DE4431783A1

DE4431783A1 - Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE4431783A1
Application number: DE19944431783
Authority: DE
Inventors: Gerard Dr Ing Rilly; Jose-Ignacio D Rodriguez-Duran; Markus Dipl Ing Rehm
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1994-09-07
Filing date: 1994-09-07
Publication date: 1996-03-14

Description

Die Erfindung geht aus von einem Schaltnetzteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Schaltnetzteil enthält unter anderem einen periodisch betätigten Schalttransi stor und einen Transformator zur Erzielung der galvanischen Trennung und zur Erzeugung von Betriebsspannungen unterschiedli cher Amplitude und Polarität. In der Praxis ist man bemüht, den Transformator zu verkleinern, um dadurch Kosten und Gewicht zu verringern. Eine derartige Verkleinerung des Transformators ist möglich durch eine Erhöhung der Arbeitsfrequenz des Schaltnetz teils, z. B. von 30 kHz auf 120 kHz. Bei einer derartigen Erhöhung der Arbeitsfrequenz steigen jedoch die sogenannten Ein schaltverluste des Schalttransistors proportional mit der Arbeitsfrequenz an und erreichen unzulässig hohe Werte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil oh ne nennenswerte zusätzliche Bauelemente so weiterzubilden, daß die Einschaltverluste des Schalttransistors minimiert werden und der Transformator ohne eine unzulässige Erhöhung der Einschalt verluste verkleinert werden kann. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiter bildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung wird der den Schalttransistor steuernde Steuertransistor während der Sperrphase des Schalttransistors so lange leitend gesteuert, bis die Kollektorspannung des Schalt transistors etwa bis auf null abgefallen ist.

Dadurch ergibt sich folgende vorteilhafte Wirkung. Ein Schalt netzteil mit einer Arbeitsfrequenz von 25 kHz hat Einschaltver luste des Schalttransistors von ca. 0,6 W. Bei einer Erhöhung der Arbeitsfrequenz um den Faktor 4 auf etwa 100 kHz würden daher die Einschaltverluste auf etwa 2,4 W ansteigen. Durch die erfin dungsgeinäße Steuerung des Schalttransistors können jedoch Einschaltverluste von etwa 0,04 W erreicht werden. Diese vorteilhafte Wirkung wird somit lediglich durch eine besonders vorteilhafte Art der Steuerung des Steuertransistors erreicht, während zusätzliche Bauteile praktisch nicht erforderlich sind. Durch die Verkleinerung des Transformators kann auch die den Transformator tragende gedruckte Leiterplatte (PCB = printed circuit board) verkleinert werden. Auch kann durch die beträchtliche Verringerung der Einschaltverluste an dem Schalttransistor ein für diesen Transistor vorgesehenes Kühlblech kleiner werden oder sogar gänzlich entfallen. Gleiches gilt für den Widerstand und die Diode am Snubber.

Der Steuertransistor wird vorzugsweise von einem Oszillator ge steuert, der mehrere Funktionen ausübt. Der Oszillator erzeugt die Steuerspannung für den Steuertransistor und dadurch für den Schalttransistor. Der Oszillator dient außerdem als Startoszil lator, indem ein Eingang des Oszillators mit den Netzklemmen verbunden ist. Der Oszillator dient außerdem zur Änderung der Arbeitsfrequenz des Schaltnetzteils in Abhängigkeit von der je weils abgegebenen Leistung und ermöglicht dadurch einen Standby- Betrieb mit einer stark herabgesetzten Leistung von z. B. 5 W, ohne daß dafür ein sogenannter Paketbetrieb für die Steuerung des Schalttransistors erforderlich ist. Am Steuereingang des Oszillators liegt eine dem Netz proportionale Spannung an, und zusätzlich überlager eine Spannung, die von der Amplitude der zur Stabilisierung der erzeugten Betriebsspannung dienenden Regelspannung abhängig ist. Außerdem ist an dem Oszillator eine aus der Regelschaltung abgeleitete Spannung angelegt, die im Standby-Betrieb die Frequenz des Oszillators und damit die Arbeitsfrequenz des Schaltnetzteils mit sinkender Lei stungsabgabe verringert. Der Oszillator ermöglicht dabei eine Steuerung des Schalttransistors in Abhängigkeit von der Netzspannung. Dabei liegt zwischen den Netzklemmen und dem Sperrkondensator im Basisweg des Schalttransistors ein so bemessener Ladeweg, daß der Ladestrom des Sperrkondensators mit steigender Netzspannung zunimmt.

