DE10001866A1 - Verfahren zum Steuern eines Schaltnetzteiles sowie Schaltnetzteil - Google Patents

Abstract

Um bei einem geregelten Schaltnetzteil mit einem Übertrager (Tr) Einbrüche der Ausgangsspannung (Us), verursacht durch Lastsprünge (Pa) während Impulspausen, zu verhindern, gibt ein Schwellwertdetektor (SD) bei Absinken der Ausgangsspannung (Us) auf einen vorgebbaren Mindestwert (Usmin) ein Steuersignal ab, das induktiv von der Sekundärwicklung (Ls) des Übertragers (Tr) auf eine an eine Steuereinheit (IC) angeschlossene Regelwicklung (Lr) übertragen wird, die das Schaltnetzteil einschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Schaltnetzteiles, bei dem eine Wechselspannung an den Wech­ selspannungseingängen eines Brückengleichrichters liegt, an dessen Gleichspannungsausgängen eine Parallelschaltung aus einer ersten Kapazität und aus einer Reihenschaltung, beste­ hend aus der Primärwicklung eines Übertragers und aus einem steuerbaren Schalter, angeschlossen ist, dessen Steuereingang mit dem Steuerausgang einer Steuereinheit verbunden ist, und bei dem parallel zur Sekundärwicklung des Übertragers eine Reihenschaltung aus einer Diode und einer zweiten Kapazität liegt, an der die geregelte Ausgangsspannung abnehmbar ist.

Die Erfindung betrifft weiter ein Schaltnetzteil, bei dem ei­ ne Wechselspannung an den Wechselspannungseingängen eines Brückengleichrichters liegt, an dessen Gleichspannungsausgän­ gen eine Parallelschaltung aus einer ersten Kapazität und aus einer Reihenschaltung, bestehend aus der Primärwicklung eines Übertragers und aus einem steuerbaren Schalter, angeschlossen ist, dessen Steuereingang mit dem Steuerausgang einer Steuer­ einheit verbunden ist, und bei dem parallel zur Sekundärwick­ lung des Übertragers eine Reihenschaltung aus einer Diode und einer zweiten Kapazität liegt, an der die geregelte Ausgangs­ spannung abnehmbar ist.

Schaltnetzteile, die eine geregelte Ausgangsspannung erzeu­ gen, sind mit einem Übertrager ausgestattet, an dessen Pri­ märwicklung die Gleichspannungsausgänge eines Gleichrichters, zum Beispiel eines Brückengleichrichters, mittels eines steu­ erbaren Schalters anschließbar sind, der von einer Steuerein­ heit oder von einem Regler geschaltet wird. Parallel zur Se­ kundärwicklung des Übertragers liegt eine Reihenschaltung aus einer Diode und einer Kapazität, an der die geregelte Ausgangsspannung abnehmbar ist. Der steuerbare Schalter wird in Abhängigkeit von der Last am Ausgang des Schaltnetzteiles durch von der Steuereinheit oder vom Regler erzeugte Schal­ timpulse geöffnet und geschlossen. Diese Betriebsart eines Schaltnetzteiles, die als Impuls- oder Burstbetrieb bezeich­ net wird, hat einerseits insbesondere bei Schwachlastbetrieb des Schaltnetzteiles den Vorteil, dass nur geringe Verluste auftreten, ist aber andererseits mit dem Nachteil behaftet, dass bei einem positiven Lastsprung während einer Impulspause - auch Burstpause genannt - die Ausgangsspannung plötzlich stark absinkt. Um trotz plötzlicher Lastsprünge eine mög­ lichst konstante geregelte Ausgangsspannung zu erzeugen, ist bei Burstbetrieb die Kapazität der Kondensatoren auf der Se­ kundärseite möglichst groß zu wählen. Alternativ hierzu kann anstelle des Burstbetriebes eine andere Betriebsart vorgese­ hen werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern eines Schaltnetzteiles sowie ein Schaltnetzteil so zu gestal­ ten, dass die Ausgangsspannung auch während einer Impuls- bzw. einer Burstpause weitestgehend konstant bleibt, ohne dass hierzu Kondensatoren mit einer großen Kapazität erfor­ derlich sind.

Die Erfindung löst diese Aufgabe verfahrensmäßig mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen dadurch, dass bei Absinken der Ausgangsspannung auf einen vorgebbaren Schwellwert die Steuereinheit das Schaltnetzteil einschaltet.

