DE3030143C2

DE3030143C2 - Switching power supply

Info

Publication number: DE3030143C2
Application number: DE19803030143
Authority: DE
Inventors: Heikki Turku Lehtinen; Ismo Märynummi Pyörre
Original assignee: Salora Oy
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1979-08-14
Filing date: 1980-08-08
Publication date: 1986-01-16
Also published as: FI792517A; GB2056794B; SE461945B; FI60626C; FI60626B; DE3030143A1; GB2056794A; SE8005577L

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a switched-mode power supply according to the preamble of claim 1.

Bei Fernsehempfängern beispielsweise, verwendet man zur Erzielung einer galvanischen Entkopplung einen Netztransformator oder — wenn man den Netztransformator z. B. aus Kostengründen vermeiden will — ein Schaltnetzteil, welches aus der gleichgerichteten Netzspannung mit Hilfe eines mit relativ hoher Frequenz betätigten elektronischen Schalters und eines Transformators auf dessen ein Gleichrichterelement aufweisender Sekundärseite die benötigte Betriebsspannung bzw. Betriebsspannungen erzeugt In der DE-OS 27 49 847 ist ein Schaltnetzteil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art beschrieben. Problematisch bei solchen Schaltnetzteilen ist die Tatsache, daß an den Sekundärkreis des Transformators häufig ein Verbraucher angeschlossen ist, dessen Stromaufnahme beträchtlichen Schwankungen unterworfen ist Ein Beispiel für einen solchen Verbraucher ist die Ton-Endstufe eines Fernsehempfängers.
Die Belastungsschwankungen durch die Ton-Endstufe beeinflussen andere Betriebsspannungen, die durch weitere Sekundärkreise des Transformators gewonnen werden. Will man diesen Problemen durch eine verbesserte Regelschaltung begegnen, so ergeben sich beträchtliche Kosten durch den erforderlichen hohen Schaltungsaufwand. In der genannten DE-OS 27 49 847 ist nun vorgeschlagen, die Kopplung zwischen der Sekundärwicklung und einer einen Teil der Regelschaltung zur Stabilisierung der Betriebsspannungen bildenden Zusatzwicklung so einzustellen, daß eine Beeinflussung einer weiteren Betnebsspannung, die durch eine weitere Sekundärwicklung gewonnen wird, möglichst ausgeschlossen wird. Erreicht wird dies durch eine entsprechende bauliche Ausgestaltung des Transformators. Hierbei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß eine Erhöhung der Kopplung zwischen der Sekundärwicklung und der Zusatzwicklung für die Regelschaltung in Bezug auf die Kopplung zwischen der weiteren Sekundärwicklung und der Zusatzwicklung die Spannungsänderungen der von der erstgenannten Sekundärwicklung erzeugten Betnebsspannung kleiner werden. Um bei dem bekannten Schaltnetzteil die gewünschte Wirkung zu erzielen, muß der Transformator also zur Erzielung der gewünschten Kopplungsreiation hergestellt werden. Dies erfordert einen beträcfuächen Herstellungsaufwand. In the case of television receivers, for example, a mains transformer is used to achieve galvanic decoupling or - if one uses the mains transformer z. B. wants to avoid for cost reasons - a switched-mode power supply, which generates the required operating voltage or operating voltages from the rectified mains voltage with the help of an electronic switch operated at a relatively high frequency and a transformer on its secondary side having a rectifier element a switched-mode power supply of the type defined in the preamble of claim 1 is described. The problem with such switched-mode power supplies is the fact that a consumer is often connected to the secondary circuit of the transformer, the current consumption of which is subject to considerable fluctuations. An example of such a consumer is the audio output stage of a television receiver.
The load fluctuations caused by the audio output stage influence other operating voltages that are obtained through further secondary circuits of the transformer. If one wishes to counteract these problems by means of an improved control circuit, considerable costs result from the high circuit complexity required. In the above-mentioned DE-OS 27 49 847 it is proposed that the coupling between the secondary winding and an additional winding forming part of the control circuit for stabilizing the operating voltages should be set so that any influence on a further operating voltage obtained by a further secondary winding is excluded as far as possible will. This is achieved through a corresponding structural design of the transformer. This is based on the knowledge that an increase in the coupling between the secondary winding and the additional winding for the control circuit in relation to the coupling between the further secondary winding and the additional winding reduces the voltage changes in the operating voltage generated by the first-mentioned secondary winding. In order to achieve the desired effect in the known switched-mode power supply, the transformer must therefore be produced in order to achieve the desired coupling ratio. This requires a considerable manufacturing effort.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art mit geringem schaltungstechnischem Aufwand derart weiterzubilden, daß auch bei starken Schwankungen der an den Sekundärkreis angeschlossenen Last eine Störung der Primärseite des Transformators praktisch völlig beseitigt wird.The invention is based on the object of providing a switched-mode power supply as specified in the preamble of claim 1 Art to be developed with little circuitry effort in such a way that even with strong fluctuations of the load connected to the secondary circuit, a disturbance on the primary side of the transformer practically occurs is completely eliminated.

