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Getaktetes Netzgerät
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Die Erfindung betrifft ein getaktetes Netzgerät mit einem ersten und
einem zweiten Wandler zur Erzeugung zweier einstellbaren Ausgangsspannungen, die
gegenüber einem Bezugspotential unterschiedliche Polarität aufweisen, aus einer
Eingangsspannung.
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Zur Stromversorgung beispielsweise von elektronischen Geräten werden
häufig positive und negative Spannungen benötigt. Meist steht aber nur eine Batterie
oder ein Gleichspannungs-Versorgungsgerät zur Verfügung. Um aus einer Spannung zwei
einstellbare Spannungen unterschiedlicher Polarität zu erzeugen, werden getaktete
Netzgeräte mit zwei getrennten Wandlerschaltungen verwendet. Dabei ist der Aufwand
für die beiden getrennten Schaltungen Jedoch recht groß.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein getaktetes Netzgerät der eingangs
genannten Art so auszugestelten, daß ein Teil der Bauelemente für beide Wandlerschaltungen
verwendet wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einer der beiden
Wandler ein Durchflußwandler und der andere Wandler ein Sperrwandler ist, daß der
erste Wandler einen Taktgeber aufweist, dessen Taktspannung dem Widerstand eines
RC-Glieds des zweiten Wandlers zugeführt ist, daß der Kondensator des RC-Glieds
auf Bezugspotential liegt, daß die Anzapfung des RC-Glieds mit einem ersten Eingang
eines ersten Differenzverstärkers verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit einem
Spannungsgeber verbunden ist und daß der Ausgang des ersten Differenzverstärkers
mit der Basis eines Schalttransistors des zweiten Wandlers verbunden ist.
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Bei dem getakteten Netzgerät wurde also die zweite Wandlerschaltung
gegenüber herkömmlichen Netzgeräten wesentlich vereinfacht. Insbesondere ist für
die zweite Wandlerschaltung kein Taktgeber erforderlich. Die zweite Wandlerschaltung
wird vielmehr von der ersten Wandlerschaltung mitgeführt, so daß beide Schaltungen
synchron getaktet werden. Dabei ist es unerheblich, ob der Durchfluß- oder der Sperrwandler
der führende Wandler ist.
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Die Regelung des ersten Wandlers kann auf herkömmliche Weise erfolgen,
wie dies beispeilsweise in dem Artikel "Die Regelung von Schaltnetzteilen" von R.Ranfft
aus der im November 1976 von der Firma Valvo veröffentlichten Vortragsreihe "Schalt-Netzteile"
beschrieben ist.
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Vorteilhafterweise wird die Taktspannung zwischen Schalttransistor
und Drossel des ersten Wandlers abgegriffen.
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An diesem Punkt steht die Taktspannung bereits verstärkt und damit
hoch belastbar zu Verfügung, so daß keine weiteren Verstärkerelemente erforderlich
sind.
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Die Taktspannung kann über eine Diode zusätzlich dem zweiten Eingang
des ersten Differenzverstärkers zugeführt werden. Damit wird der erste Differenzverstärker
während der Ansteuerzeit des Schalttransistors im ersten Wandler gesperrt und somit
verhindert, daß die Schalttransistoren des ersten und zweiten Wandlers gleichzeitig
leiten. Damit wird eine gleichmäßige Belastung der Stromversorgungsquelle erreicht.
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Der Spannungsgeber kann ein Spannungsregler sein, an dessen Sollwerteingang
die Ausgangsspannung des ersten Wandlers und an dessen Istwerteingang die Ausgangsspannung
des zweiten Wandlers ansteht. Die Ausgangsspannung des zweiten Wandlers wird also
nach der Ausgangsspannung des ersten Wandlers geführt. Dies ist besonders dann vorteilhaft,
wenn es bei den zu versorgenden Bauelementen auf die Relation zwischen positiver
und
negativer Spannung ankommt. Bei vielen elektronischen Schaltungen
muß dafür gesorgt werden, daß bei Ausfall einer Spannung auch die zweite Spannung
ausgeschaltet wird, um Beschädigungen zu verhindern. Das wird bei der genannten
Abhängigkeit der beiden Ausgangsspannungen sichergestellt.
