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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Gleichspannungsschaltnetzteil
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 (JP 63-59766 A).
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In
Gleichspannungsnetzteilen, die unter der Bezeichnung "Schaltmodus"- oder "Schalt"-Netzteile bekannt
sind, wird üblicherweise
ein Transformator eingesetzt. Dieser Transformator wandelt eine
Eingangswellenform mit einem vorgegebenem Tastverhältnis sowie
vorgegebener Amplitude und Frequenz in eine Wellenform mit einem
Mittelwert gleich der gewünschten
Ausgangsgleichspannung um. Ein (induktives-kapazitives) L-C-Tiefpaßfilter
wird dann üblicherweise
dazu verwendet, diesen gemittelten Wert als Ausgangsspannung zur
Verfügung
zu stellen. Die Induktivität
ist in Serie zur Sekundärwicklung
des Transformators und der Kondensator parallel nach Masse geschaltet.
Mit dem Ausgang des Netzteils sind eine oder mehrere elektrische
Lasten verbunden.
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Ein
Problem kann dann auftreten, wenn Lasten am Ausgang eines Schaltnetzteils
von diesem abgetrennt werden. Dann wird der Ausgangsstrom aus dem
Netzteil reduziert (oder ganz unterbrochen, wenn alle Lasten abgetrennt
werden). Wird der Ausgangsstrom ausreichend klein, kann die Ausgangspannung
des Netzteils den Spitzenwert der Sekundärspannung des Netzteiltransformators
erreichen, und zwar deshalb, weil bei einem sehr kleinen Ausgangsstrom über der
Drossel in dem L-C-Tiefpaßfilter nur
ein geringer (bzw. kein) Spannungsabfall auftritt. Der Kondensator
in dem L-C-Tiefpaßfilter
lädt sich daher
auf die Spitzenspannung der Sekundärwicklung des Transformators
auf. Diese Spitzenspannung ist im allgemeinen beträchtlich
höher als
die gemittelte Spannung der Sekundärwicklung des Transformators.
Die höhere
Spannung, welche über
dem Kondensator und demzufolge auch am Ausgang des Netzteils auftritt,
kann Komponenten innerhalb des Netzteils und auch noch weitere mit
dem Netzteil verbundene Lasten beschädigen.
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Um
zu verhindern, daß die
Spannung am Ausgang eines Netzteils in der vorstehend beschriebenen
Art ansteigt, ist es wünschenswert,
sicherzustellen, daß jederzeit
ein Strom, der ein vorgegebenes Minimum übersteigt, aus dem Ausgang
des Netzteils fließt.
Ein Mittel zur Sicherstellung eines solchen minimalen Stromflusses
besteht darin, innerhalb des Netzteils einen Hilfslastwiderstand über den Ausgangsanschlüssen des
Netzteils anzuschließen. Dieser
Widerstand ist so bemessen, daß er
einen Strom über
dem erforderlichen Minimum zieht, um ein Ansteigen der Ausgangsspannung
des Netzteils zu verhindern. Da jedoch dieser Hilfslastwiderstand stets
mit dem Ausgang des Netzteils verbunden ist, stellt die Energie,
die er verbraucht, eine Reduzierung des Wirkungsgrades des Netzteils
dar. Ferner entlädt
sich dann, wenn das Schaltnetzteil zum Laden einer Batterie eingesetzt
wird, die Batterie über den
Hilfslastwiderstand, wenn das Schaltnetzteil abgeschaltet wird.
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Aus
der
US 35 24 124 ist
es bekannt, eine Hilfslast – einen
Transistor – dann
an den Ausgang eines Netzteils zu schalten, wenn die Ausgangsspannung
des Netzteils über
einen vorbestimmten Pegel ansteigt.
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Aus
der JP 58-64515 B ist es bekannt, eine Hilfslast – ebenfalls
einen Transistor – an
den Ausgang eines Netzteils zu schalten, wenn der Ausgangsstrom
aus dem Netzteil unter einen vorbestimmten Pegel fällt. Der
Ausgangsstrom wird über einen
Nebenschlußwiderstand
gemessen. Obwohl dieses Verfahren wirksam sein kann, stellt ein
Nebenschlußwiderstand,
welcher einen Strom signifikanter Größe messen kann, ein sehr teueres
Bauelement dar.
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Aus
der JP 63-59766 A ist eine Gleichspannungs- bzw. Gleichstromquelle
bekannt, bei der im Leerlauf- oder Schwachlastbetrieb eine Dummy-Last zugeschaltet
wird, wenn die Ausgangsspannung der Gleichstromquelle über einen
gegebenen Wert ansteigt. Die Dummy-Last zieht Strom, wodurch ein weiteres
Ansteigen der Ausgangsspannung verhindert wird. Nachteilig ist dabei
jedoch, daß diese
Dummy-Last auch dann Strom ziehen kann, wenn die Gleichstromversorgung
ausge schaltet ist, so daß beispielsweise
eine zum Laden an die Gleichstromquelle angeschlossene Batterie
sich dann wieder entlädt.
