DE19711771A1 - Geregeltes Schaltnetzteil mit Überlastsicherung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit einem Hochfrequenz­ transformator, dessen Primärwicklung mit einem Schalter in Reihe liegt, der von einem Treiber-IC taktweise schaltbar ist; weiter mit einer Rückkopplung von der Sekundärseite des Netzteils oder einer Hilfswicklung (AUX) des Transformators zu dem Treiber-IC zur lastabhängigen Einstellung der Schaltfrequenz; sowie mit einer Überlast-Sicherungungseinrichtung, die das Netzteil bei Anliegen eines über einem Grenzwert liegenden sekundärseitigen Laststromes abschaltet oder herunterregelt.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltnetzteils der gattungsgemäßen Art. Das Schaltnetzteil ist insbesondere vorgesehen, um in Videorekordern eingesetzt zu wer­ den, die Erfindung betrifft daher auch einen Videorekorder mit einem gattungsgemäßen Schaltnetzteil.

Schaltnetzteile werden in zahlreichen elektronischen Geräten ver­ wendet, um aus einer Netzspannung die zum Versorgen der elektroni­ schen Bauteile notwendige Niedervoltgleichspannung zu erzeugen, beispielweise 12 V. Dabei haben sich Schaltnetzteile gegenüber konventionellen Netzteilen mit Netztransformatoren in vielen An­ wendungsfällen durchgesetzt, da sie ab einer gewissen Leistungs­ klasse einen besseren Wirkungsgrad aufweisen und insbesondere ei­ nen geringeren Platzbedarf haben. Letzteres ist insbesondere dar­ auf zurückzuführen, daß anstelle der Netzspannung eine hochfre­ quente Wechselspannung transformiert wird, die statt der üblichen Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz beispielsweise im-Bereich von 20 kHz bis 200 kHz liegen kann. Da die erforderlichen Windungszahlen des Transformators umgekehrt proportional zur Frequenz sinken, lassen sich dadurch die Kupferverluste stark reduzieren und der notwendige Transformator ist wesentlich kleiner.

Um den Wirkungsgrad weiter zu optimieren, sind insbesondere primär getaktete Schaltnetzteile bekannt, bei denen die auf der Primär­ seite des Hochfrequenztransformators durch den Schalter, bei­ spielsweise einen bipolaren Transistor erzeugte Frequenz in Abhän­ gigkeit von der auf der Sekundärseite des Netzteils anliegenden Last geregelt wird, um eine Sättigung des Hochfrequenztransforma­ tors zu vermeiden.

Die zur Regelung notwendige Rückkopplung wird bei bekannten Schaltnetzteilen realisiert, indem entweder die an einer Hilfswin­ dung abgegriffene Versorgungsspannung für die Regelelektronik zu­ gleich als Regelgröße verwendet wird, oder aber indem mittels ei­ nes Optokopplers, der Primärseite und Sekundärseite galvanisch trennt, eine Meßgröße für die sekundärseitig anliegende Last er­ zeugt wird.

Die bekannten Treiber-ICs, beispielsweise des Typs TDA 4605 der Firma Siemens, weisen darüber hinaus Funktionen auf, mit denen sich das gesamte Schaltnetzteil bei Anliegen einer zu hohen sekun­ därseitigen Last abschalten oder herunterregeln läßt.

Eine solche Regelcharakteristik gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 3 dargestellt. Eine Versorgungsspannung von +12 V wird so lange stabilisiert, bis der sekundärseitige Laststrom 2 A über­ schreitet. Sodann wird gemäß der in Fig. 3 ersichtlichen Kurve die Ausgangsspannung des Schaltnetzteiles durch entsprechendes Verändern der Taktfrequenz so weit abgesenkt, daß entsprechend der Laststrom verringert wird.