Diese Aufgabe wird bei einem Schaltnetzteil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst Bei dem erfindungsgemäßen Schaltnetzteil ist der Sekundärkreis also als abgestimmter Gleichrichter ausgebildet, und die Kapazität des im Sekundärkreis befindlichen Kondensators weist eine bestimmte Größe auf. Die Kapazität dieses Kondensators läßt sich relativ einfach ermitteln und auswählen, im Gegensatz zu dem beträchtlichen Aufwand, der bei dem aus der DE-OS 27 49 847 bekannten Schaltnetzteil zur Erzielung der gewünschten Kopplungsrelation zu betreiben ist. Wird das erfindungsgemäße Schaltnetzteil z. B. bei einem Fernsehempfänger eingesetzt, so ist an die Sekundärwicklung die Ton-Endstufe angeschlossen, während an eine weitere Sekundärstufe die Zeilenendstufe angeschlossen ist. Da in dem erfindungsgemäßen Schaltnetzteil die Primärseite praktisch nicht von der an die Ton-Endstufe gekoppelten Sekundärseite beeinflußt wird, unterliegt die der Zeilen-Endstufe zugeführte Betriebsspannung keinen Schwankungen, so daß eine guteThis object is achieved in a switched-mode power supply of the type mentioned in the preamble of claim 1 by the in the characterizing part of claim 1 specified features solved in the switching power supply according to the invention the secondary circuit is designed as a matched rectifier, and the capacitance of the in the secondary circuit located capacitor has a certain size. The capacity of this capacitor can be determined and selected relatively easily, in contrast to the considerable effort involved in the to operate from DE-OS 27 49 847 known switching power supply to achieve the desired coupling relationship is. If the switching power supply according to the invention z. B. used in a television receiver, it is on the secondary winding is connected to the audio output stage, while the line output stage is connected to a further secondary stage connected. Since in the switched-mode power supply according to the invention, the primary side practically does not start from the the secondary side coupled to the audio output stage is influenced, the operating voltage supplied to the line output stage is subject no fluctuations, so that's good

Biidqualität gewährleistet ist.Image quality is guaranteed.

In der US-PS 40 17 784 ist ein Schaltnetzteil beschrieben, bei dem im Primärkreis des Transformators ein elektronischer Schalter und zusätzlich ein Kondensator vorgesehen ist, der die Aufgabe hat, den Strom in der Primärwicklung des Transformators so zu beeinflussen, daß er im Ausschaltzeitpunkt des elektronischen Schalters gering ist Dieser Maßnahme konnte jedoch kein Hinweis auf die Erfindung entnommen werden da es bei der Erfindung darum geht, den Strom in der Sekundärwicklung zu unterbrechen. Eine ähnliche Schaltung ist aus der DE-AS 12 79 819 bekannt Ein im Primärkreis des dort beschriebenen Schaltnetzteils befindlicher Resonanzkreis dient zur Stromunterbrechung. Auch dieser bekannten Schaltung läßt sich kein Hinweis auf die Maßnahme entnehmen, den Sekundärkreis als abgestimmten Gleichrichter auszubilden.In US-PS 40 17 784 a switching power supply is described, with an electronic switch and an additional capacitor in the primary circuit of the transformer is provided, which has the task of the electricity in the To influence the primary winding of the transformer in such a way that it is activated when the electronic switch is switched off is small. However, no reference to the invention could be inferred from this measure, since it is in the invention is about interrupting the current in the secondary winding. There is a similar circuit from DE-AS 12 79 819 known A resonant circuit located in the primary circuit of the switched-mode power supply described there is used for power interruption. Also this known circuit can be no reference to the Take measure to train the secondary circuit as a matched rectifier.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigtIn the following, exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing

