DE19643136A1 - Sperrwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sperrwandler mit einem Übertrager, mit einer Primär­ wicklung sowie mit zumindest einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung in Serie mit einem gesteuerten Schalter an einer Eingangsgleichspannung liegt und der Sekundärwicklung ein Gleichrichter und ein Ladekondensator nachgeschaltet sind, mit einer Ansteuerschaltung für den Schalter die Startimpulse liefert und mit einer Detektorschaltung für das Ende der Magne­ tisierungsphase, die während der Entmagnetisierungsphase die Abgabe von Startimpulsen verhindert und die nach der Entmagnetisierungsphase die Ansteuerschaltung zur Abgabe eines neuen Startimpulses aktiviert.

In dem Buch "Schaltnetzteile", W. Hirschmann und A. Hauenstein, Siemens Verlag, München, 1990, p 197 ff, ist ein Sperrwandler dieser Art beschrieben, dessen Übertrager zur Nulldurch­ gangserkennung eine eigene Wicklung besitzt. Die Spannung an dieser Wicklung wird einem Ansteuerbaustein zugeführt, welcher auch eine Schaltung zur Nachbildung des Stromes im Eingangskreis (Primärwicklung - Schalter) beinhaltet. Der Aufwand für eine getrennte Übertra­ gerwicklung und auch jener für die gesamte Schaltung ist hierbei verhältnismäßig hoch.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen freischwingenden Sperrwandler anzugeben, der mit geringem Aufwand, insbesondere ohne zusätzliche Wicklung des Übertragers, aufgebaut wer­ den kann, ohne daß sich - verglichen mit den bekannten Sperrwandlern - andere Nachteile ein­ stellen.

Die Aufgabe wird mit einem Sperrwandler der eingangs angegebenen Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß die Detektorschaltung als Spannungskomparator für die Spannung an der Primärspule bzw. an dem Schalter ausgebildet ist.

Dank der Erfindung läßt sich eine Übertragerwicklung einsparen, und es ergibt sich ein großer Freiraum bei der Auswahl der Ansteuer- bzw. Regelschaltung.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind dem Komparator die Potentiale an den Anschlüssen der Primärspule zugeführt.

Um Schaltunsicherheiten zu vermeiden, empfiehlt es sich, dem Komparator einen Spannungs­ teiler mit Offset vorzuschalten.

Zur Vermeidung von Verlusten bzw. von höherfrequenten Störungen ist es zweckmäßig, wenn die Ansteuerschaltung zur Begrenzung der Frequenz auf einen vorgegebenen Maximalwert eingerichtet ist.

Eine praxisbezogene Ausführung eines Sperrwandlers, dessen Ansteuerschaltung einen Puls­ breitenregler und einen RC-gesteuerten Oszillator aufweist, zeichnet sich dadurch aus, daß der Ausgang des Komparators in solcher Weise auf den Oszillator wirkt z. B. dem Kondensator des RC-gesteuerten Oszillators parallel geschaltet ist, daß der Oszillator zur Auslösung von Startimpulses nach Feststellung des Nulldurchgangs freigegeben ist. Hierbei kann parallel zu dem Kondensator und dem Ausgang des Komparators ein Schalter liegen, dessen Steuereingang die Steuersignale für den ersten gesteuerten Schalter zugeführt sind, so daß auch bei geschlossenem Schalter kein Spannungsanstieg an dem Kondensator möglich ist.

Bei einer anderen praxisgerechten Ausführung besitzt die Ansteuerschaltung einen Vergleicher für den Ist-Wert des Primärstromes mit einer Regelgröße, z. B. der Abweichung der Wandler- Ausgangsspannung von einem Referenzwert, wobei zwischen dem Vergleicher und dem Steu­ ereingang des Schalters ein Flipflop angeordnet ist, dessen Set-Eingang mit dem Ausgang des Komparators verbunden ist. In diesem Fall kann zur Frequenzbegrenzung der Komparator über eine Schalteinrichtung mit dem Flipflop verbunden sein, wobei an einem Steuereingang der Schalteinrichtung der Ausgang eines Monoflops liegt, dessen Auslöseeingang das Ansteuer­ signal des Schalters zugeführt ist, wobei durch die Schaltdauer des Monoflops die Frequenz­ begrenzung vorgegeben ist. Es ist zweckmäßig, wenn die Schalteinrichtung eine UND-Schal­ tung ist, deren einer Eingang an dem Ausgang des Komparators und dessen anderer Eingang an dem Ausgang des Monoflops liegt.

