DE19516796A1

DE19516796A1 - Spannungsstabilisierungsschaltung

Info

Publication number: DE19516796A1
Application number: DE1995116796
Authority: DE
Inventors: Jaromir Dipl Ing Palata
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1995-05-08
Filing date: 1995-05-08
Publication date: 1996-11-14

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsstabilisierungsschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Spannungsstabilisierungsschaltung wird für Labornetzteile oder universelle Netzteile für Geräte der Unterhaltungselektronik eingesetzt. Mittels des Gleichrichters wird dabei aus einer Wechselspannung, die entweder direkt aus dem Versorgungsnetz oder aus der Sekundärwicklung eines Netztransformators entnommen wird, eine gleichgerichtete Spannung erzeugt, die einen Ladekondensator bis zum Spitzenwert der Wechselspannungsamplitude auflädt. Ein nachgeschalteter Linearregler dient zur Erzeugung einer stabilen Gleichspannung zur Versorgung nachfolgender Baugruppen.

Zur einwandfreien Funktion des Linearreglers ist es erforderlich, daß die an ihm anstehende Eingangsspannung stets höher als die angestrebte stabile Gleichspannung an seinem Ausgang ist. Durch den Spannungsabfall zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Linearreglers tritt eine Verlustleistung auf, die abgeführt werden muß.

Ist die Spannungsstabilisierungsschaltung zum Einsatz an normbedingten unterschiedlichen Netzspannungen oder stark schwankenden Netzspannungen vorgesehen, so muß durch entsprechende Auslegung eines Netztransformators dafür gesorgt werden, daß auch bei der niedrigsten Netzspannung, für die die Spannungsstabilisierungsschaltung ausgelegt ist, noch eine für die Regelung ausreichende Eingangsspannung vorhanden ist. Dies führt aber dazu, daß bei höheren Netzspannungen die Verluste im Linearregler ansteigen. Aus ökonomischen und ökologischen Gründen ist das nachteilig. Ferner erfordert die maximal mögliche thermische Belastung des Linearreglers den Einsatz eines besonders leistungsstarken Typs und einen besonders groß dimensionierten Kühlkörper.

Zwar wäre es möglich, durch Umschaltung von Wicklungsanzapfungen des Netztransformators eine Anpassung an die jeweils aktuelle Netzspannung vorzusehen, dies erfordert aber zusätzliche Bedienungsmaßnahmen mit der Gefahr von Fehlbedienungen und würde auch nur bei konstanten Netzspannungen Abhilfe schaffen, nicht dagegen bei unkontrolliert starken Netzspannungsschwankungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsstabilisierungsschaltung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die im Linearregler auftretende Verlustleistung weitestgehend unabhängig von der Netzspannung ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Spannungsstabilisierungsschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen angegebenen Merkmale gelöst.

Durch das steuerbare Stromventil, das mittels einer Phasenanschnittsteuerschaltung in Abhängigkeit der Differenz zwischen der Eingangsspannung und der stabilen Gleichspannung steuerbar ist, ergibt sich durch die Integrationswirkung des Ladekondensators am Eingang des Linearreglers stets eine konstante Spannung, so daß auch der Spannungsabfall über dem Linearregler konstant und die auftretende Verlustleistung weitestgehend unabhängig von der netzabhängigen Eingangsspannung ist. Die erfindungsgemäße Spannungsstabilisierungsschaltung ist dadurch für einen großen Eingangsspannungsbereich geeignet, wobei die Anpassung automatisch erfolgt und auch die insgesamt auftretende Verlustleistung weitgehend unabhängig vom aktuellen Wert der netzabhängigen Eingangsspannung ist.

Das steuerbare Stromventil kann ein Tyristor oder eine die Eigenschaften eines Tyristors nachbildende Transistorschaltung sein. Durch diese Eigenschaft wechselt die Leitfähigkeit des Stromventils lediglich zwischen den Zuständen leitend und nichtleitend, so daß die internen Verluste gering sind.

Bei einer praktischen Ausgestaltung der Spannungsstabilisierungsschaltung ist ein Steuereingang der Phasenanschnittsteuerschaltung mit dem Ausgang des Linearreglers und ein Steuerausgang der Phasenanschnittsteuerschaltung mit einer Steuerelektrode des steuerbaren Stromventils verbunden. Die Betriebsspannung für die Phasenanschnittsteuerschaltung ist zwischen der Kathode und der Anode des steuerbaren Stromventils abgegriffen.

Die Phasenanschnittsteuerschaltung erhält auf diese Weise eine stabile Regelgröße, wodurch die Zeitpunkte, zu denen das steuerbare Stromventil leitend gesteuert wird, exakt bestimmt werden können und somit die durch Integration am Ladekondensator anstehende Spannung auf einem optimalen Wert gehalten wird.

