DE2445032C2 - Circuit arrangement for generating a switch-on voltage for the control part of a medium-frequency converter - Google Patents
Circuit arrangement for generating a switch-on voltage for the control part of a medium-frequency converterInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of patent claim 1.
Transistorgesteuerte Stromversorgungseinrichtungen, beispielsweise Sperrumrichter oder Durchflußumrichter, haben verschiedene Vorteile gegenüber Stromversorgungsgeräten mit Niederfrequenz-Netztransformatoren. Sie sind klein, leicht und haben in der Regel einen guten Wirkungsgrad.Transistor-controlled power supply devices, for example flyback converters or flow converters, have several advantages over power supplies with low frequency mains transformers. They are small, light and usually have a good level of efficiency.
Die Betriebsspannung des Umrichters ist normalerweise die gleichgerichtete Netzspannung und liegt im allgemeinen im Bereich zwischen 200 und 400 Volt. Der Steuerteil für den Transistor dagegen wird gewöhnlich mit einer wesentlich niedrigeren Hilfsspannung betrieben. Dabei ist es am zweckmäßigsten, die Versorgung dieses Steuerteils durch eine Hilfswicklung von der Sekundärseite des im Umrichter vorgesehenen Übertragers zu entnehmen. Allerdings ergibt sich daraus das Problem, daß beim Einschalten des Umrichters noch keine Spannung auf der Sekundärseite vorhanden ist; damit erhält auch der Steuerteil keine Hilfsspannung und kann den Transistor nicht durchschalten. Der Steuerteil muß also zum Anlaufen zunächst anderweitig gespeist werden.The operating voltage of the converter is normally the rectified line voltage and is in generally in the range between 200 and 400 volts. The control part for the transistor, on the other hand, becomes ordinary operated with a significantly lower auxiliary voltage. It is most expedient to have the supply this control part through an auxiliary winding from the secondary side of the transformer provided in the converter refer to. However, this results in the problem that when the converter is switched on there is no voltage on the secondary side; This means that the control section does not receive any auxiliary voltage either and can't turn the transistor through. In order to start up, the control section must first be supplied with something else will.
Aus der DE-OS 17 63 900 ist eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Einschaltspannung für das Steuerteil eines Gleichstromwandlers bekannt. Hierbei wird über einen an der Betriebsspannung liegenden Vorwiderstand ein erster Kondensator nach dem Einschalten der Betriebsspannung aufgeladen. Nach Erreichen einer vorgegebenen Spannung wird dieser erste Kondensator über ein nicht lineares Schaltelement parallel an einen zweiten Kondensator und damit an den Versorgungsspannungseingang des Steuerteils geschaltet. Sobald der zweite Kondensator aufgeladen ist, fließt kein Strom mehr vom ersten zum zweiten Kondensator. Während des Normalbetriebes wird das Steuerteil vom Umrichter selbst mit Spannung versorgt.From DE-OS 17 63 900 a circuit arrangement for generating a switch-on voltage for the Control part of a DC converter known. In this case, one is connected to the operating voltage Series resistor charged a first capacitor after switching on the operating voltage. After reaching a predetermined voltage, this first capacitor is parallel via a non-linear switching element connected to a second capacitor and thus to the supply voltage input of the control section. As soon as the second capacitor is charged, no more current flows from the first to the second capacitor. During normal operation, the control section is supplied with voltage by the converter itself.
Aus der US-PS 37 25 739 ist eine Abschalteinrichtung für das Steuerteil eines Umrichters bekannt. Hierbei werden im Überlastfall Kondensatoren, die am Versorgungseingang des Steuerteils angeschaltet sind, über ein nicht lineares Schaltelement entladen.From US-PS 37 25 739 a disconnection device for the control part of a converter is known. Here In the event of an overload, capacitors are installed at the supply input of the control part are switched on, discharged via a non-linear switching element.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Einschaltspannung für das Steuerteil eines Mittelfrequenz-Umrichters anzugeben, bei der ein Einschalten des Umrichters immer dann verhindert wird, wenn die Netzspannung einen vorgegebenen Höchstwert überschreitet, und bei der während des Betriebes des Umrichters keine störenden Einschaltimpulse auftreten.It is the object of the invention to provide a circuit arrangement for generating a switch-on voltage for the Specify the control section of a medium-frequency converter that always prevents the converter from switching on when the mains voltage exceeds a specified maximum value, and when during the No disruptive switch-on pulses occur when the converter is in operation.
Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved according to the characterizing part of claim 1.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist den Vorteil auf, daß der Umrichter ein exakt definiertes Einschaltverhalten bei möglichst einfachem Aufbau und optimalem Wirkungsgrad aufweist.The circuit arrangement according to the invention has the advantage that the converter has an exactly defined Has switch-on behavior with the simplest possible structure and optimum efficiency.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird also zunächst ein Niederspannungs-Speicherkondensator aufgeladen; sobald die gespeicherte Energie zum Anlauf ausreicht, schaltet das nicht lineare Schaltelement die gespeicherte Ladung auf den Steuerteil und bringt damit den Umrichter zum Laufen. Nach dem Anlauf kann dann die Speisung von der Sekundärseite des Umrichters entnommen werden. Für die Hilfsladung zum Anlaufen kann der Entladewiderstand für den Siebkondensator verwendet werden, welcher zur Erfüllung der Berührungsschutzvorschriften nach Abschalten des Netzteils meistens ohnehin vorhanden sein muß.The measure according to the invention therefore initially creates a low-voltage storage capacitor charged; as soon as the stored energy is sufficient for start-up, the non-linear switching element switches the stored charge on the control unit and thus makes the converter run. After the start, can then the supply can be taken from the secondary side of the converter. For the auxiliary charge to start up the discharge resistor can be used for the filter capacitor, which is used to meet the contact protection regulations must be present anyway after switching off the power supply unit.
Als nichtlineares Schaltelement zur Übertragung der Energie vom ersten Kondensator auf den Steuerteil wird zweckmäßigerweise ein Thyristor verwendet, welcher mit einer parallelgeschalteten Trigger-Diode einschaltbar ist. In gleicher Weise könnte aber auch ein Unijunction-Transistor oder eine vergleichbare Halbleiterkombination eingesetzt werden. In Reihe zum nichtlinearen Schaltelement wird zweckmäßigerweise ein Stoßwiderstand vorgesehen. An dessen Stelle ist in einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform eine kleine Drossel eingesetzt; dadurch wird der Wirkungsgrad der Energieübertragung vom ersten Kondensator auf den zweiten Kondensator verbessert.As a non-linear switching element to transfer the energy from the first capacitor to the control part a thyristor is expediently used, which can be switched on with a trigger diode connected in parallel is. In the same way, however, a unijunction transistor or a comparable semiconductor combination could also be used can be used. In series with the non-linear switching element, a Shock resistance provided. In its place is a small one in another expedient embodiment Throttle inserted; this increases the efficiency of the energy transfer from the first capacitor improved the second capacitor.
