DE3912849A1 - Stromversorgungsgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stromversorgungsgerät nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Für Netzgeräte, d.h. für Geräte zur Stromversorgung ins­ besondere von elektronischen Verbrauchern, werden Trans­ formatoren verwendet, mit denen eine galvanische Tren­ nung von Eingang und Ausgang erzielbar ist. Die Trans­ formatoren werden im allgemeinen im Sperrwandler- oder im Durchflußwandlerbetrieb eingesetzt. Bei beiden Be­ triebsarten wird ein im Primärkreis des Transformators liegender elektronischer Schalter, der im allgemeinen ein Transistor ist, in einer bestimmten Taktfrequenz ein- und ausgeschaltet, wodurch der Eingangsgleichstrom getaktet unterbrochen wird. Beim Durchflußwandlerbetrieb ist die Sekundärwicklung des Transformators so gepolt, daß der Transistor während seiner leitenden Phase über den Transformator mit dem Verbraucher belastet wird.

Wenn der Transformator als Sperrwandler betrieben werden soll, befindet sich auf der Sekundärseite eine Diode, die mit der entsprechend gepolten Sekundärwicklung so wirkt, daß während der Einschaltszeit des Transistors der Verbraucher nicht mit Strom versorgt wird, so daß während dieser Einschaltzeit im Kern des Transformators magnetische Engergie gespeichert wird, die sich im Aus­ schaltzustand des Transistors über den Verbraucher ent­ laden kann, siehe Macek, Schaltnetzteile, Motorsteuerun­ gen und ihre speziellen Bauteile, Dr. Alfred Hüthig, Hüthig-Verlag Heidelberg, 1982, Seiten 27 und ff.

Es besteht die Möglichkeit, an der Sekundärseite zur Bildung eines sog. Multi-Output-Wandlers mehrere Ausgän­ ge anzuschließen. Dabei werden unterschiedliche Spannun­ gen an den Ausgängen abgenommen, z.B. 5 V und 12 V. Die Regelung dieser Ausgangsspannungen ist aber nur gemein­ sam möglich.

Aufgrund von die Toleranzen betreffenden Vorschriften für die Spannungs- bzw. Stromversorgung von bestimmten Verbrauchern ist aber doch erforderlich, die Ausgangs­ spannungen einzeln zu regeln. Derartige Regelungen sind nicht bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Stromversor­ gungsgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem zwei Ausgänge vorhanden sind, die beide getrennt voneinander regelbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Bei nicht geregeltem Ausgang für Sperrwandlerbetrieb und Vernachlässigung von Verlusten ist die Spannungszeit­ fläche an der Primärseite gleich der Spannungszeitfläche der Sekundärseite. Es gilt:

A _prim=A _sek (1)

Ferner ist:

A _sek=U _Fly×t _Fly (2)

Hierin bedeuten:

A _prim=primärseitige Spannungszeitfläche
A _sek=sekundärseitige Spannungszeitfläche
U _Fly=Rückfluß-(Fly back) Spannung
t _Fly=Rückfluß-(Fly back-) Zeit.

Aus der Gleichung (2) folgt:

U _Fly=A _sek/t _Fly. (3)

Aus der Gleichung (3) ist ersichtlich, daß durch Verän­ derung der Zeit T _Fly die Spannung U _Fly geändert bzw. gesteuert werden kann. Diese Regelung kann dabei auf zweierlei Arten erfolgen:

Es ist möglich, sekundärseitig in den im Sperrwandlerbe­ trieb arbeitenden Ausgang einen elektronischen Schalter einzusetzen, der den Ausgang mit Masse verbindet, so daß sich der Transformator auf Masse entladen kann.

Es besteht auch die Möglichkeit, primärseitig die Entla­ dung der im Magnetkern gespeicherten Energie vorzuneh­ men. Hierzu sind in den Primärkreis zwei Transistoren derart eingeschaltet, daß der eine Transistor vor und der andere Transistor hinter der Primärwicklung des Transformators vorgesehen wird. Zur Taktung werden beide Transistoren gleichzeitig ein- bzw. ausgeschaltet und zur Steuerung der Ausgangsspannung U _Fly bzw. der Zeit t _Fly wird einer der beiden Transistoren eingeschaltet, während der andere Transistor noch in Ausschaltstellung verbleibt. Dadurch kann sich die im Kern gespeicherte magnetische Energie über den eingeschalteten Transistor primärseitig entladen.

