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Die Erfindung bezieht sich auf einen Sperrwandler mit einem Übertrager, mit einer Pnmar- wicklung sowie mit zumindest einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung in Sene mit einem gesteuerten Schalter an einer Eingangsgleichspannung liegt und der Sekundärwicklung ein Gleichrichter und ein Ladekondensator nachgeschaltet sind, mit einer Ansteuerschaltung für den Schalter die Startimpulse liefert und mit einer Detektorschaltung für das Ende der Magne- tisierungsphase, die während der Entmagnetisierungsphase die Abgabe von Startimpulsen verhindert und die nach der Entmagnetisierungsphase die Ansteuerschaltung zur Abgabe eines neuen Startimpulses aktiviert.
In dem Buch "Schaltnetzteile", W. Hirschmann und A. Hauenstein, Siemens Verlag, München, 1990, p 197 ff, ist ein Sperrwandler dieser Art beschrieben, dessen Ubertrager zur Nulldurch- gangserkennung eine eigene Wicklung besitzt. Die Spannung an dieser Wicklung wird einem Ansteuerbaustein zugeführt, welcher auch eine Schaltung zur Nachbildung des Stromes im Eingangskreis (Primärwicklung - Schalter) beinhaltet. Der Aufwand für eine getrennte Übertra- gerwicklung und auch jener für die gesamte Schaltung ist hierbei verhältnismässig hoch.
Bei einem gleichfalls der gegenständlichen Gattung angehongen, aus der DE 4310513C1 bekannt gewordenen, Sperrwandler erfolgt die Regelung im Normalbetrieb über eine auf eine zusätzliche Wicklung des Übertragers transformierte Regelspannung, welche die Taktfrequenz eines Schalttransistors bestimmt. Im Überlastfall wird uber eine zusätzliche, einen Komparator aufweisende Schutzschaltung die Ansteuerschaltung abgeschaltet und der Schalttransistor bleibt permanent gesperrt.
Das Dokument WO 94/22207 beschäftigt sich bei einem mit fester Frequenz schwingenden Sperrwandler gleichfalls mit einem Überlastschutz Zu diesem Zweck wird die an der Primärwicklung "reflektierte Spannung" gleichgerichtet und der erhaltene, an einem Kondensator liegende Spitzenwert der reflektierten Spannung wird zur Steuerung einer Stromquelle verwendet Bei zu stark ansteigendem Sekundärstrom wird die Spannung an dem Kondensator kleiner und es wird ein Strom erzeugt, der in die Regelung eingreift und dann das Tastverhältnis ändert.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen freischwingenden Sperrwandler anzugeben, der mit geringem Aufwand, insbesondere ohne zusätzliche Wicklung des Übertragers, aufgebaut werden kann, ohne dass sich - verglichen mit den bekannten Sperrwandlem - andere Nachteile einstellen
Die Aufgabe wird mit einem Sperrwandler der eingangs angegebenen Art gelost, bei welchem erfindungsgemäss die Detektorschaltung als Spannungskomparator fur die Spannung an der Pnmärspule bzw an dem Schalter ausgebildet ist.
Dank der Erfindung lässt sich eine Übertragerwicklung einsparen, und es ergibt sich ein grosser Freiraum bei der Auswahl der Ansteuer- bzw Regelschaltung
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind dem Komparator die Potentiale an den Anschlüssen der Primärspule zugeführt.
Um Schaltunsicherheiten zu vermeiden, empfiehlt es sich, dem Komparator einen Spannungs- teiler mit Offset vorzuschalten.
Zur Vermeidung von Verlusten bzw. von höherfrequenten Storungen ist es zweckmässig, wenn die Ansteuerschaltung zur Begrenzung der Frequenz auf einen vorgegebenen Maximalwert eingenchtet ist.
