DE3403173A1

DE3403173A1 - Geschaltete stromversorgung

Info

Publication number: DE3403173A1
Application number: DE19843403173
Authority: DE
Inventors: Takehisa Gunma Sato
Original assignee: Tokyo Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1983-02-25
Filing date: 1984-01-31
Publication date: 1984-08-30
Also published as: DE3403173C2; US4510563A

Description

Geschaltete Stromversorgung

Beschreibung 5

Die Erfindung betrifft eine durch Offline-Umschaltung geregelte Stromversorgung, nachstehend auch Gleichspannungswandler genannt, und insbesondere eine Verbesserung, die bei einem Gleichspannungswandler eine höhere Schaltfrequenz ermöglicht, was zu.einem geringeren Volumen und einem geringeren Gewicht führt. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verbesserung bezüglich des Basistreibersystems für einen.Schaltleistungstransistor, wie er in einem Gleichspannungswandler benutzt wird, was die Verwendung eines

Transistors mit höherer Durchbruchsspannung und höherer Speicherzeit sowie einer geringeren Schaltgeschwindigkeit ermöglicht und zwar ungeachtet einer höheren Schaltfrequenz, die wie erwähnt erzielt werden soll.

Ein Gleichspannungswandler besitzt einen Wechselspannungstransformator, an dessen Primärwicklung die Eingangsgleichspannung angelegt wird, eine Schaltvorrichtung zum periodischen Unterbrechen des Primärstromes des Transformators, eine Regelvorrichtung zum Regeln der Schaltvorrichtung bei der Unterbrechung, einen Gleichrichter, der mit der Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist und eine Glättungsschaltung zum Glätten der vom Gleichrichter abgegebenen Ausgangsgleichspannung.

Ein derartiger Gleichspannungswandler besitzt folgende Vorteile:

a) Es ist ein relativ hohes Gleichspannungswandlungsverhältnis möglich, und

b) die Ausgangsgleichspannung kann sehr einfach durch Regeln des Tastverhältnisses (des Verhältnisses zwischen

der leitenden Periode gegenüber der gesperrten Periode), des Primärstromes des Transformators geregelt werden, so daß der Gleichspannungswandler eine stabile Ausgangsgleichs.pannung unabhängig von Änderungen in der Eingangsspannung, und/odler der Last abgibt, vorausgesetzt, daß ein Sensor zur Überwachung der Ausgangsgleichspannung angeordnet ist und eine Schaltvorrichtung unter Ansprechen auf die festgestellte Ausgangsgleichspannung geregelt wird.

Die einfachste und wirkungsvollste Schaltung für einen Gleichspannungswandler mit einem Ausgangsleistungsbereich zwischen 10 und 300 W kann mit einem einzigen Transistor-

rücklaufsystem oder mit einem einzigen Transistorvorwärts-Ib

Umsetzsystem aufgebaut werden,wie es in Fig. 1 bzw. Fig. 2 gezeigt ist.

Gemäß den Figuren 1 und 2 umfaßt ein Gleichspannungswandler einen Gleichrichter 1, der ein Wechselspannungseingangs-Signal in eine Gleichspannung umwandelt, einen Transformator 4 mit einem Ferritkern, einen Gleichrichter 5, eine Glättungsschaltung 6 und eine Schaltvorrichtung 3, die in dem vorliegenden Beispiel ein Schaltleistungstransistor

ist, der periodisch den Primärstrom des Transformators 4 25

unterbricht, wobei eine Regelvorrichtung 2 ferner einen Impulsoszillator, eine Impulsbreitenmodulationsschaltung und eine Treiberschaltung aufweist.

ßei bekannten Gleichspannungswandlern wird eine Schaltfre-30

quenz zwischen 20 und 30 kHz verwendet. Andererseits ist es allgemein bekannt, daß eine höhere Schaltfrequenz zu einem geringeren Volumen und einem geringeren Gewicht der Transformatoren und/oder Induktoren führt (falls solche

verwendet werden), was zwangsläufig ein geringeres Volumen 35

und ein geringeres Gewicht des Gleichspannungswandlers zur Folge hat. Es wurden deshalb Anstrengungen unternommen,

einen Gleichspannungswandler mit höherer Schaltfrequenz zu betreiben.

Es ist jed.och schwierig, einen Gleichspannungwandler herzustellen, der die Verwendung einer hohen Schaltfrequenz oberhalb 50 kHz verwendet und zwar aufgrund unterschiedlicher Parameter.

