DE3627858A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum erzeugen einer spannung zur versorgung einer elektronik auf der sekundaerseite von schaltnetzteilen mit galvanischer trennung - Google Patents

Verfahren und schaltungsanordnung zum erzeugen einer spannung zur versorgung einer elektronik auf der sekundaerseite von schaltnetzteilen mit galvanischer trennung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Spannung zur Versorgung einer Elektronik auf der Sekundärseite von Schaltnetzteilen mit gal­ vanischer Trennung, wobei mittels eines Gleich­ spannungswandlers sekundärseitig eine Rechteck­ spannung erzeugt wird, aus der eine Ausgangs­ spannung abgeleitet wird, und wobei durch die Elektronik die Ausgangsspannung und die Stromstärke auf der Sekundärseite des Schaltnetzteiles erfaßt und verarbeitet werden.
Ferner betrifft die Erfindung eine Schaltungs­ anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Um eine starke Reduzierung der Verlustleistung und einen wesentlich höheren Wirkungsgrad bei Strom­ versorgungen, insbesondere für eine Mikro­ elektronik, wie z.B. in Mikroprozessoren, zu erreichen, ist es bekannt, anstelle von Linear­ reglern vorwiegend Schaltnetzteile bzw. Schalt­ regler mit galvanischer Trennung zu verwenden. Hierbei wird zwischen primär-getakteten Schalt­ netzteilen (Primär-Schaltreglern) und sekundär- getakteten Schaltnetzteilen (Sekundär-Schalt­ reglern) unterschieden.
Primär-getaktete Schaltnetzteile beispielsweise sind Regler, bei denen zur Regelung der erzeugten, für eine Last bestimmten Ausgangs-Gleichspannung die Einschaltdauer z.B. eines Transistor-Schalters auf der Primärseite verändert wird. Derartige primär-getaktete Schaltnetzteile besitzen im Vergleich zu sekundär-getakteten Schaltnetzteilen, bei denen ein Schalter auf der Sekundärseite eines dort verwendeten Netztransformators vorgesehen ist, den Vorteil eines höheren Wirkungsgrades. Weitere Vorteile liegen in der geringen Größe und dem geringen Gewicht eines bei den primär-getakteten Schaltnetzteilen verwendeten Hochfrequenz-Trans­ formators bzw. Impulstransformators bzw. im Wegfall des großen und schweren Netztransformators.
Ein primär-getaktetes Schaltnetzteil erzeugt aus der Netzspannung unterschiedliche, den jeweiligen Anwendungsfällen angepaßte Ausgangsspannungen, wobei u.a. getaktete Gleichspannungswandler Verwendung finden, z.B. nach dem Prinzip Sperrwand­ ler oder dem Prinzip Durchflußwandler.
Beim Sperrwandler handelt es sich um eine Schal­ tungsanordnung, bei der im Einschaltzustand des Transistorschalters aus der Eingangsspannungsquelle Energie entnommen wird, die im Hochfrequenztrans­ formator gespeichert wird.
Bei gesperrtem Transistorschalter wird die im Hochfrequenztransformator gespeicherte Energie sekundärseitig über eine Diode gleich gerichtet, durch einen Ausgangskondensator geglättet und als Ausgangsspannung zu einem Ausgang mit einer dortigen Last geleitet.
Beim Durchflußwandler wird die aus der Eingangs­ spannungsquelle stammende Energie von der Primär- auf die Sekundärseite übertragen, wenn der Tran­ sistorschalter durchgeschaltet ist. Zusätzlich zum Laststrom überlagert sich auf der Primärseite noch ein Magnetisierungsstrom. Um den Hochfrequenz­ transformator zu entmagnetisieren gibt es ver­ schiedene Möglichkeiten, woraus sich bekannte Ausführungen des Durchflußwandlers, wie z.B. Eintakt-, Gegentakt-, Asymmetrischer-Halbbrücken-, Symmetrischer-Halbbrücken und Vollbrücken-Durch­ flußwandler ergeben.
Sekundärseitig wird die erzeugte Rechteckspannung über Dioden gleichgerichtet. Eine nachfolgende Speicherdrossel verhindert, daß beliebig hohe Ströme bzw. Anstiegszeiten dieser Ströme entstehen können, und durch einen Ausgangskondensator wird die Ausgangsspannung geglättet und zu einem Ausgang mit einer dortigen Last transportiert.
