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Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil
mit: einem induktiven Element und einem Schaltelement, die in Reihe
angeordnet sind, zum Empfangen einer Speisespannung; Steuerungsmitteln
zum Schließen des
Schaltelementes während
eines Primärintervalls und Öffnen des
Schaltelementes während
eines Sekundärintervalls
in Reaktion auf ein Steuersignal; Messmitteln zum unidirektionalen
Messen eines Rückkopplungssignals,
das für
eine am induktiven Element als Folge des Öffnens und Schließens des Schaltelementes
erzeugte Signalspannung repräsentativ
ist; Mitteln, um aus dem Rückkopplungssignal
ein erstes Zeitablaufsignal abzuleiten, das für das Sekundärintervall
repräsentativ
ist; zeitselektiven Vergleichsmitteln zum Vergleichen des unidirektional gemessenen
Rückkopplungssignals
mit einem Bezugssignal während
zumindest des Sekundärintervalls
und Integrationsmitteln zum Generieren des Steuersignals in Reaktion
auf den Vergleich.
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Ein derartiges Schaltnetzteil ist
beispielsweise aus dem europäischen
Patent
EP 0 420 997 bekannt.
Dieses Patent offenbart einen selbstschwingenden Sperrwandler, wobei
das induktive Element eine Primärwicklung
eines Transformators ist und das Schaltelement ein Transistor, der
ein- und ausgeschaltet wird. Im Primärintervall wird der Transistor eingeschaltet
und in dem Transformator wird magnetische Energie aufgebaut. Im
Sekundärintervall,
das auf das Primärintervall
folgt, wird der Transistor ausgeschaltet und die aufgebaute Energie
wird einer Last zugeführt,
die über
eine Diode mit einer Sekundärwicklung
des Transformators verbunden ist. Der Spannungsverlauf an der Sekundärwicklung
wird mittels einer Hilfswicklung gemessen, die mit der Sekundärwicklung
magnetisch gekoppelt ist. Eine derartige Hilfswicklung ist jedoch
nicht erforderlich. Die Sekundärwicklung
selbst oder sogar die Primärwicklung
kann für
diesen Zweck verwendet werden. Die Signalumkehrungen in der Spannung
an der Hilfswicklung werden zum Generieren eines ersten Zeitablaufsignals
verwendet, das den Anfang und das Ende des Sekundärintervalls
angibt. Die Spannung an der Hilfswicklung schwankt um einen Wert
null. Während
des Sekundärintervalls
ist diese Spannung beispielsweise negativ. Die Größe dieser
negativen Spannung ist ein Maß für die Spannung
an der Last. Hierzu wird die Spannung an der Hilfswicklung unidirektional
gemessen, d. h. nur die negative Komponente darf durchgelas sen werden
und wird mit einem Bezugssignal in einem Zeitfenster verglichen,
das durch das erste Zeitablaufsignal definiert wird. Somit wird
der Vergleich nur während
des durch das erste Zeitablaufsignal definierten Sekundärintervalls
ausgeführt.
Das Ergebnis des Vergleichs wird integriert und das resultierende
Steuersignal ändert
die Ein/Aus-Zeit des Schalttransistors, bis schließlich der Mittelwert
des integrierten Signals null ist.
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Zum Ableiten des ersten Zeitablaufsignals aus
dem Rückkopplungssignal
an der Hilfswicklung werden elektronische Schaltungen benötigt, die
eine Quelle für
Verzögerungen
sind. Daher eilen die Flanken des ersten Zeitablaufsignals den Vorzeichenumkehrungen
im Rückkopplungssignal
nach. Wie im Weiteren vollständiger
erläutert
werden soll, führt dies
dazu, dass am Ende des Sekundärintervalls
in der zeitselektiv gemessenen Differenz zwischen dem Bezugssignal
und dem unidirektional gemessenen Rückkopplungssignal ein Fehlersignal
erzeugt wird. Dieses Fehlersignal wird auch integriert, wodurch
die Spannung an der Last auf einen anderen Wert geregelt wird als
erwartet. Die Ausgangsspannung hängt daher
von der Verzögerung
ab.
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Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine
Lösung
für die
Verzögerungsabhängigkeit
der Ausgangsspannung zu verschaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist das
Schaltnetzteil der eingangs erwähnten
Art dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil weiter Mittel
umfasst zum Generieren eines zweiten Zeitablaufsignals mit einem
Anfangszeitpunkt, der innerhalb des Primärintervalls liegt, und mit
einem Endzeitpunkt, der zumindest nicht vor dem Endzeitpunkt des
Sekundärintervalls
liegt; und die zeitselektiven Vergleichsmittel umfassen: ein erstes
zeitselektives Element zum Weiterleiten des Bezugssignals in Reaktion
auf das erste Zeitablaufsignal und ein zweites zeitselektives Element
zum Weiterleiten des unidirektional gemessenen Rückkopplungssignals in Reaktion
auf das zweite Zeitablaufsignal.