Während des Betriebs des Umrichters wird der Steuerteil zweckmäßigerweise über eine im Lastkreis des Umrichters vorgesehene Übertragerwicklung mit Spannung versorgt. Dies kann eine zusätzliche Hilfswicklung sein; für verschiedene Anwendungsfälle ist es auch möglich, als Versorgungsspannung direkt die Ausgangsspannung des Umrichters zu verwenden. Dies gilt allerdingsDuring the operation of the converter, the control part is expediently via a in the load circuit of the The transformer winding provided by the converter is supplied with voltage. This can be an additional auxiliary winding be; For various applications it is also possible to use the output voltage directly as the supply voltage of the converter. This is true, however
nur dann, wenn die Ausgangsspannung in ihrer Größe als Versorgungsspannung geeignet ist und wenn keine Förderung nach Potentialtrennung zwischen Primärseite und Sekundärseite besteht Diese während des Betriebs erzeugte Versorgungsspannung für den Steuerteil kann auf den erwähnten ersten Kondensator geschaltet sein; in diesem Fall muß die nichtlineare Schalteinrichtung während des Betriebs leitend bleiben.only if the output voltage is suitable in terms of its size as a supply voltage and if none Funding after potential separation between the primary side and the secondary side exists during operation The supply voltage generated for the control part can be switched to the mentioned first capacitor be; in this case the non-linear switching device must remain conductive during operation.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Versorgungsspannung des S:euerteils an einem zweiten Kondensator abgreifbar ist, der über die nichtlineare Schalteinrichtung parallel zum ersten Kondensator geschaltet ist In diesem Fall wird zweckmäßigerweise auch die während des Betriebs von der Sekundärseite erzeugte Versorgungsspannung auf den zweiten Kondensator geschaltet. In diesem Fall kann es von Vorteil sein, wenn die nichtlineare Schalteinrichtung während einer Anlaufphase des Umrichterbetriebs noch eingeschaltet bleibt, so daß in dieser Zeit neben dem zweiten Kondensator auch noch die Speicherwirkung des ersten Kondensators zur Geltung kommt.In an expedient development of the invention it is provided that the supply voltage of the control part can be tapped at a second capacitor, which is parallel to the first via the non-linear switching device Capacitor is connected. In this case, it is also expedient to use the during operation of the supply voltage generated on the secondary side is switched to the second capacitor. In this case it can be advantageous if the non-linear switching device is used during a start-up phase of converter operation remains switched on, so that in addition to the second capacitor also the storage effect during this time of the first capacitor comes into play.
Um eine definierte Wiedereinschaltung nach einem Kurzschluß oder nach Überspannung zu erreichen, ist in einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, daß die am zweiten Kondensator liegende Spannung eine parallel zum ersten Kondensator liegende Schalteinrichtung, beispielsweise einen Transistor, steuert. Damit wird erreicht, daß im Betrieb eine Aufladung des ersten Kondensators verhindert wird, solange der zweite Kondensator noch Spannung hat.In order to achieve a defined reclosing after a short circuit or overvoltage, in an advantageous development provided that the voltage applied to the second capacitor has a parallel to the first capacitor lying switching device, for example a transistor, controls. This achieves that a charging of the first capacitor is prevented during operation, as long as the second capacitor still has tension.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist außerdsm vorgesehen, daß dem ersten Kondensator ein Transistor parallel geschaltet ist, der über eine Spannungsmeß-Einrichtung bei Überschreitung eines vorgegebenen Höchstwertes der Betriebsspannung ein Aufladen des ersten Kondensators verhindert. Somit wird ein Einschalten des Umrichters immer dann verhindert, wenn die Netzspannung den vorgegebenen Höchstwert überschreitet. Dieser Transistor kann auch dazu verwendet werden, bei Auftreten einer Überspannung während des Betriebs den Steuerteil und damit den Umrichter abzuschalten.In an advantageous further development, also dsm it is provided that a transistor is connected in parallel to the first capacitor, which transistor has a voltage measuring device when a specified maximum value of the operating voltage is exceeded, the first capacitor prevented. This prevents the converter from being switched on whenever the mains voltage exceeds the specified maximum value. This transistor can also be used for this the control section and thus the converter if an overvoltage occurs during operation switch off.
Weitere Einzelheiten der Erfindung können nachfolgend der Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung entnommen werden. Es zeigtFurther details of the invention can be found in the description of two exemplary embodiments below can be taken from the drawing. It shows
F i g. 1 einen Sperrumrichter mit vereinfacht dargestelltem Steuerteil und dem erfindungsgemäßen Einschaltteil, F i g. 1 a flyback converter with a simplified control part and the switch-on part according to the invention,
F i g. 2 einen ähnlichen Sperrumrichter mit einem etwas abgeänderten Einschaltteil.F i g. 2 shows a similar flyback converter with a slightly modified switch-on part.
