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Verfahren zur Sicherung eines Schaltnetzgeräts mit
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einem Schalttransformator' sowie Überwachungsvorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens Zusammenfassung Es wird ein Verfahren zur Sicherung eines Schaltnetzgeräts
mit einem Schalttransformator gegen eine Überlatung, sowie eine Überwachungsvorrichtung
für ein Schaltnetzgerät mit einem Schalttransformator vorgeschlagen,bei dem bzw.
bei der während jedem Schaltvorgang der zeitliche Verlauf eines dann abklingenden
kritischen Parameters überwacht und die Einleitung eines neuen Schaltvorganges erst
freigegeben wird, wenn der kritische Parameter unter einen vorgegebenen Schwellwert
abgesunken ist. Insbesondere wird nach einem Schaltvorgang das Abklingen der magnetischen
Energie in einem magnetischen Kreis mit einem Magnetkern überwacht, um zu verhindern,
daß durch eine zu frühe erneute Ansteuerung der Magnetkern in die Sättigung. getrieben
wird.
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach
der Gattung des Hauptanspruchs. Schaltnetzgeräte dienen dazu, eine erste Betriebsspannung
in eine zweite Betriebsspannung umzuformen, wobei die erste Betriebsspannung, wenn
sie eine Wechselspannung ist, zunächst gleichgerichtet, dann geglättet, anschließend
hochfrequent, beispielsweise mit einer Frequenz von 20 kHz, zerhackt, daraufhin
transformiert und schließlich sekundärseitig wieder gleichgerichtet und geglättet
wird. Der Vorteil solcher Schaltnetzgeräte liegt im allgemeinen darin, daß durch
die hochfrequente Arbeitsweise der erforderliche Schalttransformator für die Transformierung
klein und leicht gehalten werden kann, wobei der Wirkungsgrad derartiger Schaltnetzgeräte
bei etwa 85% liegt, während bei konventionellen Netzgeräten mit 50 Hz-Betrieb nur
ein Wirkungsgrad von etwa 55% erreichbar ist. Darüberhinaus lassen sich Schaltnetzgeräte
noch billiger herstellen als konventionelle Netzteile.
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Bei den bekannten Schaltnetzgeräten wird ein Überlastungsschutz bzw.
eine Kurzschlußsicherheit dadurch erreicht, daß man den Strom auf der Primärseite
des Schalttransformators in herkömmlicher Weise mit Hilfe eines Meßwiderstandes
mit nachgeschaltetem Schaltverstärker überwacht. Für diese Art der Überwachung werden
normalerweise teure, induktionsarme Hochlastwiderstände, sowie teure Halbleiterschalter
benötigt. Hierdurch gehen die Vorteile, die ein Schaltnetzgerät gegenüber einem
konventionellen Netzteil bietet, sowohl hinsichtlich der Funktionssicherheit als
auch bezüglich des Preises zumindest teilweise wieder verloren.
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Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichncnden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Sicherung gegen
eine Oberlastung wesentlich einfacher und sicherer durchgeführt werden kann, insbesondere
mittels einer Oberwachungsvorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß mit einer
sekundärseitigen
Wicklung des Schalttransformators ein steuerbares Schaltelement verbunden ist, mit
dessen Hilfe ein Eingangskreis für das Eingangssignal der Primärwic]lung des Schalttransformators
in Abhängigkeit von der Größe des kritischen Parameters steuerbar ist.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgefUhrten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Insbesondere bietet sich die Möglichkeit, eine Überwachungsvorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens so auszugestalten, daß das Schaltnetzgerät einerseits
gegen jede Überlastung gesichert ist und außerdem im Abregelfalle - d.h. bei einer
Strombegrenzung zur Vermeidung einer Überlastung - als Konstantstromquelle mit dem
Maximalstrom arbeitet, woraus ein besonders günstiges Anlaufverhalten für permanent
erregte Gleichstrommotoren resultiert, die mit dem Ausgang des Schaltnetzgerätes
verbunden sind. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, daß der Schalttransformator
knapp dimensioniert werden kann, und daß dennoch auch an stark welligen Eingangs-Spannungen
ein sicherer Betrieb gewährleistet ist.
