DE3228780A1 - Unsymetrischer gegentaktwandler - Google Patents

Description

• Unsynetrischer Ge gentaktwandler
• Getaktete Netzgeräte werden üblicherweise als Sperrwandler, als Flußwandler oder als Gegentaktwandler in Brücken- sowie Halbbrückenschaltung oder als Buckregler ausgeführt. Diese bekannten Wandlertypen arbeiten bei einem relativ kleinen Eingangsspannungsbereich und benötigen daher bei 50Hz Prilärspannungen große Eingangskapazitäten die bei ca. 2 bis 5 M pro Watt Ausgangsspannung liegen. Diese großen Kapazitäten beeinflußen die erforderliche Baugröße der Netz geräte ungünstig.
• Wird ausgangsseitig mehr als eine konstante Spannung benötigt, so werden Sperrwandler bevorzugt, sofern man nicht schaltungsaufwendige Nachregler verwnden will, welche den Wirkungsgrad verschlechtern. Der Sperrwandler benötigt aber einen sehr großen Transfornator und seine variable Arbeitsfrequenz erfordert einen erhöhten Sieb- und Entstöraufwend.
• Auch ist aus, Siemens Schaltbeispiele Ausgabe 1975/76 Seite 165 und 166, ein Schaltnetzgerdt zur Unwandlung einer gleichgerichteten Eingangsspannung in eine einstellbare, geregelte Ausgangsspannung bekannt, das einen über das Tastverhältnis gesteuerten Gegentaktschalter aufweist, an den die Prinärwicklung eines Transformators über einen Kondensator angeschlossen ist, und das ausgangsseitig eine Eintaktgleichrichtung verwendet. Dieses Schaltnetzteil arbeitet noch mit einer relativ niedrigen Eingangs spannung und nur mit einer einstellbaren Ausgangsspannung, die über eine Rückführung stabilisiert wird. Mehrere einstellbare und geregelte Ausgangaspannungen direkt aus der gleichgerichteten Netzspannung zu gewinnen, ist jedoch mit diesem Schaltnetzgerät noch nicht sdglich.
• Ausgehend von diesem bekannten Schaltnetzgerät liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Schaltnetzgerät zu finden,das ohne großen Schaltungsaufwand aus der gleichgerichteten Netzspannung ein oder mehrere, über einen großen Bereich einstellbare und geregelte Ausgangs spannungen, liefert, mit konstanter Schaltfrequenz arbeitet, mit sehr kleinen Eingangskapazitöten auskommen kann und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
• Die Lösung dieser Aufgabe geht aus Schaltnetzgerät nach Patentanspruch 1 hervor.
• Mit dem Schaltnetzgerät nach der Erfindung wird erreicht, daß die gleichgerichtete Netzspannung an eine unsysetrisch betriebene Gegentiktschaltstute angelegt werden kann. Die Gegentaktstufe kann mit konstanter Frequenz angesteuert werden und ihr Tastverhältnis ist Ueber eine primärseitige Vorwartsregelung so einstellbar, daß eine Halbwelle iner eine konstante Amplitude Uo aufweist, wenn der Transformator mit eine Ende der Priiärwicklung über den Kondensator Ca an die Gegentaktstufe angeschlossen ist und das andere Ende auf Bezugsspannung gelegt ist, so daß ausgangsseitig gleichzeitig auch mehrere Ausgangsspannungen abnehmbar sind.
• Die Gleichrichtung auf der Sekundärseite erfolgt vorteilhafterweise durch eine Gleichrichterdiode die so gepolt ist, daß die konstante Amplitude Uo die Ausgangssgannung Uonx/no bestimmt, wobei nx/no das Wicklungsverhältnis von Sekundär-zu Primärwicklung des Transformators Tr darstellt.
• Wenn zwischen Primär- und Sekundärspannung keine galvanische Trennung erforderlich ist kann auch ein Spartransformator eingesetzt werden, der bei einer Ausgangsspannung von Uo zu einer einfachen kleinen Induktivität reduziert werden kann.
• Wird die Spannung Uo ca. 1/3 Us gewählt, so ergeben sich besonders günstige Werte ftir den Eingangskondensator Ce von 0,5 bis 1 uF pro Watt Ausgangsleistung bei aus 50 Hz durch Brückengleichrichtung vorzugsweise aus dem Netz, gewonnener Eingangsspannung Us, sowie ein besonders gU<tiger Wirkungsgrad.
