DE2554058A1 - Geschaltete speisespannungsschaltung - Google Patents

Description

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WIJN/FF/MINC 26-11-1975

"Geschaltete Speisespannungsschaltung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine geschaltete Speisespannungsschaltung ziim Unwandeln einer Eingangsspannung in eine nahezu konstante Ausgangsgleichspannung mit einer Treiberstufe zum Liefern eines periodischen impiilsförmigen Steuersignals zu einem Schalter zum während eines ersten Teils der Periode in den leitenden Zustand Bringen und zum während des übrigen zweiten Teils der Periode Sperren desselben, mit einer Regelung der Bauer der genannten Teile der¹ Periode, wobei eine Ausgangseiektrcde des Schalters über eine Induktivität mit einer Klemme der Uingangsspannungsqtiell e verbunden ist.

Bei einer derartigen Schaltungsanordnung wird

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während der Leitungszeit des Schalters Ene3&gä.e?/* (yL·^ Oder Eingangsspannungsquelle entnommen wird, in der Induktivität gespeichert. Wird danach der Schalter gesperrt, so verursacht diese Energie einen Strom, der durch den Gleichrichter ffliesst und an einer Belastung die Axisgangsspannung erzeugt. Unter diesen Umständen ist an der Induktivität eine blöckförmige Spannung vorhanden. Ist nun die Induktivität eine Wicklung eines Transformators oder eines Autotransformators, so ist dieser Spannung eine Schwingung überlagert nach dem Anfangs Zeitpunkt des zweiten Teils der Periode. Zu diesem Zeitpunkt, zu dem der Schalter gesperrt wird, kann ja der in der Streuinduktivitat des Transformators fliessende Stx-ora nicht xinmittelbar gesperrt werden, wodxirch eine Schwingung hoher Frequenz entsteht, die durch die Streuinduktivität und die Streukapazitäten bestimmt wird. Diese Schwingung erhöht die Spannung am Schalter beim Abschalten, und diese Spannung kann dad\arch einen unzulässig hohen ¥ert annehmen. Die Schwingung kann auch in dem Apparat, von dem die Speisesphaltung einen Teil bildet, Strahlung verursachen sowie Teile dieses Apparates beeinträchtigen.

Diese unerwünschte Schwingung kann mittels einer Abschneideschaltung gedämpft werden, in welcher Schal txing ein Gleichrichter mir leitend ist, wenn die Spannung am Schalter ihren Wert am Ende des zweiten Teils der Periode sonst überschreiten würde. -Weil die Verlustleitung im Widerstand beträchtlich ist, muss

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dieser eine hohe zulässige Leistung haben und ist daher ein teueres Einzelteil.

Ein weiteres Problem ist, dass der Speisiing

der Treiberstufe. Diese Stufe kann nicht mit der Axisgangs· spannung gespeist werden, da die Schaltungsanordnung beim Einschalten dann nicht in Gang kommen könnte. Deswegen ist es üblich, die Eingangsspannungsquelle als Speiseq\ielle für die Treibers tufe zu verwenden. Dazxi wird auch ein Widerstand verwendet. Weil jedoch die Eingangsspannung nicht stabilisiert ist, kann der Strom durch die Treibers t\ife und daher a\ich der Steuerstrom des Schalters variieren. Variiert die Eingangsspannung in geregeltem Zustand, so variiert auch die J-eitungsdaiier des Schalters, und es stellt sich heraus, dass die Variation des Stromes durch die Treiberstufe für ein einwandfreies Funktionieren der Schal tungsanordming zti gross sein kann und/oder grosser ist als die vom Hersteller des an diesem Fall als Schalter verwendeten Transistors angegebene ztilässige Variation. Weil die Steuerenergie des Schalters beträchtlich ist, muss auch dieser Widerstand eine hohe zulässige Leistung haben.

Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung weist das Kennzeichen auf, dass eine Elektrode eines Gleichrichters mit der·genannten Induktivität gekoppelt ist, während ein Glättungskondensator und ein Speisewiderstand für die Treiberstufe mit einer anderen Elektrode desselben verbunden sind. Durch diese Massnahme werden die zwei obengenannten Widerstände zu einem kombi-

