DE2919905C2 - Schaltnetzteil nach dem Sperrwandler- oder Flußwandlerprinzip - Google Patents

Schaltnetzteil nach dem Sperrwandler- oder Flußwandlerprinzip

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Description

Die Erfindung betrifft ein im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenes Schaltnetzteil.
Schaltnetzteile werden zur verlustleistungsarmen Wandlung einer unstabilen Eingangsgleichspannung in eine konstante Ausgangsgleichspannung und außerdem in einer parallel schaltenden Ausführung auch zur galvanischen Trennung der Eingangs- und Ausgangsspannung eingesetzt. Die Wirkungsweise derartiger rSchaltnetzteile ist z. B. durch die Zeitschrift »Funkschau« 1972, Heft 12, Seiten 339 bis 341 und :»Valvo-Entwicklungs-Mitteilungen« Nr. 55 bekannt.
Die Regeleinheit eines Schaltnetzteiles zur Konstanthaltung der Ausgangsspannung ist eine Impulsbreiten-Modulationsstufe, wenn eine hohe Ausgangsspannungskonstanz erforderlich ist. In dieser Stufe wird die Ausgangsspannung mit einer Sollspannung verglichen und die Abweichungen der Ausgangsspanuungen von der Sollspannung in Schaltzeitänderungen der Schaltstufe umgeformt. Ist zwischen der Eingangsgleichspannung und der Ausgangsgleichspannung eine galvanische Trennung gefordert, so muß auch die Ausgangsspannung potentialfrei zur Impulsbreiten-Modulationsstufe auf der Primärseite des Netzteiles zurückgeführt werden. Es ist bekannt, hierfür einen Optokoppler einzusetzen. Der Optokoppler besitzt jedoch den Nachteil großer Exemplarstreuungen seiner Übertragungsparameter, die bis zu einem Faktor 5 betragen. Die Streuungen des Optokopplers erfordern eine so große Spreizung des Einstellbereiches der Ausgangsspannung, daß eine genaue Einstellung derselben problematisch wird. Außerdem ist der Optokoppler ein teures Bauteil.
Aus der Zeitschrift »elektronik praxis« 1973, Nr. 3, Seiten 22 bis 27 ist ein Schaltnetzteil der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art bekannt, bei dem die Schaltungsanordnung zur galvanisch getrennten Rückführung der Ausgangsspannung des Netzteiles auf den Eingang der auf der Primärsehe des Netzteiles angeordneten, im wesentlichen von einem Schalttransistor und einer an dessen Basisanrchluß liegenden Zenerdiode gebildeten Regelschaltung ein Durchflußwandler ist, dessen Wandlertransformator gleichzeitig als Übertrager zur galvanisch getrennten Übertragung des Istwertes der Ausgangsspannung auf die mit dem Lichtnetz verbundene Primärseite des Netzteiles verwendet wird. Ist der Istwert zu hoch, unterbricht die Regelschaltung die Schwingung des aus der Schaltstufe und dem Wandlertransformator gebildeten freischwingenden Wandlerteils des Schaltnetzteiles bis das der Ausgangsgleichspannung des Netzteiles proportionale Istspannungssignal unter die Zenerspannung der Zenerdiode absinkt. Das als Istwertsignal benutzte Ausgangssignal des Durchflußwandlers ist jedoch sehr stark von den Temperatureinflüssen auf die elektrischen Schaltelemente, insbesondere auf die Transistorparameter abhängig.
Bei einer weiteren bekannten Schaltung zur Spannungsrückführung m'.t einem Übertrager wird nach dem Prinzip eines Sperrwandler-Netzteiles in einer aktiven Schaltung durch Impulsbreitenregelung simultan Energie in der Primärinduktivität des Übertragers gespeichert und der Sekundärwicklung des Übertragers über eine Diode entnommen. In dieser Schaltung ergibt sich zwar eine einfache Rückgewinnung der Ausgangsspannung, dafür ist aber die Impulsbreiten-Modujationsstufe mit der Schaltstufe auf der Primärseite des Übertragers aufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung für die Rückführung der Ausgangsspannung von der Sekundärseite zur Primärseite des Schaltnetzteiles anzugeben, die einfach aufgebaut ist und eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit aulweist. Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Ausbildungen der Erfindung sind aus den Unteransprüchen zu ersehen.
