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Netzgerät mit Gleichspannungswandler und Regelung auf konstante Ausgangsgleichspannung
Bei Netzgeräten zur Speisung von Geräten der elektrischen-Nachrichtentechnik, insbesondere
zur Speisung von Halbleiterschaltungen mit einem Verbrauch von etwa 100 W oder mehr,
ist es bekannt (Funkschau 1969, S. 49), die Netzwecheelspannung gleichzurichten
und die erhaltene Gleichspannung mit einem GleichspannungswandlEr auf den gewünschten
Wert zu bringen. Dies hat den Vorteil, daß die Abmessungen und das Gewicht der benötigten
Übertrager wegen des Arbeitens mit einer wesentlich höheren Frequenz als der Netzfrequenz
sehr viel kleiner sind als die entsprechenden Werte eines Netztransformators. Soll
die Ausgangsgleichspannung konstant gehalten werden, so könnte man anschließend
eine Regelschaltung verwenden. Nachteilig bei einem solchen Netzgerät mit einem
Gleichspannungswandler und anschließender Regelung ist es, daß der Wirkungsgrad
schlecht ist. Dies hat seine Ursache darin, daß der Gleichspannungswandler unbeeinflußt
von der Regelung fortwährend in Betrieb ist und sowohl die Leistung für den angeschlossenen
Verbraucher als auch die in der Regelschaltung vernichtete Verlustleistung übertragen
muß.
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Diesen Nachteil kann man vermeiden, wenn man bei einem Gleichspannungswandler
den elektronischen Schalter, der die Eingangsgleichspannung zerhackt, in einen Regelkreis
einbezieht
und mit einem Impulsgenerator ansteuert. Es ist bekannt
(NTZ 1964, S. 295), bei einem solchen fremdgesteuerten Gleichspannungswandler mit
Zweipunktregelung den Impulsgenerator von einer Vergleichsschaltung, die die Ausgangsgleichspannung
mit einer Sollspannung vergleicht, über einen Spannungsdiskriminator so ein- und
aussuschaltenr daß der mit einer konstanten Frequenz schwingende Impulsgenerator
nur dann schwingt, wenn die Ausgangsgleichspannung einen unteren Schwellwert unterschreitet.
Überschreitet die Ausgangsgleichspannung einen oberen Schwellwert, so wird die Schwingung
des Impulsgenerators abgeschaltet, Eine für viele Anwendungszwecke erforderliche
Potentialtrennung zwischen Netzspannung und Ausgangsgleichspannung wird in dieser
Schaltung dadurch erreicht, daß die für die Schließung des Regelkreises erforderliche
Rückführung der Ausgangsgleichspannung mit Hilfe der Modulation eines Hilfsgenerators
über einen vbertrager geschieht. Diese Schaltung hat den Nachteil, daß die Potentialtrennung
susatsliche Schaltungen (Hilfsgenerator, Modulator, Transformator, Demodulator und
Spannungsdiskriminator) erfordert.
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Ferner treten bei der Dimensionierung der Schaltung wegen der Ein-
und AusOchwingvorgänge des unstetig betriebenen Impulsgenerators Schwierigkeiten
auf, die nur mit zusätzlichen Mitteln und einem Kompromiß in der Regelwirkung überwunden
werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Netzgerät mit Potentialtrennung
zwischen Netz und Last und Regelung auf konstante Ausgangsgleichspannung unter Verwendung
eines fremdgesteuerten Gleichspannungswandlers zu schaffen, das mit einer stetigen
Regelung ohne einen zusätzlichen, durch die Potential trennung bedingten Aufwand
arbeitet.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Netzgerät mit Transformator, primärseitiger
Regelung auf konstante Ausgan'gsgleichspa'nnung' und Potentialtrennung zwischen
Netz und Last, bei dem die Netzwechselspannung in eine Gleichspannung umgeformt
wird, die durch Zerhacken mittels eines lektronischen Schalter,
der
von einem Impulsgenerator angesteuert wird, in eine Impulsfolge mit wesentich höherer
Frequenz umgewandelt wird, die ihrerseits dem Transformator zugeführt und anschließend
gleichgerichtet wird. Erfindungsgemäß erfolgt die Regelung auf der Primärseite des
Transformators durch Veränderung der Folgefrequenz der durch das Zerhacken erzeugten
Impulse.
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Zum Zerhacken wird vorteilhaft in an sich bekannter Weise (Radio Mentor
l9687 S. 032) eine Reihenschaltung eines Thyristors und eines Schalttransistors
verwendet. Man kann zum Zerhacken auch einen hochsperrenden Schalttransistor verwenden.
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Zum Begrenzen der beim Zerhacken auftretenden Abschaltspannungen kann
vorteilhaft eine Schaltung zur Energie-Rückgewinnung verwendet werden, die einen
Kondensator enthält, der von einer Hilfswicklung des Transformators aus über eine
Diode während der Abschaltphase des Zerhackers aufgeladen wird und während der Einschaltphase
über eine zweite Diode die Primärwicklung des Transformators speist.