Durch den Abgriff der Betriebsspannung für die Phasenanschnittsteuerschaltung zwischen der Kathode und der Anode des steuerbaren Stromventils ergibt sich einerseits, daß das interne Bezugspotential der Phasenanschnittsteuerschaltung gerade so liegt, daß über eine einfache Ankoppelung an die Steuerelektrode des Stromventils dieses leitend gesteuert werden kann. Zum anderen ist der mittlere Spannungsabfall über dem Stromventil etwa in der Größenordnung der von der Phasenanschnittsteuerschaltung benötigten Betriebsspannung, so daß die Spannungsversorgung ohne große verlustbehaftete Vorwiderstände und damit sehr ökonomisch erfolgen kann.

Handelt es sich bei der Eingangsspannung um eine Wechselspannung, so kann die Phasenanschnittsteuerschaltung über einen Hilfsgleichrichter an die Anode und die Kathode des steuerbaren Stromventils angeschlossen sein. Wegen des geringen Leistungsbedarfs der Phasenanschnittsteuerschaltung kann dieser Hilfsgleichrichter für kleine Spannungen und Ströme ausgelegt sein. Im Falle einer Eingangsspannung in Form einer pulsierenden Gleichspannung, wie sie z. B. bei einem gesonderten Netzgleichrichter auftreten würde, kann die Betriebsspannung für die Phasenanschnittsteuerschaltung auch unmittelbar an der Kathode und der Anode des steuerbaren Stromventils abgegriffen werden. Bevorzugt ist hierbei die erste Ausführung, bei der auf einen gesonderten Netzgleichrichter verzichtet wird.

Eine praktische Weiterbildung sieht vor, daß das steuerbare Stromventil, die Phasenanschnittsteuerschaltung und der Linearregler eine gemeinsame integrierte Schaltung bilden. Die Integration ist dadurch möglich, daß für die drei Baugruppen Halbleiter sowie Widerstände benötigt werden, die zur Integration auf einem gemeinsamen Chip geeignet sind und diese Baugruppen sich auch intern koppeln lassen, so daß gegenüber einem einfachen Linearregler lediglich ein weiterer Anschlußkontakt nötig ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Spannungsstabilisierungsschaltung,

Fig. 2 eine alternative Ausführung des steuerbaren Stromventils,

Fig. 3 eine erste Schaltungsausführung der Phasenanschnittsteuerschaltung und

Fig. 4 eine zweite Ausführung der Phasenanschnittsteuerschaltung.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Spannungsstabilisierungsschaltung. Aus einer Netzwechselspannung UN wird über einen Netztransformator 1 mit einer Primärwicklung 6 und einer Sekundärwicklung 7 eine Eingangsspannung U_E gewonnen. Die Eingangsspannung U_E wird mittels eines steuerbaren Stromventils 2, das hier als Tyristor ausgebildet ist, gleichgerichtet und lädt einen Ladekondensator 4 auf. Die am Ladekondensator 4 liegende Spannung gelangt zu einem Eingang 13 eines Linearreglers 3. Durch gesteuerten Spannungsabfall am Linearregler 3 entsteht am Ausgang 14 des Linearreglers 3 eine stabile Gleichspannung U_A. Der Wert der stabilen Gleichspannung U_A kann über einen Spannungsteiler aus einem Widerstand 11 und einem Steuerwiderstand 10, dessen gemeinsamer Mittenanschluß mit einem Steuereingang 15 des Linearreglers 3 verbunden ist, variiert werden. Ein Siebkondensator 12 dient zur Glättung von Spannungspulsen durch Lastschwankungen.

Zur Steuerung des steuerbaren Stromventils 2 dient eine Phasenanschnittsteuerschaltung 5. Ein Eingang 16 dieser Phasenanschnittsteuerschaltung 5 ist mit dem Ausgang 14 des Linearreglers 3 verbunden und ein Steuerausgang 17 der Phasenanschnittsteuerschaltung 5 mit einer Steuerelektrode G des steuerbaren Stromventils 2. Die Phasenanschnittsteuerschaltung 5 erhält ihre Betriebsspannung an den Anschlüssen 18 und 19 durch Spannungsabgriff an der Anode A und der Kathode K des steuerbaren Stromventils 2. Wird die Spannungsstabilisierungsschaltung direkt mit einer Eingangsspannung U_E in Form einer Wechselspannung gespeist, so ist zwischen die Anode A des steuerbaren Stromventils 2 und des Betriebsspannungsanschlusses 18 der Phasenanschnittsteuerschaltung 5 ein Hilfsgleichrichter 9 eingefügt. Der Hilfsgleichrichter 9 kann entfallen, wenn es sich bei der Eingangsspannung U_E um eine pulsierende Wechselspannung handelt, die über einen Netzgleichrichter 8 erzeugt wird.

