DE3546161A1 - Transistor-endstufe, insbesondere zeilenendstufe oder schaltnetzteil - Google Patents

Description

Es sind Transistor-Endstufen bekannt, bei denen die Primär­ wicklung eines Transformators über einen von einer Steuer­ schaltung periodisch leitend bzw. gesperrt gesteuerter Schalt­ transistor an eine Betriebsspannung angeschlossen ist und Sekundärwicklungen des Transformators Betriebsspannungen unter­ schiedlicher Größe und Polarität erzeugen. Eine solche Tran­ sistor-Endstufe wird insbesondere in der Zeilenendstufe für einen Fernsehempfänger oder in einem Schaltnetzteil verwendet. Bei derartigen Schaltungen hat der Strom durch die Primär­ wicklung im allgemeinen eine Gleichstromkomponente. Das be­ deutet, daß in der Kennlinie, die die Abhängigkeit der magne­ tischen Induktion B von der Feldstärke H darstellt, der im wesentlichen lineare Teil der Hysteresiskurve zwischen dem positiven und negativen Endwert der Induktion B nicht optimal ausgenutzt werden kann, ohne daß der Trafokern in die Sättigung gelangt.

Es ist daher bekannt, in den Weg des Trafokerns einen Per­ manentmagneten einzufügen, der in dem Kern einen magnetischen Gleichfluß erzeugt, d.h. im Sinne einer Vorspannung den Kern vormagnetisiert. Wenn z.B. der Primärstrom wie bei einem Schalt­ netzteil sich nur zwischen null und einem positiven Wert ändert, wird vorzugsweise der Trafokern durch den Permanentmagneten so vorgespannt, daß eine negative Induktion B in der Nähe der Sättigung, also des waagerecht verlaufenden Teils der Hystere­ siskurve entsteht und dann der lineare Teil bis zum maximalen Grenzwert der Induktion B durch den in positiver Richtung ansteigenden Strom voll ausgenutzt werden kann. Durch diese verbesserte Aussteuerung der Hysteresiskurve werden für den Trafo weniger Windungen benötigt, so daß bei vorgegebenem Wickelquerschnitt ein dickerer Draht gewählt und somit geringere Verlustleistung erzielt werden kann. Dadurch wird insbesondere die Erwärmung des Trafos verringert und seine Leistungsfähig­ keit erhöht.

In der Praxis besteht für den Permanentmagneten folgende Gefahr. Wenn durch einen Fehler in der Schaltung, z.B. einem Durchschlag der Kollektor/Emitter-Strecke des Schalttransistors, der Strom durch die Primärwicklung unzulässig ansteigt, z.B. von 3-4 A auf Werte von 20-30 A, kann es entsprechend der Koerzitivkraft des Permanentmagneten zu einer Entmagnetisierung oder Umpolung des Permanentmagneten kommen. Der vom Permanentmagneten einge­ stellte Arbeitspunkt auf der Magnetisierungskennlinie liegt dann falsch, der Transformator wäre dann nicht mehr brauchbar.

Ein Ersatz des falsch gepolten Permanentmagneten durch einen anderen Magneten ist praktisch nicht möglich, weil der Perma­ nentmagnet in der Regel mit dem Kern fest verklebt oder sogar der ganze Transformator vergossen ist.

Es ist zwar denkbar, den Permanentmagneten durch einen entgegen­ gesetzten Strom entsprechender Größe wieder umzumagnetisieren. Diese Lösung ist aber in der Praxis oft nicht durchführbar, weil z.B. die Anschlußpunkte der Schaltung nicht zugänglich sind oder entsprechende Geräte nicht vorhanden sind.

