DE3886585T2 - Gesteuerte Hochfrequenzleistungsversorgung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Energieversorgung mit einer Induktivität und einer Kapazität in Reihenschaltung zum Aufnehmen von Strom aus einer zugehörigen Quelle, mit einem Knotenpunkt in dieser Reihenschaltung zwischen der Induktivität und der Kapazität, mit einem ersten Schaltmittel, das zum Freigeben von Stromdurchfluß aus der Quelle durch die Induktivität und die Kapazität einschaltbar ist, wobei die Induktivität und die Kapazität mit je ersten und zweiten Klemmen versehen sind, und die erste Klemme der Kapazität an den Knotenpunkt angeschlossen ist, eine Diode mit einer vorgegebenen Polarität zwischen der zweiten Klemme der Induktivität und dem Knotenpunkt angeschlossen ist und eine weitere Diode mit derselben Polarität zwischen der zweiten Klemme der Kapazität und der ersten Klemme der Induktivität angeschlossen ist, mit einer Transformatorprimärspule mit einem ersten und einem zweiten Ende und mit einer Zwischenanzapfung, die an den Knotenpunkt angeschlossen ist, wobei ein zweites Schaltmittel mit dem zweiten Ende der Primärspule und mit der zweiten Klemme der Induktivität verbunden ist, ein drittes Schaltmittel mit dem ersten Ende der Primärspule verbunden ist, und ein Steuermittel enthalt, das das zweite und das dritte Schaltmittel abwechselnd ein- und ausschaltet, wodurch das erste und das zweite Schaltmittel in vorgegebenen Zeiträumen gleichzeitig eingeschaltet sind.
• Eine Stromversorgung dieser Art ist aus US-A-4 347 560 bekannt. Sie ist derart ausgeführt, daß sie eine Hochfrequenz-Wechselspannung aus einer Niederfrequenz-Wechselspannungsversorgung oder aus einer Gleichspannungsversorgung erzeugt und ein Paar in Gegentakt betriebener Schalttransistoren benutzt. In dieser bekannten Schaltung wird ein gleichgerichteter Wechselstrom oder ein Gleichstrom durch eine Reichenschaltung aus einem ersten Schalter und einer Drosselspule nach der Mittelanzapfung in der Primärwicklung eines Transformators erzeugt. Getrennte zweite und dritte Schalter verbinden die Enden der Primärwicklung mit Erde. Von der Mittelanzapfung nach Erde ist eine Kapazität damit verbunden. Beim abwechselnden Einschalten der Schalter und beim schnellen Einschalten einer Hochfrequenz wird Strom in der Sekundärwicklung des Transformators induziert. Ein Impulsbreitenmodulator steuert das Tastverhältnis des ersten Schalters zum Regeln des Stromflusses durch die Drosselspule, um die Ausgangsspannung der Anordnung ohne Berücksichtigung der Eingangsspannung konstant zu halten.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Energieversorgung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, in der ein besonderer Strom durch die Induktivität in einer wesentlich kürzeren Zeit als in der bekannten Anordnung erhalten wird, ohne daß die Komplexität der Schaltung wesentlich vergrößert wird. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Energieversorgung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Schaltmittel einen ersten Stromflußweg vom zweiten Ende der Primärspule und einen zweiten Stromflußweg parallel zur Kapazität in eingeschaltetem Zustand erzeugt, wobei der zweite Weg als wirksamer Kurzschluß zwischen der zweiten Klemme der Induktivität und der zweiten Klemme des Kondensators dient und das dritte Schaltmittel einen dritten Weg für Stromfluß vom Ende der Primärspule in eingeschaltetem Zustand erzeugt.
• Eines der Merkmale der Erfindung ist die Verwendung desselben Elements (des zweiten Schaltmittels) als Teil sowohl der Reglerstufe als auch der Gegentaktausgangsstufe. Einer der Vorteile der Erfindung ist, daß der Kompensationsbetrieb Maximaleingangsspannungen nach der Gegentaktstufe senkt, was insbesondere wünschenswert ist, wenn außergewöhnlich hohe Speisespannungen erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der hohe Energiefaktor, die sie im Kompensationsbetrieb mit einer vollweggleichgerichteten Eingangswechselspannung aufweist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß der Verstärkungsbetrieb die Spannung nach der Gegentaktstufe anhebt, was insbesondere wünschenswert ist, wenn außergewöhnlich niedrige Speisespannungen erzeugt werden, da damit die Verwendung wirksamerer Hochspannungs-Niederstromschalter in der Gegentaktstufe in Gegenüberstellung der weniger wirksamen Niederspannungs-Hochstromschalter ermöglicht wird.
• Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden dem versierten Fachmann aus nachstehender Beschreibung und den angehängten Ansprüchen anhand der Zeichnung einleuchten. Es zeigen
• Fig. 1 einen Verdrahtungsplan der geregelten Energieversorgung der Erfindung,
• Fig. 2 ein Zeitablaufdiagramm verschiedener Spannungswellenformen und einer Stromwellenform, die in einem Kompensationsbetrieb der Energieversorgung erzeugt werden,
• Fig. 3 ein Zeitablaufdiagramm verschiedener Spannungswellenformen und einer Stromwellenform, die in einem Verstärkungsbetrieb der Energieversorgung erzeugt werden,
• Fig. 4 einen Teilverdrahtungsplan in einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, und
• Fig. 5 einen Teilverdrahtungsplan in einer Abwandlung des Eingangsabschnitts der Energieversorgung nach Fig. 1.
• In Fig. 1 ist eine Induktivität L1 und eine Kapazität C1 in Reihenschaltung mit der Diode D3 zum Empfangen eines Stroms aus einer Quelle VS dargestellt.
• Ein Knotenpunkt J ist in der Reihenschaltung zwischen der Induktivität L1 und der Kapazität C1 gebildet. Ein erstes Schaltmittel in Form eines Transistors Q1 ist zum Aufsteuern vorgesehen, um einen Stromfluß von der Quelle VS durch die Induktivität L1 und die Kapazität C1 zu ermöglichen. Ein zweites Schaltmittel in Form des Transistors Q2 ist zum Einschalten vorgesehen, um mit der Diode D2 einen Weg für den Stromfluß aus der Quelle VS in einer Schaltung parallel zu der von der Diode D3 und der Kapazität C1 gebildeten Schaltung zu versorgen. Das Steuermittel CM in Fig. 1 erzeugt Signale auf den Leitungen V1 und V2 zum Aufsteuern erster und zweiter Schaltmittel Q1 und Q2. Die Spannung am Knotenpunkt J wird über die Leitung V4 zum Steuern der Einschaltzeit für den Transistor Q1 an das Steuermittel gelegt.
