DE3925625A1 - Getaktete konstantleistungsquelle mit hohem wirkungsgrad und grossem eingangsspannungsbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eins getaktete Konstant­ leistungsquelle mit hohem Wirkungsgrad und großem Eingangsspannungsbereich, insbesondere für Zeitrelais nach dem Oberbegriff des Haupt­ anspruchs.

Für Zeitrelais sind insbesondere bei kleiner Bauweise derselben Schaltnetzgeräte bzw. Spannungsversorgungen notwendig, die eine geringe Verlustleistung aufweisen und über einen großen Eingangsspannungsbereich eine konstante Ausgangsleistung zur Verfügung stellen. Im Stand der Technik sind Sekundär-Schaltregler bekannt, die eine konstante Ausgangsspannung zur Verfügung stellen. Dabei wird ein Transistor von einer Steuereinheit, die jeweils die Ausgangs­ spannung mit einer Referenzspannung vergleicht, abwechselnd voll durchgesteuert und gesperrt. Der Transistor ist mit einer Speicherdrossel verbunden, wobei zwischen Transistor und Spule eine Diode nach Masse geschaltet ist, die das Auftreten einer hohen Induktionsspannung beim Sperren des Transistors verhindert, da durch sie der Spulenstrom in der ursprünglichen Richtung weiter fließen kann. Während des Sperrens des Transistors trägt daher nicht nur ein parallel zum Ausgang geschalteter Kondensator sondern auch die Spule zum Ausgangs­ strom bei. Der Transistor wird mit einer konstanten Frequenz angesteuert und abhängig von der Aus­ gangsspannung wird das Tastverhältnis der Ansteuerspannung verändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung eines derart bekannten Schaltreglers eine Konstantleistungsquelle zu schaffen, die mit geringen Verlustleistungen behaftet ist und über einen großen Eingangsspannungsbereich eine konstante Leistung am Ausgang zur Verfügung stellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, daß die den Schaltregler ansteuernde Steuereinheit zwei Komparatoren mit jeweils einem ersten und einem zweiten vorgegebenen Schwellenwert und einen mit den Ausgängen der Komparatoren verbundenen bistabilen Schalter aufweist und daß ein Kondensator mit den Kompara­ toren verbunden ist, der sich über einen ersten an der Eingangsspannung liegenden Widerstand auflädt und über einen zweiten Widerstand entlädt, wobei abhängig von den zwei Schwellen­ werten und dem Kondensator der zweite Wider­ stand derart gewählt wird, daß sich während der Entladezeit des Kondensators über den zweiten Widerstand ein lückender Betrieb ergibt, kann eine relativ konstante Ausgangsleistung zur Verfügung gestellt werden, wobei durch die Tatsache, daß nur ein Schaltelement mit hohen Spannungen, der jeweils satt durchge­ schaltet ist oder sperrt und die Steuerschaltung sehr wenig Strom verbraucht, die Verlust­ leistung gering gehalten werden kann.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß als Bestandteil der Steuereinheit ein Verlustleistung sparendes Timer-IC in der C-MOS Technik verwendet wird, wodurch die Konstantleistungsquelle einen einfachen Aufbau bekommt und relativ kostengünstig herzustellen ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schaltungsgemäße Ausge­ staltung der Konstantleistungs­ quelle gemäß der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 2 eine Schaltung, die anstelle der integrierten Schaltung nach Fig. 1 verwendet werden kann.

In Fig. 1 ist mit 10, 11 der Eingang der Konstantleistungsquelle bezeichnet, an dem eine Eingangsspannung anliegt, die in einem großen Spannungsbereich schwanken kann.

Der Eingang 10 ist über ein Widerstand R1, eine Diode D1 und eine Zenerdiode D2 mit dem Eingang 11 verbunden. Parallel zur Zenerdiode D2 liegt ein Kondensator C1. An dem Verbindungs­ punkt zwischen der Diode D1 und der Zenerdiode D2, die mit ihren Kathoden miteinander verbunden sind, liegen zur Zuführung der Versorgungs­ spannung VCC einer als Timer ausgebildeten integrierten Schaltung 12 deren Pin 8 und Eingang 4 und Pin 1 ist mit Ground (Masse) ver­ bunden.

