DE3044539C2

DE3044539C2 - Gleichspannungsschaltnetzteil

Info

Publication number: DE3044539C2
Application number: DE3044539A
Authority: DE
Inventors: Ludwig 8521 Großenseebach Schick
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-11-26
Filing date: 1980-11-26
Publication date: 1982-10-28
Also published as: DE3044539A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleichspannungsschaltnetzteil mit einem Durchflußwandler und einem Sperrwandler zur Erzeugung zweier einstellbarer Ausgangsspannungen aus einer Eingangsspannung, wobei die beiden Ausgangsspannungen gegenüber einem gemeinsamen Bezugspotential unterschiedliche Polarität haben und wobei die Ansteuerung des anderen Wandlers erfolgt.

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.

könnten getaktete Netzgeräte mit zwei getrennten Wandlerschaltungen verwendet werden. Als Wandlerschaltungen könnte man dabei z. B. die Kombination eines Durchflußwandlers mit einem Sperrwandler verwenden. Durchflußwandler und Sperrwandler sind beispielsweise in der Zeitschrift »Elektrotechnik«, Band 60, Heft 9, 12. Mai 1979, Seiten 14 bis 20 beschrieben. Der Aufwand für zwei getrennte Wandlerschaltungen ist jedoch recht groß.

Der Aufwand wird geringer, wenn man einen Teil der benötigten Bauelemente für beide Wandlerschaltungen verwendet Dies ist bei einer Schaltung der eingangs genannten Art, wie sie aus der DE-OS 28 40 439 bekannt ist der Fall. Dabei ist zur Erzeugung einer positiven Ausgangsspannung ein Durchflußwandler vorgesehen, dessen Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung vergleichen wird. Sobald die Ausgangsspannung des Durchflußwandlers unior den Referenzwert sinkt wird ein Schalttransistor des Durchflußwandlers eingeschaltet. Wenn daraufhin die Ausgangsspannung des Durchflußwandlers den Referenzwert wieder überschreitet wird der Schalttransistor wieder ausgeschaltet Durch periodisches Ein- und Ausschalten mit Zweipunktregelung wird also die Ausgangsspannung des Durchflußwandlers annähernd konstant gehalten.

Zur Erzeugung einer negativen Ausgangsspannung ist eine erste Freilaufdiode, die bei üblichen Durchflußwandlern zwischen dem Verbindungspunkt des Schalttransistors mit der Drossel und dem Bezugspotential angeordnet ist, nicht direkt, sondern über einen zweiten Kondensator mit dem Bezugspotential verbunden. Außerdem ist zwischen dem Verbindungspunkt des Schalttransistors mit der Drossel und dem Bezugspotential die Reihenschaltung einer zweiten Freilaufdiode und eines zweiten Schalttransistors angeordnet

Am zweiten Kondensator steht die negative Ausgangsspannung an, die ebenfalls mit einem Referenzwert verglichen wird, über einen Zweipunktregler wird der zweite Schalttransistor angesteuert. Der Kondensator für d^:e negative Ausgangsspannung wird mit dem durch die Drossel fließenden Strom über die erste Freilaufdiode aufgeladen, wenn der erste Schalttransistor geöffnet wird. Sobald die negative Ausgangsspannung ihren Referenzwert überschreitet wird der zweite Schalttransistor durchgesteuert und der durch die Drossel fließende Strom lädt wieder den ersten Kondensator auf.

Bei dieser bekannten Schaltung wird also die Drossel sowohl zur Erzeugung der negativen als auch zur Erzeugung der positiven Spannung ausgenutzt. Die Regeleinrichtungen für beide Spannungen, in diesem Fall also die Zweipunktregler, sind jedoch für beide Spannungen getrennt vorgesehen. Nachteilig bei dieser Schaltung ist insbesondere, daß die Regelung jeder Ausgangsspannung von der Belastung der jeweils anderen Ausgangsspannung abhängig ist Wie beschrieben wird nämlich der zweite Kondensator durch den Drosselstrom aufgeladen, wenn die Spannung am ersten Kondensator ihren Sollwert überschreitet. Andererseits wird der erste Kondensator durch den Drosselstrom immer nachgeladen, wenn die Spannung am zweiten Kondensator ihren Sollwert überschreitet. Der Drosselstrom hängt jedoch von der St^rombelastung beider Schaltungszweige ab.

