DD233467A1

DD233467A1 - Durchflusswandler-schaltnetzteil mit geregelter ausgangsspannung

Info

Publication number: DD233467A1
Application number: DD27194684A
Authority: DD
Inventors: Wilhelm Baerwinkel; Harald Reinhardt; Volkhard Richter; Reinhard Schroeder; Heino Weigand
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1984-12-28
Filing date: 1984-12-28
Publication date: 1986-02-26

Abstract

Durchflusswandler-Schaltnetzteil mit geregelter Ausgangsspannung insbesondere zur Stromversorgung von Verbrauchern mit hohem Leistungsbedarf. Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Energie pro Zeiteinheit besser auszunutzen und mit geringem Aufwand die Regelungseigenschaften zu verbesssern. Als Aufgabe steht die Schaffung eines Durchflusswandlers, der ohne feste Begrenzung des maximalen Tastverhaeltnisses auskommt, der eine variable, steuerbare und fuer den jeweiligen Betriebsfall minimale primaere Rueckschlagspannung aufweist und der ausser dem Transformator keine weiteren netztrennenden Regelkreisglieder aufweist. Die Erfindung besteht darin, dass eine Entmagnetisierungswicklung ueber einen Gleichrichter mit einem Kondensator beschaltet ist, wobei parallel zu diesem Kondensator ein steuerbarer Widerstand angeordnet ist, dessen Steuereingang mit einer Regelschaltung in Verbindung steht. Fig. 1

Description

-2 719 46

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei gleichem Transformatorenkemquerschnitt mehr Energie pro Zeit auf die Sekundarseite eines Durchflußwandlers zu übertragen und bei verringertem schaltungstechnischen Aufwand die Regelungseigenschaften zu verbessern

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Durchflußwandler mit geregelter Ausgangsspannung zu schaffen der ohne feste Begrenzung des maximalen Tastverhaltnisses auskommt der eine variable, steuerbare und fur den jeweiligen Betriebsfall minimale primäre Ruckschlagspannung aufweist und der außer dem Transformator keine weiteren netztrennenden Regelkreisgheder aufweist

Die Aufgabe wird erfindungsgemaß bei einem Durchflußwandler Schaltnetzteil mit geregelter Ausgangsspannung, mit einem Transformator, bei dem über der Reihenschaltung seiner Primärwicklung mit einem elektronischen Schaltelement eine vorzugsweise aus dem Netz gewonnene Gleichspannung anliegt, mit einer Sekundärwicklung gleichen Wicklungssinus wie die Primärwicklung, die mit einer Gleichnchterdiode einer Speicherdrossel, einer Freilaufdiode, einem Ladekondensator und einem Lastwiderstand verbunden ist, mit einer Entmagnetisierungswicklung entgegengesetzten Wicklungssinus wie die Primärwicklung und mit einer Magnetisierungsuberwachungsschaltung, deren Ausgang mit dem Start/Stop Eingang eines Pulsgenerators verbunden ist, welcher über eine Treiberstufe das Schaltelement ansteuert, dadurch gelost, daß die beiden Enden der Entmagnetisierungswicklung über einen Gleichrichter mit einem Kondensator beschaltet sind, wobei parallel zu diesem Kondensator ein steuerbarer Widerstand angeordnet ist, dessen Steuereingang mit dem Ausgang einer Regelschaltung in Verbindung steht, und das ein Eingang der Regelschaltung mit einem Soll Wertgeber verbunden ist und ein anderer Eingang der Regelschaltung über einen IST Wertgeber mit dem Lastwiderstand in Verbindung steht Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung wird dadurch erreicht, daß in Abhängigkeit von der Ausgangsgroße eine Veränderung ier Ruckschlagspannung des Transformators erfolgt Am Lastwiderstand wird mit dem Ist Wertgeber die Ist Ausgangsgroße ermittelt Ein proportionaler Teil des Ist Wertes wird in der Regelschaltung mit dem Soll Wert verglichen In Abhängigkeit von der Regelabweichung wird der steuerbare Widerstand so angesteuert, daß dieser eine Veränderung der über dem Kondensator liegenden Spannung bewirkt Damit ändert sich die Ruckschlagspannung des Transformators, was eine ausgangsgroßenabhangige Veränderung der Entmagnetisierungszeit bedeutet Das Wiedereinschalten des Schaltelementes erfolgt unmittelbar nach Beendigung der Entmagnetisierung des Transformatorkernes Das Austesten des Endes der Entmagnetisierung wird durch die Magnetisierungsuberwachungsschaltung bewirkt, wobei diese auch den Zeitpunkt des Wiedereinschaltens des Schalelementes festlegt Eine Zeitlucke zwischen dem Ende der Entmagnetisierung und dem Beginn der Flußphase mit dem schon beschriebenen Nachteil tritt bei dem erfindungsgemaßen Durchflußwandler nicht in Erscheinung Die Ausregelung von Abweichungen der Ausgangsgroße vom Sollwert erfolgt durch Variation der Ausschaltzeit des Schaltelementes, die gleich der Entmagnetisierungszeit ist Außer dem Transformator sind keine weiteren netztrennenden Regelkreisgheder erforderlich, da die Rückführung der Reglersignale fur das Schaltelement über den magnetischen Kreis des Transformators selbst errolgt

