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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgung mit
einem Schaltnetzteil, dass 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 eine
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. Häufig
werden auch Spannungsregler, insbesondere Linearregler,
einer Sekundärwicklung nachgeschaltet, durch die eine
weitere Versorgungsspannung bereit gestellt wird bzw. eine
verbesserte Stabilisierung erzielt werden kann.
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Es ist auch bekannt, in einem Schaltnetzteil, das nach dem
Sperrwandlerprinzip arbeitet, eine Sekundärwicklung zu
verwenden, die in einem Vorwärtsmodus beschaltet ist. Diese
liefert entsprechend einem Durchflusswandler eine
Ausgangsspannung, wenn der an der Primärwicklung
angeschlossene Schalttransistor leitet. Die Ausgangsspannung
dieser Sekundärwicklung ist hierbei der an der
Primärwicklung anliegenden Eingangsspannung proportional,
entsprechend dem Windungsverhältnis dieser Wicklung zu der
Primärwicklung. Beim Ausschalten des Gerätes bzw. bei einer
kurzen Netzunterbrechung hat dies jedoch den Nachteil, dass
die durch diese Sekundärwicklung erzeugte Ausgangsspannung
entsprechend der Eingangsspannung abfällt.
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Aus der DE-A-39 12 349 eine Stromversorgung bekannt, bei der
die Spannung an einem ersten Ausgang des Transformators nach
dem Sperrwandlerprinzip geregelt wird und die Spannung an
einem zweiten Ausgang des Transistors als Flusswandler
betrieben wird. Zur Steuerung der
Sperrwandlerausgangsspannung ist die Entladezeit des Transformators veränderbar.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Stromversorgung anzugeben, die ein Schaltnetzteil mit einem
Transformator aufweist und die auch bei einer kurzfristigen
Netzunterbrechung stabilisierte Ausgangsspannungen liefert.
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Diese Aufgabe wird für eine Stromversorgung durch die in den
Ansprüchen 1 und 6 und für ein Gerät durch die im Anspruch 8
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 ist in einem Vorwärtsmodus beschaltet,
und dieser Sekundärwicklung ist ein Abwärtswandler
nachgeschaltet zur Spannungsstabilisierung. Die
Ausgangsspannung dieser Sekundärwicklung liegt hierbei
vorteilhafterweise über 25 Volt, vorzugsweise in einem
Bereich von 30 bis 50 Volt, so dass der Abwärtswandler auch
bei kurzzeitigen Netzunterbrechungen weiterarbeitet.
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Die Stromversorgung kann insbesondere in einem Gerät,
beispielsweise einem Fernsehgerät oder in einer Settop-Box
verwendet werden, wobei die nach dem
Durchflusswandlerprinzip geschaltete Sekundärwicklung eine
Versorgungsspannung für eine Festplatte und für den Betrieb
eines Low-Noise-Converters liefert. 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. Diese Ausgangsspannung ist zwar
nicht stabilisiert, da sie von Netzspannungsschwankungen
abhängig ist, dieser Nachteil wird jedoch durch den
nachgeschalteten Abwärtswandler ausgeglichen.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand eines
schematischen Schaltbildes näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Stromversorgung mit einem Schaltnetzteil, das
einen Transformator mit zwei Sekundärwicklungen
zur Erzeugung von Versorgungsspannungen und einen
Abwärtswandler aufweist, und
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Fig. 2 die Beschaltung des Abwärtswandlers nach der Fig.
1.
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Die Stromversorgung nach der Fig. 1 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 1der 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 über eine Diode D1 eine positive
Spannung geliefert wird zum Laden eines Kondensators C2.
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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 vorhanden sind, in Bezug zum
jeweils anderen Anschluss der betreffenden Wicklung. 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 am 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
beispielsweise über einen Opto-Koppler auf die Primärseite
des Schaltnetzteiles übertragen. In der Treiberschaltung des
Schalttransistors T1 wird diese Abweichung zur Ansteuerung
des Schalttransistors 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 jeweils einer nachgeschalteten Diode und einem
Kondensator zur Erzeugung von weiteren Ausgangsspannungen,
die 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 Wicklungssinn umgekehrt ist in bezug auf die Wicklung
W2. Der Wicklungssinn 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 dem 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 U4, die von einem nachgeschalteten
Abwärtsregler 7 verwendet wird zur Erzeugung einer
stabilisierten Versorgungsspannung U5.
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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 W3 ist hierbei proportional der
Spannung über der Primärwicklung W1. Hierdurch wird also
nicht eine Energieübertragung durch eine Aufmagnetisierung
des Transformatorkerns 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 ausgelegt und entsprechend größer
dimensioniert werden.