Ein Gleichspannungs-Versorgungssystem für eine positive und eine negative Ausgangsspannung ist auch aus der DE-OS 22 41854 bekannt. Dabei wird die positive Ausgangsspannung ebenfalls mit einem Durch-

flußwandler und einem zugeordneten Zweipunktregler erzeugt. Am Verbindungspunkt zwischen einem Schalttransistor und einer Drossel des Durchflußwandlers wird die dort anstehende pulsierende Spannung abgegriffen und zur Umladung zweier Kondensatoren ausgenutzt die die positive Eingangsspannung in eine negative Spannung umwandeln. Die negative Spannung wird mit einem nachgeschalteten analogen Regler auf einen konstanten Wert geregelt Die Schaltung zur Erzeugung der negativen Ausgangsspannung ist jedoch sehr aufwendig, da sie sich aus der Umladeschaltung und der Regelschaltung zusammensetzt Außerdem hat der analoge Regler relativ hohe Verluste.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art eine gegenseitige Stromunabhängigkeit beider Ausgangsspannungen bei aufwandsarmer Steuerung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß Durchfluß- und Sperrwandler parallel an Eingangsanschlüssen liegen, daß einer der Wandler einen Taktgeber aufweist dessen Taktspannung der Basis des Schalttransistors dieses Wandlers direkt zugeführt wird und außerdem über einen Widerstand einer ÄC-Serienschaltung, deren Kondensator auf Bezugspotential liegt an den ersten Eingang eines ersten Differenzverstärkers gelegt ist dessen zweiter Eingang mit einem Spannungsgeber verbunden ist und dessen Ausgang an die Basis des Schalttransistors des anderen Wandlers geschaltet ist.

Bei diesem Gleichspannungsschaltnetzteil werden also zwei Wandlerschaltungen verwendet deren Leistungsteil völlig getrennt ist Der Steuerungsaufwand wird jedoch wesentlich dadurch verringert daß für die zweite Wandlerschaltung kein Taktgeber erforderlich ist. 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 Da im Gegensatz zur eingangs erläuterten bekannten Schaltung die zweite Wandlerschaltung nicht durch den Drosselstrom der ersten Wandlerschaltung, sondern über einen völlig unabhängigen Leistungskreis versorgt wird, wird die Ausgangsspannung jeder Wandlerschaltung unabhängig vom Laststrom der jeweils anderen Wandlerschaltung auf einen konstanten Wert geregelt. Die Regelung des ersten Wandlers kann auf herkömmliche Weise erfolgen, wie dies beispielsweise in dem Artikel »Die Regelung von Schaltnetzteilen« von R. Ranfft aus der im November 1976 von der Firma VALVO veröffentlichten Vortragsreihe »Schaltnetzteile« beschrieben ist.

Vorteilhafterweise wird die Taktspannung für den zweiten Wandler zwischen Schalttransistor und Drossel des ersten Wandlers abgegriffen. An diesem Pi=nkt steht die Taktspannung bereits verstärkt und damit hoch belastbar zu Verfugung, so daß keine weiteren Verstärkerelemente erforderlich sind.

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.

Der Spannungsgeber kann ein Spannungsregler sein, an dessen Sollwerteingang die Ausgangsspannung des ersten Wandlers und an dersen Istwerteingang die Ausgangsspannung des zweiten Wandlers ansteht Die Ausgangsspannung des zweiten Wandlei-s wird also nach der Ausgangsspannung des ersten Wandlers geführt Dies ist besonders dann vorteilhaft wenn es bei den zu versorgenden Bauelementen auf die Relation zwiscnen 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

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 Damit wird erreicht, daß der zweite Wandler bei Überstrom abgeschaltet wird, wobei die Strombegrenzung eine abziehende Kennlinie aufweist Durch die Erfassung des Drosselstroms wird gleichzeitig eine Sättigung der Drossel verhindert.

Das erfindungsgemäße getaktete Netzgerät wird nachfolgend beispielhaft anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert

Die Eingangsklemmen 6, 7 sind mit den Eingängen eines Durchflußwandlers 1 und eines Sperrwandlers 2 verbunden. 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 Schalttransi- stors la und einer Drossel Xb mit einer Ausgangsklemme 8 verbunden. Die Ausgangsklemmen 8, 9 sind mit einem Glättungskondensator Xd überbrückt. Während der Ausschaltzeit des Transistors Xa wird der Strom durch die Drossel Xb von einer Freilaufdiode lc

ίο übernommen, die in einem Querzweig der Schaltung vor der Drossel Xb liegt. Der Schalttransistor Xa wird von einem Taktgeber 1 e angesteuert. An der Ausgangsklemme 8 steht damit eine geglättete, positive Gleichspannung an, deren Betrag vom Einschaltverhältnis des Schalttransistors Xa abhängig ist und über dieses eingestellt werden kann.