F i g. 1 ein Schaltnetzteil gemäß einer ersten Ausfüh-F i g. 1 a switching power supply according to a first embodiment

I UlIgSiO* Ki MWl 1^1 IUlMUtIg,I UlIgSiO * Ki MWl 1 ^ 1 IUlMUtIg,

Fig.2 ein Impulsdiagramm zur Veransrhauüchung der Arbeitsweise der Schaltung nach F i g. 1,2 shows a pulse diagram for the stimulation the mode of operation of the circuit according to FIG. 1,

F i g. 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaitnetzteils,F i g. 3 shows a second embodiment of an inventive Switching power supply,

F i g. 4 eine gegenüber der Ausführungsform nach F i g. 3 abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, undF i g. 4 shows a comparison with the embodiment according to FIG. 3 modified embodiment of the invention, and

F i g. 5 ein Schaltnetzteil mit zwei im Gegentaktbetrieb arbeitenden Schaltern.F i g. 5 a switched-mode power supply with two switches working in push-pull operation.

Die Schaltung nach F i g. 1 enthält folgende Bauteile: einen Transformator M, eine Netzgleichrichterdiode D\, einen Filterkondensator Q, einen Thyristor SCR-\ als steuerbaren elektronischen Schalter, eine dazu antiparallel geschaltete Diode D₂, eine Gleichrichterdiode D₃ im Sekundärkreis des Schaltnetzteils, einen Kondensator C₂, eine Filterspule L\ und einen Filtertcondensator C₃. Der Transformator M besitzt eine Primärwicklung Wi, eine Sekundärwicklung N₂ und eine weitere Sekundärwicklui.g N₃, an die als Bildlast die Zeilen-Endstufe eines Fernsehempfängers angeschlossen istThe circuit according to FIG. 1 contains the following components: a transformer M, a power rectifier diode D \, a filter capacitor Q, a thyristor SCR- \ as a controllable electronic switch, a diode D ₂ connected in antiparallel to this, a rectifier diode D ₃ in the secondary circuit of the switched-mode power supply, a capacitor C ₂ , a filter coil L \ and a filter capacitor C ₃ . The transformer M has a primary winding Wi, a secondary winding N ₂ and a further secondary winding N ₃ , to which the line output stage of a television receiver is connected as an image load

In F i g. 2 zeigt I\, den Strom des durch die Bauteile SCR₁-D₂ gebildeten elektronischen Schalters ohne Tonlast, lib zeigt den entsprechenden Strom mit Tonlast für eine Schaltung, wie sie in der FI-55 278 dargestellt ist, und die einen Transistor als Schalte.· enthältIn Fig. 2 shows I \, the current of the electronic switch formed by the components SCR ₁ -D ₂ without tone load, lib shows the corresponding current with tone load for a circuit as shown in FI-55 278, and the one transistor as a switch . · Contains

U\ ist die Spannung des elektronischen Schalters, U₂ ist die Sekundärspannung des Transformators, I₂ der Strom durch die Sekundärwicklung N₂ bei angeschalteter Tonlast und U₃ die Spannung am Kondensator C₂. U \ is the voltage of the electronic switch, U ₂ is the secondary voltage of the transformer, I _{2 is} the current through the secondary winding N ₂ when the sound load is switched on and U _{3 is} the voltage on the capacitor C ₂ .

