DE8809723U1 - Switching power supply with a primary switched DC-DC converter - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit einem primär getakteten Gleichspannungswandler zur geregelten Speisung eines elektrischen Verbrauchers aus einer Eingangsspannungsquelle unterschiedlicher Spannung, bei der die Primärwicklung eines Übertragers über die Hauptstromstrecke eines ersten steuerbaren Halbleiters und einen ersten Widerstand mit der Eingangsspannungsqueli« in Verbindung steht, bei der eine Sekundärwicklung des Übertragers den Verbraucher speist und eine sekundärseitige Rückkopplung auf die Steuerelektrode des ersten steuerbaren Halbleiters vorgesehen ist und bei der die Leitfähigkeit tines zweiten steuerbarer Halbleiters, dessen Hauptstromstrecke zwischen der Steuerelektrode des ersten steuerbaren Halbleiters und einem Pol der Efnganqsspannungsquelle liegt, von zwei Steuersignalen beeinflußbar ist, wobei das erste Steuersignal dem durch die Primärwicklunc fließenden Primärstrom und das zweite Steuersignal der Eingangsspannung proportional ist. The invention relates to a switching power supply with a primary clocked DC-DC converter for the regulated supply of an electrical consumer from an input voltage source of different voltage, in which the primary winding of a transformer is connected to the input voltage source via the main current path of a first controllable semiconductor and a first resistor, in which a secondary winding of the transformer feeds the consumer and a secondary-side feedback to the control electrode of the first controllable semiconductor is provided, and in which the conductivity of a second controllable semiconductor, the main current path of which lies between the control electrode of the first controllable semiconductor and a pole of the input voltage source, can be influenced by two control signals, the first control signal being proportional to the primary current flowing through the primary winding and the second control signal to the input voltage.
Eine solche Schaltungsanordnung ist aus dem "Applikationsbucr Band 2", zweite Auflage, herausgegeben von Texas Instrument« Deutschland GmbH, 1978, Seiten 132 bis 135, insbesondere Abbildung 19 und 20 bekannt. Bei dieser Schaltungsanordnung wird das zweite, der Eingangsspannung proportionale Steuersignal aus einen aus zwei Widerständen bestehenden Spannungsteiler (R5/R6 in Abb. 19), aer zwischen den beiden Polen der Eingangsspanmingsquellf liegt, gewonnen und der Steuerelektrode eines Thyristors al; zweitem steuerbaren Halbleiter zugeführt. Über einen weiteren Widerstand wird das erste, dem Primärstrom proportionale Steuersignal ebenfalls an die Steuerelektrode des Thyristors geführt. DcSuch a circuit arrangement is known from the "Application Book Volume 2", second edition, published by Texas Instruments Deutschland GmbH, 1978, pages 132 to 135, in particular Figures 19 and 20. In this circuit arrangement, the second control signal, which is proportional to the input voltage, is obtained from a voltage divider consisting of two resistors (R5/R6 in Figure 19), which is located between the two poles of the input voltage source, and is fed to the control electrode of a thyristor as a second controllable semiconductor. The first control signal, which is proportional to the primary current, is also fed to the control electrode of the thyristor via a further resistor. Dc
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der rein ohmsche Spannungsteiler über der Eingangsspannung liegt und je nach der Eingangsimpedanz des zweiten steuerbaren Halbleiters und der Impedanz der Zuführung des ersten Steuersignals vergleichsweise niedero'/Miig sein muß, ergibt sich vor allem bei hohen Eingangsspannungen eine verhältnismässig große Verlustleistung. Die sekundärseitige Rückkopplung auf die Steuerelektrode des ersten steuerbaren Halbleiters erfolgt hier über eine zweite Sekundärwicklung (Nl).the purely ohmic voltage divider is above the input voltage and must be comparatively low depending on the input impedance of the second controllable semiconductor and the impedance of the supply of the first control signal, a relatively high power loss results, especially at high input voltages. The secondary-side feedback to the control electrode of the first controllable semiconductor takes place here via a second secondary winding (Nl).