Eine praxisbezogene Ausführung eines Sperrwandlers, dessen Ansteuerschaltung einen Puls- breitenregler und einen RC- gesteuerten Oszillator aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Ausgang des Komparators (K) in solcher Weise auf den Oszillator (USC) wirkt, z B dem Kondensator (C) des RC- gesteuerten Oszillators parallel geschaltet ist, dass der Oszillator zur Auslosung von Startimpulses nach Feststellung des Nulldurchgangs freigegeben ist. Hierbei kann parallel zu dem Kondensator und dem Ausgang des Komparators ein Schalter liegen, dessen Steuereingang die Steuersignale für den ersten gesteuerten Schalter zugeführt sind, sodass auch bei geschlossenem Schalter kein Spannungsanstieg an dem Kondensator möglich ist.
Bei einer anderen praxisgerechten Ausführung besitzt die Ansteuerschaltung einen Vergleicher fur den Ist-Wert des Primärstromes mit einer Regelgrösse, z. B. der Abweichung der Wandler- Ausgangsspannung von einem Referenzwert, wobei zwischen dem Vergleicher und dem Steu- ereingang des Schalters ein Flipflop angeordnet ist, dessen Set-Eingang mit dem Ausgang des Komparators verbunden ist In diesem Fall kann zur Frequenzbegrenzung der Komparator über eine Schalteinrichtung mit dem Flipflop verbunden sein, wobei an einem Steuereingang der Schalteinrichtung der Ausgang eines Monoflops liegt, dessen Auslöseeingang das Ansteuersignal des Schalters zugeführt ist, wobei durch die Schaltdauer des Monoflops die Frequenzbegrenzung vorgegeben ist.
Es ist zweckmässig, wenn die Schalteinrichtung eine UND-Schaltung (UND) ist,
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deren einer Eingang an dem Ausgang des Komparators (K) und dessen anderer Eingang an dem Ausgang des Monoflops (MF) liegt
Die Erfindung samt anderen Vorteilen ist im folgenden anhand beispielsweiser Ausführungs- formen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind.
In dieser zeigen Fig 1 eine erste Ausfuhrungsform eines Sperrwandlers nach der Erfindung in einer schematischen Schaltung bzw in einem Blockschaltbild, Fig 2 in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale bei der Schaltung nach Fig. 1, Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung in einer Darstellung wie Fig. 1, Fig. 4 ein zu der Ausführung nach Fig. 3 gehöriges Diagramm, analog zu Fig. 2, Fig 5 eine dritte Ausführungsform der Erfindung in einer Darstellung entsprechend Fig 1 und Fig. 3 und die Fig 6 und 7 Diagramme von Signalverläufen bei der Ausführung nach Fig 5 entsprechend Fig. 2 bzw. 4.
Gemass Fig 1 besitzt der Sperrwandler nach der Erfindung einen Übertrager Tr mit einer Pn märwicklung Wp und mit einer Sekundärwicklung Ws. Tatsächlich konnen aber mehrere Sekundärwicklungen für unterschiedliche bzw. galvanisch getrennte Spannungen vorgesehen sein Die Pnmärwicklung Wp liegt mit ihrem einen Ende an einem Pol einer Eingangsgleichspannung Up, ihr anderes Ende liegt über einen gesteuerten Schalter T1, hier ein Schalttransistor, und einen Sensorwiderstand Rs an Masse bzw. an dem anderen Pol der Eingangsgleichspannung Up.
Sekundärseitig ist der Wicklung Ws ein Gleichrichter Ds und ein Ladekondensator Cs nachge- schaltet An letzterem liegt die Ausgangsgleichspannung Us, die auf die Last, hier als Widerstand RL gezeigt, wirkt.
Der gesteuerte Schalter T1 wird von einer Ansteuerschaltung A angesteuert, die eine Ansteu- erspannung UAS liefert - hier an das Gate des Transistors T1. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Ansteuerschaltung A einen Oszillator OSC mit einem externen, frequenzbestimmenden RC- Glied, bestehend aus einem Widerstand Rc und einem Kondensator Cc auf Der Kondensator Cc wird über den Widerstand R von einer Referenzspannungsquelle Ref mit einer Spannung URef aufgeladen. Die Spannung an dem Kondensator Cc ist mit U bezeichnet.
