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Schaltnetzteil
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Ein solches Schaltnetzteil ist aus 0. Macek, "Schaltnetzteile,
Motorsteuerungen und ihre speziellen Bauteile, Hüthig-Verlag, Heidelberg, 1982,
Seite 82, Bild 2.34 bekannt.
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Im bekannten Fall handelt es sich um einen regelbaren Zweitransistor-Durchflußwandler.
Derartige Schaltnetzteile mit zwei synchron anzusteuernden elektronischen Schaltern,
vorzugsweise Leistungs-Schalttransistoren, werden insbesondere dann verwendet, wenn
eine höhere Leistung gefordert wird oder die Eingangsgleichspannung nahe der Sperrfähigkeitsgrenze
der elektronischen Schalter liegt. Zur Ansteuerung der elektronischen Schalter sind
zwei signaltechnisch zwar identische, jedoch galvanisch getrennte Ansteuer-Kanäle
notwendig, da sich die elektronischen Schalter auf verschiedenen Potentialen befinden.
Während eine Steuer- und Regeleinrichtung den einen elektronischen Schalter direkt
ansteuern kann -üblicherweise ist dies der mit dem Minuspol der Eingangsgleichspannungsquelle
verbundene
elektronische Schalter -, muß der weitere elektronische Schalter über einen pötentiältrennenden
Signalübertrager angesteuert werden. Der Einsatz eines derartigen Potentialtrennungsgliedes
ist jedoch aufwendig und bedingt nachteilige Zeitverzögerungen bei der synchronen
Ansteuerung der elektronischen Schalter.
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Der Erfindung liegt davon ausgehend, die Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil
der eingangs genannten Art anzugeben, das eine synchrone Ansteuerung der beiden
elektronischen Schalter ohne den Einsatz eines Potentialtrennungsgliedes ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale
gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß eine präzise Ansteuerung der beiden elektronischen Schalter in einfacher und
preiswerter Weise erzielt wird. Die Steuerwicklung kann sehr leistungsschwach ausgelegt
werden.
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Vorteilhafte Aus gestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsformen erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Durchflußwandler mit zwei elektronischen Schaltern
und Begrenzungsdioden, Fig. 2 eine Variante mit Sperrwandler.
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In Fig. 1 ist ein Durchflußwandler mit zwei elektronischen Schaltern
und Begrenzungsdioden dargestellt. Der
Durchflußwandler ist an eine
Gleichspannungsquelle 1 mit Pluspol 2 und Minuspol 3 angeschlossen. Ein erster elektronischer
Schalter 4 (z.B. Leistungs-Schalttransistor) ist einerseits mit dem Minuspol 3,
andererseits über eine erste Begrenzungsdiode 5 mit dem Pluspol 2 verbunden Zur
direkten Ansteuerung des ersten elektronischen Schalters 4 dient eine Steuer- und
Regeleinriehtung 6.
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Ein zweiter elektronischer Schalter 7 (z.B. Leistungs-Schalttransistor)
liegt einerseits am Pluspol 2, andererseits über einer zweiten Begrenzungsdiode
8 am Minuspol 3.
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Zur galvanischen Trennung und Spannungsübersetzung weist der Durchflußwandler
einen Mittelfrequenztransformator 9 mit einer Primärwicklung 10 mit Mittelanzapfung,
eine auf der Primärseite liegende, zur Ansteuerung des zweiten elektronischen Schalters
7 dienende Steuerwicklung 11 und eine Sekundärwicklung 12 auf. Die äußeren Klemmen
(Enden) der Primärwicklung 10 sind dabei an die gemeinsamen Verbindungspunkte des
ersten Schalters 4 mit der ersten Begrenzungsdiode 5 und des zweiten Schalters 7
mit der zweiten Begrenzungsdiode 8 angeschlossen. Die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung
12 liegt über eine Diode 13 und die Parallelschaltung eines Kondensator 14 mit einem
Widerstand 15 am Pluspol 2. Zusätzlich kann die Diode 13 noch über einen Kondensator
16 mit dem Minuspol 3 verbunden sein. Alternativ hierzu kann der Kondensator 14
auch durch den Kondensator 16 ersetzt werden.
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Die erste Klemme der Sekundärwicklung 12 ist über eine Diode 17, eine
Drosselspule 18 und einen Glättungskondensator 19 mit der zweiten sekundärseitigen
Klemme verbunden. Der gemeinsame Verbindungspunkt von Diode 17 und Drosselspule
18 ist über eine Freilaufdiode 20 ebenfalls an die zweite Klemme der Wicklung 12
angeschlossen.
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Parallel zum Kondensator 19 ist eine Gleichstromlast 21 schaltbar.
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In Fig. 2 ist eine Variante zur Fig. 1 mit einem Sperrwandler anstelle
eines Durchflußwandlers dargestellt.
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Die Anordnung der primärseitigen Bauteile 1 bis 16 ist dabei wie unter
Fig. 1 beschrieben, lediglich die Beschaltung der Sekundärwicklung 12 des Mittelfrequenztransformators
9 ist unterschiedlich. Die erste Klemme der Sekundärwicklung 12 ist dabei über eine
Diode 22 und einen Glättungskondensator 23 mit der zweiten Klemme der Wicklung 12
verbunden. Parallel zum Glättungskondensator 23 wird eine Gleichstromlast 24 angeschlossen.