• In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird das Tastverhältnis tv t t1/T, mit t7 für die Dauer der als Flußzeit bezeichneten stromführenden Zeit von Uo und der Periodendauer T = 1/f wobei f die Arbeitsfrequenz ist, gebildet durch das Verhältnis der Aufladezeit eines gondensators Ct über einen Widerstand Rt, der an der Eingangsspannung Us liegt, bis zu einer konstanten Vergleichs- oder Referenzspannung Uref, mit der Periodendauer T. Vorteilhafterweise wird die Vergleichsspannung Uref etwa 1/20 bis 1/30 der mittleren Eingangsspannung Us gewählt. Der Kondensator Ct wird dann jeweils nach der Zeit T wieder auf Null Volt entladen.
• Bei einer Eingangs spannung Us, die periodisch sehr klein wird, kann ein Widerstand Rp parallel dem Aufladekondensator Ct eine weitere Verbesserung der Stabilität der Ausgangsspannung bewirken.
• Zur Kompensation des inneren Spannungsabfalis des Transformators Tr und der Gleichrichterdioden D kann gegebenenfalls eine zusätzliche Regelrückführung Rv, z.B.
• ein Opto-Koppler, verwendet werden, um beispielsweise die Flußzeit t1 über die Vergleichaspannung Uref zu beeinflussen.
• Außerdem wird bei dieser Schaltung, ohne aufwendig. Softstarteinrichtung, ein langsamer Anlauf gewKhrleistet,da zu Beginn der Koppelkondensator Ca keine Ladung hat und sich damit dem Konstantspannungsendwert Uo von Null her nach einigen Perioden angleicht. Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn zusätzlich eine Regelung vorgesehen ist, welche im Kurzschlußfall zur Vermeidung zu großer Ströme die Schaltfrequenz beeinflußt.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile des erfindungagemaßen Netzgerätes sind aus den Ausfuhrungsbeispielen ersichtlich.
• Fig.1 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Netzgerätes. Fig.2 zeigt eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgeiäßen Netzgerätes nach Fig.1.
• Bei der Schaltung nach Fig. 1 wird die Eingangsspannung Us am Eingangskondensator Ce, im vorliegenden Beispiel über eine Brückengleichrichtung aus der 50 Hz Netzspannung gewonnen und einseitig auf Bezugsiasse gelegt. Ein Gegentaktschalter GTS, X z.B. aus Schalttransistoren, ist an den Kondensator Ce angeschlossen. Am Ausgang des Gegentaktschalters GTS ist die Primärwicklung no des Transformators Tr über den Koppelkondensator Ca nach Bezugsmasse gelegt. Sekundärseitig werden am Transformator Tr über die Sekundärwicklungen nxl bis nxn nach Jeweiliger Eintaktgleichrichtung mittels Diode D die stabilisierten Ausgangsapannungen Ux1 bis Uxn abgegriffen. Der Gegentaktschalter GTS wird von einer Impulserzeugerschaltung IE mit einer Redteckspannung mit dem Tastverhältnis tv und der Periodendauer T angesteuert, wobei das Tastverhältnis tv steuerbar ist. Zur Steuerung des Tastverhältnisses wird an die Impulserzeugerschaltung IS eine fest vorgegebene Vergleichs- oder Referenzspannung Uref und die Ladespannung eines Kondensators Ct angelegt. Un die Ladespannung zu erzeugen wird der Kondensator Ct über einen Widerstand Rt von der Eingangsspannung Us aufgeladen und über einen elektronischen Schalter ES mit einer Schalt- oder Arbeitsfrequenz f entladen. Somit wird.
• die Flußzeut ti des Gegentaktschalters GTS dadurch gesteuert, daß der Impulserzeugerschaltung IE die Referenzspannung Uref zugeführt und verglichen widd, mit der Ladespannung des Kondensators Ct.
• Außerdem kann gegebenenfalls von einer Ausgangspannung Ux eine zusätzliche Regelrückführung Rv auf die Vergleichs- oder Referenzspannung Uref einwirken um eine noch-höhere Stabilisierung der Ausgangsspannung Ux zuverreichen.
