DE3736710A1 - Schaltungsanordnung zur stabilisierten versorgung netzisolierter lastschaltungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Stromversorgungseinrichtun­ gen für Videoapparate und betrifft insbesondere Stromver­ sorgungseinrichtungen, bei denen eine elektrische Isolie­ rung zwischen der eingangsseitigen Spannungszuführung und den Lastschaltungen des Videoapparates besteht.

Videoapparate wie z. B. Fernsehempfänger und Computermoni­ tore enthalten Versorgungseinrichtungen, die eine oder mehrere stabilisierte Spannungspegel zur Energieversorgung verschiedener Lastschaltungen erzeugen. Diese Lastschal­ tungen befinden sich typischerweise innerhalb des Video­ apparates, sie können aber auch Peripheriegeräte oder äußere Einrichtungen sein wie z. B. ein Computer. Die An­ forderungen an die Stabilität der Versorgungsspannungen für die Lastschaltungen sind oft recht streng, insbesondere im Falle von Computermonitoren. Monitore und Fernsehempfän­ ger, die Vorkehrungen enthalten, um Video- und Tonsignale direkt über vom Benutzer zugängliche Anschlüsse zuzuführen oder zu entnehmen, erfordern irgendwelche Maßnahmen zur elektrischen Isolierung der Eingangs- und Ausgangsan­ schlüsse gegenüber der Wechselstrom-Netzleitung. Die elek­ trische Isolierung läßt sich auf wirkungsvolle und wirt­ schaftliche Weise dadurch erreichen, daß man die mit dem Wechselstrom-Versorgungsnetz verbundene Primärwicklung eines Netztransformators von den Sekundärwicklungen, die mit den vom Benutzer zugänglichen Lastschaltungen verbun­ den sind, elektrisch isoliert. Der in der Primärwicklung geleitete Strom wird in bestimmter Weise geschaltet, um eine Konstantregelung (Stabilisierung) der sekundärseitig entwickelten Versorgungsspannungen für die Lastschaltungen zu bewirken. Wenn der Netztransformator die isolierende Struktur bildet, dann ist es nicht möglich, von einer der sekundärseitig angeschlossenen Lastschaltungen ein Rück­ kopplungssignal direkt auf die mit der Primärwicklung des Transformators verbundene Stabilisierungs- oder Regelungs­ schaltung zu koppeln. Um die zusätzlichen Kosten und Kom­ pliziertheiten einer isolierenden Einrichtung in der Rück­ kopplung zu vermeiden, kann man für die Regelung der Last­ schaltungs-Versorgungsspannungen eine Rückkopplung von der Primärseite des Leistungstransformators her vorsehen. Eine solche Regelung von der Primärseite her macht jedoch die Erfassung von Fehlern oder Fehlfunktionen der Lastschal­ tungen schwieriger, als wenn die Rückkopplung der Regelung von der Lastschaltung her erfolgt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, hier einen Ausweg zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungs­ gemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Energieversorgung eines Videoapparates enthält eine Quelle ungeregelter Spannung und eine erste Wicklung, die mit dieser Quelle verbunden ist und aus ihr gespeist wird. Mit dieser ersten Wicklung ist in elektrisch nicht-isolierter Weise ein Schalter ge­ koppelt, um die Erregung der ersten Wicklung abhängig von einem Eingangssignal zu steuern. Eine zweite Wicklung, die elektrisch von der ersten Wicklung isoliert ist, wird ab­ hängig von der Erregung der ersten Wicklung erregt, um eine Last mit Leistung zu versorgen. Eine von der ersten Wicklung elektrisch isolierte Steuereinrichtung erzeugt das Eingangssignal für den Schalter abhängig von einem ersten und einem zweiten Rückkopplungssignal. Über eine elektrisch isolierende Trenneinrichtung wird das Eingangs­ signal von der Steuereinrichtung zum Schalter gekoppelt. Eine von der ersten Wicklung elektrisch isolierte Einrich­ tung ist mit der Steuereinrichtung gekoppelt, um das erste Rückkopplungssignal zu liefern, das als Antwort auf die an der zweiten Wicklung entwickelte Spannung erzeugt wird. Eine Schaltung, die eine von der ersten Wicklung elektrisch isolierte dritte Wicklung enthält, ist mit der Steuerschal­ tung gekoppelt und liefert das zweite Rückkopplungssignal, das als Antwort auf den Stromfluß in der ersten Wicklung abgeleitet wird.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbei­ spiel anhand einer Zeichnung erläutert, deren einzige Figur als kombiniertes Block- und Detailschaltbild einen Teil eines Videoapparates zeigt, der eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung enthält.

