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Beschreibung:
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Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil zum Anschluß an pulsierende
Spannung, insbesondere Wechselspannung.
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Das Einsatzgebiet liegt einerseits bei üblichen Netzteilen, wo es
ergänzend eingebaut wird, wie auch bei hochwirksamen Wandlernetzteilen hoher Betriebsfrequenz.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil hohen
Wirkdungsgrades anzugeben, wobei jegliche resistive Leistungskomponente vermieden
werden soll.
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Hierzu verwendet man Spulen, Kondensatoren und Halbleiterschalter.
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Der Einsatz der Spulen bereitet aber die meisten Probleme. Gerade
die Spulen stellen zur Zeit in Form von Transformatoren die einzige Möglichkeit
einer galvanischen Netztrennung dar. Die Entwicklung von anderen Kopplern, insbesondere
Piezokopplern, befindet sich in einer Anfangsphase.
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Bei Schaltnetzteilen, die mit Netzfrequenz schalten, sind große Abmessungen
und großes Gewicht von Spulen und Kondesatoren in Kauf zu nehmen. Die Leistungsverluste
können hoch sein. Durch eine Umwandlung der Netzfrequenz in eine hohe Frequenz lassen
sich diese Nachteile beseitigen.
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Die Netzspannung wird gleichgerichtet und gesiebt. Die erhaltene Gleichspannung
speist einen Leistungsgenerator. Die Netzteile, insbesondere die drei Grundtypen:
Sperr-, Durchfluß- und Gegentaktwandler, gehören nicht zum engeren Fachgebiet der
Erfindung, werden aber wegen ihrer Wichtigkeit hier behandelt.
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Der Nachteil der bestehenden Schaltnetzteile, die mit Netzfrequenz
schalten, besteht darin, daß die Entwicklungsingenieure sich auf Thyristoren und
Triacs beschränkt haben, die zwar billig und leicht anzusteuern sind, sonst aber
zu sehr komplizierten Schaltungen führen. Sind diese Bauelemente nämlich einmal
gezündet, so kann deren Steuerung außer Kontrolle geraten: sie schalten ab, wenn
ihr Ausgangsstrom genügend abnimmt. Dagegen kann es beim Einschalten zu enorm hohen
Spitzenströmen kommen.
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Die Vorteile der Wandlernetzteile werden dadurch in Frage gestellt,
daß um eine Regelung zu erreichen, das Tastverhältnis oder die Frequenz des Schaltvorgangs
variiert werden. Die Schaltungen werden daher sehr kompliziert und kostspielig und
bei extremen Schaltzeiten wird der Wirkungsgrad deutlich schlechter. Starke HF-Störstrahlung
und schlechte Stabilität der Ausgangsspannung, die hauptsächlich durch eine große
Regelzeitkonstante verursacht werden, können, insbesondere für analoge Systeme,
unannehmbar sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein günstiges Zusammenwirken
der Spulen und Kondensatoren mit den Schaltbauteilen herbeizuführen, den Wirkungsgrad
der bekannten Netzteile wesentlich zu erhöhen und durch Übernahme der Regelung die
Rolle der bestehenden Wandlernetzteile zu einfachen Wechselspannungs-Leistungsgeneratoren
werden zu lassen.
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Diese Aufgabe wird bei einem (Schalt-)Netzteil der eingangs genannten
Art gelöst durch einen Komparator mit Hysterese, der die Eingangsspannung des Netzteils
sowie eine Vergleichsspannung abtastet und einen Schalter derart steuert, daß der
Schalter an der Vorderseite einer Halbwelle der Eingangs spannung schließt, wenn
die Spannung einen bestimmten Wert erreicht und den Schalter
dann
öffnet, wenn die Spannung den Wert der Vergleichsspannung erreicht. Ein Leistungsschalter
wird also nicht starr, sondern weich eingeschaltet, wodurch die Stromübernahme bei
einem geringen Eingangsstrom beginnt. Der Schalter kann abgeschaltet werden, wenn
eine bestimmte Bedingung am Ausgang des Netzteils auftritt, wodurch eine Regelung
erreicht wird.
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Beim Einsatz als Gleichstromregler können dem Netzteil ein LC-Glied
und gegebenenfalls eine analoges stabilisiertes Netzteil nachgeschaltet werden.
Auch eine zusätzliche Schaltstufe, die im einfachsten Fall aus einer Diode und einem
LC-Glied besteht, kann an dieser Stelle eingesetzt werden.
