DE3144696A1 - Geregeltes netzteil - Google Patents

Description

-^:- - "·£■ ·"* ■■'· 3U4696

DT 68 9. November 1981

Hewlett-Packard GmbH

GEREGELTES NETZTEIL

Die Erfindung betrifft ein lineares geregeltes Netzteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.Für die Bereitstellung geregelter Gleichspannungen, z.B. für die Versorgung von elektronischen Schaltungen, sind geschaltete und lineare Netzteile gebräuchlich. Geschaltete Netzteile haben den Vorteil eines hohen Wirkungsgrades. Dieser liegt im allgemeinen zwischen 70 und 80%. Nachteilig bei geschalteten Netzteilen ist jedoch der relativ große technische Aufwand, der sich durch die komplexe Schaltung und die hohe Beanspruchung einzelner Bauelemente ergibt. Außerdem ist es schwierig, die verbleibende Verlustleistung (üblicherweise zwischen 20 und 30%) wirksam abzuführen, da die verlustbehafteten Bauelemente im allgemeinen nicht unmittelbar mit dem Gerätegehäuse verbunden werden können, sondern potential frei angeordnet werden müssen.

Lineare Netzteile haben gegenüber geschalteten Netzteile den Vorteil eines einfacheren Schaltungsaufbaus und der leichteren Abführung der Verlustwärme. Diese Verlustwärme entsteht hauptsächlich im Transformator, den Gleichrichterdioden und dem im allgemeinen in Längsrichtung angeordneten Stell transistor für die Spannungsregelung. Alle diese Bauelemente können im allgemeinen auf Kühlkörpern angebracht werden, die mit dem Gerätegehäuse verbunden sind. Nachteilig bei lineare Netzteilen ist jedoch der gegenüber geschalteten Netzteilen geringere Wirkungsgrad, der im allgemeinen bei etwa 30% liegt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein lineares geregeltes Netzteil zu schaffen, das einen gegenüber den bekannten linearen Netzteilen signifikant höheren Wirkungsgrad hat. Die Lösung

"· "· " "' ·^:' 3U4696

Hewlett-Packard GmbH

Int. Az.: DT 68 - 3 -

dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet.

Beim erfindungsgemäßen Netzteil sind also mehrere parallele Stellglieder mit jeweils eigenen Spannungsquellen vorhanden, die z.B. die gleichgerichteten Ausgangsspannungen von gestuften Anzapfungen eines Netztransformators sein können. Die Stellglieder, die vorzugsweise Längstransistoren sind, haben im allgemeinen Wirkungsgrade, die um so schlechter werden, je größer die Differenz zwischen ihrer Ein- und ihrer Ausgangsspannung ist. Bei gegenüber der gewünschten Ausgangsspannung relativ hoher Eingangsspannung wird also einfach die überschüssige Leistung in Wärme umgesetzt. Durch passende Umschaltung zwischen den parallelen Stellgliedern bzw. Spannungsquellen wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, daß das jeweilige eingeschaltete Stellglied in einem Bereich arbeitet, bei dem die Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung gering ist, d.h. es wird auf die jeweils niedrigste Gleichspannungsquelle geschaltet, bei der das Stellglied die Ausgangsspannung noch einwandfrei auf dem gewünschten konstanten Wert halten kann.

Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung ist das Schaltbild eines linearen geregelten Netzteils mit zwei parallelen Spannungsquellen und Längstransistoren dargestellt.