Die Ausgangsimpulse des Oszillators OSC sind dem Set-Eingang eines Flipflops FF zugeführt, dessen Ausgang an einer Treiberstufe DR liegt, welche die Startimpulse, d. h. die Spannung UAs für den Schalter T1 liefert
An dem Reset-Eingang des Flipflop FF liegt der Ausgang eines Pulsweitenmodulator- Komparators PWM, dessen beiden Eingängen die folgenden Signale zugeführt sind Die Spannung URS die an dem Sensorwiderstand Rs liegt, sowie die Ausgangsspannung Uf eines Fehlerver- stärkers Vf An einem Eingang des Fehlerverstärkers Vf liegt eine konstante Referenzspannung, in diesem Fall dieselbe Referenzspannung URef die für den Oszillator OSC verwendet wird, und an seinem anderen Eingang der Ausgang eines Fehlerverstärker-Netzwerkes Nf für die Ausgangsgleichspannung Us, die hier dem Netzwerk Nf unmittelbar zugeführt ist.
Vom Ausgang des Fehlerverstärkers Vf führt eine Gegenkopplungsleitung zum Netzwerk Nf In bekannter Weise könnte hier jedoch auch ein nicht gezeigter Optokoppler oder dergleichen zwischengeschaltet sein Soweit bis hierher beschrieben, entspricht die Schaltung im wesentlichen dem Stand der Technik
Es ist weiters ein Nulldurchgangsdetektor vorgesehen, der aus einem Spannungskomparator K mit einem vorgeschalteten Spannungsteiler ST besteht.
Der Ausgang des Komparators K liegt an dem Kondensator CC (Spannung UC Dem nicht invertierenden Eingang des Komparators ist über einen Spannungsteiler R, 1, 1R die an dem einen Ende der Wicklung Wp liegende Eingangsgleichspannung Up zugeführt, dem invertierenden Eingang über einen Spannungsteiler R,R die an dem anderen Ende der Wicklung Wp liegende Spannung uT Die entsprechend verminderten Spannungen an den Eingängen des Komparators K sind mit Up und Ur bezeichnet Im vorliegenden Beispiel ist somit 1 1
EMI2.1
2 2,1
Dem Ausgang des Komparators K parallel liegt ein zweiter, gesteuerter Schalter T2, in diesem Fall gleichfalls ein Transistor, dessen Steuereingang (Basis), allenfalls über einen Widerstand Re, an dem Ausgang der Treiberstufe DR liegt.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auch auf Fig. 2 die Funktion der Schaltung beschrieben
Im Augenblick des Anschaltens des Sperrwandlers an die Eingangsgleichspannung Up ist UT = Up und wegen der Dimensionierung des Spannungsteilers ist Up > UT (Fig. 2a), wodurch gewährleistet ist, dass der Komparator K mit Sicherheit ausgeschaltet ist.