Zum Durchflußwandler 1 ist eingangsseitig der Sperrwandler 2 parallel geschaltet. Dabei ist die Eingangsklemme 6 über die Reihenschaltung eines Schalttransistors 2a und einer Diode 2c mit einer Ausgangsklemme 10 verbunden. Die Diode 2c ist dabei so geschaltet, daß sie bei leitendem Transistor 2a sperrt. Die Ausgangsklemmen 10,11 sind mit einem Glättungskondensator 2rfüberbrückt. 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 2/ im sperrenden Zustand gehalten. Wenn er über einen der Basis vorgeschalteten Widerstand 2g angesteuert wird, so fließt ein Strom über die Drossel 2Zj und den Meßwiderstand 2e. Sobald der Schalttransistor 2a abgeschaltet wird, wird der Strom durch die Drossel 2b über die Diode 2c von einer an der Klemme 10

^b5 anliegenden Last übernommen. 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 Ausgangsspannung des Durchflußwandlers 1 gerichtete Polarität aufweist. Auch diese Spannung ist mit dem Einschaltverhältnis des Transistors 2a veränderbar.

Zur Ansteuerung des Schalttransistors 2a im Sperr- > wandler 2 ist eine Ansteuervorrichtung 3 vorgesehen. Am Verbindungspunkt zwischen Schaltttransistor la und Drossel 16 des Durchflußwandlers 1 wird die vom Taktgeber Ie vorgegebene Taktspannung abgegriffen und dem Widerstand eines /?C-Glieds 3b, 3c zugeführt, ι ο Der Kondensator 3c des /?C-Gliedes liegt am Bezugspotential. Der Verbindungspunkt zwischen Widerstand 3b und Kondensator 3c ist mit dem invertierenden Eingang eines ersten Differenzverstärkers 3a und über einen Widerstand 3d mit dem Pluspol der Versorgungsspannung verbunden. Die dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 3a zugeführte Spannung ist in F i g. 2 dargestellt. F i g. 2 zeigt zunächst die vom Durchflußwandler 1 abgeleitete Taktspannung Ut- Durch das RC-Glied 3b, 3c, dessen Widerstand 3b zusammen mit einem Widerstand 3d einen Spannungsteiler gegen eine Versorgungsspannung P bildet, entsteht aus der Rechteckspannung fr eine angenähert dreieckförmige Spannung Ud- Diese wird nun mit einer am nicht invertierenden Eingang des Differenzverstär- 2> kers 3a anstehenden Gleichspannung Uvverglichen.

Dem nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 3a ist über einen Widerstand 3eund eine Diode 3/die Taktspannung Ut und über einen Widerstand 4Λ die Ausgangsspannung eines nachfolgend zu erläuternden zweiten 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 Vergleichsspannung Uv überschreitet, der Ausgang des Differenzverstärkers 3a auf »High« schaltet. Der dadurch entstehende Spannungsverlauf der Ausgangsspannung Usi des Differenzverstärkers 3a ist ebenfalls in Fig.2 dargestellt Mit dieser Ausgangsspannung Ust wird nun der Schalttransistor 2a des Sperrwandlers 2 angesteuert Dabei ist erkennbar, daß die Ansteuerung synchron zum Taktgeber Ie erfolgt. Durch die Beaufschlagung des nicht invertierenden Eingangs des Differenzverstärkers 3a mit der Taktspannung i/r wird jedoch erreicht daß die Ansteuerung der Schalttransistören la und 2a phasenverschoben erfolgt so daß diese nicht gleichzeitig eingeschaltet sind. Damit wird die Eingangsspannungsquelle gleichmäßig belastet

Das Einschaltverhältnis der Steuerspannung Ust und damit die Ausgangsspannung des Sperrwandlers 2 kann beeinflußt werden durch den über den Differenzverstärker 4ä vorgegebenen Pegel der Vergleichsspannung Uv. Zu diesem Zweck dient der Spannungsgeber bzw. -regler 4. Dabei wird an der Ausgangsklemme 10 die Ausgangsspannung -abgegriffen. und auf einen. Span- t>o nungsteiler nut Widerständen 46, 4c geschaltet, dessen anderes Ende am positiven Versorgungspotential P liegt Am Abgriffdes Spannungsteilers 4Z>,4csteht damit eine der Ausgärigsspännüng proportionale Spannung an, die dem inverüerend.en Eingang des zweiten s¹· Differenzverstärkers 4a zugeführt ist Ein zweiter, aus Widerständen 4t/ 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 Ausgangsspannung 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 Referenzspannung ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers 4a ist über die Reihenschaltung eines Widerstands 4/" und eines Kondensators 4g mit dem invertierenden Eingang verbunden ist. Die beschriebene Schaltung wirkt daher als PI-Regler, dessen Ausgangssignal über den Widerstand 4a dem bereits beschriebenen Differenzverstärker 3a zugeführt wird.