Im dargestellten Videoapparat, der z. B. ein Fernsehempfän­ ger oder ein Computermonitor sein kann, wird eine zugeführ­ te Wechselspannung aus einer Quelle 10, wie z. B. dem Wech­ selstromnetz, mittels einer Gleichrichterschaltung 11 gleich­ gerichtet und mittels eines Kondensators 12 geglättet, um eine Quelle ungeregelter Gleichspannung zu bilden, die an einen Anschluß einer Primärwicklung 10 eines Leistungstrans­ formators (Netztransformator) 15 gelegt wird. Der aus der Quelle ungeregelter Gleichspannung durch die Primärwicklung 14 fließende Strom führt durch Transformatorwirkung zur Erzeugung von Strömen und Spannungen in bzw. an Sekundär­ wicklungen 13, 16 und 17.

Die an der Sekundärwicklung 13 entwickelte Spannung wird durch eine Diode 18 gleichgerichtet und durch einen Kon­ densator 19 gefiltert, um an einem Anschluß 29 eine Gleichspannung zu erzeugen, die einen mit +V bezeichne­ ten Pegel hat und die dazu verwendet werden kann, ver­ schiedene Lastschaltungen des Videoapparates zu versorgen.

Die an der Wicklung 16 entwickelte Spannung wird durch eine Diode 20 gleichgerichtet und durch einen Kondensator 21 gefiltert, um eine Gleichspannung zu erzeugen, die z. B. eine Signalverarbeitungsschaltung 22 versorgt. Die Signalverarbeitungsschaltung 22 empfängt im dargestellten Fall Rot-, Grün- und Blau-Videosignale R, G und B, sowie ein Synchronisiersignal S über einen vom Benutzer zugäng­ lichen Eingangsanschluß 23 aus einer externen Signalquelle (nicht dargestellt), wie z. B. einem Computer. Die Signal­ verarbeitungsschaltung 22 erzeugt die Rot-, Grün- und Blau- Farbsteuersignale, die über Leitungen 25 an das Strahl­ system (nicht gezeigt) einer Kathodenstrahlröhre 24 gelegt werden.

Die an der Wicklung 17 entwickelte Spannung wird durch eine Diode 26 gleichgerichtet und durch einen Kondensator 30 gefiltert, um eine Gleichspannung zu bilden, die z. B. zur Versorgung einer Horizontalablenkschaltung 31 benutzt wird. Die Horizontalablenkschaltung 31 erzeugt ein Ablenk­ signal, das einer Horizontalablenkwicklung, die Teil eines auf dem Hals der Kathodenstrahlröhre 24 sitzenden Ablenk­ jochs 32 ist, zugeführt wird und darin einen Ablenkstrom hervorruft. Die Horizontalablenkschaltung 31 wird durch ein geeignetes horizontal- oder zeilenfrequentes Synchro­ nisiersignal synchronisiert, welches von der Signalverar­ beitungsschaltung 22 über eine Leitung HS geliefert wird.

Der Transformator 15 sorgt für elektrische Isolierung zwi­ schen der Netzwechselspannungsquelle 10 und den sekundär­ seitig angeschlossenen, vom Benutzer zugänglichen Last­ schaltungen wie etwa der Signalverarbeitungsschaltung 22. Diese Isolierung ist in der Figur dadurch angedeutet, daß für die voneinander isolierten Bereiche unterschiedliche Massesymbole verwendet werden.

