DE3446973A1

DE3446973A1 - Schaltwandler-stromversorgungsgeraet

Info

Publication number: DE3446973A1
Application number: DE19843446973
Authority: DE
Inventors: Sinji Yokohama Kanagawa Kudo
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1984-12-20
Filing date: 1984-12-21
Publication date: 1986-06-26
Anticipated expiration: 2004-12-22
Also published as: GB2168865B; US4630186A; GB8432250D0; GB2168865A; FR2575617B1; FR2575617A1; DE3446973C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltwandler-Stromversorgungsgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein bekanntes Gerät dieser Art ist in Fig. 1 dargestellt. Es enthält einen Transformator T. Die Primärwicklung L. des Transformators T erhält ihre Spannung von einer Stromquelle E, die mit einem Schalttransistor Q geschaltet wird. Die an der Sekundärwicklung L~ auftretende Spannung wird gleichgerichtet und erscheint an einem Ausgangsanschluß OUT. Bei Einschaltung fließt ein Strom von der Stromquelle E in einen Kondensator C" und eine Rückkopplungswicklung L- über einen Widerstand R,_Q( durch den der Kondensator C" geladen wird. Ein Strom aus der Stromquelle E fließt auch in die Basis des Schalttransistors Q. Außerdem fließt ein Strom durch die Primärwicklung L.. und den Kollektor des Schalttransistors Q, wodurch dieser leitend wird. Gleichzeitig wird eine Spannung in der Rückkopplungswicklung L-. induziert, wodurch ein Basisstrom zum Schalttransistor über den Kondensator C" erzeugt wird. Der Kondensator C" wird dabei entgegengesetzt zu der in Fig. 1 dargestellten Polarität geladen. Während der Kondensator C" geladen wird, verringert sich der Basisstrom, so daß der Schalttransistor Q gesperrt wird. Wenn der Schalttransistor Q gesperrt ist, wird eine Gegenspannung mit der Rückkopplungswicklung L, erzeugt, wodurch ein Elektrolytkondensator C über eine Diode D geladen wird. Wenn die Ladespannung des Elektrolytkondensators C einen vorbestimmten Wert überschreitet, so wird der Basis des Schalttransistor-s Q eine Sperrspannung zugeführt. Wenn

der Schalttransistor Q gesperrt ist, so ist auch der Strom durch die Primärwicklung L, unterbrochen. Dabei wird also keine Spannung an der Rückkopplungswicklung L, erzeugt. Der Schalttransistor Q ist dann vollständig gesperrt.

Wenn der Kondensator C über einen entsprechend einer vorbestimmten Zeitkonstanten bemessenen Widerstand R entladen wird, um den Schalttransistor Q leitend zu steuern, so fließt ein Strom in die Basis des Schalttransistors Q über den Widerstand R, „. Dann wiederholt sich der vorstehend beschriebene Vorgang. Auf diese Weise wird eine kontinuierliche Schwingung erzeugt, wodurch eine kontinuierliche Ausgangsspannung am Ausgangsanschluß OUT auftritt. Als Schutz für den Schalttransistor Q dient eine Zenerdiode Ζ_β.

