DE3245112A1

DE3245112A1 - Netzgeraet

Info

Publication number: DE3245112A1
Application number: DE19823245112
Authority: DE
Inventors: William Paul Albany N.Y. Kornrumpf
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1981-12-11
Filing date: 1982-12-07
Publication date: 1983-06-16
Also published as: NL8204644A; GB2111259A; BE895310A; GB2111259B; FR2518329A1; US4422138A; JPS58119016A; BR8207331A

Description

9O21-RD-13191

Netzgerät

Die Erfindung bezieht sich auf Niederspannungsnetzgeräte und betrifft insbesondere ein neues Hochfrequenznetzgerät zum Speisen einer Niederspannungsbelastung mit einem im wesentlichen konstanten Belastungsstrom.

Es ist häufig erwünscht, eine Niederspannungsbelastung an einer Quelle relativ höherer Wechselspannung zu betreiben. Es gibt insbesondere eine Kategorie von Niederspannungslampen (24-36 V), die leistungsfähiger sind, weil der Lampenglühfaden bei einer Temperatur betrieben wird, die höher ist als die, die üblicherweise für den Lampenbetrieb benutzt wird. Es ist äußerst erwünscht, diese Lampen relativ niedriger Spannung am üblichen Wechselstromnetz, das eine effektive Nennspannung von 120 V hat, im Wohnbereich und im industriellen Bereich zu betreiben. Die bloße Verringerung der Netzspannung über einen Abwärtstransformator od.dgl.

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reicht jedoch nicht aus, um eine sorgfältig gesteuerte Lampenglühfadentemperatur zu erreichen, damit eine vernünftige Lampenlebensdauer bei kontrollierter Lichtausbeute der Lampe gewährleistet ist. Ein Netzgerät, das in der Lage ist, eine Belastung mit niedrigerer Spannung aus einem Netz höherer Spannung zu versorgen und dabei den Belastungsstrom zu steuern, ist daher äußerst erwünscht.

Gemäß der Erfindung enthält eine Einrichtung zum Liefern von Strom an eine Niederspannungsbelastung aus einer Quelle hoher Spannung die Reihenschaltung aus einem Spartransformator, einer Stromschaltvorrichtung und einem Stromabfühlelement an dem Netz, wobei die Belastung an eine Sekundärwicklung des Spartransformators angeschlossen ist. Der Transformatorstrom wird, wenn die Schaltvorrichtung im leitenden Zustand ist, an dem Abfühlelement abgefühlt und zum Steuern des Anteils eines Zeitintervalls benutzt, dessen Dauer mehrere Größenordnungen kleiner ist als die Dauer der Periode der Spannungsschwingung der Quelle, um einen Spitzenwertwechselrichter zu schaffen, der einen gesteuerten Belastungsstrom liefert.

In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schaltvorrichtung eine zweiseitig leitende Vorrichtung, während in anderen bevorzugten Ausführungsformen eine einseitig leitende Vorrichtung benutzt wird, mit einer Diodenbrückenschaltung, die entweder um die Schaltvorrichtung oder an dem Netzeingang des Netzgerätes gebildet ist. Eine Beschädigung der Schaltvorrichtung durch eine Überspannung wird dadurch verhindert, daß eine Varistor-Spannungsbegrenzungseinrichtung od.dgl. oder eine Uberwachungswicklung benutzt wird, um den "Ein"-Anteil der Schaltvorrichtung für ein HochfrequenzversorgungsperiodenzeitIntervall zu'verringern und so die Spannung an der Spartransformatorprimärwicklung zu verringern, wenn die Schaltvorrichtung abschaltet.

BAD ORIGINAL

Die Erfindung schafft demgemäß ein neues Hochfrequenznetzgerät zum Speisen einer Niederspannungslampe und ähnlicher Belastungen.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild eines Niederspannungsnetzgerätes nach der Erfindung,

die Fig. 1a,Ib Schaltbilder von anderen Ausführungsformen eines Niederspannungsnetzgerätes nach der Erfindung, in welchem ein einseitig leitendes Schaltelement benutzt wird,

die Fig. 2a-2c koordinierte graphische Darstellungen der

verschiedenen Schwingungen, die in den Schaltungen in den Fig. 1-1b auftreten,

Fig. 3 ein Schaltbild der gegenwärtig bevorzugten

Ausführungsform nach Fig. Tb, die die gegenwärtig bevorzugt verwendete Steuerschaltungsanordnung enthält, und

die Fig. 4a-4f koordinierte graphische Darstellungen der

Schwingungen, die in der Ausführungsform nach Fig. 3 auftreten.

Gemäß Fig. 1 empfängt ein Niederspannungsnetzgerät 10 zum Speisen einer Niederspannungsbelastung 11, z.B. einer Glühlampe od.dgl., Strom aus dem Wechselstromnetz, das durch einen Stecker 12 dargestellt ist. Ein Spannungsabwärtsspartransformator 14 ist in Reihe mit einem Ein/Aus-Schalter 16, einer Wechselstromschaltvorrichtung 18 und einem Stromab-