Bei zahlreichen Anwendungsfällen wird der Grenzwert - in Fig. 3 beispielsweise 2 A - so festgelegt, daß eine Beschädigung der Se­ kundärseite des Schaltnetzteiles mit Sicherheit ausgeschlossen werden kann. Dabei muß das Schaltnetzteil insgesamt so dimensio­ niert sein, daß die einzelnen Bauteile, insbesondere die Gleich­ richter auf der Sekundärseite, für den maximalen Laststrom ausge­ legt sind.

Bei zahlreichen Anwendungsfällen ist jedoch absehbar, daß für ge­ ringe Dauer ein hoher Laststrom auf der Sekundärseite anliegen wird. Ein Beispiel für einen solchen Anwendungsfall sind Videore­ korder, die über mehrere Servomotoren verfügen, um beispielsweise das Laden der Bandkassette zu bewerkstelligen und das Magnetband zum Abspielen in der typischen M-Form um die Kopftrommel des Vi­ deorekorders zu legen. Beim Einlegen einer Bandkassette und beim Starten des Videorekorders kommt es daher zu hohen Lastströmen auf der Sekundärseite des Schaltnetzteiles, die jedoch im sonstigen Betrieb des Videorekorders nicht auftreten. Bei bisher bekannten Schaltnetzteilen mußte das gesamte Schaltnetzteil auf diesen maxi­ malen Belastungsfall ausgelegt sein, d. h. gemäß der Regelcharak­ teristik in Fig. 3 muß der Abregelgrenzwert für den maximal zu­ gelassenen sekundärseitigen Laststrom so gewählt sein, daß die Regelung des Schaltnetzteiles dann nicht abregelt, wenn die ge­ nannten Servomotoren ihren benötigten Laststrom ziehen.

Es ist offensichtlich, daß insbesondere die sekundärseitigen Gleichrichter eines solchen Schaltnetzteiles daher für den größten Teil ihrer Betriebszeit in einem solchen Gerät, beispielsweise einem beschriebenen Videorekorder, überdimensioniert sind.

Andererseits können moderne Halbleiterbauelemente, insbesondere Gleichrichterdioden, für gewisse Zeiten Belastungen verarbeiten, die höher sind, als die Nennbelastungen, oberhalb derer das Bau­ teil langfristig Schaden nimmt und im ungünstigsten Fall durch Überhitzung eine Brandgefahr darstellt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil zu schaffen, daß sich bei Beibehaltung der beschriebenen Überlast­ sicherung gleichwohl gefahrlos für bestimmte definierte Zeitquer­ schnitte mit höherer Belastung betreiben läßt, das sich mithin bei gleichbleibenden Anwendungsfällen mit kleiner dimensionierten Bau­ teilen realisieren läßt.

Die Lösung der Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Über­ last-Sicherungseinrichtung zusätzliche Mittel aufweist, mit denen ein sekundärseitiger Laststrom oder eine proportionelle Größe über der Zeit auf integriert wird, und die bei Überschreiten einer Kon­ stanten das Netzteil abschalten oder herunterregeln.

Dabei ist bei bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, daß der sekundärseitige Laststrom nur oberhalb eines Mindestwertes auf in­ tegriert wird, oder aber daß der sekundärseitige Laststrom verrin­ gert um einen konstanten Wert aufintegriert wird. Auf diese Weise läßt sich vermeiden, daß der Wert der Konstanten, die als Grenz­ wert festgesetzt ist, ausgedrückt beispielsweise in As, Wert bei genügend langer Betriebsdauer des Schaltnetzteiles in jedem Fall erreicht und überschritten wird.

Um ein solches Schaltnetzteil einfach und billig mit bekannten Bauelementen aufbauen zu können, ist bevorzugt vorgesehen, daß ein an sich bekanntes Treiber-IC eine zusätzliche äußere Beschaltung aufweist, mit zumindest einem Transistor, mit dem ein Treiberaus­ gang, der mit dem Schalter verbunden ist, auf Massepotential ge­ legt werden kann, wobei mit der Basis des Transistors ein Konden­ sator verbunden ist, dessen Ladezustand ein Maß für den zeitabhän­ gigen, sekundärseitigen Lastzustand darstellt. Dabei kann insbe­ sondere vorgesehen sein, daß dem Kondensator zumindest ein Entla­ dewiderstand parallelgeschaltet ist, so daß der Kondensator kon­ tinuierlich entladen wird, wodurch ein Überschreiten der Konstan­ ten bei Normalbetrieb verhindert wird.