• Fig.2 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Netzgerätes, wenn nur eine Ausgangsspannung von der Größe Ua = Uo benötigt wird und keine galvanische Trennung erforderlich ist, 80 daß an Stelle des Transformators Tr eine kleine Induktivität L verwendet werden kann. In diesem Fall wird an den gemäß Fig.i angesteuerten Gegentaktschalter GTS der Eoppelkondensator Ca über eine Induktivität L an die Bezugsmasse gelegt und an dem Verbindungspunkt zwischen dem Koppelkondensator Ca und der Induktivität L eine Gleichrichterdiode D mit nachgeschaltetem Siebkondensator angeschlossen, wobei die Diode D wieder so gepolt wird, daß die konstante Wechselspannungsamplidute Uo für die Gewinnung der konstanten Ausgangsspannung Uxa genutzt wird.

Claims (11)

1. Patentansrüche 1. Schaltnetzgerät zur Umwandlung einer Eingangsspannung (Us) in eine einstellbare stabilisierte(Ux) mit einen Uber das Tastverhältnis (tv) gesteuerten Gegentaktschalter (GTS), an den die Primärwicklung (no) eines Transformators (Tr) ueber einen Koppelkondensator (Ca) angeschlossen ist und mit ausgangsseitiger Eintaktgleichrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung einer oder mehrerer Ausgangsspannungen (Ux) der Gegentaktschalter (GTS) mit der Flußzeit t1 nach der Gleichung t1 - T'(Us-Uo):Us gesteuert wird, wobei T die Periodendauer der Arbeitsfrequenz (f) des Schaltnetzgerätes darstellt, und die Steuerung der Flußzeit t1 aus der Xingangsspannung Us abgeleitet wird.
2. 2. Schaltnetzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Ableitung der Steuerung der Flußzeit t1 zur Ansteu.rung des Gegentaktschalters (GTS) mittels eines RC-Gliedes erfolgt, daß der Widerstand (Rt) an die Eingangsspannung Us angeschlossen ist und der Kondensator (Ct) Uber den Widerstand (Rt) aufgeladen wird, daß eine Impulserzeugerschaltung (lE), insbesondere ein Komparator, die Zeit vom Beginn der Aufladung des Kondensators (Ct) bis zur Erreichen einer vorgegebenen Vergleichsspannung (Uref) far die Erzeugung eines Schaltimpulses mit einer geeigneten Dauer auswertet, und daß der Kondensator (Ct) mit einer Entladeschaltung (ES) im Takt der Frequenz f entladen wird.
3. 3. Schaltnetzgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des RC-Gliedes ein LR-Glied vorgesehen ist.
4. 4. Schaltnetzgerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgangsseitige Gleichrichter (D) so gepolt ist, daß die konstante Spannungsamplitude Uo entsprechend dem Transformatorwi cklungsverhältni 5 nx/no fEr die Ausgangs spannung Uo'nx/no ausgenutzt wird.
5. 5. Schaltnetzgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die konstante Spannungsamplitude Uo etwa 1/3 der mittleren Eingangsspannung Us beträgt.
6. 6. Schaltnetzgerät nach eines der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der eingangsseitige Kondensator (Ce) bei 50 Hz Netzspannungsbetrieb und Brückengleichrichtung ca. 0,5 ç bis 1 µF pro Watt Ausgangsleistung beträgt.
7. 7. Schaltnetzgerät nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfrequenz (f) der Entladeschaltung (ES) im Bereich von 50 kHz bis 150 kHz liegt.
8. 8. Schaltnetzgerät nach eines der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Transformators (Tr) eine Spule L (Fig.2) verwendet wird und daß die Gleichrichterdiode so gepolt ist, daß die Ausgangs spannung Ua gleich der Konstantspannungsaaplitude Uo ist.
9. 9. Schaltnetzgerät nach eines der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß von einer Ausgangsspannung Ux eine zusätzliche Regelrückftlhrung (Rv) abgegriffen ist, die die Flußzeit t1 über eine Regelung der Referenzspannung (Uref) beeinflußt.
10. 10. Schaltnetzgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Regelrückführung (Rv) über eine Diode von der Primärwicklung (no) abgegriffen wird.
11. 11. Schaltnetzgerät nach eines der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Kurzschlußfall die Arbeitsfrequenz (f) geändert wird.