Die Erfindung samt anderen Vorteilen ist im folgenden anhand beispielsweiser Ausführungs­ formen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Sperrwandlers nach der Erfindung in einer schematischen Schal­ tung bzw. in einem Blockschaltbild, Fig. 2 in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf verschie­ dener Signale bei der Schaltung nach Fig. 1, Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung in einer Darstellung wie Fig. 1, Fig. 4 ein zu der Ausführung nach Fig. 3 gehöriges Diagramm, analog zu Fig. 2, Fig. 5 eine dritte Ausführungsform der Erfindung in einer Darstellung ent­ sprechend Fig. 1 und Fig. 3 und die Fig. 6 und 7 Diagramme von Signalverläufen bei der Aus­ führung nach Fig. 5 entsprechend Fig. 2 bzw. 4.

Gemäß Fig. 1 besitzt der Sperrwandler nach der Erfindung einen Übertrager Tr mit einer Pri­ märwicklung W_p und mit einer Sekundärwicklung W_s. Tatsächlich können aber mehrere Se­ kundärwicklungen für unterschiedliche bzw. galvanisch getrennte Spannungen vorgesehen sein. Die Primärwicklung W_p liegt mit ihrem einen Ende an einem Pol einer Eingangsgleichspan­ nung U_p; ihr anderes Ende liegt über einen gesteuerten Schalter T1, hier ein Schalttransistor, und einen Sensorwiderstand R_s an Masse bzw. an dem anderen Pol der Eingangsgleichspan­ nung U_p.

Sekundärseitig ist der Wicklung W_s ein Gleichrichter D_s und ein Ladekondensator C_s nachge­ schaltet. An letzterem liegt die Ausgangsgleichspannung U_s, die auf die Last, hier als Wider­ stand R_L gezeigt, wirkt.

Der gesteuerte Schalter T1 wird von einer Ansteuerschaltung A angesteuert, die eine Ansteu­ erspannung U_AS liefert - hier an das Gate des Transistors T1. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Ansteuerschaltung A einen Oszillator OSC mit einem externen, frequenzbestimmen­ den RC-Glied, bestehend aus einem Widerstand R_c und einem Kondensator C_c auf. Der Kon­ densator C_c wird über den Widerstand R von einer Referenzspannungsquelle Ref mit einer Spannung U_Ref aufgeladen. Die Spannung an dem Kondensator C_c ist mit U_c bezeichnet. Die Ausgangsimpulse des Oszillators OSC sind dem Set-Eingang eines Flipflops FF zugeführt, des­ sen Ausgang an einer Treiberstufe DR liegt, welche die Startimpulse, d. h. die Spannung U_AS für den Schalter T1 liefert.

An dem Reset-Eingang des Flipflop FF liegt der Ausgang eines Pulsweitenmodulator-Kompa­ rators PWM, dessen beiden Eingängen die folgenden Signale zugeführt sind: Die Spannung U_RS, die an dem Sensorwiderstand Rs liegt, sowie die Ausgangsspannung U_f eines Fehlerver­ stärkers V_f. An einem Eingang des Fehlerverstärkers V_f liegt eine konstante Referenzspan­ nung, in diesem Fall dieselbe Referenzspannung U_Ref, die für den Oszillator OSC verwendet wird, und an seinem anderen Eingang der Ausgang eines Fehlerverstärker-Netzwerkes N_f für die Ausgangsgleichspannung U_s, die hier dem Netzwerk N_f unmittelbar zugeführt ist. Vom Ausgang des Fehlerverstärkers V_f führt eine Gegenkopplungsleitung zum Netzwerk N_f. In be­ kannter Weise könnte hier jedoch auch ein nicht gezeigter Optokoppler oder dergleichen zwi­ schengeschaltet sein. Soweit bis hierher beschrieben, entspricht die Schaltung im wesentlichen dem Stand der Technik.