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Demgegenüber ist
es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Schaltnetzteil
und ein gattungsgemäßes verfahren
so zu verbessern, daß ein
unplanmäßiger Stromfluß vermieden
wird.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Gemeinsamkeit aller Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei
der vorliegenden Erfindung ist ein Schaltnetzteil mit einem Ausgang
vorgesehen, welches eine mit einem Ausgang versehene Spannungsübertragungseinrichtung
aufweist. Das Netzteil weist ferner zur Bereitstellung einer elektrischen
Last eine elektrische Lasteinrichtung auf. Zusätzlich enthält das Netzteil eine Meßeinrichtung
zum Messen einer Spannung des Ausgangs der Spannungsübertragungseinrichtung.
Letztendlich weist das Netzteil eine auf die Meßeinrichtung reagierende Schalteinrichtung
auf, um die elektrische Lasteinrichtung über den Ausgang des Netzteils
elektrisch anzuschließen.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Anschließen einer
elektrischen Last an ein Schaltnetzteil mit einem Ausgang und einem
Transformator mit einer Sekundärwicklung
geschaffen. Das Verfahren schließt den Schritt des Anlegens
einer elektrischen Last ein. Das Verfahren schließt ferner
den Schritt des Messens einer Spannung über der Sekundärwicklung
des Transformators ein. Letztendlich schließt das Verfahren den Schritt mit
ein, die elektrische Last über
den Ausgang des Netzteils anzuschließen.
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Die
von der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Vorrichtung und das
Verfahren stellen sicher, daß jederzeit
zumindest eine Minimallast für
den Ausgang eines Netzteils bereitgestellt wird. Ferner vermeidet
die vorliegende Erfindung die Nachteile eines konstant über dem
Ausgang des Netzteils angeschlossen Lastwiderstandes.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 ein
elektrisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Netzteils.
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2 eine
graphische Darstellung der Spannung über der Sekundärwicklung 19 des
Transformators 12 von 1 bei einer
normalen elektrischen Last am Ausgang des Netzteils 10.
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3 eine
graphische Darstellung der Spannung über der Sekundärwicklung 19 des
Transformators 12 von 1 ohne elektrische
Last am Ausgang des Netzteils 10.
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In 1 ist
ein die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung repräsentierendes elektrisches
Schaltbild dargestellt. Ein Netzteil 10 enthält einen
Transformator 12. An der Primärseite des Transformators 12 befindet
sich eine zwischen einer Gleichspannungsquelle und Masse angeschlossene
Primärstufe 14.
In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist diese Gleichspannungsquelle eine
(mit "Vbatt" in 1 bezeichnete)
Batterie mit einer Nennspannung von 336 Volt. Die Primärstufe 14 enthält eine
elektrische Schaltung, welche eine Spannung über der Primärwicklung 18 mit
dem Ziel schalten kann, eine Wellenform über der Sekundärwicklung 19 zu
erzeugen, die einen Mittelwert etwa gleich der gewünschten
Ausgangsgleichspannung des Netzteils 10 aufweist. Der Aufbau
der Primärstufe 14 kann
gemäß einer
Anzahl verschiedener Konfigurationen ausgeführt sein, die dem Fachmann
auf dem Gebiet der Schaltnetzteile bekannt sind.
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Auf
der Sekundärseite
des Transformators 12 befinden sich zwei Dioden 22 und 24.
Zusätzlich bilden
eine Drossel 26 und ein Kondensator 28 ein L-C-Tiefpaßfilter.
Die Ausgangsspannung des Netzteils 10 erscheint über dem
positiven Ausgangsanschluß 30 und
dem negativen Ausgangsanschluß 32 des
Netzteils 10.
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Über der
Sekundärwicklung 19 des
Transformators 12 sind eine Diode 36, ein Widerstand 38 (bevorzugt
4,7 kΩ)
und die Parallelkombination eines Widerstandes 40 (bevorzugt
1 kΩ) und
eines Kondensators 42 (bevorzugt 10 μF) angeschlossen. Ein Widerstand 46 (bevorzugt
7,5 kΩ)
verbindet den Knoten 44 mit einem nichtinvertierenden Eingang 50 eines
Komparators 52. Der Komparator ist vorzugsweise der Typ
LM 2903 beispielsweise des Fabrikats Motorola. Der Ausgang 56 und
der nicht invertierende Eingang 50 des Komparators 52 sind über einen
Widerstand 48 (bevorzugt 10 MΩ) verbunden. Der nichtinvertierende
Eingang 50 und der invertierende Eingang 54 des
Komparators 52 sind über
einen Kondensator 58 verbunden. Eine konstante Referenzspannung
Vref wird an den invertierenden Eingang 54 des
Komparators 52 geliefert. Ein Pullup-Widerstand 60 verbindet eine
Spannungsquelle Vbias mit dem Ausgang 56 des
Komparators 52. Vbias ist eine Gleichspannungsquelle,
welche nur eingeschaltet ist, wenn das Netzteil 10 eingeschaltet
sein soll.