Ausfuhrungsbeispiel

In der Zeichnung ist ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung dargestellt und zwar zeigen Fig 1 ein Prmzipschaltbild des erfindungsgemaßen Durchflußwandler Schaltnetzteiles Fig 2 den Verlauf der Kollektor-Emitterspannung des Schalttransistors fur zwei Grenzfalle Das Durchflußwandler-Schaltnetzteil besteht nach Fig 1 aus einem Transformator 1, bei dem über der Reihenschaltung einer Primärwicklung 2 und der Kollektor Emitter Strecke eines Schalttransistors 3 eine aus dem Netz gewonnene Gleichspannung U_E anliegt

Des weiteren besitzt der Transformator 1 eine Sekundärwicklung 4, die den gleichen Wicklungssinn wie die Primärwicklung 2 hat

nd die in der fur Durchflußwandler bekannten Art und Weise mit einer Gleichnchterdiode 5, einer Freilaufdiode 6, einer dpeicherdrossel 7, einem Ladekondensator 8 und einem Lastwiderstand 9 beschaltet ist Die Ansteuerung des Schalttransistors 3 erfolgt aus dem Pulsgenerator 10 und der nachgeschalteten Treiberschaltung 11 Eine Magnetisierungsuberwachungsschaltung 12 testet standig den Magnetisierungszustand des Kerns des Transformators 1 aus und steht außer mit der Primärwicklung 2 mit einem Start/Stop-Eingangdes Pulsgenerators 10 in Verbindung Auf dem Transformator 1 befindet sich sekundarseitig eine Entmagnetisierungswicklung 13, die einen umgekehrten Wicklungssinn wie die Primärwicklung 2 besitzt und die genauso wie die Sekundärwicklung 4 von der Primärwicklung 2 galvanisch getrennt angeordnet ist Die beiden Enden der Entmagnetisierungswicklung sind über eine Gleichnchterdiode 14 mit einem Kondensator 15 beschaltet Parallel zu dem Kondensator 15 ist ein Transistor 16 mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke angeordnet Die Basis des Transistors 16 wird durch die Regelschaltung 17 angesteuert, wobei ein Eingang der Regelschaltung 17 mit einem IST-Wertgeber verbunden ist, der im dargestellten Fall aus einem ohmschen Spannungsteiler 18 besteht Am anderen Eingang des Reglers liegt eine Sollspannung U_Ref an, die im Soll-Wertgeber 19 erzeugt wird Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist folgende

Die Magnetisierungsuberwachungsschaltung 12 gibt das erneute Einschalten des Schalttransistors 3 erst dann frei, wenn der Transformator 1 entmagnetisiert ist, das heißt genau dann, wenn die Kollektor-Emitterspannung Uce kleiner oder gleich der Spannung Ue ist

In Abhängigkeit von der Ausgangsspannung U_A, welche die zu regelnde Große sein soll, wird je nach Abweichung vom Sollwert über die Regelschaltung 17 der Transistor 16 mehr oder weniger leitend, so daß sich Ur in Abhängigkeit von U_A einstellt Es ließe sich ebenso der Ausgangsstrom oder die Ausgangsleistung regeln Über die Große von U_R wird primarseitig durch die Wirkung der Magnetisierungsuberwachungsschaltung 12 die Ausschaltzeit des Schalttransistors 3 verändert, da je nach Große von U_R die Entmagnetisierung des Transformators 1 langsamer oder schneller vor sich geht In Fig 2 ist der Verlauf der Kollektor-Emitterspannung des Schalttransistors 3 fur zwei Grenzfalle dargestellt Es ist zu erkennen, daß nach der konstanten Einschaltzeit t_em die Kollektor-Emitterspannung Uce über den Wert der Eingangsspannung Ug hinausgeht und zwar um den Wert der Ruckschlagspannung Ur_u Die primäre Ruckschlagspannung ergibt sich aus dem Produkt der Summe aus der in Abhängigkeit von U_A eingestellten Spannung U_R und der Diodenflußspannung der Diode 14 mit dem Verhältnis der Windungszahl der Entmagnetisterungswicklung 13 Je nach Hohe von U_Ru verändert sich auch die Ausschaltzeit t_8US des Schalttransistors 3, wobei die Ausschaltzeit t_aus gleich der Entmagnetisierungszeit ist