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Die mit der Maßnahme nach der Erfindung erzielbaren Vorteile sind
zahlreich: - so ist keine Speicherdrossel erforderlich; - es ist eine Gleich- oder
Wechselstromregelung möglich; - eine einfache Eingangs spannung kann zur Bildung
mehrer Ausgangsspannungen benutzt werden; - beim Einsatz von mehreren Netzteilen
mit verschiedenen Ausgangsspannungen werden ihre Eingangs ströme in den meisten
Fällen nacheinander auftreten; - eine einfache Bestimmung der Höhe der Ausgangsspannung
wird möglich; - die Regelzeitkonstante liegt niedrig; - die eingangsseitigen Störspannungen
sind unbedeutend; - es ergibt sich ein einfacher, langsamer Leistungsschalter; -
Stromstöße am Leistungsschalter sind nicht zu erwarten; - die neue Schaltung kann
auch für bestehende Netzteile gebaut werden; - Einstellungen sind nicht erforderlich;
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der Ruhestrom ist gering; - die Anzahl der Bauteile ist gering, die Kosten liegen
niedrig; - die Integrationsmöglichkeit ist einfach; ein dreipoliger integrierter
Schaltkreis kann als einstellbarer Regler gefertigt werden; - der Wirkungsgrad liegt
sehr hoch.
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Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert werden. Diese zeigen in Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel für einen anderen Anwendungsfall und Figur 3 eine
dritte Ausführungsvariante.
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Nach Figur 1 wird die Eingangs spannung zwischen dem Anschluß EIN
und Masse angelegt. Die Ausgangsspannung liegt am Kondensator C,zwischen Anschluß
AUS und Masse.
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Das Netzteil enthält eine übliche Schmitt-Trigger-Schaltung, die aus
dem Komparator K sowie zwei Widerständen 1 und 2 besteht. Der Komparator steuert
über einen Widerstand den Leistungsschalter S, der am Beispiel eines p-n-p-Transistors
erläutert ist.
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Ist das Ausgangspotential des Komparators Null und überschreitet die
Eingangs spannung den Wert der Ausgangsspannung am Kondensator C, dann lädt er sich
durch den leitenden Transistor auf die Spannung (1+R2/R1)V auf.
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R1 und R2 sind hier die Werte der Widerstände R1 und R2.
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Die Spannung kann sowohl durch die Widerstände als auch durch die
positive Vergleichs spannung V bestimmt werden.
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Man kann auch von einer Verstärkung der Vergleichsspannung V sprechen.
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Der Komparator kippt. Seine Ausgangs spannung springt auf einen hohen
Wert. Die positive Rückkopplung über den Widerstand 1 unterstützt den Kippvorgang.
Der Transistor S wird gesperrt. Die weitersteigende Eingangsspannung beeinflußt
die Ausgangsspannung nicht mehr; der Kondensator C entlädt sich über einen Verbraucher.
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Der Zustand bleibt erhalten, bis die Eingangsspannung bis zum Wert
V-UD abgefallen ist, wobei UD einen Spannungsabfall an der nun leitenden Diode D
bezeichnet.
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Der ausgelöste Kippvorgang wird von der positiven Rückkopplung unterstützt.
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Der Komparator liefert zwar dem Transistor S einen Basisstrom, die
Eingangsspannung muß aber erneut grösser als die Ausgangsspannung am Kondensator
C sein.
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Nur dann kann der Transistor leitend werden. Das Netzteil arbeitet
also wie eine gesteuerte Diode. Bei einer neuen positiven Halbwelle wiederholt sich
der Vorgang.
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Der Widerstand 2 kann aber auch statt auf den Ausgang auf den Eingang
des Netzteils geschaltet sein. Dann wird der Spannungsabfall am Schalter S beim
Laden des Kondensators C nicht berücksichtigt. Die Diode D ist unnötig.
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Um den Transistor S vor einer unnötigen Zerstörung bei falscher Polarität
zu schützen, kann in Reihe mit einem seiner drei Anschlüsse eine Diode gelegt werden.
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Die Wirkung des Netzteils kann auch auf die negativen Halbwellen erweitert
werden, wenn die Eingangsspannung, z.B. in einem Brückengleichrichter, gleichgerichtet
wird.
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Beim Einsatz eines Kondensators können an seiner Primärseite zwei
Netzteile für je positive und negative Halbwellen oder ein Netzteil mit einem Brückengleichrichter
(an sich bekannt) verwendet werden. Ist die Zuführung eines Regelsignals aus dem
getrennten Teil der Schaltung erforderlich, dann kann ein Koppler, z.B. Optokoppler,
eingesetzt werden.
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Die Schwellenwertspannungen des in Figur 1 genannten Schmitt-Triggers
sind in Wirklichkeit nicht genau bekannt. Die minimale Ausgangsspannung des Komparators
K und die Spannung UD hängen von entsprechenden Strömen und Temperatur ab. Bekannt
ist der Ersatz der Schmitt-Trigger-Schaltung durch zwei Komparatoren und ein Flip-Flop.
