WO1998020611A1

WO1998020611A1 - Stromversorgungsschaltung

Info

Publication number: WO1998020611A1
Application number: PCT/EP1997/006028
Authority: WO
Inventors: Günther Bergk; Hartmut Loth-Krausser
Original assignee: Braun Aktiengesellschaft
Priority date: 1996-11-07
Filing date: 1997-10-31
Publication date: 1998-05-14
Also published as: DE19645783A1

Abstract

Es ist eine an einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz betreibbare Stromversorgungsschaltung beschrieben, bei der einer aus dem Netz gewonnene Versorgungsspannung an einer Reihenschaltung aus der Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors (1) und einer Last (20) anlegbar ist. Die Stromversorgungsschaltung enthält ferner eine Ansteuerschaltung (40) zur Ansteuerung des ersten Transistors (1), um den Stromfluß durch die Last (20) zur steuern. Außerdem weist die Stromversorgungsschaltung eine Sensorschaltung (33) zur Detektion von der Versorgungsspannung überlagerten Spannungsspitzen auf, die mit einem Steuereingang der Ansteuerschaltung (40) verbunden ist. Die Ansteuerschaltung (40) legt aufgrund eines von der Sensorschaltung (33) gelieferten Signals die Basis der ersten Transistors (1) auf ein mit dem Emitterpotential des ersten Transistors vergleichbares Potential.

Description

Stromversorαunαsschaltunα

Die Erfindung bezieht sich auf eine an einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz betreibbare Stromversorgungsschaltung, insbesondere ein elektronisches Schaltnetzteil.

Aus der DE 36 1 8 221 C2 ist eine derartige Stromversorgungsschaltung, nämlich ein primär getakteter Sperrwandler bekannt, der mit einer über eine Gleichrichter-Brückenschaltung aus einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz gewonnenen Versorgungsspannung betrieben wird. Dieser Sperrwandler enthält einen ersten Transistor 1 , dessen Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe mit einer als Last wirkenden Primärspule 51 eines Übertragers und einem Emitterwiderstand 21 an die Versorgungsspannung U_g gelegt ist. Ferner enthält dieses Schaltnetzteil einen Ansteuer-Transistor 2, mit dem der Stromfiuß durch den ersten Transistor 1 und die Last steuerbar ist.

Um die derzeit gültigen Bestimmungen einhalten zu können, müssen derartige Schaltungen so ausgelegt sein, daß sie der Netzspannung überlagerte Spannungsspitzen von ca. 1 000 Volt schadlos aushalten können. Bei der oben kurz beschriebenen bekannten Schaltung bedeutet dies, daß vor allem der erste Transistor 1 eine genügend große Überspannungsfestigkeit aufweisen muß. Diese Überspannungsfestigkeit ist jedoch abhängig von der Potentialdifferenz zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors. Sind nämlich die Basis und der Emitter hinreichend niederohmig miteinander verbunden, ist die Spannungsfestigkeit der Kollektor-Emitter-Strecke viel höher als bei offener Basis. Die maximale Spannungsfestigkeit wird nicht nur erreicht, wenn die Basis und der Emitter kurzgeschlossen sind, sondern auch wenn sich die Basis auf niedrigerem Potential als der Emitter befindet. Da es bei einer im Betrieb befindlichen Stromversorgungsschaltung nicht vorhersehbar ist, ob ein Störimpuls gerade dann auftritt, wenn die Basis offen ist, müssen Maßnahmen ergriffen werden, die bei jedem Betriebszustand eine Zerstörung des Transistors verhindern. Dies könnte natürlich dadurch erfolgen, daß ein entsprechend überspannungsfester Transistor verwendet wird. Da es jedoch in der Praxis auch wesentlich auf beispielsweise den Wirkungsgrad oder die Schaltzeiten des Transistors ankommt, kann es sinnvoll sein, einen ganz bestimmten Transistor einzusetzen, der zwar alle anderen gewünschten Eigenschaften nicht jedoch die erforderliche Überspannungsfestigkeit besitzt. In diesem Fall muß die für die Schaltung geforderte Überspannungsfestigkeit auf andere Weise erzielt werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungsschaltung anzugeben, die unabhängig von der Spannungsfestigkeit des verwendeten Transistors die Bestimmungen hinsichtlich ihrer Überspannungsfestigkeit einhält.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Sensorschaltung, die beispielsweise durch Störimpulse erzeugte Spannungsspitzen auf der Versorgungsspannung detektiert und mittels einer Ansteuerschaltung den gefährdeten Transistor in seinen Zustand maximaler Spannungsfestigkeit bringt.

