DE4228480A1 - Gleichstrom-Versorgung mit LC-Filter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Versorgungseinrichtung mit LC-Filter.

Gleichstrom-Versorgungseinrichtungen mit LC-Filter sind beispielsweise aus "Fernsehtechnik ohne Ballast" von O. Limann, H. Pelka, Franzis-Verlag, 1983, S. 258-260 bekannt. Das dort beschriebene Schaltnetzteil liefert Versorgungsgleichspannungen zwischen 18 V und 200 V. Zur Bildung dieser Gleichspannungen wird jeweils eine gleichgerichtete Spannung mittels eines LC-Gliedes geglättet und gefiltert.

Derartige LC-Glieder, die aus diskreten Bauelementen aufgebaut sind und insbesondere als Siebschaltung für Gleichrichter eingesetzt werden, sind auch z. B. aus "Elemente der angewandten Elektronik" von E. Böhmer, Kieweg-Verlag, 1984, S. 62-63 bekannt. Um niederfrequente Störungen, d. h. sogenannte Brummfrequenzen, mittels LC-Glied zu filtern, werden Spulen mit einer hohen Induktivität, z. B. etwa 1H, benötigt. Solche Spulen erfordern einen hohen Materialaufwand und einen großen Platzbedarf.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gleichstrom-Versorgungseinrichtung für nachrichtentechnische Geräte zu entwerfen, die insbesondere eine im Niederfrequenzbereich entstörte Gleichstrom-Versorgung für taktische Funkgeräte liefert.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Die Gleichstrom-Versorgungseinrichtung hat demnach mindestens ein LC-Filter, das durch spulenlose Mittel aufgebaut ist.

Der Materialaufwand und Platzbedarf für eine derartige Gleichstrom-Versorgungseinrichtung ist geringer im Vergleich zu herkömmlichen Gleichstrom-Netzteilen, besonders dann, wenn eine im Niederfrequenzbereich entstörte Gleichstrom-Versorgung gefordert ist, die in bekannter Art mittels großer Spulen und großer Kondensatoren erzielt wird. Weiterhin sind die elektrischen Verluste der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Versorgungseinrichtung geringer im Vergleich zu den Verlusten herkömmlicher Versorgungseinrichtungen mit z. B. Gleichstromquellen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch die Unteransprüche.

Anhand von zwei Ausführungsbeispielen wird im folgenden die Erfindung beschrieben. Zu jedem Ausführungsbeispiel ist eine Figur gezeichnet.

Fig. 1 zeigt ein Gleichstrom-Netzteil für ein taktisches Funkgerät,

Fig. 2 zeigt als Schaltnetzteil einen Gleichspannungswandler mit einem ihm vorgeschalteten LC-Sieb und einem ihm nachgeschalteten LC-Sieb.

Fig. 1 zeigt eine als Netzteil ausgeführte Gleichstrom-Versorgungseinrichtung 1000 mit einem Transformator 101, einer Gleichrichterschaltung 102, die zusammen eine Spannungswandler-Stufe 100 bilden, und mit einem LC-Filter 200.

Das LC-Filter enthält zwei Elektrolyt-Kondensatoren 210 und eine spulenlose Schaltung 220, die aus einem Transistor 223, einem ohmschen Widerstand 221 und einer kapazitätsbehafteten Impedanz 222 aufgebaut ist.

Die Verschaltung und Funktion der obigen Teile wird im folgenden beschrieben:
Der Transformator ist primärseitig an eine Wechselspannung U1 von beispielsweise 220 V angeschlossen. Sekundärseitig ist ihm ein Brückengleichrichter 102 nachgeschaltet, der eine gleichgerichtete Spannung von etwa 12 V liefert. Diese gleichgerichtete Spannung wird als Versorgungs-Spannung U2 auf einen ersten Ausgang OUT des Netzteils 1000 und auf den Eingang des LC-Filters 200 geführt.