-з- 719 46

Die UCE-Verläufe sollen für die jeweilige U_E im ersten Fall für maximalen Ausgangsstrom Ід_тах und im zweiten Fall fur den minimalen Ausgangsstrom ІА_т,_п gelten.

Dabei gilt im ersten Fall der vollausgezogene Spannungsverlauf für die Eingangsspannung U_Ev Bei einer anderen Eingangsspannung Ue2 mit U_E2 > U_Ei ergibt sich eine Veränderung der Ausschaltzeit t_aus.

Dieser Zustand ist gestrichelt dargestellt.

Das Verhältnis der Einschaltzeit t_em zur Ausschaltzeit t_aus ist gleich dem Verhältnis der Ruckschlagspannung Ur_u zur Eingangsspannung Ue. Mit der ausgangsspannungsabhängigen Veränderung der Ausschaltzeit erfolgt auch eine Veränderung der Periodendauer T. Die beiden dargestellten Grenzfälle resultieren daraus, daß einerseits die primärseitige Rückschlagspannung U_Ru nicht so hoch werden darf, daß die maximale Kollektor-Emitterspannung Uce des Schalttransistors 3 überschritten wird und daß andererseits Ur_ü nicht so klein werden darf, daß die Magnetisierungsüberwachungsschaltung den Zustand Uce > U_E nicht mehr sauber erkennen kann. Ur_u muß also in den Grenzen zwischen U_Rum,_n und UR_Urnax liegen.

Claims

-1- 719 46

Patentanspruch

Durchflußwandler Schaltnetzteil mit geregelter Ausgangsspannung, mit einem Transformator, bei dem über der Reihenschaltung seiner Primärwicklung mit einem elektronischen Schaltelement eine vorzugsweise aus dem Netz gewonnene Gleichspannung anliegt, mit einer Sekundärwicklung gleichen Wicklungssinns wie die Primärwicklung, die mit einer Gleichrichterdiode, einer Speicherdrossel, einer Freilaufdiode, einem Ladekondensator und einem Lastwiderstand verbunden ist, mit einer Entmagnetisierungswicklung entgegengesetzten Wicklungssinns wie die Primärwicklung und mit einer Magnetisierungsuberwachungsschaltung, deren Ausgang mit dem Start/Stop Eingang eines Pulsgenerators verbunden ist, welcher über eine Treiberstufe das Schaltelement ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden der Entmagnetisierungswicklung über einen Gleichrichter mit einem Kondensator beschaltet sind, wobei parallel zu diesem Kondensator ein steuerbarer Widerstand angeordnet ist, dessen Steuereingang mit dem Ausgang einer Regelschaltung in Verbindung steht, und das ein Eingang der Regelschaltung mit einem Sollwertgeber verbunden ist und ein anderer Eingang der Regelschaltung über einen IST Wertgeber mit dem Lastwiderstand in Verbindung steht Durchflußwandler-Schaltnetzteil nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entmagnetisierungswicklung und die Sekundärwicklung netzgetrennt angeordnet sind

Durchflußwandler-Schaltnetzteil nach Punkt 1 oder Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand ein Transistor ist

Durchflußwandler-Schaltnetzteil nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber eine Referenzspannungsquelle ist und daß der IST-Wertgeber ein ohmscher Spannungsteiler über dem Lastwiderstand ist

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

uurchflußwandler Schaltnetzteil mit geregelter Ausgangsspannung, insbesondere zur Stromversorgung von Rechnern, Lampen oder anderen Verbrauchern hohen Leistungsbedarfes

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Es sind geregelte Durchflußwandler-Schaltnetzteile mit geregelter Ausgangsspannung bekannt, bei denen die wahrend der Flußphase vom Transformatorkern aufgenommene Energie über eine Entmagnetisierungswicklung und eine Diode in die aus dem Netz gewonnene Gleichspannungsquelle zurückgeschoben wird

