Transistors zum Abschalten der Starterschaltung
in Abhängigkeit von dem Wert der Spannung über der Hilfswicklung gekoppelt
ist.
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Der die Starterschaltung enthaltende Wandler hat den Vorteil, daß dieser
dem Leitungseingang nach dem Starten des Wandlers im wesentlichen keine
Leistung entnimmt und dies insbesondere dann nicht tut, wenn der erste
Widerstand mit einer sehr hohen Impedanz (von der Größenordnung von 10 MX)
gewählt wurde. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß die
Starterschaltung keinen Kondensator enthält. Als Ergebnis ist der Wandler
nicht nur kompakt, sondern er kann ferner in befriedigender Weise auf eine
IC integriert werden, welches die Herstellungskosten reduziert.
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Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachstehend anhand von Beispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es
zeigen:
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Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Gleichspannungswandlers,
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Fig. 2 eine Ausführungsform einer Starterschaltung zur Verwendung in dem
Wandler aus Fig. 1.
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Der in Fig. 1 dargestellte Gleichspannungswandler wird im speziellen in
öffentlichen Fernsprechnetzen verwendet. In diesen wird ein
Gleichspannungssignal in einem Fernsprechamt auf eine Leitung gegeben,
deren auf der Teilnehmerseite zur Verfügung gestellter Leitungseingang 2
-1, 2-2 in Fig. 1 dargestellt ist. Der von ungefähr 0 bis 1400 Ohm
variierende Widerstand auf dieser Leitung ist entscheidend für den
Signalwert auf den Leitungseingängen 2-1, 2-2, der in der Größenordnung
von 20 bis 96 Volt ist. Dieses Signal wird durch den Wandler 1 in die
Versorgungsspannungen gewandelt, die z.B. in einem ISDN (Integrated
Services Digital Network, integriertes Netz digitaler Dienste) für die
Versorgung von an den Teilnehmerorten installierten Einrichtungen zur
Verfügung gestellt wird. Diese Einrichtung enthält z.B. Anschlußstationen
für Fernsprechen, Text, Faksimile, Daten und Video und enthält die
Schnittstellen zur Steuerung dieser Endstationen.
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Der Wandler 1 enthält einen Transformator 3 mit einer Primärwicklung 4,
einer Sekundärwicklung 5-1, 5-2 und einer Hilfswicklung 6. Über
Gleichrichter- und Glättungsschaltungen (nicht dargestellt) können die
Versorgungsspannungen an den Sekundärwicklungen 5-1, 5-2 abgegriffen
werden. Beide Versorgungsspannungen sind elektrisch voneinander und von
dem Gleichspannungssignal an dem Leitungseingang 2-1, 2-2 isoliert.
Zusätzlich enthält der Wandler 1 eine mit dem Leitungseingang 2-1, 2-2
verbundene serielle Anordnung aus der Primärwicklung 4, einer
impulsgeschalteten Stromquelle 7 mit einem Stromsteuereingang 8 und z.B.
einen Widerstand 9.
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Die Stromquelle 7 enthält einen Transistor, z.B. einen FET 19, dessen Gate
mit einer Gate-Steuerschaltung 20 verbunden ist, mit welcher der
Steuereingang 8 verbunden ist. Die Gate-Steuerschaltung 20 ist zum Steuern
des Stroms zum FET 19 in Abhängigkeit von einem Steuersignal am Eingang 8
derart ausgebildet, daß diesem Strom eine im wesentlichen sägezahnförmige
Änderung gegeben wird. Das Steuersignal kann z.B. ein frequenzmoduliertes
Signal zum Steuern des Stroms durch den FET 19 in Abhängigkeit von der
Frequenzmodulation bilden. Oder das Stromsteuersignal besteht aus einem
pulsbreitenmodulierten Signal oder einem impulsförmigen Signal, z.B. einem
Pulslagesignal zum Steuern des Stroms durch den FET 19 in Abhängigkeit von
einem Amplitudenwechsel-Aus-Zustand der Pulse im Signal. Im Verlauf dieser
Beschreibung wird stets unterstellt, daß das Stromsteuersignal zum
Schalten der Stromquelle 7 ein impulsförmiges Signal ist. Der Vorteil der
Konstruktion der Gate-Steuerschaltung 20 als impulsgeschaltete Schaltung
besteht darin, daß letztere dann leicht mit einem externen Takt
synchronisiert werden kann. Zum Zweck der Synchronisierung hat die
Stromquelle 7 einen Synchronisierungseingang 21 für ein externes
Taktsignal, wobei der Eingang 21 mit der Gate-Steuerschaltung 20 über
einen Teiler 22 mit einem Sperreingang 18 verbunden ist, der nachstehend
in größeren Einzelheiten beschrieben wird.