In dieser bekannten Schaltungsanordnung wird eine Schwingung durch Ausnutzung eines Signals der Rückkopplungswicklung L, erzeugt. Dabei kann die Schwingfrequenz nicht erhöht werden. Der Transformator T und der Elektrolytkondensator C können nicht verkleinert werden, weshalb das Stromversorgungsgerät groß und teuer ist. Zusätzlich ist der Wirkungsgrad relativ niedrig (im allgemeinen bei etwa 70 %), und die Belastungs-Ansprechzeit ist lang. Wird die Spannung der Stromquelle E verringert oder tritt eine Überlast am Ausgangsanschluß OUT auf, so ist die Spannung am Ausgangsanschluß OUT geringer als ihr Nennwert. Eine Last (beispielsweise ein Rechner) wird dadurch in ihrem Betrieb beeinträchtigt. Die Schwingungsperiode des Schalttransistors Q ist durch die Zeitkonstante der gesamten Rückkopplungsschaltung bestimmt, wozu auch die Induktivität der Rückkopplungswicklung L gehört. Deshalb kann die Schwingungsperiode nicht sehr genau eingestellt werden, wodurch sich weitere Beeinträchtigungen ergeben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Stromversorgungsgerat anzugeben, bei dem die vorstehend aufgezeigten Nachteile nicht auftreten und das bei vergleichsweise geringem Kostenaufwand mit einem kompakten Transformator und Kondensator aufgebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einem Stromversorgungsgerat nach der Erfindung wird der Primärstrom eines Transformators durch Schalten mit einem schnellen bipolaren Transistor intermittierend zugeführt. Der Emitter des Transistors ist über einen Stromauswertewiderstand geerdet, und die Sekundärspannung des Transformators wird zur Erzeugung der Ausgangsspannung gleichgerichtet und geglättet, so daß ein kompakter Transformator und Kondensator verwendbar sind und die Gesamtschaltung billiger als bisher aufgebaut werden kann. Der Kondensator wird durch eine Spannung geladen, die in einer Rückkopp1ungswicklung des Transformators induziert wird. Wenn die Emitterspannung des bipolaren Transistors ansteigt und die Ladespannung des Kondensators einen vorbestimmten Wert (Schwelle) erreicht, so wird die Spannung des Kondensators als Sperrspannung an die Basis-Emitterstrecke des bipolaren Transistors gelegt. Dabei werden Ladungsträger in der Basis des Transistors schnell abgeführt und ein schneller Schaltvorgang des bipolaren Transistors erreicht. Die Schaltungsanordnung enthält eine Schaltung zur Bestimmung der Schaltperiode. Diese ist eine Reihenschaltung einer Diode und eines Widerstandes, die als Entladungsstromzweig für den Sperrspannungskondensator zwischen die Basis und den

Emitter des bipolaren Transistors geschaltet ist. Alternativ kann diese Schaltung auch die Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Zeitgabekondensators sein, die zwischen Erde und den anderen Anschluß oder einen Mittelabgriff der Rückkopplungswicklung geschaltet ist, deren einer Anschluß mit der Basis des bipolaren Transistors verbunden ist.

Zusätzlich zu der Sperrschaltung, die die Sperrspannung an den bipolaren Transistor anlegt, und der die Schaltperiode bestimmenden Schaltung ist noch eine Spannungskorrekturschaltung vorgesehen, mit der durch eine Hilfswicklung des Transformators Rückschwingungsenergie ausgenutzt wird, um die Schwelle der Sperrschaltung und die Ladespannung des Zeitgabekondensators einzustellen und dadurch die Einschaltzeit des bipolaren Transistors zu verändern. Dadurch wird die Ausgangsspannung stabilisiert, wenn sich die Spannung der Stromquelle verringert oder am Ausgang eine Überlast auftritt.

Die Speisespannung für die Sperrschaltung wird von der Rückkopplungswicklung des Transformators geliefert, wodurch eine die Sperrschaltung ausschließlich speisende Stromquelle überflüssig ist und die Kosten für das Stromversorgungsgerät weiter reduziert werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung eines Stromversorgungsgerätes nach dem Stand der Technik, die bereits erläutert wurde,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung für ein Stromversorgungsgerät gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung eines Teils eines

Stromversorgungsgerates gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Im folgenden wird das in Fig. 2 gezeigte Stromversorgungsgerät erläutert. Dort ist ein Transformator T dargestellt, der eine Primärwicklung L,, eine Sekundärwicklung L„, eine Rückkopplungswicklung L₃ und eine Hilfswicklung L₄ hat. Ein bipolarer Transistor 1 bewirkt eine intermittierende Stromzufuhr zur Primärwicklung L, des Transformators T. Der Kollektor des bipolaren Transistors 1 ist mit einer Stromquelle E über die Primärwicklung L, verbunden, sein Emitter ist über einen Widerstand R an Masse gelegt. Ein Kondensator C, ist zwischen den Kollektor und den Emitter des bipolaren Transistors 1 geschaltet. Dieser Kondensator C, reduziert impulsartige Störungen. Eine Sperrschaltung 2 liefert eine Sperrspannung an die Basis des bipola'ren Transistors 1, wenn seine Emitterspannung ansteigt. Ferner ist eine Spannungskorrekturschaltung 3 vorgesehen. Diese stabilisiert die Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluß OUT in noch zu beschreibender Weise. Mit 4 ist eine Schwelleneinstellschaltung und mit 5 eine Schaltperioden-Bemessungsschaltung bezeichnet.