Es sei nun der allgemeine Betrieb der Stromversorgungs­ einrichtung beschrieben. Das horizontal- oder zeilenfre­ quente Synchronsignal auf der Leitung HS wird außerdem über einen Anschluß 39 an den Synchronisierungseingang einer Konstantregler-Steuerschaltung 37 gelegt, die als Impulsbreitenmodulator arbeitet. Während des Anlaufens des Videoapparates, bevor die Synchronimpulse verfügbar sind, stellt sich eine Freilauffrequenz der Steuerschal­ tung 37 ein, die durch einen Widerstand 33 und einen Kon­ densator 34 bestimmt wird. Die Steuerschaltung 37 ist hier als eine integrierte Schaltung mit der Typenbezeichnung µC 3842 des Herstellers Unitrode dargestellt. Die Nummern der benutzten Anschlußstifte dieser integrierten Schaltung sind innerhalb des die Steuerschaltung 37 dar­ stellenden Kastens in der Zeichnung eingetragen. Ein Kon­ densator 35 wirkt als Ableitkondensator. Ein Transistor 36 und ein Widerstand 28 bewirken eine Kompensation hin­ sichtlich der Steilheit der Synchronimpulse. Die Betriebs­ leistung für die Steuerschaltung 37 wird von der sekundär­ seitig entwickelten Versorgungsspannung +V an der Klemme 29 geliefert und der Steuerschaltung 37 über eine Diode 49 an einem Versorgungseingang 48 zugeführt. Während des Anlaufens des Videoapparates, bevor sich die Versorgungs­ spannung +V einstellt, liefert eine Anlauf-Versorgungs­ quelle 59 Leistung zum Anschluß 48 der Steuerschaltung 37. Diese Leistung kann von der ungeregelten Spannung mittels verschiedener konventioneller Einrichtungen abgeleitet werden.

Die Ausgangsgröße der Konstantregler-Steuerschaltung 37 am Anschluß 38 ist ein pulsbreitenmoduliertes Schaltsig­ nal, das über einen Koppelkondensator 40 an eine Wicklung 41 eines Transformators 42 gelegt wird, der für eine elek­ trische Isolierung zwischen der Steuerschaltung 37 und derjenigen Schaltungsanordnung sorgt, die gegenüber der Netzspannungsquelle 10 nicht-isoliert ist. Das an einer Wicklung 43 des Transformators 42 entwickelte Schaltsig­ nal wird dann über einen Widerstand 44 und eine Diode 45, die einen Treiberstrompegel während des Anlaufens des Videoapparates einstellen, auf die Basis eines Transistors 46 gekoppelt. Das Schaltsignal wird außerdem über eine Gegentakt-Treiberschaltung 47 an die Gateelektrode eines Feldeffekttransistors 50 gelegt. Der Transistor 46 und der Feldeffekttransistor 50 sind in Kaskodeschaltung zueinan­ der angeordnet. Das Schaltsignal von der Steuerschaltung 37 bewirkt, daß der Transistor 46 und der Feldeffekttran­ sistor 50 zwischen ihren Schaltzuständen umschalten. Der Feldeffekttransistor 50 wechselt seinen Schaltzustand als Antwort auf die Schaltimpulse von der Steuerschaltung 37 schneller als der Transistor 46. Das Umschalten des Feld­ effekttransistors 50 unterstützt daher die Ein- und Aus­ schaltung des Transistors 46 durch Herunterziehen des Po­ tentials des Emitters des Transistors 46 zum Einschalten dieses Transistors bzw. durch Öffnen des Emitterkreises des Transistors 46 zum Ausschalten dieses Transistors. Wenn der Transistors 46 leitet, fließt Strom von der Quelle ungeregelter Gleichspannung über die Primärwicklung 14, eine Wicklung 51 eines Transforamtors 52, die Kollektor- Emitter-Strecke des Transistors 46 und die Drain-Source- Strecke des Transistors 50 nach Masse. Die Sekundärwicklung 53 des Transformators 52 liefert als Reaktion auf den Strom­ fluß in der Wicklung 51 einen Mitkopplungs-Basisstrom über eine Diode 54 für den Transistor 46, um den Transistor 46 schnell zu sättigen und ihn in der Sättigung zu halten und dadurch die Verlustleistung zu reduzieren. Ein Kondensator 55, ein Widerstand 56 und eine Diode 57 bilden eine Dämpfungs­ schaltung, um überschüssige Energie zu absorbieren, wenn der Transistor 46 leitend gemacht wird, so daß die Amplitude der auf den Transistor 46 gekoppelten Spannungsspitze re­ duziert wird. Eine Zenerdiode 60 und ein Kondensator 61 haben die Wirkung, Basisladung vom Transistor 46 wegzuneh­ men, wenn der Transistor 46 nichtleitend gemacht wird.