Ausgehend von der Spannung U _Fly werden dann die prak­ tisch den Kurzschluß der Sekundär- bzw. der Primärwick­ lung bewirkenden Transistoren angesteuert, wobei durch die Einschaltzeitdauer bzw. den Beginn der Einschaltzeit die Höhe der Spannung U _Fly geregelt werden kann.

Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesse­ rungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigt:

Fig. 1 bis 3 je eine Schaltungsanordnung, bei der die Erfindung verwirklicht ist, und

Fig. 4 vier Spannung-Zeit-Diagramme, wobei ein Span­ nung-Zeit-Diagramm (Fig. 4a) den ungeregelten Zustand zeigt.

Es sei Bezug genommen auf die Fig. 1.

Die Schaltungsanordnung besitzt einen Transformator 10, dessen Primärwicklung 11 in einem Schaltkreis liegt, der eine Gleichrichterdiode 12 und einen Transistor 13 ent­ hält, der von einer geeigneten Steuerung 14 angesteuert wird. An den Verbindungspunkt der Diode 12 mit der Se­ kundärwicklung 11 des Transformators 10 ist ein Glät­ tungskondensator 15 geschaltet, dessen einer Anschluß an der Kathode der Diode 12 und dessen anderer Anschluß an Masse geschaltet ist.

An der Sekundärwicklung 15 a sind ein erster Ausgang 16 und ein zweiter Ausgang 17 angeschlossen, von denen der Ausgang 16 mit einem Ende der Sekundärwicklung verbunden ist. An dieses Ende der Sekundärwicklung schließt eine Diode 18 und eine Drossel 19 an; am Verbindungspunkt der Diode 18 mit der Drossel 19 liegt eine weitere Diode 20, die gegen Masse in Sperrichtung geschaltet ist. Am Ver­ bindungspunkt der Ausgangsklemme 16 mit der Drossel 19 ist ein Glättungskondensator 21 zur Masse geschaltet.

Das andere Ende der Sekundärwicklung 15 a ist über eine Diode 22 in Sperrichtung mit einem Kurzschlußtransistor 23 verbunden; an einer Anzapfung 24 der Sekundärwicklung 15 ist die Anoden-Kathoden-Strecke einer Diode 25 mit die Ausgangsklemme 17 geschaltet; zwischen der Kathode der Diode 25 und der Ausgangsklemme 17 befindet sich ein Glättungskondensator 26, der an Masse geschaltet ist.

Sowohl am Ausgang 16, an dem der Transformator 10 in Durchflußbetrieb betrieben wird, als auch am Ausgang 17, an dem der Transformator 10 in Sperrwandlerbetrieb be­ trieben wird, kann je eine Versorgungsspannung abgenom­ men werden, wobei die Spannungen jeweils einzeln gere­ gelt werden können. Nachzutragen ist, daß etwa in der Mitte zwischen der Anzapfung 24 und dem mit der Aus­ gangsklemme 16 verbundenen Anschluß der Sekundärwicklung eine Anzapfung 26 a vorgesehen ist, die auf Masse ge­ schaltet ist.

Bei ausgeschaltetem Kurzschlußtransistor 23 arbeitet die Schaltung wie folgt:

Der Durchflußwandlerbetrieb ist insoweit unproblema­ tisch, als bei Einschaltung des Transistors 13 der Tran­ sistor 13 mit einem an dem Anschluß 16 angeschlossenen Verbraucher belastet wird. Hieraus ergibt sich die Span­ nung U ₁ an der Klemme 16.

Während dieser Einschaltzeit des Transistors 13 wird weiterhin im Kern des Transformators 10 elektromagneti­ sche Energie gespeichet, die sich im Ausschaltzustand des Transistors 13 über die Anschlußklemme 17 entladen kann. Die Energie fließt dabei über die Diode 25 in den als Puffer dienenden Kondensator 26, und damit kann die an der Anschlußklemme 17 im Sperrwandlerbetrieb die Spannung abgenommen werden. Dieser Fall ist in Fig. 4a dargestellt. Man erkennt im Einschaltzustand des Transi­ stors 13 die Spannungszeitfläche A ₁ (Durchflußwandlerbe­ trieb) und im Ausschaltzustand des Transistors 13 die Spannungzeitfläche A ₂ (Sperrwandlerbetrieb). Die Span­ nungszeitfläche A ₂ bestimmt die Spannung U ₂, und zwar mit der Zeitdauer t _Fly, aufgrund der Beziehung U₁∼A₁ und U₂∼A₂/t _Fly.

