DE3110934A1

DE3110934A1 - Schaltnetzteil fuer elektronische geraete

Info

Publication number: DE3110934A1
Application number: DE19813110934
Authority: DE
Inventors: Gerard Dr.-Ing. 7730 Pfaffenweiler Rilly; Manfred Ing.(grad.) 7730 Villingen-Schwenningen Spruck
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1981-03-20
Filing date: 1981-03-20
Publication date: 1982-09-30
Also published as: FR2502418A1; MA19418A1; DE3110934C2; FR2502418B1

Description

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Stand der Technik:

Die Erfindung geht aus von einem geregelten Schaltnetzteil zur Erzeugung einer oder mehrerer geregelter Ausgangsspannungen aus einer variablen Eingangsspannung. Derartige Schaltnetzteile sind bekannt und bestehen aus einem an einer Gleichspannung angeschlossenen Schaltkreis in Form einer Induktivität und einem mit dieser in Serie geschalteten steuerbaren Schalter in Verbindung mit einem Stromtransformator, dessen Primärwicklung im Stromkreis des steuerbaren Schalters liegt und dessen Sekundärwicklung den Steuerstrom für den steuerbaren Schalter liefert, wobei ein MeBwiderstand vorgesehen ist, durch den der Steuerstrom fließt. Der MeBwiderstand ist zwischen die Katode eines Thyristors und ein Bezugspotential geschaltet. Der Thyristor ist parallel zur Sekundärwicklung des Stromtransformators geschaltet und schaltet den steuerbaren Schalter bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes des Steuerstroms ab CUS-PS 3 925 717 und FR-PS 24 31 807). Es sind auch Schaltnetzteile bekannt in Form von parallelen Spannungswandlern [DE-AS 23 36 110) mit einem gesteuerten Schalter in Reihe zu einer Induktivität, in welcher magnetische Energie gespeichert wird, welche im geöffneten Zustand des gesteuerten Schalters an eine Gleichrichterschaltung zur Erzeugung von Betriebsspannungen abgegeben wird. Werden derartig aufgebaute Schaltnetzteile für grössere Leistungen ajsgelegt, dann ist es sehr schwierig,

sehr kleine Leerlaufleistungen zu erzielen, oder es sind die bekannten Spannungswandler nicht dazu geeignet, sehr geringe Leistungen, wie sie für den Standby-Betrieb eines elektronischen Geräten z.B. notwendig sind, abzugeben. Die bekannten Schaltungen arbeiten deshalb nicht funktionssicher, weil bei den geringen Leistungsaufnahmen des elektronischen Geräts die Zeit der Durchschaltung des Schalttransistors nicht unter! den Wert von einigen Mi k rose künde η sinken darf, da dann das Schaltnetzteil nicht mehr anläuft. In diesem Fall muß dann die Frequenz des Schaltnetzteils sehr stark verringert werden. Dies bringt aber den Nachteil von hörbaren Geräuschen, die durch die mechanischen Schwingungen erzeugt werden, durch das magnetische Feld der Transformatorwicklungen oder auch durch Magnetostriktion der Elektrolyt-Kondensatoren hervorgerufen werden. Durch die verkürzte Leitzeit des Transistors wird ausserdem der Wirkungsgrad der Schaltung wesentlich vermindert. Für eine bestimmte Nenn-Leistung von z.B. 180 W ergibt sich eine Leistung für den Standby-Betrieb von 15 bis 25 Watt. Dies hängt ab von den SchaltungsmaBRahmen zur Begrenzung der zeitlichen Spannungsänderungen (Spannungsanstieg) am Leistungstransistor, den Maßnahmen zur Begrenzung der Spitzenspannung sowie vom Wirkungsgrad des Leistungstransformators für sehr kurze Steuerspannungsimpulse.

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Aufgabe:

Vorliegender Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil dahingehend zu verbessern, daß ein Standby-Betrieb bei sehr geringer Leerlauf-Leistung mogT lieh ist bei gleichzeitigem hohem Eingangsspannungsbereich von z.B. 90 bis 270 V, wobei das Schaltnetzteil in der Lage ist, eine hohe Nennleistung abzugeben. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Maßnahmen gelöst. Es handelt sich bei der Lösung der gestellten Aufgabe um die Kombination, von zwei einzeln·., bekannten Schaltnetzteilen,die durch den angemeldeten Zusammenbau in Verbindung mit den Steuerschaltungen ein geregeltes neuartiges Schaltnetzteil mit geforderten Eigenschaften bildet.

