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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsoptimierung von Schaltnetzteilen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Schaltnetzteil zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Für die Versorgung elektronischer Geräte sind Netzteile notwendig, die aus dem Wechselstromnetz eine oder mehrere Gleich- oder Wechselspannungen entsprechender Grösse ableiten Bei herkömmlichen Netzteilen wird die Spannungsübersetzung und die meistens verlangte galvanische Trennung vom Netz von einem Transformator übernommen. Solche Netztransformatoren lassen sich in Volumen und Gewicht allerdings nur beschränkt reduzieren, weshalb derartige Netzteile nicht den heutigen Anforderungen einer Miniaturisierung genügen. Darüberhinaus macht im Falle einer Spannungs- oder Stromregelung die relativ hohe Verlustleistung den Einsatz grosser Kühlkörper notwendig, wodurch das Gesamtvolumen und-gewicht der Netzteile weiter erhöht wird.
Abhilfe wurde durch sogenannte Schaltnetzteile geschaffen, bei denen die Netzspannung gleichgerichtet und gesiebt wird und diese dann mit einer relativ hohen Frequenz "zerhackt" wird.
Durch Anhebung der Betriebsfrequenz lassen sich die Nachteile herkömmlicher Netzteile mit 50 Hz - Transformatoren sehr stark reduzieren, da die höherfrequenten Spannungen mit wesentlich höherem Wirkungsgrad übersetzt werden können. Daraus resultieren Schaltnetzteile, welche gegenüber herkömmlichen Netzteilen wesentlich geringeres Volumen und wesentlich geringeres Gewicht aufweisen.
Bei der Dimensionierung der Transformatoren von Schaltnetzteilen wird üblicherweise der Arbeitsbereich sicherheitshalber so klein gewählt, dass eine Sättigung mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht eintritt. Im Bereich der Kernsättigung würde der Strom in der Primärwicklung des Transformators nämlich unzulässig hohe Werte annehmen. Weiters kann sich bei nicht vollkommen symmetrischer Aussteuerung ein gewisser Restmagnetismus (Remanenz) aufbauen, was gleichbedeutend mit einer Nullpunktsverschiebung ist. Aufgrund dieser Verschiebung verringert sich auf einer Seite der Magnetisierungskennlinie der Abstand zur Kernsättigung, weshalb der Sicherheitsabstand noch grösser gewählt wird. Aufgrund der Kernsättigung einerseits und der Remanenz andererseits wird sicherheitshalber nur ein Teil des möglichen Arbeitsbereichs ausgenützt.
Der Transformator wird somit für die gewünschte Ausgangsleistung nicht optimal eingesetzt, sondern überdimensioniert bzw. es wird die bei einem Schaltnetzteil mit einem Transformator bestimmter Grösse erzielte Leistungsausbeute sehr gering sein.
Durch die Schaltungsanordnung gemäss der US 4 553 198 A wird versucht, eine symmetrische Ansteuerung des Transformators zu erreichen, um so eine Nullpunktsverschiebung und in der Folge eine Sättigung des Transformators zu verhindern. Zu diesem Zweck wir der Strom auf der Primärseite des Transformators gemessen, und durch Integration der Messwerte eine Summenspannung erzeugt, die der primären Stromsumme entspricht, welche auf null geregelt wird Durch beispielsweise kleine Offsetfehler des Integrators kann wiederum eine asymmetnsche Ansteuerung der Schaltstufen resultieren, wodurch sich ein stetig steigendes Dauermagnetfeld im Kern aufbauen kann, die sich in einer Nullpunktsverschiebung äussert. Das Problem der asymmetrischen Ansteuerung durch Bauteiltoleranzen wird dadurch nur von der Leistungsstufe auf die Steuerungselektronik verlagert.
