DE19851789A1 - Schaltnetzteil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung gibt ein Schaltnetzteil an, bei dem ein Flußwandler mit einem Sperrwandler kombiniert ist bei Verwendung nur eines Transformators (Tr). Der Flußwandler besteht aus dem Transformator (Tr), einer Speicherdrossel (L1), einem primärseitigen Schalter (Sp) und einem sekundärseitigen Speicherkondensator (Ca). Die in dem Speicherkondensator (Ca) gespeicherte Energie wird mittels eines nach dem Sperrwandlerprinzip arbeitenden Schalters (Ss), der sekundärseitig an einer Wicklung (W2) des Transformators (Tr) angeordnet ist, auf eine weitere Wicklung des Transformators (Tr), beispielsweise eine Hochspannungswicklung (WH), übertragen. Die der Ausgangswicklung (WH) entnommene Leistung bestimmt hierbei den Wert der Spannung, auf den der Speicherkondensator (Ca) aufgeladen wird. DOLLAR A Das Schaltnetzteil kann insbesondere zur Hochspannungserzeugung für ein Fernsehgerät oder einen Computer-Monitor verwendet werden. Zur Erzeugung einer hohen Bildleistung kann es direkt über einen Brückengleichrichter mit dem Netz verbunden sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit einem Transformator, der eine Primärwicklung, zu der ein Schalttransistor in Serie geschaltet ist, und Sekundärwicklungen aufweist. Schaltnetzteile dieser Art werden beispielsweise in Fernsehgeräten zur Erzeugung von stabilisierten Betriebsspannungen und der Hochspannung für die Bildröhre verwendet.

Aus der DE 41 01 504 A1 ist eine Spannungsversorgung für ein Fernsehgerät bekannt, das ein mit dem Netz verbundenes erstes Schaltnetzteil zur Bereitstellung von Betriebsspannungen aufweist, wobei an einer der Betriebsspannungen ein zweites Schaltnetzteil zur Erzeugung einer Hochspannung für die Bildröhre angeschlossen ist. Die Stabilisierung der Hochspannung erfolgt dadurch, daß die Arbeitswicklung des zweiten Schaltnetzteils eine vom durchfließenden Strom abhängige Induktivität aufweist. Für die Zeilenablenkung des Fernsehgerätes wird ein drittes Schaltnetzteil verwendet, das den Ablenkstrom für die Ablenkspulen liefert. Die Schaltnetzteile für die Hochspannung und für die Ablenkung werden durch eine zeilenfrequente Spannung synchronisiert. Die Verwendung eines von der Ablenkung entkoppelten Schaltnetzteiles für die Hochspannung hat den Vorteil, daß eine höhere Bildleistung bereitgestellt werden kann, da in gebräuchlichen Fernsehgeräten die Leistungsübertragung im Hochspannungstransformator nur in der kurzen Phase des Zeilenrücksprungs stattfindet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schaltnetzteil anzugeben, das eine stabile Ausgangsspannung, insbesondere eine Hochspannung für ein Fernsehgerät, über einen weiten Leistungsbereich liefert. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Schaltnetzteil der Erfindung besteht aus der Kombination eines Schaltnetzteils nach dem Flußwandlerprinzip mit einem Schaltnetzteil, das als Sperrwandler arbeitet, wobei nur ein Transformator verwendet wird, an dem zwei Schalter angeordnet sind. Der Flußwandler lädt hierbei einen sekundärseitig angeordneten Kondensator auf, dessen Energie durch den Sperrwandler auf eine weitere Wicklung des Transformators übertragen wird. Die an dem Kondensator anliegende Spannung ist hierbei abhängig von der an der dritten Wicklung abgegriffenen Leistung, wobei die Spannung an dieser Wicklung konstant gehalten wird.

Zur Primärwicklung ist eine Spule als Energiespeicher in Serie geschaltet. Der Transformator ist für den Flußwandlerbetrieb reduziert auf Primär- und Sekundärwicklung und dient nur dem Zweck der Spannungsanpassung sowie der Netztrennung. Er ist kein Speicherelement, hat praktisch keinen Luftspalt und seine Induktivitäten sind im wesentlichen in der primärseitigen Speicherdrossel zusammengefaßt, die die für die Schaltung wirksame Primärinduktivität darstellt. Sie darf im Falle maximaler Last nicht in die Sättigung gehen.

