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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgung mit
einem Schaltnetzteil, das einen Transformator mit einer
Primärwicklung und mehreren Sekundärwicklungen aufweist,
sowie einen mit der Primärwicklung gekoppelten
Schalttransistor und eine Regelschaltung, über die nach dem
Sperrwandlerprinzip eine Ausgangsspannung des
Schaltnetzteiles stabilisierbar ist. Stromversorgungen
dieser Art werden häufig in Geräten der
Unterhaltungselektronik eingesetzt, beispielsweise in
Fernsehgeräten und Videorecordern zur Erzeugung einer
Vielzahl von stabilisierten Versorgungsspannungen.
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Schaltnetzteile nach dem Sperrwandlerprinzip weisen eine
Stabilisierung der Ausgangsspannungen auf, bei der über eine
Regelschleife eine der Ausgangsspannungen geregelt wird.
Über die Regelschleife, die mit der Treiberschaltung des
Schalttransistors verbunden ist, wird der Schalttransistor
derart angesteuert, dass die mit der Regelschleife
verbundene Ausgangsspannung durch beispielsweise
Pulsbreitenmodulation (PWM) oder eine Frequenzvariation des
Steuersignals des Schalttransistors konstant gehalten wird.
Hierdurch werden auch die weiteren Ausgangsspannungen des
Schaltnetzteiles stabilisiert, da die von den weiteren
Sekundärwicklungen erzeugten Ausgangsspannungen in erster
Näherung nur von dem Windungsverhältnis zwischen der
stabilisierten Wicklung und den Sekundärwicklungen abhängen.
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Benötigt ein Gerät viele Versorgungsspannungen, so muss das
Schaltnetzteil entsprechend viele Sekundärwicklungen zur
Erzeugung dieser Versorgungsspannungen aufweisen.
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Versorgungsspannungen, die nur mit geringer Leistung
benötigt werden, werden häufig auch über einen einfachen
Spannungsregler, insbesondere Linearregler, aus einer
höheren Versorgungsspannung erzeugt.
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Aus der DE-A-39 12 849 ist eine Stromversorgung bekannt, die
einen Transformator mit Sekundärwicklungen für mehrere
Versorgungsspannungen aufweist, wobei die Spannung an einem
ersten Ausgang des Transformators als Sperrwandler und die
Spannung an einem zweiten Ausgang des Transformators als
Flusswandler betrieben wird. Zur Steuerung der Sperrwandler-
Ausgangsspannung ist die Entladezeit des Transformators
veränderbar.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Stromversorgung mit einem Schaltnetzteil, das eine Mehrzahl
von Ausgangsspannungen aufweist, anzugeben, das
kostengünstig aufgebaut ist und insbesondere für eine
Verwendung in einer Settop-Box oder in einem Fernsehgerät
mit integriertem Satelliten-Decoder geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene
Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Stromversorgung nach der Erfindung weist ein
Schaltnetzteil auf, das einen Transformator mit einer
Primärwicklung und mehreren Sekundärwicklungen enthält,
sowie einen mit der Primärwicklung gekoppelten
Schalttransistor und eine Regelschaltung, über die nach dem
Sperrwandlerprinzip eine Ausgangsspannung des
Schaltnetzteiles stabilisierbar ist. Eine der
Sekundärwicklungen des Transformators wird hierbei nach dem
Prinzip des Durchflusswandlers betrieben.
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Da die Ausgangsspannung dieser Sekundärwicklung nicht
geregelt ist und diese Ausgangsspannung insbesondere von dem
Windungsverhältnis zwischen Primärwicklung und dieser
Sekundärwicklung abhängt, wird diese Ausgangsspannung durch
einen nachgeschalteten Schaltregler, vorzugsweise einen
Aufwärtswandler, stabilisiert. Die hierdurch gewonnene,
stabilisierte Ausgangsspannung ist insbesondere für den
Betrieb eines Low-Noise-Converters verwendbar. Da Low-Noise-
Converter eines Satelliten-Receivers häufig zwei
Versorgungsspannungen benötigen, umschaltbar zwischen 13 Volt
und 18 Volt, kann die Steuerung des Aufwärtswandlers
dementsprechend ausgelegt werden.