Beschreibung:

Die Erfindung soll nachstehend mit Hilfe der Zeichnung erläutert werden·

Figur 1 zeigt ein Schaltbild des Netzteils*

Figur 2 zeigt verschiedene- Strom- und Spannungskurven an den in Figur 1 gekennzeichneten Schaltungspunkten.

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Das primäre Schaltnetzteil 1 liegt an der Wechselspannung V.., die mit Hilfe eines Gleichrichters 6 gleichgerichtet wird, so daß an einem Siebkondensator 7 die Gleichspannung V. steht. Die Gleichspannung wird mit Hilfe eines gesteuerten Schalters 8 an eine Induktivität 5 angeschaltet. Der Schalter 8 wirkt strommäßig in beiden Richtungen durch die Parallelschaltung eines Transistors 9 mit einer Diode 10 und spannungsmäBig in einer Richtung. Die Schaltung wird durch die Spannung V. gespeist und arbeitet in bekannter Weise als Rücklaufgenerator. Hierbei unterscheidet man zwischen einer Hihlaufphase während einer Zeitdauer ta und einer Rücklaufphase während einer Zeitdauer tr. Während der zweiten Hälfte der Hinlaufphase ta ist der Schalter 8 geschlossen, wodurch ein sägezahnförmig ansteigender Strom durch die Induktivität 5 fließt . Am Ende des Hinlaufs wird der Schalter 8 geöffnet, indem der Transistor 9 durch eine Steuerschaltung mit Hilfe eines Thyristors 11 gesperrt wird. Die in der Induktivität 5 gespeicherte Energie E =

1/2 ■ L · I² mit I = 1/2 · V_n ■ ta/L_n wird in der mm Ab

Rücklaufphase tr in den Kondensator 12 übertragen, an welchem ein sinusförmiger Spannungsverlauf entsteht. Daraufhin wird diese Energie mit einem entgegengesetzten Strom in die Induktivität 5 zurückgegeben. Wenn die Spannung am Kondensator 12 auf den Wert Null abgesunken ist, öffnet die Diode 10 den Schalter 8 am Ende des RücklaufIntervalls, von welchem Zeitpunkt ab ein neuer Hinlauf beginnt. Ein geringer Teil der Energie E geht verloren, so daß sich

eine Leerlauf leistung P„ = k ·> E_ · f ergibt, wobei f

υ <3

die Frequenz und k ein Faktor zwischen 0,2 und 0,5 je nach Qualität der Schaltung ist.

Aus Vorstehendem ergibt sich folgendes:

Die Spannung an der Induktivität 5 ist während des Hinlaufs gleich der Spannung V.· Die Rücklaufapapnung ist sinusförmig und so groß, daß der Mittelwert über eine Periode T = ta ■+ tr Null ist. Der Spitzenwert dieser Rücklaufspannung richtet sich jedoch nach der Spannung V. und nach dem Verhältnis von tr/T. Bei Parallelschalten eines Schaltkreises zur Induktivität 5 entzieht dieser während des Rücklaufs eine beträchtliche Energiemenge. Die restliche Energie in der Induktivität 5 kann dann zu schwach werden, um den Schalter 8 mit der Diode 10 in den leitenden Zustand zu bringen, so daß die Schaltung nicht-mehr arbeiten kann. 3ede Belastung der Schaltung während der Rücklaufphase beeinflusst die Rücklaufzeit tr ebenso wie die Kurvenform der Spannung, so daß eine Änderung der Frequenz und des Tastverhältnisses tr/T die Folge ist. Aus dem Ausdruck flür die Leerlauf leistung

P_n geht hervor, daß E so klein wie möglich gehalten weru s

den muß. Dies wird durch die Zuschaltung eines Sekundärnetzteils erreicht, das über eine magnetische Kopplung mit Hilfe eines Transformators 3 an das erste primäre Netzteils 2 angekoppelt wird, wobei das Übersetzungsverhältnis der Trafo-Wicklungen so dimensioniert ist, daß die Spannungen und Ströme im Sekundärnetzteil optimiert sind. Der Schalter 8 im Primärnetzteil 1 ist über einen Stromtransformator 13 mit einer Steuerschaltung 14 verkoppelt,indem eine im Kollektorkreis des Transistors 9 liegende Wicklung 15 den Basisstrom über die Wicklung 16 liefert. Bei Überschreiten des Kollektorstroms über einen bestimmten

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Grenzwert fließt ein entsprechender Strom über den Meßwiderstand 17,-der einen Thyristor 11 einschaltet, wodurch der Transistor 9 gesperrt wird. Dadurch schältet auch der Thyristor 1B im Schaltnetzteil 2 vor Beenden einer Periode ab.