Die Schaltung führt nur eine Steuerung der Kernmagnetisierung durch, da man nur eine Ursache des unerwünschten Effektes einer asymmetrischen Dauermagnetisierung bekämpft. Die eigentliche, zu regelnde Grösse, nämlich das statische Magnetfeld im Kern selbst wird nicht gemessen wird. Für eine Regelung müsste aber die zu regelnde Grösse erfasst werden und nicht nur ein auf diese Grösse wirkender Faktor, der ja nicht alleine ausschlaggebend ist. Im Falle der US 4 553 198 A wird die symmetrische Ansteuerung der Primärwicklung des Transformators geregelt. Undefinierte Zustände der Elektronik in der Aus- und Einschaltphase aufgrund von Schwankungen der Versorgungsspannung der Steuerung und des Leistungsteils können ebenfalls asymmetrische Ansteuerungen zur Folge haben.
Auch sekundärseitige Lasten, beispielsweise beim Anschliessen oder Abschliessen können auch kurzfristig asymmetrische Ströme und somit Kernmagnetisierungen hervorrufen. Sättigungen des Transformators anhand der Kennlinie des Magnetfeldes kann die Schaltung nicht erkennen und verhindern. Es ist daher eine Überdimensionierung des Kerns erforderlich, um die nötigen Sicherheitsabstände zur Kernsättigung zu erreichen. Ein Verzicht auf den Luftspalt im Kern wäre nur mit erhöhtem Sättigungsrisiko bei entsprechend grossen Sicherheitsabständen denkbar
Auch für den Gegenstand der US 4 939 633 A gilt im wesentlichen die obige Stellungnahme.
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Im unterschied zur US 4 553 198 A ist hier der Leistungsteil des Netzteils als Vollbrücke ausgeführt und der primärseitige Strom des Übertragers wird über einen Hall-Stromwandler mit Hilfe eines Magnetsensors in einem eigenen Kern erfasst. Es wird eine symmetrische Strombelastung der Primärwicklung des Transformators geregelt. Offsetfehler der Ansteuerung äussern sich als magne- tisches Gleichfeld im Kern, welches sich mit der Zeit aufsummiert. Das Magnetfeld im Transfor- mator wird nicht erfasst, weshalb Sättigungen des Transformators anhand der Magnetfeldkennlinie nicht erkennbar und verhinderbar sind. Es ist daher auch hier eine Überdimensionierung des Kerns erforderlich. Durch den Hilfskern zur Erfassung des primärseitigen Stromes ist eine weitere Bau- teilvergrösserung verbunden. Auch hier ist ein risikoloser Verzicht auf den Luftspalt im Kern nicht möglich.
Auch für die Schaltung gemäss der US 4 395 751 A gilt das bereits oben Gesagte. Bei dieser selbstschwingend ausgeführten Schaltungsanordnung erfolgt die Ansteuerung der Transistoren über den eigenen Laststrom über eine Hilfswicklung und ist somit von der Flussänderung im Kern abhängig. Mit dieser Schaltung ist eine gute Ansteuersymmetrie erreichbar, Toleranzen der Transi- storen können aber auch hier zu Nullpunktsverschiebungen führen.
Auch die US 4 519 023 A zeigt eine selbstschwingend ausgeführte Schaltung, bei der die An- steuerung der Transistoren über den eigenen Laststrom über eine Hilfswicklung erfolgt. Auch hier kann sich trotz prinzipiell guter Ansteuersymmetrie des verwendeten Ansteuerverfahrens ein magnetisches Gleichfeld aufbauen.
Beim Schweisstransformator gemäss der US 5 122 634 A handelt es sich nicht um ein Schalt- netzteil im Sinne der vorliegenden Anmeldung sondern um einen normalen Transformator, der zur Möglichkeit des Einsatzes bei verschiedenen Eingangsspannungen auf die maximale Spannung ausgelegt sein muss. Andernfalls würde durch die höhere Flussänderung pro Zeiteinheit, bedingt durch die zu hohe Spannung, Sättigung resultieren. Der Transformator ist für kleinere Eingangs- spannungen überdimensioniert, und leistungsmässig sicher nicht optimal ausgelegt. Im gegebenen Fall wird eine Phasenanschnittsteuerung zur Schweissstromregelung auch dazu genützt, die Halb- wellen der Netzspannung zeitlich so zu beschneiden, sodass keine Sättigung auftreten kann.
