DE3021930A1 - POWER SUPPLY - Google Patents
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Description
Λ · m Λ m **
SCHIF-F ν. FDNER STREHL SCHCJBEL-KOPF EBBINGHAU5 FlNCK SCHIF-F ν. FDNER STREHL SCHCJ B EL-KO PF EBBINGHAU5 FlNCK
BESCHREIBUNGDESCRIPTION
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Netzgerät oder eine elektrische Spannungsversorgung, insbesondere auf ein Netzgerät, bei dem der Primärstrom eines Transformators zur Regelung der"Ausgangsspannung ein- und ausgeschaltet wird.The invention relates to an electrical power supply unit or an electrical voltage supply, in particular to a power supply unit, where the primary current of a transformer is used for regulation the "output voltage is switched on and off.
Viele elektronische Schaltungen und Systeme erfordern eine verhältnismäßig stab?la Spannungsversorgung. Die Quellenspannung soll auch dann konstant sein, wenn die Versorgungsspannung und/ oder die Belastung veränderlich ist. Die Spannungsversorgung besteht meist aus einer ein- oder dreiphasigen Wechselspannungsquelle. Ein einfaches Netzgerät zur Verwendung bei einphasiger Wechselspannung enthält einen Diodengleichrichter, der mit einem kapazitiven Filter versehen ist. Der Gleichrichter kann ein Halbwellen-, Vollvfellen- oder Brückengle ichr ichter sein; er ist im allgemeinen über einen Transformator an die Wechselspannungsquelle angeschlossen. Bei solch einfachen Netzgeräten ist sowohl die Spannung der Spannungsquelle als auch die an das Netzgerät angeschlossene Last veränderlich.Many electronic circuits and systems relatively require one stab? la power supply. The source voltage should also be constant if the supply voltage and / or the load is variable. The power supply usually consists of a single or three-phase AC voltage source. A simple power supply unit for use with single-phase AC voltage contains a diode rectifier that is connected to a capacitive filter is provided. The rectifier can be a half-wave, full-wave or bridge rectifier; it is generally connected to the AC voltage source via a transformer. With such simple power supplies Both the voltage of the voltage source and the load connected to the power supply unit can be changed.
Zur Verringerung des Einflusses vor. Änderungen der Eingangs-Wechsel spannung auf die Ausgangs-Gleichspannung werden häufig Spannungsregler verwendet. Sogenannte "Schaltregler" beispielsweise führen die Äusgangsspannung und schalten sie mit einem Tastenverhältnis ein und aus „ bei dem die Ausgangsspannung auf einer gewünschten Höhe gehalten wird. Bei solchen Reglern ist zwar die Stabilität der Ausgangsspannung verhältnismäßig hoch, der Transformator des Netzgeräts arbeitet jedoch unwirtschaftlich, da nur ein begrenzter Teil der Hysteresekurve des Transformators während jedes üaibzyklus des Bingangssr.romes ausgenutzt wird. Der Transformator muß daher mit einem größeren Kern ausgestattet werden, als dies sonst der Fall wäre.To reduce the impact before. Voltage regulators are often used to change the input AC voltage to the output DC voltage. So-called "switching controller" for example, cause the Äusgangsspannung and turn it on with a key relationship and in which the output voltage is maintained at a desired level of ". With such regulators, the stability of the output voltage is relatively high, but the transformer of the power supply unit works uneconomically, since only a limited part of the hysteresis curve of the transformer is used during each output cycle of the input current. The transformer must therefore be equipped with a larger core than would otherwise be the case.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein NetzgerätThe invention is therefore based on the object of a power supply unit
03 0 0 51/089303 0 0 51/0893
zu schaffen, bei dem ein größerer Teil der Hysteresekurve des Transformators ausgenutzt wird/ so daß der Transformator wirtschaftlicher arbeiten kann. Dabei soll dem Transformator ein zusätzlicher Magnetisierungsstrom zugeführt werden, um den Kern auf einem vorbestimmten Magnetisierungspegel zu halten, wenn der Primärstrom ausgeschaltet wird. Ferner soll bei dem erfindungsgemaßen Netzgerät der Trans forma tox' kleiner sein als bei vergleichbaren bekannten Netzgeräten.to create in which a larger part of the hysteresis curve of the transformer is used / so that the transformer is more economical can work. Thereby an additional magnetizing current is to be fed to the transformer to the core at a predetermined magnetization level when the primary current is turned off. Furthermore, in the inventive Power supply unit of transforma tox 'be smaller than with comparable known power supply units.