Schaltungsanordnungen der gleichen Gattung, bei denen im Vergleich zur vorher genannten Veröffentlichung bereits eine Reduzierung der Verlustleistung erfolgt, sind aus der EP 0 030 026 Bl und der DE 36 18 221 Cl bekannt. In der EP 0 030 026 Bl wird eine Verringerung der Verlustleistung dadurch bewirkt, daß das zweite Steuersignal, das der Eingangsspannung proportional ist, aus der Sekundärwicklung gewonnen wird. Allerdings stellt hier die Gegenkopplungsanordnung eine Parallelschaltung für die beiden Steuersignale dar. Eine weitere Verbesserung stellt die aus der DE 36 18 221 Cl bekannte Anordnung dar. Bei dieser Anordnung sind die beiden Steuersignale in Reihe geschaltet, wodurch - trotz Gewinnung des der Eingangsspannung proportionalen Steuersignals aus dem Primärkreis (wie in dem Applikationsbuch von Texas Instruments) - die Verlustleistung reduziert wird.Circuit arrangements of the same type, in which a reduction in power loss is already achieved compared to the previously mentioned publication, are known from EP 0 030 026 Bl and DE 36 18 221 Cl. In EP 0 030 026 Bl, a reduction in power loss is achieved by obtaining the second control signal, which is proportional to the input voltage, from the secondary winding. However, here the negative feedback arrangement represents a parallel circuit for the two control signals. A further improvement is the arrangement known from DE 36 18 221 Cl. In this arrangement, the two control signals are connected in series, which reduces the power loss despite obtaining the control signal proportional to the input voltage from the primary circuit (as in the Texas Instruments application book).
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Schaltnetzteil der eingangs genannten Art die Verlustleistung weiter zu verringern.The object of the invention is to further reduce the power loss in a switching power supply of the type mentioned above.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen der Sekundärwicklung und dem Verbindungspunkt des ersten Widerstands mit einer Hauptelektrode des ersten steuerbaren Halbleiters eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die einen Kondensator aufweist, an dessen einem Ende während der Flußphase des ersten steuerbarenThis object is achieved in that between the secondary winding and the connection point of the first resistor with a main electrode of the first controllable semiconductor, a circuit arrangement is provided which has a capacitor at one end of which during the flow phase of the first controllable
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Halbleiters die Summe der beiden Steuersignale anliegt und diese die Leitfähigkeit des zweiten steuerbaren Halbleiters beeinflußt.The sum of the two control signals is present at the semiconductor and this influences the conductivity of the second controllable semiconductor.
Diese Lösung ermöglicht ein sehr verlustarmes Konstanthalten des Ausgangsstroms über einen großen Eingangsspannungsbereich von etwa 1:3, also beispielsweise von 100 Volt bis 300 Volt, da zum einen das zweite Steuersignal aus der Sekundärseite des Netzteils gewonnen wird und zum anderen beide Steuersignale in Reihe geschaltet sind.This solution enables the output current to be kept constant with very low losses over a large input voltage range of about 1:3, for example from 100 volts to 300 volts, since on the one hand the second control signal is obtained from the secondary side of the power supply and on the other hand both control signals are connected in series.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
Im folgenden wird an Hand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es zeigen:In the following, an example of implementation is shown with reference to the drawings
explained in more detail. They show:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel mit einem Motor und einem Akkumulator als Verbraucher, bei dem auch der Primärstrom über den Verbraucher fließt undFig. 1 an embodiment with a motor and an accumulator as a consumer, in which the primary current also flows via the consumer and
Fig. 2 den Kurvenverlauf der Spannung am Kondensator (Punkt A in Fig. 1) bei unterschiedlichen Eingangsspannungen. Fig. 2 shows the curve of the voltage at the capacitor (point A in Fig. 1) at different input voltages.
Das in Fig. 1 dargestellte Schaltnetzteil weist einen primär getakteten Sperrwandler mit einem Übertrager 5 und einem ersten Transistor 1 sowie einer im Lastkreis vorgesehenen Diode 31 auf, die so gepolt ist, daß die in der Sperrzeit des ersten Transistors im Übertrager 5 gespeicherte Energie in den Verbraucher 6, der hier aus einem Akkumulator 61 und aus einem über einen Schalter 63 an den Akkumulator 61 schaltbaren Gleichstrommotor 62 besteht, entladen wird. Ist der Verbraucher nur einThe switching power supply shown in Fig. 1 has a primary clocked flyback converter with a transformer 5 and a first transistor 1 as well as a diode 31 provided in the load circuit, which is polarized in such a way that the energy stored in the transformer 5 during the blocking time of the first transistor is discharged into the consumer 6, which here consists of an accumulator 61 and a DC motor 62 that can be connected to the accumulator 61 via a switch 63. If the consumer is only a
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Gleichstrof^oloi- ^ne einen Akkumulator, muß dem Motor zur Glättung der Ausgangsspannung ein Kondensator parallel geschaltst werden. Der Sperrwandler wird über eine Gleichrichter-Brtickenschaltung 4 und einen Widerstand 28 aus einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz gespeist, dessen Spannung zwischen 100 und 250 Veit, im Extremfall aber auch 12 Volt, und dessen Frequenz im Falle eines speisenden Wechsel Spannungsnetzes nahezu beliebig sein kann, variieren kann. Die gleichgerichtete Ausomgsspannung w'&ngr;&oacgr; über eine LängsdrosseT H und einen Querkondensator 9 an den Eingang des Sperrwandlers bzw. der Steuer- und Regel elektronik gelegt.If a direct current motor is used to power an accumulator, a capacitor must be connected in parallel to the motor to smooth the output voltage. The flyback converter is fed via a rectifier bridge circuit 4 and a resistor 28 from a direct or alternating voltage network, the voltage of which can vary between 100 and 250 volts, but in extreme cases also 12 volts, and the frequency of which can be almost arbitrary in the case of a feeding alternating voltage network. The rectified output voltage w'v&oacgr; is applied via a series choke T H and a shunt capacitor 9 to the input of the flyback converter or the control and regulating electronics.