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Die Verwendung einer Sekundärwicklung, die in einem
Durchflussmodus betrieben wird, hat den Vorteil, dass der
Transformator durch diese Wicklung nicht belastet wird, da
die Energieübertragung für diese Wicklung nicht über die
Aufmagnetisierung des Transformatorkerns erfolgt. Da das
Schaltnetzteil nach dem Sperrwandlerprinzip arbeitet, ist
diese Ausgangsspannung allerdings nicht stabilisiert und ist
insbesondere von Netzspannungsschwankungen abhängig. Dies
ist jedoch kein Nachteil, da diese Ausgangsspannung für den
Betrieb eines Low-Noise-Converters verwendet wird, der
alternativ zwei unterschiedliche Versorgungsspannungen
benötigt. Diese beiden Versorgungsspannungen lassen sich
vorteilhaft durch einen Aufwärtswandler aus der
Ausgangsspannung dieser Sekundärwicklung erzeugen, indem
dessen Regelschaltung entsprechend umgeschaltet wird, je
nach benötigter Ausgangsspannung.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand eines
schematischen Schaltbildes näher erläutert. Es zeigt:
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Figur eine Stromversorgung mit einem Schaltnetzteil,
das einen Transformator mit zwei
Sekundärwicklungen zur Erzeugung von
Versorgungsspannungen aufweist.
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Die Stromversorgung nach der Figur enthält ein
Schaltnetzteil mit einem Transformator TR1, der eine
Primärwicklung W1 und sekundärseitig angeordnete
Sekundärwicklungen W2 und W3 zur Erzeugung von
Ausgangsspannungen U2 bzw. U3 aufweist. An einem Anschluss 1
der Primärwicklung W1 ist eine Gleichspannung U1
angeschlossen, die durch einen Speicherkondensator C1 bereit
gestellt wird. An dem zweiten Anschluss 2 der Primärwicklung
W1 ist ein Schalttransistor T1 angeschlossen, der eine
Energieübertragung von der Primärwicklung W1 auf die
Sekundärwicklungen W2 und W3 bewirkt. Der Schalttransistor
T1 ist in diesem Ausführungsbeispiel in Serie zu der
Primärwicklung W1 geschaltet und wird zur Stabilisierung der
Ausgangsspannung U2 nach dem Sperrwandlermodus betrieben, in
dem während der Sperrphase des Schalttransistors T1 von der
Sekundärwicklung W2 eine Spannung geliefert wird zum Laden
eines Kondensators C2 über eine Diode D1.
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Das Schaltnetzteil nach der Fig. 1 ist eine vereinfachte
Darstellung, so sind unter anderem keine Treiberschaltung
oder Schutzschaltungen für den Schalttransistor T1
dargestellt, da diese nach dem Stand der Technik bekannt und
nicht Gegenstand dieser Erfindung sind. In der Praxis
verwendete Transformatoren sind ebenfalls wesentlich
komplexer aufgebaut und weisen üblicherweise sowohl auf der
Primärseite als auch auf der Sekundärseite weitere
Sekundärwicklungen auf. Wird das Schaltnetzteil mit einer
Gleichspannung U1 betrieben, die über einen Gleichrichter
aus einer Netzspannung erzeugt wird, so ist der
Transformator TR1 als Trenntransformator ausgebildet. Das
Schaltnetzteil kann jedoch auch als batteriebetriebener
DC/DC-Wandler verwendet werden, so dass eine Netztrennung
nicht notwendig ist. Wird das Schaltnetzteil mit einer
Netzspannung betrieben, so kann es insbesondere spezielle
Schaltungen für eine Powerfaktorkorrektur aufweisen.
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Die Regelung des Schalttransistors T1 kann hierbei über eine
primärseitig angeordnete Hilfswicklung oder über eine
sekundärseitige Regelung erfolgen, bei der die
Regelschaltung über eine Regelschleife eine der
sekundärseitigen Ausgangsspannungen des Schaltnetzteiles
regelt. Der Schalttransistor wird hierbei nach dem
Sperrwandlermodus betrieben, in dem während der Leitendphase
des Schalttransistors T1 über die Primärwicklung W1 Energie
im Transformator TR1 gespeichert wird, und die anschließend
während der Sperrphase des Schalttransistors T1 auf eine
oder mehrere Sekundärwicklungen, hier auf die
Sekundärwicklung W2, übertragen wird.
