-
Stromversorgung
-
Stand der Technik Die Erdindung geht aus von einer Gleichspannungsversorgung
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei elektrischen Baugruppen, die in netzbetriebenen
Geräten eingesetzt erden, ist stets ein Stromversorgungsteil notwendig, das aus
der hohen Netz-Vechselspannung eine niedrige Betriebs-Gleichspannung für die elektrische
Baugruppe erzeugt.
-
Üblicherweise werden hierfür Transiormatorschaltungen eingesetzt.
ei kleinen, handlichen Geraten ist dies von Nachteil, da der Transformator einerseits
einen großen Raumbedarf hat und andererseits oft das teuerste Bauelement der Schaltung
darstellt. Ein preisgünstigere Lösung ist die Verwendung von Einweg-Gleichrichterschaltungen.
die über Vorwiderstände direkt vom Netz gespeist werden. Bei einem höheren Gleichstrombedarf
scheidet dieses Verfahren jedoch wegen des hohen Wärmeanfalls am Vorwiderstand häufig
aus, Die Verwendung eines geeigneten Vorkondensators ist wiederum wesentlich teuerer
und wegen des hohen Volumens des Kondensators bei beengten Platzverhältnissen oft
nicht realisierbar.
-
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des flauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Wärmeanfall
und das Volumen sehr gering sind.
-
Die Schaltung ist weiterhin betriebssicher und mit einfachen Mitteln
aufzubauen. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß der Schaltvorgang am elektronischen
Schalter nur bei niedrigen Zollektor-Emitter-Spannungen stattfindet, und deshalb
auch die Auswahl geeigneter elektronischer Schalter unkritisch ist. Es können daher
leicht einfache Schalttransistoren verwendet werden.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im hauptanspruch angegebenen Vorrichtung
möglich. Besonders vorteilhaft ist es, den elektronischen Schalter mit einem Schwellwertschalter
anzusteuern, der beim Überschreiten eines vorgegebenen Spannungswertes der Ne.zspannung
den elektronischen Schalter ausschaltet.
-
Hierdurch wird gewährleistet, daß bei einem bestimmten Wert der Netzspannung
der elektronische Spalter gesperrt wird. Der Schwellwertschalter wird im einfachsten
Fall durch einen Hilfstransistor gebildet, an dessen Basis ein Teil der Netzspannung
angelegt ist. Die Schaltschwelle wird dann durch die Basis-Emitter-Druchbruchspannung
des Hilfstransistors bestimmt, so daß weitere Bauelemente nicht erforderlich sind.
Um einen möglichst gluten Regeleffekt zu erhalten ist es günstig, den elekkonischen
Schalter als Darlington-Transistor auszubilden.
-
Zeichnung Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur
1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine positive Betriebsspannung, Figur 2 ein
Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Figur 1
und Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiels für eine negative Betriebsspannung.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 wird an die Klemmen
1 und 2 die Netzwechselspannung angeschlossen. Von der Klemme 2 führt eine in Flußrichtung
geschaltete Diode 3 zu einem Vorwiderstand 4. Zwischen der Diode 3 und dem Widerstand
4 ist ein Widerstand 12 angeschlossen, der mit einem Widerstand 13 in Reihe geschaltet
ist. Der andere Anschluß des Widerstands 13 ist zur Klemme 1 geführt. Zwischen den
Widerständen 12 und 13 ist die Basis eines Transistors 11 angeschlossen.
-
Der Emitter des Transistors 11 führt zur Klemme 1 während der Kollektor
des Transistors 11 über einen Widerstand 10 mit der Leitung zwischen der Diode 3
und dem Widerstand 4 verbunden ist. Vom Kollektor des Transistors 11 führt eine
Diode 9 zur Basis eines Transistors 8. Der Kollektor des Transistors 8 steht mit
dem weiteren Anschluß des Vorwiderstandes 4 in Verbindung, während der Emitter des
Transistors 8 zu einer Anschlußklemme 6 fahrt, an der eine positive Gleichspannung
abgreifbar ist. Der negative Anschluß ist die Klemme 1 . Zwischen der Klemme 6 und
der Klemme 1 ist noch ein Kondensator 5 geschaltet.