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Ein Ausführungsbeispiel hierfür gibt Figur 2. Der Transistor S wird
eingeschaltet, wenn die sinkende Eingangsspannung den Wert VA erreicht und wird
abgeschaltet, wenn die steigende Ausgangsspannung den Wert VB erreicht. Die positive
Vergleichs spannung VA ist kleiner als VB. Die Vergleichs spannung VA kann durch
die Ausgangsspannung ersetzt werden.
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Der Ersatz eines herkömmlichen Netzteils durch das erfindungsgemäß
entwickelte System kann zu einer bedeutenden Erhöhung des Wirkungsgrades eines versorgenden
Systems führen. Dieses System ist in Figur 3 am Beispiel eines Leistungsverstärkers
vom am weitesten verbreiteten B-Typ dargestellt.
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Ein Leistungsverstärker, bei dem weder Frequenz noch Ausgangsspannung
stabilisiert werden, versorgt zwei Netzteile über einen Transformator mit .einer
an Masse angeschlossenen Mittelanzapfung. Seine Ausgangsspannung wird einem Brückengleichrichter
zugeführt, der somit
eine positive und negative Spannung, je mit
verdoppelter Frequenz liefert.
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Für die Bestimmung der Versorgungsspannung des Verstärkers tst erfindungsgemäß
ein Verzögerungsglied erforderlich, das beliebig, z.B. digital, ausgeführt werden
kann. Die Verzögerung eines Eingangssignals des Systems sorgt dafür, daß die Netzteile
"wissen, was auf sie während der bevorstehenden Periode zukommt.
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Im Allgemeinen muß auch eine, je nach Anwendung des Systems, bestimmte
Eigenschaft des Signals, z.B. Amplitude, Flankensteilheit, bestimmter Pegel, bestimmter
Frequenzbereich, festgestellt werden. Ein Detektor bestimmt entsprechend die Vergleichsspannung
eines Netzteils.
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Das Problem des richtigen Detektors wird im Beispiel der Figur 3 dadurch
umgangen, daß das Eingangssignal des Verstärkers jedesmal abgetastet wird, wodurch
alles über das Signal bekannt ist. Um das Abtasttheorem zu erfüllen, muß die Frequenz
des Leistungsgenerators, die ja verdoppelt wird, höher sein als die des Signals.
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Das Eingangssignal wird im Verstärker 3, der auch ein Tiefpaßfilter
aufweist, verstärkt und einem Momentanwert-Speicher, einem sog. Sample and Hold,
zugeführt.
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Die Abtastung erfolgt, wenn der Schalter 4 schließt.
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tDas im Kondenator 5 gespeicherte Signal wird dem Leistungsverstärker
6 zugeführt. Der Verstärker 6 verfügt über ein Tiefpaßfilter; seine komplementäre
Endstufe steuert die Last 7. Das Netzteil 8 tastet -Figur 2 - die Ausgangsspannung
des Verstärkers 3 sowie die Spannung U ab. Die Vergleichsspannung VB wird am Ausgang
des hierzu eingesetzten Widerstandsnetzes abgegriffen. Die Spannung U ist eine minimale
Spannung, die
für die lineare Arbeit des entsprechenden Transistors
der Endstufe erforderlich ist.
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Eine negative Flanke der Spannung am Ausgang Q des Netz.-teils 8 oder
am entsprechenden Ausgang des Netzteils 9 erzeugt am Ausgang eines RC-Differenziergleids
einen negativen Impuls, der den Schalter 4 schließt. Der Schalter 4 schaltet mit
der doppelten Frequenz des Leistungsgenerators.
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Der Ausgang AUS des Netzteils 8 liefert eine Versorgungsspannung,
die den entsprechenden Transistor der Endstufe versorgt. Der komplementäre Transisitor
erhält die Versorgungsspannung aus dem zweiten Netzteil 9, das für negative Spannungen
ausgelegt ist.
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Unter der Annahme, daß das Netzteil 8 (entsprechendes gilt für das
Netzteil 9) den Laststrom liefert, entlädt nach dem Ladevorgang sich der Kondensator
C entsprechend einer e-Funktion über eine feste ohmsche Last. Das Verhältnis zwischen
seiner Anfangsspannung und der Spannung nach einer feste Zeit ist immer gleich.
Die sich daraus ergebende Sollspannung kann mit dem Ist-Wert verglichen werden und
dabei die Vergleichsspannung VB, z.B. durch eine Änderung der Spannung U, beeinflußen.
Kapazitive und induktive Anteile sowie die Abweichung des ohmschen Anteils der Last
vom angenommenen Wert können anerkannt und berücksichtigt werden. Dies führt zur
weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades des Leistungsverstärkers.
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