Vorrichtungsmäßig löst diese Aufgabe ein Schaltnetzteil mit den im Anspruch 5 angegebenen Merkmalen dadurch, dass eine induktiv mit der Sekundärwicklung des Übertragers gekoppelte Regelwicklung an einen Steuereingang der Steuereinheit ange­ schlossen ist, dass die Diode mittels eines steuerbaren Schalters überbrückbar ist, dessen Steuereingang mit dem Aus­ gang eines zum Abgreifen der Spannung an der zweiten Kapazität parallel zur zweiten Kapazität liegenden Schwellwertde­ tektors verbunden ist.

Wenn während einer Impulspause ein plötzlicher Lastsprung auftritt, sinkt die Ausgangsspannung des Schaltnetzteiles plötzlich ab. Sobald die Ausgangsspannung auf einen vorgebba­ ren Schwellwert abgesunken ist, wird das Schaltnetzteil wie­ der eingeschaltet, um die Ausgangsspannung auf den Sollwert zu regeln.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist ein Schwellwertdetektor vorgesehen, der das Ab­ sinken der Ausgangsspannung auf den vorgebbaren Schwellwert detektiert und ein Steuersignal an die Steuereinheit abgibt, die das Schaltnetzteil wieder einschaltet.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das vom Schwellwert­ detektor erzeugte Steuersignal für die Steuereinheit induktiv mittels der Sekundärwicklung des Übertragers auf eine Regel­ wicklung übertragen wird, die an einen Eingang der Steuerein­ heit angeschlossen ist. Dieses Steuersignal wird nur während einer Impulspause auf die Regelwicklung übertragen, weil Lastsprünge nur während einer Impulspause die Ausgangsspan­ nung plötzlich stark abfallen lassen. Dagegen bleibt die Aus­ gangsspannung bei Lastsprüngen, die während eines Impulses auftreten, weitgehend konstant.

Weil der Übertrager zur Übertragung des Steuersignals genutzt wird, sind keine weiteren Koppler, wie zum Beispiel ein Opto- Koppler, erforderlich.

Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteiles wird nun anhand der Figuren beschrieben und erläutert. In der Zeich­ nung zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 3 Impulsdiagramme eines erfindungsgemäßen Schaltnetz­ teiles.

In der Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung gezeigt, bei dem an den Wechselspannungseingängen eines Brückengleichrichters BR eine Wechselspannung UW anliegt. An die Gleichspannungsausgänge des Brückengleichrichters BR ist eine Kapazität C1 angeschlossen, zu der eine Reihenschaltung aus der Primärwicklung Lp eines Übertragers Tr und aus der Strecke eines Schalttransistors T1, zum Beispiel eines Feld­ effekttransistors, parallel liegt. Der Steuerausgang einer Steuereinheit IC ist mit der Gate-Elektrode des Schalttransi­ stors T1 verbunden. Auf der Primärseite des Übertragers Tr ist eine Regelwicklung Lr angeordnet, die an einen Eingang der Steuereinheit IC angeschlossen ist. Auf der Sekundärseite des Übertragers Tr ist eine Sekundärwicklung Ls angeordnet, die induktiv sowohl mit der Primärwicklung Lp als auch mit der Regelwicklung Lr gekoppelt ist. Parallel zur Sekundär­ wicklung Ls liegt eine Reihenschaltung aus einer Diode D1 und einer Kapazität C2, an der die geregelte Ausgangsspannung Us abnehmbar ist. Parallel zur Kapazität C2 liegt ein Schwell­ wertdetektor SD, dessen Ausgang mit dem Steuereingang eines die Diode D1 überbrückenden steuerbaren Schalters T3 verbun­ den ist.

Sobald die Ausgangsspannung Us an der Kapazität C2 auf den vorgebbaren Schwellwert absinkt, schließt der Schwellwertde­ tektor SD den steuerbaren Schalter T3, so dass am gemeinsamen Verbindungspunkt der Sekundärwicklung Ls und der Diode D1 ei­ ne Spannung anliegt, die im Übertrager Tr auf die Regelwick­ lung Lr übertragen wird. Die in der Regelwicklung Lr indu­ zierte Spannung bewirkt, dass die Steuereinheit IC einen Schaltimpuls an den Schalttransistor T1 abgibt, wodurch das Schaltnetzteil wieder eingeschaltet wird und Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite des Übertragers Tr über­ trägt, um die Ausgangsspannung Us auf einen konstanten Wert zu regeln.