Der Komparatorausgang ist hochohmig, sodass der Kondensator CC über den Widerstand RC aufgeladen wird. Überschreitet Uc eine Schwellenspannung U1, wird ein Startimpuls aktiviert (Fig. 2b, c), sodass der Transistor T1 und der Kleinsignaltransistor T2 leitend werden UC entspricht nun der Sättigungsspannung des
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Transistors T2, auf welcher Uc während der Zeit t1 bleibt (Fig 2c) Dies bedeutet, dass kein weiterer Startimpuls freigegeben wird, solange UAS "high" ist
Nun steigt der Primärstrom UP mit der Steigung Up/Lp, wobei Lp die Induktivität der Primär- wicklung Wp ist, an und linear dazu die Spannung URS bis UAs den Wert Uf erreicht (Fig 2d), wodurch uber den Verstärker Vf, den Komparator PWM das Flipflop FF und den Treiber DR beide Schalter T1,
T2 abgeschaltet werden
In der nun anschliessenden Entmagnetisierungsphase ist Ur > UP der Komparator K ist ein- geschaltet und übernimmt die Rolle des abgeschalteten Schalters T2, nämlich ein Blockieren von Startimpulsen während der Entmagnetisierungsphase Am Ende der Magnetisierungsphase wird UT Up' und der Komparator K schaltet aus, wodurch der Kondensator Cc über den Widerstand R wieder aufgeladen werden kann Sobald die Kondensatorspannung Uc die Spannung U1 wieder übersteigt, d.h Uc > U1, wird ein neuer Startimpuls freigegeben und der nächste Zyklus beginnt Die Werte von R und C müssen so gewählt werden, dass die Anstiegsdauer der Spannung Uc grösser als die Verzögerungszeit des Komparators ist
Ein geregelter, frei schwingender Sperrwandler nach dem Stand der Technik und auch nach der oben beschriebenen erfindungsgemässen Ausführungsform weist die Eigenschaft auf,
dass seine Schaltfrequenz sowohl mit steigender Eingangsspannung als auch mit sinkender Belastung steigt, um die Ausgangsspannung konstant zu halten. Dieses Ansteigen der Frequenz über einen bestimmten Wert ist jedoch unerwünscht, da es einerseits zu Verlusten im Entlastungsnetzwerk (Snubber- Schaltung) und andererseits zu hochfrequenten Störungen führt, die zusätzliche, teure Abschirmungsmassnahmen erfordern.
Die Schaltung nach Fig. 3, mit zugehörigen Signalabläufen in Fig. 4, verhindert daher ein An- steigen der Schaltfrequenz über einen vorgebbaren Wert Die Schaltung entspricht in ihren we- sentlichen Bauteilen und in ihrer Funktion jener nach Fig. 1, sodass für gleiche Bauteile auch gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
Es ist ein zusätzlicher Komparator K' vorgesehen, dessen Ausgang am Eingang des Oszillators OSC (Spannung Uc) liegt Der nicht invertierende Eingang dieses Komparators K' liegt an einem Anschluss eines Kondensators CB, dessen anderer Anschluss mit Masse verbunden ist Der Kondensator CS dem nun der Schalter T2 parallelgeschaltet ist, kann von einer Referenzspannung
EMI3.1
Spannungsteiler R1-R1 halbiert und dem invertierenden Eingang des Komparators K' zugeführt.
Der zweite Komparator K' verhindert die Abgabe von Startimpulsen, falls die Entmagnetisierungsphase eine bestimmte Zeit unterschreitet. Nach Abschalten des Schalters T1 öffnet der Schalter T2 und der Kondensator CB kann nun über RS aufgeladen werden, wobei sich die Spannung UCS nach folgender Gleichung ergibt
EMI3.2
Sobald die Spannung UCB den Wert 0,5-URef erreicht bzw übersteigt (Fig. 4e), schaltet der Komparator K' aus, Uc kann wieder ansteigen, und weitere Startimpulse werden freigegeben Ein solches Freigeben der Startimpulse durch den Komparator K' kann somit erst nach Verstreichen der Zeitdauer TB, mit
EMI3.3
erfolgen. TS lässt sich durch Wahl der Werte von RB und cB ändern. Für TB sollte jedoch gelten-
EMI3.4
wobei Ns, Np die sekundären und primären Wicklungszahlen und LPS der primäre Spitzenstrom bei Nennlast sind.
Hierdurch ist das freie Schwingen (im Gegensatz zu fester Frequenz) sichergestellt.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Sperrwandlers dargestellt, die - abweichend von den Ausführungen nach Fig. 1 und Fig. 3 - keinen RC- Oszillator verwendet.
Die Schaltung entspricht sekundärseitig jener nach Fig 1 bzw. Fig. 3, ebenso sind das Netzwerk Nf, der Fehlerverstärker Vf, der Pulsweitenmodulator-Komparator PWM, das Flipflop FF, die Treiberstufe DR, der Komparator K mit Spannungsteiler ST sowie der Sensorwiderstand Rs vorhanden.