-₀ Der erste Parameter, der die Erhöhung der Schaltfrequenz eines Gleichspannungswandlers erschwert, liegt in der Natur der verwendeten Halbleitervorrichtung, insbesondere des Transistors. Ein Transistor mit höherer Schaltgeschwindigkeit besitzt zwangsläufig eine niedrigere Durchbruchsspan-

nung. Ein Schalttransistor mit hoher Schaltgeschwindigkeit Ib

muß nämlich a) einen geringeren Widerstand im Basisbereich und b) eine geringere Breite für die Basis besitzen, was offensichtlich zu einer niedrigeren Durchbruchsspannung führt. Andererseits ist eine höhere Schaltgeschwindigkeit

bei einem Gleichspannungswandler verbunden mit einer 20

höheren Impulsspannung, was wiederum eine höhere Durchbruchsspannung für einen in einem Gleichspannungswandler verwendeten Schalttransistor erfordert. Es ist somit schwierig, die Schaltfrequenz eines Gleichspannungswandlers

zu erhöhen, wenn nicht andere Maßnahmen getroffen werden, 25

um die Impulsspannung zu verringern, die in der Transistorschaltung auftreten kann bzw. die Durchbruchsspannung, die für einen in einem Gleichspannungswandler verwendeten Transistor erforderlich ist.

Der zweite Parameter, der eine Erhöhung der Schaltfrequenz eines Gleichspannungswandlers verbietet, ist die Beschränkung, die sich durch die Schaltgeschwindigkeit eines Schaltleistungstransistors in einem Gleichspannungswandler ergibt,

Diese Beschränkung ist zurückzuführen auf die Verzögerung 35

im Sperren eines Schalttransistors aufgrund des Einflus-

ses der Speicherzeit. Mit anderen Worten fließt ein Kollektorstrom für eine Periode weiter, die gleich der Summe der Speicherzeit und der Abfallzeit ist, auch nachdem ein Vorwärtsbasisstrom,aufgehört hat. Dies bedeutet, daß die Schaltgeschwindigkeit eines Transistors durch die Länge der Speicherzeit und der Abfallzeit beschränkt ist, was bedeutet, daß ein Gleichspannungswandler eine Schaltfrequenz erfordert, die niedrig genug ist im Vergleich zur Summe der Speicherzeit und der Abfallzeit eines in dem Gleichspannungswandlers verwendeten Transistors, da keine Schaltfunktion für eine überhöhte Schaltfrequenz erwartet werden kann.

I^ Aufgrund dieser beiden Parameter ist es schwierig, einen Gleichspannungswandler herzustellen, der eine höhere Schaltfrequenz verwendet.

Ein Beispiel eines Zeitdiagramms eines Basistreibersystems, wi^e es für einen bekannten Gleichspannungswandler angewendet wird, ist in Fig. 3 gezeigt. Während der Vorwärtshälfte t..·' der Schaltperiode T wird ständig ein Vorwärtsbasisstrom I-. angelegt, während ein Rückwärtsbasisstrom Ι_β2 ^zu Beginn der Rückwärtshälfte der Schaltperiode T zum Sperren des Kollektorstromes I-, angelegt wird. Auch nach Anlegen des Rückwärtsbasisstromes I_ao fließt der Kollektorstrom I_n jedoch weiter bis die Summe der Speicherzeit t und der

L S

Abfallzeit t_f erreicht ist. Deshalb ist die leitende Periode t. langer als die Periode, während der der Vorwärtsbasisstrom I_ß1 fließt und zwar um die Summe der Speicherzeit t und der Abfallzeit t«.
s ι

Da der Fluß des Kollektorstroms I eines Transistors auf diejenige Periode beschränkt ist, während der ein Strom in Vorwärtsrichtung zwischen einer Basis und einem Emitter aufrechterhalten wird, ist die kontinuierliche Zufüh-

y- 7

rung eines Vorwärtsbasisstromes I_ßl wesentlich, vorausgesetzt, daß die Summe der Speicherzeit t und der Abfallzej

t« im Vergleich zur Schaltperiode T vernachlässigbar ist.

Dieses Basistreibersystem besitzt jedoch in Fällen, wo die Schaltfrequenz im Vergleich zur Summe der Speicherzeit t und Abfallzeit t~ eines Schaltleistungstransistors in dem Gleichspannungswandler hoch ist, folgende Nachteile:

Da der Kollektorstrom I nicht aufhört, bevor die Summe der Speicherzeit t und der Abfallzeit t- vergangen ist, wird einmal diese Verzögerung im Sperren eines Schaltleistungstransistors ein Parameter, der eine genaue Einhaltung des Tastverhältnisses Ct₁/T) eines Gleichspannungswandlers stört. In Extremfällen tritt überhaupt keine Schaltfunktion auf.