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Damit beim Einschalten des Netzgerätes der Impulsgenerator anschwingt,
muß die Betriebsspannung des Impulsgenerators unter Umgehung der Regelschaltung
aus der Netzspannung gewonnen werden. Dabei ist ein Transformator notwendig, um
eine Potentialtrennung im Regelkreis zu erzielen.
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Um das Setzgerät vor den Folgen eines Kurzschlusses zu schützen, ist
es zweckmäßig, daß eine Kurzschluß-Schutzschaltung den Impulsgenerator im Falle
eines Kurzschlusses abschaltet.
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Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels, das in der
Zeichnung dargestellt ist, erklärt. Es zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild einer
erfindungsgemaßen Schaltung und Fig. 2 ein Schaltungsbeispiel der Erfindung.
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Die Netzwechselspannung in Fig. 1 wird von der mit G1 bezeichw neten
Schaltung gleichgerichtet und gesiebt. Die anschließend von dem elektronischen Schalter
Sch zerhackte Gleichspannung wird über den Übertrager Trl zur Gleichrichterschaltung
G2 mit anschließender Siebung zugeführt. Die Ausgangsgleichspannung UA wird von
dem Vergleicher V mit einer Sollspannung USoll verglichen. Das Ausgangssignal des
Vergleichers V steuert auf stetige Weise die Impulsfolgefrequenz eines Impulsgenerators
IG, dessen Betriebsspannung aus dem Netz über den Übertrager Tr2 und durch Gleichrichtung
und Siebung durch die Schaltung G3 gewonnen wird. Die Impulse des Impulsgenerators
werden über den Übertrager Tr3 der Steuerelektrode des elektronischen Schalters
Sch zugeführt. Damit ist der Stromkreis für die selbsttatige Regelung der Ausgangsgleichspannung
UA geschlossen. Aus der Fig. 1 geht hervor, daß die Potential trennung zwischen
der Eingangs-&etzwechselspannung UNetz und der geregelten Ausgangsgleichspannung
UA durch die drei übertrager Trl, Tr2 und Tr3 gewährleistet ist. Die vorteilhafte
Lage des Übertragers Tr3 zwischen dem Impulsgenerator IG und dem elektronischen
Schalter Sch erlaubt es, daß die Rückführung der Ausgangsspannung zum Schalter Sch
ohne die zusätzliche Modulation eines Hilfsgenerators, die bei einer direkten Verbindung
zwischen Impulsgenerator und elektronischem Schalter erforderlich wäre, vorgenommen
wird.
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Um im Falle eines Kurzschlusses zu verhindern, daß das Netzgerät beschädigt
wird, schaltet die Kurzschlußsicherung KS den Impulsgenerator IG ab und zeigt die
Störung mittels einer Lampe an.
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Die Fig. 2 zeigt ein Schaltungsbeispiel der Erfindung. Die Netzwechselspannung
von 220 V, 50 Hz wird von der Gleichrichterbrücke Dl gleichgerichtet. Die Ladekondensatoren
Cl und C2 sowie der Widerstand R1 dienen der Siebung der gleichgerichteten Spannung.
Ist der elektronische Schalter, der hier aus der Reihenschaltung eines Thyristors
Thl und eines Transistors Tl besteht, stromführend geschaltet, dann wird ein Leitungsweg
für
die Eingangsspannung über die Diode D2 und die Primärwicklung W1 des Transformators
Tr1 geschlossen. Der elektronische Schalter, bestehend aus dem Thyristor Tal und
dem Transistor Ti, ist in der Zeit stromführend, in der ein über den Widerstand
R2 geführtes positives Steuersignal an der Basis des Transistors T1 liegt.
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Da an der Zündelektrode des Thyristors Th1 immer eine Hilfsgleichspannung
liegt, die aus dem Netz über die Wicklung W21 des Übertragers Tr2 und den Gleichrichter
D6 gewonnen und von dem aus dem Kondensator C3 und dem Widerstand R3 bestehenden
Siebglied gesiebt wird, ist der Thyristor Th1 immer zündbereit* Sobald der Transistor
T1 durchgeschaltet wird, kann durch den Thyristor Th1 ein Strom fließen*-Wird der
Transistor Tl gesperrt, so versucht der von der Thyristor-Anode kommende Strom durch
die Zündelektrode abzufließen. Dabei muß er gegen den entgegengesetzt fließenden
Zündstrom anlaufen. Wenn der ursprüngliche Zündstrom vom Anodenstrom kompensiert
wird, der resultierende Z§ndstrom also zu null geworden ist, wirdzugieich der Thyristor
Thl gesperrt. Der Kondensator C4 schützt die Zündelektrode des Thyristors Thl vor
schädlichen Spannungspitzen. Zugleich schützt die Diode D5 die Anoden-Kathoden-Strecke
des Thyristors Thl vor zu hohen negativen Spannungsspitzen.