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Innerhalb
des Netzteils 10 zwischen dem positiven Ausgangsanschluß 30 des
Netzteils 10 und dem Ausgang 56 des Komparators 52 sind
Widerstände 62 und 64 angeschlossen.
Der Knoten 66 zwischen den Widerständen 62 und 64 ist
mit der Basis eines PNP-Transistors 68 verbunden. Der Emitter des
Transistors 68 ist mit dem positiven Ausgangsanschluß 30 des
Netzteils 10 verbunden. Der Kollektor des Transistors 68 ist
mit der einen Seite eines Hilfslastwiderstandes 70 verbunden.
Die andere Seite des Hilfslastwiderstandes 70 ist mit einem
normalerweise offenen Kontakt 72 eines Relais 74 verbunden. Die
andere Seite des normalerweise offenen Kontaktes 72 ist
mit dem Ausgangsanschluß 32 des
Netzteils 10 verbunden. Eine Spule 76 des Relais 74 ist zwischen
der Spannungsquelle Vbias und dem Ausgangsanschluß 32 des
Netzteils 10 angeschlossen
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Lasten 78,
die mit Energie aus dem Netzteil 10 versorgt werden, sind
zwischen dem positiven Ausgangsanschluß 30 und dem negativen
Ausgangsanschluß 32 angeschlossen.
In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfassen die Lasten 78 eine
12-Volt Automobilbatterie, welche von dem Netzteil 10 geladen
wird. Rückkopplungspfade 80 und 82 stellen
eine Rückkopplung
der Ausgangsspannung des Netzteils 10 (d.h. der Spannung über dem
positiven Ausgangsanschluß 30 und dem
negativen Ausgangsanschluß 32)
zur Primärstufe
bereit. Die durch die Rückkopplungspfade
bereitgestellte Span nungsrückkopplung
ist ein allgemeines Merkmal in Schaltnetzteilen.
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Die
Arbeitsweise des Netzteils 10 ist wie folgt: Die Primärstufe 14 schaltet
die Spannung über der
Primärwicklung 18 des
Transformators 12 mit einer vorbestimmten Frequenz und
einem variablen Tastverhältnis.
Die bevorzugte Frequenz ist 125 kHz. Das Tastverhältnis ist
zu jedem Zeitpunkt so, daß die am
Ausgang des Netzteils 10 erscheinende Spannung (so wie
sie von den Rückkopplungspfaden 80 und 82 an
die Primärstufe 14 zurückgeführt wird)
die gewünschte
Ausgangsspannung des Netzteils 10 ist. Die bevorzugte Ausgangsspannung
des Netzteils 10 beträgt
13,8 Volt.
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Auf
der Sekundärseite
des Transformators 12 bilden die Diode 22, Diode 24,
die Drossel 26 und der Kondensator 28 die auf
der Sekundärseite
eines typischen Schaltnetzteils übliche
Schaltanordnung. Die Diode 22 richtet das Signal über der
Sekundärwicklung 19 gleich.
Die Drossel 26 und der Kondensator 28 bilden ein
Tiefpaßfilter
für das
Signal, indem sie im wesentlichen den Mittelwert der gleichgerichteten
Spannung über
der Sekundärwicklung 19 (mit einem
an der Diode 22 auftretenden Diodenspannungsabfall) bilden.
Die restlichen Komponenten auf der Sekundärseite des Transformators 12 arbeiten der
vorliegenden Erfindung entsprechend, um eine vorbestimmte minimale
Last über
dem positiven Ausgangsanschluß 30 und
dem negativen Ausgangsanschluß 32 des
Netzteils 10 auch dann sicherzustellen, wenn einige oder
alle Lasten 78 abgetrennt werden.
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Während des
Normalbetriebs des Schaltnetzteils 10 verhält sich
die Spannung über
der Sekundärwicklung 19 des
Transformators im allgemeinen so, wie in 2 dargestellt.