Tritt ein zu hoher Primärstrom auf, so führt dies häufig auch zur Zerstörung des Schalttransistors. In einem solchen Falle kann darüber hinaus auch die den Schalttransistor ansteuernde Steuerschaltung in Mitleidenschaft gezogen werden, beispiels­ weise indem eine ihr zugeführte Spannung, die an einem im Primärstromkreis vorgesehenen Meßwiderstand abfällt, nun zu hohe Werte erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für den genannten Per­ manentmagneten einen sicheren Schutz gegen Ummagnetisierung durch einen zu hohen Primärstrom und/oder einen Schutz des Schalttransistors und/oder von die Steuerschaltung für den Schalttransistor bildenden Schaltungskomponenten gegen Zer­ störung durch zu hohen Primärstrom zu gewährleisten. Diese Auf­ gabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen beschrieben.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird also der für den Perma­ nentmagneten, den Schalttransistor und seine Steuerschaltung gefährliche Strom in der Primärwicklung selbst trägheitslos ausgewertet und ein Ansteigen dieses Stromes über einen vorge­ gebenen Wert hinaus verhindert. Dadurch wird ganz allgemein ein Schutz gegen einen zu hohen Primärstrom durch die primär­ wicklung und den Schalttransistor gewährleistet, unabhängig davon, welches die Fehlerursache für diesen Strom ist. Die Fehlerursache kann z.B. sein eine fehlende Ansteuerung des Schalttransistors, ein Durchbruch der Kollektor/Emitter-Strecke, eine zu hohe Belastung auf der Sekundärseite, ein Windungsschluß am Transformator und dgl. Die erfindungsgemäße Schaltung kann so bemessen werden, daß beim Ansprechen des Thyristors die Be­ triebsspannung für die Endstufe praktisch trägheitslos abge­ schaltet wird, der Thyristor nicht gefährdet ist und in er­ wünschter Weise eine Feinsicherung innerhalb der Schaltung zur Erzeugung der Betriebsspannung anspricht. Der schaltungstech­ nische Aufwand ist nur gering und besteht im wesentlichen aus einem Thyristor und gegebenenfalls einer Luftspule aus wenigen Drahtwindungen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsbeispiel,

Fig. 2 den Verlauf von Strömen in Fig. 1,

Fig. 3 den Kern mit dem Permanentmagneten und

Fig. 4 eine andere Ausbildung des Kernes gemäß Fig. 3.

Fig. 1 zeigt die Netzklemmen 1, die Feinsicherung 2, den Brücken­ gleichrichter 3, den Ladekondensator 4, die Primärwicklung 6 des Transformators 8, den Schalttransistor 7 sowie einen Meßwider­ stand 12. Die Sekundärwicklungen 9, 10, 11 liefern verschiedene Betriebsspannungen, z.B. die Versorgungsspannung für die Zeilen­ ablenkschaltung in einem Fernsehempfänger, andere Betriebsspan­ nungen unterschiedlicher Größe und Polarität oder Impulsspan­ nungen. Die Schaltung kann grundsätzlich in einer Zeilenendstufe oder einem Schaltnetzteil enthalten sein.

Der Ladekondensator 4 liefert am Punkt a die Betriebsspannung U 1 für die Primärwicklung 6. Der im Stromweg zwischen der Primär­ wicklung 6 und einem am Punkt c an Masse gelegten Widerstand 12 liegende Schalttransistor 7 wird von der Schaltspannung 15 periodisch leitend bzw. gesperrt gesteuert. In der Primärwick­ lung 6 fließt jeweils ein sägezahnförmig ansteigender Strom i 1, der periodisch durch Sperren des Schalttransistors 7 unter­ brochen wird. Der Transformator 8 enthält einen Ferritkern 17, der einen den magnetischen Gleichfluß erzeugenden Permanent­ magneten 16 in einem Kernschenkel aufweist, um die eingangs beschriebene Vormagnetisierung des Kernes 17, also die Erzeugung einer konstanten Induktion B zu bewirken.

Wirkungsweise der Schutzschaltung

Der Meßwiderstand 12, an dem eine Spannung U 2 für eine nicht dargestellte Steuerschaltung des Schalttransistors 7 abgegriffen wird, ist so bemessen, daß bei einwandfreiem Betrieb die an dem Widerstand 12 durch den Strom i 1 erzeugte Spannung U 2 nicht aus­ reicht, den Thyristor 13 zu zünden. Der Thyristor 13 bleibt dann ständig stromlos.