• Der Transformator TR2 enthält eine Primärschaltung mit einer Mittelanzapfung in Verbindung mit dem Knotenpunkt J der Reihenschaltung aus der Induktivität L1 und der Kapazität C1. Ein drittes Schaltmittel mit dem Transistor Q3 versorgt in eingeschalteten Zustand einen Weg für Stromfluß aus einem ersten Ende der Primärspule des Transformators TR2 nach Erde. Der Transistor Q2 und die Diode D4 versorgen einen Weg für den Stromfluß vom zweiten Ende der Primärspule des Transformators TR2 nach Erde. Das Steuermittel und der Verstärker A1 erzeugen Signale auf der Leitung V3 zum Aufsteuern des Transistors Q3 in den Zeiträumen, die mit den Zeiträumen des eingeschalteten Zustands des Transistors Q2 abwechseln. Die Belastung RL wird über die Sekundärspule des Transistors TR2 verbunden. Die Diode D1 mit der dargestellten vorgegebenen Polarität schließt eine Schaltung mit der Induktivität L1, der Diode D3 derselben vorgegebenen Polarität wie der der Diode D1 und der Kapazität C1. Die Diode D5 ist zum Ausgleichen des Effekts der (nicht dargestellten) inhärenten Diode über den Transistor Q3 vorgesehen, so daß beide Hälften der Gegentaktstufe eine größere Ähnlichkeit haben.
• Ein Kompensationsbetrieb der Energieversorgung nach Fig. 1 wird nachstehend anhand der Zeitablaufdiagramme nach Fig. 2 erläutert. Kompensationsbetrieb erfolgt, wenn die Spannung aus der Quelle VS höher ist als die, die zum Anlegen an die Primärspule des Transformators TR2 wünschenswert ist. Unter diesen Umständen wird der Transistor Q1 durch die Spannung auf der Leitung V1 für die Hälfte oder weniger als die Hälfte des Zeitraums für einen Betriebszyklus der Transistoren Q2 und Q3 aufgesteuert. Diese Leitungszeit verkürzt sich, wenn die Spannung an VS ansteigt. Dem Fachmann wird klar sein, daß die Einschaltzeit des Transistors Q1 durch die Größe der Spannung an VS steuerbar sein könnte, aber heutzutage wird bevorzugt, die Spannung am Knotenpunkt J zu diesem Zweck anzuwenden. Dem Fachmann wird ebenfalls klar sein, daß in Übereinstimmung mit der guten technischen Praxis das Steuermittel eine Schutzschaltung zur Steuerung des Tastverhältnisses enthalten würde, um Schaltungsbeschädigung zu verhindern, die in Übergangsperioden auftreten würde, wenn an VS Hochspannungen vorhanden sind.
• Die Wellenformen nach Fig. 2 sind in Zustand gezeichnet, in dem Arbeitsbedingungen im eingeschwungenen Zustand erreicht sind. Unter diesen Bedingungen wird der Transistor Q1 im Zeitraum T1 aufgesteuert, die zum Teil den Zeitraum T2 überlappt, in dem der Transistor Q2 leitet. In dieser Zeit fließt ein ansteigender Strom IL1 (siehe die niedrigste Wellenform nach Fig. 2) von der Quelle VS durch den Transistor Q1, die Induktivität L1, die Diode D2 und den Transistor Q2. Der Transistor Q2 und die Diode D2 arbeiten als wirksamen Kurzschluß über C1, wenn L1 sich auflädt. Auf diese Weise wird die Aufladezeit zum Erhalten eines besonderen Stroms durch die Induktivität L1 in bezug auf die verkürzt, wenn die Kapazität C1 wie in vorangehenden Anordnungen in der Aufladeschaltung vorhanden wäre. Nachdem die Induktivität L1 auf den gewünschten Betrag aufgeladen ist, werden beide Transistoren Q1 und Q2 am Anfang des Zeitraums T3 gesperrt, wobei die Induktivität L1 sich über die Kapazität C1 entlädt.
• Der Transistor Q2 führt zwei Aufgaben aus. Er ist ein Teil der Ausgangsschaltung für den Gegentaktumsetzer sowie auch ein Teil der Aufladeschaltung für die Induktivität L1. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Strom IL1 sich über die Induktivität L1 im Zeitraum T1 aufbaut, wobei die Transistoren Q1 und Q2 beide aufgesteuert sind. Dieser Strom wird im Zeitraum T5 dissipiert, während der Transistor Q3 aufgesteuert ist und die beiden Transistoren Q1 und Q2 gesperrt sind. Die Verlustleistung erfolgt sowohl über die rechte Seite der Primärspule des Transformators TR2 und den Transistor Q3 als auch über die Schaltung mit der Induktivität L1, der Diode D3, dem Kondensator C1 und der Diode D1. Wenn für eine vorgegebene Spannung an VS in eingeschwungenem Zustand erhalten ist, wird eine mittlere Gleichspannung über die Kapazität C1 zum Versorgen der Gegentaktstufe erzeugt.
• Ein Verstarkungsbetrieb der Energieversorgung wird anhand der Fig. 3 näher erläutert. In dieser Betriebsart wird der Transistor Q1 von 50% auf 100% des Zeitraums eines Betriebszyklus von Transistoren Q2 und Q3 aufgesteuert. Der Zeitgebertransistor Q1 ist in aufgesteuertem Zustand indirekt proportional der Amplitude der Spannung an VS. Aus der Wellenform für die Spannung auf der Leitung V1 ist ersichtlich, daß dies bedeutet, daß der Transistor Q1 zum Zusammenfallen mit dem ganzen Zeitraum, in dem der Transistor Q3 leitend wird, plus für einen Teil des Zeitraums aufgesteuert wird, in dem der Transistor Q2 aufgesteuert ist. Wenn Q1 eingeschaltet bleibt, nachdem Q2 gesperrt ist, wird die in die Drosselspule L1 im Zeitraum T1 induzierte Spannung zur Spannung über die Stromquelle VS als Versorgung für die Kapazität C1 addiert und es wird eine Verstärkungsoperation ausgeführt. Wie im Kompensationsbetrieb klingt der Strom durch die Drossel L1 im Zeitraum T5 ab. Mit dieser Anordnung für eine vorgegebenen Spannung an VS wird über die Kapazität C1 zum Versorgen der Gegentaktstufe erneut eine mittlere Gleichspannung erzeugt.
• In Fig. 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt, in dem eine zusätzliche Drossel L2 zwischen der Mittelanzapfung der Primärspule des Transformators TR2 und dem Knotenpunkt J angeschlossen ist. Bekanntlich sorgt dies dafür, daß die Gegentaktausgangsstufe der Stromversorgung eine stromgesteuerte Stufe ist, im Gegensatz zur spannungsgesteuerten Stufe ohne die Induktivität L2.
• In Fig. 5 ist eine Anordnung dargestellt, in der die Stromquelle VS faktisch ein vollweggleichgerichteter Wechselspannungseingang ist. Die Drossel L3 und die Kapazität C2 werden zum Abfiltern von Hochfrequenz-Leitungsstromharmonischen vorgesehen.
• Betrieb mit diskontinuierlichem Induktorstrom nach der Beschreibung sowohl für die Kompensationsart als auch für die Verstarkungsart wird heutzutage bevorzugt, da mit einer gleichgerichteten Wechselspannungsleitung wie der Stromquelle VS ein konstantes Tastverhältnis für den Transistor Q1 im Kompensationsbetrieb hohe Eingangsenergiefaktoren liefert. Dem Fachmann wird klar sein, daß dies dadurch verursacht wird, daß unter diesen Umständen der mittlere Strom in die Kapazität C2 nach Fig. 5 insbesondere dann proportional der Spannung an der Kapazität C2 ist, wenn der Transistor Q1 in einem Hochfrequenz-Tastverhältnis arbeitet. Wenn der Betrieb mit ununterbrochenem Induktorstrom wünschenswert ist, läßt sich dies durch Anbringen einer größeren Drossel L1 gut erhalten, als für diskontinuierlichen Betrieb vorgesehen ist.
• Es wird klar sein, daß mehrere Abwandlungen im Rahmen der Ansprüche in der oben beschriebenen Anordnung dem Fachmann bekannt sein werden, und daß die hier beschriebene Anordnung rein zur Veranschaulichung und nicht einschränkend anzusehen ist.

