DE3144696C2 - Geregeltes Netzteil - Google Patents

Abstract

Ein lineares geregeltes Netzteil weist zwei ungeregelte Gleichspannungsquellen auf, die sich gleichförmig ändern, so daß ihr gegenseitiges Verhältnis im wesentlichen konstant bleibt. Jede dieser Gleichspannungsquellen ist über ein eigenes Stellglied mit einem Verbraucheranschluß verbunden. Beide Stellglieder bewirken die Konstanthaltung der Ausgangsspannung entsprechend einer Referenzspannungsquelle. Eine Umschalteinrichtung schaltet den Verbraucheranschluß auf jeweils dasjenige Stellglied, das bei der jeweiligen Spannung der zugehörigen Gleichspannungsquelle den höchsten Wirkungsgrad hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein linear geregeltes Netzteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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 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 potentialfrei angeordnet werden müssen.

Lineare Netzteile haben gegenüber geschalteten Netzteilen 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 Stelltransistor für die Spannungsregelung. Alle diese Bauelemente können im allgemeinen auf Kühlkörpern angebracht werden, die mit dem Gerätegehäuse verbunden sind.

Nachteilig bei linearen Netzteilen ist jedoch der gegenüber geschalteten Netzteilen geringere Wirkungsgrad, der im allgemeinen bei etwa 30% liegt

Der Wirkungsgrad eines linearen Netzteils ist jedoch keine konstante Größe, sondern ist abhängig von der Differenz zwischen der Spannung der ungeregelten Gleichspannungsquelle und der Ausgangsspannung. Je höher diese Spannungsdifferenz ist, desto höher ist die Verlustleistung am Stelltransistor und desto geringer ist entsprechend der Wirkungsgrad des Netzteils. Aus der US-PS 34 14 802 ist ein lineares Netzteil bekannt, bei dem an zwei unterschiedlich hohe ungeregelte Gleichspannungsquellen zwei getrennte Regelkreise mit in Längsrichtung angeordneten Stelltransistoren angeschlossen sind, deren Ausgänge parallel an der Last liegen. Die Sollspannung des von der höheren ungeregelten Gleichspannung gespeisten Regelkreies liegt geringfügig niedriger als die Sollspannung des anderen Regelkreises. Solange der andere Regelkreis sich in seinem Arbeitsbereich befindet, versucht daher der erstgenannte Regelkreis seine Ausgangsspannung herunterzuregeln. Das führt dazu, daß sein Stellglied in seinen äußersten Sperrbereich gebracht wird und diesen Regelkreis somit abschaltet Erst wenn die ungeregelte Eingangsspannung des anderen Regelkreises soweit abfällt, daß dieser den ihm vorgegebenen Sollwert nicht mehr einregeln kann, tritt der erstgenannte Regelkreis in Aktion und regelt die Ausgangsspannung auf seinen Sollwert ein. Nachteilig ist dabei, daß beim Übergang von dem einen zum anderen Regelkreis ein Sprung in der Ausgangsspannung auftritt, da die beiden Sollspannungen etwas voneinander unterscheiden. Außerdem wird beim Übergang auf den anderen Regelkreis der erstgenannte Regelkreis nicht abgeschaltet, sondern arbeitet im Sättigungsbereich seines Stelltransistors weiter. Gegenüber linearen Netzteilen mit nur einem Regelkreis hat das Netzteil gemäß US-PS 34 14 802 zwar einen etwas höheren Wirkungsgrad, jedoch wird der Wirkungsgrad geschalteter Netzteile nicht erreicht

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein lineares geregeltes Netzteil zu schaffen, das einen gegenüber den bekannten linearen Netzteilen signifikant höheren Wirkungsgrad hat Außerdem soll es eine Ausgangsspannung liefern, die über den gesamten Regelbereich konstant bleibt Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet

Durch passende Umschaltung zwischen den parallelen Stellgliedern bzw. Spannungsquellen wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, daß das jeweils 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. Dabei arbeitet abgesehen vom Umschaltbereich immer nur ein Stellglied bzw. Regelkreis. Die Umschaltung erfolgt so, daß in der Ausgangsspannung keine Sprünge auftreten.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist im Anspruch 2 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 sind, d. h. deren

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Verhältnis zueinander im wesentlichen konstant bleibt, wobei V\>Ui ist Vorzugsweise handelt es sich dabei jm die gleichgerichteten Ausgangsspannungen verschiedener Anzapfungen der Sekundärwicklung eines Netztransformators. In diesem Falle ist aurfi für jede Anzapfung dem zugehörigen Gleichrichter der üblichen Glättungskondensator nachgeschaltet Die Spannungsquellen Ui und U₂ sind über den Emitter-ZKollektor-Pfad eines pnp-Transistors T₁ bzw. eines pnp-Transistors T₂ mit einer Ausgangsklemme A verbunden, an welcher an einen Lastwiderstand Rl eine konstante Ausgangsspannung Ua abgegeben werden soll. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Ausgangsspannung (/_Λ=+5ν, und die veränderlichen Spannungsquellen haben die Nennspannungen U\ = 9,5 V und U₂=S^ V.

