DE3903763A1 - Getaktete stromversorgungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine getaktete Stromversorgungs­ einrichtung mit einem steuerbaren Schalter in Reihe mit einer Primärwicklung eines Transformators und mit minde­ stens einem Sekundärkreis mit einer mit einem Regler ver­ bundenen Transduktordrossel.

Für die Versorgung elektronischer Geräte werden Stromver­ sorgungseinrichtungen benötigt, die eine oder mehrere Gleichspannungen liefern. In der Regel wird eine Regelung bzw. Stabilisierung dieser Gleichspannungen und galvani­ sche Trennung verlangt. Bei getakteten Stromversorgungs­ einrichtungen sind die Grundtypen Sperrwandler und Durch­ flußwandler zu unterscheiden. Die z. B. aus der Netzspan­ nung durch Gleichrichtung und Siebung gewonnene Gleich­ spannung wird in der Regel mit Hilfe eines schnellschal­ tenden Transistors in eine Rechteckspannung umgewandelt. Diese wird mit Hilfe eines Transformators übertragen, der im Fall des Sperrwandlers auch die Energiespeicherung übernimmt. Anschließend wird gleichgerichtet und gesiebt. Bei einem Sperrwandler fließt nur während der Sperrphase im Sekundärkreis ein Strom, während bei einem Durchfluß­ wandler während der Leitphase Energie in den Lastkreis übertragen wird. Die Ausgangsspannung einer getakteten Stromversorgungseinrichtung wird beispielsweise durch die Anordnung einer vormagnetisierbaren Transduktordrossel im Sekundärkreis stabilisiert.

Aus DE-A 32 21 839 ist eine getaktete Stromversorgungs­ einrichtung bekannt mit einem Schaltglied, das in Reihe mit einer Primärwicklung angeordnet ist, wobei eine Sättigungsdrossel in Reihe mit einer Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist. Dabei steuert ein Steuer­ kreis einen Strom der Sättigungsdrossel zur Konstanthal­ tung einer an den Ausgangsklemmen auftretenden Gleich­ spannung. Die Sättigungsdrossel weist einen gewickelten Kern aus amorphem metallischem Magnetmaterial auf, dessen Banddicke im Bereich von vier bis sechzig Mikrometern liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine getaktete Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die insbesondere bei hoher Schaltfrequenz des steuerbaren Schalters (z. B. 100 kHz bis 1 MHz) eine hohe Stabilität der Ausgangsspannung sowie ein genaues und schnelles Regelverhalten bezüglich der Magnetisierung der Transduktordrossel aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer getakteten Stromversorgungs­ einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Transduktordrossel einen Kern aus Ferritmaterial aufweist und daß der Regler einen positiven oder negati­ ven Steuerstrom zur Magnetisierung der Transduktordrossel liefert.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteran­ sprüchen enthalten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren gezeichneten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine getaktete Stromversorgungseinrichtung nach dem Durchflußwandlerprinzip mit einer steuerbaren Transduktordrossel.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Hysteresekurve einer Transduktordrossel mit einem Kern aus Ferritmaterial.

Fig. 1 zeigt eine getaktete Stromversorgungseinrichtung mit einem Transformator Tr, welcher eine Primärwick­ lung N 0 und eine Sekundärwicklung N 1 besitzt. Der Trans­ formator Tr übersetzt Spannung und Strom und trennt Ein­ gang und Ausgang galvanisch. In Reihe zur Primärwick­ lung N 0 ist ein, z. B. als Transistor, ausgebildeter steu­ erbarer Schalter S angeordnet. Parallel zu den Eingangs­ klemmen, an denen die Spannung U 0 anliegt, ist ein Kon­ densator C 0 geschaltet. In Reihe zur Sekundärwicklung N 1 ist eine Leistungswicklung W 1 einer Transduktordrossel L 0 und eine Gleichrichterdiode D 1 angeordnet. Parallel zu der Reihenschaltung aus Sekundärwicklung N 1, Leistungs­ wicklung W 1 und Gleichrichterdiode D 1 liegt eine Frei­ laufdiode D 2. In Serie zu der Anordnung aus Sekundärwick­ lung N 1, Leistungswicklung W 1, Gleichrichterdiode D 1 und Freilaufdiode D 2 ist eine Speicherdrossel L 1 angeordnet. Parallel zu den Ausgangsklemmen, an denen eine Span­ nung U 1 auftritt, liegt ein Kondensator C 1. Die Steuer­ wicklung W 2 der Transduktordrossel L 0 ist mit der Sekun­ därwicklung N 1 und mit einem Regler R verbunden, der ein Regelsignal zur Regelung der Spannung U 1 liefert.

