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Elektronisches Schaltnetzteil
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Beschreibung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches
Schaltnetzteil zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers aus einer Wechsel-
oder Gleichspannungsquelle unterschiedlicher Spannungshöhe mit einem primär getakteten
Sperrwandler, bei dem in Reihe zur Primärwicklung eines übertragers die Schaltstrecke
eines ersten steuerbaren Halbleiterschalters und eines ersten Widerstandes und bei
dem parallel zur Reihenschaltung der Sekundärwicklung des übertragers mit dem elektrischen
Verbraucher eine Diode geschaltet ist, wobei der Steueranschluß des ersten steuerbaren
Halbleiterschalters an den einen Lastanschluß eines zweiten steuerbaren Halbleiterschalters,
dessen anderer Lastanschluß mit Masse-oder Bezugspotential und dessen Steueranschluß
über eine Zenerdiode an die Verbindung der Schaltstrecke des ersten steuerbaren
Halbleiterschalters mit dem ersten Widerstand angeschlossen ist.
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Elektronische Schaltnetzteile dienen zur Konstantspannungs- und/oder
Konstantstromversorgung elektrischer oder elektronischer Geräte und sind in vielen
Fällen als primär oder sekundär getaktete Sperr- oder Durchlaßwandler oder Gegentaktwandler
aufgebaut. Sie weisen in der Regel eine Gleichrichterschaltung mit nachgeschalteter
Sieb- und Glättungsanordnung auf, an die ein Ubertrager oder eine Drossel angeschlossen
ist. In Reihe zur Primärwicklung des Übertragers oder in Reihe zur Drossel ist ein
elektronischer Schalter vorgesehen, der in Abhängigkeit von einer oder mehreren
Regelgrößen ein- und ausgeschaltet wird, wobei
die in dem übertrager
bzw. in der Drossel gespeicherte Energie in Abhängigkeit davon, ob ein Sperr- oder
Durchlaßwandler bzw. Gegentaktwandler vorliegt, in der Sperr- oder Durchlaßphase
bzw. sowohl in der Sperrals auch in der Durchlaßphase über eine entsprechend gepolte
Diode an einen elektrischen Verbraucher abgegeben wird.
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Zum netzunabhängigen Betrieb eines elektrischen Gerätes wie beispielsweise
eines elektrischen Trockenrasierapparates, eines Elektronenblitzgerätes, eines Rundfunk-
oder Fernsehgerätes oder dergl. weisen die elektrischen Geräte einen Akkumulator
auf, bei dem zur Ladung des Akkumulators mit konstantem Strom eine Regelschaltung
vorgesehen werden muß, die auch bei unterschiedlichen Eingangsspannungen im Bereich
von beispielsweise 90 bis 240 Volt einen konstanten Ausgangsstrom zur Ladung des
Akkumulators gewährleistet. Als Eingangsspannungen sind dabei sowohl Wechsel- als
auch Gleichspannungen im Bereich von 90 bis 240 Volt und im Falle von Wechselspannungen
mit Frequenzen zwischen 50Hz und 60Hz geeignet.
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Ein elektronisches Schaltnetzteil der genannten Art ist aus der europäischen
Patentanmeldung - A2 -82 100 783.8 bekannt, das eine Schaltungsanordnung zur geregelten
Spannungs- und Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers bei variablen Eingangsspannungen
aufweist. Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist ein Sperrwandler mit einem Ubertrager
vorgesehen, wobei in Reihe zur Primärwicklung des Ubertragers die Schaltstrecke
eines steuerbaren Halbleiters geschaltet ist. Der Steueranschluß des steuerbaren
Halbleiterschalters ist an eine konstante, wahlweise veränderbare Spannungsquelle
angeschlossen
und der eine Lastanschluß des steuerbaren Halbleiterschalters
an eine Teilspannung der Sekundärwicklung des übertragers gelegt. Die Teilspannung
wird dabei wahlweise über eine Wicklungsanzapfung der Sekundärwicklung des übertragers
oder über einen Spannungsteiler und/oder einen Vorwiderstand abgegriffen-Diese bekannte
Schaltungsanordnung dient sowohl zur Ladung einer Batterie als auch zur Energieversorgung
eines Motors und eignet sich insbesondere zum Einsatz in netzunabhängig betreibbaren
Geräten, die ohne Umschaltung an verschiedenen Netz spannungen betreibbar sind.