In der Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen Schaltnetzteiles abgebildet, bei dem der Aufbau des Schwellwertdetektors SD und des steuerbaren Schalters T3 im einzelnen dargestellt ist.

Auf der Primärseite hat das in Fig. 2 abgebildete Ausfüh­ rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteiles den­ selben Aufbau wie das in der Fig. 1 gezeigte Ausführungsbei­ spiel.

Auf der Sekundärseite liegt ebenso wie beim Ausführungsbei­ spiel aus der Fig. 1 die Reihenschaltung aus der Diode D1 und der Kapazität C2 parallel zur Sekundärwicklung Ls des Über­ tragers Tr. Parallel zur Kapazität C2 liegt ein Spannungstei­ ler aus einem Widerstand R2 und R3. Außerdem liegt parallel zur Kapazität C2 und somit auch zum Spannungsteiler aus den Widerständen R2 und R3 eine Reihenschaltung aus der Emitter- Kollektor-Strecke eines Transistors T2 und eines Widerstandes R5. Die Basis des Transistors T2 ist mit dem Mittelabgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen R2 und R3 verbun­ den. Die Diode D1 ist mit einer Reihenschaltung aus der Emit­ ter-Kollektor-Strecke eines Transistors T3 und eines Wider­ standes R1 überbrückt. Die Basis des Transistors T3 ist mit dem Kollektor des Transistors T2 verbunden, dessen Basis über einen Widerstand R4 mit dem Kollektor des Transistors T3 ver­ bunden ist.

Die Baugruppe aus dem Spannungsteiler mit den Widerständen R2 und R3, den Widerständen R4 und R5 sowie dem Transistor T2 stellt den Schwellwertdetektor SD dar, während der Transistor T3 der steuerbare die Diode D1 überbrückende Schalter ist.

Der vorgebbare Schwellwert wird durch das Verhältnis der Wi­ derstände R2 und R3 bestimmt. Wenn der vorgebbare Schwellwert unterschritten wird, wird der Spannungsabfall am Widerstand R2 so klein, dass der Transistor T2 gesperrt wird. Weil der Transistor T3 deshalb über den Widerstand R5 einen Basisstrom zieht, schaltet er durch und wird leitend. Weil der Kollektor des Transistors T3 über den Widerstand R1 mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Diode D1 und der Sekundärwicklung Ls verbunden ist, liegt die Kollektorspannung des Transistors T3 über den Widerstand R1 an der Sekundärwicklung Ls des Über­ tragers Tr an und wird auf die Regelwicklung Lr übertragen. Die in der Regelwicklung Lr induzierte Spannung liegt an der Steuereinheit IC an und wird von ihr ausgewertet. Die Steuer­ einheit IC nimmt den Schaltbetrieb des Schalttransistors T1 wieder auf, um von der Primärseite Energie auf die Sekundär­ seite des Übertragers zu übertragen, damit die Ausgangsspan­ nung Us wieder auf den konstanten Sollwert geregelt wird. Der zwischen dem Kollektor des Transistors T3 und der Basis des Transistors T2 liegende Widerstand R4 bewirkt eine Mitkopp­ lung, so dass ein Schmitt-Trigger-Effekt erzielt wird. Wegen dieses Effektes wird der Transistor T3 schnell durchgeschal­ tet.

In der Fig. 3 sind die zu dem in der Fig. 2 abgebildten Schaltnetzteil gehörenden Impulsdiagramme gezeigt.

In der Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der Spannung Uo am Ausgang der Steuereinheit IC, der zeitliche Verlauf der Last P am Ausgang des Schaltnetzteiles, der zeitliche Verlauf der geregelten Spannung Us am Ausgang des Schaltnetzteiles sowie der zeitliche Verlauf der Regelspannung Uc gezeigt.

Die erste Burstperiode liegt zwischen den Zeitpunkten t0 und t1. Die erste Impuls- bzw. Burstpause liegt zwischen den Zeitpunkten t1 und t2. Der zweite Burst liegt zwischen den Zeitpunkten t2 und t3. Während einer Burstpause zum Zeitpunkt t4 springt die Last P am Ausgang des Schaltnetzteiles plötz­ lich vom niederen Wert P1 auf den hohen Wert P2. Zwischen den beiden Zeitpunkten t4 und t5 fällt daher die Ausgangsspannung Us am Ausgang des Schaltnetzteiles steil ab und erreicht zum Zeitpunkt t5 den vorgegebenen Schwellwert Usmin. Zu diesem Zeitpunkt t5 gibt die Steuereinheit SE einen Steuerimpuls an den Schalttransistor T1 ab, so dass das Schaltnetzteil in den Normalbetrieb geht. Die Regelung hält die Spannung Us auf dem Sollwert Usnom.

