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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Schaltnetzteil mit einem Schalttransistor, einem Transformator
mit einer Primärwicklung,
die in Serie zu dem Schalttransistor geschaltet ist, und mindestens
einer Sekundärwicklung,
einer Anlaufschaltung, einer Treiberschaltung zum Ansteuern des
Schalttransistors und einer Schwellwertschaltung.
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Schaltnetzteile dieser Art benötigen eine
Anlaufschaltung, durch die nach seinem Einschalten ein Strom fließt zur Versorgung
der Treiberstufe, da das Schaltnetzteil sonst nicht anschwingt.
Dieser Strom muß auch
ausreichend groß sein,
um Transistoren der Treiberstufe durchzuschalten, und um den Schalttransistor
mit einer ausreichend großen
Steuerspannung bzw. einen Steuerstrom zu versorgen, so daß dieser
durchschaltet. Wenn der Schalttransistor durchgeschaltet ist, fließt durch
die Primärwicklung
des Transformators ein erster Strom, wodurch an einer sekundären Wicklung
eine Spannung entsteht zur Versorgung der Treiberschaltung. Im weiteren
Betrieb versorgt sich das Schaltnetzteil über diese Wicklung selbst ausreichend
mit Leistung, so daß die
Anlaufschaltung nicht mehr benötigt
wird.
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Da die Anlaufschaltung aber ständig in
Betrieb ist und eine Leistung in der Größenordnung von einem Watt oder
mehr verbraucht, ist dies insbesondere bei Schaltnetzteilen, die
einen Standby-Betrieb aufweisen oder lange bzw. permanent angeschaltet sind,
sehr unerwünscht.
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Zur Reduzierung der Verlustleistung
sind Schaltnetzteile mit verschiedenen Konzepten bekannt, die aber
teilweise aufwendig sind, wie in der
DE
196 52 604 angegeben, oder einen Startoszillator benötigen, wie
in der
EP 0 701 318
A1 beschrieben. Andere Konzepte zur Verringerung der Standby-Verlustleistung,
wie Zusatzgeräte
zur Abschaltung eines Fernsehgerätes,
beschrieben beispielsweise in der
EP 0 804 026 A2 , bringen unter Umständen Nachteile
für einen Benutzer
mit sich, da sie nicht selektiv auf Fernbedienungssignale reagieren.
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Aus der WO92/17934 ist eine Anlaufschaltung
für ein
Schaltnetzteil bekannt, die eine integrierte Schaltung mit einer
Zenerdiode aufweist, durch die ein verzögertes Einschalten der integrierten
Schaltung bewirkt wird. Während
der Verzögerungsphase wird
die integrierte Schaltung initialisiert und die Parameter und Bauteile
in einen definierten Zustand gebracht. Am Ende der Initialisierungsphase
wird die integrierte Schaltung auf stationären Normalimpulsbetrieb umgeschaltet.
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Ein Schaltnetzteil nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist aus Patent Abstracts of Japan, Vol. 10, No.
293 (E-443), 4 October 1986 &
JP 61 109458 A bekannt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Schaltnetzteil der eingangs genannten Art anzugeben,
bei dem der Energieverbrauch der Anlaufschaltung möglichst
gering gehalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch
1 angegebene Erfindung gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das Schaltnetzteil der vorliegenden
Erfindung enthält
eine Schwellwertschaltung, die nach dem Einschalten die Treiberstufe
sperrt, bis die Betriebsspannung für die Treiberstufe einen vorgegebenen
Schwellwert überschritten
hat. Hierdurch kann die Anlaufschaltung hochohmig gehalten werden,
so daß ein
die Treiberschaltung versorgender Speicherkondensator langsam aufgeladen
werden kann, ohne daß der
Strom im Netzwerk der Treiberschaltung versickert. Ist die Spannung über dem
Speicherkondensator ausreichend groß und überschreitet einen bestimmten
Spannungswert, so geht die Treiberschaltung in Betrieb und schaltet
den Schalttransistor durch. Mit einem weiteren Anschluß ist die Schwellwertschaltung
mit einem eine Wechselspannung führenden
Ende einer sekundären
Wicklung verbunden.
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Die Schwellwertschaltung liegt an
einem Eingang der Treiberschaltung an, an dem eine Spannung anliegt,
die in Abhängigkeit
von dem Aufladevorgang des Speicherkondensators ansteigt. Überschreitet
die Spannung an diesem Anschluß den
vorgegebenen Schwellwert, so schaltet die Treiberstufe durch. Zur
Erzeugung des Schwellwertes kann die Schwellwertschaltung in einfachster
Ausführung
aus einer mit einem Widerstand in Serie geschalteten Zenerdiode
bestehen, die mit einem Referenzpotential des Schaltnetzteils über ein
Ende der Sekundärwicklung
in Verbindung steht. Die Schwellwertschaltung ist mit einem Ende
insbesondere mit dem Ende einer Sekundärwicklung verbunden, das durch
eine positive Rückkopplung
das Durchschalten der Treiberstufe unterstützt.