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tastwiderstand 20 mit der Widerstandsgröße R an das Netz angeschlossen. Die Belastung 11 ist an einen ersten Teil 14a des Spartransformators angeschlossen; der Teil 14a hat N. Windungen, während der übrige Spartransformatorteil 14, KL· Windungen hat. Eine Steuerschaltungsanordnung 22 empfängt Betriebsstrom an einem Eingang 22a in bezug auf eine gemeinsame Klemme 22b. Die Spannung an dem Abtastwiderstand 20 wird an einen ersten Signaleingang 22c der Steuerschaltungsanordnung angelegt, und ein Ausgang 22d liefert ein Signal zum Umschalten der Schaltvorrichtung 18 in den leitenden "Ein"- und 'den nichtleitenden "Aus"-Zustand mit einer relativ hohen frequenz (typisch mehrereGrößenordnungen größer als die Frequenz des Netzes 12). Der Stromversorgungseingang 22a der Steuerschaltungsanordnung 22 ist mit der Verbindung zwischen dem Spartransformator 14 und der Schaltvorrichtung 18 verbunden, ebenso wie eine Klemme einer zweiseitigen Spannungsbegrenzungsvorrichtung 24, bei der es sich um einen Varistor od.dgl. handelt. Die andere Klemme des Varistors 24 ist sowohl mit einem zweiten Signaleingang 22e der Steuerschaltungsanordnung als auch über einen weiteren Abfühlwiderstand 26 der Größe R mit der gemeinsamen Klemme 22b verbunden.

Die Wechselstromschaltvorrichtung 18 kann irgendeine zweiseitig leitende Schaltvorrichtung sein, die ein- und ausgeschaltet werden kann. Diese Vorrichtung kann ein Wechselstromtransistor, ein symmetrischer Feldeffekttransistor od. dgl. sein. Vorrichtungen, wie beispielsweise ein Triac od. dgl. sind in der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung im allgemeinen als eine solche Vorrichtung nicht verwendbar, weil sie in den leitenden "Ein"-Zustand zwar geschaltet werden können, aber über ihre Steuerelektrode nicht zu jeder Zeit wieder in den "Aus"-Zustand geschaltet werden können. Falls die Belastung 11 an dem Spartransformator 14 einen offenen Stromkreis darstellt, so würde dieser offene Stromkreis bewirken, daß eine relativ hohe Spannung an der Schaltvorrichtung 18 erscheint; der Spannungsbegrenzungswert des

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Varistors 24 ist so gewählt, daß die Spannung an der zweiseitigen Schaltvorrichtung 18 in diesem Fall begrenzt wird. Das ist besonders wichtig, weil die Steuerschaltungsanordnung 22 die Schaltvorrichtung 18 veranlassen wird, mit einer relativ hohen Frequenz umzuschalten, die wenigstens eine Größenordnung (und typisch zwei bis vier Größenordnungen) größer ist als die Netzfrequenz (60 Hz) in den Vereinigten Staaten, wodurch extrem große zeitliche Stromänderungen (di/dt) auftreten und große Spannungen an dem Spartransformator 14 und der Schaltvorrichtung 18 erzeugen können.

Aufgrund der gegenwärtig hohen Kosten einer zweiseitig leitenden Vorrichtung, die ein- und ausgeschaltet werden kann, wird gegenwärtig bevorzugt eine einseitig leitende Schaltvorrichtung 28 benutzt, wie sie in den Fig. 1a und 1b gezeigt ist. Vorzugsweise ist die einseitig leitende Schaltvorrichtung 28 ein Leistungstransistor. Ein Brückengleichrichter 30, der aus vier einseitig leitenden Elementen 30a-3Od, wie beispielsweise Dioden od.dgl. besteht, wird benutzt, um einen Stromfluß in einer Richtung durch den Transistor zu gestatten. Die Vorrichtung 28 und die Brückenanordnung ersetzen somit die Wechselstromschaltvorrichtung 18. In der Ausführungsform nach Fig. 1a ist die Brückenanordnung 30 zwischen der Stromquelle (d.h. dem Netzeingang 12) und dem Spartransformator 14 gebildet und enthält daher die einseitige Schaltvorrichtung in einer Vollwegbrückenschaltung. In dieser Schaltungsanordnung wird der Strom in dem Spartransformator 14 noch zwei Richtungen haben, wie in der Schaltung nach Fig. 1, während der Strom in der Vorrichtung 28 eine Richtung haben wird, und zwar aufgrund der Gleichrichtung durch den Brückengleichrichter 30. Wegen der hohen Impulsfrequenz, die benutzt wird, und wegen der hohen Ein- und Ausschaltgeschwindigkeiten des Leistungstransistors 28 müssen die Brükkengleichrichterdioden 30a-30d Hochgeschwindigkeitsvorrich-

-for

tungen sein; die Verwendung von relativ langsamen Gleichrichtern würde zu sehr hohen transienten Strömen führen, insbesondere während der Einschaltung der Vorrichtung 28.

Eine noch kostengünstigere Schaltung ist die nach Fig. 1b, in der relativ langsame Dioden 30a'-3Od¹ in einem Vollwegnetzgleichrichter 30' benutzt werden, um eine gleichgerichtete Netzgleichspannung sowohl an dem Spartransformator 14' als auch an die Schaltvorrichtung 28 anzulegen. In dieser Schaltung 10'' brauchen die Gleichrichter 30a'-3Od¹ nur die Netzspannung (d.h. eine effektive Spannung von ungefähr 120 V) auszuhalten und können relativ langsame 60-Hz-Vorrich tungen sein. In beiden Schaltungen 10' und 10'' kann die einseitig leitende Vorrichtung 28 ein Bipolartransistor, ein Leistungsfeldeffekttransistor, ein Vollsteuergatter- oder GTO-Thyristor oder eine ähnliche Vorrichtung sein.