Das erfindungsgemäße Netzgerät enthält einen Transformator mit einem Kern aus magnetisxerbarem Material und einen Regler zur Veränderung des Tastverhältnisses des dem Transformator zugeführten Erregerstro· as durch periodisches Ein- und Ausschalten des Stromes, so daß der Strom nur während eines begrenzten Teils jedes Halbzyklus des Stromes dem Transformator zugeführt wird. Dem Transformator wird ein zusätzlicher Strom zugeführt, um den Kern während des Intervalls zwischen aufeinanderfolgenden Zufuhren des Erregerströmes in einem vorbestimmten Magnetisierungszustand zu halten, so daß ein größerer Teil der Hysteresekurve ausgenutzt wird.The power supply unit according to the invention contains a transformer a core made of magnetizable material and a controller for changing the duty cycle of the transformer supplied Excitation current by periodically switching the current on and off, so that the current is only available during a limited part every half cycle of the current is fed to the transformer. An additional current is fed to the transformer in order to increase the Core during the interval between successive feeds of the excitation current in a predetermined magnetization state to hold, so that a larger part of the hysteresis curve is used.
Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated with reference to the drawing Embodiment explained in more detail. Show it:
Fig. 1 das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Netzgeräts,1 shows the circuit diagram of a power supply unit according to the invention,
Fig. 2 im Diagramm den Verlauf der Eingangsspannung zur Erläuterung der Arbeitsweise des Spannungsreglers der Fig. 1 undFig. 2 in diagram the course of the input voltage for Explanation of the operation of the voltage regulator of FIGS. 1 and
Fig. 3 im Diagramm die Hysteresekurve des Transformators des Netzgeräts der Fig. 1.3 shows the hysteresis curve of the transformer in the diagram of the power supply unit of FIG. 1.
Gemäß Fig. 1 enthält das Netzgerät einen Transformator 11 mit einer Primärwicklung 12, einer Sekundärwicklung 13 und einemAccording to FIG. 1, the power supply unit includes a transformer 11 a primary winding 12, a secondary winding 13 and one
Ö30051/Q8S3Ö30051 / Q8S3
Kern 14 aus magnetisierbarem Material, beispielsweise Eisern.Core 14 made of magnetizable material, for example iron.
Der Erregerstrom wird dem Transformator 11 von einer Wechselspannungsquelle über eine Drossel 16 und ein Triac 17 zugeführt, die mit der Primärwicklung 12 in Reihe geschaltet sind. Die Spule 16 dient zur Begrenzung der av.genbl ick liehen Stromamplitude im Primärkreis, das Triac 17 dient als Schalter zum Ein- und Ausschalten des Primärstromes zur Regelung der Ausgangs spannung .The excitation current is supplied to the transformer 11 by an alternating voltage source Supplied via a choke 16 and a triac 17, which are connected in series with the primary winding 12. The coil 16 is used to limit the instantaneous current amplitude in the primary circuit, the triac 17 serves as a switch for switching the primary current on and off to regulate the output tension .
Die Sekundärwicklung 13 des Transformators 11 ist mit einer Mittelanzapfung 19 versehen, die mit Masse verbunden ist. Dioden 21 und 22 sind zwischen die Enden der Sekundärwicklung 13 und eine Ausgangsklemme 23 geschaltet; sie bilden somit einen VoIlwellengleichrichter. Es kann jedoch auch jeglicher andere Gleichrichter verwendet werden, beispielsweise ein Halbwellen- oder Brückengleichrichter. Zwischen den Ausgang 23 und Masse ist ein Filterkondensator 24 geschältet. Ein Spannungsregler 26 fühlt die Spannung am Ausgang 23 und führt dem Steueranschluß des Triac 17 ein Regelsignal zu, so daß die Spannung am Ausgang 23 auf der gewünschten Höhe gehalten wird. Der Regler 26 und das Triac 17 bilden einen sogenannten "Schaltregler", dessen Arbeitsweise aus Fig. 2 verständlich wird. Der Regler 26 schaltet das Triac 17 während des zweiten und vierten Quadranten jedes Zyklus des Erregerstromes ein (schraffierte Flächen 28, 29 in Fig. 2). Stellt der Regler 26 fest, daß die Ausgangsspannung zu niedrig ist, so wird das Triac 17 zu einem früheren Zeitpunkt des Zyklus eingeschaltet; ist dagegen die Ausgangsspannung zu hoch, so wird das Triac 17 zu einem späteren Zeitpunkt während des Zyklus eingeschaltet. Regler 2b und Triac 17 stellen somit das Tastverhältnis des Primärstromes ein und halten die Ausgangsspannung auf der gewünschten Höhe.The secondary winding 13 of the transformer 11 is provided with a center tap 19 which is connected to ground. Diodes 21 and 22 are connected between the ends of the secondary winding 13 and an output terminal 23; they thus form a full wave rectifier. However, any other rectifier can also be used, for example a half-wave or bridge rectifier. A filter capacitor 24 is connected between the output 23 and ground. A voltage regulator 26 senses the voltage at the output 23 and feeds a control signal to the control connection of the triac 17 so that the voltage at the output 23 is kept at the desired level. The regulator 26 and the triac 17 form a so-called "switching regulator", the mode of operation of which can be understood from FIG. The controller 26 switches the triac 17 on during the second and fourth quadrants of each cycle of the excitation current (hatched areas 28, 29 in FIG. 2). If the regulator 26 determines that the output voltage is too low, the triac 17 is switched on at an earlier point in time in the cycle; on the other hand, if the output voltage is too high, the triac 17 is switched on at a later point in time during the cycle. Regulator 2b and triac 17 thus set the duty cycle of the primary current and keep the output voltage at the desired level.