Claims (7)

1. Energieversorgung mit einer Induktivität (L1) und einer Kapazität (C1) in Reihenschaltung zum Aufnehmen von Strom aus einer zugehörigen Quelle (VS), mit einem Knotenpunkt (J) in dieser Reihenschaltung zwischen der Induktivität und der Kapazität, mit einem ersten Schaltmittel (Q1), das zum Freigeben von Stromdurchfluß aus der Quelle durch die Induktivität und die Kapazität einschaltbar ist, wobei die Induktivität und die Kapazität mit je ersten und zweiten Klemmen versehen sind, und die erste Klemme der Kapazität an den Knotenpunkt angeschlossen ist, eine Diode (D3) mit einer vorgegebenen Polarität zwischen der zweiten Klemme der Induktivität und dem Knotenpunkt angeschlossen ist und eine weitere Diode (D1) mit derselben Polarität zwischen der zweiten Klemme der Kapazität und der ersten Klemme der Induktivität angeschlossen ist, mit einer Transformatorprimärspule mit einem ersten und einem zweiten Ende und mit einer Zwischenanzapfung, die an den Knotenpunkt angeschlossen ist, wobei ein zweites Schaltmittel (Q2) mit dem zweiten Ende der Primärspule und mit der zweiten Klemme der Induktivität (L1) verbunden ist, ein drittes Schaltmittel (Q3) mit dem ersten Ende der Primärspule verbunden ist, und ein Steuermittel (CM) enthält, das das zweite und das dritte Schaltmittel abwechselnd ein- und ausschaltet, wodurch das erste (Q1) und das zweite Schaltmittel (Q2) in vorgegebenen Zeiträumen gleichzeitig eingeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Schaltmittel (Q2) einen ersten Stromflußweg vom zweiten Ende der Primärspule und einen zweiten Stromflußweg parallel zur Kapazität in eingeschaltetem Zustand erzeugt, wobei der zweite Weg als wirksamer Kurzschluß zwischen der zweiten Klemme der Induktivität und der zweiten Klemme des Kondensators (C1) dient und das dritte Schaltmittel (Q3) einen dritten Weg für Stromfluß vom Ende der Primärspule in eingeschaltetem Zustand erzeugt.

2. Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode (D2) in den Stromflußweg parallel zur Kapazität (C1) eingeschaltet ist, wobei in nur einer Richtung das zweite Schaltmittel (Q2) Strom durchfließen kann.

3. Stromversorgung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode (D4) in den Stromflußweg vom zweiten Ende der Primärspule eingeschaltet ist, wobei in nur einer Richtung vom zweiten Ende das zweite Schaltmittel (Q2) Strom durchfließen kann.

4. Stromversorgung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel (CM) zum gleichzeitigen Abschalten des ersten (Q1) und des zweiten Schaltmittels (Q2) dient, um einen Betrieb der Stromversorgung als Tiefsetzsteller zu ermöglichen.

5. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel (CM) zum Erhalten des ersten Schaltmittels (Q1) im eingeschalteten Zustand, wenn das zweite Schaltmittel (Q2) abgeschaltet wird, um einen Betrieb der Stromversorgung als Hochsetzsteller zu ermöglichen.

6. Stromversorgung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel (CM) mit dem Knotenpunkt (J) verbunden ist und zum Ansprechen auf eine Spannung an diesem Knotenpunkt dient, um das Tastverhältnis des ersten Schaltmittels (Q1) zu steuern.

7. Stromversorgung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Knotenpunkt (J) und der Mittelanzapfung eine Drossel (L2) eingeschaltet ist.