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Zeichnung Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Überwachungsvorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachstehend anhand einer
Zeichnung mit mehreren Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild
der Überwachungsvorrichtung und Fig. 2 ein Diagramm des Stromverlaufs an einer Sekundärdrossel
der Überwachungsvorrichtung gem. Fig. 1.
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Beschreibung der Erfindung Bei der Oberwachungsvorrichtung gemäß Fig.
1 ist ein Oszillator 10 vorgesehen, welcher über die Serienschaltung zweier Widerstände
12, 14 mit Bezugspotential verbunden ist. Die Widerstände 12, 14 bilden einen Spannungsteiler,
dessen Abgriff über die Serienschaltung zweier Widerstände 16,18 mit der Basis eines
Treibertransistors 20 verbunden ist. Die Basis dieses Treibertransistors 20 ist
über einen weiteren Widerstand 22 an Bezugspotential gelegt, während sein Emitter
direkt an Bezugspotential liegt. Der Kollektor des Treibertransistors 20 ist mit
dem einen Anschluß der Primärwicklung eines Treibertransformators 24 verbunden.
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Der andere Anschluß der Primärwicklung des Treibertransformators 24
ist über ein Siebglied aus einem Widerstand 26 und einem Kondensator 28 mit dem
positiven Pol (+) einer Speisespannungsquelle verbunden, die eine Spannung von beispielsweise
250 V liefert.
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Parallel zur Primärwicklung des Treibertransformators 24 liegt die
Serienschaltung eines Widerstandes 30 und einer Diode 32.
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Die Diode 32 dient dabei als Freilaufdiode. Parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke
des Treibertransistors 20 liegt die Serienschaltung eines Widerstandes 34 und eines
Kondensators 36, wobei die eine Platte des letzteren an Bezugspotential liegt. Die
Serienschaltung aus dem Widerstand 34 und dem Kondensator 36 dient dabei dem Schutz
des Treibertransistors 20 gegen Oberspannungen beim Abschalten des Treibertransformators
24.
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Die Sekundärwicklung des Treibertransformators 24 liegt einerseits
an Bezugpotential und andererseits über die Parallelschaltung eines Widerstandes
38 und eines Kondensators 40 an der Basis eines Endstufentransistors 42, dessen
Basis über einen Widerstand 44 und dessen Emitter direkt an Bezugspotential liegt.
Der Kollektor des Endstufentransistors 42 ist mit einer Primärwicklung 46.1 eines
Schalttransformators 46 verbunden und außerdem mit einem Kondensator 48, dessen
andere Platte über die Parallelschaltung eines Widerstandes 50 und einer Diode 52
mit
Bezugspotential verbunden ist. Die Diode 52 ist eine schnelle Diode und dient zusammen
mit dem Widerstand 50 und dem Kondensator 48 in üblicher Weise dem Schutz des Endstufentransistors
42 gegen Überspannungen beim Abschalten des Schalttransformators 46. Eine Sekundärwicklung
46.2. des Schalttransformators 46 ist mit einer Last 54 einerseits direkt und andererseits
über die Serienschaltung einer Diode 56 und einer Drossel 58 verbunden. Die Last
ist als einfacher Widerstand dargestellt, wird jedoch häufig durch einen induktiven
Verbraucher,insbesondere durch einen regelbaren Gleichstrommotor,gebildet. Parallel
zur Last 54 liegt ein Speicherkondensator 60. Außerdem ist zwischen dem unmittelbar
mit der Last 54 verbundenen Anschluß der Sekundärwicklung 46.2 und dem Verbindungspunkt
der Diode 56 mit der Drossel 58 eine weitere Diode 62 vorgesehen, welche als Freilaufdiode
für die Drossel 58 dient.