Zur Spannungs- bzw. Stromversorgung einer Regel­ elektronik (Spannungs-/Stromerfassungs-Elektronik) auf der Sekundärseite des Schaltnetzteiles dient beispielsweise ein Verfahren, bei dem mit Hilfe eines zusätzlichen Netztransformators, der bei 50/60 Hz arbeitet, eines Gleichrichters und eines Kondensators aus der Netzspannung eine Gleich­ spannung erzeugt wird. Ein solches Verfahren hat jedoch vor allem den Nachteil, daß durch den Netztransformator, die notwendige Gleichrichtung und Siebung viel Platz und Gewicht benötigt werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs definierten Art anzugeben, das gegenüber den bekannten Verfahren wesentlich preiswerter, leichter und in allen Betriebszu­ ständen, insbesondere aber auch im Falle einer kurzgeschlossenen Ausgangsspannung, angewendet werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfin­ dungsgedankens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3.
Bevorzugte Ausführungen einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 4 und 5.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich­ nung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines primär- getakteten Schaltnetzteiles mit galvanischer Trennung, bei dem ein Gleichspannungswandler nach dem Prinzip Sperrwandler und eine bekannte Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer sekundärseitigen Hilfsspannung zur Versorgung einer Regelelektronik vorgesehen ist;
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines primär- getakteten Schaltnetzteiles mit galvanischer Trennung, bei dem ein Gleichspannungswandler nach dem Prinzip Sperrwandler vorgesehen ist, der durch eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung zur Erzeugung einer Hilfs-Gleichspannung zur Versorgung einer Regelelektronik ergänzt ist;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines primär- getakteten Schaltnetzteiles mit galvanischer Trennung, bei dem ein Gleichspannungswandler nach dem Prinzip Durchflußwandler und eine bekannte Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer sekundärseitigen Hilfs-Gleichspannung zur Versorgung einer Regelelektronik vorgesehen ist;
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines primär-ge­ takteten Schaltnetzteiles mit galvanischer Trennung, bei dem ein Gleichspannungswandler nach dem Prinzip Durchflußwandler vorgesehen ist, der durch eine Schaltungs­ anordnung nach der Erfindung zur Erzeugung einer Hilfs-Gleichspannung zur Versorgung einer Regelelektronik ergänzt ist;
Fig. 5 eine graphische Darstellung des Spannungsverlaufes auf der Sekundär­ seite des Schaltnetzteiles gemäß Fig. 2; und
Fig. 6 eine graphische Darstellung des Spannungsverlaufes auf der Sekundär­ seite des Schaltnetzteiles gemäß Fig. 4.
Das primär-getaktete Schaltnetzteil gemäß Fig. 1 weist primärseitig eine Eingangs-Spannungsquelle auf, die eine Eingangsspannung U ein liefert, welche durch einen Glättungskondensator C 1 geglättet wird.
Ein mit einer Primärwicklung 7 eines Transformators 1 in Reihe an der Eingangsspannung U ein liegt der Schalttransistor T wird von einem Pulsbreiten­ modulator 2 angesteuert. Da der Schalttransistor T auf der Primärseite liegt, muß seine Ansteuerung potentialfrei erfolgen, was gemäß Fig. 1 über eine Koppeleinheit zur galvanischen Trennung, hier z. B. einen Optokoppler 3 geschieht. Dieser Optokoppler 3 ist andererseits mit einer Spannungs-/Stromerfas­ sungs-Elektronik 4 verbunden, welche auf der Sekundärseite angeordnet ist.
Die Basis des Schalttransistors T ist mit dem Pulsbreitenmodulator 2 verbunden, während der Kollektor des Schalttransistors T mit der Primär­ wicklung 7 des Transformators 1 verbunden ist. Das Schaltnetzteil gemäß Fig. 1 weist ferner eine der Sekundärwicklung 8 des Transformators 1 nachge­ schaltete, in Durchlaßrichtung liegende Diode D 1 sowie einen nachfolgenden Kondensator C 2 auf, wobei diese Schaltungselemente zur Ableitung einer Ausgangs-Gleichspannung U aus dienen. Diese durch den Kondensator C 2 geglättete Ausgangsspannung U aus wird durch die zur Ableitung einer Ausgangs-Gleich­ spannung U aus dienen. Diese durch den Kondensator C 2 geglättete Ausgangsspannung U aus wird durch die Elektronik 4 erfaßt. Ferner wird durch diese Elektronik 4 über einen Shunt R die Stromstärke I auf der Sekundärseite des Schaltnetzteiles mit galvanischer Trennung gemäß Fig. 1 gemessen.