Die Basen der Transistoren T_x und T₂ sind mit den Kollektoren von npn-Transistoren Ta bzw. T₃ verbunden, die zusammen einen Differenzverstärker bilden. Die Emitter der Transistoren T₃ und Ta sind gemeinsam über den Emitter-/Kollektorpfad eines npn-Transistors Ts mit Masse verbunden. Die Basis des Transistors T₃ ist mit eine Konstantspannungsquelle von + 4 V verbunden, während die Basis des Transistors Ta mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 11 verbunden ist Der positive Eingang des Operationsverstärkers 11 ist ebenfalls mit einer Kontantspannungsquelle von +4 V verbunden. Sein negativer Eingang ist mit dem Ausgang eines an die Spannungsquelle U₂ angeschlossenen Spannungsteilers verbunden, der aus Widerständen R_x und R₂ besteht Der negative Eingang und der Ausgang des Operationsverstärkers 11 sind durch ein Rückkopplungsnetzwek überbrückt, das aus der Parallelschaltung von zwei gegensinnig gepolten Dioden D_x und D₂ sowie einem Kondensator Cbesteht

Die Basis des Transistors Tj ist mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 13 verbunden, dessen negativer Eingang mit der Ausgangsklemme A und dessen positiver Eingang mit einer Referenzspannungsquelle Ur verbunden ist Die Referenzspannungsquelle Ur stellt den Sollwert für die Ausgangsspannung U_A dar to und beträgt im vorliegenden Beispiel + 5 V.

Je nach Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 11, die +4 V ± Schwellenspannung der Diode D_x bzw. D₂ beträgt, ist in der Regel nur einer der Transistoren T₃ und Ta durchgeschaltet. Somit ist auch nur je- « weils einer der als Stellglieder arbeitenden Transistoren Ti und T₂ leitend, während der jeweils andere gesperrt ist Der jeweils leitende der beiden Transistoren T) und T₂ wird vom Ausgangssignal des Operationsverstärkers 13 über den Transistor T₅ und einen der Transistoren T₃ und Ta 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 Regelverhalten erreicht wird.

Der Spannungsteiler aus den Widerständen R_x und R₂

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55 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 Ua= Ur abgegeben werden kann. Im vorliegenden Beispiel muß die Spannungsquelle U₂ dazu mindestens eine Spannung von 5,5 V haben. Fällt sie darunter, fällt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers unter +4V, und Transistor T₃ wird leitend und Ta wird gesperrt Dadurch wird der Transistor T₂ gesperrt, und der Transistor Ti wird leitend und übernimmt die StellEliedfunktion für die Spannungsquelle t/j, deren Spannung höher als die der Spannungsquelle U₂ ist Das Rückkopplungsnetzwerk aus den Dioden A und D₂ sowie dem Kondensator C sorgt dafür, daß die Umschaltung zwischen den als Stellglieder wirkenden Transistoren ΤΊ und T₂ nicht abrupt erfolgt, sondern daß in einem Übernahmebereich ein kontinuierlicher Übergang zwischen 71 und T₂ erfolgt Dadurch wird vermieden, daß bei der Umschaltung Spannungspitzen an der Ausgangsklemme A auftreten.

Sind die Spannungsquellen U\ 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 7! und T₂ jedoch nicht in der Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme A bemerkbar.

Für die üblichen Netzspannungsschwankungen reicht im allgemeinen die im vorliegenden Beispiel beschriebene Umschaltung zwischen zwei Spannungsquellen U\ und U₂ 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 T\ und T₂ immer in Bereichen, bei denen der Emitter-/Kollektorwiderstand 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, Ta, T₅: ' 2 N 2219 A

D₁, D₂: IN 485 B

Operationsverstärker 11, 13: LM 307 H

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. linear geregeltes Netzteil mit einer ersten ungeregelten Gleschspannungsquelle (UO, einem Verbraucheranschluß (AX einer Quelle for eine erste konstante Referenzspannung (UrX einer ersten Komparatorschaltung (13) für den Spannungsvergleich zwischen Verbraucheranschluß und erster Referenzspannung und einem Stellglied (TJ mit ausgangsspannungsabhängiger Verlustleistung für die Einstellung der Spannung am Verbraucheranschluß auf einen konstanten Wert entsprechend dem Ausgangssignal des Komparator^, sowie mit mindestens einer zweiten ungeregelten Gleichspannungsquelle (U₂) mit von der ersten unterschiedlicher, aber sich gleichförmig ändernder Spannung und einem mit dem ersten Stellglied gleichartigen zweiten Stellglied (T₂), das die zweite Gleichspannungsquelle mit dem Verbraucheranschluß verbindet, dadurch gekennzeichnet,

daß eine mit beiden Stellgliedern (T₁, ^verbundene Umschalteinrichtung (T₃, T₄) vorgesehen ist, die mit einer zweiten Komparatorschaltung (11, D_x, D₂) verbunden ist, die die Spannung einer der ungeregelten Gleichspannungsquellen (U₂) mit einer zweiten konstanten Referenzspannung (+ 4 V) vergleicht, und
daß die Umschalteinrichtung entsprechend dem Vergleichsergebnis dasjenige Stellglied aktiviert, dessen Verlustleistung bei der jeweiligen Spannung am Verbraucheranschluß am kleinsten ist.

2. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekenn-, zeichnet, daß das Verhältnis zwischen den Spannungen beider veränderlicher Gleichspannungsquellen (Uu U₂) etwa halb so groß ist, wie das Verhältnis zwischen der höchsten und der niedrigsten möglichen Spannung jeder Gleichspannungsquelle.