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S»errwandler-Netzgerät
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Die Erfindung betrifft ein nach dem Sperrwandlerprinzip arbeitendes
Netzgerät der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Es ist bekannt, bei einem nach dem Wandlerprinzip arbeitenden Netzgerät
mit Hilfe eines 8teuer- und Regelteiles die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung
an eine schwankende Ausgangsbelastung anzupassen (Funkschau 1971, Heft 8, Seite
235-238).
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Die gleichgerichtete Eingangs spannung wird über eine Schaltstufe
der Primärseite des Transformators, der zugleich eine galvanische Trennung der Ausgangsspannung
vom Netz bewirkt, zugeführt, auf dessen Sekundärseite die Ausgangsspannung abnehmbar
ist. Der Steuer- und Regelteil besteht aus einem Oszillator, einem Pulsweitenmodulator,
einer Treiberschaltung mit Schaltstufe und einem Regelverstärker. Die Regelung wird
vom Puisweitenmodulator realisiert, der vom Regelverstärker gesteuert wird. Mit
dem Regelverstärker wird an einer Meßwicklung eine der Ausgangsspannung proportionale
Spannung gemessen und mit einer Referenzspannung verglichen. Eine Abweichung der
Meßspannung gegenüber der Referenzspannung bewirkt eine Änderung des Ausgangssignales
des Pulsweitenmodulators. D. h., das Tastverhältnis
wird verändert. Somit ändert sich auch die Einschaltzeit der Schaltstufe.
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Bei zu niedriger Ausgangsspannung steigt also das Tastverhältnis,
und ein höherer Energieanteil wird im übertrager gespeichert.
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Eine zu hohe Ausgangsspannung bewirkt dagegen ein Fallen des Tastverhältnisses,
wodurch ein geringerer Energieanteil im tibertrager gespeichert wird.
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Bei Netzgeräten mit dreiecksförmigem Stromverlauf wirken sich Eingangsspannung-
und Ausgangslaständerungen auf die Ausgangsspannung aus. Dadurch wird wiederum die
Spannung an der Me3-wicklung beeinflußt, und ein Regelvorgang wird eingeleitet.
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Das bedeutet aber, daß die Regelung erst nach dem Auftreten von Eingangsspannungs-
bzw. Ausgangslastanderungen einsetzt. Treten sowohl eine Erhöhung der Eingangsspannung
als auch der Ausgangslast gleichzeitig auf, so führt das in der Schaltstufe zu Spitzenströmen,
die zur Zerstörung der in der Schaltstufe eingesetzten Transistoren führen können.
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Da die auftretende maximale Induktion des Ubertragers von der maximalen
Einschaltzeit und der maximalen Eingangsspannung bestimmt wird, muß auch ein relativ
großer Kernquerschnitt gewählt werden, damit der Kern nicht in die Sättigung geraten
kann und an den Transistoren der Schaltstufe sehr steile Stromspitzen auftreten
würden, die wiederum zu deren Zerstörung führen müßten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Netzgerät der im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art zu schaffen, in dem die Entstehung unerwünschter
Spitzenströme verhindert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch dz im Kennzeichen des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, daß bei
einer fest vorgegebenen Leistungsgrenze die Einschaltzeit vorher bestimmt wird.
Durch die erfindungsgemäßen schaltungstechnischen Maßnahmen wird erreicht, daß sich
die Einschaltzeit umgekehrt proportional zur Eingangsspannung verhält. Der Spitzenstrom
wird dabei durch die Induktivität des vbertragers und die maximal zulässige Leistung
bestimmt. Da die Eingangsspannung als Störgröße auf den Regler aufgeschaltet wird,
braucht bei Erreichen
der Leistungsgrenze eine Rückmeldung von
der Ausgangsspannung als Funktion einer Eingangsspannungsänderung nicht mehr abgewartet
zu werden. Dem Regler werden nur noch Belastungsänderungen auf der Ausgangsseite
mitgeteilt. Durch den Einfluß der Eingangsspannung über die Störgröße wird die Einschaltzeit
begrenzt, und der Spitzenwert des in der Schaltstufe auftretenden Stromes wird von
vornherein begrenzt.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mit der Aufschaltung der Eingangs
spannung als Störgröße gleichzeitig eine gute Bruminkompensation erreicht wird,
da das Tastverhältnis bei ansteigender Eingangsspannung verkleinert und bei absinkender
Eingangsspannung vergrößert wird. Die Eingangsbrummspannung, die bis zu 20% der
Eingangsspannung betragen kann, wirkt sich dadurch nicht mehr auf der Ausgangsseite