Da- durch kann man den Transformator auf eine kleine Netzspannung auslegen und trotzdem mit Phasenanschnitt auch an einer höheren Spannung mit voller Leistung ohne Sättigungserscheinun- gen arbeiten. Für kleine Spannungen ist die Schaltung aber sowohl grössenmässig als auch lei- stungsmässig überdimensioniert. Die primärseitige oder sekundärseitige Strommessung dient ausschliesslich zur Regelung des Schweissstromes. Eine Erkennung der Sättigung oder eines stati- schen magnetischen Gleichfeldes ist nicht vorgesehen.
Beim Gleichstromwandler gemäss der DE 24 62 499 A1 wird zur Verbesserung des Wirkungs- grades die im magnetischen Streufeld gespeicherte Energie in die Last gespeist. In der Ausschalt- phase treten normalerweise durch die im magnetischen Streufeld gespeicherte Energie Induktions- spannungen auf, welche die Halbleiterschalter belasten. Diese Energie wird entweder durch zu- sätzliche Entmagnetisierungswicklungen wieder in die Versorgung zurückgeführt oder in einem Entlastungsnetzwerk in Wärme umgewandelt Sättigungen des Transformators anhand der Kurve des Magnetfeldes kann das Verfahren nicht erkennen und verhindern. Eine Leistungsoptimierung und in der Folge eine Verringerung des Gewichts und Volumens des Transformators ist durch diese Schaltung nicht möglich, sondern auch hier ist eine Überdimensionierung des Kerns erforder- lich.
Auch die JP 57-22 380 A zeigt, wie die letztgenannte deutsche Offenlegungsschrift eine Mög- lichkeit zur Speisung der Energie des magnetischen Streufeldes in den Verbraucher. Zu diesem Zweck wird ein zweiter Transformator im sekundärseitigen Stromkreis des Haupttransformators eingesetzt, der zu einer Vergrösserung der Baugrösse führt. Sättigungen des Transformators an- hand der Kurve des Magnetfeldes kann das Verfahren nicht erkennen und verhindern.
Die DE 195 24 963 A1 beschreibt ein Schaltnetzteil mit einem Übertrager, bei dem zur Vermei- dung von Sättigungserscheinungen im Übertrager der Ausgangsstrom oder die Ausgangsspan- nung in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte des Übertragers gesteuert oder geregelt wird. Dies erfolgt durch Messung einer der magnetischen Flussdichte des Übertragers entspre- chenden Magnetisierungsspannung und Vergleich derselben mit einer Referenzspannung. Das Magnetfeld wird mit einer primärseitig am Übertrager angeordneten Hilfswicklung gemessen. Wie dem einschlägigen Fachmann bekannt ist und auch in der Beschreibung des genannten Doku-
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ments explizit festgehalten wird, kann mit Hilfe der Hilfswicklung nur die Flussdichtenänderung bzw. das dynamische Magnetfeld ermittelt werden.
Die Flussdichte bzw. das statische Magnetfeld kann mit der Hilfswicklung nicht erfasst werden. Dadurch ist die Erfindung gemäss der DE 195 24 963 A1 nicht in der Lage einer Nullpunktsverschiebung (Remanenz) entgegenzuwirken. Es wird davon ausgegangen, dass das ursprünglich unmagnetisierte Kernmaterial nach der Magnetisierung auf einen unterhalb der Sättigung liegenden Wert wieder vollständig entmagnetisiert wird. In der Praxis ist eine derartige Symmetrie aber nie vorhanden, sondern es kommt unweigerlich zu unerwünsch- ten Feldern, welche eine bleibende Änderung des Arbeitspunktes (Remanenz) hervorrufen. Dies wird verursacht durch asymmetrische Ansteuerung der Primärspule, Einflüsse der sekundärseiti- gen Last, undefinierte Zustände in der Ein- und Ausschaltphase, und kurzfristige Betriebsstörun- gen, wie z. B. Kurzschluss oder plötzlicher Lastabfall usw.
Als Hilfsmassnahme wird im Kern ein, die Leistung reduzierender und noch weitere Probleme verursachender Luftspalt angeordnet, der den Aufbau eines Gleichfeldes vermeidet.
Die obige Argumentation gilt auch für den Gegenstand der US 5 220 492 A, der WO 90/01230 A oder SU 1 686 667 A.