Parallel zum Eingang und zum Ausgang des LC-Filters ist jeweils einer der Kondensatoren 210 mit einer Kapazität von z. B. 470 µF geschaltet. Die Masse-Anschlüsse der Kondensatoren sind miteinander verbunden und zwischen den Pluspol-Anschlüssen derselben ist der Transistor 223 mit seinen Hauptelektroden K und E so geschaltet, daß das LC-Filter nach Art einer Π-Siebschaltung aufgebaut ist. Der Transistor T ist beispielsweise ein bipolarer Transistor vom Typ BC 107 und die kapazitätsbehaftete Impedanz 222 ist eine Parallelschaltung aus einem Kondensator mit einer Kapazität von etwa 10 µF und einem Widerstand von etwa 1 kΩ. Zwischen Basis B und Emitter E des Transistors ist die Impedanz 222 geschaltet, die somit Wechselanteile des Emitterstromes auf die Basis B zurückführt. Zwischen Basis B und Kollektor K des Transistors T ist der ohmsche Widerstand R mit beispielsweise 2,7 kΩ geschaltet, der zusammen mit dem Widerstand der Impedanz 222 den Ruhestrom des Transistors, d. h. den Gleichanteil des Emitterstromes einstellt.

Die spulenlose Schaltung 220 mit dem wie oben beschalteten Transistor T wirkt bezüglich den Anschlußklemmen Kollektor K und Emitter E wie eine Induktivität. Wird durch wechselnde Lastverhältnisse am Emitter eine Änderung des Emitterstromes, d. h. ein Wechselanteil im Emitterstrom, erzwungen, so bewirkt der Kondensator 222, daß der Wechselanteil nahezu in voller Höhe auf die Basis B geführt wird und die Basis-Emitterspannung konstant bleibt. Demnach bleibt der Kollektorstrom konstant auf Ruhestromniveau.

Mittels der Schaltung 220 beeinflussen Wechselanteile des Emitterstromes den Kollektorstrom nicht. Die Schaltung 220 wirkt wie eine Spule mit einem großen Wechselstromwiderstand und einem kleinen Gleichstromwiderstand.

Die Schaltung 220 ist über den Kollektor K mit dem positiven Pol des Filtereingangs verbunden, und der Emitter ist mit dem positiven Pol des Filterausgangs verbunden. Die am Filterausgang liegende Gleichspannung U2′ wird mittels des Filters 200 von der gleichgerichteten Spannung U2 getrennt und auf einen zweiten Ausgang OUT′ des Netzteils geführt. Am Ausgang OUT′ wird eine nahezu konstante Gleichspannung U2′ zur Versorgung eines Verbrauchers, wie z. B. eines taktischen Funkgerätes MR, abgegriffen. Ein von dem Funkgerät benötigter Gleichstrom I von beispielsweise 5A, der dem Ruhestrom des Transistors T entspricht, wird von der Gleichstrom-Versorgungseinrichtung gespeist. Der Gleichstrom I fließt vom positiven Pol der Gleichrichterschaltung 102 über die induktiv wirkende Schaltung 220 in den Versorgungsstromkreis des Funkgerätes und von dort zurück zum negativen Pol der Gleichrichterschaltung 102.

Störgrößen, die im Versorgungsstromkreis des Funkgerätes MR auftreten, wie z. B. die von Modulations- und Demodulationsstufen verursachten NF-Störströme dI, überlagern sich zusammen mit dem Gleichstrom I zu einem über die Stromversorgungsklemmen des Funkgerätes fließenden Gesamtstrom I+dI.

Das zwischen die Gleichrichterschaltung 102 und das Funkgerät geschaltete LC-Filter 200 wirkt in diesem Ausführungsbeispiel wie eine LC-Siebschaltung, die die vom Funkgerät verursachten Störströme dI von der Gleichrichterschaltung und somit vom ersten Ausgang OUT des Netzteils fernhält, so daß die am ersten Ausgang OUT angeschlossenen Verbraucher unbeeinflußt bleiben von den Störgrößen, die am zweiten Ausgang OUT′ verursacht werden. Weiterhin werden Störungen von der Netzversorgung, wie z. B. Netzbrummen, von der am zweiten Ausgang OUT′ liegenden Spannung U2′ ferngehalten. Der zweite Ausgang U2′ ist somit besonders für die Gleichstromversorgung von störempfindlichen Verbrauchern geeignet. Die gezeigte Versorgungseinrichtung 1000 erzielt, insbesondere im Frequenzbereich von 100 Hz-3 kHz, eine hohe, bidirektional wirkende Störunterdrückung zwischen beiden Ausgängen von etwa -40 bis -60 dB.