Die Phasenanschnittsteuerschaltung 5 steuert das steuerbare Stromventil 2 in Abhängigkeit der Differenz zwischen der Eingangsspannung U_E und der stabilen Gleichspannung U_A an. Ist die Eingangsspannung U_E höher als ein Wert, der vom Linearregler 3 als Spannungsabfall für einen ordnungsgemäßen Betrieb benötigt wird, so wird das steuerbare Stromventil nicht unmittelbar nach dem Spannungsnulldurchgang der Eingangsspannung U_E leitend gesteuert, sondern erst zu einem späteren Zeitpunkt der Spannungsperiode. Mit zunehmender Eingangsspannung U_E verschiebt sich dieser Zeitpunkt immer weiter zum Ende der Spannungsperiode. Durch Integration des während der leitenden Phase fließenden Stromes ergibt sich so am Ladekondensator 4 eine konstante mittlere Spannung, die unabhängig von der Eingangsspannung U_E ist. Der Linearregler 3 erhält an seinem Eingang 13 somit stets eine konstante Spannung, so daß der Spannungsabfall über dem Linearregler 3 nur vom Strom der mit der stabilen Gleichspannung U_A versorgten Baugruppen, nicht jedoch vom Wert der Eingangsspannung UE abhängig ist.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung des steuerbaren Stromventils, das hier aus komplementären Transistoren 21 und 22 ausgebildet ist, wobei die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 21 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 22 den Stromweg bilden. Eine Eingangsspannung an der Elektrode G steuert die Transistoren 21 und 22 leitend, wobei der Transistor 22 über den Transistor 21 bis zum nachfolgenden Nulldurchgang der Spannungsperiode im leitenden Zustand gehalten wird.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Ausführungen der Phasenanschnittsteuerschaltung 5. In Fig. 3 umfaßt die Phasenanschnittsteuerschaltung 5 einen zweistufigen Verstärker mit komplementären Transistoren 23 und 24, die in Emitterschaltung betrieben werden. Widerstände 25, 26 und 27 dienen zur Arbeitspunkteinstellung. Eine Zenerdiode 28 zwischen dem Steuereingang 16 und der Basis des Transistors 23 dient zur Potentialanpassung der um den Spannungsabfall über dem Linearregler 3 niedrigeren stabilen Gleichspannung U_A an das Potential, auf dem die Phasenanschnittsteuerschaltung 5 liegt. Die Ansteuerung der Steuerelektrode des steuerbaren Stromventils 2 erfolgt über einen Lastwiderstand 29.

Die in Fig. 4 gezeigte Phasenanschnittsteuerschaltung 5 umfaßt einen einstufigen Verstärker mit einem in Basisschaltung betriebenen Transistor 30, dessen Arbeitspunkt mittels Widerständen 31, 32, 33 und über einen Kondensator 34 eingestellt wird und der über eine Diode 35 gegen Verpolung geschützt ist. Zwischen dem Steuereingang 16 und dem Emitter des Transistors 30 liegt die Reihenschaltung eines Netzkompensationswiderstandes 36 und einer Zenerdiode 28, wobei die Zenerdiode die gleiche Funktion wie bei der Ausführung gemäß Fig. 3 hat. Zwischen dem Steuerausgang 17 und dem Kollektor des Transistors 30 liegen ein Lastwiderstand 37 und die Parallelschaltung eines Kondensators 38 und eines Widerstandes 39, welche zur Impulsformung des Steuerimpulses für das steuerbare Stromventil dient.

Claims

1. Spannungsstabilisierungsschaltung zur Erzeugung einer stabilen Gleichspannung (U_A) aus einer Eingangsspannung (U_E) in Form einer Wechselspannung oder pulsierenden Gleichspannung, welche einen Gleichrichter, einen dem Gleichrichter nachgeschalteten Linearregler (3) und einen zwischen dem Gleichrichter und dem Linearregler (3) einerseits und Bezugspotential andererseits angeordneten Ladekondensator (4) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter als steuerbares Stromventil (2) ausgebildet und mittels einer Phasenanschnittsteuerschaltung (5) in Abhängigkeit der Differenz zwischen der Eingangsspannung (U_E) und der stabilen Gleichspannung (U_A) steuerbar ist.

2. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Stromventil (2) ein Tyristor oder eine die Eigenschaften eines Tyristors nachbildende Transistorschaltung ist.

3. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuereingang (16) der Phasenanschnittsteuerschaltung (5) mit dem Ausgang (14) des Linearreglers (3) und ein Steuerausgang (17) der Phasenanschnittsteuerschaltung (5) mit einer Steuerelektrode (G) des steuerbaren Stromventils (2) verbunden ist und daß die Betriebsspannung für die Phasenanschnittsteuerschaltung (5) zwischen der Kathode (K) und der Anode (A) des steuerbaren Stromventils (2) abgegriffen ist.

4. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung für die Phasenanschnittsteuerschaltung (5) bei einer Eingangsspannung in Form einer Wechselspannung über einen Hilfsgleichrichter (9) und bei einer Eingangsspannung in Form einer pulsierenden Gleichspannung unmittelbar an der Kathode (K) und der Anode (A) des steuerbaren Stromventils (2) abgegriffen ist.

5. Spannungsstabilisierungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Stromventil (2), die Phasenanschnittsteuerschaltung (5) und der Linearregler (3) eine gemeinsame integrierte Schaltung (20) bilden.