In der Schaltung nach Fig. 1b ändert das Netzgerät seine Polarität nicht bei jeder Halbperiode, wie es in den Schaltungen 10 und 10' nach den Fig. 1 und 1a der Fall ist, und es wird ein sogar noch größerer Schaltungswirkungsgrad erzielt, indem eine verlustlose Technik benutzt wird, um die Spannung an dem Leistungstransistor 28 zu begrenzen. Bei dieser verlustlosen Technik wird eine Überwachungswicklung 14c benutzt, die N Wicklungen auf demselben Kern wie die Spartransformatorwicklungen 14a¹ und 14b¹ hat. Die Katode einer Schutzdiode 32 ist mit demjenigen Ende der Überwachungswicklung 14c verbunden, das nicht mit der Belastung verbunden ist, während die Anode der Schutzdiode 32 mit dem Eingang 22e'' der Steuerschaltungsanordnung und mit dem zweiten Abfühlwiderstand 26 verbunden ist. Semit wird der durch die Überwachungswicklung 14c fließende Strom überwacht (durch Umwandlung in eine Spannung, die an dem zweiten Abfühlwiderstand 26 auftritt) und dazu benutzt, das Tastverhältnis der Ansteuer-

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impulse an dem Ausgang 22d" der Steuerschaltungsanordnung zu verändern, damit ein übermäßiges Leiten des Schaltvorrichtungskollektorstroms I_n-. verhindert wird, wenn eine Belastung (Lampe) 11 entweder nicht an dem Spartransformator vorhanden ist oder durchgebrannt ist. In der Schaltung 10'' in Fig. 1b kann eine kleine Gleichspannung an der Belastung aufgrund der Auswirkungen des Transformatorwicklungswiderstands vorhanden sein; aufgrund des zweiseitigen Stromflusses zu dem Spartransformator in den Schaltungen 10 und 10' tritt an der Belastung keine Gleichstromkomponente auf.

Gemäß den Fig. 1-1b und 2a-2c arbeiten alle Schaltungen 10, 10' und 10'' im wesentlichen auf dieselbe Weise. Am Anfang ist die Schaltvorrichtung im nichtleitenden "Aus"-Zustand, wodurch der Vorrichtungsstrom I₀₁ (Fig. 2a) im wesentlichen null ist. Vorstehendes gilt ungeachtet dessen, ob die Ein- · gangsspannung V_1n in der positiven Halbperiode oder in der negativen Halbperiode ist. Zu Erläuterungszwecken wird im folgenden angenommen, daß die Aktivität während einer positiven Halbperiode erfolgt, obgleich Aktivität während einer negativen Halbperiode lediglich bedeutet, daß in der Schaltung 10' die Richtung des Belastungsstroms I (Fig. 2b) umgekehrt ist und daß in der Schaltung 10 der Belastungsstrom, der Vorrichtungsstrom und die Schaltvorrichtung^spannung (Fig. 2a-2c) während dieser Halbperiode alle umgekehrt sind.

Zu einer Zeit t,, steuert ein geeignetes Signal an dem Steuerschaltungsanordnungsausgang 22d die Schaltvorrichtung Q₁ in den leitenden "Ein"-Zustand. Die geschlossene Schaltvorrichtung bewirkt, daß ein Belastungsstrom I₁. fließt, dessen Größe im wesentlichen gleich V N₁/IL (N^N₂) ist. Die Schaltvorrichtungsspannung V₀₁ fällt im wesentlichen auf null ab, und der Schaltvorrichtungsstrom I₁ steigt auf einen reflektierten Belastungsstrom I_n an. Somit wird im wesentlichen die volle Eingangsspannung an den Spartransformatorwicklungen

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14a und 14b eingeprägt; der Strom, der durch die Schaltvorrichtung fließt, ist nun der reflektierte Belastungsstrom I_R. Der Transformatormagnetisierungsstrom steigt danach an, und zwar in dem Teil 40 in Fig. 2a, bis zu einem Zeitpunkt t , in welchem die Steuerschaltungsanordnung 22 die Schaltvorrichtung in den nichtleitenden "Aus"-Zustand schaltet, indem sie deren Ansteuerung beseitigt. Der offene Stromkreis der Schaltvorrichtung bewirkt, daß der Schaltvorrichtungsstrom I₀₁ im wesentlichen auf null abfällt, und die gespeicherte Energie wird in Form von Kernmagnetisierungsstrom in dem Transformator 14 zu der TransformatorSekundärwicklung 14a übertragen und bewirkt eine schnelle Belastungsstrompolaritätsumkehr. Der Belastungsstrom umgekehrter Polarität (Fig. 2b) hat nun eine Größe, die umgekehrt proportional zu dem Windungsverhältnis (η,,/η+η-) und zu dem Scheitelwert (I -I_R) des Transformatormagnetisierungsstromteils 40 ist. Die Schaltungsparameter und die Zeitsteuerung der Steuerschaltung sind so eingestellt, daß gleichzeitig damit im Zeitpunkt t₁ die Spannung V_Q1 (Fig. 2c) im wesentlichen auf das Doppelte der Eingangsspannungsgröße ansteigt. Anschließend fällt, bis die Schaltvorrichtung wieder im Zeitpunkt t- eingeschaltet wird, der Belastungsstrom Ι_ auf null ab, und die Schaltvorrichtungsspannung V_Q1 fällt auf die Eingangsspannungsgröße V_TN mit einer Zeitkonstante T ab, deren Große, von der Induktivität und dem Widerstand in der Spartransformatorschaltung abhängig ist. Zur Zeit t_ beginnt der gesamte Zyklus erneut. Da ein Zyklus von der Zeit t_Q bis zu der Zeit t₂ nur 10 με erfordert, ändert sich die Größe der Eingangsspannung ν. auf der Basis von einem Schaltzyklus zum nächsten nicht nennenswert.