Der Steuertransistor ist vorzugsweise mit einem zweiten Transi stor zu einer Schaltung mit Thyristoreigenschaft oder einer Dar lington-Schaltung ergänzt.

Bei einer Weiterbildung ist eine Teilwicklung einer Zusatz- Primärwicklung des Transformators über eine Gleichrichterschal tung an den Sperrkondensator angeschlossen. Dabei ist ein Ende der Zusatz-Primärwicklung über eine Gleichrichterschaltung an einen Strommeßwiderstand am Emitter des Schalttransistors angeschlossen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 ein vollständiges Schaltbild eines erfindungsgemäß aus gebildeten Schaltnetzteils und

Fig. 2 Kurven zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1.

In Fig. 1 sind dargestellt unter anderem die Netzspannung UN, der Netzgleichrichter BR, der zur galvanischen Trennung und Transformation dienende Transformator LP20, Gleichrichterschal tungen 1, 2, 3 zur Erzeugung von Betriebsspannungen U1, U2, U3, der Steueroszillator O mit den Transistoren TP042, TP045, der eigentliche Schalttransistor TP020, der Sperrkondensator CP023, die Treiberschaltung mit dem Steuertransistor TP023 und dem Transistor TP022, die zur Stabilisierung dienende Regelschaltung mit der Diode DP031, dem Transistor TP034 und den Dioden DP034 und DP043, der sogenannten Snubber-Kondensator CP021 und die Startschaltung mit den Widerständen RP017 und RP018.

In folgenden wird die Wirkungsweise dieser Schaltung nacheinan der anhand der Fig. 2 für verschiedene Funktionen erläutert.

Steuerung des Schalttransistors zur Verringerung der Einschalt verluste.

Während der Zeitstoff ist der Schalttransistor TP020 gesperrt. Diese Sperrung erfolgt dadurch, daß der während der Einschalt zeit ton mit der dargestellten Polarität aufgeladene Sperrkon densator CP023 durch die leitend gesteuerten Transistoren TP023 und TP022 an seiner linken, positiv geladenen Elektrode auf esse gezogen wird. Dadurch entsteht an der Basis von TP020 eine negative Spannung, die TP020 sperrt. Am Ende der Sperrzeit würde ohne besondere Maßnahmen der Transistor TP020 wieder ein geschaltet, wenn an seinem Kollektor noch eine nennenswerte Spannung UT steht. Der Transistor TP020 muß dann zunächst den Snubber-Kondensator CP021 entladen, so daß in erwünschter Weise an TP020 unzulässig hohe Einschaltverluste auftreten.

Die Steuerung des Steuertransistors TP023 und damit das Ein schalten von TP020 erfolgt jetzt im Zeitpunkt t3 zu einem Zeitpunkt, in dem die Spannung UT am Kollektor von TP020 auf ei nen Minimalwert abgefallen ist. TP020 schaltet dann praktisch bei der Spannung UT=0 ein, so daß die genannten Einschaltverlu ste weitestgehend vermieden werden. Der Steuertransistor TP023, der an sich zum Abschalten von TP020 im Zeitpunkt t2 dient, wird also zusätzlich zu einem derart verzögerten Einschalten von TP020 ausgenutzt, daß jeweils bei diesem Einschalten keine nennenswerten Einschaltverluste mehr entstehen.

Startphase

Beim Einschalten des Schaltnetzteils ist die Netzspannung am Punkt a des Netzgleichrichters BR praktisch unverzögert vorhan den. Dadurch wird über die Widerstände RP017 und RP018 der Kondensator CP019 zunächst unverzögert aufgeladen. Wenn die Spannung an CP019 größer wird als die Zenerspannung von DP019, gelangt ein Strom an die Basis von TP042. Dieser Transistor wird leitend und steuert dadurch auch TP045 leitend. Der Kondensator CPO19 wird nunmehr über den Weg TP045-CP045-RP048-DP046 in den Kondensator CP023 und weiter in die Basis von TP020 entladen, so daß TP020 leitend gesteuert werden kann. Der Anlauf besteht aus einem 50 Hz Paketbetrieb mit einer Schaltfrequenz von ca. 2 kHz. Der Transformator LP20 überträgt also zunächst sehr wenig Leistung, was im Kurzschlußfall der Ausgangsspannungen zu keinem unzulässigen Betriebszustand führt (keine erhöhte Temperatur, keine Bauteile werden zerstört). Mit dem Ansteigen der Ausgangs spannungen wird die Zenerspannung von DP034 überschritten. Es fließt zusätzlich Strom über DP034 an die Basis von TP042 und es entsteht eine kontinuierliche Schaltfrequenz von ca. 100 kHz, was eine große Leistungsübertragung am Trafo bewirkt. Die Transisto ren TP042 und TP045 bilden einen Steueroszillator für die Steuerung von TP020, der im Normalbetrieb den Zündimpuls für das periodische Einschalten von TP020 erzeugt. Da das Laden des Sperrkondensators CP023 zeitgleich mit dem Leiten des Schalttransistors TP020 ist, wird ein sicheres Ausschalten des Schalttransistors auch beim allerersten Impuls garantiert.