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Das Bezugssignal und das unidirektional
gemessene Rückkopplungssignal
werden jetzt nicht länger
mittels des gleichen Zeitablaufsignals, d.h. des ersten Zeitablaufsignals
weitergeleitet, verglichen und zeitselektiv integriert, sondern
mittels unterschiedlicher Zeitablaufsignale. Das Bezugssignal wird
mittels des ersten Zeitablaufsignals zeitselektiv weitergeleitet,
dessen Anstiegsflanke und Abfallflanke Verzögerungen unterliegen. Das unidirektional
gemessene Rückkopplungssignal
wird mittels eines zweiten Zeitablaufsignals zeitselektiv weitergeleitet, dessen
Abfallflanke nahezu mit der des ersten Zeitablaufsignals zusammenfällt, aber
dessen Anstiegsflanke irgendwo in dem Primärintervall auftritt. Wie im Weiteren
vollständiger
erläutert
werden soll, führt dies
dazu, dass ein ande renfalls fehlender Abschnitt des unidirektional
gemessenen Rückkopplungssignals
jetzt zeitselektiv weitergeleitet wird und das Fehlersignal während der
Integration des Differenzsignals kompensiert wird. Die Anstiegsflanke
des zweiten Zeitablaufsignals kann aus dem Signal abgeleitet werden,
mit dem das Schaltelement während
des Primärintervalls
eingeschaltet wird. Diese Ableitung kann mit einer Verzögerung einhergehen,
aber solange diese Verzögerung
kleiner ist als das Primärintervall,
hat dies keinen Einfluss.
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Diese und andere Aspekte der Erfindung sind
in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
Schaltnetzteil nach dem Stand der Technik;
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2 in
dem Schaltnetzteil von 1 auftretende
Signalformen;
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3 ein
erfindungsgemäßes Schaltnetzteil;
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4 in
dem Schaltnetzteil von 3 auftretende
Signalformen;
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5 einen
ersten Spannung-Strom-Wandler zur Verwendung in dem Schaltnetzteil
von 3 und
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6 einen
zweiten Spannung-Strom-Wandler zur Verwendung in dem Schaltnetzteil
von 3.
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In dieser Zeichnung haben Teile mit
gleicher Funktion oder Aufgabe gleiche Bezugszeichen.
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1 zeigt
ein Schaltnetzteil nach dem Stand der Technik. Ein Schaltelement,
im vorliegenden Fall beispielsweise ein FET-Schalttransistor 2 vom
n-Typ, ist mit einer Primärwicklung 4 eines Transformators 6,
der eine über
eine Diode 10 mit einer nicht abgebildeten Last verbundene
Sekundärwicklung 8 aufweist,
in Reihe geschaltet. Der Transformator 6 umfasst weiter
eine Hilfswicklung 12. Die Sekundärwicklung 8 und die
Hilfswicklung 12 sind mit einer Seite mit Erde verbunden.
Die Primärwicklung 4 ist
mit einer Seite mit einer positiven Spannung verbunden. Die andere
Seite der Primärwicklung 4 ist über den
Schalttransistor 2 mit Erde verbunden. Es wird deutlich
sein, dass es auch möglich
ist, einen anderen Transistortyp, beispielsweise einen Bipolartransistor,
als Schaltelement zu verwenden. Auf Wunsch kann der Schalttransistor
vom entgegengesetzten Leitungstyp sein, wobei dann die Speisespannung
in Bezug auf Erde negativ sein sollte. Der Schalttransistor wird
mittels eines von einem Treiber 14 gelieferten Steuersignals
UD ein- und ausgeschaltet. Die Spannung
UFB an der Hilfswicklung 12 wird
in einem Kompa rator 16, der eine Logikeinheit 18 steuert,
die ihrerseits ein erstes Zeitablaufsignal TM1 generiert,
mit Erdpotential verglichen. Die negativen Teile der Spannung UFB werden mittels eines unidirektionalen
Spannung-Strom-Wandlers 20 in einen Strom IFB umgewandelt.
Der Strom IFB fungiert als Rückkopplungssignal,
das mit einem Bezugsstrom IR in einer Differenzstufe 22 verglichen
wird, welcher Bezugsstrom aus einer Bezugsspannung UR mittels eines
Spannung-Strom-Wandlers 24 abgeleitet worden ist. Die Differenz
IE zwischen den Strömen IR und IFB wird mittels eines zeitselektiven Elementes 26 abgetastet,
das als Schalter dargestellt wird, der auf Kommando des ersten Zeitablaufsignals
TM1 geschlossen wird. Das abgetastete Differenzsignal
I*E wird in einem Integrator 28 integriert,
um ein Steuersignal UC zu bilden Das Steuersignal
UC steuert das Verhältnis zwischen den Zeitintervallen,
in denen der Schalttransistor 2 mittels des Treibers 14 ein-
und ausgeschaltet wird. Die Umwandlung der Spannungen UFB und
UR in Ströme ist nur als Beispiel dargestellt
und kann auf Wunsch entfallen.