Die F i g. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung mit einem Sperrumrichter. Die gesamte Umrichterschaltung liegt mit den Klemmen 1 und 2 an der Netzspannung Un und wird mit dem Schalter S eingeschaltet. Über eine Gleichrichterbrücke B wird die Betriebsspannung Ub erzeugt, welche an den Klemmen 3 und 4 anliegt. Zur Siebung dient ein Kondensator C3. Die gleichgerichtete Betriebsspannung Ub kann an den üblichen Lichtnetzen bis zu 400 Volt betragen.The F i g. 1 shows a circuit according to the invention with a flyback converter. Terminals 1 and 2 of the entire converter circuit are connected to the mains voltage Un and are switched on with switch S. The operating voltage Ub , which is applied to terminals 3 and 4, is generated via a rectifier bridge B. A capacitor C3 is used for sieving. The rectified operating voltage Ub can be up to 400 volts in the usual lighting networks.
Die Betriebsspannung Ub liegt an dem eigentlichen Umrichter VV mit dem Schalttransistor Tt, dem Übertrager mit der Primärwicklung L 1 und der Sekundärwicklung L 2 sowie der sekundärseitigen Diode D 2. An den Ausgangsklemmen 5 und 6 mit der Ausgangsspannung Ua wird die Last angeschaltet.The operating voltage Ub is applied to the actual converter VV with the switching transistor Tt, the transformer with the primary winding L 1 and the secondary winding L 2 and the secondary diode D 2. The load is connected to the output terminals 5 and 6 with the output voltage Ua.
Der Schalttransistor 7*1 wird durch einen Regelkreis R lastabhängig durchgeschaltet und gesperrt. Zu diesem Zweck wird der Istwert der Sekundärspannung zusammen mit einem Sollwert einem Operationsverstärker V1 zugeführt Der Übertrager enthält eine Hilfswicklung L 3, mit der über die Diode D 3 der Istwert der Sekundärspannung am Kondensator C 4 gebildet wird. Über R 1 wird dieser Istwert abgegriffen und mit dem von der Zenerdiode D 4 und dem Widerstand R 2 gebildeten Sollwert verglichen. Wird festgestellt, daß die Ausgangsspannung zu niedrig ist, so bietet der Operationsverstärker dem Transistor 71 einen entsprechenden Basisstrom an. Eine vereinfacht dargestellte Vergleichseinrichtung V2 und der Transistor T2 sorgen für die Rückkopplung und exakte Ein- und Ausschaltung von Ti. The switching transistor 7 * 1 is switched through and blocked by a control circuit R depending on the load. For this purpose, the actual value of the secondary voltage is fed to an operational amplifier V 1 together with a setpoint value. The transformer contains an auxiliary winding L 3, with which the actual value of the secondary voltage on the capacitor C 4 is formed via the diode D 3. This actual value is picked up via R 1 and compared with the setpoint value formed by the Zener diode D 4 and the resistor R 2. If it is determined that the output voltage is too low, the operational amplifier offers the transistor 71 a corresponding base current. A comparison device V2, shown in simplified form, and the transistor T2 ensure the feedback and the exact switching on and off of Ti.
Die etwas vereinfacht dargestellte und beschriebene Regeleinrichtung R für den Schalttransistor Ti wird im Normalbetrieb durch die Hilfswicklung L 3 über die Diode D 5 mit Spannung versorgt. Dies ist allerdings erst möglich, wenn der Umrichter läuft und der Übertrager Spannung führt. Im Augenblick des Einschaltens der Netzspannung, also beim Schließen des Schalters S, kann der Regelkreis bzw. Steuerteil R noch nicht von der Sekundärseite versorgt werden; der Umrichter kann also nicht von selbst anlaufen. Es muß mit dem erfindungsgemäßen Einschaltteil E zunächst eine Einschaltspannung für den Steuerteil R erzeugt werden.The somewhat simplified illustrated and described control device R for the switching transistor Ti is supplied with voltage during normal operation by the auxiliary winding L 3 via the diode D 5. However, this is only possible when the converter is running and the transformer is live. At the moment the mains voltage is switched on, ie when the switch S is closed, the control circuit or control part R can not yet be supplied from the secondary side; the converter cannot start up by itself. A switch-on voltage for the control part R must first be generated with the switch-on part E according to the invention.