Die Schaltung arbeitet wie folgt: Wenn der elektronische Schalter SCR\ leitet, liegt an den Polen der Wicklung N\ die von dem Kondensator C\ gleichgerichtete Netzspannung. Dabei liegt an den Polen von N₂ eine dem Umspannverhältnis N\ : N₂ entsprechende Spannung, wobei an der Anode der Diode D₃ eine positive Spannung herrscht. Ist U₂ größer als Uy, so leitet die Diode Eh. Hierbei ist auch der Kondensator C₂ über die Sekundärwicklung N₂ als Last an die Primärwicklung N\ angeschaltet Dazwischen N\ und N₂ stets ein gewisser Kopplungsfaktor < I besteht, erscheint M mit der Reihenschaltung aus der vom Kopplungsfaktor gebildeten Streuinduktanz und der im Umspannverhältnis reduzierten Kapazität von C₂ als Last Hierbei wird in die Serien-LC-Schahung eine Stufenspannung eingespeist so daß in ihr ein Sinusstrom I₂ fließt. Wegen der Diode Eh erfolgt eine Schwiiijyung nur während einer halben Periodendauer, wobei eine Energieübertragung von der Primärwicklung Ni auf den Kondensator C₂ erfolgt.The circuit works as follows: When the electronic switch SCR \ conducts, the mains voltage rectified by the capacitor C \ is applied to the poles of the winding N \. A voltage corresponding to the transformation ratio N \: N ₂ is applied to the poles of N ₂ , with a positive voltage prevailing at the anode of the diode D _3. If U _{2 is} greater than Uy, the diode Eh conducts. Here, also, the capacitor C ₂ is connected via the secondary winding _N2 as a load to the primary winding N \ switched between, N \ and N _2, there is always a certain coupling factor <I, M appears with the series circuit of the formed by the coupling factor of leakage inductance and reduced in Umspannverhältnis Capacity of C ₂ as load Here, a step voltage is fed into the series LC circuit so that a sinusoidal current I ₂ flows in it. Because of the diode Eh , oscillation only takes place during half a period, with energy being transferred from the primary winding Ni to the capacitor C ₂ .

Die Polspannung des Kondensators C₂ steigt in der Zeit fi - f3 entsprechend der in F i g. 2 gezeigten Kurve Ui an. Die Welligkeit der Spannung Ui wird durch das Tiefpaßfilter L, C₃ gefiltertThe pole voltage of the capacitor C ₂ increases in the time fi - f3 corresponding to that in FIG. 2 curve Ui . The ripple of the voltage Ui is filtered by the low-pass filter L, C ₃

Aus der Kurve /„ in F i g. 2 ist ersichtlich, daß der primärseitige elektronische Schalter während der Zeit fi - r₃ leitend ist Danach fließt während der Zeitspanne t₃ - U Strom durch die Diode D₂. Im Zeitpunkt U öffnetFrom the curve / “in FIG. 2 it can be seen that the primary-side electronic switch _{is conductive during the time fi - r 3.} Thereafter, current flows through the diode D ₂ during the time period t ₃ - U. At time U opens

ίο der elektronische Schalter. Da letzterer hier durch einen Thyristor gebildet ist, muß sein Strom während der von dem Thyristor benötigten Freiwerdezeit unterbrochen sein.ίο the electronic switch. Since the latter here through one Thyristor is formed, its current must be interrupted during the free time required by the thyristor be.

Diese Unterbrechungszeit entspricht der Zeitspanne t₃- U. Voraussetzung für den ungestörten Ablauf ist, daß der Strom der der Ton-Endstufe zugeordneten Sekundärwicklung N₂ spätestens zum Zeitpunkt t₃ unterbrochen wird. Dies läßt sich bewerkstelligen durch eine entsprechende Wahl der Kapazität von C₂. In anderen Worten: mit Hilfe von N₂ und C₂ w>-d ein abgestimmter Sekundärkreis gebildet, dergestalt, daß der Strom I₂ im Zeitpunkt I₃, oder früher, unterbrochen wird.This interruption time corresponds to the time span t ₃ -U. A prerequisite for the undisturbed process is that the current of the secondary winding N ₂ assigned to the audio output stage is interrupted at the time t _{3 at the latest.} This can be achieved by an appropriate choice of the capacitance of C ₂ . In other words: with the aid of N ₂ and C ₂ w> -d, a coordinated secondary circuit is formed, in such a way that the current I _{2 is} interrupted at time I ₃ or earlier.