Die Erfindung hat insbesondere den Vorteil, daß die Ausgangsspannung für den Sollwerl/lstwertvergleich durch eine Schaltung in eine Mäanderspannung umgeformt wird, die keine selbstschwingenden elektrischen Schaltungselemente, sondern nur einfache, billige spannungsbegrenzende Bauelemente aufweist und die Mäanderspannung über einen einfachen Übertrager (z. B. sogen. Garnspule mit Stiftkern) auf die Primärseite des Netzteiles übertragen wird. Weitere Vorteile ergeben sich aus den sehr geringen Streuungen der übertragenen Ausgangsspannung bzw. der Übertragungsparameter. Darüberhinaus ist diese Spannung auch weitgehend temperaturunabhängig. Es ergibt sich eine Schaltung, die auf der Primärseite des Übertragers weitgehend identisch ist mit der Schaltung auf der Sekundärseite des Übertragers. Die besonders geringe Temperaturabhängigkeit der rückgeführten Ausgangsspannung ergibt sich bei einem Übersetzungsverhältnis 1 . \ des Übertragers aus der gleichsinnigen Temperaturdrift der Dioden auf der Primär- und Sekundärseite des Übertragers.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den
29 1§ ^905
Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
■ F i g. 1 ein Prinzipschaltbild einer bekannten Rückführungsschaltung mit einem Optokoppler im Vergleich zu in den
Fig.2, 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen für erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen.
In der F i g. 1 ist eine gebräuchliche Schaltungsanordnung dargestellt. Der Wandlertransformator 20 besitzt eine Primärwicklung 1 und zwei Sekundärwicklungen 4 und 7. In Serie zur Primärwicklung ist die Schaltstufe 2 angeschlossen. An den äußeren Anschlüssen bzw. Klemmen A, B der Primärwicklung und der Schaltstufe wird die Eingangsspannung zugeführt. Die Impulsbreiten-Modulationsstufe 3 zur Ansteuerung der Schaltstufe
2 ist der Eingangsspannung zugeordnet. Die Ausgangsgleichspannung zwischen den Klemmen C und D wird durch Gleichrichtung der an der Sekundärwicklung 4 stehenden Mäanderspannung mit der Diode 5 und dem Ladekondensator 6 erzeugt. An den Anschluß E der zweiten Sekundärwicklung 7 kann eine weitere Gleichspannungserzeugungsschaltung angeschlossen werden. Die Ausgangsspannungsrückführung zur Impulsbreiten-Modulationsstufe 3 erfolgt durch einen Optokoppler 8. Auf der Eingangsseite des Optokopplers ist eine Licht emittierende Diode (auch als LED bezeichnet) enthalten, die über einen Widerstand 11 zur Begrenzung des LED-Stromes mit der Klemme C der Ausgangsgleichspannung verbunden ist. Der zweite Anschluß der LED ist an die das Nullpotential i/o führende Klemme D der Ausgangsgleichspannung angeschlossen. Auf der Ausgangsseite des Optokopplers 8 ist ein Fototransistor angeordnet, dessen Anschlüsse mit der Impulsbreiten-Modulationsstufe 3 verbunden sind. In dieser Schaltung ergibt eine Ausgangsspannungserhöhung an der Klemme D einen höheren Strom über den Widerstand 11 in der LED des Optokopplers 8. Dies wiederum führt zu einer Erhöhung des Lichtstromes zum Fototransistor und einem ansteigenden Kollektorstrom desselben. An einem in der Impulsbreiten-Modulationsstufe 3 enthaltenen Kollektorwiderstand (nicht gezeichnet) entsteht ein größerer Spannungsabfall, der als äquivalente Ausgangsspannungserhöhung in der Impulsbreiten-Modulationsstufe
3 zur Sollwert/lstwert-Impulsbreitenregelung herangezogen wird.