Bei Einschaltung der Netzspannung t/^wird über die Widerstände R 11 und R 13 der Kondensator CH aufgeladen. Bei einer bestimmten vorgegebenen Spannung, beispielsweise 30 V, bricht die Triggerdiode DIl durch und zündet den Thyristor Ty ti; die Ladung von CIl wird über den Stoßwiderstand R 14 auf den Kondensator C12 übertragen. Damit ist am Steuerteil die notwendige Spannung vorhanden, um den Umrichter zum Anlaufen zu bringen.When the mains voltage t / ^ is switched on, the capacitor CH is charged via the resistors R 11 and R 13. At a certain predetermined voltage, for example 30 V, the trigger diode DIl breaks through and ignites the thyristor Ty ti; the charge CIL is transmitted via the impact resistance R 14 to the capacitor C12. This means that the necessary voltage is available at the control unit to start the converter.
Innerhalb kürzester Zeit (etwa 2 msec) läuft der Umrichter und übernimmt über die Hilfswicklung L 3 und die Diode D 5 den Betrieb. Um jedoch Einschaltimpulse während des Betriebs und eine definierte Wiedereinschaltung nach einem Kurzschluß oder nach Überspannung zu erreichen, wird sichergestellt, da"ß der Kondensator CIl nicht aufgeladen werden kann, solange der Kondensator C12 Spannung hat. Zu diesem Zweck liegt die Spannung von C12 über den Widerstand R 18 an der Basis des Transistors 7*12. Solange also im Steuerkreis R die Betriebsspannung vorhanden ist, wird der Kondensator CIl über den Widerstand R 16 und den Transistor Γ12 ständig entladen.The converter runs within a very short time (approx. 2 msec) and takes over the operation via the auxiliary winding L 3 and the diode D 5. However, in order to achieve switch-on pulses during operation and a defined restart after a short circuit or after overvoltage, it is ensured that the capacitor C1 cannot be charged as long as the capacitor C12 has voltage. For this purpose, the voltage of C12 is above the Resistor R 18 at the base of transistor 7 * 12. As long as the operating voltage is present in control circuit R , capacitor CIl is continuously discharged via resistor R 16 and transistor Γ12.
Eine Aufladung des Kondensators C11 wird auch bei Überspannung des Netzes verhindert. Zu diesem Zweck ist der Transistor Γ11 mit der Zenerdiode D 12 und den Widerständen R 12 und R 13 so abgestimmt, daß über den Widerstand Λ 17 der Transistor T12 bei Überspannung durchgesteuert wird. Eine Aufladung von C11 und damit die Einschaltung des Umrichters wird somit verhindert. Charging of the capacitor C11 is prevented even in the event of an overvoltage in the network. For this purpose, the transistor Γ11 with the Zener diode D 12 and the resistors R 12 and R 13 is matched so that the transistor T12 is turned on via the resistor Λ 17 in the event of an overvoltage. This prevents C11 from being charged and thus prevents the converter from being switched on.
Die Fig.2 zeigt eine etwas abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einschaltteils f. Ansonsten ist die Schaltungsanordnung von F i g. 2 mit dem Umrichterteil W und dem Steuerteil R identisch mit der F i g. 1, so daß diese Teile nicht mehr im einzelnen beschrieben zu werden brauchen.FIG. 2 shows a somewhat modified embodiment of the switch-on part f according to the invention. Otherwise, the circuit arrangement is shown in FIG. 2 with the converter part W and the control part R identical to FIG. 1, so that these parts do not need to be described in detail.