Da eine Energiespeicherung für die Bildlast auch bei leitendem primärseitigem elektronischen Schäker auf die Streuinduktivität zwischen N, und N₃ erfolgt, bleibt diese Ladung konstant, sofern die Polspannung an der Primärseite konstant bleibt Die Polspannung an der Primärseite hängt ab von der Netzspannung, den Widerstandsverlusten von Μ und der Sättigungsspannung von SCRi. Since energy is stored for the image load even when the electronic shaker on the primary side is conductive on the leakage inductance between N, and N ₃ , this charge remains constant as long as the pole voltage on the primary side remains constant Μ and the saturation voltage of SCRi.

Die Netzspannung bleibt trotz der durch die Ton-Endstufe bewirkten Lastschwankungen im wesentlichen konstant Der widerstandsbedingte Spannungsverlust von Ni muß bereits allein wegen der Verhinderung von Wärmebildung klein gehalten werden, so daß dieser Verlust hier ohne Belang ist Die Sättigungsspannung von SCRi ist konstant, da der Schalter hier aTs Thyristor ausgebildet ist Mithin kann der Strom von N₂ im Zeitintervall ii -1₃ variieren, ohne daß eine Beeinflussung des Bildes erfolgt The mains voltage remains essentially constant in spite of the load fluctuations caused by the audio output stage. The resistance-related voltage loss of Ni must be kept small just to prevent heat build-up, so that this loss is of no importance here. The saturation voltage of SCRi is constant because the switch here ATS thyristor is formed Thus, the stream of N ₂ in the time interval can ii - 1 ₃ vary, without influencing the image is performed

Durch Meßversuche wurde ermittelt, daß bei Tonlast-Schwankungen zwischen Null und den doppelten Bildlastwerten keine störende Beeinflussung des Bildes erfolgte. Measurements have been made to determine that the tone load fluctuations between zero and twice the image load values did not interfere with the image.

Das erfindungsgemäße Schaltnetzteil läßt sich nicht nur in Verbindung mit einer Ton-Endstufe eines Fernsehempfängers verwenden, sondern auch für andere Zwecke.
Bei der oben beschriebenen Schaltung induziert die Wicklung N₃ in die Primärwicklung des Transformators den Kommutierungsstrom für den Thyristor SCR\. Ist nur ein Lastkreis vorhanden, wie in F i g. 3 dargestellt ist, so kann man in an sich bekannter Weise einen separaten Kommutierungskreis vorsehen, der in F i g. 3 durch einen zweit?n Thyristor SCR₂, der Icduktivität L₂ und den Kondensator G gebildet wird. Auch in diesem Fall bietet der erfindungsgemäße abgestimmte Gleichrichter im Sekundärkreis den Vorteil, daß der Thyristor bei kleinen Stromstärken gelöscht werden kann, so daß der Kommutierungskreis kostengünstig hergestellt werden kann.The switched-mode power supply according to the invention can be used not only in connection with a sound output stage of a television receiver, but also for other purposes.
In the circuit described above, the winding N ₃ in the primary winding of the transformer induces the commutation current for the thyristor SCR \. If there is only one load circuit, as in FIG. 3 is shown, a separate commutation circuit can be provided in a manner known per se, which is shown in FIG. 3 is formed by a second thyristor SCR ₂ , the inductance L ₂ and the capacitor G. In this case, too, the tuned rectifier according to the invention in the secondary circuit offers the advantage that the thyristor can be extinguished at low currents, so that the commutation circuit can be produced inexpensively.

