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SCHALTNETZTEIL NACH DEM SPERRWANDLERPRINZIP FÜR
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DEN WAHLWEISEN BETRIEB AN NETZ- ODER EINER BATTERIE-SPANNUNG BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil nach dem Sperrwandlerprinzip,
mit einer Regelschaltung zur Ansteuerung, Regelung und Überwachung eines Schalttransistors,
mit einer Primärwicklung, in die während der Leitphase des Schalttransistors Energie
eingespeist und die während der Sperrphase des Schalttransistors die in ihr gespeicherte
Energie über einen Transformator an einen oder mehrere sekundärseitige Verbraucher
abgibt, mit einer zweiten primärseitigen Wicklung, mit deren Hilfe die Regelinformation
zur Ansteuerung des Schalttransistors gewonnen wird, mit Mitteln zur Bereitstellung
der Anlauf spannung für die Regelschaltung und mit
einer dritten
primärseitigen Wicklung, über die im eingeschwungenen Zustand die Versorgung der
Regelschaltung erfolgt.
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Ein solches Schaltnetzteil, wie es aus der deutschen Offenlegungsschrift
30 32 034 bekannt ist, ist in stark vereinfachter Form in der Figur 1 dargestelLt.
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Bei diesem bekannten Schaltnetzteil wird die aus dem Wechselspannungsnetz
(13) erhaltene Wechselspannung über einen Schalter (11) an ein Gleichrichternetzwerk
(23) weitergegeben und dort gleichgerichtet.
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Diese gleichgerichtete Spannung wird während der Leitphase des Schalttransistors
(22) über eine Diode (20) in die Primärwicklung (35) eines Transformators (TR) eingespeist.
Während der Sperrphase des Schalttransistors (22) findet in bekannter Weise die
übertragung der in der Primärwicklung (35) gespeicherten Energie auf eine oder mehrere
Sekundärwicklungen des Transformators statt, so daß nach einer Gleichrichtung auf
der Sekundärseite die Versorgungsspannungen für den bzw. die angeschlossenen Verbraucher
zur Verfügung stehen.
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Zur Ansteuerung, Regelung und Überwachung des Schalttransistors (22)
ist beim bekannten Schaltnetzteil eine Regelschaltung (10) vorgesehen, die an ihrem
Ausgang (7) die für die Aufladung des zur Basis des Schalttransistors (22) führenden
Koppelkondensators
(21) erforderliche Gleichstromkomponente und
an ihrem Ausgang (8) den für die Basis des Schalttransistors (22) erforderlichen
Regelimpuls liefert.
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Ferner weist das bekannte Schaltnetzteil eine Primärwicklung (38)
auf, in der die Regelinformation zur Regelung der Leitzeit des Schalttransistors
(22) gewonnen wird. Diese Regelinformation wird der Regelschaltung (10) über ihren
Eingang (3) zugeführt. Der Anschluß (2) der Regelschaltung dient als Eingang für
die von der Wicklung (38) gelieferten Schwingungen, in deren Nullpunkt der Ansteuerimpuls
für den Schalttransistor (22) gestartet wird.
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Am Ausgang (1) der Regelschaltung (10) liegt die regelkreisintern
erzeugte, für den Regelvorgang notwendige Sollspannung (Referenzspannung) an.
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Mit Hilfe der am Eingang (4) erhaltenen Information, die ein Maß für
den Kollektorstrom des Schalttransistors (22) ist (während der Leitpnase des Schalttransistors
(22) wird der an den Eingang (4) der Regel schaltung angeschlossene Kondensator
über einen Widerstand aufgeladen; die Steilheit des Anstiegs der Ladekurve (Sägezahn)
ist proportional zum Kollektorstrom des Schalttransistors (22)), kann die Regelschaltung
den im Kollektor des Schalttransistors fließenden maximalen Strom begrenzen.