In F i g. 2 sind die Schaltungsteile, die denjenigen der F i g. 1 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen wie in F i g. 1 versehen und brauchen daher nicht noch einmal erläutert zu werden.
Der zur Strombegrenzung vorgesehene Widerstand 11 ist zwischen der Sekundärwicklung 4 des Wandlertrafos 20 und einem Anschluß F der Primärwicklung 13 eines Übertragers 19 angeordnet Zwei gleichsinnig in Serie geschaltete Dioden 9 und 10 sind parallel zu den Klemmen C D für die Ausgangsgleichspannung geschaltet und ein Koppelkondensator 12 verbindet den Mittelpunkt der Diodenschaltung 9, 10 mit dem Anschluß F des Übertragers 19, dessen zweiter PrimärwicklungsanschluB G mit dem NuIIpotential der Ausgangsgleichspannung, Klemme D, verbunden ist
An dem Mittelpunkt der Dioden 9, 10 sind alle Spannungen mit Werten zwischen den Grenzen Ua + Uf und Uo- Uf ohne Stromfluß über die Dioden möglich. Hierbei bedeutet:
Ua die Ausgangsspannung des Netzteiles an der Klemme Coder Bruchteiledavon,
LJf den Spannungsabfall einer Diode öder einer Basis-Emitterdiode eines entsprechenden Transistors in Durchlaßrichtung und
Uo das NuIIpotential der Ausgangsspannung an der Klemme D.
Bei einem Überschreiten der Spannung Ua+ Ufwird die Diode 9 leitend und bei einem Unterschreiten der Spannung Uo- L^die Diode 10. Da die Spannungsdifferenz zwischen Ua und U0 gleich Ua ist und der Absolutwert zwischen | + Uf\ und j — Uf\ — 2 Uf entspricht, ergibt sich eine maximale mögliche Wechselspannungsamplitude von Uss'=Ua + 2 Uf am Mittelpunkt der Diode 9,10.
Am Anschluß L der Wicklung 4 des Wandlertrafos 20 steht z. B. bei einem Tastverhältnis von 1 :2 der Schaltstufe 2 ein doppelt so hoher Spitze/Sptizenwert a!s die Ausgangsspannung Ua des Netzteiles. Über den Widerstand 11 und den Koppelkondensator 12 wird diese Spannung dem Mittelpunkt der Diodenschaltung 9, 10 zugeführt und auf den Wert Uss=UA + 2 Uf begrenzt. Der Gleichspannungsmittelwert beträgt in obigem Beispiel «0,5 Ua- Durch den Koppelkondensator 12 wird der Gleichspannungsanteil der Mäander-
spannung von der Übertragerprimärwicklung 13 ferngehalten. Bei einem Übersetzungsverhältnis von 1 :1 steht die Spannung Lfeauch an den Anschlüssen Hund K der Wicklung 14 des Übertragers 19, die galvanisch von der Wicklung 13 getrennt ist Eine Spannungsverdopplerschaltung mit den Bauteilen 15, 16, 17 und 18 erzeugt an deren Kondensator 18 eine Spannut
I)'A = USS—2 Uf- Daraus ist zu erkennen, daß die in eir
Mäanderspannung umgeformte Ausgangsspannung V in gleicher Höhe auf der Primärseite des Netzteiles galvanisch getrennt, ais U'a wiedergewonnen ist Die Spannung U'a wird der Impulsbreiten-Modulationsstufe 3 zur Sollwert/Istwert-Impulsbreitenregelung zugeführt. Falls die Impulsbreiten-Modulationsstufe 3 vorteilhafter mit einer negativen U'a arbeitet, ist durch Umpolung der Dioden 16,17 eine — UΆ erzeugbar. Für die Wirkungsweise der Rückführungsschaltung ergeben sich daraus keine Nachteile. Auch eine negative Ua an der Klemme C (Diode 5 entsprechend gepolt) ist ohne Einfluß auf die Arbeitsweise der Schaltung, lediglich die Dioden 9 und 10 sind in ihrer Polung zu ändern. Der
Wickelsinn der Wicklungen 13, 14 des Übertragers 19 zueinander ist für die günstigste Laufzeit AtuA zu Δ tu*· frei wählbar.