Wenn, wie weiter oben erwähnt, die Belastung 11 aus irgendeinem Grund von der Spartransformatorsekundärwicklung 14a getrennt wird, steigt die Spannung an dem zweiten Abfühlwiderstand 26 an und verringert die leitende "Ein"-Zeit (das

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Intervall zwischen dem Zeitpunkt t_Q. und dem Zeitpunkt t-) der Schaltvorrichtung, um den Spitzenstrom und damit die Größe der Spannungsspitze zu verringern, wenn die Vorrichtung 18 oder 28 ausgeschaltet wird. Ebenso überwacht die Steuerschaltungsanordnung 22 auch die Spannung an dem ersten Abfühlwiderstand 20, die zu dem Vorrichtungsstrom I_n1 proportional ist, der den Belastungsstrom I, wiedergibt. Die Dauer des leitenden "Ein"-Zustands wird daher durch die Steuerschaltungsanordnung 22 so eingestellt, daß ein gewünschter Belastungsstrom erhalten und aufrechterhalten wird. .

Es wird' nun auf die Fig. 3 und 4 (Kurven a-f) Bezug genommen und eine gegenwärtig bevorzugte Steuerschaltungsanordnung 22' beschrieben, die in der gegenwärtig bevorzugten Schaltung 10'' benutzt wird. Die Steuerschaltungsanordnung 22' enthält einen ersten und einen zweiten Vergleicher 50 und 52, die jeweils das Betriebspotential zwischen einem Potentialbus 54 und einem gemeinsamen Bus 56 empfangen. Der gemeinsame Bus 56 ist mit der Klemme 22b'¹ der Steuerschaltungsanordnung verbunden. Der Potentialbus 54 ist mit dem Steuerschaltungsanordnungseingang 22a¹' über ein Widerstandselement 54 verbunden. Ein invertierender Eingang 50a des ersten Vergleichers 50 ist mit dem Steuerschaltungsanordnungseingang 22c¹¹ an dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Abfühlwiderstand 20 und der Emitterelektrode der Schaltvorrichtung 28 verbunden. Ein nichtinvertiorender Eingang 50b des ersten Vergleichers 50 ist mit der Basiselektrode eines Transistors 60 verbunden. Die Emitterelektrode des Transistors 60 ist über einen Widerstand 62 mit dem gemeinsamen Bus 56 verbunden. Die Kollektorelektrode des Transistors 60 ist über einen Kondensator 64 mit dem Betriebpotentialbus 54 verbunden. Der Emitter-Kollektor-Kreis eines weiteren Transistors 66 ist an den Kondensator 64 angeschlossen, während die Basiselektrode des Transistors 66 mit dem Ausgang 50c des ersten Vergleichers 50 verbunden ist. Die Verbindung zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren

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-AT-

60 und 66 und dem Kondensator 64 ist mit einem invertierenden Eingang 52a des zweiten Vergleichers 52 verbunden. Ein Spannungsteiler, der aus Widerstandselementen 68 und 70 besteht, ist zwischen den Betriebspotentialbus 54 und den gemeinsamen Bus 56 geschaltet. Die yerbindung zwischen den Widerstandselementen 68 und 70 ist mit einem nichtinvertierenden Eingang 52b des zweiten Vergleichers 52 verbunden. Der Ausgang 52c des zweiten Vergleichers 52 ist mit dem Ausgang 22d" der Steuerschaltung sanordnung und dem der Steuerelektrode (Basiselektrode) der Schaltvorrichtung 28 verbunden.

Die Basis des Transistors 60 ist über ein Widerstandselement 72 mit dem gemeinsamen Bus Γ>6 und über ein Widerstandiselement 74 mit einer Klemme eines Kondensators 76 verbunden. Die andere Klemme des Kondensators 76 ist mit dem Massebus 56 verbunden. Die Verbindung zwischen dem Widerstand 74 und dem Kondensator 76 ist außerdem über einen Widerstand 78 mit dem Betriebspotentialbus 54 und über einen weiteren Widerstand 80 mit der Kollektorelektrode eines dritten Transistors 82 verbunden. Die Basiselektrode des Transistors 82 ist mit dem gemeinsamen Bus 56 verbunden, während seine Emitterelektrode mit dem Eingang 22e'' der Steuerschaltungsanordnung verbunden ist. Die Größe V des Betriebspotentials an dem Bus 54 wird durch eine Spannungsregeldiode (Z-Diode) 84 festgelegt, die in Verbindung mit einem Filterkondensator 86 arbeitet, der zwischen den Bus 54 und den gemeinsamen Bus 56 geschaltet ist.