Es ist weiterhin ein Nulldurchgangsdetektor vorgesehen, der aus einem Spannungskomparator K mit einem vorgeschalteten Spannungsteiler ST besteht. Der Ausgang des Komparators K liegt an dem Kondensator C_c (Spannung U_c). Dem nicht invertierenden Eingang des Komparators ist über einen Spannungsteiler R; 1,1R die an dem einen Ende der Wicklung W_p liegende Ein­ gangsgleichspannung U_p zugeführt, dem invertierenden Eingang über einen Spannungsteiler R,R die an dem anderen Ende der Wicklung W_p liegende Spannung U_T. Die entsprechend verminderten Spannungen an den Eingängen des Komparators K sind mit U_p′ und U_T′ be­ zeichnet. Im vorliegenden Beispiel ist somit

Dem Ausgang des Komparators K parallel liegt ein zweiter, gesteuerter Schalter T2, in diesem Fall gleichfalls ein Transistor, dessen Steuereingang (Basis), allenfalls über einen Widerstand R_B, an dem Ausgang der Treiberstufe DR liegt.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auch auf Fig. 2 die Funktion der Schaltung beschrieben.

Im Augenblick des Anschaltens des Sperrwandlers an die Eingangsgleichspannung U_p ist U_T = U_p und wegen der Dimensionierung des Spannungsteilers ist U_p′ < U_T′ (Fig. 2a), wodurch gewährleistet ist, daß der Komparator K mit Sicherheit ausgeschaltet ist. Der Komparatoraus­ gang ist hochohmig, so daß der Kondensator C_c über den Widerstand R_c aufgeladen wird. Überschreitet U_c eine Schwellenspannung U1, wird ein Startimpuls aktiviert (Fig. 2b, c), so daß der Transistor T1 und der Kleinsignaltransistor T2 leitend werden. U_c entspricht nun der Sätti­ gungsspannung des Transistors T2, auf welcher U_c während der Zeit t1 bleibt (Fig. 2c). Dies bedeutet, daß kein weiterer Startimpuls freigegeben wird, solange U_AS "high" ist.

Nun steigt der Primärstrom i_p mit der Steigung U_p/L_p, wobei L_p die Induktivität der Primär­ wicklung W_p ist, an und linear dazu die Spannung U_RS, bis U_AS den Wert U_f erreicht (Fig. 2d), wodurch über den Verstärker V_f, den Komparator PWM, das Flipflop FF und den Treiber DR beide Schalter T1, T2 abgeschaltet werden.

In der nun anschließenden Entmagnetisierungsphase ist U_T′ < U_p′, der Komparator K ist ein­ geschaltet und übernimmt die Rolle des abgeschalteten Schalters T2, nämlich ein Blockieren von Startimpulsen während der Entmagnetisierungsphase. Am Ende der Magnetisierungsphase wird U_T′ < U_p′ und der Komparator K schaltet aus, wodurch der Kondensator C_c über den Widerstand R wieder aufgeladen werden kann. Sobald die Kondensatorspannung U_c die Span­ nung U1 wieder übersteigt, d. h. U_c < U1, wird ein neuer Startimpuls freigegeben und der nächste Zyklus beginnt. Die Werte von R und C müssen so gewählt werden, daß die An­ stiegsdauer der Spannung U_c größer als die Verzögerungszeit des Komparators ist.

Ein geregelter, frei schwingender Sperrwandler nach dem Stand der Technik und auch nach der oben beschriebenen erfindungsgemaßen Ausführungsform weist die Eigenschaft auf, daß seine Schaltfrequenz sowohl mit steigender Eingangsspannung als auch mit sinkender Belastung steigt, um die Ausgangsspannung konstant zu halten. Dieses Ansteigen der Frequenz über ei­ nen bestimmten Wert ist jedoch unerwünscht, da es einerseits zu Verlusten im Entlastungs­ netzwerk (Snubber-Schaltung) und andererseits zu hochfrequenten Störungen führt, die zu­ sätzliche, teure Abschirmungsmaßnahmen erfordern.