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Die von der Wicklung W2 des Übertragers Trat, der wegen der hohen
Betriebsfrequenz, deren Mittelwert bei etwa 20 000 Hz liegt, relativ klein und leicht
ist, über den Gleichrichter D7, den Ladekondensator C5 und den Widerstand R22 an
die nicht eingezeichnete Last gelieferte geregelte Ausgangsgleichspannung UA wird
mit dem positiven Pol über den Widerstand R4 dem Vergleicher OP, einem Operationsverstärker,
dessen Spannungsversorgung nicht eingezeichnet ist, zugeführt. Sie wird hier mit
der über den Widerstand R7 geführten und an der Referenz-Zenerdiode Z, die ihren
Vorstrom über den Widerstand R6 bezieht, stehenden Spannung verglichen. Die Versorgungsspannung
UB für den Operationsverstärker, die Zenerdiode und die weiter unten noch zu beschreibenden
Schaltungen wird dem Netz über die Wicklung W22 des übertragers Tr2 und die Gleichrichterschaltung
D8 entnommen und von dem aus den Kondensatoren C6 und C7 und
dem
Widerstand R8 bestehenden Siebglied gesiebt.
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Das Ausgangssignal des Vergleichers OP lädt entsprechend der Höhe
der Ausgangsgleichspannung UA über einen Widerstand R13 einen Kondensator C8 schnell
oder langsam auf. Erreicht die Spannung am Kondensator C8 einen bestimmten Wert,
so wird der Unijunction-Transistor T2 im Impulsgenerator IG gezündet. Die Impulsfolgefrequenz
des Impulsgenerators IG wird also bei einer großen Ausgangsspannung des Vergleichern
OP, die einer kleinen Ausgangsgleichspannung Ua bzw. einer großen Last entspricht,
größer als bei einer niedrigen Ausgangsspannung des Vergleichers OP sein. Von den
in ihrer Frequenz ein umgekehrt proportionales Maß für die Ausgangsgleichspannung
UA darstelltenden Impulsen des Impulsgenerators IG wird über einen Koppelkondensator
C9 ein in bekannter. Weise aus zwei Transistoren T3 und T4 bestehendes Mono-Flop
MF getriggert. Die konstante Dauer des monostabilen Impulses des Mono-Flop ist so
zu bemessen, daß sie immer kleiner ist als die kleinste Periodendauer der Impulsfolgefrequenz.
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Das Ausgangssignal des Mono-Flop MP wird über einen Widerstand R21
einer Leistungsstufe mit dem Transistor T5 zugeführt. Im Kollektorkreis des Transistors
T5 liegt die Primärwicklung W1 des Übertragers Tr3, der eine Löschdiode D9 zum Schutze
des Transistors T5 parallel geschaltet ist. Die Sekundärwicklung W2 des Übertragers
Tr3 steuert den Schalttransistor T1 an.
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Wenn bei einem Kurzschluß der Ausgangsgleichspannung WA der Strom
durch den Widerstand R22 einen bestimmten Wert überschreitet, schaltet die an diesem
Widerstand abfallende Spannung einen zum Kurzschluß-Schutz KS gehörenden Schalttransistor
T6 in den stromführenden zustand. Dies hat zur Folge, daß der Transistor T7, der
im normalen Betriebsfall stromführend istX gesrrt wird und somit über den Widerstand
Ril eine Zündspannung an die Zündelektrode des Thyristors Th2 gelangt. Der Thyristor
h2 zündet und läßt die Lampe L leuchten. Über eine Entkopplungsdiode D10, die im
normalen Betriebsfall ein Laden des Kondensators C8 über
die Lampe
L verhindert, wird der Kondensator C8 entladen. Dies hat zur Folge, daß der Impulsgenerator
IG mit dem Transistor T2 nicht mehr schwingen kann. Der Gleichspannungswandler wird
also im Falle eines Kurzschlusses nicht mehr mit Impulsen angesteuert.
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Damit beii Sperren des aus dem Thyristor Thl und dem Transistor T1
bestehenden elektronischen Schalters die in den Wicklungen des Übertragers Trl induzierten
Abschaltspannungen unsch&dlich gemacht werden und damit die im magnetischen
Feld des tbertragers Trt gespeicherte Energie nicht verloren geht, besitzt der Übertrager
Tri eine dritte Wicklung W3, die so gewickelt ist, daß beim Sperren des Thyristors
Thi der Kondensator cii über die Entkopplungsdiode D4 auf eine Spannung aufgeladen
wird, die größer ist als die Spannung am Kondensator C2. Wird der Thyristor Tht
wieder vom Transistor T1 gezündet, so fließt die zuvor im Kondensator cii gespeicherte
Energie über eine weitere Entkopplungsdiode D3 und den Übertrager Trl zum Verbraucher
auf der Sekundärseite. Erst dann, wenn die Spannung am Sondensator Cii auf den Wert
der Spannung am Kondensator C2 abgesunken ist, wird der Verbraucher aus dem Netz
mit der erforderlichen Energie versorgt.