Der Einschaltteil E weist wiederum einen Speicherkondensator C51 auf, der nach Schließen des Schalters 5 über den Widerstand R 52 aufgeladen wird. Bei der vorgegebenen Spannung bricht die Trigger-Diode O51 über den Widerstand R 53 durch und zündet den Thyristor TySi, welcher die gespeicherte Energie vom Kon-The switch-on part E in turn has a storage capacitor C51, which is charged via the resistor R 52 after the switch 5 is closed. At the specified voltage, the trigger diode O51 breaks through the resistor R 53 and ignites the thyristor TySi, which removes the stored energy from the con-
densator C51 auf den Kondensator C 52 überträgt. Anstelle des Stoßwiderstandes Λ 14 in Fig. 1 ist hier im Thyristorkreis eine kleine Drossel L 51 vorgesehen. Dadurch wird erreicht, daß die Energie von C51 vollständig in den Steuerkreis übertragen wird, so daß der Ladestrom durch R 52 kleiner als in Fig. 1 gehalten werden kann. Anstelle des Thyristors mit der Trigger-Diode könnte auch ein Unijunction-Transistor vorgesehen sein. Mit Übertragung der gespeicherten Energie auf den Kondensator C52 kann der Umrichter anlaufen. Parallel zum Kondensator C51 ist ein Transistor T53 vorgesehen (über die Zenerdiode D 55), so daß der Kondensator C51 nicht aufgeladen werden kann, solange C 52 Spannung führt und über /?54den Transistor T53 durchsteuert.capacitor C51 transfers to capacitor C 52. Instead of the shock resistance Λ 14 in Fig. 1, a small choke L 51 is provided in the thyristor circuit. This ensures that the energy from C51 is completely transferred into the control circuit, so that the charging current through R 52 can be kept smaller than in FIG. Instead of the thyristor with the trigger diode, a unijunction transistor could also be provided. The converter can start up when the stored energy is transferred to capacitor C52. A transistor T53 is provided in parallel with the capacitor C51 (via the Zener diode D 55) so that the capacitor C51 cannot be charged as long as C 52 carries voltage and controls the transistor T53 via /? 54.
Zur Abschaltung bei Überspannung dient der Transistor 7"52, weicher über den Spannungsteiler R 51, R 55, den Transistor 7"5I und die Zenerdiode D52 eingeschaltet wird. R 56 ist der Basiswiderstand dieses Transistors Γ52. Wegen der Zenerdiode D 55 wird der Kondensator C51 niemals völlig entladen, so daß der Kollektorstrom für den Transistor 7~51 aus dem Kondensator C51 entnommen werden kann. Ein zusätzlicher Spannungsteiler kann damit eingespart werden. Die Transistoren T52 und T53 sind über die Diode D 53 parallel an den Kondensator C51 angeschaltet.The transistor 7 "52, which is switched on via the voltage divider R 51, R 55, the transistor 7" 5I and the Zener diode D52 , is used to switch off in the event of an overvoltage. R 56 is the base resistance of this transistor Γ52. Because of the Zener diode D 55, the capacitor C51 is never completely discharged, so that the collector current for the transistor 7 ~51 can be taken from the capacitor C51. An additional voltage divider can thus be saved. The transistors T52 and T53 are connected in parallel to the capacitor C51 via the diode D 53.
Durch eine Verbindung vom Kollektor des Transistors 7"52 zum Operationsverstärker Vl im Steuerteil R läßt sich schließlich noch erreichen, daß über die Diode D 54 der Umrichter im Steuerteil abgeschaltet wird, wenn die Netzspannung zu hoch wird.By connecting the collector of the transistor 7 "52 to the operational amplifier Vl in the control part R , it can finally be achieved that the converter in the control part is switched off via the diode D 54 when the line voltage becomes too high.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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