Zum anderen erhöht eine höhere Schaltfrequenz das Verhält- _nn nis (t +t-/T) der Periode (t +t„), in der ein Schaltver-

dU SX SX

lust erzeugt wird,und der gesamten Schaltperiode T, wobei ein derartiger in einem Transistor erzeugte Verlust zurückzuführen ist auf dessen Widerstand, der sich allmählich mit dem Fortschreiten des Sperrens erhöht. Dies kann zu einer überhitzung eines in einem Gleichspannungswandler verwendeten Schaltleistungstransistors führen.

Es ist ein erstes Ziel dieser Erfindung, einen Gleichspannungswandler anzugeben, dessen Schaltfrequenz höher ist.

Ein zweites Ziel dieser Erfindung ist es, einen Gleichspannungswandler anzugeben, dessen Schaltfrequenz höher ist und dessen Eingang eine Wechselspannung zugeführt wird.

_oc. Ein drittes Ziel dieser Erfindung ist es, einen Gleichspannungswandler anzugeben, dessen Schaltfrequenz höher ist und dessen Sperrzeit kurz ist und zwar unabhängig von

ι
der Größe des Kollektorstromes eines in dem Spannungß-

wandler verwendeten Transistors.

g Ein vierte.s Ziel dieser Erfindung ist es, einen Gleichspan nungswandler anzugeben, dessen Schaltfrequenz höher ist und dessen Ausgangsgleichspannung automatisch geregelt wer den kann.

Zum Erreichen des erstgenannten Zieles der Erfindung besitzt ein Gleichspannungswandler (bzw. eine geschaltete Stromversorgung) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung (a) einen Transformator, dessen Primärwicklung eine Eingangsgleichspannung zugeführt wird, (b) eine einen Schalttransistor aufweisende Schaltvorrichtung, die periodisch den Primärstrom des Transformators unterbricht, (c) eine Regelvorrichtung zum Regeln der Schaltvorrichtung und zur Abgabe eines Vorwärtsbasisstromes an den Schalttransistor sowie eines Rückwärtsbasisstromes, der nach

„_n einer bestimmten Periode nach Beendigung des Vorwärtsbasisstromes abgegeben wird, (d) einen mit der Sekundärwicklung des Transformators verbundenen Gleichrichter und (e) eine Glättungsschaltung, die die von dem Gleichrichter abgegebene Ausgangsgleichspannung glättet.

Die vorliegende Erfindung basiert auf dem folgenden Konzept, das nun unter Bezugnahme auf das · Zeitdiagramm der Fig. 4 beschrieben wird:

_nn 1) Der Vorwärtsbasisstrom I_D1 muß nicht notwendigerweise

dU D I

während der vollständigen Leitungsperiode t₁ weiterfliessen, da der Kollektorstrom I nicht aufhört, bevor nicht die Summe der Speicherzeit t_g und der Abfallzeit t_f vorbei ist, auch wenn der Vorwärtsbasisstrom Ig₁ bereits be-

_oc endet worden ist.
ob

2) Die Stärke und Dauer des Vorwärtsbasisstromes I₀₁ kann

D I

so gewählt werden, wie es notwendig und ausreichend ist, daß die entsprechende Speicherzeit t zu einem Zeitpunkt

abgelaufen ist, zu dem der Rückwärtsbasisstrom I_ß2 zu fließen beginnen soll.

3) Wenn somit ein Basistreibersystem es ermöglicht, daß die Speicherzeit t zum Zeitpunkt, zu dem ein Rückwärtsbasisstrom I_ßp ^zu fliessen beginnt oder geringfügig später, endet, dann kann der Kollektorstrom I ohne Verzögerung als Ansprechen auf den Beginn des Rückwärtsbasisstromes I_B2 abgeschaltet werden und zwar vollkommen unabhängig vom Einfluß der Speicherzeit t .

4) Dieses Basistreibersystem wird realisiert durch das

Abbrechen eines Vorwärtsbasisstroms I_ß1 zu einem Zeitpunkt, der vor dem Beginn des folgenden Rückwärtsbasisstromes Ig₂ liegt und zwar um eine Periode, die identisch oder geringfügig kürzer als die entsprechende Speicherzeit t ist, so daß (a) der Kollektorstrom I weiterfließen kann bis zum Beginn des folgenden Rückwärtsbasisstromes I_ß2 infolge des Einflusses der Speicherzeit, (b) die in der Basis gespeicherten Träger aus der Basis zum Zeitpunkt herausgeflossen sind,zu dem der folgende Rückwärtsbasisstrom zu fliessen beginnt und (c) der Kollektorstrom I ohne Verzögerung abgeschaltet werden kann, was in einer höheren Schaltgeschwindigkeit und in einer Verringerung des Schaltverlustes resultiert.