Schließlich kann weiter vorgesehen sein, daß zumindest ein weite­ rer Transistor in Abhängigkeit vom Ladezustand des Kondensators leitend wird und direkt oder indirekt eine Spannungsbeaufschlagung des Kondensators unabhängig von dem sekundärseitigen Lastzustand des Schaltnetzteiles bewirkt. Auf diese Weise wird ein sogenannter "Latch-Effekt", d. h. eine Art Verriegelungseffekt geschaffen. Ist von der erfindungsgemäßen zusätzlichen Überlast-Sicherungseinrich­ tung einmal erkannt worden, daß ein Überlastzustand vorliegt, so läßt sich bei einer solchen Ausführungsform das Schaltnetzteil erst dann wieder in Betrieb nehmen, wenn zuvor die Netzspannung abgeschaltet worden ist, beispielsweise indem der Stecker eines Videorekorders, in den das Schaltnetzteil eingebaut ist, aus der Steckdose gezogen worden ist.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 den Schaltplan eines erfindungsgemäßen Schaltnetz­ teiles,

Fig. 2 den Schaltplan gemäß Fig. 1, erweitert um zusätz­ liche Bauelemente für eine zusätzliche Verriege­ lungsschaltung (Latch-Schaltung), und

Fig. 3 die bereits vorstehend beschriebene Abregelcharak­ teristik gemäß dem Stand der Technik.

Wie Fig. 1 zeigt, wird eine Netzwechselspannung AC, beispielswei­ se 230 V bei 50 Hz zunächst in einem Brückengleichrichter D6 gleichgerichtet, und mittels eines Glättungskondensators C9 ge­ glättet. Die so gewonnene Gleichspannung wird mittels eines Bipo­ lar-Transistors in MOS-FET-Bauweise M2 geschaltet und erzeugt ei­ nen Erregerstrom in der Primärspule des Hochfrequenztransformators T1. Der Gate-Anschluß des MOS-FET M2 ist über einen Spannungstei­ ler R10/R9 mit dem entsprechenden Ausgang eines Treiber-IC's IC verbunden. Im Takt der vom IC vorgegebenen Hochfrequenz schaltet MOS-FET M2 durch. Die entstehende Hochfrequenzspannung wird im Hochfrequenztransformator T1 auf das gewünschte Maß heruntertrans­ formiert. Die entstehende Sekundär-Wechselspannung wird mittels einer Gleichrichterdiode D5 gleichgerichtet und mittels eines Glättungskondensators C6 geglättet. Ein Siebnetzwerk C7/L2/C8 un­ terdrückt die Restwelligkeit, so daß eine geglättete Gleichspan­ nung hoher Qualität, beispielsweise 12 V, am Sekundärausgang zur Versorgung der diversen elektronischen Baugruppen zur Verfügung steht.

Die Versorgungsspannung +V_cc des ICs wird über eine Hilfswicklung AUX vom Transformator T1 abgegriffen. Die abgegriffene Wechsel­ spannung wird über einen Vorwiderstand R11 und eine Gleichrichter­ diode D7 gleichgerichtet und durch einen Ladekondensator C10 ge­ glättet.

Zur Rückkopplung für die beschriebene Überlast-Sicherung gemäß dem Stand der Technik ist ein Netzwerk R12/C11 und ein Vorwiderstand R13 in einer entsprechenden Rückkopplungsleitung L_RK vorgesehen, die zu einem entsprechenden Eingang des ICs führt. Mit der bis hier beschriebenen Schaltung wird gemäß dem Stand der Technik eine Regelcharakteristik ermöglicht, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist und in der Beschreibungseinleitung bereits abgehandelt worden ist. Dabei wird die in der Hilfswicklung AUX abgegriffene Spannung als Regelgröße aufgefaßt, die indirekt Aufschluß gibt über den sekun­ därseitig anliegenden Laststrom.