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Mit der bekannten Schaltungsanordnung kann ein elektrischer Verbraucher
ohne Spannungsumschaltung an stark voneinander abweichenden Netzspannungen betrieben
werden, wobei bei einem parallel zum elektrischen Verbraucher geschalteten Akkumulator
zur netzunabhängigen Speisung des elektrischen Verbrauchers eine Ladung des Akkumulators
beispielsweise eines Nickel-Cadmium-Akkumulators mit konstantem Strom gewährleistet
ist. Durch den Anschluß des steuerbaren Halbleiterschalters an eine Wicklungsanzapfung
des Ubertragers wird sichergestellt, daß die Schaltungsanordnung auch bei tief entladenen
Akkumulatoren funktionsfähig ist, ohne daß eine überlastung der Schaltungsanordnung
befürchtet werden muß. Aus fertigungstechnischen Gründen kann jedoch die zusätzliche
Wicklungsanzapfung des Ubertragers eventuell problematisch sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektronisches Schaltnetzteil
zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers aus Spannungsquellen unterschiedlicher
Spannungshöhe zu schaffen, die unter
Verwendung serienmäßig erhältlicher
Bauelemente und bei geringem schaltungstechnischen Aufwand auch bei erheblich voneinander
abweichenden Netzspannungen ohne Spannungsumschaltung einen konstanten Ladestrom
gewährleistet und bei der keine zusätzliche Wicklungsanzapfung des Übertragers erforderlich
ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die Verbindung
des ersten Widerstandes mit dem elektrischen Verbraucher ein steuerbarer Widerstand
geschaltet ist, dessen Steueranschluß an ein Tiefpaßfilter angeschlossen ist, das
parallel zur Reihenschaltung des ersten Widerstandes mit dem steuerbaren Widerstand
geschaltet ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht den Betrieb eines elektrischen
Verbrauchers auch an erheblich voneinander abweichenden Netz spannungen und stellt
ohne Spannungsumschaltung sicher, daß auch bei steigenden Betriebsspannungsschwankungen
ein konstanter Ladestrom gegeben ist, wobei für die Regelungsschaltung keine Anzapfung
der Ubertragerwicklung erforderlich ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind den
Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 4 zu entnehmen.
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Anhand eines in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden.
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In der einzigen Figur ist ein elektronisches Schaltnetzteil dargestellt,
das aus einem primär getakteten
Sperrwandler mit einem Übertrager
3 und einem ersten Transistor 1 sowie einer im Lastkreis vorgesehenen ersten Diode
11 besteht. Der Sperrwandler wird über eine Gleichrichter-Brückenschaltung 12 aus
einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz gespeist, dessen Spannung zwischen 90 Volt
bis 250 Volt und dessen Frequenz im Falle eines speisenden Wechselspannungsnetzes
nahezu beliebig sein kann. Parallel zu den Eingangsspannungsklemmen ist ein Eingangskondensator
13 vorgesehen. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung der Gleichrichter-Brückenschaltung
12 kann wahlweise über eine Sieb- und Glättungsanordnung, die beispielsweise aus
einer Längsdrossel und zwei Glättungskondensatoren bestehen kann, an den Eingang
des Sperrwandlers bzw. der Steuer- und Regelelektronik gelegt.
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Parallel zu den Gleichspannungsklemmen der Gleichrichter-Brückenschaltung
12 ist die Reihenschaltung der Primärwicklung 31 des übertragers 3 mit der Kollektor-Emitter-Strecke
des ersten Transistors 1 und zweier in Reihe geschalteter Widerstände 4, 51 geschaltet.
Die Basis des ersten Transistors 1 ist sowohl über einen fünften Widerstand 14 mit
dem positiven Pol der Eingangs - Gleichspannungsklemmen als auch mit dem Kollektor
eines zweiten Transistors verbunden, dessen Emitter an Masse- bzw. Bezugspotential
angeschlossen ist.
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Die Basis des ersten Transistors 1 ist darüber hinaus über die Reihenschaltung
eines sechsten Widerstandes 15 mit einem zweiten Kondensator 16 mit einem Wicklungsende
der Sekundärwicklung 32 des Übertragers 3 verbunden, dessen anderes Wicklungsende
an den Verbraucher 6 angeschlossen ist. Darüber hinaus ist
eine
Verbindung des anderen Anschlusses des Verbrauchers 6 über eine Diode 11 mit dem
ersten Wicklungsende der Sekundärwicklung 32 des Ubertragers 3 vorgesehen, wobei
in der Sperrphase des Sperrwandlers der Verbraucherstrom über die Diode 11 fließt.
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Die Basis des zweiten Transistors 2 ist an die Verbindung eines an
Masse- bzw. Bezugspotential angeschlossenen siebenten Widerstandes 17 und einer
Zenerdiode 7 angeschlossen, wobei die Zenerdiode 7 kathodenseitig mit dem Emitter
des ersten Transistors 1 verbunden ist.