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Vorteilhafterweise kann einem ersten Eingang eines zweiten Differenzverstärkers
ein Meßwert für den Strom durch die Drossel des zweiten Wandlers zugeführt sein,
wobei einem zweiten Eingang des zweiten Differenzverstärkers ein Strom-Sollwert
zugeführt ist und der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers mit dem zweiten Eingang
des ersten Differenzverstärkers verbunden ist.
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Damit wird erreicht, daß der zweite Wandler bei Uberstrom abgeschaltet
wird, wobei die Strombegrenzung eine einziehende Kennlinie aufweist. Durch die Erfassung
des Drosselstroms wird gleichzeitig eine Sättgung der Drossel verhindert.
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Das erfindungsgemäße getaktete Netzgerät wird nachfolgend beispielhaft
anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.
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Die Eingangsklemmen 6, 7 sind mit den Eingängen eines Durchflußwandlers
1 und eines Sperrwandlers 2 verbunden.
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Dabei ist die Eingangsklemme 7 mit dem Bezugspunkt der Schaltung verbunden
und an der Eingangsklemme 6 steht eine positive Eingangs-Gleichspannung an. Im Durchflußwandler
1 ist die Eingangsklemme 6 über die Reihenschaltung eines Schalttransistors la und
einer Drossel Ib mit der Ausgangsklemme 8 verbunden. Die Ausgangsklemmen 8, 9 sind
mit einem Glättungskondensator 1d überbrückt.
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Während der Ausschaltzeit des Transistors la wird der Strom durch
die Drossel Ib von einer Freilaufdiode lc übernommen, die in einem Querzweig der
Schaltung vor der Drossel Ib liegt. Der Schalttransistor la wird von einem
Taktgeber
le angesteuert. An der Ausgangsklemme 8 steht damit eine geglättete, positive Gleichspannung
an, deren Betrag vom Einschaltverhältnis des Schalttransistors la abhängig ist und
über dieses eingestellt werden kann.
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Zum Durchflußwandler 1 ist eingangsseitig der Sperrwandler 2 parallel
geschaltet. Dabei ist die Eingang klemme 6 über die Reihenschaltung eines Schalttransistors
2a und einer Diode 2c mit der Ausgangsklemme 10 verbunden.
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Die Diode 2c ist dabei so geschaltet, daß sie bei leitendem Transistor
2a sperrt. Die Ausgangsklemmen 10, 11 sind mit einem Glättungskondensator 2d überbrückt.
In einem Querzweig vor der Diode 2c liegt die Reihenschaltung einer Drossel 2b und
eines Meßwiderstandes 2e. Der Transistor 2a wird bei fehlender Ansteuerung durch
einen zwischen Emitter und Basis liegenden Widerstand 2f im sperrenden Zustand gehalten.
Wenn er über den der Basis vorgeschalteten Widerstand 2g angeskmert wird, so fließt
ein Strom über die Drossel 2b und den Meßwiderstand 2e.
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Sobald der Schalttransistor 2a abgeschaltet wird, wird der Strom durch
die Drossel 2b über die Diode 2c aus der an der Klemme 10 anliegenden Last entnommen.
Damit ergibt sich an der Ausgangsklemme 10 eine Spannung, die gegenüber dem an der
Klemme 11 anstehenden Bezugspotential eine negative, also entgegengesetzt zur Eingangsspannung
und zur Ausgangs spannung des Durchflußwandlers 1 gerichtete Polarität aufweist.
Auch diese Spannung ist mit dem Einschaltverhältnis des Transistors 2a veränderbar.
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Zur Ansteuerung des Schalttransistors 2a im Sperrwandler 2 ist die
Ansteuervorrichtung 3 vorgesehen. Am Verbindungspunkt zwischen Schalttransistor
1a und Drossel 1b des Durchflußwandlers 1 wird die vom Taktgeber le vorgegebene
Taktspannung abgegriffen und dem Widerstand eines RC-Glieds 3b, 3c zugeführt. Der
Kondensator 3c des RC-Gliedes liegt am Bezugspotential. Der Verbindungspunkt zwischen
Widerstand 3b und Kondensator 3c ist mit dem
invertierenden Eingang
eines Differenzverstärkers 3a und über einen Widerstand 3d mit dem Pluspol der Versorgungsspannung
verbunden. Die dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 3a zugeführte
Spannung ist in Fig.