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Gemäß der Erfindung besitzt der Schalttransformator 46 zwei weitere
Wicklungen, nämlich eine Meßwicklung 46.3 und eine Hilfswicklung 46.4. Das eine
Ende der Hilfswicklung 46.4 ist an Bezugspotential gelegt, während das andere Ende
mit einer Diode 64 verbunden ist, deren zweiter Anschluß einerseits über einen Kondensator
66 mit Bezugspotential und andererseits über einen Widerstand 68 und die Parallelschaltung
eines weiteren Kondensators 70 mit einer Zenerdiode 72 ebenfalls mit Bezugspotential
verbunden ist. Die Hilfswicklung 46.4 mit den zugeordneten Bauelementen 64 - 72
dient der Erzeugung einer relativ kleinen' mittels der Zenerdiode 72 stabilisierten
Gleichspannung,insbesondere der Erzeugung einer relativ niedrigen positiven Versorgungsspannung
V von beispielsweise + 12 Volt. Die entsprechenden Verbindungen zu denjenigen Elementen
der Schaltung gemäß Fig. 1, die an der Versorgungsspannung V liegen, wurden jedoch
zur Verbesserung der Übersichtlichkeit weggelassen.
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Das eine Ende der Meßwicklung 46.3 ist mit dem positiven Pol (+) der
Speisespannungsquelle verbunden, während ihr anderes Ende über eine Diode 74 mit
dem Emitter eines Überwachungstransistors 76 verbunden ist. Die Basis des Überwachungstransistors
76 ist über einen Widerstand 78 mit Bezugspotential verbunden. Die Emitterspannung
des Oberwachungstransistors 76 wird mit Hilfe von Dioden 80,82, die zwischen dem
Emitter und Bezugspotential liegen, auf einen vorgegebenen oberen Schwellwert begrenzt.
Der Kollektor des Oberwachungstransistors 76 ist über einen Widerstand 84 mit der
Basis eines ersten Hilfstransistors 86 verbunden, dessen Emitter direkt und dessen
Basis über einen Widerstand 88 mit der Versorgungsspannung V verbunden ist. Der
Kollektor des ersten Hilfstransistors 86 ist über einen Widerstand 90 mit der Basis
eines zweiten Hilfstransistors 92 und über einen Widerstand 94 mit dem Kollektor
eines dritten Hilfstransistors 96 verbunden.
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Der Kollektor des zweiten Hilfstransistors 92 ist mit dem Verbindungspunkt
der Widerstände 16 und 18 im Basiszweig des Treibertransistors 20 verbunden, während
der Emitter des zweiten Hilfstransistors 92 direkt und seine Basis über einen Widerstand
98 mit der positiven Versorgungsspannung + V verbunden ist.
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Die betrachtete Oberwachungsvorrichtung arbeitet wie folgt: Wenn am
Ausgang des Oszillators 10 ein positiver Steuerimpuls erscheint, dann fließt über
die Widerstände 12 und 14 ein Strom, der zur Folge hat, daß der dritte Hilfstransistor
96, welcher bis dahin gesperrt war, leitend wird, wodurch auch der zweite Hilfstransistor
92 leitend wird, der zusammen mit dem dritten Hilfstransistor 96 eine bistabile
Kippschaltung bildet. Diese Schaltvorgänge haben zur Folge, daß der Treibertransistor
20, welcher bis dahin gesperrt war, leitend wird. Beim Durchschalten Treibertransistors
20 ergibt sich auf der Sekundärseite des
Treibertransformators
24, welcher als Sperrwandler arbeitet, ein Impuls, der mit Hilfe der Bauelemente
38, 40 und 44 in geeigneter Weise geformt und der Basis des Endstufentransistors
42 zugeführt wird, der daraufhin sperrt. Dabei ist die Form der Steuerimpulse, die
der Basis des Endstufentransistors 42 zugeführt werden, besonders wichtig, da der
Schalttransformator 46 als Flußwandler mit extrem hohen Stromanstiegsgeschwindigkeiten
in der Größenordnung von 1012A/s arbeitet. Diese hohen Strojnanstiegsgeschwindigkeiten
kann aber der Endstufentransistor 42 nur dann schadlos verkraften, wenn ihmsteuerimpulsegeeigneter
Form zugeführt werden.
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Der Stromanstieg in der Primärwicklung 46.1 des Schalttransformators
46 hat einen entsprechenden Strom in dessen Sekundärwicklung 46.2 zur Folge. Dieser
sekundärseitige Strom wird durch die Diode 56 gleichgerichtet und gelangt über die
Drossel 58 zu der Last 54, wobei der Speicherkondensator 60 dafür sorgt, daß der
Strom durch die Last 54 gegenüber dem Strom in der Sekundärwicklung 46.2 geglättet
ist.