In der Zeichnung sind mit U, und U₂ zwei verschiedene ungeregelte Gleichspannungsquellen bezeichnet, die jedoch gleichförmig veränderlich sindj d.h. deren Verhältnis zueinander im wesentlichen konstant bleibt, wobei U- > Up ist. Vorzugsweise handelt es sich dabei um die gleichgerichteten Ausgangsspannungen verschiedener Anzapfungen der Sekundärwicklung eines Netztransformators. In diesem Falle ist auch für jede Anzapfung dem zugehörigen Gleich-

Hewlett-Packard GmbH

Int. Az.: DT 68 - 4 -

richter der üblichen Glättungskondensator nachgeschaltet. Die Spannungsquellen IL und U₂ sind über den Emitter-/Kollektor-Pfad eines pnp-Transistors T- bzw. eines pnp-Transistors T₂ mit einer Ausgangsklemme A verbunden, an welcher an einen Lastwiderstand R, eine konstante Ausgangsspannung U_A abgegeben werden soll. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Ausgangsspannung U.= +5V, und die veränderlichen Spannungsquellen haben die Nennspannungen U₁= 9,5V und U₂= 6,5V.

Die Basen der Transistoren T. und T₂ sind mit den Kollektoren von npn-Transistören T. bzw. T₃ verbunden, die zusammen einen Differenzverstärker bilden. Die Emitter der Transistoren T₃ und T, sind gemeinsam über den Emitter-/Kollektorpfad eines npn-Transistören Tg mit Masse verbunden. Die Basis des Transistors T₃ ist mit einer Konstantspannungsquelle von +4V verbunden, während die Basis des Transistors T, mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 11 verbunden ist. Der positive Eingang des Operationsverstärkers 11 ist ebenfalls mit einer Konstantspannungsquelle von +4V verbunden. Sein negativer Eingang ist mit dem Ausgang eines an die Spannungsquelle U₂ angeschlossenen Spannungsteilers verbunden, der aus Widerständen R. und R„ besteht. Der negative Eingang und der Ausgang des Operationsverstärkers 11 sind durch ein Rückkopplungsnetzwerk überbrückt, das aus der Parallelschaltung von zwei gegensinnig gepolten Dioden D^ und D₂ sowie einem Kondensator C besteht.

Die Basis des Transistors T₅ ist mit dem Ausgang eines· Operations-Verstärkers 13 verbunden, dessen negativer Eingang mit der Ausgangsklemme A und dessen positiver Eingang mit einer Referenzspannungsquelle U„ verbunden ist. Die Referenzspannungsquelle U_R stellt den Sollwert für die Ausgangsspannung U. dar und beträgt im vorliegenden Beispiel +5V.

Je nach Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 11, die +4V * Schwellenspannung der Diode D. bzw. D₂ beträgt, ist in der Regel

nur einer der Transistoren T₃ und T₄ durchgeschaltet. Somit ist auch nur jeweils einer der als Stellglieder arbeitenden Transistoren T,. und T₂ leitend, während der jeweils andere gesperrt ist. Der jeweils leitende der beiden Transistoren T. und T„ wird vom Ausgangssignal des Operationsverstärkers 13 über den Transistor Tr und einen der Transistoren T₃ und T₄ angesteuert. Es sind also zwei Spannungsregelkreise vorhanden, von denen jeweils einer arbeitet. Der Operationsverstärker 13 ist dabei in üblicher (und daher nicht näher dargestellter) Weise derart beschaltet, daß ein optimales Regel verhalten erreicht wird.

Der Spannungsteiler aus den Widerständen R. und R₂ ist so abgestimmt, daß der Transistor T₂ solange leitend ist und als Stellglied arbeitet, wie die Spannung der Spannungsquelle U₂ gerade noch ausreichend ist, damit an der Ausgangsklemme A die Spannung Un = U_R abgegeben werden kann. Im vorliegenden Beispiel muß die Spannungsquelle Up dazu mindestens eine Spannung von 5,5 V haben. Fällt sie darunter, fällt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers unter +4 V, und Transistor T₃ wird leitend und T₄ wird gesperrt. Dadurch wird der Transistor T₂ gesperrt, und der Transistor T. wird leitend und übernimmt die Stellgliedfunktion für die Spannungsquelle U₁, deren Spannung höher als die der Spannungsquelle U₂ ist. Das Rückkopplungsnetzwerk aus den Dioden D₁ und D₂ sowie dem Kondensator C sorgt dafür, daß die Umschaltung zwischen den als Stellglieder wirkenden Transistoren T₁ und T₂ nicht abrupt erfolgt, sondern daß in einem Übernahmebereich ein kontinuierlicher Obergang zwischen T. und T₂ erfolgt. Dadurch wird vermieden, daß bei der Umschaltung Spannungsspitzen an der Ausgangsklemme A auftreten.