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Der Wicklungssinn der beiden Wicklungen W1 und W2 ist
hierbei derart, dass an den Anschlüssen 2 und 3 jeweils
gleiche Spannungsvorzeichen, in Bezug zum jeweils anderen
Anschluss der betreffenden Wicklung, vorhanden sind. Ist
beispielsweise im Normalbetrieb des Schaltnetzteiles
Transistor T1 gesperrt, so ist die Spannung am Anschluss 2
hoch gegenüber der Spannung am Anschluss 1 aufgrund der
Induktivität des Transformators TR1, und gleichzeitig die
Spannung an dem Anschluss 3 der Wicklung W2 hoch gegenüber
dem Anschluss 4. Da hierdurch die Diode D1 leitet, wird der
Kondensator C2 während der Sperrphase des Transistors T1
aufgeladen, so dass eine positive Versorgungsspannung U2
bereitgestellt wird.
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Die Gleichspannung U2 wird folgendermaßen nach dem
Sperrwandlerprinzip geregelt: Die Spannung U2 wird über
einen Spannungsteiler mit einer stabilen Referenzspannung
verglichen und eine Abweichung vom Sollwert wird über einen
Opto-Koppler auf die Primärseite des Schaltnetzteiles
übertragen. In der Treiberschaltung des Schalttransistors T1
wird diese Abweichung zur Ansteuerung dieses Transistors
verwendet. Eine häufig verwendete Ansteuerung ist hierbei
die pulsbreitenmodulierte Ansteuerung, bei der über eine
Variation der Pulsbreite des Steuersignals für den
Schalttransistor T1 die Energieübertragung im Transformator
TR1 bewirkt wird. Ein Schaltnetzteil, das eine
sekundärseitige Regelung einer Ausgangsspannung aufweist,
ist beispielsweise in der US 4,876,636 beschrieben, auf die
hiermit verwiesen wird. Die Regelung des Schalttransistors
T1 kann jedoch auch über eine primärseitig angeordnete
Regelung erfolgen.
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Ein Vorteil des Sperrwandlerprinzips ist, dass der
Transformator TR1 weitere Sekundärwicklungen aufweisen kann
mit einer nachgeschalteten Diode und einem Kondensator zur
Erzeugung von weiteren Ausgangsspannungen, die dann
ebenfalls stabilisiert sind. Die Ausgangsspannung einer
weiteren Sekundärwicklung hängt hierbei von der Anzahl der
Windungen dieser Wicklung im Vergleich zu den Windungen der
Wicklung W2 ab und ist im wesentlichen proportional zu dem
Windungsverhältnis.
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Der Transformator TR1 besitzt weiterhin eine Wicklung W3,
deren Windungssinn umgekehrt ist in bezug auf die Wicklung
W2. Der Windungssinn einer Wicklung ist in der Figur durch
einen Kreis angedeutet, Anschlüsse mit einem Kreis weisen
hierbei gleiche Spannungsvorzeichen während des Betriebes
auf. An dem Anschluss 5 der Wicklung W3 liegt daher in der
Durchlassphase des Schalttransistors T1 eine positive
Spannung U3 an und in der Sperrphase eine negative Spannung,
im Gegensatz zu den Anschluss 3 der Wicklung W2. Die
Spannung U3 wird durch eine Diode D4 gleichgerichtet und
durch einen Kondensator C4 geglättet zur Erzeugung einer
positiven Spannung U3', die von einem nachgeschalteten
Schaltregler verwendet wird zur Erzeugung einer
stabilisierten Versorgungsspannung U4.
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Die Energieübertragung von der Wicklung W1 auf die Wicklung
W3 erfolgt hier also während der Durchschaltphase des
Schalttransistors T1 und entspricht damit einem
Vorwärtsmodus bzw. einem Durchflussmodus. Die Spannung über
der Sekundärwicklung W2 ist hierbei proportional der
Spannung über der Primärwicklung W1. Hierdurch wird also
nicht eine Energieübertragung durch eine Aufmagnetisierung
des Kernes verwendet, wie beim Sperrwandlerprinzip. Der im
Sperrwandlermodus betriebene Transformator TR1 erzeugt die
Ausgangsleistung für die Sekundärwicklung W3 gewissermaßen
nebenbei, der Transformatorkern wird hierdurch nicht
belastet. Würde die Wicklung W3 ebenfalls im
Sperrwandlermodus betrieben, so müsste der Transformator TR1
für eine höhere Ausgangsleistung und entsprechend größer
ausgelegt werden.