Bei einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung der Sensorschaltung besteht diese aus einem Kondensator, der mit seinem einen Anschluß an einen Pol der Versorgungs- spannungsquelle und mit seinem anderen Anschluß an den Steuereingang der Ansteuerschaltung angeschlossen ist. Diese Sensorschaltung reagiert auf den durch einen Störimpuls hervorgerufenen steilen Spannungsanstieg, der unverzögert auf die Ansteuerschaltung übertragen wird. Mittels der Ansteuerschaltung wird daraufhin die Basis des gefährdeten ersten Transistors mit einer niedrigen Impedanz abgeschlossen.

Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungen liefert die Sensorschaltung erst dann ein Signal an die Ansteuerschaltung, wenn die Größe einer Spannungsspitze einen bestimmten Schwellwert übersteigt. Die Sensorschaltung besteht dann beispielsweise aus einer Reihenschaltung eines Widerstands mit einem Varistor oder einer Zener- oder Tran- sil-Diode, wobei das eine Ende der Sensorschaltung mit dem einen Pol der Versorgungs- spannungsquelle und das andere Ende der Sensorschaltung mit dem Steuereingang der Ansteuerschaltung verbunden ist. Die Sensorschaltung kann jedoch auch aus einer Reihenschaltung eines Widerstands mit der Schaltstrecke eines dritten Transistors bestehen, wobei der Steuereingang des dritten Transistors mit demselben Ende der Sensorschaltung verbunden ist wie die Schaltstrecke des dritten Transistors. Ferner kann die Sensorschaltung aus einer Reihenschaltung zweier Widerstände, d.h. einem Spannungsteiler, bestehen, wobei der Verbindungspunkt der beiden Widerstände mit dem Steuereingang der Ansteuerschaltung verbunden ist, das Bezugspotential des Spannungsteilers jedoch nicht unbedingt mit dem Bezugspotential der Ansteuerschaltung identisch sein muß.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Stromversorgungsschaltung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für die in Fig. 1 schematisch dargestellte Ansteuerschaltung;

Fig. 3 eine aus einem Kondensator bestehende Sensorschaltung;

Fig. 4 eine aus einer Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Zener-Diode bestehende Sensorschaltung;

Fig. 5 eine aus einer Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Transil-Diode bestehende Sensorschaltung;

Fig. 6 eine aus einer Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Varistor bestehende Sensorschaltung;

Fig. 7 eine aus einer Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Bipolartransistor bestehende Sensorschaltung;

Fig. 8 eine aus einer Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem MOS-Transistor bestehende Sensorschaltaung;

Fig. 9 eine aus einem Spannungsteiler bestehende Sensorschaltung;

Fig. 1 0 ein Beispiel für eine erste erfindungsgemäße Stromversorgungsschaltung;