Im Betrieb wird ein Spitzenstrom-gesteuerter Wechselrichter gebildet, bei dem der Transistorstrom durch den ersten Vergleieher 50 an dem ersten Abfühlwiderstand 20 überwacht wird. Zu einer Zeit unmittelbar vor der Zeit t_Q nimmt das Signal an dem Ausgang 52c des zweiten Vergleichers 52 den Signalwert H an, wodurch der Ausgang 22d' der Steuerschaltungsanordnung ausreichend angesteuert wird, um die Schaltvorrichtung 28 im Zeitpunkt

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t_n einzuschalten. Demgemäß nimmt im Zeitpunkt t_Q der Vorrichtungskollektorstrom I₀₁ (Kurve a) abrupt auf den reflektierten Belastungsstromwert I₁ zu. Der Kollektorstrom

.κ ι

steigt anschließend daran aufgrund des Spartransformatormagnetisierungsstroms an, bis ein Spitzenstrom der Größe I_p1 zur Zeit t.. erreicht wird. Zu dieser Zeit liefert der Transistoremitterstrom, der durch den ersten Abfühlwiderstand 20 fließt, eine Spannung an einem ersten Steuerschaltungsanordnungseingang 22c¹¹ und dem Eingang 50a des ersten Vergleichers 50, die größer ist als eine Referenzspannung, die an dem Eingang 50b des ersten Vergleichers 50 anliegt. Demgemäß geht das Ausgangssignal an dem Ausgang 50c des ersten Vergleichers 50 (Kurve b) abrupt von einem Signalwert H auf einen Signalwert L (im wesentlichen der Wert null), was bewirkt, daß der Transistor 66 eingeschaltet und der Kondensator 64 entladen wird. Daher wird die Spannung V an dem Kondensator 64 im wesentlichen V , der Spannung an dem Betriebspotpntialbus 54, zur Zeit t₁. Der größere Spannungswert V erscheint an dem Eingang 52a des zweiten Verglei-.chers 52 und ist größer als die Spannung V , die durch den aus den Widerständen 68 und 70 gebildeten Spannungsteiler an den anderen Eingang 52b des zweiten Vergleichers 52 angelegt wird;, wodurch das Ausgangssignal an dem Ausgang 52c des zweiten Vergleichers 52 (Kurve d) auf einen Signalwert L abfällt und die Vorrichtung 28 abschaltet. Der Strom, der vorher in dem Transformator 14' floß, fließt durch die Impedanz der Belastung 11 und die KL Windungen der Sekundärwicklung 14a¹. ί
j

Nachdem djer Transistor 28 abgeschaltet worden ist, hört der Strom auf., durch den Abfühlwiderstand 20 zu fließen, und die Spannung an dem Eingang 50a des ersten Vergleichers 50 wird verringert. Daraufhin kehrt das Signal an dem Ausgang 50c des eirsten Vergleichers 50 zu dem hohen Ausgangsspannungszustand an dem Punkt 90 zurück, was bewirkt, daß der

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- Λ/ir -

-Λ9-

Transistor 66 abgeschaltet wird und daß dem Kondensator gestattet wird, sich auf das Potential des gemeinsamen Busses 56 über eine Stromquelle aufzuladen, die den Transistor 60 enthält. Die Spannung V beginnt daher zu fallen, mit einer Steigung m.. , die durch den durch die Vorrichtung 60 fließenden Strom festgelegt ist. Die Vorrichtung 60 bildet in Verbindung mit den Widerständen 62, 72 und 74 eine veränderbare Stromquelle zum Aufladen des Kondensators 64 in Abhängigkeit von der Spannung V_,die an dem Kondensator erscheint. Daher ist die Steigung m₁ der Spannung V proportional zu der Spannung V an dem Kondensator 76. Weil der

durch die Widerstände 72 und 74 gebildete Spannungsteiler nicht nur den Ladestrom des Kondensators 64, sondern auch die Vergleichsspannung an dem Eingang 5Od des ersten Vergleichers 50 festlegt, sind der Spitenstromvergleichspunkt und der Abschaltpunkt des Transistors 28 beide proportional zu der Spannung V_ an dem Kondensator 76.

Die Spannung V fällt für ein Zeitintervall T₁ weiter ab, bis die Spannung an dem Eingang 52a des zweiten Vergleichers 52 im wesentlichen gleich der Spannung V an dem Eingang 52b des zweiten Vergleichers 52 ist. Zur Zeit t2 nimmt das Signal an dem Ausgang 52c des zweiten Vergleichers 52 wieder den Signalwert H an, der Transistor 28 wird eingeschaltet und liefert einen weiteren Kollektorstromimpuls über den Spartransformator 14' zu der Belastung 11. Der Kollektorstromimpuls der Vorrichtung 28 hält bis zur Zeit t, an, zu der die Spannung an dem Abfühlwiderstand 20 in dem Ausmaß zunimmt, daß das Signal an dem Ausgang 50c des ersten Vergleichers 50 wieder gesenkt und der Kondensator 64 über den Transistor 66 entladen wird. Dieser zyklische Vorgang setzt sich solange fort, wie der Schaltung 10'' Strom zugeführt wird, wenn sich die Spannung V an dem Kondensator 76

(Kurve f) nicht nennenswert ändert.