In Fig. 2 ist der Strom i 1 in Abhängigkeit von der Zeit t dar­ gestellt. Der Strom i 1 steigt beginnend von t 1 linear an. Mit i _m ist der Maximalwert für den Primärstrom i 1 bezeichnet, der gerade noch zulässig ist und dessen Überschreiten eine Gefähr­ dung des im Kern 17 enthaltenen Permanentmagneten 16 sowie des Schalttransistors 7 und der ihn ansteuernden, nicht dargestel­ lten Steuerschaltung bewirken würde. Bei dem Wert i _m erreicht die an dem Widerstand 12 abfallende und an der Steuerelektrode G des Thyristors 13 anliegende Spannung U 2 einen Wert, beispiels­ weise etwa 0,7 V, bei dem der Thyristor 13 zündet. Mit einer geringen Verzögerung von ca. 1 µs fließt daraufhin im Thyristor 13 ein Strom i 2, der Werte in der Größenordnung von 200 A erreicht. Durch das Zünden des Thyristors 13 wird der Schal­ tungspunkt b praktisch kurzgeschlossen gegen Masse (Punkt c), so daß an der Primärwicklung 6 keine Betriebsspannung U 1 mehr anliegt und ein Ansteigen des Stromes i 1 über den maximal zuläs­ sigen Wert i _m verhindert wird. Der Permanentmagnet 16 wird dadurch gegen Ummagnetisierung und der Schalttransistor 7 und seine Steuerschaltung gegen Zerstörung geschützt. Durch den hohen Strom i 2 spricht die Feinsicherung 2 in erwünschter Weise an, so daß die Netzzufuhr unterbrochen wird. In dem beschrie­ benen Fall ist dann ohnehin ein Fehler vorhanden und eine Reparatur erforderlich.

Der hohe Strom i 2 kann eine Zerstörung des Thyristors 13 hervor­ rufen. Deshalb ist zwischen die Punkte a und b der Widerstand 5 eingeschaltet, der den Strom i 2 auf einen für den Thyristor 13 nicht gefährlichen Wert begrenzt. Vorzugsweise ist der Wider­ stand 5 durch eine Luftspule 14 ersetzt. Diese hat den Vorteil, daß sie praktisch keinen Gleichstromwiderstand aufweist, den Innenwiderstand der Spannungsquelle für U 1 praktisch nicht ver­ größert, praktisch keine Verlustleistung bewirkt, jedoch für den stark oberwellenhaltigen Strom i 2 eine genügend hohe Induktivi­ tät zur Begrenzung dieses Stromes darstellt.

Die durch die Luftspule 14 gebildete Induktivität kann gegeben­ enfalls durch die innere Induktivität des Elektrolytkondensators 4 gebildet werden, die in Fig. 1 als Induktivität 22 dargestellt ist. Die Induktivität 22 liegt ebenfalls im Weg des Stromes i 2 vom Ladekondensator 4 durch den Thyristor 13 und kann daher diesen Strom in der beschriebenen Weise begrenzen. Die Luftspule 14 oder der Widerstand 5 können auch zwischen der Klemme a und dem Ladekondensator 4, also im Ladeweg und im Ent­ ladeweg des Ladekondensators 4 liegen.

Im störungsfreien Normalbetrieb ist der Thyristor 13 ständig stromlos. Im genannten Störungsfall fließt nur sehr kurze Zeit von t 3-t 4 von etwa 14-20 µs ein Strom, der an dem Thyristor 13 keine nennenswerte Leistung erzeugt und auch nur einmal fließt. Da somit an dem Thyristor 13 praktisch keine Leistung entsteht, ist der Thyristor 13 thermisch praktisch nicht be­ lastet. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß eine Thyristor- Pille oder ein Thyristor im Kunststoffgehäuse ohne Kühlblech verwendet werden kann. Derartige Thyristoren sind handelsüblich und wesentlich billiger als ein für hohe thermische Belastung vorgesehener Thyristor mit Kühlblech.

Gemäß Fig. 3 ist der Kern 17 als Doppel-E-Kern mit zwei Außen­ schenkeln 18, 19 und einem Innenschenkel 20 ausgebildet. Die Gesamtwicklung 21, enthaltend die Wicklungen 6, 9, 10, 11 gemäß Fig. 1, und der Permanentmagent 16 sind am Innenschenkel 20 angeordnet. Für diese Ausbildung des Kerns, bei der die Primär­ wicklung 6 bei einem zu hohen Primärstrom i 1 den Permanent­ magneten 16 ummagnetisieren kann, ist die erfindungsgemäße Schutzschltung besonders geeignet und wichtig. Der Permanent­ magnet 16 erzeugt den angedeuteten Gleich-Fluß Φ 1.