Die bekannten Verfahren oder Schaltungen versuchen, eine Ursache, nämlich das Auftreten asymmetrischer Ansteuerungen der Primärspule möglichst gering zu halten. Dadurch wird aber nur eine der möglichen Ursachen reduziert oder ausgeschaltet. Andere Einflüsse auf die Kernmagneti- sierung werden nicht berücksichtigt, wodurch eine Vermeidung der Sättigung und des Restmagne- tismus des Transformators nur begrenzt und eine wesentliche Verringerung des Gewichts und des Volumens des Transformators bei gleichbleibender Leistung nicht möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von Massnahmen, mit deren Hilfe die Leistungsaus- beute von Schaltnetzteilen mit Transformatoren erhöht werden kann. Die übliche Uberdimensionie- rung der Transformatoren bzw. Drosseln in Schaltnetzteilen soll dadurch vermieden werden.
Gelöst wird die erfindungsgemässe Aufgabe dadurch, dass das aktuelle Magnetfeld im Transfor- mator oder in der Drossel zur Erfassung einer allfälligen Sättigung und einer allfälligen Remanenz gemessen wird, und dass zur Regelung des Magnetfeldes zum Zwecke der Verhinderung einer Sättigung des Transformators bzw. der Drossel zumindest ein Parameter der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes le in Abhängigkeit des aktuellen Magnetfeldes verändert wird und bei Messung einer Remanenz des Transformators oder durch entsprechende Änderung der Para- meter der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes le eine entsprechende Gegenmagne- tisierung im Transformator bzw. der Drossel zur Eliminierung der Remanenz hervorgerufen wird.
Durch die Erfassung des aktuellen Magnetfelds im Transformator oder in der Drossel kann durch entsprechende aktive Regelung der Parameter der Eingangsgrössen die Gefahr einer Sättigung gebannt werden. Dadurch ist es möglich, die Leistungsausbeute gegenüber herkömmlichen Schalt- netzteile gleicher Baugrösse wesentlich zu erhöhen, da der gesamte Arbeitsbereich gemäss der Magnetisierungskennlinie des Transformators oder der Drossel ausgenützt wird. Gleichzeitig kann der insbesondere bei Durchflusswandlern notwendige Luftspalt im Kern des Transformators oder der Drossel, der dazu dient, einer möglichen Restmagnetisierung entgegenzuwirken, entfallen.
Dadurch werden die Streuverluste gesenkt und der magnetische Widerstand gesenkt, wodurch eine erhöhte Leistung erzielt werden kann. Durch die direkte Messung des Magnetfelds im Trans- formator wird die Erfassung der Nullpunktverschiebung der Magnetisierung, die rechtzeitige Erfas- sung des Sättigungsknickes sowie die Erfassung magnetischer Anomalien zu jedem Zeitpunkt ermöglicht.
Insbesondere bei Schaltnetzteilen, welche nach dem Prinzip des Eintaktwandlers arbeiten, ist eine Verhinderung des Restmagnetismus (Nullpunktverschiebung) und in der Folge einer Sättigung notwendig. Im Falle eines Schaltnetzteils, welches nach dem Prinzip eines Gegentaktwandlers arbeitet, kann der Restmagnetismus allein durch Veränderung des Tastverhältnisses der Schalt- zeiten @ t2 der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes le abgebaut werden. So wird die Einschaltzeit jener Spannung bzw. jenes Stromes, welche(r) eine Magnetisierung in Gegenrichtung der Remanenz hervorruft gegenüber der Einschaltzeit der Spannung bzw. des Stromes in entge- gengesetzter Polarität entsprechend erhöht, um eine entsprechende Gegenmagnetisierung her- vorzurufen.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann dadurch verbessert werden, dass der Primärstrom lp im Transformator oder in der Drossel gemessen wird, und dass im Zusammenwirken mit der Messung
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des Magnetfeldes eine Sättigung oder Remanenz im Kern des Transformators oder der Drossel genau erkannt wird. Da sich die Beziehung zwischen Primärstrom lp und Magnetfeld aufgrund des nichtlinearen Zusammenhanges ausserhalb spezifizierter Verhältnisse ändert, ist durch die Erfas- sung beider Kenngrössen die Kernsättigung genauer, schneller und sicherer erkennbar.