Die Sperrschaltung 2 enthält einen Transistor Q , der die Emitterspannung am Transistor 1 auswertet. Ein Transistor Q, wird durch den Transistor Q„ gesperrt oder leitend gesteuert. Ein Widerstand R ist zwischen den Emitter des bipolaren Transistors 1 und Masse geschaltet. Ein Kondensator C und ein Widerstand R sind zwischen die Basis des Transistors Q„ und den Emitter des bipolaren Transistors 1 geschaltet. Ein Kondensator C^ ist mit einem Anschluß an den Emitter des Transistors Q, und mit dem anderen Anschluß an die Basis des bipolaren Transistors 1 geschaltet. Ein Widerstand R, ist zwischen die Basis und

den Emitter des Transistors Q, geschaltet. Die Rückkopplungswicklung L- liefert über die Diode D, eine Spannung P.

Der Kondensator C erhöht die Frequenz der positiven Rückkopplung. Der Widerstand R bestimmt den positiven Rückkopplungsfaktor .

Die Spannungskorrekturschaltung 3 umfaßt die Hilfswicklung L., eine Diode D- und einen Kondensator C,. Ein Anschluß der Hilfswicklung L. ist mit Masse verbunden, der andere ist mit der Anode der Diode D₃ verbunden. Der Kondensator C₃ ist zwischen die Kathode der Diode D₃ und Masse geschaltet. Die Anode der Diode D, und die Kathode der Diode D₃ sind über einen Rückkopplungswiderstand R₁-verbunden. Der Kondensator C₃ wird durch eine Gegen-EMK mit der in Fig. 2 dargestellten Polarität über die Diode D₃ geladen. Diese Gegen-EMK wird durch die Hilfswicklung L. erzeugt. Die Ladespannung des Kondensators C₃ dient zur Steuerung der Arbeitsweise des Transistors Q„ entsprechend der Impedanz der Schwelleneinstellschaltung 4.

Die Schwelleneinstellschaltung 4 dient zur Einstellung des Pegels, bei dem der Transistor Q„ der Sperrschaltung leitend gesteuert wird. Die Schwelleneinstellschaltung 4 ist so ausgeführt, daß die Lichtquelle eines Optokopplers abhängig von der Ausgangsspannung am Ausgangsanschluß OUT angesteuert wird und dadurch die Impedanz eines lichtempfindlichen Elements geändert wird, das zwischen die Basis des Transistors Q der Sperrschaltung 2 und der Kathode der Diode D₃ der Spannungskorrekturschaltung 3 geschaltet ist. Die Schwelle der Sperrschaltung 2 wird also durch Rückführung der Ausgangsspannung reguliert/ wodurch die Ausgangsspannung stabilisiert wird. Die Periodenbemessungsschaltung 5 steuert die Schaltperiode des bipolaren Transistors 1. Sie enthält eine Diode D„, einen Wider-

stand R_, einen Zeitbemessungskondensator C_T und einen Widerstand R.. Die Diode D₂ ist mit dem Widerstand R₂ in Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltung ist zwischen die Basis und den Emitter des bipolaren Transistors 1 geschaltet, so daß dieser dadurch geschützt wird. Der Widerstand R. ist mit dem Zeitbemessungskondensator C₁₇, in Reihe geschaltet, und diese Reihenschaltung ist zwischen die Anode der Diode D, und Masse geschaltet. Der Zeitbemessungskondensator C_T wird über den bipolaren Transistor 1 geladen, so daß sein Masseanschluß positiv wird, wenn der bipolare Transistor 1 leitend gesteuert ist. Wenn der bipolare Transistor 1 gesperrt ist, so wird der Zeitbemessungskondensator C_T entladen. Dieser Lade/Entladevorgang des Zeitbemessungskondensators C wird wiederholt, wodurch die Schaltperiode des Transistors 1 bestimmt ist.