Zum Zeitpunkt t6 springt die Last P am Ausgang des Schalt­ netzteiles vom hohen Wert P2 wieder auf den niedrigen Wert P1 zurück. Die Regelspannung Uc, die im Normalbetrieb den Wert Uc2 hat, fällt ab und unterschreitet zum Zeitpunkt t7 den für den Burstbetrieb vorgesehenen Wert Uc1. Die Steuereinheit SE bewirkt daher eine Burstpause. Wegen der nun geringen Last P1 am Ausgang des Schaltnetzteiles fällt die Spannung Us am Aus­ gang des Schaltnetzteiles langsam ab und erreicht zum Zeit­ punkt t8 den Schwellwert Usmin. Die Steuereinheit SE leitet nun wieder eine Burstphase ein.

Wenn während des Normalbetriebes die Spannung Us am Ausgang des Schaltnetzteiles unter den Schwellwert Usmin sinkt, wird ebenfalls der Transistor T3 leitend und der Widerstand R1 stromführend. Die Spannungsverhältnisse im Übertrager Tr wer­ den aber dadurch nur unwesentlich beeinflusst, weil im Nor­ malbetrieb im Übertrager Tr wesentlich höhere Energien und Spannungen vorhanden sind, als die bei leitendem Transistor T3 erzeugte Spannung.

Der von der Sekundärwicklung Ls auf die Regelwicklung Lr übertragene Impuls muss nur so hoch sein, dass die Ansprech­ schwelle der Steuereinheit IC überschritten wird. Es ist da­ her keine hohe Energie zur Übertragung dieses Schaltimpulses erforderlich.

Der Widerstand R1 begrenzt den Strom durch die Sekundärwick­ lung Ls. Es ist sinnvoll diese Strombegrenzung vorzusehen, weil nach dem Einschalten des Transistors T3 durch die Sekun­ därwicklung Ls ein linear ansteigender Strom fließt, bis der Schalttransistor T1 erneut eingeschaltet wird. Während der Schalttransistor T1 eingeschaltet ist, wird am einen Ende der Sekundärwicklung Ls eine Spannung induziert, so dass durch den Transistor T3 und den Widerstand R1 ein Strom fließt, dessen Höhe durch den Widerstand R1 begrenzt wird.

Während des Burstbetriebes wird die Regelspannung Uc konstant auf dem Wert Uc1 gehalten, der die Breite der Einschaltimpul­ se während der Burstphase bestimmt. Die Regelung während des Burstbetriebes erfolgt nicht mehr durch die Regelspannung, sondern durch das Verhältnis von Burstphase zu Burstpause. Dieses Verhältnis wird durch die Last P am Ausgang des Schaltnetzteiles bestimmt.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, bei Absinken der Span­ nung am Ausgang des Schaltnetzteiles auf einen vorgebbaren Schwellwert während einer Burstpause das Schaltnetzteil wie­ der in Betrieb zu nehmen, bleibt seine Ausgangsspannung wei­ testgehend konstant. Insbesondere wird ein plötzliches Absin­ ken der Ausgangsspannung vermieden.

Die in den Figuren gezeigten und beschriebenen Ausführungs­ beispiele eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteiles sind nur zwei von mehreren Möglichkeiten. Derartige Schaltungen sind außerdem sehr gut zur Integration geeignet.

Bezugszeichenliste

BR Brückengleichrichter
C1 Kapazität
C2 Kapazität
D1 Diode
IC Steuereinheit
Lp Primärwicklung
Lr Regelwicklung
Ls Sekundärwicklung
P Abgabelast am Ausgang des Schaltnetzteiles
R1 Widerstand
R2 Widerstand
R3 Widerstand
R4 Widerstand
R5 Widerstand
Tr Übertrager
T1 Schalttransistor
T2 Transistor
T3 Transistor
Uo Ausgangsspannung der Steuereinheit
Us Ausgangsspannung des Schaltnetzteiles
Uc Regelspannung

Claims (8)