Die Schaltung nach Fig. 3, mit zugehörigen Signalabläufen in Fig. 4, verhindert daher ein An­ steigen der Schaltfrequenz über einen vorgebbaren Wert. Die Schaltung entspricht in ihren we­ sentlichen Bauteilen und in ihrer Funktion jener nach Fig. 1, so daß für gleiche Bauteile auch gleiche Bezugszeichen verwendet werden:

Es ist ein zusätzlicher Komparator K′ vorgesehen, dessen Ausgang am Eingang des Oszillators OSC (Spannung U_c) liegt. Der nicht invertierende Eingang dieses Komparators K′ liegt an ei­ nem Anschluß eines Kondensators C_B, dessen anderer Anschluß mit Masse verbunden ist. Der Kondensator C_B, dem nun der Schalter T2 parallelgeschaltet ist, kann von einer Referenzspan­ nung U_Ref über einen Widerstand R_B aufgeladen werden. Die Referenzspannung U_Ref wird über einen Spannungsteiler R1-R1 halbiert und dem invertierenden Eingang des Komparators K′ zugeführt.

Der zweite Komparator K′ verhindert die Abgabe von Startimpulsen, falls die Entmagnetisie­ rungsphase eine bestimmte Zeit unterschreitet. Nach Abschalten des Schalters T1 öffnet der Schalter T2 und der Kondensator C_B kann nun über R_B aufgeladen werden, wobei sich die Spannung U_CB nach folgender Gleichung ergibt:

Sobald die Spannung U_CB den Wert 0,5·U_Ref erreicht bzw. übersteigt (Fig. 4e), schaltet der Komparator K′ aus, U_c kann wieder ansteigen, und weitere Startimpulse werden freigegeben. Ein solches Freigeben der Startimpulse durch den Komparator K′ kann somit erst nach Ver­ streichen der Zeitdauer T_B, mit

T_B ≈ 0,7·R_B·C_B

erfolgen. T_B läßt sich durch Wahl der Werte von R_B und C_B ändern. Für T_B sollte jedoch gel­ ten:

wobei N_s, N_p die sekundären und primären Wicklungszahlen und I_ps der primäre Spitzenstrom bei Nennlast sind. Hierdurch ist das freie Schwingen (im Gegensatz zu fester Frequenz) sichergestellt.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sperrwandlers dargestellt, die - abweichend von den Ausführungen nach Fig. 1 und Fig. 3 - keinen RC-Oszillator ver­ wendet. Die Schaltung entspricht sekundärseitig jener nach Fig. 1 bzw. Fig. 3, ebenso sind das Netzwerk N_f, der Fehlerverstärker V_f, der Pulsweitenmodulator-Komparator PWM, das Flipflop FF, die Treiberstufe DR, der Komparator K mit Spannungsteiler ST sowie der Sen­ sorwiderstand R_s vorhanden.

Der Ausgang der Treiberstufe DR ist außer mit dem Steuereingang des Schalters T1 auch mit dem Eingang eines von der negativen (oder positiven) Flanke gesteuerten Monoflops MF ver­ bunden, dessen (invertierender) Ausgang zu einem Eingang einer UND-Schaltung UND führt. An dem anderen Eingang der UND-Schaltung liegt der Ausgang des Komparators K, der hier mit einem Pull-Up-Widerstand R_p gezeichnet ist. Der Ausgang der UND-Schaltung führt zu dem Set-Eingang des Flipflop FF.

Bei Einschalten ist U_p = U_T′ daher U_p′ ≈ 1,1U_T′ und der Komparator K schaltet über den Set-Eingang des Flipflop FF und den Treiber DR den Schalter T1 ein. Der Strom in der Pri­ märwicklung W_P steigt (siehe z. B. Fig. 2d). Sobald die dem Primärstrom i_p proportionale Spannung den Wert U_f erreicht, wird über den Komparator PWM an den Reset-Eingang des Flipflop FF ein Signal gegeben, das Flipflop FF setzt zurück und der Schalter T1 öffnet. Nun erfolgt der bereits weiter oben beschriebene Spannungsanstieg am offenen Schalter T1. Mitt­ lerweile ist über den Abschwächer ST und den Komparator K dessen Ausgang auf Null gegan­ gen, und am Set-Eingang des Flipflop FF liegt keine Spannung an. Nach der Entmagnetisie­ rungsphase geht die Spannung U_T wieder auf U_p und - wegen des Offsets des Abschwächers ST - die Spannung U_T′ unter U_p′, so daß der Komparator K umschaltet und ein Signal an den Set-Eingang des Flipflop FF abgibt, wodurch ein neuer Zyklus beginnt.