Das Sekundärnetzteil 2 besitzt, über die Wicklung 4 an das Primärnetzteil 2 angekoppelt, einen Thyristor 18, der in bekannter Weise mit den Speicherspulen 19 und den Kondensatoren 20 über die Gleichrichter 21 einen parallelen Spannungswandler bildet. Sowohl das Primärnetzteil 1 als auch das Sekundärnetzteil 2 können je nach Erfordernis über Steuerschaltungen 22, 23 derart beeinflusst werden, daß verschiedene Betriebsbedingungen erzwungen werden können, So .kann z.B. durch das über eine Hilfswicklung 27 getriggerte Steuerteil 23 den Spitze-Spitzenwert der Spannung am Transistor 9 konstant halten, indem durch die Steuerschaltung das Verhältnis tr/T geändert wird. Wenn sich die Spannung V. ändert, kann auch mit Hilfe der Steuerschaltung 23 die Fläche der Spannungskurve konstant gehalten werden, d.h. für einen großen Gleichspannungsbereich V. wird T und damit ta derart geändert, daß das Produkt V. ' ta konstant bleibt. Es wird somit die Schaltfrequenz des Primärteils 1 entsprechend gesteuert.

Es kann mit dem beschriebenen Schaltnetzteil auch der Fall gesteuert werden, in welchem die abgegebene Leistung unabhängig von der Eingangsspannung V. konstant gehalten werden soll. Dies kann durch die Steuerung 23 derart geschehen, daß das Verhältnis tr/T entsprechend geändert wird.

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Umgekehrt kann auch die Frequenz und damit das Verhältnis tr/T konstant gehalten werden, wobei mit Hilfe der sekundären Steuerschaltung 22 der Schalter 18 derart geschaltet wird, daß die Ausgangsleistung begrenzt wird. In diesem Fall ist dann die Sprtzenspannung während des Rücklaufs eine Funktion der Eingangsspannung V..

Für den Fall, daß es notwendig ist, in Abhängigkeit von der Belastung das Tastenverhältnis ta/T zu ändern, erscheint die Information des sekundären Spitzenstroms auf die Primärseite übersetzt, indem der Basisstrom des Transistors 9 als Abbild seines Kollektorstroms am Widerstand 17 eine entsprechende Steuerspannung für die Steuerschaltung 23 liefert.

Für die Entnahme geringerer Leistung, z.B. zur Bereitstellung der Standby-Leistung für das elektronische Gerät kann über die Steuerschaltung 22 der Thyristor 18 abgeschaltet werden, so daß nur eine geringe Leistung an der Hilfswicklung 25 abgenommen werden kann.

Die angemeldete Anordnung erlaubt einen vom Netz getrennten Standby-Betrieb des elektronischen Gerätes. Ist für diesen Betrieb eine von der Eingangsspannung V. unabhängige Spannung erforderlich, so kann mit Hilfe der Steuerschaltung die Fläche V- ■ ta konstant gehalten werden, und die Spannung durch Rücklaufgleichrichtung gewonnen werden, weil dann die Spitzenspannung konstant bleibt. Die Leistung, die im System schwingt, ergibt sich zu E /T. Die Leerlaufleistung ist ein Wert, der zwisshen 20 % bis 50 % dieser Leistung liegen kann. Wenn nun die Standby-Leistung derart

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klein ist, daB die Summe aus dieser und der Leerlaufleistung Ρ« kleiner ist als E_/T, kann die Schaltung mit Rücklaufgleichrichtung stabil arbeiten. Dadurch ergibt sich ein sehr guter und mit den bisher bekannten Schaltnetzteilen nicht erreichbarer Wirkungsgrad im Standby-Betrieb.

In Figur 2 sind die Spannungs- und Stromdiagramme aufgezeichnet, wie sie an den gekennzeichneten Schaltungspunkten a - e auftreten.