Die gleichgerichtete Spannung L) liegt an der Reihenschaltung der Primärwicklung 51 des Übertragers 5, der Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Transistors 1, dem ersten Widerstand 21 und dem Verbraucher 6. Bei dieser Anordnung wird der Akkumulator 61 nicht nur von dem durch die Sekundärwicklung 52 fließenden Sekundärstrom durchflossen, sondern zusätzlich auch noch von dem durch die Primärwicklung 51 fließenden Primärstrofr,. Die Basis des ersten Transistors 1 ist sowohl über die Reihenschaltung eines Widerstandes 26 und eines Kondensators 12 mit dem einen Anschluß der Sekundärwicklung 52 des Übertragers 5 als auch über einen Widerstand 25 mit dem positiven Potential der gleichgerichteter) Spannung U verbunden. Darüberhinaus ist die Basis des ersten Transistors 1 über die Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten Transistors 2 ir.it M=><=se- oder Bezugspotential verbunden.The rectified voltage L is applied to the series connection of the primary winding 51 of the transformer 5, the collector-emitter path of the first transistor 1, the first resistor 21 and the consumer 6. In this arrangement, the accumulator 61 is not only flowed through by the secondary current flowing through the secondary winding 52, but also by the primary current flowing through the primary winding 51. The base of the first transistor 1 is connected both via the series connection of a resistor 26 and a capacitor 12 to one connection of the secondary winding 52 of the transformer 5 and via a resistor 25 to the positive potential of the rectified voltage U. In addition, the base of the first transistor 1 is connected to M or reference potential via the collector-emitter path of a second transistor 2.
Der Emitter des ersten Transistors 1 ist über den ersten Widerstand 21 und den Akkumulator 61 mit Masse- oder Bezugspotential verbunden. Die mit B bezeichnete Verbindung zwischen dem Emitter des ersten Transistors 1 und des ersten Widerstands 21 liegt über die Parallelschaltung eines Kondensators 11 mit einem zweit, &igr; The emitter of the first transistor 1 is connected to ground or reference potential via the first resistor 21 and the accumulator 61. The connection designated B between the emitter of the first transistor 1 and the first resistor 21 is via the parallel connection of a capacitor 11 with a second, &igr;
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derstand 22 und über einen weiteren Widerstand 23 und eine Diode 32 an dem Pol der Sekundärwicklung, der in der Flußphase des Transistors 1 positiv ist, im Sekundärkreis aufgrund der Polung der Diode 31 also kein Strom fließt (Sperrwandlerprinzip). Der Verbindungspunkt des Widerstands 23 mit der Parallelschaltung aus Kondensator 11 und Widerstand 22 ist mit A bezeichnet und liegt über eine Zenerdiode 30 an der Basis des zweiten Transistors 2. Über einen Widerstand 24 ist die Basis des Transistors 2 mit Bezirgspotential verbunden. Die Zenerdiode 30 erlaubt eine definiertere Festlegung der SchaltsciiwelIe des Transistors 2.resistor 22 and via a further resistor 23 and a diode 32 at the pole of the secondary winding, which is positive in the flow phase of transistor 1, so that no current flows in the secondary circuit due to the polarity of diode 31 (flyback converter principle). The connection point of resistor 23 with the parallel circuit of capacitor 11 and resistor 22 is designated A and is connected via a Zener diode 30 to the base of the second transistor 2. The base of transistor 2 is connected to the circuit potential via a resistor 24. Zener diode 30 allows a more defined setting of the switching wave of transistor 2.
Der Wickel sinn der Primär- und Sekundärwicklung 51 bzw. 52 des Übertragers 5 ist durch die eingetragenen Punkte bestimmt.The winding direction of the primary and secondary windings 51 and 52 of the transformer 5 is determined by the points entered.
