DE3837933A1 - Getaktete stromversorgungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine getaktete Stromversorgungs­ einrichtung zur Erzeugung mehrerer Sekundärspannungen mit einem steuerbaren Schalter in Reihe mit einer Primärwick­ lung eines Transformators sowie mit mindestens einem Sperrwandlerkreis mit einer ersten Sekundärwicklung und mindenstens einem Durchflußwandlerkreis mit einer weite­ ren Sekundarwicklung.

Für die Versorgung elektronischer Geräte werden Stromver­ sorgungseinrichtungen benötigt, die eine oder mehrere Gleichspannungen liefern. In der Regel wird eine Regelung bzw. Stabilisierung dieser GleichsPannungen und galvani­ sche Trennung verlangt. Bei getakteten Stromversorgungs­ einrichtungen sind die Grundtypen Sperrwandler und Durch­ flußwandler zu unterscheiden. Die z.B. aus der Netzspan­ nung durch Gleichrichtung und Siebung gewonnene Gleich­ spannung wird in der Regel mit Hilfe eines schnellschal­ tenden Transistors in eine Rechteckspannung umgewandelt. Diese wird mit Hilfe eines Transformators übertragen, der im Fall des Sperrwandlers auch die Energiespeicherung übernimmt. Anschließend wird gleichgerichtet und ge­ siebt. Bei einem Sperrwandler fließt nur während der Sperrphase im Sekundarkreis ein Strom, während bei einem Durchflußwandler während der Leitphase Energie in den Lastkreis übertragen wird.

Bei einem aus DE-OS 36 22 986 bekannten Schaltnetzteil werden mit Hilfe einer Primärwicklung, die mittels eines gesteuerten Schalters periodisch mit einer ungeregelten gleichgerichteten Netzspannung verbunden wird, über Sekundärwicklungen und Gleichrichter an Ladekondensatoren mehrere netzgetrennte Sekundärspannungen erzeugt. Das Schaltnetzteil arbeitet durch entsprechende Polung der Sekundärwicklungen für stabil zu haltende geregelte Be­ triebsspannungen als Sperrwandler und für nicht geregelte Betriebsspannungen als Durchflußwandler. Drei Betriebs­ spannungen des Ausführungsbeispieles werden nach dem Sperrwandlerprinzip erzeugt, d.h. es wird immer dann Energie in die Ladekondensatoren geliefert, wenn der elektronische Schalter gesperrt wird. Anders verhält es sich mit der vierten Betriebsspannung. Die für die Erzeu­ gung dieser Betriebsspannung vorgesehene Sekundärwicklung des Schaltnetzteiltransformators ist derart gepolt, daß das Schaltnetzteil als Durchflußwandler arbeitet d.h. die Energie wird immer dann nachgeliefert, wenn der elektro­ nische Schalter durchgeschaltet ist. Am Ladekondensator ergibt sich somit eine der Netzspannung proportionale Be­ triebsspannung, die nahezu unabhängig von der Impulsbrei­ te d.h. von der Dauer des leitenden Zustandes des elek­ tronischen Schalters ist. Damit ist diese SPannung rück­ wirkungsfrei auf die übrigen drei Betriebsspannungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine getaktete Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der sowohl niedrige (z.B. 5 Volt) als auch hohe (z.B. 100 Volt) Sekundärspannungen auch für stark unterschiedliche Belastungsschwankungen stabil erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer getakteten Stromversorgungs­ einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß mindestens ein Durchflußwandlerkreis eine steuerbare Transduktordrossel aufweist, die mit einem Regler verbun­ den ist, der ein Regelsignal zur Regelung der Ausgangs­ spannung des Durchflußwandlerkreises liefert.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteran­ sprüchen enthalten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Figur gezeichneten Ausführungsbeispieles erläutert.

Die Figur zeigt eine getaktete Stromversorgungseinrich­ tung für zwei Ausgangsspannungen mit einem Transforma­ tor Tr, welcher eine primärseitige Wicklung N 1 und Sekun­ därwicklungen N ₂ eines Sperrwandlerkreises und N ₃ eines Durchflußwandlerkreises besitzt. Der Transformator Tr übersetzt Spannung und Strom und trennt Eingang und Aus­ gang galvanisch und ist bei einer vorteilhaften Ausge­ staltung als Ringkerntransformator ausgebildet, der einen Stufenluftspalt aufweist. In Reihe zur Primärwick­ lung N 1 ist ein z.B. als Transistor ausgebildeter steuer­ barer Schalter S angeordnet, der durch Steuerimpulse mit­ tels einer Steuerschaltung St angesteuert wird. Parallel zu den Eingangsklemmen, an denen die Spannung U 1 liegt, ist ein Kondensator C 1 geschaltet.