Figur 2a zeigt den Spannungsverlauf, wie er als u an der Wicklung 4 auftritt. Mit einem Spitze-Spitzenwert u und einem maximalen Wert ti während der Zeit ta. Es ergibt sich ein Lade- bzw. Entladestrom dlirch die Wicklung 19 nach Figur 2b durch das Zünden des Thyristors 18 in der zweiten Hinlaufhälfte, der während des Rücklaufs wieder geöffnet wird. Am Thyristor 18 ergibt sich ein Spannungsverlauf nach Figur 2c. Die Spannungen an der Spule 19 und an der Diode 21 sind in den Figuren 2d und 2e dargestellt. Figur 2 gilt für den Fall, daB die Entladezeit länger als die Rücklaufzeit tr ist.

Claims

T-PA 382 Patentansprüche ι

1.ySchaltnetzteil für elektronische Geräte, bestehend aus einem ersten geregelten Schaltnetzteil in Form eines Rücklaufgenerators mit einem zwischen einer Gleichspannungsquelle liegenden Induktivität und einem in Serie mit dieser geschalteten aus einem Transistor mit antiparallelgeschalteter Diode gebildeten Unterbrecher sowie mit einem Stromtransformator, dessen Primärwicklung zwischen die Induktivität und den KollektoranschluB des Transistors geschaltet ist und dessen Sekundärwicklung einerseits mit der Basis des Transistors und andererseits mit einem MeBwiderstand verbunden ist, wobei diese Sekundärwicklung einen dem Kollektorstrom des Transistors proportionalen Basisstrom liefert, welcher an dem mit der Katode eines Thyristors verbundenen MeBwiderstand einen Spannungsabfall erzeugt, der bei Überschreiten eines vorbestimmten Wertes des Stromes den Thyristor zündet, welcher der Sekundärwicklung des Stromtransformators parallelgeschaltet ist, sowie bestehend aus einem zweiten geregelten Schaltnetzteil in Form eines parallelen Spannungswandlers mit einem gesteuerten Schalter in Serie zu einer Induktivität, in welcher im durchgeschalteten Zustand des gesteuerten Schalters magnetische Energie gespeichert wird, welche im geöffneten Zustand des gesteuerten Schalters an eine Gleichrichterschaltung zur Erzeugung von Betriebsspannungen für das

elektronische Gerät· abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schaltnetzteile (1) und [2} über einen magnetischen Kreis derart miteinander verkoppelt sind, daß die Wicklung der Induktivität (5) des ersten Schaltnetzteils C1) und die Wicklung der Induktivität (4) des zweiten Schaltnetzteils (2) einen Transformator C3D bilden, wobei das Übersetzungsverhältnis der Wicklungen derart gewählt ist, daß das Schaltnetzteil auch bei Entnahme sowohl großer als auch kleiner Leistungen aus dem zweiten Schaltnetzteil (2) und bei großem Eingangspannungsbereich des ersten Schaltnetzteils CD arbeitet.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung (22] für den gesteuerten Schalter (18) im zweiten Schaltnetzteil (2) vorgesehen ist, der diesen bei Entnahme kleinerer Leistung des elektronischen Gerätes geöffnet hält, und daß auf dem Transformatorkern des Transformators (3) eine Hilfswicklung (25) angebracht ist, die in Verbindung mit einer Gleichrichterschaltung (26) eine sehr geringe Leistung aus dem ersten Schaltnetzteil (1) überträgt.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (22) des zweiten Schaltnetzteils (2) von einer Wicklung (24) des Transformators (3) getaktet in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (Ug) diese konstant hält. ·

4. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Konstanthaltung der gleichgerichteten Spitzenspannung während des Rücklaufs des ersten Schaltnetzteils (1) die Steuerschaltung (23) das Verhältnis von Rücklaufzeit zu Periodenzeit (tr/T ) entsprechend verschiebt, so daß eine konstante Fläche (V ■ ta) für den

gesamten Spannungsbereich der Eingangsspannung (V..) konstant bleibt.

5. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konstanthaltung der Spitzen-Spitzenspannung U₅₅ am Transistor (9) die Steuerschaltung (23) das Verhältnis von Rücklaufzeit zu Periodenzeit (tr/T) entsprechend einstellt.

6. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (23) des ersten Schaltnetzteils (1) den Einschaltpunkt des Schalttransistors (9) derart verschiebt, daß die Ausgangsleistung konstant unabhängig von der Eingangsspannung (V.) gehalten wird.