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Der Wandler 1 enthält zusätzlich eine mit dem Leitungseingang 2-1, 2-2
verbundene und einen Versorgungsspannungsausgang 11 aufweisende
Starterschaltung 10. Fig. 2 des US-Patents 4 256 632 zeigt eine mögliche
Realisierung der Starterschaltung 10. Die darin verbrauchte Leistung ist
jedoch notwendigerweise hoch, teilweise aufgrund der Widerstände 56 und
58, die dem Leitungseingang 2-1, 2-2 während des Betriebs des Wandlers 1
ebenfalls Leistung entnehmen.
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Weiterhin macht die Tatsache, daß dieser den Kondensator 52 enthält, den
Wandler sehr voluminös, da er für einen weiten Bereich möglicher
Signalwerte am Leitungseingang 2-1, 2-2 geeignet sein muß, und diesen
deshalb für die Integration auf einem Chip ungeeignet.
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In Fig. 2 der vorliegenden Patentanmeldung sind diese Nachteile auf
einfache Weise vermieden. Fig. 2 zeigt ein mögliches praktisches Beispiel
der Starterschaltung 10, die einen ersten Widerstand 23 und einen zweiten
Widerstand 24 enthält, die beide mit dem Leitungseingangsanschluß 2-1 und
ebenfalls einem FET 25 mittels eines ersten Transistors und eines als
Stromquelle 26 mit einem Steuereingang 27 dargestellten zweiten
Transistors verbunden sind. Die Basis des ersten Transistors, die das Gate
des FET 25 bildet, ist zusammen mit dem ersten Widerstand 23 an die
Stromquelle 26 angeschlossen, wobei die Stromquelle 26 zusätzlich mit dem
Leitungseingangsanschluß 2-2 verbunden ist; wobei das Drain des FET 25 mit
dem zweiten Widerstand 24 verbunden ist, während die Source des FET 25 mit
dem Versorgungsspannungsausgang 11 verbunden ist. Die Versorgungsspannung
11 ist zuerst mit einem nichtinvertierten Eingang einer
Differenzverstärkerschaltung verbunden, deren invertierter Eingang einen
Bezugssignaleingang 36 darstellt. Der Ausgang der Schaltung 35 ist mit dem
Steuereingang 27 verbunden.
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Die Starterschaltung 10 arbeitet wie folgt: Nachdem das
Gleichspannungssignal an den Leitungseingang 2-1, 2-2 angelegt wurde, dies
bedeutet: beim Starten des Wandlers 1, wird ein Differenzsignalwert in
Abhängigeit von der Amplitudendifferenz zwischen der Versorgungsspannung
am Ausgang 11 und der Bezugsspannung am Eingang 36, an den Steuereingang
27 über die Differenzverstärkerschaltung 35 angelegt. Unter Verwendung
dieses Differenzsignals wird eine Versorgungsspannung mit z.B. einer
Amplitude von 4,88 V beim Starten des Wandlers 1 am Ausgang 11 erzeugt.
Zusätzlich sind ein Widerstand 28 und eine Zenerdiode 29 mittels eines
Bezugsausgangs 30 zueinander seriell angeordnet und mit dem
Versorgungsspannungsausgang 11 gekoppelt. In vorteilhafter Weise ist
ebenfalls während der zeitlichen Periode, in der der Wandler 1 arbeitet,
bei einem Signalwert an dem Leitungseingang 2-1, 2-2, der von 20 bis
96 Volt variiert, die serielle Anordnung des Widerstands 28 und der
Zenerdiode 29 mit einer im wesentlichen konstanten Versorgungsspannung von
ungefähr 5 Volt gekoppelt. Als Ergebnis davon ist, insbesondere bei einem
hohen Signalwert, die durch diese Serienanordnung konsumierte Leistung
signifikant im Vergleich zu dem Fall beschränkt, in dem die serielle
Anordnung direkt mit dem Leitungseingang 2-1, 2-2 verbunden ist.
Zusätzlich enthält der Wandler 1 eine Gleichrichterschaltung 12, die, wenn
der Wandler 1 in einem noch zu beschreibenden Betriebszustand arbeitet,
eine durch die Hilfswicklung 6 erzeugte Spannung an den
Versorgungsspannungsausgang 11 anlegt und mit der Hilfswicklung des
Transformators 3 und mit dem Versorgungsspannungsausgang 11 verbunden ist.
Diese Versorgungsspannung ist höher als die durch die Starterschaltung 10
beim Starten des Wandlers 1 erzeugte Versorgungsspannung und hat einen
Wert von z.B. 5 Volt. Die höhere Versorgungsspannung während des Betriebs
an dem Ausgang 11 veranlaßt den FET aufgrund der Tatsache, daß der
Bezugseingang des Signals 36 konstant bleibt, abgeschaltet zu sein. Somit
ist während des Betriebs der Verlust durch die Starterschaltung 10 nur
durch den Wert des ersten Widerstands 23 bestimmt. Mit der Wahl des Wertes
des Widerstands 23 in der Größenordnung von 10 M0hm wird die von dem
Leitungseingang entnommene Leistung in einfacher Weise beschränkt.