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Die Funktionsweise dieses bekannten Schaltnetzteils
wird anhand von 2 erläutert, die einige
Signalformen zeigt, die in dem Schaltnetzteil auftreten. Der Schalttransistor
wird zum Zeitpunkt t1 eingeschaltet und
zum Zeitpunkt t2 ausgeschaltet. Das Intervall
zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 ist das Primärintervall TP,
in dem die Speisespannung an der Primärwicklung 4 anliegt
und Energie in dem Transformator 6 aufgebaut wird. Die
Diode 10 sperrt dann und es fließt kein Strom zur Last. Die
Spannung UFB an der Hilfswicklung 12 ist
in Bezug auf Erde dann positiv. Zum Zeitpunkt t2 wird
der Schalttransistor 2 ausgeschaltet und die gespeicherte
Energie zur Sekundärwicklung 8 weitergeleitet.
Die Spannungen an den Wicklungen der Transformators ändern dann ihr
Vorzeichen. Jetzt beginnt das Sekundärintervall TS,
in dem ein Strom durch die Diode 10 zur Last fließt. Dieser
Strom nimmt ab und wird zum Zeitpunkt t3,
der das Ende des Sekundärintervalls
TS markiert, gleich null. Die Spannung UFB springt dann entsprechend einer sinusförmigen Linie,
die der Einfachheit halber als gerade Linie gezeigt wird, von einem
bestimmten negativen Wert auf null. Nachdem der durch die Diode 10 fließende Strom
null geworden ist, schwingt die Spannung an der Sekundärwicklung 8 und
folglich auch die Spannung an der Hilfswicklung 12, bis
der Schalttransistor wieder eingeschaltet wird.
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Der negative Spannungssprung zum
Zeitpunkt t2 und der positive Spannungssprung
zum Zeitpunkt t3 in dem Signal UFB werden mittels des Komparators 16 detektiert
und in das erste Zeitablaufsignal in der Logikeinheit 18 umgewandelt.
Im Idealfall verlaufen die genannte Detektion und Umwandlung ohne
Verzögerung.
In 2 werden die Signalformen,
die dieser idealen Situation entsprechen, als TM1i,
I*Ri, I*FBi und
IEi dargestellt, die das erste Zeitablaufsignal
für das
zeitselektive Element 26, den abgetasteten Bezugsstrom,
den abgetasteten Rückkopplungsstrom
bzw. den abgetasteten Fehlerstrom darstellen. In der Endsituation
ist der Mittelwert des abgetasteten Bezugsstroms I*E;
null und hat die Ausgangsspannung an der Last einen Wert, der in
einem festen Verhältnis
zu der Bezugsspannung UR steht.
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In der Praxis unterliegt die Erzeugung
der Flanken des ersten Zeitablaufsignals TM1 einer
Verzögerung
im Komparator 16 und der Logikeinheit 18 und die
Anstiegs- und Abfallflanken
des ersten Zeitablaufsignals sind um eine Zeit D1 bzw.
D2 verzögert. In 2 werden die Signalformen,
die der Praxissituation entsprechen, als TM1,
I*R, I*FB und I*E gezeigt, die das verzögerte erste Zeitablaufsignal
für das
zeitselektive Element 26, den ebenso verzögerten abgetasteten
Bezugsstrom, den abgetasteten Rückkopplungsstrom
bzw. den abgetasteten Fehlerstrom darstellen. Der Signalabschnitt,
der in der Verzögerungszeit
D1 nach dem Zeitpunkt t2 auftritt,
fehlt jetzt in dem abgetasteten Rückkopplungsstrom I*FB. Zum Zeitpunkt t3,
d. h. bereits bevor der abgetastete Bezugsstrom I*R auf
null zurückkehrt,
wird der abgetastete Rückkopplungsstrom
I*FB wieder null. Der abgetastete Differenzstrom
I*E hat jetzt eine unerwünschte positive Komponente
während
der Verzögerungszeit D2 nach dem Zeitpunkt t3.
Diese Komponente wird auch integriert und infolgedessen hat die
Ausgangsspannung in der Endsituation, in der der Mittelwert des
abgetasteten Differenzstroms I*E null ist,
einen Wert, der vom erwarteten Wert abweicht. Die Ausgangsspannung
ist daher von den Verzögerungszeiten
D1 und D2 abhängig. Dies
ist vor allem für
den Fall kurzer Sekundärintervalle
störend,
d. h. bei kleinen Lasten.