Fig. 1 1 ein Beispiel für eine zweite erfindungsgemäße Stromversorgungsschaltung.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Stromversorgungsschaltung enthält einen ersten Transistor 1 , dessen Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe mit einer Last 20 an die Anschlüsse einer Versorgungsspannungsquelle geschaltet ist. Ferner enthält die Stromversorgungsschaltung eine Sensorschaltung 33 und eine Ansteuer- Schaltung 40. Ein Anschluß 3 der Sensorschaltung, ein Anschluß 6 der Ansteuerschaltung 40 sowie der Emitter des Transistors 1 0 sind mit dem einen Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Ein Anschluß 1 des Sensorschaltung ist mit dem anderen Pol der Versorgungsspannungsquelle und einem Ende der Last 20 verbunden. Die Sensorschaltung 33 weist ferner einen Ausgangsanschluß 2 auf, der mit einem Steuereingang 4 der Ansteuerschaltung 40 verbunden ist. Die Ansteuerschaltung 40 weist einen Ausgangsanschluß 5 auf, der mit der Basis des Transistors 10 verbunden ist. Bei einer anderen Ausführung besitzt die Sensorschaltung nur die Anschlüsse 1 und 2. In den Figuren 1 bis 9 sind die Anschlüsse der Sensorschaltung 33 und der Ansteuerschaltung 40 jeweils mit den oben erwähnten Bezugszeichen versehen, so daß in an sich selbst erklärender Weise erkennbar ist, wie die in den Figuren 2 bis 9 dargestellten Schaltungsteile zu der in Fig. 1 nur schematisch dargestellten Stromversorgungsschaltung zusammenzuschalten sind.

Fig. 2 zeigt nur einen Transistor als erfindungsrelevanten Teil der Ansteuerschaltung 40, wobei der Steuereingang 4 der Ansteuerschaltung 40 mit der Basis des Transistors und der Ausgangsanschluß 5 der Ansteuerschaltung 40 mit dem Kollektor des Transistors verbunden ist. Der Emitter des Transistors ist mit dem Anschluß 6 der Ansteuerschaltung verbunden.

Die in den Figuren 3 bis 8 dargestellten Sensorschaltungen weisen lediglich zwei Anschlüsse auf, wobei bei diese Sensorschaltungen enthaltenden Stromversorgungsschaltungen der Anschluß 1 mit dem einen Pol der Versorgungsspannungsquelle und der Anschluß 2 mit dem Steuereingang 4 der Ansteuerschaltung 40 verbunden ist. Die in Fig. 9 dargestellte Sensorschaltung besteht aus einem Spannungsteiler mit einem ersten Widerstand R1 und einem zweiten Widerstand R2, die hintereinander zwischen die Anschlüsse 1 und 3 der Sensorschaltung geschaltet sind. Der Ausgangsanschluß 2 der Sensorschaltung ist mit dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände R1 , R2 verbunden. Bei einer anderen in den Figuren nicht dargestellten Ausführung der erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung liegt der Anschluß 3 der Sensorschaltung nicht auf demselben Potential wie der Anschluß 6 der Ansteuerschaltung 40.

Die Sensorschaltungen gemäß den Figuren 4 bis 8 weisen jeweils eine Hintereinanderschaltung aus einem Strombegrenzungswiderstand R und einem einen Spannungs- schwellwert definierenden weiteren Bauelement auf, das im Fall der Fig. 4 eine Ze- ner-Diode, in Fig. 5 eine Transil-Diode, in Fig. 6 ein Varistor, in Fig. 7 ein Bipolartransistor und in Fig. 8 ein MOS-Transistor ist. Dabei ist jeweils der Anschluß 1 der Sensorschaltungen mit dem einen Ende des Strombegrenzungswiderstands R verbunden, und der Anschluß 2 der Sensorschaltung mit dem weiteren Bauelement. Bei der Ausführung gemäß Fig. 7 ist die Basis des Bipolartransistors mit dem Emitter und dem Anschluß 2 der Sensorschaltung verbunden; bei der Sensorschaltung nach Fig. 8 sind analog Gate und Source mit dem Anschluß 2 verbunden. Die Numerierung der Anschlüsse der in den Figuren 3 bis 9 dargestellten Sensorschaltungen ist so zu verstehen, daß bei anderen Ausführungen für erfindungsgemäße Sensorschaltungen die in den Figuren 3 bis 8 dargestellten Sensorschaltungen den in Fig. 9 dargestellten ersten Widerstand R1 ersetzen können.