Gemäss einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens werden die Schaltzeiten t1, t2 der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes le in Abhängigkeit des aktuellen Magnetfelds im Transformator oder der Drossel verändert geregelt. Die Regelung der Schaltzeiten stellt eine einfache und rasche Möglichkeit dar.
Alternativ dazu oder in Kombination mit der Veränderung der Schaltzeiten kann auch die Schaltfrequenz f der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes le in Abhängigkeit des aktu- ellen Magnetfeldes verändert werden.
Darüberhinaus kann alternativ dazu oder zusätzlich zu den obengenannten Variationsmöglich- keiten auch die Amplitude der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes le in Abhängigkeit des Magnetfelds im Transformator oder der Drossel verändert werden und auch damit die Aus- gangsspannung Ua bzw. der Ausgangsstrom la unabhängig von den jeweiligen Lastverhältnissen am Ausgang des Schaltnetzteils und ohne der Gefahr der Kernsättigung geregelt werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Schaltnetzteils zur Durch- führung des oben erwähnten erfindungsgemässen Verfahrens zur Leistungsoptimierung.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass im Transformator oder in der Drossel ein Sensor zur Messung des aktuellen Magnetfeldes zur Erfassung einer allfälligen Sättigung und einer allfälligen Remanenz, beispielsweise ein Hall-Sensor oder ein magnetoresistiver Sensor vorgesehen ist, und dass der Sensor mit einer Regeleinheit verbunden ist, dessen Ausgang mit der Schaltstufe verbun- den ist. Daraus folgt, dass bei bestimmter Nennausgangsleistung des Netzteils dieses wesentlich kleiner ausgeführt werden kann, da der Wirkungsgrad höher ist und die Verluste im Transformator oder in der Drossel niedriger sind, sodass der Transformator oder die Drossel nicht, wie üblich, stark überdimensioniert werden muss, sondern wesentlich kleiner ausgeführt werden kann.
Wenn zusätzlich die Regeleinheit mit der Primärseite des Transformators oder der Drossel ver- bunden ist, sodass der Primärstrom lp des Transformators oder der Drossel in die Regelung ein- beziehbar ist, kann die Regelung schneller und exakter durchgeführt werden, da die Kernsättigung schneller und sicherer erfasst werden kann.
Wenn die Regeleinheit durch einen Mikrokontroller gebildet ist, ergeben sich alle damit verbun- denen Vorteile, wie Miniaturisierung, Flexibilität bei der Programmierung oder rasche Regelung.
Anstelle eines Mikrokontrollers kann allerdings auch eine analoge Schaltung vorliegen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Abbildungen näher erläutert und mit bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen verglichen.
Darin zeigen Fig. 1a-1b den Arbeitsbereich eines herkömmlichen Schaltnetzteil-Transformators im Vergleich zum Arbeitsbereich des Transformators eines Schaltnetzteils nach dem erfindungs- gemässen Verfahren, Fig. 2 ein Schaltnetzteil nach dem Prinzip eines Brücken-Gegentaktwandlers in schematischer Darstellung, Fig. 3a-3c die Steuerspannungen bzw.-ströme der Schalttransisto- ren sowie die Primärspannung des Transformators aus der Schaltung gemäss Fig. 2 im zeitlichen Verlauf, Fig. 4 das Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Schaltnetzteils mit aktiver Regelung der Kernmagnetisierung, und Fig. 5a-5d die zeitlichen Verläufe der Primärspannung des Transfor- mators zur Veranschaulichung einiger Möglichkeiten der erfindungsgemässen Regelung.
Die Figuren 1a und 1b zeigen schematisch die Magnetisierungskennlinie eines Transformators.