Die beiden Schalter des Schaltnetzteiles werden derart angesteuert, daß während der Energieübertragung von der Primärseite zu dem sekundärseitigen Kondensator der sekundärseitige Schalter geschlossen ist, und wenn dieser öffnet, die Energieübertragung von der zweiten Wicklung zu der dritten Wicklung nach dem Sperrwandlerprinzip stattfindet. Während dieser Phase ist der primärseitige Schalter geöffnet.

Der erste Schalter wird vorteilhafterweise pulsbreitenmoduliert angesteuert, entsprechend der Ausgangsbelastung des Schaltnetzteiles, wobei die fallende Flanke seines Steuersignals in ihrer Phasenlage unverändert bleibt, während der zweite Schalter mit einem konstanten Pulsbreitenverhältnis bzw. Duty-Cycle betrieben wird. Durch den Sperrwandlerbetrieb ist das Schaltnetzteil insbesondere geeignet zur Hochspannungserzeugung, da beim Öffnen des zweiten Schalters eine hohe Rücklaufspannung über der sekundärseitigen Wicklung ansteht. Die Phasendifferenz der Ansteuersignale der beiden Schalter ist hierbei derart gewählt, daß der Scheitelwert der sekundären Rücklaufspannung mit dem Öffnungszeitpunkt des primären Schalters übereinstimmt.

Das Schaltnetzteil kann insbesondere über ein Gleichrichterelement direkt mit dem Netz verbunden sein. Die Netztrennung wird hierbei durch den Transformator und einen vor dem Steueranschluß des ersten Schalters angeordneten Treibertransformator bewirkt, so daß nur der erste Schalter und die diesen umgebenden Beschaltungen mit dem netzseitigen Nullpotential in Verbindung stehen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzip eines Schaltnetzteiles mit einem primärseitigen ersten Schalter und einem zweiten Schalter auf der Sekundärseite,

Fig. 2a-e in dem Schaltnetzteil der Fig. 1 auftretende Spannungen und Ströme und

Fig. 3 das Schaltnetzteil der Fig. 1 mit Beschaltungen zur Hochspannungserzeugung.

In der Fig. 1 ist ein Transformator TR dargestellt mit einer Primärwicklung W1 und einer zweiten, sekundärseitig angeordneten Wicklung W2. Zu der Primärwicklung W1 ist eine Spule L1 und ein erster Schalter Sp in Serie angeordnet, wobei die Spule L1 zwischen einer eingangsseitigen Gleichspannung Ve und der Wicklung W1 liegt. Außerdem ist primärseitig an der Wicklung W1 noch ein Dämpfungsnetzwerk DN angeordnet zur Dämpfung von Spannungsspitzen, die auftreten, wenn der Schalter Sp geöffnet wird. Zu der Wicklung W2 liegt in Serie ein Kondensator Ca und ein zweiter Schalter Ss. Parallel zu dem Schalter Ss liegen eine Rücklaufdiode Dr und ein Rücklaufkondensator Cr.

Wird der primärseitige Schalter Sp geschlossen, so fließt ein Strom i1 ausgehend von der Eingangsspannung Ve durch die Spule L1 und die Primärwicklung W1. Die Spule L1 wirkt hierbei als Speicherdrossel, und der Transformator TR ist reduziert auf Primär- und Sekundärwicklung und dient nur dem Zweck der Spannungsanpassung und der Netztrennung. Er ist kein Speicherelement, hat praktisch keinen Luftspalt und bei geschlossenem sekundärem Schalter Ss wird hierdurch nach dem Prinzip des Flußwandlers der Kondensator Ca durch den Strom i1 aufgeladen. Die Induktivitäten des Transformators TR sind praktisch in der primären Speicherdrossel L1 zusammengefaßt, die die für die Schaltung wirksame Primärinduktivität darstellt. Sie darf im Falle maximaler Last nicht in die Sättigung gehen.