Die integrierte Schaltung 12 umfaßt den in Fig. 2 dargestellten Schaltkreis und besteht im wesentlichen aus zwei Komparatoren 13, 14, deren Ausgänge mit einem Flipflop 15 verbunden sind. An dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 13 und dem invertierenden Eingang des Komparators 14 sind über Widerstände 16, 17, 18 von der Versorgungsspannung, die an Pin 8 liegt, Schwellenwerte abgeleitet, wobei der obere Schwellenwert zwei Drittel VCC und der untere Schwellenwert ein Drittel VCC betragen. Die anderen beiden Ausgänge der Komparatoren 13, 14 sind über Pin 6 und 2 nach außen geführt. Der Ausgang des Flipflops 15 liegt an Pin 3. Weiterhin ist an Pin 7 der Open-Collektor eines Transistors geschaltet, dessen Basis mit dem Flipflop 15 verbunden ist und dessen Emitter auf Masse liegt. Über Pin 5 können die Schwellen­ werte der Komparatoren 13, 14 beeinflußt werden.

Gemäß Fig. 1 ist der Eingang 10 weiterhin mit einem Widerstand R2 verbunden, der in Reihe mit einem Widerstand R7 verbunden ist, dem die Reihenschaltung aus Diode 3, Kondensator C2 und Widerstand R3 parallel liegt. Der Widerstand R7 bestimmt bei kleinen Eingangsspannungen das Einsetzen des Taktes. Parallel zur Diode D3 ist ein weiterer Widerstand R6 angeordnet.

Der Collektor (Pin 7) des Transistors 19 liegt an dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R2, der Diode D3 und dem Widerstand R6, während die Eingänge 6, 2 der Komparatoren 13, 14 mit der Kathode der Diode D3, dem Kondensator C2 und dem Widerstand R6 verbunden sind.

Ein an sich bekannter Schaltregler besteht aus einem Kondensator C3, der parallel zum Ausgang 20, 21 liegt, einer in der Masseleitung, d. h. dem Ausgang 21 verbundenen Speicherdrossel L und einer mit der Drossel L und dem Ausgang 20 verbundenen Diode D4. Die Anode der Diode D4 und die Speicherdrossel L sind mit dem Drain­ anschluß eines MOS-Transistors T1 angeschlossen, dessen Gate mit dem Ausgang 3 des Flipflops ver­ bunden ist und dessen Sourceanschluß an einen Basiswiderstand R5 und einem Emitterwiderstand R4 eines Transistors T2 angeschlossen ist, dessen Collektor mit dem Pin 5 verbunden ist. Der Eingangs­ anschluß 10 ist mit dem Kondensator C3, der Diode D4 und dem Ausgangsanschluß 20 verbunden.

Die Funktionsweise der Schaltung ist folgende:

Am Eingang 10, 11 kann eine übliche glatte Gleichspannung in einem Bereich von 15 bis 265 V­ oder eine aus einer Wechselspannung 50-60 Hz erzeugte ungesiebte Gleichspannung mit einem Scheitelwert von 375 Vss oder mehr liegen, wobei bei jeder Spannung des Spannungsbereichs bei etwa konstanter Last eine konstante Ausgangs­ leistung vorhanden sein soll und die Schaltung selbst wenig Strom verbrauchen soll. Das Timer IC 12 wird über den Widerstand R1 mit Spannung versorgt, die in der Größenordnung von 10 V liegt, wobei diese Versorgungsspannung über die Zener­ diode D2 stabilisiert wird. Der Widerstand R1 ist so dimensioniert, daß die Schaltung auch bei der Eingangsspannung von 15 V funktioniert, wobei aufgrund des geringen Stromverbrauchs des Timers IC 12 die Verlustleistung auch bei hohen Eingangsspannungen noch gering ist.

Da die Eingangsspannungen mit einem hohen Brumm­ anteil behaftet sein kann, wird sie für die Vcc des Timers IC 12 durch den Siebkondensator C1 gesiebt und damit sich C1 bei Spannungsein­ brüchen nicht über den Widerstand R1 zurück­ entlädt, ist die Diode D1 vorgesehen.

Die Spannung, die am Eingang 10, 11 ansteht, wird über den Widerstand R2 gefühlt und über diesen Widerstand und die Diode D3 wird der Kondensator C2 aufgeladen. Während des Aufladens ist der Q-Ausgang 3 des Timers IC 12 bzw. Flipflops 15 high und der MOS-Transistorschalter T1 ist leitend, wodurch der Strom in der Speicherdrossel L parallel zur Ladespannung des Kondensators C2 ansteigt. Dabei hat die am Ausgang 20, 21 anliegende Last Spannung.

Wenn die Spannung am Kondensator C2 bzw. der Reihenschaltung aus dem Kondensator C2 und dem Widerstand R3, die aus der Spannung des Spannungsteilers der Widerstände R2 und R7 minus der Durchlaßspannung der Diode D3 besteht, den am Eingang 6 des Timers IC 12 bzw. des Komparators 13 liegenden oberen Schwellenwert von zwei Drittel der Versorgungsspannung zeit­ verzögert erreicht, geht der Q-Ausgang 3 auf low und der MOS-Transistorschalter T1 wird abgeschaltet.