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niert, was eine Einsparung ergibt, während die Schaltungsanordnung zum Abschneiden der unerwünschten Schwingung eine zweite Funktion bekommt und zwar zum Erzeugen einer Speisespannung für die Treiberstufe. Ausserdem ist nun diese Speisespannung im stationären Betrieb die Stimme der Eingangs- und der Ausgangsspannung bzw. einer Spannung die davon abgeleitet ist und ist daher konstanter als in dem Falle, wo diese Speisespannung die Eingangsspannung wäre, so dass die Variation des Stromes durch die Treiberstufe kleiner wird. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Massnahme ist, dass die Speisespannung der Treiberstufe verhältnismässig niedrig ist beim Anlaufen nach dem Einschalten, so dass der Steuerstrom des Schalters klein ist, solange die "Datier des ersten Teils der Periode kurz ist, was zum Erreichen eines allmählichen Anstiegs der Ausgangsspannung günstig ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in

den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung der Erdindung,

Fig. 2 Spannungsformen die darin auftreten,

Fig. 3 eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung,

Fig. k eine Ausführungsfοrm der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung, die einen Teil eines Fernsehempfängers bildet.

Xn der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist

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ein npn-Transistor, der als Schalter wirksam ist. Sein Kollektor ist über eine Wicklung 2 mit der positiven Klemme 3 einer Eingangsspannungsquelie verbunden, während sein Emitter mit der negativen Klemme der Quelle verbunden ist, welcher Klemme an Masse liegen kann. Die Wicklung 2 ist die Primärwicklting eines Transformators h, von dem eine Sektmdärwicklung 5 zwischen Masse und der Anode einer Diode 6 liegt. Der VickelvSinn der Wicklungen 2 und 5 ist derart gewählt worden, dass die Diode 6 leitend ist,wenn der Transistor 1 gesperrt ist und timgekehrt, was durch Polarifcätsptmkte angegeben ist. Zwischen der Kathode der Diode 6 und Masse liegt ein Kondensator 7· Diese Kathode bildet.eine Klemme 8, an der die Ausgangsspannung V der Schaltungsanordnung vorhanden ist und an die einu Belastung 9 angeschlossen ist.

Während eines ersten Teils £ T der Periode T eines der Basis züge führten impulsf örrnigen Steuersignals ist der Transistor 1 leitend. Sein Kollektorstrom i'liesst durch die Wicklung 2, in der der Qiielle entnommene Energie gespeichert wird. Zudem Zeitpmikt, wo der Transistor 1 gesperrt wird, verursacht diese Energie einen Stiom durch die Wicklung 5 und die Diode 6. Das Steuersignal des Transistors 1 wird von einem Treibertraiisistor 10 geliefert. Ein in Fig. 1 nicht dargestellter Oszillator erzengt ein Signal, das über einen Modulator 11 und gegebenenfalls einen Verstärker die Basis des Transistors IO steuert. Der Kollektor dieses Transistors ist über eine Priiriärwi cklting 12 eines Treibertrans-

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formators 13 und einen Widerstand λΗ mit der Klemme und der Emitter mit Masse verbunden, wobei der Verbindungspunkt des Widerstandes 14 und der Wicklung 12 über einen Glättungskondensator 15 an Masse liegt. Eine Sekundärwicklung 16 des Transformators 13 steuert über einen Widerstand 17 die Basis des Transistors 1. In diesem Beispiel ist die nicht simultane Steuerung des Transistors 1 gewählt worden, d.h. dass der Transistor 1 mir leitend ist, wenn der Transistor 10 gesperrt ist und umgekehrt. Dies wird durch die Wahl des Wickelsinnes der Wicklungen 12 und 16 erhalten, was in Fig. 1 durch Polariüatspunkte angegeben ist.

Der Modulator 11 enthält eine Vergleichestxife, in der die Spannung V mit einer Bezugsspannung verglichen wird, wodxirch eine Regelung der Dauer £ T der I-eittingszeit des Transistors 1 ziim nahezu Konstanthalten der Spannung V trotz etwaiger Aenderungen der Eingangsspannung V an der Klemme 3 Tind/odez' der Belastung 9 auf bekannte Weise erhalten wird.

Tn Fig. 2a ist die Spannung an der Anode der "Diode 6 und in Fig. 2B die Spannung am Kollektor des Transistors 1 aufgetragen. Bekanntlich nimmt die erstgenannte Spannung im ersten Teil ^ T der Periode den Wert - TiV₁, und im zweiten Teil den Wert V an, während

Ω Ο

die Spannung in Fig. 2b in der Zeit £ T Null ist und

danach den Wert V^ + — annimmt. Dabei ist 1 : η das

B η

Verhältnis zwischen der Windungszahl der Wicklungen und 5· Zu dom Zeitpunkt t._? zu dem der Transistor 1 ge-

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sperrt wird, kann ,jedoch der in der Streuinduktivitat des Transformators 4 fliessende Strom nicht unmittelbar gesperrt werden. Es entsteht eine hochfreqxiente Schwingung abnehmender Amplitude, die durch die Streuinduktivitat und die Streukapazitäten bestimmt wird. Diese Schwingung verursacht eine Erhöhung der Kollektorspannung und eine Strahlung in dem (nicht dargestellten) Apparat, der durch die Schaltungsanordmmg nach Fig. 1 mit Speisespannungen versehen wird.