Die Funktionsweise des Schaltnetzteils der Fig. 1 wird nun anhand von Spannungs- und Stromdiagrammen, wie in den Fig. 2a-2e dargestellt, erläutert. Die an der Spule L1 und der Primärwicklung W1 anliegenden Spannungen VL und V1 sind in den Fig. 2b und 2c als Funktion der Zeit t dargestellt. In der Fig. 2a ist der Strom i1, in der durchgezogenen Kurve für einen Fall mit hoher Belastung (i1a, Weißbild eines Fernsehgerätes) und in der gestrichelten Kurve für einen Fall mit geringer Belastung (i1b, Schwarzbild) des Schaltnetzteiles dargestellt. Zudem ist die Einschaltzeit des Schalters Sp für beide Fälle in der Fig. 2a eingezeichnet. Die Einschaltzeit ton1 gibt die Einschaltphase für den ersten Schalter Sp bei hoher Belastung an. Der zugehörige Strom i1a steigt in der Einschaltphase an, entsprechend den Induktivitäten der Spule L1 und der Wicklung W1. Wird der Schalter Sp geöffnet, so fließt der Strom i1a durch die Selbstinduktion weiter über das Dämpfungsnetzwerk DN und schwingt mit wenigen Schwingungszyklen aus.

In der Fig. 2e sind die Schalterphasen des sekundärseitigen Schalters Ss dargestellt. Dieser wird immer mit einen Duty- Cycle von 50% betrieben, unabhängig von der Last, also mit gleichlangen Einschalt- und Sperrzeiten, so daß dieser im Sperrwandlermodus eine maximale Energieübertragung auf eine oder mehrere Ausgangswicklungen, in der Fig. 1 nicht dargestellt, ermöglicht. Wird der Schalter Ss geöffnet, so steigt die Spannung Vcr steil an aufgrund der Selbstinduktion der Wicklung W2, und die Spannung V2 fällt entsprechend ab und polt um, wie in Fig. 2d dargestellt. Ist der Schalter Ss geschlossen, so entspricht die Spannung Va der Spannung V2 über dem Kondensator Ca. Die Spannung V1, Fig. 2c, verhält sich durch die Kopplung des Transformators TR entsprechend der Spannung V2.

Bei geschlossenem Schalter Sp liegt an der Spule L1 eine hohe Spannung VL an, siehe Fig. 2b. Hierdurch wird in der Spule L1 eine Magnetisierung aufgebaut und gleichzeitig der Kondensator Ca geladen, solange der zweite Schalter Ss geschlossen ist. Wird nun der Schalter Ss geöffnet, also der Stromfluß durch die Wicklung W2 unterbrochen, so steigt die Spannung V1 an der Wicklung W1 steil an und hierdurch polt die Spannung VL über der Spule L1 um. Gleichzeitig steigt hierbei die Spannung Vcr, Fig. 2e, sprunghaft an und die Spannung V2 der Wicklung W2 fällt entsprechend ab und polt um. In etwa im Scheitelpunkt der Spannung Vcr wird nun der Schalter Sp geöffnet, der primärseitige Strom i1 hat zu diesem Zeitpunkt seinen maximalen Wert erreicht. Die Phasendifferenz zwischen Primär- und Sekundärteil ist für die Funktion der Schaltung notwendig.

Im Falle einer geringen Belastung des Schaltnetzteiles ergeben sich die gestrichelten Kurven in den Fig. 2a, 2c und 2d. Der Schalter Sp wird hierbei später geöffnet, aber mit der selben Phasendifferenz zu dem Schalter Ss wieder geöffnet, so daß der Mittelwert des Stromes i1 entsprechend geringere Werte annimmt, aber länger ausschwingt. Die Einschaltzeit ton2, Fig. 2a, ist in diesem Fall einer Pulsbreitenmodulation entsprechend verkürzt. Der Kondensator Ca wird hierdurch geringer aufgeladen, wie aus der Fig. 2d ersichtlich.