Anstelle der in Fig. 1 dargestellten Rückkopplung mit Hilfe der in der Hilfswicklung AUX abgegriffenen Spannung ist es auch denk­ bar, die am Kondensator C8 beispielsweise anliegende Ausgangsspan­ nung auf der Sekundärseite mit Hilfe eines Optokopplers umzusetzen und auf der Primärseite des Schaltnetzteils als Regelgröße zu ver­ wenden.

Erfindungsgemäß vorgesehen ist ein zusätzlicher Transistor Q4, der im leitenden Zustand den Treiberausgang des ICs auf Masse legt. Der Transistor Q4 schaltet dann durch, wenn die an einem Kondensa­ tor C5, der in Fig. 1 parallel zur Basis mit der Strecke des Transistors Q4 geschaltet ist, hoch genug ist. Der Kondensator C5 wird von der hinter der Gleichrichterdiode D7 anliegenden Hilfs­ spannung über einen Transistor Q3 und den Vorwiderstand R6 gela­ den. Der Transistor Q3 wird von der gleichen Taktspannung des IC's angesteuert wie auch der Leistungs-MOS-FET M2. Der Transistor Q3 schaltet daher immer dann durch, wenn auch M2 durchgeschaltet wird.

Da die Ladespannung für den Kondensator C5 direkt abhängig ist von der in der Hilfswicklung AUX induzierten Spannung, die wiederum abhängig ist von der taktweisen Schaltung des Schalters (MOS-FET) M2, wird im Kondensator C5 eine Spannung auf integriert, die ein direktes Maß ist für die zeitliche Belastung des Schaltnetzteiles.

Neben den impulsförmigen Ladestößen, die über AUX/R11/D7/Q3/R6 den Kondensator C5 aufladen, wird dieser in den Zwischenintervallen über R6/R8 entladen.

Ist die Belastung des Schaltnetzteiles über einen längeren Zeit­ raum hoch, so wird eine durch C5, R6 und R8 bestimmbare Konstante überschritten und Q4 wird leitend. Der Treiberausgang des ICs wird auf Masse gelegt und M2 sperrt, gleichbedeutend mit einem Abschal­ ten des Schaltnetzteiles, das so vor weiterer Überlastung ge­ schützt wird.

Dabei läßt sich über geschicktes Wählen der Zeitkonstante des Netzwerks R8/R6/C5 erreichen, daß - vgl. Fig. 3 - beispielsweise ein sekundärseitiger Laststrom von 1,5 A über eine Zeit von bei­ spielsweise 50 s zugelassen wird, während bei Erreichen eines Stromes von 2 A die konventionelle Überlast-Sicherung herunterre­ gelt. Auf diese Weise kann beispielsweise die in Fig. 1 gezeich­ nete sekundärseitige Gleichrichterdiode D5 kleiner dimensioniert werden, als dies bisher möglich war.

Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Schaltnetzteil gemäß Fig. 1, bei dem zusätzlich ein Verriegelungs-Transistor Q5 mit Vorwider­ ständen R15 und R14 vorgesehen ist.

Übersteigt die am Kondensator C5 anliegende Spannung einen festge­ legten Grenzwert, so wird nicht nur Q4 leitend und leitet das am Gate-Anschluß von M2 liegende Potential zur Masse hin ab, sondern zusätzlich wird auch Q5 leitend und schaltet die über einen Vor­ widerstand R15 reduzierte Mehrspannung, die an C9 liegt, über eine Leitung LL auf die Basis von Q3. Wegen der vergleichsweise hohen Kapazität von C9 liegt nun an der Basis von Q3 immer eine Spannung an, die Q3 im leitenden Zustand hält, so daß der Kondensator C5 nicht nur während der vom IC am Treiberausgang generierten Impulse geladen wird, sondern kontinuierlich. Der Kondensator C5 kann sich daher über R6/R8 nicht mehr so weit entladen, daß Q4 wieder in den Sperrzustand übergeht.