5) Mit diesem Basistreibersystem können die vorgenannten

Nachteile überwunden werden, insbesondere a) das Problem bezüglich der Durchbruchsspannung eines Schaltleistungstransistors, die bei Erhöhen der Schaltfrequenz absinkt (Erhöhen des relativen Widerstandes im Basisbereich und Erniedrigen der Basisbreite), b) das Problem bezüglich

■#= -40-

der beeinträchtigten Schaltfunktion infolge der geringeren Schaltgeschwindigkeit eines Schaltleistungstransistors und c) das Problem der Überhitzung eines Schalttransistors inc folge verlängerter Sperrzeit, so daß sich insgesamt ein Gleichspannungswandler bzw. eine geschaltete Stromversorgung ergibt, dessen Schaltfrequenz höher ist.

Dieses Basistreibersystem sei "Drei-Zustands-Treibersystem" genannt, da das erfindungsgemäße Basistreibersystem drei Zustände umfaßt: Einen Zustand, bei dem der Vorwärtsstrom Ig₁ fließt, einen Zustand hoher Impedanz und einen Zustand mit Rückwärtsstrom Ig₂*

Um das zweite vorgenannte Ziel der Erfindung zu erreichen, wird ein Gleichspannungswandler bzw. eine geschaltete Stromversorgung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben, wobei zusätzlich zu den vorgenannten Einheiten ein zweiter Gleichrichter vorgesehen ist, dem eine Wechseleingangsspannung zugeführt wird und der eine Gleichspannung an den Eingang des Transformators abgibt.

Um das vorgenannte dritte Ziel dieser Erfindung zu erfüllen, wird ein Gleichspannungswandler bzw. eine geschaltete

_o<- Stromversorgung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der 2b

Erfindung angegeben, wobei zusätzlich zu den Einheiten des ersten Ausführungsbeispiels ein Sensor zum überwachen des Kollektorstroms I und eine Vorrichtung zum Berechnen, abhängig von dem Kollektorstrom I , der entsprechenden Speicherzeit t und der optimalen Dauer des Vorwärtsbasisstros^

mes Ig₂ angeordnet sind.

Um das vorgenannte vierte Ziel dieser Erfindung zu erreichen, wird ein Gleichspannungswandler bzw. eine geschaltete Stromversorgung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung angegeben, bei der zusätzlich zu den Ein-

heiten des ersten Ausführungsbeispiels ein Sensor zum

Überwachen der Ausgangsspannung, eine Bezugsspannung und eine Vorrichtung zum Berechnen, unter Ansprechen auf die _ Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers bzw. der ge-

schalteten Stromversorgung und die Bezugsspannung, des optimalen Tastverhältnisses der Schaltvorrichtung vorgesehen sind. Es sind verschiedene Möglichkeiten gegeben, wo die Ausgangsspannung überwacht werden kann. Solche Möglichkeiten sind beispielsweise die Gleichspannungsausgangsklemme, die Primär- oder Sekundärwicklung des Transformators und gegebenenfalls die Wechseleingangsklemme.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. 15

Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild eines bekannten Rücklaufgleichspannungswandlers mit einem einzigen Transistor,

Fig. 2 ein Schaltbild eines bekannten Vorwärts-

Umsetzergleichspannungswandler mit einem Transistor,

Fig. 3 ein Zeitdiagramm eines Basistreibersystems für einen bekannten Gleichspannungswandler,

Fig. 4 ein Zeitdiagramm eines Basistreibersy-30

stems für einen erfindungsgemäßen Gleich spannungswandler bzw. eine geschaltete Stromversorgung,

Fig. 5 ein Schaltbild einer ersten Ausführungs-35

form der Erfindung,

Fig. 6 ein Zeitdiagramm des Basistreibersystems

für den Gleichspannungswandler gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 ■ eine Darstellung eines Oszillogramms, das den Basisstrom und den Kollektorstrom eines Gleichspannungswandlers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.