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Der Ausgang der Treiberstufe DR ist ausser mit dem Steuereingang des Schalters T1 auch mit dem Eingang eines von der negativen (oder positiven) Flanke gesteuerten Monoflops MF ver- bunden, dessen (invertierender) Ausgang zu einem Eingang einer UND-Schaltung UND führt An dem anderen Eingang der UND-Schaltung liegt der Ausgang des Komparators K, der hier mit einem Pull- Up-Widerstand Rp gezeichnet ist. Der Ausgang der UND-Schaltung führt zu dem Set- Eingang des Flipflop FF.
Bei Einschalten ist Up = UT daher Up' = 1,1 Ur und der Komparator K schaltet über den Set- Eingang des Flipflop FF und den Treiber DR den Schalter T1 ein Der Strom in der Primärwicklung Wp steigt (siehe z B Fig. 2d). Sobald die dem Primärstrom LP proportionale Spannung den Wert Uf erreicht, wird über den Komparator PWM an den Reset-Eingang des Flipflop FF ein Signal gegeben, das Flipflop FF setzt zurück und der Schalter T1 öffnet. Nun erfolgt der bereits weiter oben beschriebene Spannungsanstieg am offenen Schalter T1. Mittlerweile ist über den Abschwächer ST und den Komparator K dessen Ausgang auf Null gegangen, und am Set-Eingang des Flipflop FF liegt keine Spannung an.
Nach der Entmagnetisierungsphase geht die Spannung UT wieder auf Up und - wegen des Offsets des Abschwächers ST - die Spannung UT unter UP sodass der Komparator K umschaltet und ein Signal an den Set-Eingang des Flipflop FF abgibt, wodurch ein neuer Zyklus beginnt.
Zur Frequenzbegrenzung, die in ihrer Funktion jener nach der Ausführung der Fig. 3 entspricht, ist das Monoflop MF mit der Taktlänge To vorgesehen. Sobald das Monoflop MF über die Spannung UAS am Ausgang der Treiberstufe DR ausgeschaltet wird, beginnt der Impuls mit der Dauer To. Die Verknüpfung des (Invertierten) Ausganges des Komparators K führt dazu, dass während der Zeitdauer To ein Ausgangssignal des Komparators K nicht an den Set-Eingang des Flipflop FF gelangen kann. Die Zeitdauer To entspricht somit der Zeit TB bei der Ausführung nach Fig. 3. In Fig. 6 ist der Signalverlauf im Normalbetrieb dargestellt (analog zu Fig. 2), wogegen Fig.
7 den Signalverlauf im Falle der Frequenzbegrenzung darstellt (analog zu Fig 4) Bei einem mit positiven Flanken gesteuerten Monoflop MF entspricht To der Dauer t1 + TB.
Patentansprüche :
1. Sperrwandler mit einem Übertrager (Tr), mit einer Primärwicklung (Wp) sowie mit zumin- dest einer Sekundärwicklung (Ws), wobei die Primärwicklung in Serie mit einem gesteuerten Schalter (T1) an einer Eingangsgleichspannung (Up) liegt und der
Sekundärwicklung ein Gleichrichter (Ds) und ein Ladekondensator (Cs) nachgeschaltet sind, mit einer Ansteuerschaltung (A) für den Schalter (T1) die Startimpulse liefert, und mit einer Detektorschaltung (ST, K) für das Ende der Magnetisierungsphase, die während der
Entmagnetisierungsphase die Abgabe von Startimpulsen verhindert und die nach der
Magnetisierungsphase die Ansteuerschaltung zur Abgabe eines neuen Startimpulses aktiviert, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorschaltung als Spannungskomparator (K) für die Spannung an der Primärspule (Wp) bzw. an dem Schalter (T1) ausgebildet ist.