Nachstehend soll die Funktionsweise des elektronischen Schaltnetzteiles näher erläutert werden.The functionality of the electronic switching power supply will be explained in more detail below.
Nach der Gleichrichtung der am Eingang der Gleichrichter-Brückenschaltung 4 anliegenden Gleich- oder Wechselspannung Ug wire der als Schalttransistor arbeitende erste Transistor 1 über der Widerstand 25 mit einem geringen Basisstrom angesteuert, in Folge dessen der erste Transistor 1 in den leitenden Zustand gesteuert ( wird. Über den Widerstand 26 und den Kondensator 12 entsteht übei die Sekundärwicklung 52 des Übertragers 5 ein Mitkopplungseffekt, durch den der erste Transistor 1 zusätzlich angesteuert um schlagartig in den vollständig leitenden Zustand geschaltet wird, Der Kollektorstrom steigt linear an und erzeugt am ersten Widerstand 21 einen dem jeweiligen Kollektorstrom proportionalen Spannungsabfall. Die am Punkt B gegen Bezugspotential anliegend« Spannung Ug entspricht dann dem Spannungsabfall am Wider· stand 21 plus der Akkumulatorspannung U , die hier die Aus gangsspannung darstellt. Zu dieser dem EmUterstrom durch deiAfter rectification of the direct or alternating voltage Ug present at the input of the rectifier bridge circuit 4, the first transistor 1, which operates as a switching transistor, is controlled via the resistor 25 with a small base current, as a result of which the first transistor 1 is controlled into the conducting state. A positive feedback effect is created via the resistor 26 and the capacitor 12 in the secondary winding 52 of the transformer 5, by means of which the first transistor 1 is additionally controlled and is suddenly switched into the fully conducting state. The collector current increases linearly and produces a voltage drop at the first resistor 21 that is proportional to the respective collector current. The voltage Ug present at point B against reference potential then corresponds to the voltage drop at the resistor 21 plus the accumulator voltage U, which here represents the output voltage. In addition to this, the emitter current through the
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Transistor 1 proportionalen Spannung Uß addiert sich die am Kondensator 11 stehende Spannung, die der Eingangsspannung U proportional ist. Die am Punkt A gegen Bezugspotential anliegende Spannung UA entspricht also einer der Eingangsspannung Ufi bzw. der Gleichspannung U proportionalen Spannung plus der Spannung U„. Diese Addition erfolgt in Form einer Reihenschaltung zweier m'ederohmiger Spannungsqueilen. Beim Erreichen einer bestimmten Spitzenspannung UA wird über die Zenerdiode 30 der zweite Transistor 2 angesteuert, gelangt dadurch in den leitenden Zustand und verbindet die Basis des ersten Transistors 1 mit Masse- bzw. Bezugspotential und entzieht damit dem ersten Transistor 1 den Basisstrom, woraufhin der erste Transistor 1 sperrt.The voltage U ß proportional to the input voltage U of transistor 1 is added to the voltage across capacitor 11. The voltage U A applied to reference potential at point A therefore corresponds to a voltage proportional to the input voltage U fi or the direct voltage U plus the voltage U ". This addition takes place in the form of a series connection of two medium-ohmic voltage sources. When a certain peak voltage U A is reached, the second transistor 2 is controlled via the Zener diode 30, thereby becoming conductive and connecting the base of the first transistor 1 to ground or reference potential, thereby removing the base current from the first transistor 1, whereupon the first transistor 1 is blocked.
Mit Beginn der Sperrphase des ersten Transistors 1 wechselt die Polarität der in der Sekundärwicklung 52 des Übertragers 5 induzierten Spannung. Die im Übertrager 5 gespeicherte Energie wird damit nach dem Prinzip des Sperrwandlers über die Diode 31 an den Akkumulator 61 abgegeben.When the blocking phase of the first transistor 1 begins, the polarity of the voltage induced in the secondary winding 52 of the transformer 5 changes. The energy stored in the transformer 5 is thus delivered to the accumulator 61 via the diode 31 according to the principle of the flyback converter.
Die Diode 32 verhindert in dieser Sperrphase des Transistors 1 eine Entladung des Kondensators 11. Bei Weglassung der Diode 32 muß die Kapazität des Kondensators 11 wesentlich größer gewählt werden.The diode 32 prevents the capacitor 11 from discharging in this blocking phase of the transistor 1. If the diode 32 is omitted, the capacitance of the capacitor 11 must be chosen to be significantly larger.