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Parallel zum zweiten Widerstand 51 ist die Schaltstrecke eines dritten
Transistors 52 vorgesehen, dessen Basis an die Verbindung eines dritten und vierten
Widerstand 8, 9 angeschlossen ist. Der dritte Widerstand 8 ist ebenfalls mit dem
Emitter des ersten Transistors 1 verbunden, während der vierte Widerstand 9 über
einen Kondensator 10 mit einem Anschluß des Verbrauchers 6 verbunden ist.
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Der Verbraucher 6 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus
einem Akkumulator 61, vorzugsweise einem Nickel-Cadmium-Akkumulator und einem parallel
geschalteten Gleichstrommotor 62, der zu einem Schalter 20 in Reihe geschaltet ist,
so daß bei geöffnetem Schalter und an einem speisenden Wechsel- oder Gleichspannungsnetz
angeschlossenen elektronischen Schaltnetzteil der Akkumulator 61 aeladen wird, während
bei geschlossenem Schalter 20 der Gleichstrommotor 62 aus dem Akkumulator 61 unabhängig
von einem speisenden Netz mit Strom versorgt wird.
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Parallel zur Primärwicklung 31 des Übertragers 3 ist eine Diode 18
und eine mit dieser in Reihe geschalteten Zenerdiode 19 geschaltet. Die Kathode
der Diode 18 und die der Zenerdiode 19 sind jeweils mit einem Ende der Primärwicklung
31 verbunden. Diese Parallelschaltung dient dazu, die Rückschlagspannung an der
Primärwicklung 31 durch die Diode 18 und die Zenerdiode 19 zu begrenzen.
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Anstelle eines zweiten Transistors 2 als steuerbarem Halbleiterschalter
kann auch ein Thyristor 21 vorgesehen werden, dessen Anode beispielsweise mit der
Basis des ersten Transistors 1 und dessen Kathode mit Masse-oder Bezugspotential
verbunden ist, während sein Steueranschluß an die Verbindung des siebenten Widerstandes
17 mit der Zenerdiode 7 angeschlossen ist.
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Nachstehend soll die Funktionsweise des in der Figur dargestellten
elektronischen Schaltnetzteiles näher erläutert werden.
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Nach der Gleichrichtung mittels der Gleichrichter-Brückenschaltung
12 und Siebung bzw. Glättung mittels des Eingangskondensators 13 bzw. einer nicht
näher dargestellten Längsdrossel wird der als Schalttransistor arbeitende erste
Transistor 1 über den fünften Widerstand 14 mit einem geringen Basisstrom angesteuert.
Es genügen bereits einige Mikroampere Basisstrom, um im ersten Transistor 1 einen
kleinen Kollektorstrom zu erzeugen, der durch die Primärwicklung 31 des Übertragers
3 fließt. Die damit verbundene Änderung des magnetischen Flusses im übertrager 3
induziert an der Verbindung der Sekundärwicklung 32 des Ubertragers 3 mit dem Kondensator
6 eine positive Spannung, die proportional zur anliegenden Gleich-
spannung
ansteigt, die über den Kondensator 6 und den Widerstand 15 auf die Basis des ersten
Transistors 25 geführt wird und einen größeren Basisstrom hervorruft. Durch diese
positive Rückkopplung schaltet der erste Transistor 1 schnell vollständig ein, wobei
nur eine kleine Restspannung zwischen seinem Emitter und Kollektor verbleibt. Mit
dem Anstieg der Basisspannung steigt auch der Kollektorstrom des ersten Transistors
1 an und bei Erreichen eines bestimmten Spitzenstromwertes wird über die Zenerdiode
7 der zweite Transistor 2 angesteuert, gelangt dadurch in den leitenden Zustand
und verbindet die Basis des ersten Transistors 1 mit Masse- oder Bezugspotential
und entzieht damit dem ersten Transistor 1 den Basisstrom, woraufhin der erste Transistor
1 sperrt. Durch die zugehörige Verringerung des Magnetflusses im Xern des Wandlers
3 erfolgt eine Umpolung der Sekundärspannung an dem Punkt der Verbindung der Sekundärwicklung
32 mit dem Kondensator 6 auf Minus, woraufhin die Diode 11 in der Sperrphase des
ersten Transistors 1 leitend wird. Die im Übertrager 3 gespeicherte Energie wird
damit nach dem Prinzip des Sperrwandlers über die Diode 11 an den Verbraucher 6
abgegeben.