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Der Wandler 1 enthält weiterhin eine Steuerschaltung 13 mit einem
Detektorsignaleingang 14 zum Konstanthalten des Maximalwertes des
Sägezahnstroms durch die Primärwicklung 4 in Abhängigkeit von dem Strom,
der durch das Signal an dem Steuereingang 34 durch die Primärwicklung 4
des Transformators 3 mittels des impulsförmigen Steuersignals am Eingang 8
zu bestimmen ist. Während des derart hergestellten Betriebszustandes des
Wandlers 1 wird der Sägezahnstrom periodisch durch die serielle Anordnung
aus der Primärwicklung 4, der Stromquelle 7 und dem Widerstand 9 zu durch
das externe Taktsignal bestimmten Zeitpunkten transportiert. Der
Sägezahnstrom veranlaßt den periodischen Anstieg der Leistung in dem
Transformator auf einen Maximalstrom, wonach diese Leistung in Leistung in
der Hilfswicklung 6 und den Sekundärwicklungen 5-1, 5-2 gewandelt wird.
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Das in dem Wandler 1 auftretende Problem besteht darin, daß, wenn ein
Kurzschluß in einer der Sekundärwicklungen 5-1, 5-2 erzeugt wird, der
Maximalwert des Stroms durch die Primärwicklung 4 konstant gehalten wird,
was in diesem Fall einen signifikanten Anteil der im Transformator 3
erzeugten Leistung dazu bringt, in dem Kurzschluß verloren zu gehen. Falls
dann diese Leistung an den Leitungseingängen 2-1, 2-2 entnommen wird, ist
dies nicht nur unerwünscht und verschwenderisch, sondern zusätzlich
unsicher, z.B. in Bezug auf die Brandgefahr in dem Kurzschluß.
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Um diese Nachteile zu vermeiden enthält deshalb ein erstes
Ausführungsbeispiel des Wandlers 1 unter anderem eine an die Hilfswicklung
6 des Transformators 3 gekoppelte Signalschaltung 15. Die zugrunde
liegende Vorstellung besteht darin, daß im Falle eines Kurzschlusses die
in der Hilfswicklung 6 erzeugte Hilfsspannung abnimmt, dieser
Spannungsabfall durch die Signalschaltung 15 detektiert wird und die
Erzeugung eines Meldesignals an dem Eingang 16 bewirkt. Die
Signalschaltung 15 kann z.B. eine Komparatorschaltung eines für einen
Fachmann auf diesem Gebiet bekannten Typs enthalten oder alternativ z.B.
einen Spannungsteiler. Zusätzlich ist der Wandler 1 zu diesem Zweck mit
der Steuerschaltung 13 versehen, die nun jedoch einen zusätzlichen
Steuereingang 16 hat, der mit der Signalschaltung 15 verbunden ist, um
mittels der Signalschaltung den maximal aus dem Strom durch die
Primärwicklung 4 des Transformators 3 erhältlichen Wert zu reduzieren.
Durch Reduzierung des maximal erhältlichen Wertes dieses Stroms wird
ebenfalls die Kurzschlußleistung auf einfache Weise beschränkt. Im
allgemeinen muß die Meldung eines Überlast-Kurzschlusses sehr schnell
bewirkt werden, was durch direktes Verbinden der Schaltung 15 z.B. in der
Form eines Spannungsteilers mit der Hilfswicklung 6, und um beliebige
Zeitverzögerung erzeugende Elemente wegzulassen, bewirkt werden kann. In
vorteilhafter Weise ist in diesem und nachfolgenden Ausführungsbeispielen
die elektrische Isolierung zwischen der Primärwicklung 4 und der
Hilfswicklung 6 auf der einen Seite und den Sekundärwicklungen 5-1, 5-2
auf der anderen Seite aufrecht erhalten. Die Steuerschaltung 13 enthält
zwei Komparatorschaltungen 31, 32, deren Ausgänge jeweils separat mit
einer UND-Gatterschaltung 33 verbunden sind, die ebenfalls in der
Schaltung 13 enthalten ist. Die Gate-Schaltung 13 ist mit dem
Steuereingang der Stromquelle 7 verbunden. Der nichtinvertierte Eingang
der Komparatorschaltung 30 ist mit dem zusätzlichen Steuereingang 17
verbunden, und der entsprechende nichtinvertierte Eingang der Schaltung 32
ist mit einem Bezugsspannungseingang 34 verbunden, während die zwei
invertierten Eingänge der Komparatorschaltung 21, 32 mit dem
Detektionssignaleingang 14 verbunden sind.