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Der Eingang (5) der Regelschaltung dient als Schutzeingang, der dann
anspricht, wenn die gleichgerichtete Netzspannung einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
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ber den Eingang (9) der Regelschaltung erfolgt die Stromversorgung
der Regelschaltung. In der Anlaufphase, also unmittelbar nach dem Schließen des
Schalters (11) findet diese Stromversorgung über eine Anlaufschaltung (15) statt.
Erst wenn die am Stromversorgungseingang (9) der Regelschaltung anliegende Spannung
einen vorgegebenen Wert erreicht, gibt die Regelschaltung Impulse an den Schalttransistor
(22) ab, so daß das Schaltnetzteil Energie an die sekundärseitigen Verbraucher abgeben
kann. Die in der Wicklung (37) induzierten Impulse sind dann groß genug, um die
Stromversorgung der Regelschaltung über eine Diode (16) zu ermöglichen.
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Weitere Informationen über dieses bekannte Schaltnetzteil können der
Beschreibung der DE-OS 30 32 034 entnommen werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Schaltnetzteil der im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art derart weiterzubilden, daß es auch
für den Batteriebetrieb geeignet ist und dabei möglichst viele der bereits bei Netzbetrieb
vorhandenen
Schaltungsteile auch für den Batteriebetrieb verwendet
werden können.
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Aus der DE-AS 23 45 073 ist bereits ein Netzgerät zur Stromversorgung
eines Gleichstromverbrauchers wahlweise von einem Wechselstromnetz relativ hoher
Spannung oder von einer Gleichstromquelle relativ niedriger Spannung bekannt. Bei
dem bekannten Netzgerät ist auf der Sekundärseite ein Impulsdauermodulator vorgesehen.
Dieser Impulsdauermodulator erzeugt in Abhängigkeit von einem aus dem sekundärseitigen
Ausgangssignal abgeleiteten Fehlersignal Impulse variabler Breite, die über zusätzliche
Transformatoren (12a und 12b) den Basen der primärseitigen Schalttransistoren (7a
und 7b) zugeführt werden, um deren Einschaltdauer zu steuern. Diese Schaltung ist
wegen der zusätzlichen Transformatoren sehr aufwendig.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
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Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß das zugrundegelegte Schaltnetzteil
auch an einer Batterie betreibbar ist, ohne daß eine zusätzliche Regelschaltung
und ein zusätzlicher Sperrwandlertransformator nötig ist.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften des Schaltnetzteils nach der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus einem Ausführungsbeispiel, welches im folgenden anhand
der Figur 2 näher erläutert wird.
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Beim Ausführungsbeispiel nach der Figur 2 ist eine Netzspannungsquelle
(13) vorgesehen, die über einen Schalter (11) mit einem Gleichrichter (23) verbunden
ist. Der Anschluß a des Gleichrichters (23) liegt über eine Diode (20) an einem
Ende der Primärwicklung (35), an deren anderes Ende der Kollektor des Schalttransistors
(22) angeschlossen ist. Weiterhin ist der Anschluß a des Gleichrichters (23) mit
den Eingängen (4) und (5) der Regelschaltung (10) sowie den Basen der Transistoren
(31), (32) und (33) verbunden.
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Ein Anschluß b des Gleichrichters (23) liegt über eine Anlauf schaltung
(15) am Stromversorgungseingang (9) der Regelschaltung (10), der weiterhin über
eine Diode (16) an ein Ende einer Wicklung (37), deren anderes Ende an Masse liegt,
und über eine Schaltung (17) und die Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors
(34) an den positiven Pol der Batterie (14) angeschlossen ist.
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Weiterhin ist eine Wicklung (38) vorgesehen, deren eines Ende an Masse
liegt, und deren anderes Ende
über einen Widerstand mit dem Anschluß
(1) der Regelschaltung (10), über einen Kondensator mit dem Anschluß (2) der Regelschaltung
(10) und über eine Diode mit dem Anschluß (3) der Regelschaltung (10) verbunden
ist.