Im Ergebnis bleibt das Schaltnetzteil daher abgeschaltet, wenn der festgelegte Grenzwert, ausgedrückt beispielsweise in As, erstmalig überschritten worden ist.

Claims (12)

1. Schaltnetzteil mit einem Hochfrequenztransformator (T1), des­ sen Primärwicklung mit einem Schalter (M2) in Reihe liegt, der von einem Treiber-IC taktweise schaltbar ist; weiter mit einer Rückkopplung von der Sekundärseite des Netzteils oder einer Hilfswicklung (AUX) des Transformators zu dem Treiber-IC zur lastabhängigen Einstellung der Schaltfrequenz; sowie mit einer Überlast-Sicherungungseinrichtung, die das Netzteil bei Anliegen eines über einem Grenzwert liegenden sekundär­ seitigen Laststromes abschaltet oder herunterregelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlast-Sicherungseinrichtung zu­ sätzliche Mittel aufweist, mit denen ein sekundärseitiger Laststrom über der Zeit auf integriert wird, und die bei Über­ schreiten einer Konstanten das Netzteil abschalten oder her­ unterregeln.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundärseitige Laststrom nur oberhalb eines Mindestwer­ tes auf integriert wird.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundärseitige Laststrom, verringert um einen konstanten Wert, auf integriert wird.

4. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich bekanntes Treiber-IC eine zusätzliche äußere Be­ schaltung aufweist, mit zumindest einem Transistor (Q4), mit dem ein Treiber-Ausgang, der mit dem Schalter (M2) verbunden ist, auf Massepotential gelegt werden kann, wobei mit der Basis des Transistors ein Kondensator (C5) verbunden ist, dessen Ladezustand ein Maß für den zeitabhängigen, sekundär­ seitigen Lastzustand darstellt.

5. Schaltnetzteil nach Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Kondensator (C5) zumindest ein Entladewiderstand (R8) parallel geschaltet ist.

6. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest ein weiterer Transistor (Q5) in Abhängigkeit vom Ladezustand des Kondensators (C5) leitend wird und direkt oder indirekt eine Spannungsbeaufschlagung des Kondensators (C5) unabhängig von dem sekundärseitigen Lastzustand des Schaltnetzteils bewirkt (Latch-Effekt).

7. Schaltnetzteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schalter ein Leistungs-MOS-FET oder ein bipolarer Transistor ist.

8. Schaltnetzteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die von einer Hilfswicklung (AUX) gelieferte Spannung mittels einer Diode (D7) gleichgerichtet wird und als Referenzspannung für den sekundärseitigen Last­ zustand verwendet wird.

9. Verfahren zum Betreiben eines Schaltnetzteils mit einem Hoch­ frequenztransformator, dessen Primärwicklung mit einem Schal­ ter in Reihe liegt, der von einem Treiber-IC taktweise schaltbar ist; weiter mit einer Rückkopplung von der Sekun­ därseite des Netzteils oder einer Hilfswicklung des Transfor­ mators zu dem Treiber-IC zur lastabhängigen Einstellung der Schaltfrequenz; sowie mit einer Überlast-Sicherungungsein­ richtung, die das Netzteil bei Anliegen eines über einem Grenzwert liegenden sekundärseitigen Laststromes abschaltet oder herunterregelt, dadurch gekennzeichnet, daß als Kriteri­ um für ein Abschalten oder Herunterregeln eine Strom-Zeit-Kon­ stante verwendet wird, mit der ein Integral des sekundär­ seitigen Laststromes über der Zeit verglichen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundärseitige Laststrom nur oberhalb eines Mindestwertes aufintegriert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundärseitige Laststrom, verringert um einen konstanten Wert, aufintegriert wird.

12. Videorekorder, gekennzeichnet durch ein Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8.