Abschalten des Schalttransistors TP020

Für das Abschalten von TP020 werden TP022 und TP023 durch den ansteigenden Kollektorstrom am Meßwiderstand RP020 leitend gesteuert. Die Kathode von DP042 liegt dann praktisch auf Masse. Durch der Vorladung von CP042 gibt es eine negative Spannung an der Basis von TP042. TP042 wird dadurch gesperrt. CP042 wird ge laden mit einem Strom, der insgesamt zwei Wege hat, und zwar beim Start direkt von Netz über RP019 und durch eine von der Re gelschaltung abgeleitete Spannung über DP043, RP043, RP040 und RP041. Wenn z. B. die Sekundärspannungen U1, U2, U3 ansteigen, nimmt dieser Ladestrom abhängig von der Spannung im Regelkreis zu. Wenn CP042 wieder geladen wird, wird TP042 wieder leitend. Der leitend werdende TP045 erhält am Kollektor eine positive Spannung, die ein Impuls für den Ladeweg von CP045 darstellt. Dadurch wird DP046 leitend ein Basisstrom für TP020 erzeugt und gleichzeitig über RP047 der Steuertransistor TP023 gesperrt. Danach fließt ein Strom durch die Rückkopplungswicklung des Transformators LP20 von der Basiswicklung 6, 7. Wenn TP020 leitet, wird DP024 leitend und transformiert die Spannung in einen Basisstrom durch RP021 und RP024 in die Basis von TP020.

Regelung für die Stabilisierung

Die Stabilisierung der Ausgangsspannungen U1, U2, U3 erfolgt durch eine primärseitige Regelung. Von der Primärwicklung 8, 9 des Transformators LP20 wird eine die Amplitude von U1, U2, U3 darstellende Spannung abgenommen und der Regelschaltung R mit dem Transistor TP034, der Zenerdiode DP034 und den dargestellten üblichen Bauteilen zugeführt. Der daraus gewonnene Regelstrom Ir gelangt über RP036 auf die als Thyristor oder Darlington- Schaltung mit den Transistoren TP022 und TP023 und bewirkt eine Abschaltung des Stromes ic durch den Schalttransistor TP020 in Abhängigkeit von der Amplitude von U1, U2, U3. Durch diese Regelung des Kollektorstromes ic von TP020 werden die Ausgangsspannungen U1, U2, U3 in der Amplitude stabilisiert.

Frequenzänderung im Standby-Betrieb

Es wird angenommen, daß das Schaltnetzteil im Normalbetrieb mit einer erhöhten Frequenz von 120 kHz arbeitet. Im Standby-Betrieb wird die abgegebene Leistung durch Abschaltung der an U1, U2, U3 angeschlossenen Verbrauchers stark verringert, z. B. von 80 W auf 5 W. Dadurch würde an sich die Frequenz ansteigen, was aber we gen der Einschaltverluste unzulässig wäre. Die Schaltung ist nun so bemessen, daß sie im Normalbetrieb mit 150 kHz und 35 W ar beitet. Bei Standby-Betrieb wird nun die Arbeitsfrequenz etwa auf 20 kHz herabgesetzt. Dadurch wird die Leistung um den Faktor 7,5 auf etwa 5 W reduziert, was etwa der Leistung für Standby- Betrieb entspricht. Vorteilhaft dabei ist, daß nunmehr ein Standby-Betrieb ohne sogenannten Paketbetrieb, möglich ist. Die Einschaltzeitton kann dann in vorteilhafter Weise größer gewählt werden, da die Frequenz entsprechend verringert ist. Der Strom ist ebenfalls entsprechend klein, so daß die Temperatur an dem Schalttransistor TP020 nicht unzulässig ansteigt.