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Die Schwellwertschaltung kann insbesondere
für ein
selbstschwingendes Schaltnetzteil ohne Startoszillator verwendet
werden, das im Anlaufverhalten kritischer ist als andere Schaltnetzteile.
Insbesondere bei Verwendung eines npn-Transistors als Schalttransistor
ist eine ausreichende Energie (Strom und Spannung) notwendig, um
diesen durchzuschalten. Die Schwellwertschaltung ist in diesem Ausführungsbeispiel
mit einem Ende der sekundären Wicklung
verbunden, die in der Leitendphase des Schalttransistors eine negative
Spannung führt,
so daß eine
positive Rückkopplung
auftritt. Die Änderung
der Spannung an der Sekundärwicklung
wird hierbei ausgenutzt, um den Steuerstrom des Treibertransistors
weiter zu erhöhen,
so daß der
Schalttransistor sicher durchschaltet.
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Die Schwellwertschaltung kann ebenfalls vorteilhaft
für ein
Schaltnetzteil mit einem Feldeffekttransistor als Schalttransistor
verwendet werden. Hier ist die Treiberschaltung mit einem Anschluß an einem
Ende der Sekundärwicklung
angeschlossen, das in der Sperrphase des Feldeffekttransistors eine positive
Spannung führt.
Hierdurch benötigt
das Schaltnetzteil nur eine Sekundärwicklung auf der Primärseite für die Versorgungsspannung
der Treiberschaltung und der Schwellwertschaltung. Zudem wird im
Fall eines Kurzschlusses, bei dem die positive Spannung am Ende
dieser Wicklung abfällt,
die Selbstoszillation des Schaltnetzteiles sicher gestoppt.
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Durch die Schwellwertschaltung ist
gewährleistet,
daß das
Schaltnetzteil auch bei einer Anlaufschaltung mit geringer Verlustleistung
sicher anläuft sowie
im Normalbetrieb einen stabilen Betrieb aufweist. Die Erfindung
kann insbesondere verwendet werden für selbstschwingende Schaltnetzteile
nach dem Sperrwandlerprinzip, die eine Standby-Betriebsart aufweisen,
wie beispielsweise für
Fernsehgeräte, Videorecorder,
Satellitenreceiver oder Settop-Boxen.
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Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft an
Hand von schematischen Schaltbildern näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
selbstschwingendes Schaltnetzteil mit einem npn-Transistor als Schalttransistor
und
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2 ein
selbstschwingendes Schaltnetzteil mit einem Feldeffekttransistor
als Schalttransistor.
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Das in dere 1 dargestellte Schaltnetzteil enthält einen
Brückengleichrichter
BR und einen nachfolgenden Kondensator C11, durch die eine gleichgerichtete,
geglättete
Spannung U0 bereitgestellt wird. Diese liegt an einer Primärwicklung
W1 eines Trenntransformators L50 an, die mit einem Schalttransistor
T50 in Serie geschaltet ist. Eine primärseitig angeordnete Sekundärwicklung
W2 dient zur Versorgung der Treiberschaltung des Schalttransistors
T50. Das Schaltnetzteil ist als Sperrwandler ausgebildet und besitzt
weitere Sekundärwicklungen von
sekundärseitig
angeordneten Verbrauchern, in der 1 nicht
dargestellt.
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Die Sekundärwicklung W2 weist drei Enden 3,
4, 5 auf, wobei Ende 4 mit einem Referenzpotential, in diesem Ausführungsbeispiel
mit Masse, verbunden ist und das Ende 3 in der Durchschaltphase des
Schalttransistors T50 eine positive Spannung und das Ende 5 eine
negative Spannung führt.
In der Sperrphase polen die an diesen Enden 3 und 5 anliegenden
Spannungen um. Das Ende 3 ist über
eine Diode D30 mit einem Speicherkondensator C30 verbunden, wodurch
die Treiberschaltung mit einer gleichgerichteten Betriebsspannung
UT während
des Schaltbetriebes versorgt wird.