aus.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild, Figur
2 eine detailliertere Darstellung eines Teiles der Figur 1 und Figuren 3, 4 und
5 Impulsdiagramme.
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In Figur 1 sind die wesentlichen Schaltungsblöcke eines Sperrwandlernetzgerätes
gemäß der Erfindung dargestellt. Ein Schaltkreis 1 erzeugt eine Störgröße aus den
Schwankungen der gleichgerichteten, vom Netz gelieferten Eingangsspannung U1, die
einem als Pulsweitenmoduiator bezeichneten Schaltkreis 2 zugeführt wird. Ein Sägezahngenerator
3 liefert dem Pulsweitenmodulator 2
Sägezahnimpulse, während eine
Rückkopplung 8 eine von den Schwankungen der Last am Ausgang abhängige Meßspannung
an einen Regelverstärker mit einer Schaltung zur Erzeugung einer Referenzspannung
4 liefert, dessen Ausgang wiederum dem Pulsweitenmodulator 2 zugeführt wird. Dessen
Ausgang ist mit einer nachfolgenden Treiberstufe 5 verbunden und liefert eine Rechteckspannung,
deren Impulsbreite von der Störgröße, dem Ausgang des Regelverstärkers (Regelgröße)
und den Sägezahnimpulsen abhängig ist. In an sich bekannter Weise bestimmt die Impulsbreite
der Rechteckspannung die Einschaltzeit der Treiberstufe 5 und damit der Endstufe
6.
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D. h., durch Änderung des Tastverhältnisses läßt sich der von der
Ausgangsstufe 7 verlangte Energiebedarf steuern. Die an den Regelverstärker gelieferte,
von den Schwankungen der Last abhängige Meßspannung wird z. B. mit Hilfe einer Meßwicklung
des Transformators in der Ausgangsstufe 7 erzeugt.
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In Figur 2 sind der Schaltkreis 1 zur Erzeugung der Störgröße sowie
der Pulsweitenmodulator 2 näher dargestellt. Die weiteren Schaltkreise sind dem
Fachmann geläufig und gehören nicht zur Erfindung, weshalb der Ubersichtlichkeit
wegen auf eine nähere Darstellung und Beschreibung verzichtet wird.
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Der links der strichpunktierten Linie liegende Teil der Schaltungsanordnung
ist der Schaltkreis 1 zur Erzeugung der Störgröße, während rechts der Pulsweitenmodulator
2 angeordnet ist.
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Die gleichgerichtete Eingangsspannung U1 (von z. B. 200-350 Volt)
liegt am Schaltkreis 1 an, der daraus mit Hilfe des aus den beiden Widerständen
17, 18 gebildeten Spannungsteilers eine der Eingangsspannung (und damit deren Schwankungen)
folgende ßtörgröße liefert.
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Im Arbeitsbereich wird diese Spannung über eine Diode 9 als Störgröße
dem Pulsweitenmodulator 2 zugeführt. Zwei Widerstände 10, 11, die an einer konstanten
Vorspannung 20 liegen, stellen
den Grund-Arbeitspunkt fest ein.
Dieser Grund-Arbeitspunkt liegt - unter Nichtberücksichtigung der Störgröße - am
Schaltungspunkt 23 und, da jeweils der Widerstand 10 gleich dem Widerstand 12 und
der Widerstand 11 gleich dem Widerstand 13 ist, am Schaltungspunkt 24 an. Die Störgröße,
die am 8chaltungspunkt 23 zugeführt wird, bewirkt eine Verschiebung des Arbeitspunktes.
Er wird von einer vom Sägezahngenerator 3 an Eingang 21 gelieferten Sägezahnspannung
mit konstanter Amplitude überlagert und einem Eingang 25 eines Operationsverstärkers
19 zugeführt. Der Eingang 22 ist mit dem Regelverstärker 4 verbunden und liefert
die aus dem Vergleich der Meßspannung mit einer Referenz spannung gewonnene Regelgröße
an den zweiten Eingang 26 des Operationsverstärkers 19. Der Ausgang 27 des Operationsverstärkers
19 wird der Treiberstufe 5 zugeführt.
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Die Vorgänge in der in Figur 2 dargestellten Schaltung werden nunmehr
anhand der Figuren 3, 4 und 5 erläutert. In diesen Figuren sind jeweils im oberen
Impulszug die Eingangsspannungen des Operationsverstärkers 19 dargestellt, während
der untere Impulszug dessen Ausgangsspannung zeigt.