Der Standby-Betrieb mit der herabgesetzten Frequenz wird in der dargestellten Schaltung folgendermaßen bewirkt. Die Frequenzän derung erfolgt durch den Transistor TP051, der den Ladestrom für den frequenzbestimmenden Kondensator CP042 verringert. TP051 wird vom Ausgang der Regelschaltung gesteuert. Wenn der Strom in TP034 der Regelschaltung ansteigt, wird die Leistung reduziert. Die Spannung an dem Widerstand RP036 steigt. Wenn eine durch die Zenerdiode DP051 vorgegebene Schwellwertspannung überschritten wird, wird TP051 leitend und verringert die Frequenz des Ozsillators O und damit die Arbeitsfrequenz des Schaltnetzteils. Der Widerstand RP022 an der Basis von TP020 kann mit etwa 4,7 kOhm relativ klein bemessen sein. Das hat den Vorteil, daß der Basiskreis, der empfindlich ist gegen äußere Einflüsse, relativ niederohmig wird und äußere Störspannungen auf die Schaltung nur einen geringen Einfluß haben.

Fig. 2a zeigt die Spannung UT am Kollektor von TP020. Es ist er sichtlich, daß beim Einschalten von TP020 im Zeitpunkt t3 die Spannung UT einen Minimalwert angenommen hat. Fig. 2b zeigt, daß der Steuertransistor TP023 so lange leitend gesteuert bleibt, bis die Spannung UT den genannten Minimalwert hat. Fig. 2c zeigt die Spannung Uc an CP042. Fig. 2d zeigt, daß der Oszillator wäh rend der Einschaltzeit ton eingeschaltet und während der Sperrzeit toff von TP020 ausgeschaltet ist. Fig. 2e zeigt die Spannung Ub an der Basis von TP042. Fig. 2f zeigt, wann TP042 leitend und nicht leitend ist, während Fig. 2g dasselbe zeigt für TP020. Fig. 2h zeigt, wann CP042 geladen wird.

Claims

1. Schaltnetzteil mit einem Schalttransistor (TP020) und einem in dessen Basisweg liegenden Sperrkondensator (CP023), dessen der Basis abgewandtes Ende an einen Ladeweg und über einen zum Sperren des Schalttransistors (TP020) leitend gesteuerten Steuertransistor (TP023) mit Masse verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuertransistor (TP023) während der Sperrphase des Schalttransistors (TP020) so lange leitend gesteuert ist, bis die Kollektorspannung (UT) des Schalt transistors (TP020) etwa bis auf null abgefallen ist.

2. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuertransistor (TP023) während der Rücklauf-Entladungszeit und der anschließenden Schwingphase des Transformators (LP20) leitend gesteuert ist.

3. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuertransistor (TP023) von einem Oszillator (O) gesteuert ist, der zusätzlich als Startoszillator für das Schaltnetz teil dient.

4. Netzteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Steuereingang des Oszillators eine dem Netz proportionale Spannung anliegt, und zusätzlich überlagert eine Spannung, die von der Amplitude der zur Stabilisierung der erzeugten Betriebsspannungen dienenden Regelspannung abhängig ist.

5. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwi schen den Netzklemmen und dem Sperrkondensator (CP023) ein so bemessener Ladeweg (RP023, DP023, LP20 (5-6)) vorgesehen ist, daß die Ladung des Sperrkondensators (CP023) mit steigender Netzspannung zunimmt. Ladung über RP023 und DP023 durch LP20 (5-6) im forward-mode (während ton).

6. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuertransistor (TP023) mit einem zweiten Transistor (TP022) zu einer Schaltung mit Thyristoreigenschaft oder einer Dar lington-Schaltung ergänzt ist.

7. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilwicklung (5, 6) einer Zusatz-Primärwicklung (5, 7) des Transformators (LP020) über eine Gleichrichterschaltung (DP023, RP023) an den Sperrkondensator (CP023) angeschlossen ist.

8. Netzteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein En de (7) der Zusatz-Primärwicklung (5, 7) über eine Gleichrich terschaltung (DP024, RP024) an einen Strommeßwiderstand (RP020) am Emitter des Schalttransistors (TP020) angeschlos sen ist.

9. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung so ausgelegt ist, daß die Arbeitsfrequenz des Schaltnetzteils mit sinkender Leistung zunimmt.

10. Netzteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für den Standby-Betrieb die Arbeitsfrequenz etwa im Verhältnis der Verringerung der Leistung herabgesetzt ist.

11. Netzteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß paral lel zu einem die Arbeitsfrequenz bestimmenden Ladekondensator (CP042) des Oszillators (O) ein Netzwerk mit einem Widerstand (RP041) und einem Transistor (TP051) liegt, an dessen Basis über eine Schwellwertschaltung (DP051) eine Steuerspannung angelegt ist, die vom Ausgang einer zur Stabilisierung die nenden Regelschaltung abgeleitet ist.