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Die Steuerschaltung 13 arbeitet wie folgt: Während des Betriebs des
Wandlers 1 variiert der Strom und konsequenterweise die Steuerung, die
Spannung über dem Widerstand 9 in einer sägezahnförmigen Weise. Falls die
Spannung an dem Detektionssignaleingang 14 die Bezugsspannung am Eingang
34 erreicht, ändert sich dann der Ausgangspegel der Komparatorschaltung 32
und in Antwort darauf das Signal am Steuereingang 8, was den Strom durch
die Primärwicklung 4 ausschaltet. Nach dem Anlegen eines Taktsignals an
den Synchronisierungseingang 21 wird dieser Zyklus wiederholt, usw.
Während dieses Betriebszustands wird eine Hilfsspannung in der
Hilfswicklung 6 erzeugt, die die erste Signalschaltung 15 veranlaßt, ein
Meldesignal von z.B. einer positiven Amplitude an den zusätzlichen
Steuereingang 16 anzulegen. Während des normalen Betriebs, ohne das
Auftreten einer Überlast, ist diese Amplitude höher als die Bezugsspannung
am Eingang 34, so daß in diesem Fall der Zyklus wie vorstehend beschrieben
durchgeführt wird. Falls nun eine Überlast auftritt, z.B. in einer der
Sekundärwicklungen 5-1, 5-2, veranlaßt dann die Überlast die Amplitude der
Hilfsspannung und konsequenterweise die Meldesignale, auf unterhalb der
Bezugsspannung am Eingang 34 abzufallen. Wenn nun ein niedrigerer Strom
durch den Widerstand 9 als während des normalen Betriebs existiert, ändert
sich der Ausgangspegel der Komparatorschaltung 31, als dessen Ergebnis die
Steuerung der Stromquelle 7 über den Eingang 8 bei einer niedrigeren
Spannung als vorher beschränkt ist. Somit wird im Falle einer Überlast die
durch den Wandler 1 von dem Leitungseingang 2-1, 2-2 entnommene Leistung
in einer einfachen und schnellen Weise beschränkt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Wandlers 1 kann die
Signalschaltung 15 über die mit einer durchbrochenen Linie dargestellte
Versorgungsschaltung 12 an die Hilfswicklung 6 gekoppelt sein. Dann ist
die Signalschaltung 15 direkt mit dem Versorgungsspannungsausgang 11
verbunden. Jedoch wird der Betriebszustand des Wandlers 1 hierdurch nicht
grundlegend geändert.
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In einem nächsten Ausführungsbeispiel des Wandlers 1 enthält dieser einen
zweiten, mit dem Versorgungsspannungsausgang 11 verbundenen Detektor 17.
Der Detektor 17 enthält z.B. eine nicht dargestellte Komparatorschaltung
zum Überwachung der Spannung am Ausgang 11. Wenn diese Spannung bei einem
vorbestimmten Minimalpegel ist, wird ein Sperrsignal an den Eingang 18
angelegt. Der Teiler 22 ist von einer solchen Struktur, daß er es dem
Taktsignal an dem Synchronisierungseingang 21 nicht gestattet durch ihn
hindurchzutreten und sperrt konsequenterweise das Schalten der Stromquelle
so lange, wie das Sperrsignal über dem Eingang 18 vorhanden ist, somit so
lange wie der Amplitudenwert des Versorgungsspannungsausgangs auf einen
Minimalwert abfällt. Dadurch wird erreicht, daß der Wert der
Versorgungsspannung und konsequenterweise der in den verschiedenen
Schaltungen des Wandlers 1 von der Versorgungsspannung abgeleiteten
Spannungen in geeigneter Weise definiert und folgerichtig zu einem solchen
Grad zuverlässig sind, daß ein stabiler und geeignet steuerbarer Wandler 1
realisiert ist.
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Zusätzlich trägt der Detektor 17 während einer Überlast zu einer
zuverlässigen Beschränkung der durch den Wandler 1 von dem Leitungseingang
2-1, 2-2 entnommenen Leistung bei. Sollte nämlich der erste niedrigere
Spannungsschutz im Falle einer Überlast nicht adäquat funktionieren, wird
in solch einer Überlastsituation das Abschalten der Stromquelle durch das
Sperrsignal am Eingang 18 durch den Teiler 22 verhindert, was zu einem
zuverlässigen Funktionieren des Wandlers 1 führt.
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Es besteht ein Vorteil darin, daß der Wandler 1 keine zusätzlichen, mit
dem öffentlichen Netz zu verbindenden Einrichtungen benötigt. Vorzugsweise
ist der Wandler 1 in CMOS integriert, was einen sehr geringen Verlust der
verschiedenen Schaltungen des Wandlers 1 ermöglicht und die
Massenproduktion des Wandlers 1 in einer kompakten und preiswerten Weise
erlaubt.