Dabei ist die magnetische Induktion B in Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke H bzw. die magnetische Fluss # in Abhängigkeit der Durchflutung e dargestellt. Der Bereich der Kernsätti-
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hung des Stromes in der Primärwicklung des Transformators bzw. der Durchflutung # nicht nen- nenswert erhöht werden kann. Im Bereich der Sättigung sind annähernd sämtliche Elementarma- gnete des Kernmaterials ausgerichtet. Im Bereich der Sättigung sinkt der induktive Widerstand der Wicklung, wodurch nur der unerwünschte ohmsche Anteil des Widerstandes den Strom in der Wicklung begrenzt und dieser unzulässig hohe Werte erreicht.
Um nicht in den Bereich der Kern- sättigung zu kommen, werden daher Sicherheitsabstände in der Magnetisierungskennlinie ein-
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kann sich bei nicht vollkommen symmetrischer Aussteuerung von Schaltnetzteilen, welche nach
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dem Prinzip von Gegentaktwandlern arbeiten, sowie bei Schaltnetzteilen, die nach dem Eintakt- prinzip arbeiten ein gewisser Restmagnetismus aufbauen, der als Remanenz bezeichnet wird.
Dies kommt einer Nullpunktverschiebung des magnetischen Flusses # gleich. Durch diese Un- symmetrie verringert sich auf der Seite der Magnetisierungskurve auf welcher der Restmagnetis- mus auftritt, der Abstand zur Kernsättigung, weshalb der Sicherheitsabstand noch grösser gewählt wird. Der übliche Arbeitsbereich ist in Fig. 1a durch die durchgehende Linie gekennzeichnet.
In Fig. 1b dagegen ist der Arbeitsbereich eines erfindungsgemässen Schaltnetzteils dargestellt, der dadurch erreicht wird, dass der magnetische Fluss ¯ bzw. die magnetische Feldstärke H ge- messen wird und die Eingangsgrössen des Schaltnetzteils in Abhängigkeit des Flusses ¯ so gere- gelt werden, dass keine Kernsättigung und keine Nullpunktsverschiebung eintritt. Die Nullpunkts- verschiebung wird beispielsweise in der Weise verhindert, dass der Magnetkern in Gegenrichtung zur Verschiebung länger oder stärker magnetisiert wird. Bei Erkennen der Kernsättigung wird der magnetische Fluss * nicht weiter erhöht, d. h. abgeriegelt. Somit kann der gesamte Arbeitsbereich ausgenützt werden, ohne Gefahr zu laufen, dass der Arbeitsbereich in die Sättigung der Magnetisie- rungskennlinie läuft.
Eine trotz der aktiven Regelung auftretende Überlastung kann zu keinen Schäden führen, da die Kernsättigung nicht plötzlich eintritt und der Übergang zur Kernsättigung daher "rund" ist und somit die Induktivität nicht sprunghaft absinkt. Es ist daher sogar möglich, den Arbeitsbereich etwas über den Knick der Magnetisierungslinie hinaus in die Sättigung zu erweitern.
Fig. 2 zeigt den Schaltplan eines Schaltnetzteils nach dem Prinzip eines Brücken-Gegen- taktwandlers, bei dem die Eingangsspannung Ue bzw. der Eingangsstrom le mit Hilfe von vier Tran- sistoren T1-T4 in Brückenschaltung periodisch ein- und ausgeschaltet wird. Die Ströme l1 und l2 fliessen gegenphasig über die Primärwicklung des Transformators und rufen dort eine Primärspan- nung U1 hervor, welche in eine gewünschte Ausgangsspannung Ua transformiert wird. Zur Stabili- sierung der Ausgangsspannung Ua ist es bekannt, das Tastverhältnis und die Frequenz der Schalt- vorgänge der Transistoren zu regeln. Ein Brücken-Gegentaktwandler hat den Vorteil, dass eine geringere Windungszahl am Transformator notwendig ist, und den Nachteil, dass vier Transistoren erforderlich sind.
Grundsätzlich ist die gegenständliche Erfindung auch auf andere Arten von Schaltnetzteilen anwendbar
In den Fig. 3a und 3b sind die Steuerspannungen bzw Steuerströme der Transistoren in Ab- hängigkeit der Zeit dargestellt Die Transistoren T1 und T3 werden gleichzeitig die Zeitdauer ti durchgeschaltet, worauf ein Strom 11 durch die Primärwicklung des Transformators fliesst Während der Sperrphase der Transistoren T, und T3 werden die Transistoren T2 und T4 gleichzeitig für eine Dauer t2 durchgeschaltet, sodass ein Strom l2 in Gegenrichtung zum Strom 11 durch die Primär- wicklung des Transformators fliesst. Diese Schaltfolge wird mit der Periodendauer T entsprechend einer Betriebsfrequenz f wiederholt.