Die 2 stellt die Spannung über der Sekundärwicklung 19 dar,
wenn ein Strom von etwa fünf
Ampere (eine ausreichende elektrische Last) von dem positiven Ausgangsanschluß 30 des
Netzteils 10 geliefert wird. Andererseits zeigt die 3 die
Spannung über
der Sekundärwicklung 19,
wenn eine Last von Null Ampere (eine nicht ausreichende Last) von
dem positiven Ausgangsanschluß 30 des
Netzteils 10 geliefert wird. Es ist offensichtlich, daß die Fläche unter
der Kurve oberhalb der X-Achse in 2 beträchtlich
größer als
die Fläche
unter der Kurve oberhalb der X-Achse in 3 ist. Diesen
Unterschied wertet die vorliegende Erfindung aus, um zu erkennen,
ob eine nicht ausreichende Last zwischen dem positiven Ausgangsanschluß 30 und
dem negativen Ausgangsanschluß 32 angeschlossen
ist.
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Die
Ausgangsspannung aus der Sekundärwicklung 19 wird
von der Diode 36 gleichgerichtet. Das gleichgerichtete
Signal wird dann durch die Kombination des Widerstandes 38 und
des Widerstandes 40 in der Spannung geteilt. Ferner entfernt das
von dem Widerstand 38 und dem Kondensator 42 gebildete
Tiefpaßfilter
die Komponenten mit der höchsten
Frequenz aus dem Signal. Die Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters
am Knoten 44 liegt daher nahe am Mittelwert der gleichgerichteten
Spannung über
der Sekundärwicklung 19.
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Dieses
Signal wird in den nichtinvertierenden Eingang 50 des Komparators 52 eingespeist.
Der Komparator 52 vergleicht das Signal mit Vref,
welche am invertierenden Eingang 54 anliegt. Die Spannung Vref beträgt
bevorzugt 2,5 Volt und wird vorzugsweise von einem Referenzregelbaustein
TL 431A11P des Fabrikats Motorola geliefert. Wenn das Signal am nichtinvertierenden
Eingang 50 (d.h. die gemittelte Spannung des gleichgerichteten
Signals über
der Sekundärwicklung 19)
kleiner als 2,5 Volt ist, geht der Ausgang 56 des Komparators 52 auf
niedriges Potential, und zwar dann, wenn eine nicht ausreichende elektrische
Last zwischen dem positiven Ausgangsanschluß 30 und dem negativen
Ausgangsanschluß 32 angeschlossen
ist. Anderenfalls liegt der Ausgang 56 des Komparators 52 auf
hohem Potential.
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Die
Widerstände 46 und 48 bewirken
eine Hysterese im Schaltverhalten des Ausgangs 56 zwischen
den Zuständen
mit hohem und niedrigem Potential. Der Kondensator 58 unterstützt die
Ausfilterung von Gleichtaktstörungen.
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Wenn
der Ausgang 56 des Komparators 52 auf niedriges
Potential gegangen ist, wird der Transistor 68 eingeschaltet.
Der Hilfslastwiderstand 70 (bevorzugt acht Ohm) wird somit
elektrisch zwischen den positiven Ausgangsanschluß 30 und
den negativen Ausgangsanschluß 32 geschaltet,
solange der Kontakt 72 des Relais 74 geschlossen
ist. (Wie unmittelbar nachstehend erläutert, ist der Kontakt 72 tatsächlich immer
geschlossen, sobald das Netzteil 10 arbeitet). Somit wird
eine Last von 1,7 Ampere bei 13,8 Volt von dem Hilfslastwiderstand 70 bereitgestellt.
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Das
Relais 74 ist in der Schaltung enthalten, um zu verhindern,
daß Strom
zwischen dem positiven Ausgangsanschluß 30 und dem negativen
Ausgangsanschluß 32 fließt, wenn
das Netzgerät
ausgeschaltet sein soll. Die Spule 76 wird von einer Konstantspanungsquelle
Vbias mit Energie versorgt, sobald das Netzgerät 10 eingeschaltet
sein soll. Ohne das Relais 74 in Serie mit dem Transistor 68 könnte auch
dann ein geringer Strom von dem positiven Ausgangsanschluß 30 zu
dem negativen Ausgangsanschluß 32 fließen, wenn
das Netzteil ausgeschaltet sein soll. Ein solche Situation könnte auftreten,
da die Lasten 78 in der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung auch eine 12 Volt Batterie umfassen können. Auch
wenn der Ausgang 56 des Komparators 50 keinen
Strom zieht, kann der Transistor 68 wegen der 12 Volt Batterie
am Emitter des Transistors 68 teilweise leitend sein. Dieser
Leitvorgang kann auftreten, weil die 12 Volt Batterie den Emitter/Basis-Übergang
des Transistors 68 in Vorwärtsrichtung vorspannt. Der
Leitungsvorgang würde die
als eine der Lasten 78 angeschlossene 12 Volt Batterie
entleeren. Das Relais 74, welches öffnet, wenn Vbias abgeschaltet
wird, verhindert einen derartigen Stromfluß.