Zur Erzeugung einer Gleichspannung zur Versorgung der Spannungs-/Stromerfassung-Elektronik 4 ist eine bekannte Schaltungsanordnung vorgesehen, bei der eine Netzspannung U Netz über einen (50-/60-Hz)- Netztransformator 6, einen Brückengleichrichter 5 und einen Glättungskondensator C 3 in eine Gleich­ spannung U H gewandelt wird, die als Hilfsspannung der Spannungs-/Stromerfassung-Elektronik 4 zuge­ führt wird. Diese erzeugt aus den Meßwerten U und I Regelgrößen, mit denen über den Optokoppler 3 der Pulsbreitenmodulator 2 beaufschlagt wird.
Im Blockschaltbild nach der Fig. 2 sind gleiche Schaltelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in der Fig. 1. Gemäß Fig. 2 entfallen jedoch der Netztransformator 6 der Brückengleich­ richter 5 und der Glättungskondensator C 3.
Statt dessen ist der Sekundärwicklung 8 des Transformators 1 eine weitere Diode D 2 nachge­ schaltet, die in Sperrichtung liegt und deren Kathode mit der Anode der in Durchlaßrichtung liegenden Diode D 1 verbunden ist. Weiterhin ist ein auf die zweite Diode D 2 folgender Kondensator C 4 vorgesehen.
Der Spannungsverlauf auf der Sekundärseite des Schaltnetzteiles gemäß Fig. 2 ist aus der gra­ phischen Darstellung gemäß Fig. 5 ersichtlich. Die im Transformator 1 gespeicherte Energie gelangt nur über die positive Halbwelle durch die Diode D 1, wobei diese positive Halbwelle von dem Kondensator C 2 geglättet wird und sodann als Ausgangsspannung Uaus zur Verfügung steht.
Die auf der Sekundärseite des Transformators 1 auftretende negative Halbwelle kann zur Energie­ übertragung bei dem Sperrwandler gemäß Fig. 2 nicht ausgenützt werden. Wenn die Ausgangsspannung U aus kurzgeschlossen wird, dann geht der Betrag der positiven Halbwelle gegen Null, während der Betrag der negativen Halbwelle unverändert vorhanden bleibt. Er ist nur von der Eingangsspannung U ein und dem Übersetzungsverhältnis des Transformators 1 abhängig.
Erfindungsgemäß wird nun über die zweite Diode D 2 und den Kondensator C 4 die negative Halbwelle der erzeugten Rechteckspannung gemäß Fig. 5 ausgefiltert und geglättet und dient sodann als Hilfs-Gleich­ spannung U H zur Versorgung der Spannungs-/Strom­ erfassungs-Elektronik 4. Diese negative Gleich­ spannung steht in sämtlichen vom Leerlauf bis zum Kurzschluß reichenden Betriebsfällen zur Versorgung der Elektronik 4 zur Verfügung.
Bei der aus der Fig. 3 ersichtlichen Schaltungs­ anordnung ist wiederum eine Eingangs-Spannungs­ quelle vorhanden, die eine Eingangsspannung U ein liefert, die von einem Glättungskondensator C 1 geglättet wird. Ein mit einer Primärwicklung 11 eines Transformators 10 in Reihe an der Eingangs­ spannung U ein liegender Schalttransistor T wird von einem Pulsbreitenmodulator 2 angesteuert. Auf der Primärseite des Transformators 10 befindet sich noch eine Entmagnetisierwicklung 9 sowie eine Diode D 3. Da der Schalttransistor T auf der Primärseite liegt, ist dessen potentialfreie Ansteuerung erforderlich, was gemäß Fig. 3 wiederum über eine Koppeleinheit zur galvanischen Trennung, hier einen Optokoppler 3 erfolgt. Hierbei ist wiederum die Basis des Schalttransistors T mit dem Pulsbreiten­ modulator 2 verbunden, während in diesem Falle der Kollektor des Transistors T mit der primären Hauptwicklung 11 des Transformators 10 verbunden ist.