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Die Treiberschaltung enthält zwei
Transistorstufen T42, T44 und eine beschaltete Spule L44, über die
der Schalttransistor T50 durchgeschaltet bzw. gesperrt wird. Die
Spule L44 ermöglicht
einen ansteigenden Steuerstrom zum Durchschalten des Schalttransistors
T50 und bewirkt gleichzeitig eine negative Spannung zum Sperren
des Schalttransistors, wodurch Verluste in der Treiberschaltung
und Ausschaltverluste des Schalttransistors gering gehalten werden.
Die Funktionsweise der Spule L44 ist bereits in der EP-A-0 786 866
beschrieben und wird deshalb hier nicht weiter erläutert.
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In der Leitendphase des Schalttransistors T50
ist der Transistor T42 gesperrt und der Transistor T44 leitend,
so daß über das
Ende 3 der Sekundärwicklung
W2 ein ausreichend hoher Steuerstrom bereitgestellt wird.
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Das Ausschalten des Schalttransistors
T50 wird über
einen Kondensator C33 und einen Transistor T32 bewirkt, der bei
einer bestimmten Spannung über
diesen Kondensator durchschaltet. Der Kondensator C33 wird hierbei
während
der Leitendphase durch einen im Stromweg des Schalttransistors T50 liegenden
Widerstand R49 und ein passives Netzwerk N1, das mit dem Ende 3
der Wicklung W2 verbunden ist und im wesentlichen Schwankungen der Spannung
U0 ausregelt und eine Softstart-Information bereitstellt, aufgeladen. Überschreitet
die Spannung an diesem Kondensator die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T32,
so wird dieser durchgeschaltet und zieht hiermit die an der Basis des
Transistors T42 anliegende Spannung auf einen niedrigeren Wert,
so daß dieser
durchgeschaltet wird. Hierdurch steigt die Spannung SE an der Basis des
Transistors T44 an, so daß dieser
sperrt und somit der Schalttransistor T50 ebenfalls sperrt.
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In der Sperrphase des Schalttransistors
T50 wird die in dem Transformator L50 gespeicherte Energie auf die
Sekundärwicklungen übertragen
zur Versorgung der Verbraucher. Ist die magnetische Energie in dem
Transformator L50 abgeklungen, so wird über ein passives Netzwerk N2,
das mit dem Ende 5 der Wicklung W2 verbunden ist, der Transistor
T32 gesperrt. Hierdurch wird auch der Transistor T42 gesperrt, so
daß der
Transistor T44 durchschaltet und somit die Sperrphase des Schalttransistors
T50 beendet wird.
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Das Schaltnetzteil enthält eine
Anlaufschaltung mit einen oder mehreren Widerständen R30, die einen geringen
Strom von beispielsweise 1 mA liefert, durch den der Speicherkondensator
C30 nach dem Einschalten des Schaltnetzteiles aufgeladen wird. Durch
eine Zenerdiode D44, die über
einen Widerstand R44 über
die Wicklung W2 mit dem an dem Ende 4 anliegenden Massepotential
verbunden ist, wird der Transistor T44 in dieser Anlaufphase gesperrt
gehalten. Der Transistor T32 ist hier ebenfalls gesperrt, da an
seiner Basis keine Spannung anliegt, so daß der Transistor T42 ebenfalls
gesperrt ist. Die an dem Speicherkondensator C30 anliegenden Bauteile
sind also in der Anlaufphase alle gesperrt bzw. vollständig stromlos,
so daß dieser über die
Anlaufschaltung R30 mit einem sehr geringen Strom aufgeladen werden
kann, ohne daß dieser
gegen Masse versickert. Übersteigt
die an dem Emitter des Transistors T44 anliegende Betriebsspannung
UT die durch die Zenerspannung gebildete Schwellwertspannung SE
plus die Basis-Emitter-Spannung, so fließt ein Strom durch die Emitter-Basis-Strecke
des Transistors T44, so daß dieser
aufgesteuert wird.
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Die Zenerspannung der Zenerdiode
D44 ist derart gewählt,
daß der
Transistor T44 beispielsweise bei einer Spannung von etwa 4,5 V
an dem Speicherkondensator C30 einschaltet. Die in diesem Kondensator
gespeicherte Energie ist damit ausreichend, um den Schalttransistor
T50 durchzuschalten. Hierdurch tritt an dem Ende 3 der Wicklung
W2 durch die Induktion des Transformators L50 eine positive Spannung
auf, die den Basis-Strom für
den Schalttransistor T50 aufrechterhält. Gleichzeitig tritt ein
zweiter wichtiger Effekt der Schaltung auf: Das Durchschalten des
Schalttransistors T50 bewirkt an dem Ende 5 der Wicklung W2 eine
negative Spannung, wodurch die über
die Zenerdiode D44 stehende Spannung SE nach unten gezogen wird.