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Wenn dann am Ende des positiven Impulses des Oszillators 10 der Treibertransistor
20 wieder sperrt bzw. erneut geschlossen wird und folglich der Endstufentransistor
42 gesperrt wird, dann führt die in dem Schalttransformator 46 zu diesem Zeitpunkt
gespeicherte elektromagnetische Energie dazu, daß in der Meßwicklung 46.3 des Schalttransformators
46 eine zeitlich abklingende Spannung induziert wird, welche gegenüber Bezugspotential
negativ ist und durch die der zuvor gesperrte Überwachungstransistor 76 leitend
gesteuert wird. Der Oberwachungstransistor 76 zieht nun über seinen Kollektorwiderstand
84 einen Strom, der zu einem Absinken des Basispotentials des ersten Hilfstransistors
86 führt. Dieser steuert daraufhin durch und hält nunmehr den zweiten Hilfstransistor
92 und damit auch den
Treibertransistor 20 im geöffneten Zustand.
Solange der erste Hilfstransistor 86 leitend ist, wird der Treibertransistor 20
unabhängig vom Schaltzustand des dritten Hilfstransistors 96, d.h. unabhängig davon,
ob bereits ein neuer positiver Ausgangsimpuls des Oszillators 10 begonnen hat oder
nicht, im leitenden Zustand gehalten. Während dieser Betriebsphase ist also der
dritte Hilfstransistor 96 unwirksam. Erst wenn die in die Meßwicklung 46.3 induzierte
Spannung soweit abgesunken ist, daß der Überwachungstransistor 76 sperrt und damit
auch der erste Hilfstransistor 86 schließt, kann durch eine entsprechende Ausgangsspannung
des Oszillators 10 wieder eine Sperrung des Treibertransistors 20 und damit ein
neuer Schaltzyklus des Schalttransformators 46 eingeleitet werden. Das Auftreten
eines O-(null) 0-(null) Signals am Ausgang des Oszillators 10,durch welches der
dritte Hilfstransistor 96 gesperrt wird, bleibt also solange ohne Einfluß auf den
Schaltzustand der Transistoren 92 und 20, bis die Spannung in der Meßwicklung 46.3
weit genug abgesunken ist, um ein Sperren des Überwachungstransistors 76 und damit
des ersten Hilfstransistors 86 zu ermöglichen. Es ist also gewährleistet, daß ein
erneutes Einschalten des Endstufentransistors 42 solange verzögert wird, bis die
in dem Kern des Schalttransformators 46 gespeicherte elektromagnetische Energie
weit genug abgebaut ist.
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Hierdurch wird verhindert, daß der Schalttransistor 42 durch den beim
Erreichen der Kernsättigung schnell und steil ansteigenden Strom zerstört wird.
Dabei ist jedoch vorausgesetzt, daß die Ausgangsimpulse des Oszillators 10 nur so
lang sind, daß während der Dauer eines solchen Impulses bei zunächst im wesentlichen
vollständig entmagnetisierten Kern des Schalttransformators 46 die Kernsättigung
nicht erreicht wird. Aus diesem Grund ist auch das Impuls- Pausen- Verhältnis für
die Ausgangssignale des Oszillators 10 immer kleiner als 1:1, da die Endmagnetisierung
stets eine längere Zeit in Anspruch nimmt, als eine entsprechende Magnetisierung.
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In Weiterbildung der Erfindung ist bei der Überwachungsvorrichtung
gemäß Fig. 1 mit der Sekundärdrossel 58 eine Meßspule 100 elektromagnetisch gekoppelt.
Parallel zu der Meßspule 100 liegt die Serienschaltung eines Widerstandes 102 und
eines Kondensators 104. Das mit dem Kondensator 104 verbundene Ende der Meßspule
100 liegt an Bezugspotential. Der Verbindungspunkt des Widerstandes 102 und des
Kondensators 104 ist über einen Widerstand 106 mit dem einen Eingang (-) eines Komparators
108 verbunden. Der Ausgang des Komparators 108 ist über einen Widerstand 110 mit
der Basis des ersten Hilfstransistors 86 verbunden. Außerdem ist der Ausgang des
Komparators 108 über die Serienschaltung zweier Widerstände 112, 114 mit dessen
zweitem Eingang (+) verbunden. Der Verbindungspunkt der beiden Widerstände 112 und
114,von denen einer (nämlich der Widerstand 112) als Trimmwiderstand ausgebildet
ist, ist einerseits über einen weiteren Trimmwiderstand 116 mit Bezugspotential
und andererseits über einen Widerstand 118 mit der positiven Versorgungsspannung
+ V verbunden. Die positive Versorgungsspannung + V liegt außerdem über einen Widerstand
119 am Ausgang des Komparators 108.