Dabei werden vorteilhaft Primärwicklung und Entmagnetisierungswicklung mit gleicher Windungszahl ausgelegt, so daß die Kollektor Emitterspannung den doppelten Wert der primären Gleichspannung nicht überschreiten kann In der Praxis wird dann das Tastverhältnis nicht hoher als 0,45 sein, da der Transformatorkern eine gewisse Zeit benotigt, um die Magnetisierungsenergje wahrend der Sperrphase abzubauen und auch die Schalt- und Speicherzeiten der Schalttransistoren eine Rolle spielen Es ist auch bekannt, die Windungszahl der Entmagnetisierungswicklung kleiner als die der Primärwicklung zu machen Das maximal ausnutzbare Tastverhältnis wird zwar in diesem Fall großer, aber die Kollektor-Emitter Spitzenspannung wird hoher, was den Einsatz von entsprechend hochsperrenden Transistoren bedingt, die teurer sind und schlechtere Schalteigenschaften haben

In DE 3133578 ist ein Eintakt-Durchflußwandler mit zwei Transistoren und Begrenzungsdioden auf der Primarseite eines Transformators beschrieben, bei dem durch Wahl des Verhältnisses von Gesamtwindungszahl der Primärwicklung zu der Windungszahl der als Entmagnetisierungswicklung dienenden Wicklung großer als Eins das maximale Tastverhältnis auf etwa 0,75 vergrößert und damit die Schaltleistung erhöht werden kann
— Nachteilig bei diesen Losungen ist

Das maximale Tastverhältnis muß infolge des festen Verhältnisses zwischen Eingangsspannung und primärer Ruckschlagspannung und wegen dem daraus resultierenden Verhältnis zwischen Auf- und Entmagnetisierungszeit des Transformatorkernes auf feste Werte, ζ B 0,45 oder 0,75 begrenzt werden Da bei dieser Verfahrensweise die Toleranzen der zur Begrenzung dienenden Bauelemente, die kapazitiv bedingte Umschwingzeit des Transformators und die Schalt- und Speicherzeiten der Schalttransistoren berücksichtigt werden müssen, entsteht bei der praktischen Dimensionierung eine Zeitlucke zwischen Ende der Entmagnetisierung des Transformators und dem nächsten Einschaltvorgang, die die Leistungsbilanz des Durchflußwandlers verschlechtert

Die Begrenzung des maximalen Tastverhaltnisses bei den üblichen Durchflußwandlern auf 0,45 bedingt bei geringer Eingangsspannung eine geringe Schaltleistung. Dieser Nachteil kann zwar durch die Dimensionierung gemäß DE 3133578 beseitigt werden, hierbei treten jedoch bei hohen Eingangsspannungen hohe Kollektor-Emitter-Spttzenspannungen auf, die nur durch die zwei verwendeten Transistoren mit hoher Kollektor-Emitter-Sperrspannung beherrscht werden Ein weiterer Nachteil ist, daß sich bei einem Tastverhältnis kleiner als das maximale Tastverhältnis gegenüber dem Betrieb mit maximalem Tastverhältnis, unter der Annahme, daß der Kollektorspitzenstrom konstant sei, die Verlustleistung des Schalttransistors nicht entsprechend reduziert, da die Kollektorspitzenspannung konstant bleibt.

Hinsichtlich der Regelung der Ausgangsspannung werden in der Praxis zwei Losungswege beschriften Veränderung der Schaltfrequenz bei konstanter Lange der Flußphase oder Veränderung des Tastverhaltnisses bei konstanter Schaltfrequenz. Aus Gründen der Genauigkeit der Ausgangsgroßen wird fur hohe Anforderungen die Regelschaltung sekundarseitig vorgesehen Der Regelkreis wird zur Primarseite hin bei geforderter Netztrennung per Optokoppler oder mittels eines Treiberubertragers geschlossen Beim Einsatz eines Optokopplers entsteht der Nachteil, daß der Optokoppler infolge seiner Verstarkungstoleranz, seiner oberen Grenzfrequenz und seines Temperaturganges die Regelschleifenverstarkung dahingehend beeinflußt, daß diese zur Gewährleistung der Schwingsicherheit verringert werden muß Wird der Optokoppler zum Übertragen der Ansteuerimpulse genutzt, muß der Optokoppler in der Lage sein, die Schaltfrequenz zu übertragen bei gleichzeitiger Gewährleistung der Spannungsfestigkeit. Diese sich widersprechenden Forderungen können heute übliche Optokoppler nur ungenügend erfüllen Bei Einsatz eines Treiberubertragers wird durch die notwendige Netztrennung ein voluminöses Wickelteil erforderlich, welches teuer ist und fur eine optimale Transistoransteuerung nur im Zusammenhang mit aufwendigen Treiberschaltungen anwendbar ist