Es entsteht eine positive Rückkopplung,
die den Transistor T44 und somit den Schalttransistor T50 schneller durchschaltet.
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Während
der Sperrphase des Schalttransistors T50 ist die Spannung an dem
Ende 5 der Wicklung W2 positiv und die Spannung SE hoch, so daß der Transistor
T44 sicher gesperrt bleibt während
der gesamten Sperrphase. Parasitäre
Oszillationen, die das Schaltverhalten des Transistors T32 beeinflussen
können
während
der Sperrphase, spielen keine Rolle, da die Schwellwertschaltung
die Basis-Spannung des Transistors T44 immer positiv hält.
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Das Sperren des Schalttransistors
T50 wird in der Anlaufphase ebenfalls über den Transistor T32 bewirkt,
wie vorangehend bereits beschrieben. Das Schaltnetzteil ist hierdurch
selbstoszillierend und weist sowohl in der Anlaufphase also auch
im Normalbetrieb einen sicheren Betrieb auf aufgrund der Schwellwertschaltung
mit der Zenerdiode D44 und dem Widerstand R44. Ein Anlaufoszillator
wird nicht benötigt.
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Bei Verwendung eines npn-Schalttransistors liegt
hier die Treiberschaltung mit den Transistoren T42 und T44 an dem
Ende 3 der Wicklung W2 an, das eine positive Spannung liefert, wenn
der Schalttransistor T50 durchgeschaltet ist. Hierdurch wird eine
gewünschte
Abhängigkeit
von der Netzspannung UN erzielt: Bei hoher Netzspannung UN liefert das
Ende 3 eine höhere
Spannung und damit einen höheren
Basisstrom für
den Schalttransistor T50, so daß ein
gewünschtes
Basisstrom/Kollektorstrom-Verhältnis
des Schalttransistors T50 auch bei schwankenden oder unterschiedlichen
Netzspannungen UN eingehalten werden kann. Zudem kann der Wert des
Kondensators C30 mit 10 nF sehr gering gehalten werden, da der Basisstrom
des Schalttransistors T50 durch die Wicklung W2 geliefert wird.
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Das Schaltnetzteil der 2 verwendet einen Feldeffekttransistor
T20 als Schalttransistor, der über
Spannungen gesteuert wird, so daß die Treiberstufe keine hohen
Ströme
bereitstellen muß.
Das Durchschalten und Sperren des Feldeffektransistors T20 wird
hier ebenfalls über
den Transistor T32 bewirkt, der ähnlich
beschaltet ist wie in der 1.
Hier liegt zusätzlich
noch ein Optokoppler OK an dem Kondensator C33 an, über den
eine direkte Regelung einer sekundärseitigen Ausgangsspannung
bewirkt wird.
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Die Treiberschaltung enthält zwei
Transistoren T30, T31, über
die, zusammen mit dem Transistor T32, der Feldeffekttransistor T20
gesteuert wird. Im Normalbetrieb ist in der Leitendphase der Transistor
T32 gesperrt, so daß der
Transistor T30 ebenfalls sperrt. Der Transistor T31 leitet, da seine
Basis über eine
Zenerdiode D32 und einen Widerstand R35, die Schwellwertschaltung,
mit dem Ende 3 der Wicklung W2 verbunden ist, das in der Leitendphase
eine negative Spannung führt.
In der Sperrphase ist der Transistor T32 durchgeschaltet, wodurch
der Transistor T30 leitet und einen Kurzschluß zwischen der Basis und dem Emitter
des Transistors T31 bewirkt, so daß der Transistor T31 gesperrt
ist. Über
eine Diode D33 und den durchgeschalteten Transistor T32 liegt das
Gate des Feldeffekttransistors T20 daher praktisch auf Masse.
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Die Anlaufschaltung mit einem oder
mehreren Widerständen
R30 ist hier ebenfalls wie die der 1 beschaltet.
Das Anlaufen des Schaltnetzteiles ist hier wie folgt: Nach dem Einschalten,
wenn die Spannung über
dem Kondensator C30 null ist, ist die Spannung über der Emitter-Basis-Strecke
des Transistors T31 ebenfalls null, so daß dieser gesperrt ist wie auch
die Transistoren T30 und T32. Durch die Schwellwertschaltung mit
der Zenerdiode D32 und dem Widerstand R35 wird nun die Spannung
an der Basis des Transistors T31 hochgehalten während der Anlaufphase. Erst
wenn die Spannung UT einen bestimmten Schwellwert, beispielsweise
5,7 V, überschreitet,
fließt über die
Emitter-Basis-Strecke des Transistors T31 und über die Zenerdiode D32 und R35
ein Strom, so daß der
Transistor T31 durchschaltet und somit den Feldeffekttransistor
T20 durchschaltet.