Die in der Fig. 2a-2e dargestellten Spannungen sind vereinfacht wiedergegeben, um die Wirkungsweise des Schaltnetzteiles zu erläutern. Aus diesem Grund wurde die Spannung an dem Kondensator Ca als konstant angenommen, das heißt, nur das Niveau ihres Mittelwertes ist gezeichnet, während sie in der Realität den vom S-Kondensator in der Horizontalablenkschaltung bekannten Verlauf hat. Entsprechend wurde die Verformung der dem sekundären Rücklaufimpuls entsprechenden Spannung Vcr im Falle hoher Last nicht berücksichtigt. Die Spannung VL ergibt sich aus der Differenz der beiden Spannungen Ve und V1, wenn der Schalter Sp geschlossen ist, und ist durch den Rücklaufimpuls entsprechend beeinflußt, wenn der Schalter Sp geöffnet ist.

In der Fig. 3 ist ein Schaltbild eines Schaltnetzteiles zur Erzeugung der Hochspannung dargestellt, das auf dem Prinzip des Schaltnetzteiles der Fig. 1 beruht. Sich entsprechende Bauteile sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel wird die eingangsseitige Spannung Ve direkt aus dem Netz über einen Gleichrichter, in der Fig. 3 nicht dargestellt, und über einen Speicherkondensator C1 erzeugt. Der Transformator TR enthält außer den beiden Wicklungen W1 und W2 weitere Wicklungen W3, W4 und eine Hochspannungswicklung WH, über die eine Hochspannung HV von ca. 30 kV erzeugt wird, beispielsweise zum Betreiben einer Bildröhre in einem Fernsehgerät oder in einem Computer- Monitor. Die Wicklungen W3 und W4 dienen der Regelung, der Spannungsüberwachung oder zur Erzeugung von Hilfsspannungen. Die Hochspannungswicklung WH ist in Teilwicklungen unterteilt durch Dioden, die nach dem Diodensplit-Prinzip geschaltet sind. Von der Hochspannung HV wird weiterhin eine Fokusspannung VF für die Bildröhre abgeleitet.

Für die Schalter Sp und Ss werden in diesem Ausführungsbeispiel MOS-FETs verwendet, andere Typen von Schalttransistoren können aber ebenfalls verwendet werden. Der Schalter Sp wird über einen Treibertransformator TT und eine Transistorstufe mit einem Schalttransistor T1 angesteuert. Durch die Transformatoren TR und TT wird die Netztrennung bewirkt, die Schaltung zur Steuerung des Schalters Sp ist zusammen mit derjenigen für den zweiten Schalter Ss sekundärseitig angeordnet. Die Diode D3 ist eine Rücklaufdiode. Durch die Diode D1 wird die sich in dem MOS-FET Sp befindende Rücklaufdiode außer Betrieb gesetzt, damit sich dieser während des Betriebes nicht zu sehr erwärmt.

Das Dämpfungsnetzwerk Dn der Fig. 1, parallel zur Speicherdrossel L1 und zur Wicklung W1, besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus Widerständen R1-R4, Kondensatoren C2 und C3, und Diode D2, wobei die Diode D2 derart gepolt ist, daß sie nur leitet, wenn der Schalter Sp geöffnet ist. Hierdurch wird die Energie, die in der Speicherdrossel L1 während der Leitendphase des Schalters Sp aufgebaut wurde, während der Sperrzeit von Sp wieder abgebaut, wobei die Energie zum Teil zum eingangsseitigen Kondensator C1 zurückgeführt wird, auf die Sekundärseite übertragen wird oder als Verlustleistung an den Widerständen R1-R4 auftaucht.

Auf der Sekundärseite ist ebenfalls ein Dämpfungsnetzwerk, parallel zur Wicklung W2, mit Kondensatoren C4, C5, Dioden D8, D9, einer Spule L2 und einem Widerstand R9 angeordnet. Es dient zur Dämpfung der Partialschwingungen des Diodensplit-Hochspannungstransformators. Dieses sind unkontrollierte Eigenschwingungen, die im Flybackbetrieb entstehen und die Regelspannung, die an der Wicklung W3, einer Beobachterwicklung, abgegriffen werden kann, verfälschen können. Der Kondensator C5 ist hierbei als Speicherkondensator ausgelegt, der über die Diode D9 und Kondensator C4 geladen wird. Die Diode 10 parallel zu Kondensator Ca bewirkt eine vollständige Entladung dieses Kondensators im Falle einer hohen Last.