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Wenn sich die Impedanz der Belastung 11 ändert, was zu Veranschaulichungszwecken im Zeitpunkt t-, erfolgt, wird die Größe der Spannung (~^v _n) an der Uberwachungswicklung 14c ausreichend groß, um die Diode 32 in Durchlaßrichtung zu betreiben und eine von null verschiedene und eine negative Polarität aufweisende Spannung an dem zweiten Abfühlwiderstand 26 erscheinen zu lassen. Diese negativgehende Änderung in der normalerweise den Wert null aufweisenden Spannung V_RS an dem zweiten Eingang 22e'' (dargestellt als Teil 92 der Kurve e) bewirkt, daß der Transistor 82 eingeschaltet wird. Der Transistor 82 bleibt eingeschaltet, bis die Überwachungswicklungsspannung zu einem vorbestimmten Wert im Zeitpunkt t. zurückkehrt, wobei dieser Wert durch das Verhältnis der Windungszahl N der Uberwachungswicklung und der Windungszahlen N.. und N2 der Transformatorwicklung zu der Größe R_c des zweiten AbfühlwiderStandselements 26 bestimmt wird. Während des Zeitintervalls zwischen dem Zeitpunkt t₃ und dem Zeitpunkt t, wird- die Spannung V an dem Kondensator 76 exponentiell verringert, und zwar mit einer Zeitkonstante, die in Beziehung zu dem Produkt aus der Kapazität des Elements 76 und dem Widerstand des Elements 80 steht. Daher wird die Größe der Referenzspannung V an dem Eingang des Spannungsteilers aus den Widerstandselementen und 74 verringert, wodurch die Referenzspannung sowohl an dem Eingang 50b des ersten Vergleichers 50 als auch an dem Stromquellenwiderstand 60 der Basiselektrode verringert wird. Demgemäß wird die Geschwindigkeit, mit der sich der Kondensator 64 auflädt, verringert, wodurch die effektive Steigung m₉ der Spannung V verringert wird und das Zeitintervall T~ auf weniger als die Steigung m.. in den vorherigen Perioden verringert wird. Deshalb wird das Zeitintervall T_ / das benötigt wird, bevor die Spannung V„ gleich der festen

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Spannung V ist, größer, und der zweite Vergleicher 52 schaltet die Vorrichtung 28 nicht für ein Zeitintervall ein, das größer ist als das Zeitintervall T₁ bei dem vorherigen Betrieb. Durch Vergrößern des "Aus"-Zeitintervalls wird der

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mittlere Strom in der Belastung verringert, um die frühere Impedanzzunähme zu kompensieren, die bestrebt war, den Belastungsstrom Ij. zu vergrößern. Wenn der Transistor 28 zur Zeit tr wieder eingeschaltet wird, hat die Spannung V an

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dem Kondensator 76 nur auf einen Wert V zugenommen, der kleiner als der Wert V der ursprünglich daran anliegenden Spannung ist. Da die Referenzspannung an dem Eingang 50b des ersten Vergleichers 50 nun niedriger ist als vorher, erreicht der Vorrichtungskollektor strom I_{n 1} einen viel niedrigeren Wert, bevor die Spannung V_n^, an dem ersten Abfühlwiderstand 20 ausreichend groß ist, um zu bewirken, daß das Signal an dem Ausgang 50c des ersten Vergleichers 50 den Signalzustand L annimmt und den Kondensator 64 entlädt, den Vergleicher 52 rücksetzt und die Basisansteuerung der Vorrichtung 28 beseitigt. Daher hört zur Zeit tg, zu der die Transistoreinschaltzeit t_c-t_c viel kleiner als die normale

D O

Transistoreinschaltzeit t,-t_? oder t.j-t₀ ist, die Vorrichtung 28 auf, dem Spartransformator zusätzlichen Strom zu liefern. Demgemäß wird eine kleinere Energiemenge in der Transformatorwicklung gespeichert und der Belastung 11 zugeführt, was eine Spannung an der Uberwachungswicklung 14c ergibt, die in der Lage ist, eine negative Spannung an dem Steuerschaltungsanordnungseingang 22e'' von kürzerer Dauer zu erzeugen, z.B. den Teil 94 der Spannung V_oc negativer Polarität. Es ist zu erkennen, daß der Teil 94 eine Dauer hat, die im Zeitpunkt t_fi beginnt und im Zeitpunkt t^ endet und beträchtlich kürzer ist als die Zeitdauer des Uberwachungswicklungsimpulses 92, die im Zeitpunkt t^ beginnt und im Zeitpunkt t^ endet. Da der Teil 94 eine kürzere Dauer hat, wird die Vorrichtung 82 für eine entsprechend kleinere Zeit freigegeben und die Referenzspannung V in kleinerem Ausmaß verringert als in bezug auf den Teil 92. Es sei angemerkt, daß in den Ausführungsformen 10 und 10', in denen ein Varistorelement 24 benutzt wird, diese Verringerung der Einschaltzeit der Uberwachungswicklung auch die Energie verringert, die von dem Varistor aufgenommen werden muß.

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Es ist außerdem zu erkennen, daß die Größe des Betriebspo-U-nl i.ilr. V und deshalb dir· Rcfcrcnzspannunq V durch die Wirkung der Spannunysi eye!diode 84 konstantgehalten wird, sollte sich die Netzspannung über normale Grenzen hinaus ändern; die Spitzenstroinsteueraspekte der Steuerschaltungsanordnung 22'· bleiben daher bei Netzspannungsänderungen relativ konstant, was eine größere Beständigkeit des BeIastungsStromverbrauches im Betrieb gewährleistet.

In den Systemen 10 und 10' mit zweiseitigem Stromfluß wird eine Diode 96 (in Fig. 3 gestrichelt dargestellt) in Reihe zu dem Eingangswiderstand 58 geschaltet, um die Wechselspannung gleichzurichten, die an den Filterkondensator 86 und den Spannungsregler 84 angelegt wird. In solchen Wechselstromsystemen kann ein zusätzlicher Transistor 82a parallel zu dem Transistor 82 angeordnet und so gepolt werden, daß der Transistor 82 einschaltet, wenn ein Impuls positiver Polarität an dem zweiten Abfühlwiderstand 26 erscheint, so daß die Referenzspannung V des zweiten Kondensators 76 entweder

während der positiven oder während der negativen Halbperiode der Netzwechselstromschwingung verändert werden kann. Ebenso können zusätzliche Vergleicher effektiv parallel zu dem ersten Vergleicher 50 erforderlich sein, um negative Spitzenströme in dem Abfühlwiderstand 20 zu erkennen, oder effektiv parallel zu dem zweiten Vergleicher 52, um die erforderliche Ansteuerung für eine zweiseitig leitende Vorrichtung (in dem System 10 nach Fig. 1) während der negativen Halbperiode der Quellenschwingung zu liefern.