Es ist darauf hinzuweisen, daß ein Starterwiderstand R_ zwischen die Basis des bipolaren Transistors 1 und die Stromquelle E geschaltet ist.

Im folgenden wird nun die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung erläutert. Ein Strom der Stromquelle E fließt in die Basis des bipolaren Transistors 1 über den Widerstand R^. Ferner fließt ein Strom über die Rückkopplungswicklung L.., den Widerstand R. und den Zeitbemessungskondensator C , so daß dieser geladen wird. Der bipolare Transistor 1 wird abhängig von dem Basisstrom leitend gesteuert, wodurch die Primärwicklung L, des Transformators T eingeschaltet wird. In der Rückkopplungswicklung L-3 wird eine Spannung induziert. Diese Spannung wird der Basis des bipolaren Transistors 1 zugeführt, wodurch dessen Basisspannung erhöht wird. Dadurch wird der bipolare Transistor 1 schneller leitend gesteuert.

Der Zeitbemessungskondensator C wird mit einem Strom geladen, der über die Rückkopplungswicklung L^, die Basis des bipolaren Transistors 1, seinen Emitter, den Widerstand R und Masse fließt. Dabei wird der Masseanschluß des Zeitbemessungskondensators C positiv geladen. Eine Spannung entsprechend einem Stromverstärkungsfaktor wird am Emitter des bipolaren Transistors 1 erzeugt, und die Potentialdifferenz am Widerstand R wird erhöht. Der Transistor Q- wird dann leitend gesteuert. Die Impedanz der Schwelleneinstellschaltung 4 trägt zum Leitendwerden des Transistors Q₂ bei. Gleichzeitig wird der Transistor Q, eingeschaltet, so daß Ladungsträger schnell von der Basis des bipolaren Transistors 1 infolge der Ladung des Kondensators Cp entfernt werden. Dadurch wird der bipolare Transistor 1 augenblicklich gesperrt. Ein Strom über die Primärwicklung L, wird schnell abfallen, wodurch eine Gegenspannung an der Rückkopplungswicklung L-, erzeugt wird. Diese Gegenspannung lädt den Kondensator C~ über die Diode D,. Gleichzeitig wird der Zeitbemessungskondensator C_T über Masse, den Widerstand R, den Widerstand R„, die Diode D„ und die Rückkopplungswicklung L₃ entladen. Der bipolare Transistor 1 wird zur Neutralisierung seiner Basisladungsträger mit einer Sperrspannung versehen.. Ein Strom fließt durch die Sekundärwicklung L₃, wenn der Strom durch die Primärwicklung L, schnell abfällt. Dieser Strom wird durch die Diode D. und den Kondensator C gleichgerichtet und geglättet.

Danach fließt ein Basisstrom in den bipolaren Transistor über den Widerstand R₃, wodurch der Transistor 1 leitend wird. Ein Strom fließt durch die Primärwicklung L,. Dann wiederholt sich der vorstehend erläuterte Betriebsablauf.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Spannungskorrekturschaltung 3 erläutert. Diese Schaltung dient zur Korn-

pensation einer Spannungsverringerung der Stromquelle E oder einer Spannungsverringerung durch Überlast an dem Ausgangsanschluß OUT. Wenn eine Spannungsverringerung durch eine Überlast auftritt, so erhöht sich der Strom durch die Hilfswicklung L₄, und die Spannung am Kondensator C, steigt gleichfalls an. Wenn die Spannung am Kondensator C- ansteigt, wird der in der Sperrschaltung fließende Strom durch die Schwelleneinstellschaltung 4 verstärkt, und die Einschaltzeit des Transistors Q„ wird verkürzt. Dadurch werden die Entladezeit des Kondensators C- und damit die Schaltperiode des bipolaren Transistors 1 verkürzt. Die der Primärwicklung L, zugeführte Energie wird erhöht, womit auch die Ausgangsspannung erhöht wird. Auf diese Weise ergibt sich eine Stabilisierung der Ausgangsspannung.