Die Regelung der Hochspannung HV kann auf bekannte Weise erfolgen. Beispielsweise kann ein Regelsignal über die Wicklung W3 und/oder von der Hochspannung HV abgegriffen werden. Wie anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben, wird das Regelsignal verwendet, um den Schalter Sp über den Treibertransformator TT pulsbreitenmoduliert anzusteuern. Der Schalter Ss wird mit einem konstanten Pulsbreitenverhältnis betrieben. Die Steuersignale für beide Schalter können hierbei mit dem horizontalen Ablenksignal, beispielsweise eines Fernsehgerätes, synchronisiert werden.

Mit dem in der Fig. 3 beschriebenen Hochspannungsgenerator läßt sich eine stabile Hochspannung für eine Bildleistung von ca. 100 Watt erzeugen. Anwendungen ergeben sich insbesondere für Bildröhren mit 36 Zoll und mehr, die mit höheren Ablenkfrequenzen arbeiten, beispielsweise bei 30 -­ 50 kHz. Die Betriebsspannung und die Ablenkstufe des Fernsehgerätes sind hierdurch von der Hochspannungserzeugung entkoppelt. Der Transformator Tr kann hierbei sehr kompakt gehalten werden.

Claims (9)

1. Schaltnetzteil, insbesondere zur Hochspannungserzeugung in einem Fernsehgerät, mit einem Transformator (TR), der eine Primärwicklung (W1), zu der in Serie ein erster Schalter (Sp) angeordnet ist, und mindestens zwei weitere Wicklungen (W2, WH) aufweist, wobei der erste Schalter (Sp) als Flußwandler geschaltet ist und einen an einer zweiten Wicklung (W2) des Transformators (TR) angeordneten Kondensator (Ca) auflädt, und wobei
zu der zweiten Wicklung (W2) ein zweiter Schalter (Ss) in Serie geschaltet ist, der im Sperrwandler- Betriebsmodus arbeitet und der die in dem Kondensator (Ca) gespeicherte Energie auf eine dritte Wicklung (WH) überträgt.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule (L1) als Energiespeicher in Serie zu der Primärwicklung (W1) geschaltet ist.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Energieübertragung von der Primärwicklung (W1) zu der zweiten Wicklung (W2) der zweite Schalter (Ss) geschlossen ist, und daß der während der Energieübertragung von der zweiten Wicklung (W2) zu der dritten Wicklung (WH) der erste Schalter (Sp) geöffnet ist.

4. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schalter (Ss) mit einem konstanten Duty-Cycle betrieben wird, und daß der erste Schalter (Sp) für eine Lastregelung pulsbreitenmoduliert gesteuert wird.

5. Schaltnetzteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ansteuersignale der beiden Schalter (Sp, Ss) eine Phasendifferenz derart gewählt ist, daß der Scheitelwert der sekundären Rücklaufspannung (Vcr) mit dem Öffnungszeitpunkt des primären Schalters (Sp) übereinstimmt.

6. Schaltnetzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Wicklung (WH) eine Hochspannungswicklung ist mit Dioden, die nach dem Diodensplittverfahren angeordnet sind.

7. Schaltnetzteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es durch das Synchronsignal der Horizontalablenkung eines Bildanzeigegerätes synchronisierbar ist.

8. Schaltnetzteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß es eine mit einer Beobachterwicklung (W3) verbundenen Regelschleife enthält, über die die Ausgangsspannung der Hochspannungs-Wicklung (WH) stabilisierbar ist.

9. Schaltnetzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (W1) über ein Gleichrichterelement mit dem Netz verbunden ist, und daß die Netztrennung über den Transformator (TR) und über einen vor dem Steueranschluß des ersten Schalters (Sp), angeordneten Treibertransformator (TT) bewirkt ist.