Die Widerstände 23 und 24 können hochohmig ausgeführt werden, womit, zusammen mit der verhältnismäßig kleinen Spannung an der Sekundärwicklung 52, eine sehr gering« Verlustleistung erreicht wird, da nur der geringe Ladungsverlust des Kondensators 11 durch die Ansteuerung des Transistors 2 nachgeladen werden muß. Da der Kondensator 11 für dynamische Vorgänge niederohmig ist, erhält der Transistor 2 seinen Steuerstrom aus der Reihenschaltung zweier niederohmigen Spannungsquellen.The resistors 23 and 24 can be designed with high resistance, which, together with the relatively low voltage on the secondary winding 52, results in a very low power loss, since only the small charge loss of the capacitor 11 has to be recharged by controlling the transistor 2. Since the capacitor 11 has a low resistance for dynamic processes, the transistor 2 receives its control current from the series connection of two low-resistance voltage sources.
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Für eine Akkumuiatorspannung von U,= 2,6 Volt 1st der Spannungsverlauf UA am Punkt A (Flg. 1) für gleichgerichtete Eingangsspannungen U von 100 Volt, 150 Volt, 200 Volt und 250 Volt 1n Flg. 2 dargestellt. Wie hieraus ersichtlich 1st, schaltet der Transistor 2 Immer bei der gleichen Spannung U. (ca. 5,2 Volt) durch und sperrt damit den Transistor 1, unabhängig von der Größe der anliegenden Eingangsspannung U . Dabei beeinflußt das zweite- Steuersignal sowohl die Dauer als auch die Stromamplitude des Leitzustandes des Transistors 1. Die gezeigten Kurven stellen hier die Summe der beiden Steuersignal spannungen plus der am Akkumulator anliegenden Spannung U. dar. In den Zeiten, wo beideFor a battery voltage of U, = 2.6 volts, the voltage curve U A at point A (Fig. 1) for rectified input voltages U of 100 volts, 150 volts, 200 volts and 250 volts is shown in Fig. 2. As can be seen from this, transistor 2 always switches on at the same voltage U (approx. 5.2 volts) and thus blocks transistor 1, regardless of the size of the input voltage U . The second control signal influences both the duration and the current amplitude of the conduction state of transistor 1. The curves shown here represent the sum of the two control signal voltages plus the voltage U applied to the battery. In the times when both
Transistoren 1 und 2 vollkommen gesperrt sind, verlaufen die Kurven horizontal. Zu diesen Zeiten ist der Strom durch den Widerstand Vt, d.h. der Primärstrom, null. Am Punkt B liegt dann die Akkumuiatorspannutig IL und am Punkt A die Spannung U, plus der Spannung des ".weiten Steuersignals, das von der Größe der Eingangsspannung abhängig 1st, da die an der Sekundärwicklung auftretende Spannung der Eingangsspannung U proportional ist.When transistors 1 and 2 are completely blocked, the curves are horizontal. At these times the current through the resistor Vt, ie the primary current, is zero. At point B there is then the battery voltage IL and at point A the voltage U, plus the voltage of the ".other control signal, which depends on the magnitude of the input voltage, since the voltage appearing at the secondary winding is proportional to the input voltage U.
Beginnt der Transistor 1 zu leiten, steigt die Spannung u"A infolge des Spannungsabfalls am Widerstand 21 steil an, bis die Schaltspannung für den Transistor 2 erreicht 1st. Das Durchschalten des Transistors 2 bewirkt das Sperren des Transistors 1.If transistor 1 begins to conduct, the voltage u" A rises steeply due to the voltage drop across resistor 21 until the switching voltage for transistor 2 is reached. The switching on of transistor 2 causes transistor 1 to be blocked.
Claims (6)
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Applications Claiming Priority (1)
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| DE8809723U DE8809723U1 (en) | 1988-07-30 | 1988-07-30 | Switching power supply with a primary switched DC-DC converter |
Publications (1)
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| DE8809723U1 true DE8809723U1 (en) | 1988-12-08 |
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Family Applications (1)
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| DE8809723U Expired DE8809723U1 (en) | 1988-07-30 | 1988-07-30 | Switching power supply with a primary switched DC-DC converter |
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| Country | Link |
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| DE (1) | DE8809723U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO1995012840A1 (en) * | 1993-11-03 | 1995-05-11 | Braun Aktiengesellschaft | Switched-mode power supply |
| US6608769B2 (en) | 1999-08-31 | 2003-08-19 | Braun Gmbh | Switched mode power supply with a device for limiting the output voltage |
-
1988
- 1988-07-30 DE DE8809723U patent/DE8809723U1/en not_active Expired
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