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An der Wicklung W3 ist ein Schaltregler, in diesem
Ausführungsbeispiel ein Aufwärtswandler mit einem
Schalttransistor T2, angeordnet zur Erzeugung einer
stabilisierten Versorgungsspannung U4. Der Aufwärtswandler
weist eine Spule L1 auf, die mit einem Ende mit dem
Kondensator C4 und mit ihrem anderen Ende über eine Diode D3
mit einem Kondensator C3 verbunden ist, an dem die
Versorgungsspannung U4 abgreifbar ist. Der Schalttransistor
T2 ist zwischen der Spule L1 und der Diode D3 angekoppelt
und gegen Masse geschaltet. Er wird durch eine
Regelschaltung, nicht dargestellt, mittels eines
pulsbreitenmodulierten Steuersignals US angesteuert zur
Erzeugung und Stabilisierung der Versorgungsspannung U4.
Wenn der Transistor T2 durchschaltet, so wird in der Spule
L1 eine Magnetisierung aufgebaut, die in der Sperrphase des
Transistors T2 einen Strom liefert zur Aufladung des
Kondensators C3. Die Versorgungsspannung U4 ist hierdurch
insbesondere höher als der positive Anteil der
Ausgangsspannung U3.
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Aufgrund der Induktivität der Spule L1 können durch eine
pulsbreitenmodulierte Ansteuerung des Transistors T2 also
Versorgungsspannungen U4 erzeugt werden, die geregelt sind.
Werden als Versorgungsspannung U4 beispielsweise Spannungen
von 13 Volt und 18 Volt benötigt, so kann die Windungszahl
der Wicklung W3 im Verhältnis zur Windungszahl der
Primärwicklung W1 derart gewählt werden, dass der
Spannungsbereich des positiven Anteils der Spannung U3 in
einem Bereich von 8 bis 15 Volt liegt. Dieser
Spannungsbereich kann durch einen Aufwärtswandler ohne
Probleme ausgeregelt werden.
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Die Wicklung W3 wird in diesem Betriebsmodus gewissermaßen
wie bei einem Durchflusswandler verwendet. Der Nachteil
hierbei ist, dass der positive Anteil der Wechselspannung U3
von der an der Wicklung W1 anliegenden Spannung U1 abhängt
und hierdurch den Schwankungen dieser Spannung ausgesetzt
ist. Die Spannung U3 ist hierdurch also insbesondere von
Schwankungen der Netzspannung abhängig, wenn die Spannung U1
über die Netzspannung erzeugt wird.
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Dies ist hier jedoch kein Nachteil, da die aus der
Ausgangsspannung U3 erzeugte Versorgungsspannung U4 sowieso
durch den Aufwärtswandler stabilisiert wird. Mögliche
Spannungsschwankungen der 230 Volt-Netzspannung von
beispielsweise ±10% stellen daher kein Problem dar. Ein
Low-Noise-Converter, LNB, für eine Satellitenantenne
benötigt üblicherweise zwei verschiedene Betriebsspannungen,
abhängig von dessen Betriebsmodus. Durch die Wahl einer
bestimmten Betriebsspannung kann insbesondere über den LNB
eine gewünschte Polarisation des empfangenen
Satellitensignals gewählt werden. Die gewünschte Wahl dieser
Spannung kann hierdurch auf einfache Art durch den
Aufwärtswandler erfolgen. Der Aufwärtswandler kann hierbei
mit einer diskret aufgebauten Schaltstufe, wie anhand der
Figur erläutert, oder auch durch eine integrierte Schaltung
realisiert werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die konkrete
Ausführungsform des hier beschriebenen Sperrwandlers
beschränkt, so können primärseitig auch zwei oder mehrere
Schalttransistoren verwendet werden. Weitere Ausgestaltungen
liegen im handwerklichen Bereich eines Fachmannes.