In Fig. 4 ist die Gesamtwicklung 21 ebenfalls auf dem Mittel­ schenkel 20 angeordnet, während in den beiden Außenschenkeln 18, 19 je ein Permanentmagnet 16 a und 16 b zur Erzeugung des magnetischen Gleichflusses Φ 1 liegt. Bei einem solchen Kern sind die Permanentmagnete 16 a und 16 b weniger oder gar nicht gefähr­ det, weil die hohe Feldstärke durch einen zu hohen Primärstrom nur im Mittelschenkel 20 auftritt und der Fluß durch die Außen­ schenkel 18, 19 durch die Hysteresiseigenschaften begrenzt ist. Die erfindungsgemäße Schutzschaltung ist daher bei einem derar­ tigen Kern weniger wichtig oder entbehrlich. Dieser Kern hat jedoch den Nachteil, daß die Permanentmagnete 16 a, 16 b mit einer relativen Permeabilität µ _r von annähernd 1 wie ein Luft­ spalt wirken und daher ein relativ starkes Streufeld aussenden, das in der Nähe befindliche Baugruppen stören kann.

Bei einem erprobten Ausführungsbeispiel hatten die dargestellten Bauteile folgende Werte:

Ladekondensator 4:150 bis 220 µF Widerstand 5:ca. 1 Ohm Primärwicklung 6:1 bis 2 mH Betriebsspannung U 1:+320 V Meßwiderstand 12:0,1 Ohm Luftspule 14:3 bis 15 µH Maximalstrom i _m :7 bis 8 A Zeitabschnitt (t 3, t 4):14 bis 20 µs Zeitabschnitt (t 2, t 3):ca. 1 µs

Claims (13)

1. Transistor-Endstufe, insbesondere Zeilenendstufe oder Schaltnetzteil, bei der die Primärwicklung (6) eines Transformators (8) über einen Schalttransistor (7) an eine Betriebsspannungsquelle (a, c) angeschlossen ist und der Transformatorkern (17) einen einen magnetischen Gleichfluß erzeugenden Permanentmagneten (16) enthält, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Schutz gegen Umpolarisierung des Magneten (16) durch zu hohen Primärstrom (i 1) und/oder zum Schutz des Schalttransistors (7) und/oder von die Steuer­ schaltung für den Schalttransistor (7) bildenden Schal­ tungskomponenten gegen Zerstörung durch zu hohen primär­ strom (i 1) parallel zur Betriebsspannungsquelle (a, c) ein Thyristor (13) liegt, an dessen Steuerelektrode (G) ein Ende eines im Weg des Primärstromes (i 1) liegenden Wider­ standes (12) angeschlossen ist.

2. Endstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Thyristor (13) ein strombegrenzendes Element (5 oder 14) liegt.

3. Endstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (5 oder 14) zwischen der Betriebsspannungsquelle (a, c) und der Primärwicklung (6) liegt und der Thyristor (13) an die Primärwicklung (6) angeschlossen ist.

4. Endstufe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Widerstand (5) ist.

5. Endstufe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Widerstandes (5) in der Größenordnung von 1 Ohm liegt.

6. Endstufe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element durch eine Induktivität gebildet ist.

7. Endstufe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität durch eine Luftspule (14) aus einem massiven Draht gebildet ist.

8. Endstufe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität durch die innere Induktivität eines an die Betriebsspannungsquelle (a, c) angeschlossenen Ladekondensa­ tors (4) gebildet ist.

9. Endstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltung so bemessen ist, daß eine Feinsicherung (2) in der Schaltung (1-4) zur Erzeugung der Betriebsspannung (U 1) bei leitendem Thyristor (13) auslöst.

10. Endstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Thyristor (13) durch eine Halbleiterpille oder einen Thyristor in einem Kunststoffgehäuse ohne Kühl­ blech gebildet ist.

11. Endstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Transformatorkern (17) ein Doppel-E-Kern mit zwei Außenschenkeln (18, 19) und einem Innenschenkel (20) ist.

12. Endstufe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (16) und die Wicklungen (21) am Innenschen­ kel (20) angeordnet sind (Fig. 3).

13. Endstufe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (21) am Innenschenkel (20) und je ein Permanent­ magnet (16 a, 16 b) in den beiden Außenschenkeln (18, 19) angeordnet ist (Fig. 4).