Fig. 8 ein Schaltbild eines Gleichspannungs

wandlers gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,

15

Fig. 9 eine Kurvendarstellung als Beispiel der

Speicherzeit t /Vorwärtsbasisstrom I_n1-

S D I

Eigenschaften in Fällen, wo ein Rückwärtsbasisstrom I_n- angewandt wird mit

OC.

dem Kollektorstrom I als Parameter, C

Fig. 10 ein Schaltbild eines Basistreibersystems,

wie es in einem Gleichspannungswandler gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendet wird,

Fig. 11 ein Zeitdiagramm des Basistreibersystems

gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

30

Fig. 12 ein Blockschaltbild eines Gleichspan

nungswandlers gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 13 ein Zeitdiagramm des Basistreibersystems,

35

wie es bei dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird,

25

Fig. 14 ein Schaltbild einer Abwandlung des vier

ten Ausführungsbeispiels der Erfindung,, und

..

Fig. 15 ■ ein Zeitdiagramm des Basistreibersystems,

wie es bei der modifizierten vierten Ausführungsform der Erfindung Verwendung findet.

Ausführungsbeispiel· 1

Fig. 5 zeigt einen Ferritkerntransformator 4, dem eine Eingangsgleichspannung an seiner Primärwicklung zugeführt wird, die mit einem Schaltleistungstransistor verbunden

ist, der über eine Regelschaltung 21 (dargestellt durch ein Kästchen in gestrichelter Linie), die aus einem Taktgeber 211, einem Flip-Flop 212, einem Kondensator (einer Differenzierschaltung) 213, einer monostabilen Kippschaltung 214, Pufferverstärkern 215 und 216, Widerständen 219,

220, 221, einem pnp-Transistor 217 und einem npn-Transistor 218 besteht. Ein Gleichrichter 5 ist mit der Sekundärwicklung des Transformators 4 verbunden. Ein Glättungskondensator 6 liegt über den Ausgangsklemmen des Gleichrichters 5.

Gemäß Fig. 6 bestimmt ein Zyklus des Flip-Flops 212 eine Schaltperiode T des Schaltleistungstransistors 3. Die Schaltperiode T besteht aus der Vorwärtshälfte t^ » und der Rückwärtshälfte t₂'. Die Vorderflanke des vom Flip-Flop abgegebenen Signals wird vom Kondensator 213 festgestellt.

Unter Ansprechen auf diese Feststellung schaltet die monostabile Kippschaltung 214 auf hohen Pegel und bleibt auf diesem für eine vorbestimmte Periode, die auf einen Wert zwischen 20 und 50 Prozent der Vorwärtshälfte t- oder der Leitungsperiode t₁ eingestellt werden kann. Ein Vorwärtsbasisstrom I_D1 wird nur während dieser kürzeren Periode an den Schaltleistungstransistor 3 angelegt, während der die

monostabile Kippschaltung 214 auf hohem Pegel bleibt. Der Schaltleistungstransistor 3 wird durch diesen Vorwärtsbasis strom Ig₁ leitend geschaltet, jedoch nicht durch die Beendigung des _:Vorwärtsbasiss'troms Ig₁ gesperrt bis nicht ein weiterer Transistor 218 einen Rückwärtsbasisstrom I_Dr>, abhängig von dem durch einen Transistor 217 abgegebenen Signal abgibt, der unter Ansprechen auf die Rückflanke des vom Flip-Flop 212 abgegebenen Signals leitend geschaltet wird. Dies rührt daher, daß während der Speicherzeit t der KoI-

IU S

lektorstrom I aufrechterhalten bleibt, auch nachdem der Vorwärtsbasisst.rom I_n. beendet worden ist.

Da die Erregungszeit der monostabilen Kippschaltung 214

,_ derart gewählt ist, daß sie gleich der Differenz zwischen 15

der Leitungsperiode t. und der Speicherzeit t ist, sind die meisten in der Basis gespeicherten Träger zu Beginn der nichtleitenden Periode tp aus der Basis abgeflossen. Somit beginnt der Kollektorstrom I unmittelbar unter Ansprechen auf die Vorderflanke dee Rückwärtsbasisstroms Ig₂ zu fliessen, welcher unter Ansprechen auf die Rückflanke des vom Flip-Flop 212 abgegebenen Signals fließt, mit dem Ergebnis, daß die Wirkung der Speicherzeit aufgehoben wird. Es sei auch darauf hingewiesen, daß die Abfallzeit auf ein Viertel

des entsprechenden Wertes bei bekannten Vorrichtungen redu-25

ziert wird, da bei der Erfindung der Einfluß der Übersteuerung wegfällt, wie sie bei bekannten Vorrichtungen erforderlich ist.