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2 dargestellt. Figur 2 zeigt zunächst die vom Durchflußwandler 1 abgeleitete
Taktspannung UT Durch das RC-Glied 3b, 3dessen Widerstand 3b zusammen mit dem Widerstand
3d einen Spannungsteiler gegen die Versorgungsspannung P bildet, entsteht aus der
Rechteckspannung UT eine angenähert dreieckförmige Spannung UD. Diese wird nun mit
der am nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkere 3a anstehenden Gleichspannung
UV verglichen.
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Dem nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 3a ist über
einen Widerstand 3e und eine Diode 3f die Taktspannung UT und über einen Widerstand
4h die Ausgangsspannung eines nachfolgend zu erläutgnden Differenzverstärkers 4a
zugeführt. Damit steht am nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers
3a eine dem Takt der Taktspannung UT entsprechende Rechteckspannung UV an, deren
oberer Pegel durch die Taktspannung UT und deren unterer Pegel durch die Ausgangsspannung
des Differenzverstärkers 4a bestimmt ist. Der Differenzverstärker 3a ist als übersteuerter
Operationsverstärker ausgebildet, so daß immer wenn die Dreieckspannung UD die Vergleichapannung
UV überschreitet, der Ausgang des Differenzverstärkers 3a auf "Highn schaltet. Der
dadurch entstehende Spannungsverlauf der Ausgangs spannung Ust des Differenzverstärkers
3a ist ebenfalls in Figur 2 dargestellt. Mit dieser Ausgangsspannung Ust wird nun
der Schalttransistor 2a des Sperrwandlers 2 angesteuert.
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Dabei ist erkennbar, daß die Ansteuerung synchron zum Taktgeber le
erfolgt. Durch die Beaufschlagung des nicht invertierenden Eingangs des Differenzverstärkers
3a mit der Taktspannung UT wird Jedoch erreicht, daß die Ansteuerung der Schalttransistoren
la und 2a phasenver-
schoben erfolgt, so daß diese nicht gleichzeitig
eingeschaltet sind. Damit wird die Eingangsspannungsquelle gleichmäßig belastet.
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Das Einschaltverhältnis der Steuerspannung Ust und damit die Ausgangsspannung
des Sperrwandlers 2 kann beeinflußt werden durch den über den Differenzverstärker
4a vorgegebenen Pegel der Vergleichsspannung Uv. Zu diesem Zweck dient die Regelschaltung
4. Dabei wird an der Ausgangsklemme 10 die Ausgangsspannung abgegriffen und auf
einen Spannungsteiler mit den Widerständen 4bs 4c geschaltet, dessen anderes Ende
am positiven Versorgungspotential P liegt. Am Abgriff des Spannungsteilers 4b, 4c
steht damit eine der Ausgangsspannung proportionale Spannung an, die dem invertierenden
Eingang eines zweiten Differenzverstärkers 4a zugeführt ist. Ein zweiter, aus den
Widerständen 4d und 4e bestehender Spannungsteiler liegt zwischen dem positiven
Versorgungspotential P und dem Bezugspotential. Der Abgriff dieses Spannungsteilers
ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 4a verbunden. Der
Differenzverstärker 4a vergleicht daher die Ausgangs spannung des Sperrwandlers
mit einer mit den Widerständen 4d, 4e gebildeten Referenzspannung und liefert ein
positives Ausgangssignal, wenn die mit dem Spannungsteiler 4b, 4c abgegriffene Ausgangsspannung
kleiner als die Referenzxpannung ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers 4a ist
über die Rethenschaltung eines Widerstands 4f und eines Kondensators 4g mit dem
invertierenden Eingang verbunden ist. Die beschriebene Schaltung wirkt daher als
Pl-Regler, dessen Ausgangßsignal über den Widerstand 4a dem bereits beschriebenen
Differenzverstärkers 3a zugeführt wird.