Während der Ausschaltintervalle dient eine zusätzliche Einrichtung zur Zufuhr eines zusätzliches Stromes zum Transformator,An additional device is used during the switch-off intervals to supply an additional current to the transformer,
030051/0853030051/0853
I II I
I I II I I
I 1 I 1
1 I1 I.
so daß der Kern in einem bestimmten Magnetiaierungszustand gehalten wird und über einen größeren Bereich seiner Hysteresekurve arbeitet, als dies sonst der Fall wäre. Diese Einrichtung enthält eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 31 und einem Widerstand 32, die über einen Teil der Sekundärwicklung 13 des Transformators 11 geschaltet sind. Ist der Primärstrom eingeschaltet, so wird der Kondensator 31 aus der Sekundärwicklung 13 aufgeladen. Ist der Strom ausgeschaltet, so liefert der Kondensator 31 Strom zurück zur Wicklung 13. Der mit dem Kondensator 31 in Reihe geschaltete Widerstand 32 verhindert, daß sich der Kondensator 31 zu schnell entlädt,und gewährleistet, daß der vom Kondensator 31 zugeführte Strom während des gesamten Intervals fließt, während dessen der Primärstrom ausgeschaltet ist. Bei einem Netzgerät mit einer Sekundärspannung von beispielsweise 350 V kann der Kondensator 31 eine Kapazität von 4 jiF und der Widerstand 32 einen Wert von 350 Λ haben. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Transformator 11 eine einzige Sekundärwicklung 13; der Magnetisierkondensator 31 ist über die eine Hälfte dieser Wicklung geschaltet,. Die Erfindung kann auch bei Transformatoren mit einer beliebigen Anzahl von Wicklungen verwendet werden und der Kondensator läßt sich über sämtliche oder einen Teil der Wicklungen schalten. Zur Verringerung der erforderlichen Kondensatorgröße ist es vorzuziehen, den Kondensator mit einer Wicklung zu verbinden, die eine verhältnismäßig niedrige Spannung führt. Beispielsweise wird bei einem Transformator mit einer Primärwicklung für 220 V, einer Frimärwicklung für 3500 V und zwei Sekundärwicklungen für 350 V der Kondensator vorteilhafterweise mit einer der beiden 350-V-Wicklungen verbunden.so that the core is kept in a certain state of magnetization and over a larger area of its hysteresis curve works than it would otherwise. This device includes a series circuit of a capacitor 31 and a Resistors 32, which are connected across part of the secondary winding 13 of the transformer 11. If the primary current is switched on, the capacitor 31 is thus charged from the secondary winding 13. If the current is switched off, it delivers Capacitor 31 current back to winding 13. Resistor 32 connected in series with capacitor 31 prevents the capacitor 31 discharges too quickly, and ensures that the current supplied by the capacitor 31 during the entire Intervals flows during which the primary current is switched off. In the case of a power supply unit with a secondary voltage of for example 350 V, the capacitor 31 can have a capacitance of 4 jiF and the resistor 32 a value of 350 Λ. at the embodiment shown, the transformer 11 has a single secondary winding 13; the magnetizing capacitor 31 is connected across one half of this winding. The invention can also be used on transformers with any number of windings and the capacitor can be over switch all or part of the windings. To reduce the required capacitor size, it is preferable to to connect the capacitor to a winding that carries a relatively low voltage. For example, at a transformer with a primary winding for 220 V, a primary winding for 3500 V and two secondary windings for 350 V. the capacitor advantageously with one of the two 350 V windings tied together.