Es sei ferner darauf hingewiesen, daß der Schaltverlust auf einen vernachlässigbaren Wert verringert wird, da die Länge der Abschaltperiode, bei der der Widerstand zwischen dem Kollektor und dem Emitter erhöht wird, äußerst kurz ist.

Somit werden durch die Erfindung die zuvor genannten bei 35

den bekannten Vorrichtungen zwangsläufig vorhandenen Nach-

teile vermieden, einschließlich des Problems, daß durch die Inkompatibilität der Durchbruchsspannung und der Schaltgeschwindigkeit in einem Schalttransistor hervorgerufen wird,

ferner des Einflusses der Verzögerung auf die Abschaltung 5

und das Problem der überhitzung eines Schalttransistors aufgrund einer langen Abschaltperiode.

Fig. 7 zeigt den zeitlichen Verlauf des Basisstroms und des Kollektorstroms bei der geschalteten Stromversorgung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei ist die Abfallzeit t- auf 80 ns oder ein Viertel des entsprechenden Wertes bei bekannten Vorrichtungen verringert. Die abklingende Schwingung wird durch die induktive Komponente der Schaltung hervorgerufen. Der allmähliche Anstieg des

Drossel geglättet werden.

Kollektorstroms I kann durch die Verwendung einer größeren

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 8 zeigt einen Ferritkern-Transformator ²J, an dessen Primärwicklung über einen Gleichrichter 1 eine Eingangsgleichspannung angelegt wird, so daß diese geschaltete Stromversorgung ein Wechselspannungseingangssignal aufnehmen kann. Die anderen Einheiten und/oder Elemente ent-

²^ sprechen vollständig denen des Ausführungsbeispiels 1.

Ausführungsbeispiel 3

Dieses Ausführungsbeispiel basiert auf folgendem Grundgedanken:

1.) Die Speicherzeit t wird durch folgende Formel ausge-

drückt:

wobei

K eine Proportionalitätskonstante,

1 das Symbol für den natürlichen Logarithmus, Ig₁ der Vorwärtsbasisstrom, Ig₂ der Rückwärtsbasisstrom, Ip der Kollektorstrom,
hp_E der Stromverstärkungsfaktor

bedeuten.

In Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß ein Ansteigen der Speicherzeit t einem Ansteigen des Vorwärtsbasis-

Stroms I_ni und ein Verringern der Speicherzeit t einem

D I S

Anstieg des Kollektorstroms Ip und des Rückwärtsbasisstroms Ig₂ folgt. Die Speicherzeit ist am längsten, wenn

kein Rückwärtsbasisstrom I_ß2 angelegt wird. 20

Fig. 9 zeigt Kennlinien der Speicherzeit t , bezogen auf den Vorwärtsbasisstrom I_n, in Fällen, wo kein Rückwärtsbasisstrom Ig₂ angelegt wird, wobei der Kollektorstrom

Ip als Parameter dient.
25

2.) Um die besten gemäß der Erfindung zu erwartenden Ergebnisse zu erreichen, muß die Dauer des Vorwärtsbasisstroms I_n, identisch mit der Differenz zwischen einer

D I

Hälfte des Schaltzyklus oder der -periode T und der Speicherzeit t sein, die von dem Ki

Vorwärtsbasisstrom I_ß1 abhängt.

cherzeit t sein, die von dem Kollektorstrom I_c und dem

3.) Eine kombinierte Vorrichtung zum überwachen des Kollektorstroms und zum Berechnen der entsprechenden Speicherzeit t und der optimalen Dauer des Vorwärtsbasis-

Stroms I₀₁ dient dazu, die besten gemäß der Erfindung zu

-Οι

erwartenden Ergebnisse zu realisieren.

Gemäß den Figuren 10 und 11 wechselt unter Ansprechen auf von· einem Taktgeber 231 abgegebene Taktimpulse ein Flip-Flop 232 seinen Signalsspannungspegel bei jedem Zyklus T_c eines Schaltleistungstransistors 3. Ein Kondensator 233 stellt die Vorderflanke des vom Flip-Flop 232 abgegebenen Signals fest, um eine Setz-Rücksetz- IQ ' Kippstufe 236 zu setzen. Ein Stromdetektor 23¹+ stellt den Kollektorstrom I- des Schaltleistungstransistors 3 fest.