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Mit der beschriebenen Schaltung wird also die Ausgangsspannung des
Sperrwandlers auf einen durch den Spannungsteiler 4d, 4e gebildeten Referenzwert
eingeregelt. Wenn als positive Versorgungsspannung P die Ausgangs spannung
des
Durchflußwandlers verwendet wird oder wenn die Ausgangsspannung des Durchflußwandlers
am Spannungsteiler 4d, 4e anliegt, so wird die Ausgang.sspsmnung des Sperrwandlers
der Ausgangsspan.mung des Durchflußwandlers nachgeführt, so daß stets eine feste
Relation zwischen diesen beiden Spannungen besteht.
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Wie beschrieben, wird im Normalfall der Sperrwandler durch die Taktspannung
UT des Durchflußwandlers 1 gesteuert. Fällt jedoch die Taktspannung UT aus, so steht
am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 3a eine feste, durch den Spannungsteiler
3b, 3d bestimmte positive Spannung an. Wenn in diesem Fall die Ausgangsspannung
des Sperrwandlers 2 unter die vom Spannungsteiler 4d, 4e vorgegebene Referenzspannung
fällt, so wird die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 4a solange verkleinert,
bis der Differenzverstärker 3a an seinem Ausgang auf einen negativen Wert umschaltet
und damit den Schalttransistor 2a einschaltet. Überschreitet daraufhin die Ausgangsspannung
des Sperrwandlers 2 wieder den Referenzwert, so wird der Schalttransistor 2a wieder
ausgeschaltet. Auch bei Ausfall der Taktspannung UT wird also die Ausgangsspannung
des Sperrwandlers 2 auf den eingestellten Referenzwert geregelt, was mit Hilfe der
Restwelligkeit der Ausgangsspannung erfolgt. Die Schaltfrequenz ist dann allerdings
abhängig von der Belastung.
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Um den vom Sperrwandler abgegebenen Strom zu begrenzen, ist eine Strombegrenzungsschaltung
5 vorgesehen. Dabei wird eine am in Serie zur Drossel 2b liegenden Meßwiderstand
2e abgegriffene Spannung einem Sparmungsteiler,bestehend aus den Widerständen 5b
und 5c zugeführt. Das zweite Ende des Spannungsteilers liegt am negativen Versorgungspotential
N. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 5b, 5c ist einerseits mit dem
nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 5a und andererseits über einen
Widerstand 5d mit dem positiven Ver-
sorgungspotential P verbunden.
Das Versorgungspotential P kann entweder aus einer Hilfspannungsquelle stammen oder
am Ausgang 8 des Durchflußwandlers 1 abgegriffen werden. Der invertierende Eingang
des Differenzverstärkers 5a liegt an der Anzapfung eines Spannungsteilers, der aus
den Widerständen 5e und 5f besteht und zwischen dem positiven Versorgungspotential
P und dem Bezugspotential angeordnet ist. Wenn nun die am Widerstand 2e über die
Spannungsteilerschaltung 5b, So, 5d abgegriffene Spannung die mit den Widerständen
5e, 5f gebildete Referenzspannung übersteigt, so wird das Ausgangssignal des Differenzverstärkers
5a positiv. Der Differenzverstärker 5a ist als übersteuerter Operationsverstärker
ausgeführt, so daß er bereits bei kleinen Abweichungen auf das volle positive Potential
schaltet. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 5a wird über einen Widerstand
5g und eine Diode 5h dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 3a
zugeführt. Damit wird der Ausgang des Differenzverstärkers 3a auf den positiven
Pegel geschaltet, so daß der Transistor 2a sperrt. Die Ausgangsspannung des Sperrwandlers
2 nimmt somit ab. Da die Ausgangsspannung des Sperrwandlers 2 über den Widerstand
5c auf den Spannungsteiler 5b, 5c, 5(1 einwirkt, wird bei einer Verringerung dieser
Spannung der Spannungswert am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers
5a angehoben, so daß effektiv die Abschaltung des Schalttransistors 2a bei noch
kleineren Strömen erfolgt. Diese Eigenschaft wird als einziehende Kennlinie der
Strombegrenzung bezeichnet.
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Durch den Abgriff des Meßwerts für den Uberstrom im Stromkreis der
Drossel 2b wird mit der Strombegrenzung 5 eine Sättigung der Drossel 2b verhindert.
Damit wird eine Uberlastung des Schalttransistors 2a vermieden.
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2 Figuren 5 Patentansprüche