Die Pegel der an die Signalverarbeitungsschaltung 22 und an die Horizontalablenkschaltung 31 gelegten Gleichspan­ nungen werden konstantgeregelt (stabilisiert), indem das Tastverhältnis der ausgangsseitigen Schaltimpulse der Kon­ stantregler-Steuerschaltung 37 gesteuert wird, wodurch das Leitfähigkeitsintervall des Transistors 46 und damit das Intervall des Stromflusses durch die Primärwicklung 14 bestimmt wird. Für einen Videoapparat beispielsweise, der als Computermonitor verwendet wird, ist es notwendig, daß die sekundäre oder Lastschaltungs-Versorgungsspannung in­ nerhalb enger Toleranzen konstantgehalten wird. Eine ent­ sprechend genaue Konstantregelung läßt sich auf wirkungs­ volle Weise zum Teil dadurch erreichen, daß man ein auf die Ausgangsspannung bezogenes Rückkopplungssignal von einer der Lastschaltungs-Versorungsspannungen ableitet. Um die Kosten und die Kompliziertheit eines elektrisch isolierenden Trennelementes wie z. B. eines Transformators oder eines Optokopplers zwischen der Lastschaltungs-Ver­ sorgungsspannung und der Konstantreglerschaltung zu ver­ meiden, ist es zweckmäßig, als Bezugspotential für die Lastschaltungen und die Reglersteuerschaltung dasselbe Massepotential zu nehmen, wie es in der Figur gezeigt ist, so daß die besagten Teile voneinander nich isoliert sind. Es muß dann aber die Konstantreglerschaltung von der Netz­ wechselspannung isoliert sein. Bei einer entsprechenden Anordnung, wie sie in der Figur gezeigt ist, wird das in Relation zur Ausgangsspannung stehende Rückkopplungssignal von der an der Sekundär- oder Lastwicklung 16 entwickelten Spannung abgeleitet und direkt über ein Rückkopplungsnetz­ werk, das Widerstände 63, 64 und 68, einen variablen Wider­ stand 65 und einen Kondensator 66 aufweist, an einen An­ schluß 67 der Konstantregler-Steuerschaltung 37 gelegt. Das in Relation zur Spannung stehende, von der Sekundär­ wicklung 16 abgeleitete Rückkopplungssignal stabilisiert die Ausgangsspannung gegen eventuelle Schwankungen, die sich durch Änderung des Leistungsbedarfs in den Last­ schaltungen ergeben könnten. Die Widerstände 64 und 68 und der variable Widerstand 65 bilden einen Spannungsteiler, der eine Spannung für den Fehlerverstärkereingang am An­ schluß 67 der Konstantregler-Steuerschaltung etabliert. Der variable Widerstand 65 stellt den Spannungspegel ein, auf den die Ausgangsspannung stabilisiert wird. Das Aus­ gangssignal des in der Steuerschaltung 37 befindlichen Spannungs-Fehlerverstärkers stellt z. B. die positive Re­ ferenzspannung für einen Eingang des Stromreglerkreises der Konstantregler-Steuerschaltung 37 ein.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der negative Eingang des Stromregelkreises der Steuerschaltung 37 z. B. von einem Signal beaufschlagt, das repräsentativ für den Stromfluß in der Primärwicklung 14 ist. Dieses Signal wird von einer Wicklung 70 des Transformators 52 abgeleitet und in der nachstehend beschriebenen Weise an einen Anschluß 71 der Steuerschaltung 37 gelegt. Die Wick­ lung 70 ist elektrisch von der Primärwicklung 14 isoliert, spricht aber auf den Primärwicklungsstrom an, der durch die Wicklung 51 des Transformators 52 fließt. Der Strom in der Wicklung 70, der repräsentativ für den Primärwick­ lungsstrom ist, wird über eine Diode 73 gekoppelt und stellt eine Spannung an einem Widerstand 72 ein. Ein Widerstand 74 und ein Kondensator 75 bilden ein Tiefpaßfilter, um Rausch­ signalspitzen von dem stromabhängigen Rückkopplungssignal zu entfernen. Wenn der Primärwicklungsstrom ansteigt, er­ reicht die Spannung am Widerstand 72 den positiven Referenz­ wert für den Stromregelungs-Fehlerverstärker, und der Aus­ gangsimpulstreiber wird ausgeschaltet. Durch diesen Betrieb wird die Impulsbreite des Ausgangsimpulses am Anschluß 38 gesteuert. Der Stromregelungs-Fehlerverstärker ist so kon­ struiert, daß die Spannung am Eingangsanschluß 71 den Wert 1,0 Volt nicht übersteigen kann, ohne daß der Schaltimpuls beendet ist. In dieser Weise wird der Primärwicklungsstrom auf einen Wert begrenzt, der gleich der Spannung 1,0 Volt geteilt durch den Widerstandswert des Widerstandes 72 ist.