Durch den Optokoppler 3 ist der Pulsbreitenmodula­ tor 2 mit einer Spannungs-/Stromerfassung-Elektro­ nik 4 gekoppelt.
Der Transformator 10 weist ferner eine Sekundär­ wicklung 12 auf, der eine in Durchlaßrichtung liegende erste Diode D 4 und eine zu dieser Anord­ nung parallel geschaltete zweite Diode D 5 nachge­ schaltet sind, wobei diese beiden Dioden D 4 und D 5 zur Gleichrichtung der gemäß Fig. 3 erzeugten Rechteckspannung dienen. Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 weist ferner eine Speicherdrossel L 1 sowie einen Kondensator C 2 zur Ableitung einer geglätteten Ausgangsspannung U aus auf, welche durch die Elektronik 4 erfaßt wird. Außerdem wird wiederum durch diese Elektronik 4 über einen Shunt R die Stromstärke I auf der Sekundärseite des Schaltnetzteiles gemessen.
Zur Versorgung der Spannungs-/Stromerfassungs-Elek­ tronik 4 mit einer Hilfs-Gleichspannung U H dient wiederum eine Anordnung, die aus einem (50-/60-Hz)- Netztransformator 6, einem Brückengleichrichter 5 und einem Glättungskondensator C 3 besteht, wodurch die Netzspannung U Netz in die Gleichspannung U H gewandelt wird.
In dem Blockschaltbild nach Fig. 4 sind gleiche Schaltungselemente wie in der Fig. 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dagegen sind bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 der Netztrans­ formator 6, der Brückengleichrichter 5 und der Glättungskondensator C 3 nicht mehr erforderlich.
Vielmehr ist bei dieser neuen Schaltungsanordnung der Sekundärwicklung 12 des Transformators 10 eine dritte Diode D 6 derart nachgeschaltet, daß sie zusammen mit dem Kondensator C 5 parallel zu der ersten Diode D 4 mit sekundärer Wicklung 12 und der zweiten Diode D 5 liegt. Hierbei ist die Anode der dritten Diode D 6 mit einer Stelle X zwischen der ersten Diode D 4 und der Speicherdrossel L 1 gekop­ pelt.
An dieser Stelle X gemäß Fig. 4 ist in allen möglichen Belastungsfällen, d.h. vom Leerlauf bis zum Kurzschluß, stets eine Spannung vorhanden, die einen Verlauf einer Rechteckspannung besitzt, wie sie aus der graphischen Darstellung gemäß Fig. 6 ersichtlich ist. Bei dieser Rechteckspannung handelt es sich um positive Rechteckimpulse.
Diese Rechteckspannung wird von einem Kondensator C 5 geglättet und durch die dritte Diode D 6 vom Leistungsfluß entkoppelt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird somit eine zweite Gleichspannung U H aus den gleichen positiven Rechteckimpulsen wie die Ausgangsspannung U aus abgeleitet. Diese geglättete Gleichspannung U H steht jedoch in allen Betriebsfällen und unabhängig von der Ausgangsspannung U aus als Hilfsspannung zur Versorgung der Spannungs-/Stromerfassungs-Elek­ tronik 4 zur Verfügung.
Infolgedessen ist ein Betrieb des primär-ge­ takteten Schaltnetzteiles vom Leerlauf bis zum Kurzschluß gewährleistet.
Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung besitzt darüber hinaus den Vorteil, daß sie gegenüber bekannten Anordnungen wesentlich kompakter, preisgünstiger und leichter ausgeführt werden kann.