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 Ausgangsspannung des Durchflußwandlers verwendet wird oder wenn die Ausgangsspannung des Durchflußwandlers am Spannungsteiler 4d, 4e anliegt, so wird die Ausgangsspannung des Sperrwandlers der Ausgangsspannung des Durchflußwandlers nachgeführt, so daß stets eine feste Relation zwischen diesen beiden Spannungen besteht.

Wie beschrieben, wird im Normalfall der Sperrwandler durch die Taktspannung l/rdes des Durchflußwand-Iers 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.

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 Spannungsteiler, bestehend aus Widerständen Sb und 5c zugeführt Das zweite Ende des Spannungsteilers liegt an einem negativen Versorgungspotential N. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen5ö,5cist einerseits mit dem nichtinvertierenden Eingang eines dritten Differenzverstärkers 5a und andererseits über einen Widerstand 5<f mit dem positiven Versorguhgspotential P verbunden. Das Versorgungspotential P kann entweder aus einer Hilfsspannungsquelle stammen oder am Ausgang 8 des Durchflußwandlers 1 abgegriffen werden. Der invertierende Eingang des Differenzverstärkers Sa liegt an der Anzapfung eines Spannungsteilers, der aus Widerständen 5e und 5/ besteht und zwischen dem positiven Versorgungspotenfial P und dem Bezugspotential angeordnet ist Wenn nun die am Widerstand 2eüber die Spannungsteilerschaltung 56,5q Sd 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 Sa wird über einen Widerstand 5g und eine Diode 5Λ 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, 5d 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.

Durch den Abgriff des Meßwerts für den Überstrom im Stromkreis der Drossel 2b wird mit der Strombegrenzungsschaltung 5 eine Sättigung der Drossel 26 verhindert. Damit wird eine Überlastung des Schalttransistors 2a vermieden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gleichspannungsschaltnetzteil mit einem Durchflußwandler und einem Sperrwandler zur Erzeugung zweier einstellbarer Ausgangsspannungen aus einer Eingangsspannung, wobei die beiden Ausgangsspannungen gegenüber einem gemeinsamen Bezugspotential unterschiedliche Polarität haben und wobei die Ansteuerung eines Wandlers in Abhängigkeit von der Ansteuerung des anderen Wandlers erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß Durchfluß- und Sperrwandler (1, 2) parallel an Eingangsanschlüssen (6, 7) liegen, daß einer der Wandler (1) einen Taktgeber (1 e) aufweist, dessen Taktspannung der Basis des Schalttransistors dieses ersten Wandlers (1) direkt zugeführt wird und außerdem über einen Widerstand (3b) einer ÄC-Serienschaltung (3b, 3c), deien Kondensator (ic) auf Bezugspotential liegt, an den ersten Eingang eines ersten Differenzverstärkers (3a) gelegt ist, dessen zweiter Eingang mit einem Spannungsgeber (4) verbunden ist und dessen Ausgang an die Basis des Schalttransistors (2a) des anderen zweiten Wandlers (2) geschaltet ist

2. Getaktetes Netzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktspannung für den zweiten Wandler zwischen Schalttransistor (la) und Drossel (Xb) des ersten Wandlers (1) abgegriffen wird.

3. Getaktetes Netzgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktspannung über eine Diode (3f) zusätzlich dem zweiten Eingang des ersten Differenzverstärkers (3a^zugeführt ist.

4. Getaktetes Netzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsgeber (4) ein Spannungsregler ist, an dessen Sollwerteingang die Ausgangsspannung des ersten Wandlers (1) und an dessen Istwerteingang die Ausgangsspannung des zweiten Wandlers (2) ansteht.

5. Getaktetes Netzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einem ersten Eingang eines dritten Differenzverstärkers (5a) ein Meßwert für den Strom durch die Drossel (2b) des zweiten Wandlers (2) zugeführt ist, daß einem zweiten Eingang des dritten Differenzverstärkers (5a) ein Strom-Sollwert zugeführt ist und daß der Ausgang des dritten Differenzverstärkers (5a) mit dem zweiten Eingang des ersten Differenzverstärkers (3a)verbunden ist.