Zur Frequenzbegrenzung, die in ihrer Funktion jener nach der Ausführung der Fig. 3 ent­ spricht, ist das Monoflop MF mit der Taktlänge T₀ vorgesehen. Sobald das Monoflop MF über die Spannung U_AS am Ausgang der Treiberstufe DR ausgeschaltet wird, beginnt der Im­ puls mit der Dauer T₀. Die Verknüpfung des (invertierten) Ausganges des Komparators K führt dazu, daß während der Zeitdauer T₀ ein Ausgangssignal des Komparators K nicht an den Set-Eingang des Flipflop FF gelangen kann. Die Zeitdauer T₀ entspricht somit der Zeit T_B bei der Ausführung nach Fig. 3. In Fig. 6 ist der Signalverlauf im Normalbetrieb dargestellt (analog zu Fig. 2), wogegen Fig. 7 den Signalverlauf im Falle der Frequenzbegrenzung darstellt (analog zu Fig. 4). Bei einem mit positiven Flanken gesteuerten Monoflop MF entspricht T₀ der Dauer t₁ + T_B.

Claims (9)

1. Sperrwandler mit einem Übertrager (Tr), mit einer Primärwicklung (W_p) sowie mit zumin­ dest einer Sekundärwicklung (W_S), wobei die Primärwicklung in Serie mit einem gesteuerten Schalter (T1) an einer Eingangsgleichspannung (U_p) liegt und der Sekundärwicklung ein Gleichrichter (D_s) und ein Ladekondensator (C_s) nachgeschaltet sind, mit einer Ansteuerschal­ tung (A) für den Schalter (T1) die Startimpulse liefert, und mit einer Detektorschaltung (ST, für das Ende der Magnetisierungsphase, die während der Entmagnetisierungsphase die Abgabe von Startimpulsen verhindert und die nach der Magnetisierungsphase die Ansteuerschaltung zur Abgabe eines neuen Startimpulses aktiviert, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung als Spannungskomparator (K) für die Spannung an der Primärspule (W_p) bzw. an dem Schalter (T1) ausgebildet ist.

2. Sperrwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator (K) die Potentiale an den Anschlüssen der Primärspule (W_p) zugeführt sind.

3. Sperrwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator (K)ein Spannungsteiler (ST) mit Offset vorgeschaltet ist.

4. Sperrwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ steuerschaltung (A) zur Begrenzung der Frequenz auf einen vorgegebenen Maximalwert einge­ richtet ist.

5. Sperrwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dessen Ansteuerschaltung einen Pulsbrei­ tenregler und einen RC-gesteuerten Oszillator aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Komparators (K) in solcher Weise auf den Oszillator (USC) wirkt, z. B. dem Kondensator (C) des RC-gesteuerten Oszillators parallel geschaltet ist, daß der Oszillator zur Auslösung von Startimpulses nach Feststellung des Nulldurchgangs freigegeben ist.

6. Sperrwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Kondensa­ tor (C) und dem Ausgang des Komparators (K) ein zweiter gesteuerter Schalter (T2) liegt, dessen Steuereingang die Steuersignale für den ersten gesteuerten Schalter (T1) zugeführt sind, so daß auch bei geschlossenem Schalter (T1) kein Spannungsanstieg an dem Kondensator (C) möglich ist.

7. Sperrwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ steuerschaltung (A) einen Vergleicher (PWM) für den Ist-Wert des Primärstromes mit einer Regelgröße, z. B. der Abweichung (U_f) der Wandler-Ausgangsspannung von einem Referenzwert, besitzt und zwischen dem Vergleicher (PWM) und dem Steuereingang des Schalters (T1) ein Flipflop (FF) angeordnet ist, dessen Set-Eingang mit dem Ausgang des Komparators (K) verbunden ist.

8. Sperrwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (K) über eine Schalteinrichtung (UND) mit dem Flipflop (FF) verbunden ist, wobei an einem Steuereingang der Schalteinrichtung der Ausgang eines Monoflops (MF) liegt, dessen Auslöseeingang das Ansteuersignal des Schalters (S1) zugeführt ist, wobei durch die Schaltdauer (T₀) des Monoflops die Frequenzbegrenzung vorgegeben ist.

9. Sperrwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung eine UND-Schaltung (UND) ist, deren einer Eingang an dem Ausgang des Komparators (K) und dessen anderer Eingang an dem Ausgang des Monoflops (MF) liegt.