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Die Anschlüsse (4) und (5) der Regelschaltung (10) liegen am Kollektor
des Transistors (32), dessen Emitter an die Basis des Transistors (34), den Rollektor
des Transistors (33), dessen Emitter an Masse liegt, und an einen Anschluß des Schalters
(12) angeschlossen ist, dessen anderer Anschluß mit dem Pluspol der Batterie (14)
verbunden ist.
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Der Ausgang (7) der Regelschaltung (10) liegt einerseits über der
Emitter-Kollektorstrecke des Transistors (30) und den dazu in Serie geschalteten
Koppelkondensator (21) an der Basis des Schalttransistors (22), und andererseits
über einen Kondensator (42), eine Schaltung (18) und eine Schaltstufe (19) am einen
Ende der Wicklung (36), deren anderes Ende an den Pluspol der Batterie (14) geschaltet
ist.
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Der Ausgang (8) der Regelschaltung (10) ist über einen Widerstand
mit dem Ausgang (7) verbunden.
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Die Basis des Transistors (30) ist an den Kollektor des Transistors
(31) angeschlossen, dessen Emitter an Masse liegt.
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Schließlich weist der Transformator (Tr) eine oder mehrere Sekundärwicklungen
(39) auf, die über Gleichrichter (40) und (41) mit dem bzw. den angeschlossenen
Verbrauchern verbunden sind.
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Im folgenden wird die Funktion der beschriebenen Schaltung nach dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Bei Netzbetrieb wird der Schalter (11) geschlossen, während der Schalter
(12) geöffnet bleibt. Die aus dem Netz gewonnene Wechselspannung wird über den geschlossenen
Schalter (11) an den Gleichrichter (23) weitergegeben und dort gleichgerichtet.
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In der Anlaufphase, also unmittelbar nach dem Einschalten des Gerätes,
wird die Regelschaltung (10) über eine Anlaufschaltung (15) solange mit Gleichstrom
versorgt, bis die am Stromversorgungseingang (9) anliegende Spannung einen vorgegebenen
Wert erreicht. In dieser Anlaufphase gibt die Regeischaltung (10) noch keine Impulse
an die Basis des Schalttransistors ab, so daß dieser gesperrt ist.
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Die am Ausgang a des Gleichrichters (23) anliegende Gleichspannung
liegt an den Basen der npn-Transistoren (31) und (33) sowie an der Basis des pnp-Transistors
(32) an. Das hat zur Folge, daß die
Transistoren (31) und (33)
leiten, während der Transistor (32) sperrt. Durch den leitenden Transistor (31)
wird die Basis des pnp-Transistors (30) auf Massepotential gezogen, so daß der Transistor
(30) in den leitenden Zustand gebracht wird und damit ein Informationsfluß zwischen
den Ausgängen (7) und (S) der Regelschaltung (10) und dem Koppelkondensator (21)
bzw. der Basis des Schalttransistors (22) ermöglicht wird. Durch den leitenden Transistor
(33) wird die Basis des npn-Transistors (34) auf Massepotential gezogen, so daß
der Transistor (34) sperrt.
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Damit ist der Stromversorgungseingang (9) der Regelschaltung (10)
vom Pluspol der Batterie (14) abgetrennt. Durch den sperrenden Transistor (32) wird
schließlich das an der Basis des Transistors (34) anliegende Massepotential von
den Eingängen (4) und (5) der Regelschaltung (10) getrennt.
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Über den Ausgang (7) der Regelschaltung (10) wird während der Anlaufphase
der Koppelkondensator (21) aufgeladen.
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Am Kollektor des Schalttransistors (22) liegt in der Anlaufphase ebenfalls
eine Gleichspannung an.