Verwendung und Betrieb des erfindungsgemäßen Netzgerätes und des darin angewandten erfindungsgeinäßen Verfahrens lassen sich am besten anhand der Fig. 3 beschreiben. Diese zeigt im Diagramm die magnetische Flußdichte B des Kerns 14 in Abhängigkeit von der Magnetisierungsstärke H. Der in die Sekundärwicklung 13 in-Use and operation of the power supply unit according to the invention and the method according to the invention applied therein can be best described with reference to FIG. This shows in the diagram the magnetic flux density B of the core 14 as a function of the magnetization strength H. The in the secondary winding 13 in
030051/0833030051/0833
* ■ ι* ■ ι
■ C Ψ ■ C Ψ
duzierte Strom ist abhängig von der Flußdichte- Ohne den Kondensator 31 und den Widerstand 32 würde jeder Zyklus in der Nähe der Mitte der Hysteresekurve entweder am Punkt a oder b beginnen, je nach der Polarität des Erregerstromes während des vorhergehenden Halbzyklus. Für einen positiven Halbzyklus würde beispielsweise die Magnetisierung beim Punkt a beginnen und bis zum Punkt c ansteigen, wenn das Triac eingeschaltet ist. Erreicht der sinusförmige Erregerstrom den Wert Null und schaltet das Triac am Ende des positiven Halbzyklus aus, so fällt die Magnetisierung des Kernes bis zur Höhe des Punktes b. Während c?2s nächsten Halbzyklus würde die Magnetisierung den Punkt b erreichen, wenn das Triac 17 eingeschaltet ist, und beim Ausschalten des Triac 17 auf den Punkt a zurückkehren. Bei dieser Arbeitsweise nutzt der Transformator 11 nur einen Teil der Hysteresekurve aus, so daß das Ansprechvermögen des Transformators entsprechend begrenzt ist.Duced current depends on the flux density - without the capacitor 31 and resistor 32 would each cycle near the center of the hysteresis curve at either point a or b begin, depending on the polarity of the excitation current during the previous half cycle. For a positive half cycle, for example, the magnetization would start at point a and rise to point c when the triac is on. If the sinusoidal excitation current reaches the value zero and switches If the triac fails at the end of the positive half cycle, the magnetization of the core drops to the level of point b. While c? 2s next half cycle would magnetize the point Reach b when the triac 17 is switched on, and when the triac 17 is switched off, return to point a. At this The transformer 11 only uses part of the operation Hysteresis curve, so that the response of the transformer is limited accordingly.
Sind der Kondensator 31 und der Widerstand 32 an die Sekundärwicklung 13 angeschlossen, so wird der Kondensator 31 während des aktiven Teils jedes Halbzyklus, d.h. bei eingeschaltetem Triac 17, aufgeladen. Wird das Triac 17 ausgeschaltet, so führt der Kondensator 31 der Sekundärwicklung 13 Strom zu, so daß der Kern auf einer stärkeren Magnetisierung gehalten wird, als dies ohne den zusätzlichen Strom möglich ist. Für einen positiven Halbzyklus beginnt der Magnetisierungspegel des Kerns beim Punkt a1, bewegt sich zum Punkt c und fällt zurück auf den Punkt b1. Für einen negativen Halbzyklus beginnt die Magnetisierung beim Punkt b', bewegt sich zum Punkt d und fällt zurück zum Punkt a1 . Die Punkte a1 und b* liegen weiter ~vom Ursprung der Hysteresekurve entfernt als die Punkte a und *>, so daß der Transformator für jeden Halbzyklus in einem größeren Bereich der Kurve arbeitet. Die höhere Ausnutzung der Hysteresekennlinie ermöglicht es, das gewünschte Verhalten mit einem kleineren Kern zu erreichen. Für ein bestimmtes, nach der Erfindung ausgeführtes Netzgerät werden für den Transformator nur etwa zwei Drittel des Eisens benötigt, das ohne den Kondensator erforderlich wäre.If the capacitor 31 and the resistor 32 are connected to the secondary winding 13, the capacitor 31 is charged during the active part of each half cycle, ie when the triac 17 is switched on. If the triac 17 is switched off, the capacitor 31 supplies the secondary winding 13 with current, so that the core is kept at a stronger magnetization than is possible without the additional current. For a positive half cycle, the level of magnetization of the core starts at point a 1 , moves to point c, and falls back to point b 1 . For a negative half cycle, magnetization starts at point b ', moves to point d, and falls back to point a 1 . Points a 1 and b * are farther away from the origin of the hysteresis curve than points a and *>, so that the transformer works in a larger area of the curve for each half cycle. The higher utilization of the hysteresis characteristic makes it possible to achieve the desired behavior with a smaller core. For a specific power supply unit designed according to the invention, only about two thirds of the iron that would be required without the capacitor is required for the transformer.
030051/0893030051/0893
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Representative=s name: VON FUENER, A., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT. EBBINGHAUS |
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