-
An die Klemme 6 und 1 ist ein elektrischer YerbraucheP
anschließbar,
der mit einer positiven Versorgungsspannung betrieben wird.
-
Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist anhand des Diagrammes
in Figur 2 näher erläutert. Die Schaltungsanordnung baut auf der herkömmlichen Einwegschaltung
mit der Diode 3, dem Widerstand 4 und dem Kondensator 5 auf.
-
Der Schalttransistor liegt in Reihe mit dem Vorwiderstand 4. Er wird
so gesteuert, daß der Ladestrom zum Kondensator 5 nicht wie üblich im Maximum der
Halbwelle der Wechselspannung fließt, sondern nur kurzzeitig am Anfang und am Ende
der Halbwelle. Der Transistor 8 wird nur durchgesteuert, solange der Augenblickswert
der Netzspannung gleich oder nur wenig größer ist als die Ladespannung am Kondensator
5. Während der Zeit, in der der Augenblickswert der Netzspannung wesentlich größer
ist als die Spannung am Kondensator 5, bleibt der Transistor 3 gesperrt. Damit fließt
in den Zeiten, in denen am ?;ider stand 4 große Spannungsdifferenzen auftreten würden,
kein Strom. Der Widerstand 4 hat nur noch die Funktion eines Strombegrenzers, insbesondere
bei der Einschaltflanke des Stromimpulses. Er kann um typisch 3 bis 4 Größenordnungen
kleiner gewählt werden, als der sonst bei der vinwegschaltung übliche Vorwiderstand.
Damit reduziert sich auch die Verlustwärme.
-
In Figur 2a ist mit 16 die Netzspannung bezeichnet, die an den Klemmen
1 nd 2 der Schaltungsanordung anliegt.
-
Am Spannungsteiler mit ien Widerständen 12 und 13 steht die Steuerspannung
für den Transistor 11 zur Verfügung, die in Figur 2a mit 21 bezeichnet ist. Die
Steuerspannung verläuft in der positiven Halbwelle analog zur Netzspannung 16. Übersteigt
die Steuerspannung 21 den Basis-Emitterschwellwert des Hilfstransistor 11,
dann
wird der normalerweise über Widerstand 10 und Diode 9 zum Transistor 8 fließende
Basisstrom zur Masseleitung abgeleitet und damit der Transistor 8 gesperrt. Die
Schwellwertspannung ist in Figur 2 mit 20 bezeichnet. Wie dies in Figur 2b dargestellt
ist, wird der Kondensator 5 nur geladen, solange die Steuerspannung 21 kleiner ist
als die Basis-Emitterspannung 20 des Hilf stransistors. Pro Netzperiode erhält man
also zwei Ladestromstöße 17 und 18, so daß sich annähernd das Verhalten eines Zweiwegspitzengleichrichters
ergibt. Aufgrund der zweimaligen Ladung pro Vollwelle kann der Kondensator 5 klein
gewählt werden. Der Spannungsverlauf am Kondensator5 ist in Figur 2c dargestellt.
-
Während der negativen Halbwellen sperrt die Diode 3. Die Diode 9 verhindert
den Rückfluß der Kondensatorladung über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors
8 und den Transistor 11 in der' Zeit, in der der Transistor 11 leitend geschaltet
ist.
-
Die Schaltung nach Figur 1 weist sowohl gegenüber Speisespannungs-
als auch Lastschwankungen selbstregelnde ei den schaften auf. Steigt die Speisespannung
16, dann wird die Amplitudenerhöhung der Stromimpulse 17 und 18 durch eine Verkleinerung
der Stromimpulsdauer kompensiert. Die Steuerspannung 21 erreicht den Basis-Emitterschwellwert
20 früher, dadurch werden die Impulse schmäler. Die Ladung, die jeder Stromimpuls
in den Kondensator liefert, bleibt dadurch weitgehend konstant.