In Reihe zur Sekundärwicklung N ₂ des Sperrwandlerkreises ist eine Gleichrichterdiode D 1 angeordnet. Parallel zu der Reihenschaltung aus Sekundärwicklung N ₂ des Sperr­ wandlerkreises und der Gleichrichterdiode D 1 liegt ein Kondensator C ₂. An den Ausgangsklemmen des Sperrwandler­ kreises parallel zum Kondensator C ₂ liegt die Ausgangs­ spannung U ₂. Im Ausführungsbeispiel sind die Ausgangs­ klemmen des Sperrwandlerkreises mit einem als Hauptregel­ kreis ausgebildeten Regler R ₁ zur Regelung der Pulsbreite der Steuerimpulse der Steuerschaltung St verbunden. Wäh­ rend der Leitphase des steuerbaren Schalters S sperr die Diode D ₁ des Sperrwandlerkreises und an der Primärwick­ lung N ₁ des Transformators liegt die Spannung U ₁ an. Wäh­ rend der Sperrphase des steuerbaren Schalters S wird die Gleichrichterdiode D ₁ leitend und es wird die während der leitenden Phase von dem Transformator aufgenommene Ener­ gie über die Gleichrichterdiode D ₁ an den Kondensator C ₂ abgegeben und so die hohe Ausgangsspannung U 2 (z.B. 100 Volt) erzeugt. Der steuerbare Schalter S wird dabei durch Impulse gesteuert, die in ihrer Breite in Abhängig­ keit von Lastschwankungen der Spannung U ₂ und in Abhän­ gigkeit der Spannung U ₁ moduliert werden. Die Impulse werden von der Steuerschaltung St, z.B. einem Impulsbrei­ tenmodulator, erzeugt und an die Steuerelektrode des steuerbaren Schalters S gelegt. Von der mit U ₂ bezeichne­ ten Ausgangsspannung wird also ein Regelkriterium abge­ nommen, das über einen Regler R ₁ die Steuerschaltung St steuert. Die besten Regeleigenschaften werden erreicht, wenn der Sperrwandlerkreis im nicht lückenden Trapezbe­ trieb arbeitet, d.h., wenn die Einschaltzeit des steuer­ baren Schalters S im Lastbereich der Hauptregelspannung nahezu konstant ist und nur von der Eingangsspannung U 1 abhängig ist.

Ferner ist in der Figur in Reihe zur Sekundärwicklung N ₃ des Durchflußwandlerkreises eine Transduktordrossel L ₁ und eine Gleichrichterdiode D ₂ angeordnet. Parallel zu der Reihenschaltung aus Sekundärwicklung N ₃, Transduktor­ drossel L ₁ und Gleichrichterdiode D ₂ des Durchflußwand­ lerkreises liegt eine Freilaufdiode D ₃. In Serie zu der Anordnung aus Transduktordrossel L ₁, Sekundärwicklung N 3, Gleichrichterdiode D ₂ und Freilaufdiode D ₃ ist im Durch­ flußwandlerkreis eine Speicherdrossel L ₂ angeordnet. Pa­ rallel zu den Ausgangsklemmen, an denen die Spannung U ₃ auftritt, liegt ein Kondensator C ₃. Die Transduktordros­ sel L 1 ist mit einem Regler R ₂ verbunden, der ein Regel­ signal zur Regelung der Ausgangsspannung U ₃ des Durch­ flußwandlerkreises liefert. Die Gleichrichterdiode D ₂ des Durchflußwandlerkreises, mit dem im Ausführungsbeispiel die niedrigere Spannung U ₃ (z.B. 5 Volt) erzeugt wird, ist während der Leitphase des steuerbaren Schalters S leitend, der Strom fließt nach dem Durchschalten der Transduktordrossel zur nicht dargestellten Last und die Speicherdrossel L ₂ nimmt Energie auf, während die Frei­ laufdiode D ₃ gesperrt ist. Während der Sperrphase des steuerbaren Schalters S fließt der Strom aus der Spei­ cherdrossel L ₂ weiter über die Freilaufdiode D ₃ in die Last. Die Spannung An der Sekundärwicklung N 3 des Durch­ flußwandlerkreises wird über die Impulsbreitenregelung mit erfaßt und somit die Spannung U ₃ bereits vorstabili­ siert. Zur genauen Regelung der Ausgangsspannung U ₃ ist die Transduktordrossel L ₁ bei dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel an der Verbindung zwischen Transduk­ tordrossel L ₁ und Gleichrichterdiode D ₂ mit dem Regler R ₂ verbunden. Der Regler R ₂ ist eingangsseitig mit den Aus­ gangsklemmen verbunden, an denen die Spannung U ₃ an­ liegt. Dadurch wird ein Regelkriterium gewonnen, was ein entsprechendes Regelsignal in Form eines Steuerstromes I _s am Ausgang des Reglers R ₂ zur Folge hat. Der zur Trans­ duktordrossel L ₁ fließende Steuerstrom I _s bewirkt eine Anderung des Leitwertes der Transduktordrossel L ₁ und so­ mit eine Regelung bzw. Stabilisierung der Spannung U ₃ auf den vorgegebenen Wert von beispielsweise 5 Volt. Bei dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel weist die zwi­ schen der Sekundärwicklung N ₃ und der Gleichrichterdio­ de D ₂ angeordnete Transduktordrossel L ₁ des Durchfluß­ wandlerkreises eine Wicklung auf, die sowohl als Lei­ stungswicklung als auch als Steuerwicklung dient, wobei die Vormagnetisierung des Kernmateriales der Transduktor­ drossel L ₁ über den Regler R ₂ gesteuert wird.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Trans­ duktordrossel L ₁ eine Leistungswicklung und eine Steuer­ wicklung auf, wobei die Steuerwicklung mit dem Regler R ₂ verbunden ist.