Wenn der Transistor 23 eingeschaltet wird, dann kann sich ein Teil der in dem Kern des Transformators 10 ge­ speicherten magnetischen Energie über die Diode 22 und den im Einschaltzustand befindlichen Transistor 23 ab dem Zeitpunkt t _x entladen, so daß, wie aus Fig. 4d er­ sichtlich ist, bei gleicher Spannungszeitfläche A ₂ die Spannung U ₂ erhöht wird. Die Spannungshöhe U ₂ wird ab­ hängig von dem Zeitpunkt t _x geändert. Wenn somit t _Fly kleiner gemacht wird, wird U ₂ höher, und umgekehrt.

Die Ausführung nach Fig. 2 ist ähnlich der der Fig. 1. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß der Tran­ sistor 23 an den Verbindungspunkt der Diode 25 mit der Klemme 17 geschaltet ist, so daß die Entladung der in dem Transformator 10 gespeicherten Energie über den Kon­ densator 26 zur Erde erfolgt, wodurch auch wieder die Spannung U _Fly gemäß Fig. 4b erzielt wird.

An dem Punkt 24 wird die Sekundärwicklung 15 a unter­ teilt. Es sei zur Erklärung angenommen, daß die gesamte Sekundärwicklung 15 Windungen aufweist, wogegen die An­ zapfung bei 12 Windungen erfolgt, wo 12 Volt abgenommen werden. Diese Daten können natürlich durch geeignete Bemessung der Sekundärwicklung und des Anzapfpunktes geändert werden und dienen daher lediglich als Beispiel.

Wenn der Transistor 23 ausgeschaltet ist, dann ist le­ diglich der 12-Windungs-Kreis aktiv und demgemäß können an der Klemme 17 nur 12 Volt abgenommen werden. Wenn nun der 15-Windungskreis 15 b bei eingeschaltetem Transistor 23 auf 12 Volt geschaltet bzw. gelegt wird, führt dies dazu, daß der Ausgang des 12-Windungskreises 9 Volt ent­ sprechend dem Windungszahlenverhältnis führt. Damit er­ hält man beim Einschalten des Transistors 23 eine Stufung der Spannungszeitfläche A ₂; damit erhöht sich U ₂ und wegen Spitzenwertbildung durch den Kondensator 26 bleibt diese Spannung auch über die gestufte Lücke hin praktisch konstant. Der Strom fließt praktisch während der gesamten Freilaufphase, und zwar einmal aus dem 12 -Windungskreis und einmal aus dem 15-Windungskreis. Die Stromflußzeit in den Kondensator 26 ist damit verlän­ gert, wodurch der Effektivstrom, der den Kondensator 26 belastet, verringert wird. Auf die Höhe der Spannung hat dies keinen Einfluß. Damit wird durch Veränderung des Zeitpunktes t _x , an dem der Transistor 23 eingeschaltet wird, die Spannung U ₂ erhöht oder verringert, d. h. da­ mit geregelt.

Die andere Möglichkeit besteht, wie in der Fig. 4c dar­ gestellt, darin, zunächst den Transistor 23 eingeschal­ tet zu lassen, wodurch eine entsprechende Stufung der Spannungszeitfläche erzeugt wird. Wenn der Transistor 23 bei t _x ausgeschaltet wird, dann erhöht sich der obere Wert der Spannung U ₂ zum Zeitpunkt t _x und damit kann in entsprechender Weise (Spitzenwertbildung) die an der Klemme 17 abgenommene Spannung U ₂ geregelt werden.

Die Spannungszeitflächen A ₁ und A ₂ sind gleich und kon­ stant.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfin­ dung.

Auf der Primärseite des Transformators 10 befinden sich die Diode 12 und der Glättungskondensator 15. Beidseitig zur Primärwicklung 11 sind je ein Transistor 30 und 31 geschaltet, von denen der Transistor 31 die Primärwick­ lung 11 mit Erde verbindet. Ferner sind Freilaufdioden 32 für den Transistor 30 bzw. 33 für den Transistor 31 vorgesehen, deren Aufgabe weiter unten erläutert wird. Das eine Ende der Sekundärwicklung 15 a des Transforma­ tors 10 ist mit einer Ausgangsklemme 34 verbunden, woge­ gen das andere Ende der Sekundärwicklung 15 a über eine in Sperrichtung geschaltete Diode 35 und eine Drossel 36 mit Erde 37 verbunden ist. zwischen dem Verbindungspunkt der Diode 35 mit der Drossel 36 einerseits und der An­ schlußklemme 34 andererseits ist eine Zenerdiode 38 ge­ schaltet, die die an der Klemme 34 abgenommene Spannung konstant halten soll. Am Verbindungspunkt der Diode 35 mit dem entsprechenden Ende der Sekundärwicklung 15 a zweigt ein zur Anschlußklemme 39 führender Leiterzweig 40 ab, in dem eine Diode 41 eingeschaltet ist; zwischen dem Verbindungspunkt der Diode 41 mit der Anschlußklemme 39 einerseits und der Anschlußklemme 34 andererseits ist ein Glättungskondensator 42 geschaltet; ein weiterer Glättungskondensator 43 zwischen der Anschlußklemme 34 und Erde 37 liegt in Reihe zu dem Kondensator 42.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ist wie folgt:

Zunächst seien die beiden Transistoren 30 und 31 ge­ schlossen. Sowie die Transistoren 31 und 30 in leitenden Zustand übergehen, wird über die Drossel 36, die Diode 35 und die Sekundärwicklung eine Spannung an die Last bzw. an den Verbraucher abgegeben, wobei in diesem Au­ genblick der Durchflußwandlerbetrieb gegeben ist. Wenn die beiden Transistoren 30 und 31 in Ausschaltstellung, also in Sperrzustand, gehen, dann entlädt sich die im Transformator 10 gespeicherte elektromagnetische Energie über den Leitungszug 40 hin zur Anschlußklemme 39, so daß die dort abgenommene Spannung der sog. Rückflußspan­ nung U _Fly entspricht; in diesem Fall wird das Netzgerät im Sperrwandlerbetrieb betrieben. Es ist dies der Fall Fig. 4a.

Es besteht jetzt die Möglichkeit, eine Regelung der Spannung an der Anschlußklemme 39 dadurch zu erzielen, daß im Sperrwandlerbetrieb entweder der Transistor 31 oder der Transistor 30 in leitenden Zustand gebracht wird. In diesem Falle wird sich die im Magnetkern ge­ speicherte Energie über die Freilaufdiode 33 entladen, wenn der Transistor 31 in leitendem Zustand ist bzw. sich über die Diode 32 entladen, wenn der Transistor 30 in leitenden Zustand gebracht wird. Die Fig. 4d zeigt diese Ausführung: Nach Ausschalten der beiden Transisto­ ren 30 und 31 wird der Transistor 31 zum Zeitpunkt t _x eingeschaltet und auf diese Weise entlädt sich die elek­ tromagnetische Energie zur Masse hin und demgemäß wird die Zeit t _Fly verkürzt und die Spannung U ₂ vergrößert.

Man kann die Ansteuerzeiten der Transistoren 23 bzw. 31 über eine geeignete, von der Spannung U ₂ abhängige Schaltung auf konstanten Wert einregeln; diese Regelung ist an sich bekannt und als solche für die Erfindung nur von geringer Bedeutung.

Claims (5)

1. Stromversorgungsgerät mit mindestens einem Aus­ gang, mit einem Transformator, auf dessen Primärwicklung eine mittels eines steuerbaren Schalters, vorzugsweise eines Transistors, getaktete Spannung aufgebbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß an der Sekundärwicklung zwei Ausgänge angeschlossen sind, wobei für die Spannung am ersten Ausgang der Transformator als Sperrwandler und für die Spannung am zweiten Ausgang der Transformator als Flußwandler betrieben wird, und daß zur Steuerung der Sperrwandler-Ausgangsspannung die Entladezeit des Transformators veränderbar ist.

2. Stromversorungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Ausgang für den Sperr­ wandlerbetrieb Mittel zur Erzielung eines Kurzschlusses geschaltet sind.

3. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrmagnetwandlerausgang (17) auf eine Aufzapfung (24) der Sekundärwicklung (15) ge­ schaltet ist und daß der Wicklungsbereich zwischen der Anzapfung und dem Wicklungsende mittels des steuerbaren Schalters (23) überbrückbar und zur Masse ableitbar ist.

4. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Primärwicklung an deren beiden Enden je ein steuerbarer Schalter (Transi­ stor 30, 31) vorgesehen sind, von denen einer im Sperr­ wandlerbetrieb während der Schließzeit des anderen in leitenden Zustand versetzbar ist.

5. Stromversorgungsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu je einer Reihenschaltung der Primärwicklung (11) mit einem der Transistoren (30, 31) jeweils eine Freilaufdiode (32, 33) geschaltet ist.