Diese unerwünschte Effekte können zu einem

grossen Teil mit Hilfe einer Abschneideschaltxing vermieden werden, die aus einer Diode 18, einem Kondensator 19 und einem Widerstand 20 besteht. Die Anode der Diode 18 ist mit dem Kollektor des Transistors 1 verbunden, während die Parallelschaltung des Kondensators 19 und des Widerstandes 20 zwischen der Kathode der Diode 18 und der Klemme 3 liegt. Ist der Vert des Widerstandes 20 niedrig genug, so wird die Energie der Schwingung in diesem Widerstand axif gebraucht, und die Spannung am Kollektor ist wahrend des ganzen zweiten Teils der Periode dem Endwert

V
V„ + gleich. Der Verlaxif diesel¹ Spannung ist in Fig.

2c dargestellt. An der Kathode der Diode 18 herrscht eine

Gleiclispanming entsprechend Λ^Γ _π + . Dtarch die Diode

Jd η

18 fliesst nur Strom, wenn die KoI1ektorspannung diesen Vert sonst überschreiten würde. Danach entlädt sich der Kondensator 19 im Widerstand 20. Die Verlustleistung im Widerstand ist nicht unbeträchtlich, so dass der Widerstand eine hohe zulässige .I^eistung haben muss.

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Fig. 3 zeigt die Schaltungsanordnung nach der Erfindung. Xn dieser Figur sind die Elemente, die auch in Fig. 1 dargestellt sind, mit denselben Bezugszeichen angegeben. Die Viderstände 14 und 20 aus Fig. sind in Fig. 3 durch nur einen Widerstand ^h¹ ersetzt worden, der zwischen dem \^rerbindungspunkt D der Diode 18 \χηά des Kondensators Λ^ um dem Verbindungspiinkt A der Vicklung 12 und des Kondensators 15 liegt. Ein Widerstand 21 mit geringem Wert (etwa 10OjQ.) zwischen der Anode der Diode 18 und dem Kollektor des Transistors 1 beschränkt den Spitzenstrom durch die Diode. Abgesehen vom klaren Vorteil der Einsparung eines teiiren Widerstandes, bietet die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 auch die nachstehend zu beschreibenden Vorteile.

In einer geschalteten Speisespannung gibt es bekanntlich einen Zusammenhang zwischen der Eingangsspannuug V und dem Verhältnis £ , wenn eine Regelung stattfindet, wodtirch die Ausgangsppannung V konstantgehalten wird. Nimmt die Spanmmg V ab, beispielsweise infolge einer Verringerung der Spannung des elektrischen Vex^sorgungsnetzes, so nimmt ^ zu. Im beschriebenen Beispiel gilt

η S. V

^Vo ⁼ 1-6Γ

Nennt man I. den Strom durch den Widerstand

i4bzw. 14', I'-o den zur Primäi-sei te des Transformatora 13 hin transformierten Basiss tx^orri des Transistors 1, V^ die Spannung am Punkt D, V die Spannung am Punkt A und R den Wert des Widerstandes 14 bzw. 1^', so lässt

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sich, darlegen, dass

¹¹B =

V-V
_ Ό Α

¹A ⁼ R

^VA -

^VA - I -rf BB in der R¹-,-, der zxir Primärseite des Transformators 13 hin

transformierte Wert des Widerstandes 17 ist. Aus diesen Formeln geht hervor, dass eine Abnahme der Spannung V_n,

eine Zunahme von cS und folglich des Stromes I· zur Folge

Jd

hat, während I. abnimmt wenn V₁.. = V ist in dem Falle A L) Jd

von Fig. 1 und indem V zunimmt. Der Anstieg der Span-

xx

nung V ist auch die Ursache davon, dass I noch weiter abnimmt, üiese starke Abnahme von I. hat mehr Einfluss axxf I' als der Anstieg von ό . so dass Ι· auch abnimmt.