F i g. 4 zeigt ein Schaltnetzteil, in dem. ein Transistor t\ als steuerbarer Schalter vorgesehen ist. Durch den Transistor fi wird eine Stromquelle gebildet, die einen zerhackten Strom liefert Die Schaltverluste lassen sich dadurch minimieren, daß man eine Abstimmung derart vornimmt, daß der Schaltvorgang bei niedrigen Transistorströmen erfolgt. Der Schaltzeitpunkt kann ge-F i g. 4 shows a switching power supply in which. a transistor t \ is provided as a controllable switch. A current source is formed by the transistor fi which supplies a chopped current. The switching losses can be minimized by tuning in such a way that the switching process takes place at low transistor currents. The switching time can be

wünschtenfalls ζ. B. durch Rückkopplung vom Sekundärkreis mit Hilfe einer Logik so festgelegt weirden, daß der Transistorstrom zum Schaltzeitpunkt praklisch Null beträgt.if desired ζ. B. determined by feedback from the secondary circuit using logic so that the transistor current at the time of switching is practically zero.

F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform, die nach dem Gegentaktprinzip arbeitet. Diese Schaltung ist insbesondere für größere Leistungen vorgesehen, sie dient beispielsweise als SchweiBsiromquelle. Im Unterschied zu den oben beschriebenen Schaltungen besitzt diese Schaltung auf der Primärseite zwei im Gegentakt angesteuerte Thyristoren SCR\ und SCR₃. Auf der Sekundärseite sind zwei abgestimmte Gleichrichter vorhanden, die einen gemeinsamen, die Resonanzfrequenz bestimmenden Kondensator Ci haben.F i g. 5 shows an embodiment which operates on the push-pull principle. This circuit is intended in particular for higher powers, it is used, for example, as a source of welding iron. In contrast to the circuits described above, this circuit has two push-pull controlled thyristors SCR 1 and SCR ₃ on the primary side. On the secondary side there are two matched rectifiers which have a common capacitor Ci which determines the resonance frequency.

1515th

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

2020th

2525th

3030th

3535

4040

4545

5050

5555

6060

8585

Claims

Patent claims:

1. Switching power supply with a transformer (M) with at least one controllable electronic switch (SCRf, Γι) in series with the primary winding (TVi), which is opened and closed with a predetermined frequency to generate a cyclic primary current, with the secondary winding (JV ₂ ) at least one rectifier element (Lh) for generating a rectified output voltage (t / 3) is connected in series, and a capacitor (C ₂ ) is inserted into the secondary circuit, characterized in that the secondary circuit is designed as a tuned rectifier and for this purpose the capacitance of the Capacitor (C ₂ ) is dimensioned so that the current of the secondary winding (W ₂ ) is interrupted by the action of the rectifier element (D3) at a point in time when the current of the primary winding & sag (N ₁ ) is low, and that the secondary winding a preferably designed as an LC element (Li, C ₃ ) low-pass filter is connected

2. Switching power supply according to claim 1, in which a thyristor (SCR _f ) is provided as a controllable switch, characterized in that the capacitor (C2) located in the secondary _{circuit is dimensioned such that the current of the secondary winding (N 2} ) drops to zero, just before the thyristor is triggered.

3. Switching power supply according to claim 1 or 2, for a Fernseheir ^ catcher, in which the transformer (M) is the flyback transformer, and the image load and the sound load of the television receiver are connected to two different secondary windings ^, N ₃ ) of the flyback transformer, characterized that the tuned rectifier is formed with the help of the Tonlast secondary winding (N ₂ )

4. Switching power supply according to claim 1, wherein the controllable electronic switch is a transistor (T _t ) , characterized in that the transistor is controlled by feedback from the secondary circuit in such a way that it opens at a time when the current in the secondary winding (Tv ₂ ) is zero or close to zero

5. Schaltz power supply according to one of claims 1 to 4, characterized in that in addition to the controllable electronic switch, another electronic switch (SCR3) working with it in push-pull operation is provided, and that the corresponding two secondary circuits of the transformer (Mu Mi) as Matched rectifiers are formed and their rectified outputs are coupled.

That the tuned capacitor (C ₂₎ ^r for both Sekundä circles provided in common 6. A power supply according to claim 5, characterized.