Im Normalfall werden die Zeiten t1=t2 gewählt Die Dauer t1 bzw. t2 je Periode T wird entsprechend der am Ausgang gewünschten Leistung eingestellt. Zu Beginn der Diagramme ist die Zeitdauer entsprechend einer 50%igen Leistungsausbeute am Ausgang gewählt, und am Ende der Diagramme für eine 100%ige Leistungsausbeute. Fig. 3c zeigt die resultierende Spannung U1 an der Primärseite des Transformators.
In Fig. 4 ist schematisch ein Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Schaltnetzteils mit akti- ver Regelung der Kernmagnetisierung dargestellt. Nach allfälligen Transformatoren und Gleichrich- tern (nicht dargestellt) liegt eine Eingangsspannung Ue vor, welche einer Schaltstufe 1 zugeführt wird. In der Schaltstufe 1, die üblicherweise aus Schalttransistoren aufgebaut ist, wird die Ein- gangsspannung Ue mit einer relativ hohen Frequenz f periodisch ein- und ausgeschaltet, also gewissermassen "zerhackt". Die resultierende Rechteckspannung U1 wird mit Hilfe eines Trans- formators 2 übersetzt. Aufgrund der höheren Frequenz f ist gegenüber einem 50 Hz - Transforma- tor ein kleinerer Transformator 2 notwendig. Der Transformator 2 übernimmt auch die häufig gefor- derte galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärseite.
Ist eine solche galvanische Trennung nicht erforderlich, kann die Übersetzung der Rechteckspannung u4 auch durch eine Drossel geschehen. Anschliessend wird die Sekundärspannung U2 in einer nachfolgenden Stufe 3 gleichgerichtet und gesiebt, sodass eine stabile Ausgangsspannung Ua vorliegt. Erfindungsgemäss ist ein Sensor 4 zur Messung der magnetischen Feldstärke im Transformator 2 vorgesehen. Dieser Sensor 4 kann z.B. als Hall-Sensor ausgeführt sein, der sich den Hall-Effekt zunutze macht. Dabei liefert ein in einem Magnetfeld angeordnetes Halbleiterplättchen, das von einem Strom durchflos- sen wird, eine zur magnetischen Flussdichte proportionale Spannung. Ebenso kann der Sensor 4
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als magnetoresistiver Sensor ausgeführt sein, der einen vom Magnetfeld abhängigen Widerstand zeigt.
Der Sensor 4 kann beispielsweise in einen Schlitz im Kernmaterial des Transformators 2 eingeklebt werden, wobei vorteilhafterweise der Klebstoff mit Ferrit-Partikeln vermischt wird. Der Schlitz sollte dabei möglichst klein ausgeführt werden, dass die Homogenität des Magnetfeldes nicht wesentlich gestört wird und die allfälligen Streuverluste klein gehalten werden. Das vom Sensor 4 herrührende Signal wird einer Regeleinheit 5 zugeführt. Die Regeleinheit 5 bereitet das Sensorsignal für die weitere Verarbeitung auf. Die Regeleinheit 5 liefert ein entsprechendes Regel- signal, mit dem die Schaltstufe 1 gesteuert wird.
Beispielsweise kann die Frequenz des Oszillators in der Schaltstufe 1, der die Frequenz f erzeugt, mit der die Eingangsspannung Ue periodisch ein- und ausgeschaltet wird in Abhängigkeit des Regelsignals also in Abhängigkeit des Magnetfeldes im Kern des Transformators 2 geändert werden. Mit Hilfe eines Pulsweitenmodulators kann auch die Einschaltzeit der Eingangsspannung Ue in Abhängigkeit des Regelsignals bzw. des Magnet- felds geändert werden. Üblicherweise wird auch die Ausgangsspannung Ua oder der Ausgangs- strom la oder die Sekundärspannung U2 in die Regelschaltung geführt. Diese Rückkopplung könnte aber bei konstanten Lastverhältnissen und Anwendungsfällen, die unabhängig von Netzschwan- kungen sind, auch entfallen. Zur Verbesserung des Verfahrens kann auch der Primärstrom lp des Transformators 2 oder der Drossel in die Regelung mit einbezogen werden.