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Ist die Anlaufphase beendet bzw. hat die Spannung am Stromversorgungseingang
(9) der Regelschaltung (10) den vorgegebenen Wert erreicht, dann wird eine
regelkreisintern
erzeugte Referenzspannung, die alle Stufen der Regelschaltung versorgt und als Sollwert
für den Kegelvorgang dient, freigegeben und steht am Ausgang (1) der Regelschaltung
(10) zur Verfügung.
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Gleichzeitig dazu wird über den Ausgang (8) der Regelschaltung die
Basis des Schalttransistors (22) mit Impulsen angesteuert, so daß das Schaltnetzteil
seinen normalen Betrieb aufnimmt. Dieser normale Betrieb besteht im wesentlichen
darin, während der Sperrphase des Schalttransistors (22) die während der Leitphase
des Schalttransistors in der Primärwicklung (35) abgespeicherte Energie über den
Transformator (Tr) auf die sekundärseitigen Wicklungen (39) zu übertragen, die dann
nach Gleichrichtung in den Gleichrichtern (40) und (41) den an den Ausgängen A und
B angeschlossenen Verbrauchern zur Verfügung steht.
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Die in der Wicklung (38) induzierten Schwingungen erden zu Regel zwecken
verwendet und dazu einerseits dem Eingang (2) der Regelschaltung (10) zur Detetion
der Nulldurchgänge der in der Wicklung (38) induzierten Schwingungen, in denen die
Ansteuerimpulse für den Schalttransistor (22) getastet werden, und andererseits
dem Eingang (3) der Regelschaltung (10) zur Regelung der Leitzeit des Schalttransistors
(22) zugeführt.
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Im Normalbetrieb wird die Stromversorgung der Regelschaltung (10)
über die Wicklung (37) durchgeführt, da die in der Wicklung (37) induzierten Impulse
groß genug sind, um eine ausreichende Stromversorgung der Regelschaltung (10) über
die Diode (16) und den Stromversorgungseingang (9) zu gewährleisten.
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Mit Hilfe der an ihrem Eingang (4) erhaltenen Information, die ein
Maß für den Kollektorstrom des Schalttransistors (22) ist, kann die Regelschaltung
(10) den im Kollektor des Schalttransistors fließenden maximalen Strom begrenzen.
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Der Eingang (5) der Regelschaltung dient als Schutzeingang, der dann
anspricht, wenn die gleichgerichtete Netzspannung einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
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Die bei der Erläuterung des Netzbetriebes nicht angesprochenen Schaltungsteile
(17), (18) und (19) sind für den Netzbetrieb ohne Bedeutung.
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Bei Batteriebetrieb wird der Schalter (12) geschlossen, während der
Schalter (11) geöffnet bleibt.
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Wegen des geöffneten Schalters (11) liegt sowohl am Ausgang a des
Gleichrichters (23) als auch an den Basen der Transistoren (31), (32) und (33) die
Span-
nung "Null" an, so daß die npn-Transistoren (31) und (33)
sperren, während der pnp-Transistor (32) leitet.
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Das Sperren des Transistors (31) hat zur Folge, daß auch der pnp-Transistor
(30) gesperrt ist und somit die Ausgänge (7) und (8) der Regelschaltung (10) von
der Basis des bei Netzbetrieb angesteuerten Schalttransistors (22) abgetrennt werden.
DGS Sperren des Transistors (33) hat zur Folge, daß die Basis des npn-Transistors
(34) über den bei Batteriebetrieb geschlossenen Schalter (12) mit einer Spannung
angesteuert wird, die den Transistor (34) in den leitenden Zustand überführt. Durch
den leitenden Transistor (32) und den geschlossenen Schalter (12) ist bei Batteriebetrieb
der Pluspol der Batterie (14) mit den Eingängen (4) und (5) der Regelschaltung (10)
verbunden.