Ein weiterer Freiheitsgrad besteht in dem Übersetzungsverhältnis der (Primär-)Wicklung 13 zur (Sekundärwicklung 14 des Übertragers 19.
In der Fig.3 ist ein Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer zweiten Sekundärwicklung des Wandlertransformators 20 gezeichnet. Die Mäanderspannung zur Erzeugung der Uss wird der Wicklung 7 entnommen und über den Widerstand 11 dem Mittelpunkt, der in gleicher Anordnung wie in Fig.2 geschalteten Dioden 9, 10 direkt zugeleitet Der Koppelkondensator 12 zwischen dem Mittelpunkt der
Dioden 9,10 und dem Anschluß F des Übertragers 19 hält auch hier den Gleichspannungsantefl der Spannung Uss von der Primärwicklung 13 fern. Die Spitzenspan-Tiung am Anschluß E der Wicklung 7 muß selbstverständlich höher sein als die Spannung Ua+ Ur weil andernfalls kein Begrenzungsstrom über den Widerstand U fließen kann.
Fig.4 zeigt ein weiteres AusführangsbeispieL Bei diesem ist eine Begrenzerschaltung mit einem Transi-
stör und einer Diode vorgesehen. Unterschiede zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen darin, daß die Begrenzerdiode 9 zur Klemme C der Ausgangsgleichspannung des Schaltnetzteiles durch die Basis-Emitterstrecke eines Transistors 23 ersetzt ist. Außerdem liegt zwischen der an der Klemme Gliegenden Ausgangsgleichspannung und dem Nullpotential der Klemme Dein Spannungsteiler 21,22, dessen Mittelpunkt an der Basis des Transistors 23 angeschlossen ist. Der Widerstand 21 kann hierbei auch ein nichtlinearer Widerstand, insbesondere eine Zenerdiode sein.
Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende. Der durch den Widerstand 11 fließende positive Strom wird wie in den vorstehend beschriebenen Schaltungen durch die Diode 10 geleitet. Der Transistor 23 ist dabei
gesperrt. Wechselt die Mäanderspannung vom negativen zum positiven Wert, so wird der Transistor leitend bei einer Spannung, die um den Wert i/F(Basis-Emitter-Durchlaßspannung) höher liegt als der Bruchteil der von der Klemme C kommenden Ausgangsspannung am Basisanschluß des Transistors 23. Somit ist ein Spannungsanstieg am Emitter über diesen Stromeinsatzpunkt nicht möglich. Diese Schaltungsvariante der Begrenzerschaltung ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Ausgangsspannung an der Klemme C hohe Werte aufweist; denn bei einer hohen Mäanderspannung werden hoch sperrende Dioden 9,10 benötigt und die Induktivität des Übertragers 19 muß ebenfalls erhöht werden, was zu einer Verteuerung der Schaltung führen würde.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Schaltnetzteil nach dem Sperrwandler- oder Flußwandlerprinzip mit einem Wandlertransformator und einer zur Primärwicklung in Serie angeschlossenen Schaltstufe, ferner mit wenigstens einer aus einer Sekundärwicklung des Wandlertransformators, einer Diode und einem Ladekondensator bestehenden Schaltung zur Erzeugung einer Ausgangsgleichspannung, sowie mit einer auf der Primärseite des Netzteiles angeordneten Regelschaltung, die von einer vorgegebenen Sollspannung abweichende Ausgangsspannungs-Änderungen des Netzteiles in unterschiedliche Einschaltzeiten der Schaltstufe umformt, und mit einer Schaltungsanordnung zur galvanisch getrennten Rückführung der Ausgangsspannung des Netzteiles über einen zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des Schaltnetzteiles angeordneten Übertrager an die Regelschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zur Rückführung der Ausgangsspannung (Ausgangsspannungsanschluß bzw. Klemme C) oder Bruchteilen davon zur auf der Primärseite des Netzteiles angeordneten Regelschaltung (3) eine Mäanderspannung mit einer Spannung Uss= Uat2Uf an die Primäranschlüsse (F, G) des Übertragers (19) anlegt, die durch die periodische Begrenzung einer dem Wandlertransformator (20) über einen Widerstand (11) entnommenen Mäanderspannung mittels einer Begrenzerschaltung (9,10) mit den Spannungswerten Ua oder Bruchteilen davon plus L/rund i/o minus Uf erzeugt wird, daß ferner an die Sekundäranschlüsse (H, K) des Übertragers eine nach dem Spannungsverdopplerprinzip arbeitende Gleichrichterschaltung (15,16, 17, 18) angeschlossen ist, die der Regelschaltung (3) eine der Ausgangsspannung (Ausgangsspannungsanschluß bzw. Klemme C) proportionale Gleichspannung U'a=Uss-2Uf zuführt, und daß hierbei bedeuten:
Uf =
Uo =
Spitze/Spitzenwert der Mäanderspannung, Ausgangsspannung (an Klemme C) des Netzteiles oder Bruchteile davon, galvanisch getrennte proportionale Ausgangsspannung der Rückführungs-Schaltungsanordnung,
Spannungsabfall einer Diode oder einer Basis-Emitterstrecke eines Transistors in Durchlaßrichtung,
Nullpotential der Ausgangsspannung (Klemme D).
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2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (U) mit dem einen Anschluß an den nicht Nullpotential führenden Anschluß (L, F i g. 2) einer Sekundärwicklung (4) des Wandlertransformators (20) und mit dem anderen Anschluß an den ersten Anschluß (F) der Primärwicklung (13) des Übertragers (19) angeschlossen ist und der zweite Anschluß (G) der Primärwicklung (13) des Übertragers (19) mit dem Nullpotential führenden Ausgang (Nullpotentialanschluß bzw. Klemme D) des Netzteils verbunden ist, daß weiterhin ein Kondensator (12) mit dem einen Anschluß an den Verbindungspunkt des Widerstandes (U) und des ersten Anschlusses (F) der Primärwicklung (13) des Übertragers (19) verbunden -ist und mit dem anderen Anschluß an den ' Mittelpunkt zweier gleichsinnig in Serie geschalteter Dioden (9,10), deren erster äußerer Anschluß an den Anschluß (Klemme C) der Ausgangsgleichspannung (Ua) und deren zweiter äußerer Anschluß an das Nullpotential (Klemme D) des Ausgangs des Netzteiles angeschlossen ist
3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (11) mit dem ersten Anschluß an den Anschluß (E, F i g. 3) einer zweiten Sekundärwicklung (7) des Wandlertransformators (20) und mit dem zweiten Anschluß an den Mittelpunkt zweier gleichsinnig in Serie geschalteter Dioden (9, 10) angeschlossen ist, daß der erste äußere Anschluß der in Serie geschalteten Dioden an den Ausgangsspannungsanschluß (Klemme C) und deren zweiter äußerer Anschluß an den Nullpotentialanschluß (Klemme D) eines mit einer ersten Sekundärwicklung (4) des Wandlertransformators verbundenen Gleichspannungsausganges (C, D) des Schaltnetzteiles angeschlossen ist, daß weiterhin mit dem Mittelpunkt der Dioden (9,10) ein Kondensator (12) mit seinem ersten Anschluß verbunden ist und mit seinem zweiten Anschluß mit dem ersten Anschluß (F) der Primärwicklung (13) des Übertragers (19) verbunden ist und der zweite Anschluß (G) der Primärwicklung des Übertragers (19) mit dem Nullpotentialanschluß (Klemme D) der Ausgcngsspannung.
4. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem die Ausgangsgleichspannung führenden Anschluß (Klemme C) und dem das Nullpotential führenden Anschluß (Klemme D) eines mit einer ersten Sekundärwicklung (4) des Wandlertransformators verbundenen Gleichspannungsausganges (C, D) des Netzteiles eine Serienschaltung zweier Widerstände (21, 22, Fig.4) angeschlossen ist, daß eine Verbindung
. vorgesehen ist: vom Mittelpunkt der seriengeschalteten Widerstände (21, 22) zur Basis eines Transistors (23), vom Kollektor des Transistors (23) zum Nullpotentialanschluß (Klemme D), vom Emitter des Transistors (23) zum einen Anschluß eines Koppelkondensators (12), einer Diode (10) und eines Widerstandes (11), vom anderen Anschluß der Diode (10) zum Nullpotentialanschluß (Klemme D), vom anderen Anschluß des Koppelkondensators (12) zum ersten Anschluß (F) der Primärwicklung (13) des Übertragers (19), vom anderen Anschluß (G) der Primärwicklung (13) des Übertragers (19) zum Nullpotentialanschluß (Klemme D) der Ausgangsspannung und vom anderen Anschluß des Widerstandes (11) zum Anschluß der ersten Sekundärwicklung (4) des Wandlertransformators (20).
5. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem die Ausgangsgleichr.pannung führenden Anschluß (C) und dem das Nullpotential führenden Anschluß (D) eines mit einer ersten Sekundärwicklung (4) des Wandlertransformators verbundenen Gleichspannungsausganges (C. D) des Netzteils eine Serienschaltung zweier Widerstände (21, 22, Fig.4) angeschlossen ist, daß eine Verbindung besteht: vom Mittelpunkt der seriengeschalteten Widerstände (21, 22) zur Basis eines Transistors (23), vom Kollektor des Transistors (23) zum Nullpotentialanschluß (Klemme D), vom Emitter des Transistors (23) zum einen Anschluß eines Widerstandes (11), eines Koppelkon-
densators (12) und einer Diode (10), vom anderen Anschluß der Diode (10) zum Nullpotentialanschluß (Klemme D), vom anderen Anschluß des Koppelkondensators (12) zum ersten Anschluß (F) der Primärwicklung (13), vom anderen Anschluß (G) der Primärwicklung (13) des Übertragers (19) zum Nullpotentialanschluß (Klemme D) der Ausgangsspannung und vom anderen Anschluß des Widerstandes (11) zum nicht mit Nullpotential verbundenen Anschluß (E) einer zweiten Sekundärwicklung (7) des Wandlertransformators (20).
6. Scbaltnetzteil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem die Ausgangsgieichspannung führenden Anschluß (Klemme C) und der Basis des Transistors (23) geschaltete Widerstand (21) ein nichtlinearer Widerstand oder eine Zenerdiode ist
7. Schaltnetzteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschluß (H) der Sekundärwicklung (14) des Übertragers (19, Fig.2-4) an den el.ien Anschluß eines Kondensators (15) angeschlossen ist und der andere Anschluß dieses Kondensators an den Mittelpunkt zweier gleichsinnig in Serie geschalteter Dioden (16,17) angeschlossen ist, daß weiterhin der erste äußere Anschluß einer der in Serie geschalteten Dioden (17) mit dem ersten Anschluß eines Kondensators (18) und mit der Regelschaltung (3) verbunden ist und der zweite äußere Anschluß der anderen der in Serie geschalteten Dioden (16) an den zweiten Anschluß des Kondensators (18), die Regelschaltung (3) und den zweiten Anschluß (K) der Sekundärwicklung (14) des Übertragers (19) angeschlossen ist
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