Jj Jj

Im entgegengesetzten Fall , in dem die Spanntang V' an-

Jd

steigt, nimmt der Basisstrom des Transistors 1 z\i. Die Aenderung dieses Stromes bei grossen Aendenmgen der Spanmmg V₁. kann so groes sein, dass der l\ransis tor nicht auf die gewünschte Veise funktionieren kann. Insbesondere kann es passieren, dass die Abschaltzoit seines Kollektorstroines zu sehr von der Spannung V

Jd

abhängig wird. Auch kann die Aenderxmg des Bar-iss tromes grosser sein als die vom Hersteller des Transistors angegebene zulässige Aenderung. Die Aenderung des Basisstromes ist grosser je nachdem V gegenüber V weniger niedrig ist.

In FiVy. 3 ißt V_T. nicht gleich V-, sondern

^Vo
gleich V + . Nicht nur ist V niedriger gegenüber

V als im vorigen Fall (praktische Werte sind beispiels-

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weise V_x, =' 300 V und V_x, + — = 65O V) , aber nun ist α α η

die Spannung V konstanter, so dass die Aenderung des Basisstromes des Transistors 1 kleiner ist. Eine Aenderung von 60 V entspricht ja ZQ'fo von V_x, aber nur 9,2 % von V₁₃.

Beim Einschalten der Schaltungsanordnung ist die Spannung V_ sehr schnell vorhanden, während die Spannung V Null ist. Die Schaltungsanordnung kann in Gang kommen, denn die Diode 18 kann leiten, so dass

V-. = V₁-. gilt. Die Diode erfüllt also ausser den Funk-U Jd

tionen einer Abschneide- und einer Speisediode auch die einer Anlaufdiode. Im Anfang ist die Leitungsdauer S T des Transistors 1 sehr kiirz, und es ist erwünscht, dass die Zunahme derselben und daher die der Spannung V allmählich erfolgt. Sonst würden zu grosse Ströme noch nicht geladenen Kondensatoren zufliessen, was verheerende Folgen haben könnte oder eine Sicherheitsschaltung aktivieren würde mit der Folge, dass die Speiseschaltung nicht in Gang kommen könnte. Veil der Transistor 1 füx^ sehr grosse Leistungen geeignet sein muss, ist die Speicherzeit der Ladungsträger in der Basisschicht ziemlich gross wenn der Transistor gesättigt ist, so dass der Kollektorstrom später als der Basisstrom abgeschaltet wird. Dies bedeutet eine sprungweise Aenderung im Anfang von 0 · Veil jedoch der Anfangswert von \^r„ durch die erfindungsgemässe Massnahme niedriger ist als die im stationären Betrieb ist der Basisstrom klein, so dass der Transistor zunächst nicht völlig ausgesteuert wix-d,

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wodurch der Kollektorstrom nahezu nicht langer als der* Basisstrora fliesst und S allmählich ansteigt.Je nachdem die Spannung V aufgebaut wird, gerät der Transistor 1 jeweils weiter in den gesättigten Zustand. Eine in die Basisleitung desselben aufgenommene Induktivität 22 sorgt auf bekannte Weise dafür, dass das Abschalten des Kollektorstromes, das im normalen Betrieb zwar verzögert ist gegenüber dem des Basisstromes, schnell erfolgt. Diese Verzögerung ist obenstehend der Einfachheit halber nicht beschrieben worden.

Ein nachteiliger Einfluss der Streuinduktivität des Transformators h kann auch mit Hilfe eines Kondensators aufgehoben werden, der zwischen zwei geeigneten Punkten der Wicklungen 2 und 5 liegt. Durch die erfindungsgemässe Massnahme kann dieser Kondensator fortfallen.

Im beschriebenen Beispiel ist die Steuerung des Transistors 1 nicht simultan, während der Wandler 1 , k_t 6, 7» 9 vom Parallel-Typ ist. Es dürfte einleuchten, dass die erfindungsgemässe Massnahme auch bei anderen Aiisbildungen anwendbar sein kann. Fig. h zeigt eine Ausführungsform, wobei die Schaltungsanordnung die Kombination einer Speiseschaltung und einer Horizontai-Ablenkschal tung in einem Fernsehernpf ängex" ist. Eine derartige Schaltungsanordnung ist in der Veröffentlichung "IEEE transactions on Broadcast and Television Receivers" vom August 1972, Heft BTR-18, Nr. 3, Seiten 177 bis einschliesslich 182 beschrieben worden. In der Schaltungs-