Durch die über den Regler R ₂ angesteuerte Transduktor­ drossel L ₁ wird die Spannung U ₃ unabhängig von Eingangs­ spannungsschwankungen und Belastungsänderungen auch der hohen Spannung U ₂ und in einen großen Bereich konstant gehalten. Mit der im Ausführungsbeispiel gezeigten Schal­ tung konnen insbesondere bei Eintaktwandlern aber auch bei Gegentaktwandlern mehrere auch unterschiedlich hohe Spannungen bei hoher Schaltfrequenz des steuerbaren Schalters S einfach erzeugt werden, wobei eine verlustar­ me und genaue Regelung der Sekundarkreise sowie eine pro­ blemlose Lastverteilung zwischen Leerlauf und Nennlast erreicht wird. Dabei haben Laständerungen der Ausgangs­ spannungen nur geringen Einfluß auf die Einschaltzeit des steuerbaren Schalters S.

Soll die getaktete Stromversorgungseinrichtung eine wei­ tere oder mehrere zusätzliche Spannungen abgeben, so kön­ nen anstelle der beiden Sekundärkreise des in der Figur gezeigten Ausführungsbeispieles eine entsprechende Anzahl von weiteren Sekundärkreisen vorgesehen werden, wobei de­ ren Ausgangsspannungen sowohl geregelt als auch ungere­ gelt erzeugt werden können.

Claims (6)

1. Getaktete Stromversorgungseinrichtung zur Erzeugung mehrerer Sekundärspannungen mit einem steuerbaren Schal­ ter (S) in Reihe mit einer Primärwicklung (N ₁) eines Transformators (Tr) sowie mit mindestens einem Sperrwand­ lerkreis mit einer ersten Sekundärwicklung (N ₂) und mindestens einem Durchflußwandlerkreis mit einer weiteren Sekundärwicklung (N ₃), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Durchflußwandlerkreis eine steuerbare Transduktordrossel (L ₁) aufweist, die mit einem Reg­ ler (R ₂) verbunden ist, der ein Regelsignal zur Regelung der Ausgangsspannung (U ₃) des Durchflußwandlerkreises liefert.

2. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sperrwandlerkreis einen als Hauptre­ gelkreis ausgebildeten Regler (R ₁) zur Regelung der Puls­ breite des steuerbaren Schalters (S) aufweist.

3. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transduktordrossel in Reihe zur Sekundärwick­ lung (N ₃) des Durchflußwandlerkreises liegt.

4. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transduktordrossel (L ₁) eine Wicklung aufweist, die sowohl als Leistungswicklung als auch als Steuerwick­ lung dient.

5. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Transduktordrossel (L ₁) eine Leistungswicklung und eine Steuerwicklung aufweist, wobei die Steuerwick­ lung mit dem Regler (R ₂) verbunden ist.

6. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (Tr) als Ringkerntransformator aus­ gebildet ist und einen Stufenluftspalt aufweist.