  • Bezugszeichenliste  1 Transformator
     2 Pulsbreitenmodulator
     3 Optokoppler
     4 Spannungs-/Stromerfassungs-Elektronik
     5 Brückengleichrichter
     6 Netztransformator
     7 Primärwicklung
     8 Sekundärwicklung
     9 Entmagnetisierwicklung
    10 Transformator
    11 Primärwicklung
    12 Sekundärwicklung
    U ein  Eingangsspannung
    U aus  Ausgangsspannung
    U H  Gleichspannung
    U Spannung (auf der Sekundärseite)
    U Netz  Netzspannung
    C 1 Glättungskondensator (primärseitig)
    C 2 Kondensator (zur Glättung von U aus )
    C 3 Glättungskondensator (sekundärseitig)
    C 4 Kondensator (zur Glättung der negativen Halbwelle)
    C 5 Kondensator (zur Glättung der Rechteckspannung)
    T Schalttransistor
    R Shunt
    I Stromstärke (auf der Sekundärseite)
    D 1 Diode
    D 2 Diode
    D 3 Diode
    D 4 Diode
    D 5 Diode
    D 6 Diode
    L 1 Speicherdrossel
    X Stelle (in Fig. 3 und 4)

Claims (5)

1. Verfahren zum Erzeugen einer Spannung zur Versorgung einer Elektronik auf der Sekundärseite von Schaltnetzteilen mit galvanischer Trennung, wobei mittels eines Gleichspannungswandlers sekundärseitig eine Rechteckspannung erzeugt wird, aus der eine Ausgangsspannung abgeleitet wird, und wobei durch die Elektronik die Ausgangsspannung und die Stromstärke auf der Sekundärseite des Schalt­ netzteiles erfaßt und verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Rechteckspannung in der Weise eine zweite Gleichspannung (U H ) abgeleitet wird, daß diese in allen von Leerlauf bis zum Kurzschluß reichenden Betriebsfällen, d.h. unabhängig von der Ausgangsspannung (U aus ), als Hilfsspannung zur Versorgung der Elektronik vorhanden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Gleich­ spannungswandler nach dem Prinzip Sperrwandler verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gleichspannung (U H ) aus der negati­ ven Halbwelle der Rechteckspannung abgeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Gleich­ spannungswandler nach dem Prinzip Durchflußwandler verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gleichspannung (U H ) aus den gleichen positiven Rechteckimpulsen wie die Ausgangsspannung (U aus ) abgeleitet wird.
4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, mit einem Transformator, einem primärseitig angeordneten Schalttransistor, dessen Basis mit einer Steuer­ einheit und dessen Kollektor mit der Primärwicklung des Transformators verbunden ist, mit einer Koppeleinheit zur Kopplung der Steuereinheit mit einer Spannungs-/Stromerfassungs-Elektronik, mit einer der Sekundärwicklung des Transformators nachgeschalteten, in Durchlaßrichtung liegenden Diode und einem Kondensator zur Ableitung einer geglätteten Ausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärwicklung (8) des Transformators (1) eine weitere Diode (D 2) nachgeschaltet ist, die in Sperrichtung liegt und deren Kathode mit der Anode der in Durchlaßrichtung liegenden Diode (D 1) verbunden ist, und daß ein auf die zweite Diode (D 2) folgender Kondensator (C 4) vorgesehen ist, wobei über die zweite Diode (D 2) und den Kondensa­ tor (C 4) die negative Halbwelle der erzeugten Rechteckspannung ausgefiltert und geglättet wird und als Hilfs-Gleichspannung (U H ) zur Versorgung der Spannungs-/Stromerfassungs-Elektronik (4) dient.
5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 3, mit einem Transformator, einem primärseitig angeordneten Schalttransistor, dessen Basis mit einer Steuer­ einheit und dessen Kollektor mit der auf der Primärseite liegenden Hauptwicklung (9) des Transformators verbunden ist, mit einer Koppel­ einheit zur Kopplung der Steuereinheit mit einer Spannungs-/Stromerfassungs-Elektronik, mit einer der Sekundärwicklung des Transformators nachge­ schalteten, in Durchlaßrichtung liegenden ersten Diode, mit einer zu dieser Anordnung parallel geschalteten zweiten Diode, mit einer Speicherdros­ sel und einem Kondensator zur Ableitung einer geglätteten Ausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärwicklung (12) des Transformators (10) eine dritte Diode (D 6) zu den ersten und zweiten Dioden (D 4 und D 5) nachgeschaltet ist, deren Anode mit einer Stelle (X) zwischen der ersten Diode (D 4) und der Speicherdrossel (L 1) gekoppelt ist und daß ein auf die dritte Diode (D 6) folgender Kondensator (C 5) vorgesehen ist, wobei über die dritte Diode (D 6) und den Kondensator (C 5) die an der Stelle (X) vorhandene positive Rechteck­ spannung ausgekoppelt und geglättet wird und als Hilfs-Gleichspannung (U H ) zur Versorgung der Spannungs-/Stromerfassungs-Elektronik (4) dient.
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