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In der Anlaufphase, also unmittelbar nach dem Einschalten des Geräts,
wird die Regelschaltung (10) über eine Anlaufschaltung (17), die beispielsweise
aus einem Nultivibrator bestehen kann, solange r.lit Gleichstrom versorgt, bis die
am Stromversorgungseingang (9) der Regelschaltung anliegende Spannung einen vorgegebenen
Wert erreicht. In dieser Anlaufphase lädt die Regelschaltung (10) über ihren Ausgang
(7) den Koppelkondensator (42) auf, gibt aber an ihrem Ausgang (8) noch keine Impulse
an die im Batteriebetrieb aktive Schaltstufe (19) ab.
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Ist die Anlaufphase beendet bzw. hat die Spannung am Stromversorgungseingang
(9) der Regelschaltung den vorgegebenen Wert erreicht, dann wird eine regelkreisintern
erzeugte Referenzspannung, die alle Stufen der Regelschaltung versorgt und als Sollwert
für den Regelvorgang dient, freigegeben und steht am Ausgang (1) der Regelschaltung
(10) zur Verfügung. Gleichzeitig dazu wird über den Ausgang (8) der Regelschaltung
die beim Batteriebetrieb aktive Schaltstufe (1°) über eine Anpassungsschaltung (18)
mit Impulsen angesteuert, so daß das Schaltnetzteil seinen normalen Betrieb aufnimmt.
Dieser normale Betrieb besteht im wesentlichen darin, während der Sperrphase der
Schaltstufe (19) von der Batterie (14) in eine Zusatzwicklung (36) des Transformators
(Tr) eingespeicherte Energie auf die sekundärseitigen Wicklungen (39) zu übertragen.
Diese übertragene Energie steht dann nach Gleichrichtung in den Gleichrichtern (40)
und (41) den an die Ausgänge A und B angeschlossenen Verbrauchern zur Verfügung.
Die Schaltstufe (13) kann beispielsweise aus zwei paralleLgeschalteten SIPHOS-Transistoren
bestehen, da diese nur eine geringe Ansteuerleistung benötigen.
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Auch im Batteriebetrieb werden die in der Wicklung (38) induzierten
Schwingungen zu Regelzwecken verwendet, d. h. einerseits dem Eingang (2) der Regelschaltung
(10) zur Nulldurchgangsidentifikation und
dem Eingang (3) der Regelschaltung
(10) zur Regelung der Leitzeit der Schaltstufe (19) zugeführt. Also findet die Regelwicklung
(38) sowohl bei Netz- als auch bei Batteriebetrieb Anwendung. Dies gilt ebenso für
die Versorgungswicklung (37), die im einseschÆungenen Zustand die Versorgung des
Regelkreises (10) über dessen Eingang (9) übernimmt.
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Über den Schalter (12) und den bei Batteriebetrieb leitenden Transistor
(32) gelangen Informationen über den in der Schaltstufe (19) fliegenden Stroh und
über die Größe der Batteriespannung an die Eingänge (4) und (5) der Regelschaltung
(10), so daß auch bei Batteriebetrieb der in der Schaltstufe flie3ende Strom überwacht
werden kann.
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Beim Schaltnetzteil nach der vorliegenden Erfindung können also sämtliche
für die Regelung der Ansteuerung der Schaltstufe bei Netzbetrieb vorhandenen Bauteile,
insbesondere die Regelschaltung (10), auch bei Bzteeriebetrieb verwendet werden.
Dies wird unter anderem mit Hilfe von Schaltern erreicht, die von der (vorhandenen
bzw. nicht vorhandenen) glelcberlchteten Netzspannung gesteuert werden und diejenigen
Bauteile, die bei Netz- bzw. Batteriebetrieb gebraucht bzw.
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nicht gebraucht werden, mit den entsprechenden Anschlüssen der Regelschaltung
(10) verbinden bzw. von den Anschlüssen der Regelschaltung (10) abtrennen.
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Ein Schaltnetzteil nach der vorliegenden Erfindung eignet sich beispielsweise
für tragbare Fernsehgeräte, die nicht nur am Wechselspannungsnetz, sondern auch
an einer Batterie betreibbar sein sollen.
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