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Die Funktionsweise des Schaltnetzteils ist wie folgt: Die beiden elektronischen
Schalter 4 und 7 legen im Schaltbetrieb (Frequenz etwa 25 kHz) die Primärwicklung
10 des Mittelfrequenztransformators 9 periodisch an die Eingangsgleichspannung der
Gleichspannungsquelle 1.
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In der EIN-Phase wird der erste elektronische Schalter 4 durch die
Steuer- und Regeleinrichtung 6 direkt angesteuert und geschlossen. Hierdurch verbindet
der Schalter 4 das erste Ende der Primärwicklung 10 mit dem Minuspol 3 der Gleichspannungsquelle
1. Der mit dem Pluspol 2 verbundene Widerstand 15 und der dazu parallel geschaltete,
auf die halbe Speisespannung aufgeladene Kondensator 14 liefern im Einschaltaugenblick
des elektronischen Schalters 4 einen Strom über die Diode 13 und die Mittenanzapfung
in die erste Hälfte der Primärwicklung 10. Als Folge der dadurch entstehenden Primärspannung
wird in der Steuerwicklung 11 eine Steuerspannung induziert. Diese induzierte Spannung
dient zur indirekten Ansteuerung des zweiten elektronischen Schalters 7 durch den
ersten Schalter 4. Durch den sich folg-
lich schließenden zweiten
elektronischen Schalter 7 wird das zweite Ende der Primärwicklung 10 mit dem Pluspol
2 der Gleichspannungsquelle 1 verbunden, was einen Stromfluß vom Pluspol 2, über
den Schalter 7, die Primärwicklung 10 und den Schalter 4 zum Minuspol 3 zur Folge
hat.
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In der AUS-Phase wird der erste elektronische Schalter 4 durch die
Steuer- und Regeleinrichtung 6 geöffnet, d.h.
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das erste Ende der Primärwicklung 10 wird vom Minuspol 3 abgetrennt.
Die Primärspannung (= Spannung an der Wicklung 10) wird abgebaut und der Primärstrom
(= Strom durch die Wicklung 10) fließt über den zweiten elektronischen Schalter
7, die Primärwicklung 10 und die erste Begrenzungsdiode 5 weiter. Da jedoch mit
der Primärspannung auch die Steuerspannung an der Steuerwicklung 11 abgebaut wird,
sperrt auch der zweite elektronische Schalter 7 nach einer kurzen Übergangszeit.
Während dieser kurzen Zeitspanne liegt an der Mittenanzapfung der Primärwicklung
10 die volle Speisespannung, während in der Leitphase beider elektronischen Schalter
4, 7 kurz zuvor noch die halbe Speisespannung an der Mittenanzapfung gelegen hat.
Um den Kondensator 14 (und gegebenenfalls den Kondensator 16) nicht dauernd umzuladen,
ist zur Abkopplung die Diode 13 erforderlich.
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Nach dem Sperren des zweiten elektronischen Schalters 7 ergibt sich
ein Stromfluß vom Minuspol 3 über die Diode 8, die Primärwicklung 10 und die Diode
5 zum Pluspol 2 (Entmagnetisierungsbetrieb). Die beiden Dioden 5 und 8 begrenzen
also die durch die Primärwicklung 10 hervorgerufenen indirekten Abschaltspannungsspitzen
auf die Höhe der Eingangsgleichspannung.
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Die Sekundärwicklung 12 des Transformators 9 liefert nach dem Durchfluß-
oder Sperrwandlerprinzip die gewünschte Ausgangsspannung. Bei der Sperrwandler-Schal-
tung
gemäß Fig. 2 wird während der Leitphase der elektronischen Schalter 4 und 7 Energie
vom Transformator 9 aufgenommen und während der Sperrphase an den Kondensator 23
und die Gleichstromlast 24 abgegeben. Bei der Durchflußwandler-Schaltung gemäß Fig.
1 wird im Gegensatz hierzu bereits während der Leitphase der elektronischen Schalter
4 und 7 Energie in den Lastkreis übertragen. Die Freilaufdiode 20 ist gsperrt. Gleichzeitig
nimmt die Drosselspule 18 mit dem ansteigenden Strom Energie auf, die dann während
der Sperrphase der Schalter 4 und 7 über die jetzt leitende Diode 18 an den Lastkreis
abgegeben wird.
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Werden mehrere Ausgangsspannungen gewünscht, so sind mehrere Sekundärwicklungen
vorzusehen. Wenn Wert auf eine kleine Ausgangswelligkeit gelegt wird, ist die Durchflußwandler-Schaltung
nach Fig. 1 vorzuziehen.
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Diese bedingt jedoch einen größeren Aufwand durch die zusätzliche
Drosselspule 18 und die Freilaufdiode 20, der Transformator 9 kann aber kleiner
ausgelegt werden als bei der Sperrwandler-Schaltung nach Fig 2.