Sind die Spannungsquellen U₁ und U₂ wie oben erwähnt von Anzapfungen der Sekundärwicklung eines Netztransformators hergeleitet, kann im Übergangsbereich eine dauernde Umschaltung zwischen den beiden Spannungsquellen entsprechend der Netzfrequenz auftreten. Dies macht sich wegen des weichen Übergangs zwischen den Transistoren

Hewlett-Packard Company

Int. Az.: DT 68 - 6 -

T. und Tp jedoch nicht in der Ausgangsspannung an der Ausgangski emme A bemerkbar.

Für die üblichen Netzspannungsschwankungen reicht im allgemeinen die im vorliegenden Beispiel beschriebene Umschaltung zwischen zwei Spannungsquellen tL und LL aus._ Das Verhältnis zwischen den beiden Spannungen wird dann so gewählt, daß es ungefähr dem halben Verhältnis zwischen der höchsten und der niedrigsten vorkommenden Netzspannung entspricht. Bei sehr großen zu erwartenden Netzspannungsschwankungen könnte aber auch eine Umschaltung zwischen drei und mehr Spannungsquellen (Transformatoranzapfungen) erfolgen, was mittels geeigneter Komparatorschaltungen ohne weiteres realisierbar wäre.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel arbeiten die Transistoren T₁ und Tp immer in Bereichen, bei denen der Emitter-ZKollektorwiderstand relativ klein ist. Der Wirkungsgrad der dargestellten Schaltung liegt über 50%.

Die Widerstands- und Kapazitätswerte sind in der Zeichnung für das dargestellte Ausführungsbeispiel angegeben. Für die Halbleiterbauelemente sind folgende Typen verwendbar:

T₁, T₂: 2 N 5883
T₃, T₄, T₅: 2 N 2219A
D₁, D₂: TN 485B
Operationsverstärker 11, 13: LM 307H

Claims (3)

1. Hewlett-Packard GmbH
   Int. Az.: DT 68

   PATENTANSPRÜCHE

   ( !.Lineares geregeltes Netzteil mit einer ersten veränderlichen Gleichspannungsquelle (U.), einem Verbraucheranschluß (A), einer Referenzspannungsquelle (U_R), einem Komparator (13) für den Spannungsvergleich zwischen Verbraucheranschluß und Referenzspannungsquelle, sowie mit einem Stellglied (T.) mit spannungsabhängigem Wirkungsgrad für die Einstellung der Spannung am Verbraucheranschluß auf einen konstanten Wert entsprechend dem Ausgangssignal des Komparators_s gekennzeichnet durch mindestens eine zweite ungeregelte Gleichspannungsquelle (U₂) mit von der der ersten unterschiedlicher, aber sich gleichförmiger ändernder Spannung, ein zweites damit verbundenes Stellglied (Tp)₉ sowie eine Umschalteinriehr tung (11, T₃₉ T-), die den Verbraucheranschluß auf jeweils dasjenige Stellglied schaltet, das bei der jeweiligen Spannung der zugehörigen Spannungsquelle den höchsten Wirkungsgrad hat.
2. 2. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (T,, T^) pnp-Transistören sind, die mit ihren Kollektor-jiEmitterpfaden zwischen die jeweiligen Spannungsquellen (U., U^) und den Verbraucheranschluß (A) geschaltet sind.
3. 3. Netzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den Spannungen beider veränderlichen Gle4ctrs|Sa"nnungsquellen (U., U~) etwa halb so groß ist, wie das Verhältnis zwischen der höchsten und der niedrigsten möglichen Spannung jeder Gleichspannungsquelle.