Hiermit wird ein Überstromschutz erreicht.

Die vorstehend beschriebene Stromversorgungs-Stabilisie­ rungsschaltung bewirkt eine Konstantregelung sowohl der Ausgangsspannung als auch des Primärwicklungsstroms. Gemäß einem neuen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Kon­ stantregler-Steuerschaltung von den sekundärseitig ange­ schlossenen Ausgangsschaltungen elektrisch nicht isoliert, so daß eine direkte oder gleichstrommäßige Rückkopplung der Information der Ausgangsspannung zu den Konstantregler­ schaltungen und eine sehr genaue Stabilisierung der aus­ gangsseitigen Versorgungsspannungen erfolgt.

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines Videoappara­ tes, mit folgenden Teilen:
   einer Quelle ungeregelter Spannung;
   einer ersten Wicklung, die mit der Quelle ungeregelter Spannung gekoppelt ist, um aus dieser Quelle erregt zu werden;
   einem mit der ersten Wicklung gekoppelten und gegenüber dieser Wicklung elektrisch nicht isolierten Schalter zur Steuerung der Erregung der ersten Wicklung abhängig von einem Eingangssignal;
   einer zweiten Wicklung, die von der ersten Wicklung elektrisch isoliert ist und abhängig von der Erregung der ersten Wicklung erregt wird, um eine Last mit Leistung zu versorgen,
   gekennzeichnet durch eine gegenüber der ersten Wicklung (14) elektrisch isolierte Steuerschaltung (37) zur Erzeugung des Eingangssignals für den Schalter (46, 50), abhängig von einem ersten Rückkopplungssignal (kommend von 22) und einem zweiten Rückkopplungssignal (kommend von 70);
   eine als elektrisch isolierende Barriere wirkende Ein­ richtung (42) zum Koppeln des Eingangssignals von der Steuereinrichtung (37) zum Schalter (46, 50);
   eine Einrichtung (68), die von der ersten Wicklung (14) elektrisch isoliert ist und mit der Steuereinrichtung (37) gekoppelt ist, um das erste Rückkopplungssignal zu liefern, das abhängig von der an der zweiten Wicklung (16) entwickel­ ten Spannung abgeleitet wird;
   eine Einrichtung (52), die eine von der ersten Wicklung (14) elektrisch isolierte dritte Wicklung (70) enthält, welche mit der Steuereinrichtung (37) gekoppelt ist, um das zweite Rückkopplungssignal zu liefern, das abhängig von dem in der ersten Wicklung (14) fließenden Strom ab­ geleitet wird.