Die in Fig. 10 dargestellte erfindungsgemäße Stromversorgungsschaltung unterscheidet sich von der aus der DE 36 18 221 C2 bekannten Schaltung lediglich durch Hinzufügen der Sensorschaltung 33' gemäß Fig. 4.

Das in Fig. 1 0 dargestellte Schaltnetzteil weist somit einen primär getakteten Sperrwandler mit einem Übertrager 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 1 im Übertrager gespeicherte Energie in den Verbraucher, 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 ein Gleichstrommotor ohne einen Akkumulator, muß dem Motor zur Glättung der Ausgangsspannung ein Kondensator parallel geschaltet werden. Der Sperrwandler wird über eine Gleichrichter-Brückenschaltung und einen Widerstand 28 aus einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz gespeist, dessen Spannung zwischen 100 und 250 Volt, im Extremfall aber auch 1 2 Volt, und dessen Frequenz im Falle eines speisenden Wechselspannungsnetzes nahezu beliebig sein kann, variieren kann. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung wird über eine Längsdrossel 8 und einen Querkondensator 9 an den Eingang des Sperrwandlers bzw. der Steuer- und Regelelektronik gelegt. Die gleichgerichtete Spannung U_g liegt an der Reihenschaltung der Primärwicklung 51 des Übertragers, der Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Transistros 1 und dem ersten Widerstand 21 . Die Basis des ersten Transistors 1 ist sowohl über die Reihenschaltung eines Widerstandes 26 und eines Kondensators 1 2 mit dem einen Anschluß der Sekundärwicklung 52 des Übertragers als auch über einen Widerstand 25 mit dem positiven Potential der gleichgerichteten Spannung U_g verbunden. Darüberhinaus ist die Basis des ersten Transistors 1 über die Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten Transistors 2 mit Masse- oder Bezugspotential verbunden.

Der Emitter des ersten Transistors ist über den ersten Widerstand 21 mit Masse- oder Bezugspotential verbunden. Die mit B bezeichnete Verbindung zwischen dem Emitter des ersten Transistors 1 und dem ersten Widerstand 21 liegt über die Parallelschaltung eines Kondensators 1 1 mit einem zweiten Widerstand 22 und einen in Reihe geschalteten weiteren Widerstand 23 am positiven Pol der Eingangsspannungsquelle. Der Verbindungspunkt des Widerstands 23 mit der Parallelschaltung aus Kondensator 1 1 und zweitem 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 zweiten Transistors 2 mit Bezugspotential verbunden. Die Zenerdiode 30 erlaubt eine definiertere Festlegung der Schaltschwelle des zweiten Transistors 2. Wird die Zenerdiode 30 weggelassen, d. h. die Basis des zweiten Transistors 2 direkt mit dem Punkt A verbunden, kann auch der Widerstand 24 entfallen. Der Wert des Widerstands 21 wird dann, bei sonst gleicher Dimensionierung, entsprechend kleiner. Der Wickelsinn der Primär- und Sekundärwicklung 51 bzw. 52 des Übertragers ist durch die eingetragenen Punkte bestimmt.

Die Schaltung kann auch so aufgebaut werden, daß der Akkumulator zusätzlich zu dem durch die Sekundärwicklung fließenden Sekundärstrom auch noch von dem durch die Primärwicklung fließenden Primärstrom durchflössen wird. Der Akkumulator 61 ist dann zwischen den Widerstand 21 und Bezugspotential geschaltet und das eine Ende der Sekundärwicklung 52 an den Verbindungspunkt zwischen Akkumulator 61 und Widerstand 21 geführt.

Die Funktionsweise des elektronischen Schaltnetzteils ist aus der DE 36 1 8 221 C2 bekannt, und braucht daher nicht näher erläutert zu werden.