Nachdem oben mehrere gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Hochfrequenznetzgerätes zum Speisen einer Niederspannungsbelastung beschrieben worden sind, liegen viele Änderungen und Modifizierungen desselben im Rahmen fachmännischen Könnens.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche :

1J Netzgerät zum Versorgen einer Belastung (11) mit einer Spannung, deren Größe von der einer Spannung, die eine Wechselstromquelle (12) liefert, verschieden ist, gekennzeichnet durch:

einen Spartransformator (14) mit einer angezapften Wicklung (14a, 14b), wobei die Belastung (11) an ein erstes Ende und an die Anzapfung der Wicklung angeschlossen ist; eine Schaltvorrichtung (18), die mit dem anderen Ende-der Wicklung verbunden ist und einen Stromfluß von der Quelle (12) über die Wicklung während der Dauer eines Steuersignals freigibt;

eine Einrichtung (20) zum Liefern eines Abtastsignals, dessen Größe von dem Augenblicksstrom abhängig ist, der durch die Schaltvorrichtung fließt; und

eine Steuerschaltungsanordnung (22) zum Liefern des Steuersignals mit einer Betriebsfrequenz, die um wenigstens eine Größenordnung größer ist als die Frequenz der Wechselstromquelle (12), und zum Einstellen des Zeitanteils in Abhängigkeit von der Abtastsignalgröße jeweils w.ihrend aufeinander-

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folgender Betriebsfrequenzperioden, während denen die Schaltvorrichtung (18) Strom leitet, um den Strom in der Belastung (11) auf einem im wesentlichen konstanten Wert zu halten.
2. Netzgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine an die Steuerschaltungsanordnung (22) angeschlossene Einrichtung (24) zum Schutz der Schaltvorrichtung (18) vor Beschädigung, falls die Belastung (11) nicht an das Netzgerät angeschlossen ist.
3. Netzgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Abtastsignal liefernde Einrichtung (20) und die Schaltvorrichtung (18) effektiv in Reihe mit der Wicklung (14a, 14b) an der Spannung der Quelle (12) liegen.
4. Netzgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die das Abtastsignal liefernde Einrichtung (20) ein Widerstandselement ist.
5. Netzgerät nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (18) eine in zwei Richtungen leitende Vorrichtung (28) enthält, die das Steuersignal empfängt und in den leitenden und in den nichtleitenden Zustand durch das Vorhandensein bzw. NichtVorhandensein des Steuersignals gesteuert werden kann.
6. Netzgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (28) ein Wechselstromtransistor ist, der einen Kollektor-Emitter-Kreis in Reihe mit der Wicklung (14a, 14b) und eine das Steuersignal empfangende Basiselektrode hat.
7. Netzgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (28) ein symmetrischer Feldeffekttransistor

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ist, der einen Drain-Source-Kreis in Reihe mit der Wicklung (14a, 14b) und eine das Steuersignal empfangende Gateelektrode hat.
8. Netzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (18) einen zwischen die Quelle (12) und ein Ende der Wicklung (14a, 14b) geschalteten Brückengleichrichter (30) und eine in einer Richtung leitende Vorrichtung (28) enthält, die zwischen den Brückengleichrichter und die Wicklung geschaltet ist, um den Stromfluß durch die Transformatorwicklung (14a, 14b) von der Quelle aus auf das Steuersignal hin zu bewirken.
9. Netzgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (18) ein Transistor (28) ist.
10. Netzgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltungsanordnung (22) und der Transistor (28) in dem Brückengleichrichter liegen.
11. Netzgerät nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine mit der Steuerschaltungsanordnung (22¹¹) verbundene Einrichtung (14c, 26, 32) zum Schutz der Schaltvorrichtung (28) vor Beschädigung, falls die Belastung (11) nicht mit dem Netzgerät verbunden ist.
12. Netzgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (14c, 26, 32) eine Einrichtung (26) enthält, die der Steuerschaltungsanordnung (22¹¹) ein weiteres Abtastsignal liefert, dessen Größe von der Augenblicksspitzenspannung an der Wicklung (14a¹, 14b¹) abhängig ist.
13. Netzgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die das weitere Abtastsignal liefernde Einrichtung einen Abtastwiderstand (26) und ein symmetrisches Spannunysbegren-

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zungselement (32) enthält, das zwischen den Abtastwiderstand und das andere Ende der Wicklung geschaltet ist.
14. Netzgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückengleichrichter (30') im wesentlichen ein Gleichstrompotential aus der Quelle (12) liefert und an die Reihenschaltung aus der Schaltvorrichtung (28), der Wicklung (14a¹, 14b¹) und der das Abtastsignal liefernden Einrichtung (20) anlegt.
15. Netzgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (28) ein Transistor ist.
16. Netzgerät nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (14c, 26, 32), die mit der Schaltungssteueranordnung (22*') verbunden ist, um die Schaltvorrichtung (28) vor Beschädigung zu schützen, wenn die Belastung (11) nicht mit dem Netzgerät verbunden ist.
17. Netzgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung enthält: einen Abtastwiderstand (26); eine Überwachungswicklung (14c) auf dem Spartransformator (14); und ein in einer Richtung leitendes Element (32), das zwischen die Überwachungswicklung und den Abtastwiderstand geschaltet und so gepolt ist, daß es nur leitet, wenn die Spannung an der Uberwachungswicklung eine vorbestimmte Polarität hat; wobei die Steuerschaltungsanordnung (22'') die Spannung an dem Abtastwiderstand empfängt, um die Zeit des leitenden Zustands der Schaltvorrichtung und die sich ergebende Spannung an der Wicklung zu verringern.
18. Netzgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltungsanordnung enthält: eine Einrichtung (84, 86) zum Liefern eines im wesentlichen konstanten Betriebspotentials in bezug auf ein gemeinsames SteuerSchaltungspotential;