Eine Tabellenaufsucheinheit 235 bestimmt die optimale Ig Dauer des Vorwärtsbasisstroms I_R1 unter Ansprechen auf den festgestellten Kollektorstrom I„ und eine vorbestimmte Stärke des Vorwärtsbasisstroms I_n.. Die Setz-

D I

Rücksetz-Kippstufe 236 wird zu einem Zeitpunkt rückgesetzt, wenn diese festgestellte Periode abläuft. Somit wird der Vorwärtsbasisstrom I_ß1 an die Basis des Schaltleistungstransistors 3 über einen Pufferverstärker 237 nur während der vorbestimmten Periode angelegt, so daß die geschaltete Stromversorgung die besten gemäß der Erfindung zu erwartenden Ergebnisse erzielen kann.

Ausführungsbeispiel 4

Einer der größeren Vorteile einer geschalteten Stromversorgung besteht in der Möglichkeit, eine Ausgangsgleichspannung präzise auf einem vorbestimmten Wert zu

halten und zwar unabhängig von Potentialveränderungen in der Eingangsspannung und/oder der Last.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel realisiert diesen Vorteil im Rahmen der vorliegenden Erfindung.

Fig. 12 zeigt einen Ferritkerntransformator, an dessen Primärwicklung eine Eingangsgleichspannung angelegt wird und ein Schaltleistungstransistor 3 angeschlossen ist, der durch eine Regelschaltung 24 (dargestellt durch das Kästchen mit gestrichelter Linie) geregelt wird, die aus einem Taktgeber 241 einer Tastverhältniseinstellvorrichtung 242,einer Vorwärtsbasisstromquelle 243 und einer Rückwärtsbasisstromquelle 244 besteht. Ein Gleichrichter 5 ist mit der Sekundärwicklung des Transformators 4 verbunden und ein Kondensator 6 liegt über den Ausgangsklemmen des Gleichrichters 5. Ein Spannungssensor 71 stellt die Ausgangsspannung der geschalteten Stromversorgung fest. Die Differenz zwischen der festgestellten

-ι- Ausgangsspannung und einer Bezugsspannung 72 wird mittels eines Verstärkers 73 verstärkt, bevor die Spannungsabweichung an die Tastverhältniseinstellvorrichtung 242 angelegt wird.

_n Gemäß Fig. 13 gibt der Taktgeber 241 periodisch Taktimpulse ab. Die Tastverhältnis-Einstellvorrichtung 242, die diese Taktimpulse empfängt, bestimmt die jeweilige Dauer der Leitungsperiode t. und der Sperrperiode tp unter Ansprechen auf das Ausgangssignal des Verstärkers

„p. 73· Der hohe Pegel des Signals wird an die Vorwärtsbasisstromquelle 243 angelegt, in der die Zeitdauer des Vorwärtsbasisstroms I_D1 durch Subtraktion einer spe-

D I

ziellen Zeitdauer von der Leitungsperiode t* bestimmt wird. Für diese Berechnungen seien drei Möglichkeiten

genannt. Die erste besteht darin, die Dauer des Vorwärts-30

basisstroms I_n., durch Multiplikation einer Konstanten

D I

mit der Zeitdauer der Leitungsperiode t^ zu bestimmen. Die zweite Möglichkeit besteht darin, die Zeitdauer des Vorwärtsbasisstroms I_n, durch Subtraktion einer Konstanten von der Zeitdauer der Leitungsperiode t₁ zu bestim-'

men. Die dritte Möglichkeit besteht darin, die Zeitdau-

er des Vorwärtsbasisstroms Ig₁ durch Subtraktion der unter Ansprechen auf den Kollektorstrom I„ bestimmten Speicherzeit (wie in Ausführungsbeispiel 3) von der Zeit c dauer der Leitungsperiode t.. zu bestimmen. Der niedrige Pegel des-Ausgangssignals der Tastverhältniseinstellvorrichtung 242 wird an die Rückwärtsbasisstromquelle 244 angelegt und es wird ein Rückwärtsbasisstrom I_o„ an die Basis des Schaltleistungstransistors 3 ohne Verzögerung .Q unter Ansprechen auf die Rückflanke des von der Tastverhältniseinstellvorrichtung 242 abgegebenen Impulses abgegeben.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ergibt sich -₅ eine geschaltete Stromversorgung mit zwei unabhängigen Vorteilen, nämlich einer höheren Schaltfrequenz und einer geregelten Ausgangsgleichspannung.