Dem ersten Ausgang OUT kann gleichfalls ein LC-Filter vorgeschaltet werden. Es sind verschiedene Kombinationen von Kapazitäten und spulenlosen Schaltungen denkbar, wie z. B. Π- und T-förmige Anordnungen LC-Filter, erster oder höherer Ordnung.

Im Vergleich mit herkömmlichen Netzteilen mit Versorgungsspannungsfiltern ist die obige Gleichstrom-Versorgungseinrichtung mit wenigen und in ihren Abmessungen kleinen Bauteilen zu realisieren. Die hohe Störunterdrückung erlaubt z. B. den Einsatz der Gleichstrom-Versorgungseinrichtung für die Versorgung taktischer Funkgeräte und davon zu trennende, andere Verbraucher. Von einer Messung der Versorgungsspannung U2 kann nicht auf eine Funksignalmodulation, die Störströme dI verursacht, zurückgeschlossen werden und somit ist eine hohe Kryptosicherheit gewährleistet.

Als zweites Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 eine Gleichstrom-Versorgungseinrichtung 2000 dargestellt mit einem Gleichspannungswandler 100, dem ein erstes LC-Filter 200 vorgeschaltet und dem ein zweites LC-Filter 200′ nachgeschaltet ist.

Eine erste Gleichspannung U1 von beispielsweise 6 V, die von einer Gleichspannungsquelle stammt, wird über das erste LC-Filter 200 auf den Gleichspannungswandler geführt. Am Eingang des Gleichspannungswandlers liegt demnach eine Eingangs-Gleichspannung U1 von etwa 6 V.

Der Gleichspannungswandler dient zur Umsetzung dieser Eingangs-Gleichspannung U1′ in eine Ausgangs-Gleichspannung U2′ von beispielsweise 12 V, die über das zweite LC-Filter 200′ geführt wird. Am Ausgang des zweiten LC-Filters liegt eine zweite Gleichspannung U2, die zur Versorgung eines Verbrauchers mit einer Betriebsspannung von 12 V dient. Die am Eingang des ersten LC-Filters 200 liegende erste Gleichspannung U1 dient zur Versorgung eines Verbrauchers mit einer Betriebsspannung von 6 V. Um die Betriebsspannungen U1 und U2 von Störgrößen dI1′ bzw. dI2′, die durch den Gleichspannungswandler 100 verursacht werden, zu trennen, ist demnach zwischen dem Gleichspannungswandler und jeweils einer der beiden Gleichspannungen U1 und U2 ein LC-Filter 200 bzw. 200′ als LC-Siebschaltung geschaltet.

Jedes LC-Filter enthält eine Transistor-Schaltung 220, 220′ mit einem Darlington-Transistor 223, 223′, dessen Basis B und dessen Emitter E über einen Kondensator 222 mit einer Kapazität von 1 µF miteinander verbunden sind und dessen Basis B und dessen Kollektor K über einen ohmschen Widerstand 221 mit z. B. 1 kΩ miteinander verbunden sind.

Die Transistor-Schaltung 220 des ersten LC-Filters 200 enthält einen npn-Darlington-Transistor z. B. vom Typ MJ 3001, dessen Emitter E von einem Elektrolyt- Kondensator 210 von 100 µF so verbunden ist, daß das LC-Filter 200 eine LC-Reihenschaltung nachbildet. Die erste Gleichspannung U1 liegt über dieser LC-Reihenschaltung. Die Eingangs-Gleichspannung U1′ des Gleichspannungswandlers wird über dem Elektrolyt-Kondensator 210 abgegriffen. Störgrößen wie z. B. Störströme dI1′, die durch den Gleichspannungswandler verursacht werden und sich einem Eingangsgleichstrom I1 überlagern, werden durch das erste LC-Filter derart gesiebt, daß die Gleichspannungsquelle von den Störgrößen nicht beeinflußt wird und bei einer Gleichspannung U1 einen konstanten Strom von z. B. 2A liefert, der dem Eingangsgleichstrom I1 des Gleichspannungswandlers entspricht.