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Der vorstehend beschriebene Schaltungsteil arbeitet wie folgt: Wenn
durch die Drossel 58 zu Beginn eines Schaltzyklus des Schalttransformators 46 ein
Strom zu fließen beginnt, d.h. unmittelbar nach Beginn eines Stromes durch die Primärwicklung
46.1 und eines entsprechenden Stromes durch die Sekundärwicklung 46.2, dann wird
in die Meßspule 100 eine Spannung induziert, die eine Aufladung des Kondensators
104 zur Folge hat, der zusammen mit dem Widerstand 102 ein Integrationsglied bildet.
Sobald diese Spannung einen vorgegebenen oberen Schwellwert SO überschreitet, liefert
der Komparator 108 ein Ausgangssignal, welches zu einem Durchschalten des ersten
Ililfstransistors 86 führt, wodurch das Wirksamwerden des nächsten Taktimpulses
des Oszillators 10 in
der oben beschriebenen Weise unterdrückt
wird. Die Freigabe für den nächsten Schaltzyklus erfolgt erst dann, wenn die Ladung
auf dem Kondensator 104 nach dem Abklingen des Stroms durch die Drossel 58 wieder
bis zu einer unteren Schaltschwelle Su abgesunken ist, was ein Umschalten des Komparators
108 in den Ausgangszustand zur Folge hat.
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Wie Fig. 2 zeigt,in der der Verlauf des Stromes I am Ausgang über
der Zeit t dargestellt ist, sind die obere und die untere Schaltschwelle So bzw.
Su so gewählt, daß der durch die Drossel 58 bzw. die Meßspule 100 gesteuerte Schaltungsteil
im Normalbetrieb,d.h. bei Nennlast, unwirksam bleibt, bei einer geringen überlast
zu einem verzögerten Wirksamwerden eines neuen Impulses bzw. einer Änderung des
Impuls-Pausen-Verhältnisses ti:tp führt und bei einer starken Überlastung1 beispielsweise
bei Kurzschluß am Ausgang, eine vorzeitige Unterbrechung des Stromflusses durch
die Primärwicklung des Schalttransformators 46 bewirkt. Es wird also nicht nur verhindert,
daß bei einer Überlastung der Schaltung zu früh ein neuer Schaltzyklus ausgelöst
wird, sondern auch erreicht, daß eine extreme Überlastung sofort zu einer Unterbrechung
eines gerade laufenden Schaltzyklus führt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es ferner vorteilhaft,
wenn auch die Spannung über der Last 54 überwacht wird, was erfindungsgemäß dadurch
geschieht, daß man mit der über der Last 54 anliegenden Spannung den Eingang eines
Optokopplers 120 beaufschlagt, dessen Ausgang mit dem einen Eingang (-) eines zweiten
Komparators 122 verbunden ist, an dessen zweitem Eingang (+) eine mittels eines
Spannungsteilers 124, 126 einstellbare Spannung anliegt. Der Ausgang des zweiten
Komparators 122 liegt wieder über einen Widerstand 128 an der Basis des ersten Hilfstransistors
86. Außerdem ist der Ausgang des zweiten Komparators 122 über einen Widerstand 130
mit der positiven Versorgungsspannung + V verbunden. Der Strom im Eingangskreis
des Optokopplers 120 ist
mittels eines Potentiometers 132 einstellbar.
Man erkennt, daß der zuletzt beschriebene Schaltungsteil bei Ansteigen der Spannung
über der Last 54 über einen vorgegebenen Schwellwert hinaus wieder die gleichen
Vorgnge auslöst wie ein Ansprechen des Komparators 108, so daß wieder eine Unterbrechung
eines bereits laufenden Schaltzyklus des Schalttransformators 46 erfolgt, sobald
an der Last 54 eine Uberspannung auftritt.
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