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3 zeigt
ein erfindungsgemäßes Schaltnetzteil,
mit dem die Abhängigkeit
von der Verzögerung
bekämpft
wird. 4 zeigt die zugehörigen Signalformen.
Ebenso wie in 1 wird
der Bezugsstrom IR mittels des zeitselektiven
Elementes 26 auf Kommando des verzögerten ersten Zeitablaufsignals TM1 weitergeleitet, was zu dem abgetasteten
Bezugsstrom I*R führt, wie in 4 gezeigt. Der Rückkopplungsstrom IFB wird
jedoch mittels des zweiten zeitselektiven Elementes 30 auf
Kommando eines zweiten Zeitablaufsignals TM2 weitergeleitet,
dessen Anstiegsflanke zu einem Zeitpunkt t4 in
dem Primärintervall
TP auftritt und dessen Abfallflanke im Wesentlichen
mit der Abfallflanke des ersten Zeitablaufsignals TM1 zusammenfällt. Die
Abfallflanke des zweiten Zeitablaufsignals TM2 kann
jedoch auch mit dem Ende des Sekundärintervalls TS zusammenfallen,
d. h. beim Zeitpunkt t3, oder sie kann mit
einem beliebigen Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt t3 aber
innerhalb der ersten positiven Halbperiode der Spannung UFB zusammenfallen. Wie aus 4 ersichtlich, umfasst der abgetastete
Rückkopplungsstrom
I*FB jetzt auch den negativen Signalabschnitt,
der während
der Verzögerungszeit
D1 nach dem Zeitpunkt t2 auftritt.
Dieser negative Signalabschnitt kompensiert den positiven Signalabschnitt
in dem abgetasteten Fehlerstrom I*E, der
in der Verzögerungszeit
D2 nach dem Zeitpunkt t3 auftritt.
Die Fehlerverteilung in dem abgetasteten Bezugsstrom I*R wird
durch die Differenz zwischen den Verzögerungen D1 und
D2 verursacht. Die Fehlerverteilung in dem
abgetasteten Rückkopplungsstrom
I*FB wird durch den absoluten Wert der Verzögerung D1 verursacht. Der Aufbau mit zwei gesonderten
zeitselektiven Elementen und dem zusätzlichen zweiten Zeitablaufsignal
beseitigt den Fehlerbeitrag in dem abgetasteten Rückkopplungsstrom.
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Das zweite Zeitablaufsignal TM2 wird in einer Logikeinheit 32 gebildet,
die das erste Zeitablaufsignal TM1 empfängt, um
die Abfallflanke des zweiten Zeitablaufsignals TM2 zu
definieren. Um die Anstiegsflanke des zweiten Zeitablaufsignals
TM2 zu definieren, empfängt die Logikeinheit 32 das
Steuersignal Ud vom Treiber 14.
Die Anstiegsflanke dieses Signals zum Zeitpunkt t1 wird
verwendet, um die Anstiegsflanke des zweiten Zeitablaufsignals TM2 zum Zeitpunkt t4 zu
erzeugen. Eine mögliche
Verzögerung D3 zwischen den Zeitpunkten t1 und
t4 spielt keine Rolle, solange der Zeitpunkt
t4 innerhalb des Primärintervalls TP bleibt.
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Zwar spielt auch die Verzögerung des
unidirektionalen Spannung-Strom-Wandlers 20 eine
Rolle, aber diese kann mit verhältnismäßig einfachen Mitteln
verhältnismäßig unbedeutend
gehalten werden. 5 zeigt
einen NPN Transistor 34, dessen Emitter mit der Rückkopplungsspannung
UFB über
einen Konversionswiderstand 36 verbunden ist. Die Basis
des Transistors 34 ist mit einer geeignet gewählten Gleichspannungsquelle 38 verbunden
und sein Kollektor ist mit dem zweiten zeitselektiven Element 30 verbunden.
Der Transistor 34 leitet nur für negativ gehende Signale und
ist daher unidirektional. Die Spannung-Strom-Wandlung ist sehr schnell
und wird nur durch die Übergangsfrequenz
FT des Transistors 34 begrenzt.
Statt eines Bipolartransistors kann ebenso ein unipolarer (MOS-)Transistor
verwendet werden.
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6 zeigt
eine alternative Anordnung, bei der der Emitter des Transistors 34 durch
einen Operationsverstärker 40,
dessen nicht invertierender Eingang mit Erde, dessen invertierender
Eingang mit dem Emitter des Transistors 34 und dessen Ausgang mit
der Basis des Transistors 34 verbunden ist, auf Erdpotential
gehalten wird. Eine Klemmschal tung aus einer Diode 42 und
einer Spannungsquelle 44 sorgt für die Basisvorspannung des
Transistors 34.