Modifikation des Basistreibersystems in Anwendung auf on das Ausführungsbeispiel 4

Die Figuren 14 und 15 zeigen, daß der Taktgeber 241 Taktimpulse abgibt, die jeweils durch eine CR-Differenzierschaltung 245 differenziert werden, deren Zeitkonstante geregelt wird durch Verändern der Impedanz eines Transistors 246, an dessen Basis das Ausgangssignal des Verstärkers 73 angelegt wird, der die Abweichung der Ausgangsgleichspannung der geschalteten Stromversorgung von der Bezugsspannung 72 verstärkt. Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 245 hat eine Signalform gemäß Zeile A in Fig. 15 und wird eigens einem Inverter 2 mit einer Schwellenspannung H nach Durchlauf durch eine Pegelverschiebungsschaltung 247 zugeführt, sowie an einen Inverter 249 mit einer Schwellenspannung L angelegt. Der Inverter 248 gibt ein erstes Signal mit geringer Breite gemäß Zeile B in Fig. 15 ab. Der Inverter 249 gibt ein zweites Signal C (Fig. 15) mit größerer Breite ab. Das

->er-

erste Signal B wird in einer Treiberschaltung 250 invertiert, bevor es an die Basis des Schaltleistungstransistors 3 angelegt wird, um diesen leitend zu schalten, g Das Zweite Signal C wird in einer Treiberschaltung 241 differenziert, bevor es an die Basis des Schaltleistungstransistors 3 angelegt wird, um diesen zu sperren. Somit ergibt sich ein Basisstrom D in Fig. 15.

jQ Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß gemäß der Erfindung eine geschaltete Stromversorgung angegeben wurde, die ein Basistreibersystem verwendet, bei der ein Zeitintervall zwischen einem Vorwärtsbasisstrom und einem Rückwärtsbasisstrom vorgesehen wird, und der KoI-

jc lektorstrom während des Intervalls infolge der Speicherzeit weiterfließen kann, was zur Behebung der nachteiligen Wirkungen der Speicherzeit führt und bei der geschalteten Stromversorgung eine Verringerung der Sperrzeit ermöglicht mit der Folge einer höheren Schaltfrequenz und

„Q eines geringeren Schaltverlustes. Schließlich kann auch eine Verringerung des Volumens und des Gewichts einer geschalteten Stromversorgung erreicht werden.

In Fig. 10 kann der Kondensator 233 die Kippstufe 236 und der Pufferverstärker 237 parallel geschaltet sein zu einem Zweig, bestehend aus einem Verstärker 238, dessen Ausgang über einen Widerstand 2311 mit der Basis eines Transistors 239 verbunden ist, dessen Kollektor über einen Widerstand 2312 an negativer Spannung liegt. Der Kollektor des Transistors 239 ist ferner mit der Basis eines Transistors 2310 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand 2313 an negativer Spannung liegt und dessen Kollektor mit der Basis des Schalttransistors 3 verbunden ist.

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Claims

Patentansprüche

1./Geschaltete Stromversorgung, gekennzeichnet durch

einen Transformator (4), dessen Primärwicklung eine Eingangsgleichspannung zugeführt wird,

eine Schaltvorrichtung mit einem Schalttransistor (3), der periodisch den Primärstrom des Transformators (4) unterbricht,

eine Regelvorrichtung (2) zum Regeln der
Schaltvorrichtung, die an den Schalttransistor (3)

einen Rückwärtsbasisstrom anlegt, der über eine Zeitspanne nach Beendigung eines Vorwärtsbasisstroms aufrechterhalten wird,

einen Gleichrichter (5) zum Gleichrichten des
Wechselspannungsausgangssignals des Transformators (4)

-Ά-

und

eine Glättungsschaltung (6) zum Glätten der Ausgangsgleichspannung des Gleichrichters (5).

2. Geschaltete Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet , daß ein zweiter Gleichrichter (1) vorgesehen ist, dem eine Eingangswechselspannung zugeführt wird und der an den Transformator ,Q (4) eine Eingangsgleichspannung abgibt.

3. Geschaltete Stromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum überwachen des Kollektorstroms des Schalttran-

jK sistors (3), eine Vorrichtung, die unter Ansprechen auf den Kollektorstrom die Speicherzeit des Schalttransistors (3) und die Dauer des Vorwärtsbasisstroms berechnet, der an die Regelvorrichtung angelegt wird.

2Q

4. Geschaltete Stromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum überwachen der Ausgangsspannung der geschalteten Stromversorgung, eine Bezugsspannung und eine Vorrichtung zum Berechnen unter Ansprechen auf die Ausgangsspannung, des Verhältnisses der Dauer des Vorwärtsbasisstroms und der Schaltperiode der geschalteten Stromversorgung und zur Abgabe des Verhältnisses an die Regelvorrichtung.

_ΟΛ

5. Geschaltete Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Dauer- des Vorwärtsbasisstroms 20 bis 50 % der Leitungsperiode des Schalttransistors (3) beträgt.