Während der Leitphase des steuerbaren Schalters S ist die Gleichrichterdiode D 1 leitend, der Strom fließt nach dem Durchschalten der Transduktordrossel L 0 zur nicht darge­ stellten Last und die Speicherdrossel L 1 nimmt Energie auf, wobei die Freilaufdiode D 2 gesperrt ist. Während der Sperrphase des steuerbaren Schalters S fließt der Strom aus der Speicherdrossel L 1 weiter über die Freilaufdio­ de D 2 in die Last. Der Regler R ist eingangsseitig mit den Ausgangsklemmen verbunden, an denen die Spannung U 1 anliegt. Dadurch wird ein Regelkriterium gewonnen, das ein entsprechendes Regelsignal in Form eines Steuerstro­ mes IS am Ausgang des Reglers R zur Folge hat. Der zur Steuerwicklung W 2 der Transduktordrossel L 0 fließende Steuerstrom IS bewirkt eine Änderung der Zeit, in der die Leistungswicklung W 1 der Transduktordrossel L 0 sperrt und somit eine Regelung bzw. Stabilisierung der Spannung U 1.

Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Transduktordrossel L 0 eine Leistungswicklung W 1 und eine Steuerwicklung W 2 auf, die mit dem Regler R und mit der Sekundärwicklung N 1 verbunden ist. Der Anschluß der Steuerwicklung W 2 erfolgt dabei vorteilhafterweise an ei­ ner Seite der Sekundärwicklung N 1. Die Steuerwicklung W 2 kann sowohl einen positiven Steuerstrom IS zur Aufmagne­ tisierung, als auch einen negativen Steuerstrom IS zur Abmagnetisierung der Transduktordrossel L 0 führen (Fig. 2). Vorteilhafterweise besitzt die Steuerwick­ lung W 2 der Transduktordrossel eine höhere Windungszahl als die Leistungswicklung W 1, da dies zu kleineren Steu­ erströmen IS führt. Bei einer weiteren Ausgestaltungsform weist die Transduktordrossel weitere Steuerwicklungen und gegebenenfalls weitere Leistungswicklungen auf.

Bei einem weiteren in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Transduktordrossel L 0 le­ diglich eine Wicklung auf, die sowohl als Leistungswick­ lung als auch als Steuerwicklung arbeitet.

Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Durchflußwandlerkreis parallel zu der Reihenschaltung der Gleichrichterdiode D 1 und der Speicherdrossel L 1 eine gestrichelt gezeichnete Reihenschaltung aus einer weite­ ren Gleichrichterdiode D 3 und einem Widerstand R auf. Da­ durch wird ein Strom IN hervorgerufen, der eine Abmagne­ tisierung der Transduktordrossel bewirkt. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel erfolgt die Regelung dann lediglich über die Veränderung des positiven Steuerstromes IS.

Bisher üblicherweise verwendete Transduktordrosseln mit Kernen aus amorphem Material sind für Schaltfrequenzen des steuerbaren Schalters bis ca. 150 kHz geeignet, da bei Schaltfrequenzen über 150 kHz die Verluste stark an­ steigen. Ferritkerne sind dagegen für hohe Schaltfrequen­ zen über 150 kHz gut geeignet und sind zudem erheblich kostengünstiger als amorphe Kerne.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Hysteresekurve einer Trans­ duktordrossel mit einem Kern aus Ferritmaterial. Die mag­ netische Induktion B nimmt beim Erhöhen der magnetischen Feldstärke H zunächst entsprechend der Steigung der Kenn­ linie bis zum Erreichen der Sättigung zu. Wird der Strom durch die Transduktordrossel und damit die magnetische Feldstärke H wieder gegen den Wert 0 verringert, so stellt sich als Arbeitspunkt der Remanenzpunkt Br der magnetischen Induktion ein. Der Remanenzpunkt Br einer Transduktordrossel mit einem Kern aus Ferritmaterial liegt sehr niedrig im Vergleich zu einer Transduktordros­ sel mit einem Kern aus amorphem Material. Dies hat zur Folge, daß die Transduktordrossel eine Spannungszeitflä­ che entsprechend dem Induktionshub BR sperrt. Durch den Steuerstrom IS des mit der Transduktordrossel insbesonde­ re über die Steuerwicklung W 2 verbundenen Reglers R ist es möglich, weitere Arbeitspunkte auf der Hysteresekurve so einzustellen, daß sie einen gewünschten, üblicherweise geringeren, Induktionshub aufweisen und somit eine gerin­ gere Spannungszeitfläche sperren. So läßt sich beispiels­ weise durch einen positiven Steuerstrom IS zur Aufmagne­ tisierung der Transduktordrossel L 0 ein Arbeitspunkt 1 einstellen, der einen kleineren Induktionshub BI aufweist und eine entsprechend geringere Spannungszeitfläche sperrt.