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anordnung nach Fig. k gliesst der Ablenkstrom wechselweise dtirch eine Paralleldiode 23 und durch einen Transistor 1 und eine Diode 2k und durch· einen Jänearitätsregler 25 und eine Horizontal-AbIenkspiile 26,^J27 ist ein Hinlatif- und 2^ ein Rücklaufkondensator. Auf dem Kern des Transformators k sind eine Anzahl Wicklungen vorgesehen, an denen Speisespannungen vorhanden sind. Eine derselben, Wicklung 29, ist in der Figixr dargestellt. An mehrere Stellen einer weiteren Wicklung 30 des Transformators k sind Elemente 6, 23, 24, 25 und 28 angeschlossen. Die Wicklung 30 ist über einen Kondensator 31 mit Masse verbunden. Die am Kondensator 31 vorhandene Spannung ist ein Mass für die Regel\mg des Verhältnisses J im Modiilator 11. Die Schaltungsanordnung ist eingehender in der obengenannten Veröffentlichung sowie in der niederländischen Patentanmeldung 730763I und der Dt-OS 24 33 der Anmelderin beschrieben worden.

Einige Einzelheiten der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 sind die folgenden. Der Emitter des Treibertransistors 10 liegt nicht an Masse sondern mittels einer Zener-Diode 32 wird daran eine stabilisierte niedrige Spannung erzeiigt, mit der der "(nicht dargestellte) Horizontal-Oscillator und der Modulator 11 gespeist werden. Weil die Treiberstufe gleich beim Einschalten des Empfängers anläuft ist damit aiich das Anlaufen des Oscillators und des Modulators 11 gewährleistet. Der Modulator 11 steuert einen Verstärker 33, der einen Steuerstrom zur Basis des Transistors 10 liefert und der dtircli

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dieselbe Speisespannung am Punkt B gespeist wird wie der Transistor TO. Es dürfte einleuchten, dass andere Teile des Empfängers mit dieser Spannung oder mit der . am Emitter des Transistors 10 gespeist werden können.

Durch eine "Diode 3^ wird vermieden, dass die Spannung am Punkt A negativ wird, wenn der Transistor 10 ausfällt. Sonst wurde die Basis des Transistors 1 eine positive Steuerspannung zugeführt bekommen. Ein RC-Netzwerk 35 parallel zur ¥icklung 12 und ein anderes RC-Netzwerk 36 zwischen der Basis des Transistors 1 xmd Masse dämpfen etwaige störende Schwingungen. Die Transistoren in der Schaltungsanordming nach Fig.h sind die folgenden Philips-Typen: der Transistor des Verstärkers 33: BC 5^8; der Transistor 10: BD 232; Transistor 1: BtJ 208. Die Diode 18 ist eine BY 207, der Kondensator* 19 hat eine Kapazität von etwa 100 nF, während der Widerstand 14> einen Wert von etwa 33 k jCX. tind eine zulässige Leistung von 5_t5 W hat. Die Nennspannungen sind: V_T = 300 V, V₀ = 650 V, V_A = 120 V, während die Spannung am Kondensator 31 auf etwa 1 ho V und die an der Diode 32 auf etwa 12 V stabilisiert ist.

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Claims (2)

-lh- PHN.7826 PATENTANSPRUECHE:

1. J Geschaltete Speiseppanmmgsschaltung zum Umwandeln einer Eingangsspannung in eine nahezu konstante Ausgangs glei chspannung mit einer Troiberstufe zum J-iefern eines periodischen impulsförmigen Steiiersignals zti einem vSchalter ztim während eines ex-steri Teils der Periode in den leitenden Zustand Bringen und zum während des übrigen zweiten Teils der Periode Sperren desselben, mit einer Regelung der Dauer der genannten Teile der Periode, wobei eine Ausgangselektrode des Schalters über eine Induktivität mit einer Klemme der EingangsspannungsquelIe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode eines Gleichrichters (18) mit der genannten Induktivität (2) gekoppelt ist, während ein Glättungskondensator (19) und ein Speisewiderstand (1'<■' ) für die Treibers ttife mit einer anderen Elektrode desselben verbunden sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei

die Treiberstufe einen Transistor enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Speisewiderstand ("^⁺¹) der Kollektorwiderstand des Transistors (io) ist.

3· Schal timgsanordnung nach Ansprxich 2, dadurch

gekennzeichnet, dass ein Spannungsstabilisierendes Element, beispielsweise eine Zener-Diode {32.) in die Emitterleitung des Transistors (K)) aufgenommen ist und zwar zum !Liefern einer Speisespannung.

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