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Das Windungsverhältnis W3 zu W1 ist hierbei derart, dass die
über dem Kondensator C4 liegende Ausgangsspannung U4 im
Normalbetrieb größer 25 Volt beträgt, vorzugsweise in einem
Bereich von 30 bis 50 Volt. Hierdurch arbeitet der
Abwärtswandler 7 auch bei kurzzeitigen
Netzspannungsunterbrechungen weiter, Unterbrechungen bis zu
50 Millisekunden werden toleriert. Die von dem
Abwärtswandler erzeugte Ausgangsspannung U5 beträgt hierbei
12 Volt oder weniger.
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Eine andere Möglichkeit, kurzzeitige
Netzspannungsunterbrechungen zu überbrücken, wäre ein erheblich größerer
Speicherkondensator C1. Dies wird hier durch die Verwendung
einer vergleichsweise hohen Ausgangsspannung U4 in
Verbindung mit einem nachgeschalteten Abwärtswandler
vermieden.
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Ein Ausführungsbeispiel für einen Abwärtswandler 7 ist in
der Fig. 2 dargestellt. Hier wird eine integrierte Schaltung
8, beispielsweise ein IC LM2576 der Firma National
Semiconductor, verwendet, die einen Schalttransistor
aufweist, sowie einen Oszillator, eine Regelschaltung und
eine Treiberstufe für den Schalttransistor. Der Eingang der
integrierten Schaltung 8 ist mit dem Kondensator C4
verbunden und der Ausgang Vout mit einer Spule L1, deren
Ausgang mit dem Kondensator C5 verbunden ist. Über zwei
Widerstände R3 und R4 wird ein Regelsignal U9 von dem
Kondensator C5 abgegriffen und an den Eingang "Feedback" der
integrierten Schaltung 8 angelegt zur Regelung der Spannung
U5. Zwischen dem Ausgang Vout der integrierten Schaltung 8
und der Spule L1 ist weiterhin eine Freilaufdiode D5 gegen
Masse angeordnet.
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Die integrierte Schaltung 8 weist weiterhin noch einen
Eingang ON_OFF auf, durch die die integrierte Schaltung 8
über eine Spannung U8 abgeschaltet werden kann,
beispielsweise für einen Standby-Betrieb.
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Die Funktion dieser Schaltung ist wie folgt: Der in der
integrierten Schaltung 8 enthaltene Schalttransistor wird in
Abhängigkeit von dem Regelsignal U9 gesteuert.
Unterschreitet die Ausgangsspannung U5 einen bestimmten
Schwellwert, so wird dieser Schalttransistor geöffnet,
wodurch ein Magnetfeld in der Spule L1 aufgebaut wird.
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Sperrt der Schalttransistor der integrierten Schaltung, so
wird die Spule L1 über die Freilaufdiode D5 entladen und
lädt hiermit den Kondensator C5. Dieser Schaltzyklus wird
periodisch mit der Schaltfrequenz des internen Oszillators
der integrierten Schaltung 8 durchgeführt. Die
Ausgangsspannung U5 kann hierdurch beispielsweise mit einer
Toleranz von weniger als 4% stabilisiert werden.
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Die Spannung U5 kann insbesondere für den Betrieb einer
Festplatte in einem Fernsehgerät oder in einer Settop-Box
verwendet werden. Eine Festplatte benötigt eine Spannung von
12 Volt für den Betrieb des Festplattenlaufwerkes.
Gleichzeitig kann die Spannung U5 für den Betrieb eines Low-
Noise-Converters (LNC) verwendet werden, der eine
Betriebsspannung von 13 und 18 Volt benötigt. Diese
Spannungen lassen sich aus den 12 Volt beispielsweise durch
einen umschaltbaren Aufwärtswandler auf einfache Weise
erzeugen.
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Der Abwärtswandler 7 weist außerdem eine
Überspannungsschutzschaltung mit zwei Transistoren T2 und T3 auf. Über
einen Spannungsteiler mit Widerständen R5 und R6 wird
hierbei ein Teil der Ausgangsspannung U5 an dem Emitter des
Transistors T2 angelegt. An der Basis des Transistors T2
liegt gleichzeitig eine Spannung U7 von 5 Volt an, und der
Kollektor des Transistors T2 ist über zwei Widerstände R7
und R8 mit Masse verbunden. Der Transistor T2 schaltet
hierdurch bei einem Schwellwert von etwa 5,7 Volt durch.
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Ist die Spannung U5 zu hoch, so schaltet hierdurch der
Transistor T2 durch, abhängig vom Widerstandsverhältnis R5
zu R6, und hierdurch schaltet ebenfalls der Transistor T3
durch, dessen Basis mit einem Anschluss zwischen den beiden
Widerständen R7 und R8 verbunden ist. Hierdurch kann der
Abwärtswandler 7 durch die Ausgangsspannung U6 des
Transistors T3 im Falle einer Überspannung abgeschaltet
werden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung liegen im
handwerklichen Bereich eines Fachmannes. Die Erfindung ist
insbesondere nicht auf eine konkrete Ausführungsform des
hier beschriebenen Sperrwandlers beschränkt und kann
insbesondere auch bei Sperrwandlern verwendet werden, die
zwei oder mehr Schalttransistoren aufweisen.