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In Figur 3 greift weder eine von der Eingangsspannung U1 abgeleitete
Störgröße noch eine von der Ausgangsspannung U2 abgeleitete Regelgröße ein, d. h.
die Eingangsspannung U1 weicht nicht von der Nennspannung ab und die Ausgangs spannung
U2 weist die von der Last geforderte Größe auf. Die am Eingang 25 des Operationsverstärkers
19 anliegende Vorspannung 28, die den Grundarbeitspunkt für die Sägezahnspannung
30 bildet, hat die gleiche Größe wie die am Eingang 26 anliegende Vorspannung. Da
der Ausgang 27 Spannung führt, wenn die Sägezahnspannung 30 kleiner als die am Eingang
26 anliegende Spannung ist, liefert der Ausgang 27 die im unteren Impulszug der
Figur 3 dargestellten Signale 31 mit konstantem Tastverhältnis
- konst.
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Figur 4 demonstriert den Spannungsverlauf, wenn die Eingangsspannung
U1 von der Nennspannung abweicht, also eine Störgröße am Punkt 23 zugeführt wird.
Die von der Ausgangsbelastung abhängige Regelgröße hat sich gegenüber Figur 3 nicht
verändert, die Ausgangsspannung U2 weist also den geforderten Wert auf. Im linken
Teil des Impulszuges ist der Arbeitspunkt durch die von einer gestiegenen Eingangsspannung
Ul abgeleitete Störgröße angehoben worden (32), weshalb auch die überlagerte Sägezahnspannung
33 höher liegt. Im rechten Teil des Impulszuges ist die Eingangsspannung U1 dagegen
unter den Nennwert gesunken, der Arbeitspunkt ist durch die Störgröße nach unter
verschoben (34), und die Sägezahnspannung 33 liegt tiefer als in Figur 3.
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Anhand des unteren Impulszuges ist die Auswirkung der Störgröße auf
das Tastverhältnis der an den Ausgang 27 des Operationsverstärkers 19 gelieferten
Rechteckspannung zu sehen: die gestiegene Eingangsspannung U1 hat, da die am Eingang
26 anliegende Spannung 37 unverändert geblieben ist, eine Verkürzung der Einschaltdauer
35, also ein verringertes Tastverhältnis zur Folge, während die gesunkene Eingangsspannung
U1 eine Verlängerung der Einschaltdauer 36 und damit ein vergrößertes Tastverhältnis
bewirkt.
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Figur 5 schließlich zeigt den Spannungsverlauf bei Veränderung der
Ausgangsspannung U2 infolge Änderung der Ausgangsbelastung und einer Eingangsspannung
U1 = Nennspannung. Es liegt somit keine Störgröße, aber eine Regelgröße vor, die
im linken Teil der Figur 5 von einer zu klein gewordenen Ausgangsspannung U2, im
rechten Teil von einer zu groß gewordenen Ausgangsspannung U2 abgeleitet ist. Die
Lage der Sägezahnspannung 38 wird vom Grundarbeitspunkt 39 bestimmt. Die Regelgröße
hat dagegen die am Eingang 26 anliegende Spannung, deren Durchgang durch die Flanken
der Sägezahnspannung das Tastverhältnis bestimmt, angehoben (40) bzw. abgesenkt
(41).
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Entsprechend ist die im unteren Impulszug dargestellte Einschaltdauer
länger
(42) als in Figur 3 bzw. kurzer (43).
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Es ist selbstverständlich, daß sich die einzeln dargestellten Abläufe
im Betrieb überlagern und solcherart gleichzeitig auf die Ausgangs spannung Einfluß
nehmen. In jedem Falle aber wird durch die am Punkt 23 zugefuhrte Störgröße und
die am Punkt 22 zugeführte Regelgröße das Tastverhältnis der Ausgangsrechteckspannung
in der gewünschten Weise verändert, wobei Schwankungen der Eingangs spannung eliminiert
werden, bevor sie sich auf die nachfolgenden Schaltungsstufen auswirken können.
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Weiterhin ist es selbstverständlich möglich, die Sägezahnspannung
nicht der von der Störgröße beeinflußten Vorspannung zu überlagern sondern der von
der Regelgröße beeinfluBten Vorspannung, ohne am Erfindungsgedanken etwas zu ändern.