Wie bereits erläutert, wiederholen sich die schnellen Schaltvorgänge des bipolaren Transistors 1. Die in der Basis verbliebenen Ladungsträger werden durch den Kondensator C~ schnell abgeführt, und die Wiederholungsfrequenz dieses Vorgangs kann das Vielfache der Schaltfrequenz bisher bekannter Stromversorgungsgerate dieser Art betragen.

Die Spannung P für die Sperrschaltung 2 wird von der Rückkopplungswicklung L₃ geliefert. Diese kann, wie in Fig. 3 gezeigt, mit einem Abgriff versehen sein, wodurch sich eine höhere Spannung erzielen läßt als bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2. Der Transformator T hat vorzugsweise einen Magnetkreis mit einem Luftspalt, um magnetische Sättigung zu vermeiden.

Bei einem Schaltwandler-Stromversorgungsgerät nach der Erfindung kann die Schaltfrequenz wesentlich erhöht wer-

den, wodurch die Größe des Transformators und des Kondensators verringert werden kann und sich eine kompakte und relativ billige Stromversorgungsschaltung aufbauen läßt. Die Verschlechterung des Wirkungsgrades, die bei bisher bekannten Schaltungen unumgänglich ist, kann vermieden werden. Bei einem Ausführungsbeispiel vorstehend beschriebener Art kann der bipolare Schalttransistor so schnell geschaltet werden, daß sich der Wirkungsgrad von 70 % auf 80 % erhöhen läßt. Zusätzlich verringert sich die von der Stromversorgungsschaltung abgegebene Wärme, und die Schaltperiode kann variiert werden. Außerdem eignet sich ein Stromversorgungsgerät der beschriebenen Art besonders gut als Stromversorgung für Rechner, da sie eine erhöhte Ansprechgeschwindigkeit auf Laständerungen bei stabilisierter Ausgangsspannung hat.

Claims

Patentansprüche

1-jSchaltwandler-Stromversorgungsgerät, in dem der Primärstrom eines Transformators mit einem bipolaren Schalttransistor periodisch geschaltet und der Sekundärstrom gleichgerichtet und geglättet wird, um eine kontinuierliche Ausgangsspannung abzugeben, gekennzeichnet durch eine Schaltperioden-Bemessungsschaltung (5) mit einem Widerstand (R₄) und einem Zeitbemessungskondensator (C ), die zwischen ein Ende oder einen Mittelabgriff einer Rückkopplungswicklung (L₃) des Transformators (T) und Masse geschaltet ist und in der der Zeitbemessungskondensator (C ) mit einer den bipolaren Schalttransistor (1) sperrenden Polarität abhängig von dem leitenden Zustand des bipolaren Schalttransistors (1) geladen und danach entladen wird, und durch eine Sperrschaltung (2) zum Laden

eines Kondensators (C₃) mit einer in der mit ihrem anderen Ende an die Basis des bipolaren Schalttransistors (1) angeschlossenen Rückkopplungswicklung (L,) induzierten Spannung (P) und zum Anschalten der Ladespannung des Kondensators (C₃) zwischen Basis und Emitter des bipolaren Schalttransistors (1) über einen Transistor (Q₂)' wenn die an einem Emitterwiderstand (R) des bipolaren Schalttransistors (1) abfallende Spannung einen vorbestimmten Wert erreicht.
2. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Spannungskorrekturschaltung (3), die mit einer Hilfswicklung (L.) des Transformators Rückschwingenergie ausnutzt und die Ansprechschwelle der Sperrschaltung (2) die Ladespannung des Zeitbemessungskondensators (C ) korrigiert und damit die Ein- und Ausschaltzeiten des bipolaren Schalttransistors (1) verändert.
3. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Rückkopplungswicklung (L₃) des Transformators (T) als Spannungsquelle für die Sperrschaltung (2) arbeitet.