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Wie bereits oben ausgeführt wurde, begrenzen die Diode 18 und die
Zenerdiode 19 parallel zur Primärwicklung 31 des übertragers 3 die Rückschlagspannungsspitze
während des Umschwingvorganges.
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Im leitenden Zustand der Diode 11 entlädt sich der Kondensator 6 mit
einer durch seine Kapazität und dem Wert des sechsten Widerstandes 15 gegebenen
Zeitkonstante. In der Sperrphase des ersten Transistors 1 fließt die im Kern des
Wandlers 3 gespeicherte Ener-
gie in den Verbraucher 6 ab. Erst
danach kann wieder ein Anlaßstrom über den Widerstand 14 in die Basis des ersten
Transistors 1 fließen, der dann den bereits geschilderten Einschaltvorgang auslöst.
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Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist nunmehr, daß die an dem
ersten Widerstand 4 und dem in Reihe geschalteten steuerbaren Widerstand 5 abfallende
Spannung infolge des ansteigenden Kollektorstroms des ersten Transistors 1 den Ausschaltzeitpunkt
durch Leitendwerden des zweiten Transistors 2 bestimmt. Die an der Reihenschaltung
dieser beiden Widerstände 4, 5 abfallende Größe ist dem Primärstrom durch die Primärwicklung
31 proportional. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Emitterwiderstand in einen
mit dem ersten Widerstand 4 gegebenen konstanten Widerstandswert und einen durch
den steuerbaren Widerstand 5 gegebenen variablen bzw. steuerbaren Teil aufgeteilt.
Dadurch wird es möglich, den bei einem Sperrwandlernetzteil üblichen Anstieg des
Sekundärstromes proportional zur Betriebs spannung zu linearisieren, d.h. bei steigenaer
Betriebsspannung wird der Widerstandswert des steuerbaren Widerstandes größer, während
er bei geringerer Betriebsspannung kleiner wird, so daß entsprechend der zweite
Transistor 2 zu einem späteren Zeitpunkt in den leitenden Zustand übergeht und somit
eine spätere Abschaltung des ersten Transistors 1 bewirkt. Damit wird jedoch die
Stromflußphase vergrößert und entsprechend der Ladestrom für den Verbraucher 6 in
weiten Grenzen der Eingangsspannung konstant gehalten.
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Da der steuerbare Widerstand aus einem festen Widerstand 51 mit parallel
geschalteter Schaltstrecke eines dritten Transistors 52 besteht, weist der
steuerbare
Widerstand 5 in dem einen Extremfall bei vollkommen auf gesteuerten dritten Transistor
52 einen durch die Kollektor-Emitter-Spannung des dritten Transistors 52 bestimmte
minimale Widerstandsgröße auf, während er im anderen Extremfalle bei gesperrtem
dritten Transistor 52 durch den Widerstandswert des festen Widerstandes 51 bestimmt
ist.
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Die Ansteuerung des dritten Transistors 52 erfolgt über den in die
Verbindung der Schaltstrecke des ersten Transistors 1 mit dem Verbraucher 6 geschalteten
Tiefpaß mit der Reihenschaltung eines dritten Widerstandes 8 und eines Kondensators
10, an deren Verbindung die Basis des dritten Transistors 52 angeschlossen ist.
Der Mittelwert des über die Primärwicklung 31 des Übertragers 3 fließenden Primärstromes
des Sperrwandlers verhält sich umgekehrt proportional zur Betriebsspannung. Das
bedeutet, daß mittels des Tiefpasses 8, 10 eine fallende Spannung z.B. als Regelspannung
zur ansteigenden Betriebs spannung resultiert. Bei kleinen Sperrwandlerleistungen
ist diese Regelspannung unter Umständen zu gering, um den dritten Transistor 52
direkt ansteuern zu können.
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Mittels des vierten Widerstandes 9 wird deshalb ein Teil der Spannung
des durch die Reihenschaltung des ersten Widerstandes 4 und des steuerbaren Widerstandes
5 gebildeten Emitterwiderstandes, die proportional zum Spitzenstrom ist, zu der
Regelspannung an dem Kondensator 10 des Tiefpasses 8, 10 addiert und ermöglicht
so die Ansteuerung des dritten Transistors 52 als steuerbaren Widerstand. Der Festwiderstand
51 dient dabei zur Eingrenzung des Regelbereiches.
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Der resultierende Gesamt- Ymitterwiderstand 4, 5 wird dadurch mit
ansteigender Betriebsspannung vergrößert, der Spitzenstrom reduziert und somit eine
Linearisierung des Sekundärstromes bewirkt.