Die bevorzugte erfindungsgemäße Stromversorgungsschaltung ist in Fig. 1 1 dargestellt. Sie unterscheidet sich von der aus der DE 36 1 8 221 C2 bekannten Schaltung lediglich durch Hinzufügen der Sensorschaltung 33" gemäß Fig. 3, d.h. dem Widerstand 23 ist ein Kondensator parallelgeschaltet. Bei einer anderen erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung ist die bekannte Schaltung, die ja in Form des Ansteuer-Transistors 2 bereits eine Ansteuerschaltung enthält, durch Hinzufügen einer erfindungsgemäßen Sensorschaltung und einer weiteren Ansteuerschaltung modifiziert, die ebenfalls den ersten Transistor 1 ansteuert, d.h. im Falle eines Störimpulses die Basis des ersten Transistors unabhängig vom gerade herrschenden Betriebszustand der Stromversorungsschaltung auf ein entsprechend niedriges Potential zieht.

Claims

Patentansprüche:

1. An einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz betreibbare Stromversorgungsschaltung, bei der eine aus dem Netz gewonnene Versorgungsspannung an einer Reihenschaltung aus der Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors und einer Last anlegbar ist, und die eine Ansteuerschaltung zur Ansteuerung des ersten Transistors aufweist, um den Stromfluß durch die Last zu steuern, d ad u rch ge k en nzei chnet, daß sie ferner eine Sensorschaltung (33) zur Detektion von der Versorgungsspannung überlagerten Spannungsspitzen enthält, daß die Sensorschaltung mit einem Steuereingang der Ansteuerschaltung (40) verbunden ist, und daß die Ansteuerschaltung aufgrund eines von der Sensorschaltung gelieferten Signals die Basis des ersten Transistors (1) auf ein mit dem Emitterpotential des ersten Transistors vergleichbares Potential legt.

2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, d ad urch ge k ennzei ch net, daß die Ansteuerschaltung (40) einen zweiten Transistor enthält, dessen Steueranschluß mit der Sensorschaltung (33) verbunden ist, und durch dessen Schaltstrecke die Basis des ersten Transistors (1) mit einer niedrigen Impedanz abgeschlossen wird, wenn die Sensorschaltung (33) im Falle einer Überspannung ein entsprechendes Signal abgibt.

3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dad u rch geken nzei ch net, daß die Sensorschaltung aus einem Kondensator besteht, der einerseits mit dem einen Pol (U_g) der Versorgungsspannungsquelle und der andererseits mit dem Steuereingang der Ansteuerschaltung verbunden ist.

4. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, d ad u rc h g eken nzei ch net, daß die Sensorschaltung aus einer Reihenschaltung eines Widerstands mit einem Varistor oder einer Zener- oder Transil-Diode besteht, und daß das eine Ende der Sensorschaltung mit dem einen Pol (U_g) der Versorgungsspannungsquelle und das andere Ende der Sensorschaltung mit dem Steuereingang der Ansteuerschaltung verbunden ist.

5. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, da d u rc h ge k en n zei ch net, daß die Sensorschaltung aus einer Reihenschaltung eines Widerstands mit der Schaltstrecke eines dritten Transistors besteht, daß das eine Ende der Sensorschaltung mit dem einen Pol (U_g) der Versorgungsspannungsquelle und das andere Ende der Sensorschaltung mit dem Steuereingang der Ansteuerschaltung verbunden ist, und daß der Steuereingang des dritten Transistors mit demselben Ende der Sensorschaltung verbunden ist wie die Schaltstrecke des dritten Transistors.

6. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, d a d urch geken n zeich net, daß die Sensorschaltung aus einem Spannungsteiler (R1, R2) besteht, über den die heruntergeteilte Versorgungsspannung dem Steuereingang der Ansteuerschaltung zuführbar ist.

7. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 6, d ad u rch ge ken n zei ch net, daß der Spannungsteiler aus einer der Sensorschaltungen nach einem der Ansprüche 3 bis 5 und einem Spannungsteilerwiderstand (R2) besteht.