Die Transistor-Schaltung 220′ des zweiten LC-Filters 200′ enthält einen pnp-Darlington-Transistor und ist mit einem Elektrolyt-Kondensator 210′ so verschaltet, daß das zweite LC-Filter 200′ eine wie zuvor beschriebene LC-Reihenschaltung bildet. Die Ausgangs-Gleichspannung U2′ des Gleichspannungswandlers liegt am Elektrolyt-Kondensator 210′ an und die zweite Gleichspannung U2 fällt über der LC-Reihenschaltung ab.

Ein im Ausgangsstromkreis des Gleichspannungswandlers fließender Gesamtstrom I2+dI2′ beeinflußt mit seinem Störanteil dI2′, aufgrund der LC-Filterung des zweiten LC-Filters 200′, die am Filterausgang liegende zweite Gleichspannung U2 nicht. Ein an diese Gleichspannung U2 angeschlossener Verbraucher RL wird mit einem konstanten Strom versorgt, der dem Gleichanteil I2 des obigen Gesamtstromes entspricht.

Die gezeigte Gleichstrom-Versorgungseinrichtung 2000 liefert Gleichspannungen U1 und U2, die nicht von Störungen, wie z. B. die im Schaltfrequenzbereich des Gleichspannungswandlers auftretenden Störströme dI1′, dI2′ beeinflußt werden.

Die Filtereigenschaften der LC-Filter können einfach durch z. B. eine andere Dimensionierung der Transistorbeschaltungen erzielt werden, so daß diese besonders gut im Niederfrequenzbereich wirken. Demnach ist eine Gleichstrom-Versorgungseinrichtung denkbar, als Schaltnetzteil z. B. zur Versorgung eines Personal-Computers, bei dem die Eingangs-Netzspannung niederfrequent gefiltert wird und die Versorgungs-Gleichspannung mittels Filterung im Schaltfrequenzbereich von etwa 20-70 kHz gewonnen wird.

Weiterhin können die Versorgungsströme I1 und I2 einfach begrenzt und unterbrochen werden. Dieses wird mittels Änderung des Basispotentials des entsprechenden, stromführenden Transistors erzielt, d. h. beispielsweise mittels Änderung des zwischen Basis und Kollektor geschalteten ohmschen Widerstandes. Die Gleichstrom-Versorgungseinrichtung verfügt demnach über eine sie und die angeschlossenen Verbraucher schützende Strombegrenzung.

Die beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispiele deuten die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Versorgungseinrichtung nur an.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft dort einsetzbar, wo herkömmliche Versorgungseinrichtungen, wie z. B. Leistungsnetzteile mit LC-Filtern höherer Ordnung, nur mit hohem technischen Aufwand eine möglichst störungsfreie Gleichstromversorgung leisten.

Claims (3)

1. Gleichstrom-Versorgungseinrichtung (1000, 2000) für nachrichtentechnische Geräte mit einer Spannungswandler-Stufe (100) und mit jeweils einem der Spannungswandler-Stufe vorgeschalteten und/oder nachgeschalteten LC-Filter dadurch gekennzeichnet, daß das LC-Filter (200, 200′) aus einer Kombination besteht von mindestens einer Kapazität (210) mit mindestens einer spulenlosen Trioden-Schaltung (220), die das Widerstandsverhalten einer Induktivität hat.

2. Gleichstrom-Versorgungseinrichtung (1000, 2000) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trioden-Schaltung (220) einen ohmschen Widerstand (221), eine kapazitätsbehaftete Impedanz (222) und als Triode einen Transistor (223) enthält, dessen Elektroden (B, E, K) derart beschaltet sind, daß zwischen Steuerelektrode (B) und emittierender Elektrode (E) die Impedanz (222) geschaltet ist, und daß zwischen Steuerelektrode (B) und Gegenelektrode (K) der Widerstand (221) geschaltet ist, wodurch sich die Trioden-Schaltung bezüglich des Hauptstrompfades des Transistors induktiv verhält.

3. Gleichstromversorgungseinrichtung (1000) nach Anspruch 1, als Gleichstrom-Netzteil für ein taktisches Funkgerät (MR), dadurch gekennzeichnet, daß das LC-Filter (200) der Spannungswandler-Stufe (100) nachgeschaltet ist und daß das LC-Filter eine symmetrische und im Niederfrequenz-Bereich wirkende LC-Siebschaltung nachbildet.