eine Einrichtung (68, 70) zum Liefern eines ersten und eines zweiten Referenzpotentials, das aus dem Betriebspotential gewonnen wird;

ein kapazitives Element (64);

eine Einrichtung (60, 62, 72, 74) zum Aufladen des kapazitiven Elements auf das Betriebspotential mit einer Geschwindigkeit, die wenigstens zum Teil durch die Größe des ersten Referenzpotentials bestimmt wird;

eine Einrichtung (28, 50) zum Entladen des kapazitiven Elements (64), wenn die Größe des Abtastsignals größer ist als die des ersten Referenzpotentials; und eine Einrichtung (52) zum Liefern des Steuersignals nur dann, wenn die Große des Potentials an dem kapazitiven Element (64) kleiner ist als die Größe des zweiten Referenzpotentials.
19. Netzgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, das das kapazitive Element (64) eine erste Klemme hat, die das Betriebspotential (V ) empfängt, und eine zweite Klemme und daß die Aufladeeinrichtung (60, 62, 72, 74) einen Transistor (60) enthält mit einer Kollektorelektrode, die mit der zweiten Klemme des kapazitiven Elements (64) verbunden ist, mit einer Basiselektrode, die das erste Referenzpotential (V. ) empfängt und mit einer Emitterelektrode, und ein Widerstandselement (62), das zwischen die Transistoremitterelektrode und das gemeinsame Steuerschaltungspotential geschaltet ist.
20. Netzgerät nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungseinrichtung einen ersten Vergleicher (50), der einen ersten Eingang (50b) hat, welcher das erste Referenzpotential (V, ) empfängt, einen zweiten Eingang (50a), welcher· das Abtastsignal empfängt, und einen Ausgang (50c), der ein Signal in einem vorbestimmten Zustand immer dann liefert, wenn die Abtastsignalgröße größer ist als die Größe des ersten Referenzpotentials, und eine Schaltvorrichtung (66) enthält, die einen gesteuerten Kreis hat, der an das kapazitive Element (64) angeschlossen ist, und eine

Steuerelektrode, die das Ausgangssignal des ersten Vergleichers (50) empfängt, um einen niedrigen Widerstand an dem kapazitiven Element (64) zu schaffen, wenn das Ausgangssignal des ersten Vergleichers (50) in dem vorbestimmten Zustand ist.
21. Netzgerät nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die das Steuersignal liefernde Einrichtung einen zweiten Vergleicher (52) enthält, der einen ersten Eingang (52b) hat, welcher das zweite Referenzpotential empfängt, einen zweiten Eingang (52a), welcher das Potential an dem kapazitiven Element (64) empfängt,und einen Ausgang (52c), der das Steuersignal an die Schaltvorrichtung (28) immer dann abgibt, wenn die Größe des Potentials an dem zweiten Eingang (52a) des zweiten Vergleichers (52) größer ist als die Größe des Potentials an dem ersten Eingang (52b) des zweiten Vergleichers (52).
22. Netzgerät nach einem der Ansprüche 18 bis 21, gekennzeichnet durch einen Abtastwiderstand (26) , durch eine Überwachungswicklung (14c) auf dem Spartransformator (14) und durch ein in einer Richtung leitendes Element (32), das zwischen die Überwachungswicklung (14c) und den Abtastwiderstand (26) geschaltet und so gepolt ist, daß es nur leitet, wenn die Spannung an der Überwachungswicklung eine vorbestimmte Polarität hat, wobei die Steuerschaltungsanordnung (22¹¹) weiter eine Einrichtung enthält zum Verändern der Größe des ersten Referenzpotentials, um die Zeit des leitenden Zustands der Schaltvorrichtung und die sich ergebende Spannung an der Wicklung immer dann zu verringern, wenn die Spannung vorbestimmter Polarität an dem Abtastwiderstand vorhanden ist.
23. Netzgerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die das erste Referenzpotential liefernde Einrichtung ein weiteres kapazitives Element (76) und eine Einrichtung zum

Aufladen des weiteren kapazitiven Elements mit dem Betriebspotential enthält, daß die die Zeit des leitenden Zustande verringernde Einrichtung wenigstens einen Transistor (82) enthält, der eine Basiselektrode hat, die das gemeinsame Steuerschaltungspotential empfängt, eine Emitterelektrode, die die Abtastwiderstandsspannung (V_RS) empfängt, und eine Kollektorelektrode, und ein Widerstandselement (80) in Reihe zwischen der Kollektorelektrode und dem anderen kapazitiven Element (76) und mit einer Größe, die so gewählt ist, daß sich eine vorbestinunte Entladungszeitkonstante für das andere kapazitive Element immer dann ergibt, wenn der Transistor (82) dadurch zum Leiten veranlaßt wird, daß die Abtastwiderstandsspannung die vorbestimmte Größe hat.