Für bestimmte Anforderungen ist es auch möglich, durch einen negativen Steuerstrom IS zur Abmagnetisierung der Transduktordrossel L 0 einen Arbeitspunkt 2 mit einem ent­ sprechend größeren Induktionshub einzustellen. Durch das in Fig. 1 beschriebene Ausführungsbeispiel mit der Rei­ henschaltung aus der Gleichrichterdiode D 3 und dem Wider­ stand R sowie dem dadurch hervorgerufenen Strom IN wird ebenfalls eine Abmagnetisierung der Transduktordrossel beispielsweise auf den Arbeitspunkt 2 erreicht. Die Rege­ lung der Spannung U 1 erfolgt dann lediglich über einen positiven Steuerstrom IS.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die getakte­ te Stromversorgungseinrichtung mindestens einen Sperr­ wandlerkreis auf, wobei ein Sperrwandlerkreis oder ein Durchflußwandlerkreis einen als Hauptregelkreis ausgebil­ deten Regler zur Regelung der Pulsbreite des steuerbaren Schalters S enthalten kann. Der steuerbare Schalter S wird dabei von Impulsen gesteuert, die in ihrer Breite in Abhängigkeit von Lastschwankungen einer der Ausgangsspan­ nungen moduliert werden.

Durch die vorbeschriebenen Maßnahmen ist es somit mög­ lich, insbesondere bei Eintaktwandlern aber auch bei Ge­ gentaktwandlern durch die Auf- und/oder Abmagnetisierung des Ferritkernes der Transduktordrossel beliebige Punkte auf der Hysteresekurve, insbesondere zwischen dem Rema­ nenzpunkt Br und der Sättigungsinduktion, einzustellen. Dies führt auch bei hohen Schaltfrequenzen des steuerba­ ren Schalters beispielsweise über 150 kHz zu einem ge­ nauen und schnellen Regelverhalten der Magnetisierung der Transduktordrossel und somit zu einer hohen Stabilität der Ausgangsspannung.

Claims (7)

1. Getaktete Stromversorgungseinrichtung mit einem steu­ erbaren Schalter (S) in Reihe mit einer Primärwick­ lung (N 0) eines Transformators (Tr) und mit mindestens einem Durchflußwandlerkreis mit einer Sekundärwick­ lung (N 1) in Reihe mit einer mit einem Regler (R) verbun­ denen Transduktordrossel (L 0), dadurch gekennzeichnet, daß die Transduktordrossel (L 0) einen Kern aus Ferritma­ terial aufweist und der Regler (R) einen positiven oder negativen Steuerstrom (IS) zur Magnetisierung der Trans­ duktordrossel (L 0) liefert.

2. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transduktordrossel (L 0) eine Wicklung aufweist, die sowohl als Leistungswicklung als auch als Steuerwick­ lung dient.

3. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transduktordrossel (L 0) mindestens eine Lei­ stungswicklung (W 1) und mindestens eine Steuerwick­ lung (W 2) aufweist, wobei die Steuerwicklung (W 2) mit dem Regler (R) verbunden ist.

4. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwicklung (W 2) mit der Sekundärwicklung (N 1) verbunden ist.

5. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußwandlerkreis parallel zu der Reihen­ schaltung einer ersten Gleichrichterdiode (D 1) und einer Speicherdrossel (L 1) eine Reihenschaltung aus einer wei­ teren Gleichrichterdiode (D 3) und einem Widerstand (R) aufweist.

6. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung mindestens einen Sperrwandlerkreis aufweist.

7. Getaktete Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sperrwandler- oder ein Durchflußwandlerkreis ei­ nen Hauptregelkreis zur Regelung der Pulsbreite des steu­ erbaren Schalters (S) aufweist.