Durch diese Massnah- me wird die Kernsättigung schneller und sicherer erkannt, als bei der Erfassung nur des Magnet- felds.
Zur Verdeutlichung zeigen die Fig. 5a-5d schematisch die zeitlichen Verläute der Primärspan- nung u1 am Transformator bei verschiedenen Regelfällen für ein Schaltnetzteil mit Gegentakt- wandler. Fig. 5a zeigt den Verlauf für symmetrischen Betrieb, d. h. gleichen Restmagnetismus in beide Richtungen. Die Transistoren der Schaltstufe werden entsprechend der geforderten Leistung am Ausgang eine bestimmte Zeit t eingeschaltet. In diesem Fall gilt t=t2 Sollte sich in einer Richtung der Magnetisierungskennlinie ein Restmagnetismus aufbauen, so wird dieser Sachverhalt vom Sensor sofort erkannt und eine entsprechende Regelung durchgeführt. Diesen Fall zeigt Fig. 5b, wo die Einschaltzeit jener Transistoren, welche ein Magnetfeld in Gegenrichtung der Remanenz hervorrufen um einen Betrag At erhöht wird und die Einschaltzeit der anderen Transi- storen um den Betrag At verringert wird.
Durch diesen unsymmetrischen Betrieb wird die Rema- nenz abgebaut und die Nullpunktsverschiebung korrigiert. Dadurch wird verhindert, dass der Ar- beitsbereich in die Kernsättigung gelangt. In Fig. 5c ist der Fall dargestellt, bei dem am Ausgang des Schaltnetzteils höhere Leistung gefordert wird. Unter ständiger Kontrolle des aktuellen Magnet- feldes werden die Einschaltzeiten t1 und t2 in der Schaltstufe auf einen Wert t' erhöht, um die geforderte Leistung am Ausgang zu erzielen. Das Schaltnetzteil ist dabei so dimensioniert, dass bei maximalem Leistungsbedarf am Ausgang der Arbeitsbereich in der Magnetisierung gerade an die Bereiche der Kernsättigung heranreicht und somit der volle Arbeitsbereich ausgenützt wird.
Fig. 5d zeigt schliesslich den Fall geringerer Leistungsanforderung, wobei die Einschaltzeiten t1 und t2 in der Schaltstufe auf einen entsprechenden Wert t" gesenkt werden. Zusätzlich kann noch eine Regelung der Frequenz f und der Amplitude der Eingangsspannung Ue bzw. des Eingangsstromes le erfolgen (nicht dargestellt).
Durch das geringe Volumen und das geringe Gewicht solcher Netzteile ergeben sich auf den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten extreme Vorteile. Man denke an die Beleuchtungstech- nik, wo die für Gasentladungs- oder Halogenlampen notwendigen Netzteile nicht mehr, wie bisher in einem zusätzlichen Gehäuse untergebracht werden müssen, sondern aufgrund der geringen Grösse in die Gehäuse der Lampen selbst eingebaut werden können.
Ebenso kann durch die Verwendung der erfindungsgemässen Netzteile das Volumen und Ge- wicht von Elektroschweissgeräten so weit reduziert werden, dass die Netzteile sogar in den Handgriff des Schweissgerätes eingebaut oder bequem am Gürtel getragen werden können. Dadurch können kompliziertere Schweissarbeiten wie z. B. auf einem Gerüst od. dgl. viel einfacher und bequemer durchgeführt werden.
Auch in der Verkehrstechnik können die erfindungsgemässen Netzteile extreme Vorteile hervor- rufen, da beispielsweise elektrische Triebfahrzeuge bei gleicher Antriebsleistung viel kleinere und leichtere Umformer benötigen. Den Anwendungsmöglichkeiten sind nahezu keine Grenzen ge- setzt.