-
steigt der Laststrom an, dann fällt die Kondensatorspannung in Figur
2c stärker ab. Damit steigt die für die Condensatornachladung maßgebliche Spannungsdifferenz
zum Augenblickswert der Speisespannung 1t. In diesem Fall nimmt
sowohl
die Amplitude als auch die Dauer der Stromimpulse 17 und 18 zu. Da der Widerstand
2 relativ niederohmig ist, wird entsprechend kräftig nachgeladen, bzw. die Spannungsdifferenz
besser ausgeglichen. Umgekehrte Störvorgänge ergeben die entgegengesetzten Abläufe.
-
Für den Transistor 8 wird vorteilhafterweise ein Hochspannungs-Darlington-Transistor
verwendet, so daß die Steuerschaltung mit 3auelementen kleiner Leistung aufgebaut
werden kann. Durch den Schaltbetrieb des Transistors 8 treten an ihm geringe Wärmeverlustleistungen
auf, sc daß der Wärmeverbrauch der Schaltungsanordnung auch Im Hinblick auf den
niedrigen Wert des Widerstandes 4 gering ist.
-
Wird eine negative Betriebsspannung benötigt, so ist vorteilhafterweise
die Schaltungsanordnung nach Figur 3 zu verwenden An die Klemmen 1 und 2 ist wiederum
die Netzspannung angelegt. An die Klemme 2 ist die Diode 27 in Sperrichtung angeschlossen.
Ein Spannungsteiler mit den Widerständen 35 und 36 ist an die Anode der Diode 27
angeschlossen und zur Klemme 1 geführt. Weiterhin führt ion ler Diode 27 eine Leitung
um Emitter eines TransIstors 34 und ZU einem Vorwiderstand 23. Die Basis des Transistors
3LL ist an den Mittenanschluß des Spannungsteilers mit den Widerständen 35 und 36
angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 34 steht mit der Basis eines Transistors
32 In Verbindung. Ein Widerstand 33 führt von der Basis des Transistors 32 zur Klemme
1. Der Emitter des Transistors 32 ist mit dem weiteren Anschluß des Vorwiderstandes
28 verbunden. Der Kollektor des Transistors 32 führt zu einer Klemme 30, an der
die negative Versorgungsspannung asgreifbar ist. An die Klemmen 30 und 1 ist desweiteren
ein Kondensator 29 angeschlossen.
-
Die Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung entspricht der Schaltungsanordnung
nach Figur 1. Die Diode 27 ist umgekehrt gepolt. Auf die Diode zwischen Transistor
34 und Transistor 32 kann hier verzichtet werden, da der Transistor 32 in Kollektorschaltung
betrieben wird und nicht rückwärts leitend wird. Die Schaltung weist daher weniger
Bauelemente auf als die zuvor beschriebene Schaltungsanordnung.
-
Die Schaltungsanordnung nach Figur 1 ist auch für negative Betriebsspannungen
auslegbar. Hierfür müssen statt der npn-Transistoren 8 und 11 entsprechend pnp-Typen
eingesetzt werden. Weiterhin sind die Dioden 3 und 9 sowie der Kondensator 5 umgekehrt
zu polen.
-
Die Schaltungsanordnungen sind vorteilhafterweise bei solchen Geräten
einzusetzen, bei denen beispielsweise ein Strom von etwa 100 mA benötigt wird. Der
Wärmeanfall und das Volumen der Schaltungsanordnung sind gering, so daß eine spezielle
Kühlung von Bauelementen in den meisten Fällen entfalle-n kann. Vorteilhafte Anwendungsgebiete
sind beispielsweise die Verwendung der Schaltungen bei digitalen Uhren und bei -elektronisch
gesteuerten netzverbundenen Geräten, wie beispielsweise Haushaltsgeräte oder Elektrowerkzeuge.