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Die Schwellwertschaltung mit der
Zenerdiode D32 und dem Widerstand R35 ist zwischen die Basis des
Transistors T31 und dem Ende 3 der Wicklung W2 geschaltet. Hier
tritt ebenfalls ein positiver Rückkopplungseffekt
auf, da an dem Ende 3 eine negative Spannung ansteht, wenn der Feldeffekttransistor
T20 durchgeschaltet ist. Hierdurch wird der Transistor T31 in der
Anlaufphase weiter aufgesteuert, so daß der Feldeffekttransistor
T20 sehr schnell durchgeschaltet wird. Das Durchschalten wird durch einen
Kondensator C32, 4,7 nF, unterstützt,
der einen Stromstoß liefert
beim Durchschalten des Transistors T31 und der den Widerstand R36
gewissermaßen überbrückt in diesem
Moment.
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Die Durchschaltphase des Feldeffekttransistors
T20 endet, wenn der Transistor T32 durchschaltet. Hierdurch sinkt
die Spannung an der Basis des Transistors T30 über den Widerstand R37 auf
einen niedrigen Wert, so daß dieser
durchschaltet und einen Kurzschluß über der Basis-Emitter-Strecke des Transistors
T31 bewirkt, so daß dieser
sperrt. Gleichzeitig wird die Spannung an dem Gate des Feldeffekttransistors
T20 durch den Transistor T32 über
die Diode D33 abgesenkt, so daß dieser
ebenfalls sperrt. In der Sperrphase wird der Kondensator C30 über eine
Diode D30 nachgeladen, da an dem Ende 3 der Wicklung W2 dann eine
positive Spannung ansteht. Das Sperren des Feldeffekttransistors
T20 wird durch das Sperren des Transistors T32 bewirkt, das bereits anhand
der 1 erläutert wurde.
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Der Transistor T30 der Treiberschaltung
der 2 ist optional,
um das Schaltverhalten des Schaltnetzteiles zu verbessern: Ohne
Transistor T30 wird die Basis von Transistor T31 nur von dem Ende 3
der Wicklung W2 angesteuert, wodurch kein optimales Timing für das selbstschwingende
Schaltnetzteil erreicht wird. Durch den Transistor T30 wird nun der
Transistor T31 über
den Transistor T32 gesteuert, wie vorangehend beschrieben, so daß ein besserer
Wirkungsgrad erzielt wird. Dies resultiert daraus, daß der Transistor
T31 während
der gesamten Sperrphase des Feldeffekt-Transistors T20 durch den Transistor
T32 über
den Transistor T30 gesperrt gehalten wird, da Transistor T30 leitet
und somit Transistor T31 sperrt. Hierdurch kann der Leistungswert der
Bauteile R36 und T32 reduziert werden.
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Die Treiberschaltung mit den Transistoren T30,
T31 liegt hier an einem Ende 3 der Wicklung W2, das in der Sperrphase
des Feldeffekttransistors T20 eine positive Spannung führt. Hierdurch
ist die Spannung über
den Kondensator C30 in gewünschter
Weise unabhängig
von der Netzspannung UN (wie auch die Ausgangsspannungen des Schaltnetzteiles;
auf die geregelt wird) aufgrund des Sperrwandlerprinzips im Gegensatz
zu der Schaltung mit dem Bipolar-Schalttransistor T50, wo dieses
gerade erwünscht
ist. Die Spannung über
dem Kondensator C30 kann hierdurch auf einem konstanten. Wert von etwa
10 Volt gehalten werden, der ausreicht für ein gutes Schaltverhalten
von Treiberstufe und Feldeffekttransistor.
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Das Schaltnetzteil der 1 arbeitet ebenfalls wie
das der 2 nach dem Sperrwandlerprinzip.
Gleiche Bauteile wurden in den Figuren mit gleichen Referenzzeichen
versehen. Die an Hand der 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiele beschreiben
Schaltnetzteile, die mit einer Netzspannung UN betrieben werden
und Sekundärwicklungen mit
einer Netztrennung enthalten. Die Erfindung ist aber nicht auf diese
Ausführungsformen
beschränkt. Weitere
Anwendungen der Erfindung, wie beispielsweise die Verwendung als
DC-DC-Wandler ohne Netztrennung, sind für einen Fachmann für Schaltnetzteile
offensichtlich. Die Verwendung von anderen Schalttransistoren ist
für einen
Fachmann ebenfalls naheliegend.