1. Verfahren zum Steuern eines Schaltnetzteiles, bei dem eine Wechselspannung (UW) an den Wechselspannungseingängen eines Brückengleichrichters (BR) liegt, an dessen Gleichspannungs­ ausgängen eine Parallelschaltung aus einer ersten Kapazität (C1) und aus einer Reihenschaltung bestehend aus der Primär­ wicklung (Lp) eines Übertragers (Tr) und aus einem steuerba­ ren Schalter (T1), angeschlossen ist, dessen Steuereingang mit dem Steuerausgang einer Steuereinheit (IC) verbunden ist, und bei dem parallel zur Sekundärwicklung (Ls) des Übertra­ gers (Tr) eine Reihenschaltung aus einer Diode (D1) und einer zweiten Kapazität (C2) liegt, an der die geregelte Ausgangs­ spannung (Us) abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei Absin­ ken der Ausgangsspannung (Us) auf einen vorgebbaren Mindest­ wert (Usmin) die Steuereinheit (IC) das Schaltnetzteil ein­ schaltet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwellwertdetektor (SD) bei Absinken der Ausgangsspannung (Us) auf den vorgebbaren Mindestwert (Usmin) ein Steuersignal an die Steuereinheit (IC) abgibt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Schwellwertdetektor (SD) erzeugte Steuersignal für die Steu­ ereinheit (IC) induktiv mittels der Sekundärwicklung (Ls) des Übertragers (Tr) auf eine Regelwicklung (Lr) übertragen wird, die an den Eingang der Steuereinheit (IC) angeschlossen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwertdetektor (SD) das Steuersignal für die Steuerein­ heit (IC) während einer Impulspause erzeugt.

5. Schaltnetzteil, bei dem eine Wechselspannung (UW) an den Wechselspannungseingängen eines Brückengleichrichters (BR) liegt, an dessen Gleichspannungsausgängen eine Parallelschal­ tung aus einer ersten Kapazität (C1) und aus einer Reihen­ schaltung bestehend aus der Primärwicklung (Lp) eines Über­ tragers (Tr) und aus einem steuerbaren Schalter (T1), ange­ schlossen ist, dessen Steuereingang mit dem Steuerausgang ei­ ner Steuereinheit (IC) verbunden ist, und bei dem parallel zur Sekundärwicklung (Ls) des Übertragers (Tr) eine Reihen­ schaltung aus einer Diode (D1) und einer zweiten Kapazität (C2) liegt, an der die geregelte Ausgangsspannung (Us) ab­ nehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine induk­ tiv mit der Sekundärwicklung (Ls) des Übertragers (Tr) gekop­ pelte Regelwicklung (Lr) an den Steuereingang der Steuerein­ heit (IC) angeschlossen ist, dass die Diode (D1) mittels ei­ nes steuerbaren Schalters (T3) überbrückbar ist, dessen Steu­ ereingang mit dem Ausgang eines zum Abgreifen der Spannung an der zweiten Kapazität (C2) parallel zur zweiten Kapazität (C2) liegenden Schwellwertdetektors (SD) verbunden ist.

6. Schaltnetzteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur zweiten Kapazität (C2) ein Spannungsteiler aus einem er­ sten und einem zweiten Widerstand (R2, R3) liegt, dass der Mittelabgriff des Spannungsteilers aus dem ersten und dem zweiten Widerstand (R2, R3) mit der Basis eines ersten Tran­ sistors (T2) verbunden ist, dessen Emitter mit dem gemeinsa­ men Verbindungspunkt der Diode (D1) und der zweiten Kapazität (C2) verbunden ist und dessen Kollektor mit der Basis eines zweiten Transistors (T3) und über einen dritten Widerstand (R5) mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Sekundärwick­ lung (Ls) und der zweiten Kapazität (C2) verbunden ist, dass der Emitter des zweiten Transistors (T3) mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Diode (D1) und der zweiten Kapazität (C2) verbunden ist und dass der Kollektor des zweiten Transi­ stors (T3) über einen vierten Widerstand (R4) mit der Basis des ersten Transistors (T2) und über einen fünften Widerstand (R1) mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Diode (D1) und der Sekundärwicklung (Ls) verbunden ist.

7. Schaltnetzteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der steuer­ bare Schalter (T1) ein Feldeffekttransistor ist.

8. Schaltnetzteil nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnellwertdetektor (SD) mit Rückmeldung aus den Widerständen (R1 bis R5) und aus den Transistoren (T2, T3) als integrier­ ter Schaltkreis realisiert ist.