Die Zeit, die notwendig ist, damit der Kondensator C2 sich bis zum oberen Schwellenwert auflädt, ist abhängig von der Eingangsspannung, d. h. bei größer werdender Eingangsspannung steigt die Steilheit der Ladespannung des Kondensators C2, d.h. die Zeit zum Erreichen des oberen Schwellenwertes wird kürzer. Dementsprechend liegt auch an der Speicherdrossel L eine höhere Spannung, da sie über den Kondensator C2 mit der Eingangsspannung verbunden ist. Somit lädt auch die Drossel sich steiler auf.

Gleichzeitig mit dem Schalten des Q-Ausgangs 3 von high auf low wird der Open-Collektor­ ausgang 7 des Timers IC 12 bzw. des Transistors 19 leitend und schaltet auf Masse 1 durch, so daß der Kondensator C2 sich über den Widerstand R6 entladen kann.

Bei Sperren des MOS-Transistorschalters T1 entlädt sich die Speicherdrossel L in gleicher Richtung über die Diode D4 und die Last, wobei die Entladezeit abhängig von der ohmschen Last ist. Die Entladezeit des Kondensators C2 zwischen den zwei vorgegebenen Schwellenwerten ist unter Berücksichtigung des Widerstandes R6 so be­ messen, daß sich an der Drossel ein lückender Betrieb ergibt, d.h. die Entladezeit der Speicherdrossel L ist kleiner als die des Kondensators C2 und es ergibt sich eine Strom­ lücke, bevor die Speicherdrossel L sich wieder auflädt. Aufgrund der jeweiligen Änderung des Stroms bzw. der Spannung an der Last ergibt sich auch bei unterschiedlichen Eingangs­ spannungen eine konstante Ausgangsleistung.

Mit dem RC-Glied R2, C2 wird der Strom durch die Speicherdrossel L definiert, d. h. der Spitzen­ strom wird derart begrenzt, daß die Speicher­ drossel L nicht in die Sättigung geht. Bei vorgegebenen Werten des Widerstandes R2 und des Kondensators C2 wird die gewünschte Ausgangsleistung unter Festlegung des lückenden Betriebes bestimmt.

Da die Speicherdrossel L parasitäre Kapazitäten und Streuinduktivitäten und das Ferritmaterial eine gewisse magnetische Trägheit aufweist, macht bei hohen Eingangsspannungen und daraus folgender hohen Einschaltfrequenz bei Beginn der Aufladung der Strom einen Sprung, d. h. der gewollte Stromanstieg fängt nicht bei Null an.

Dies hat die Folge, daß die Ausgangsleistung verfälscht erhöht wird. Dieser Fehler wird durch den mit dem Kondensator C2 in Reihe liegenden Widerstand R3 kompensiert, an dem ein Spannungsabfall auftritt, wobei der Widerstand R3 so dimensioniert ist, daß dieser Spannungs­ abfall nur bei hohen Eingangsspannungen merkbar in die Zeit verkürzend eingeht. Auch die Drossel wird dadurch dahingehend zusätzlich geschützt, daß sie bei Störspannungen nicht in die Sättigung geht.

In gleicher Weise dient die durch die Widerstände R4, R5 und den Transistor T2 gebildete Schaltung als Schutzschaltung für den MOS-Transistorschalter T1 und die Drossel L gegen Hochstromspitzen, die insbesondere bei hohen Eingangsspannungen beim ersten Einschalten auftreten, weil der Siebkondensator C1 den Funktionseinsatz der Steuerschaltung etwas verzögert. Der Transistor T2 ist normalerweise gesperrt, da der Widerstand R4 so dimensioniert ist, daß der Spannungsabfall nicht groß genug ist, um den Transistor T2 über die Basis zu schalten. Bei hohem Strom durch den Widerstand R4 schaltet über den Widerstand R5 der Transistor T2 leitend und über den Eingang 5 wird der obere Schwellenwert auf einen Wert gezogen, wodurch der Q-Ausgang 3 auf low geht und der MOS-Transistorschalter T1 ausschaltet.

Claims (8)

1. Getaktete Konstantleistungsquelle mit hohem Wirkungsgrad und großem Eingangsspannungs­ bereich, insbesondere für Zeitrelais, gekennzeichnet durch einen Schaltregler, der einen elektronischen Schalter (T1), ein nachgeschaltetes LC-Siebglied mit Speicherdrossel (L) und eine den elektronischen Schalter steuernden Steuereinheit (12) aufweist, wobei die Steuereinheit (12) zwei Komparatoren (13, 14) mit jeweils einem unteren und einem oberen vorgegebenen Schwellenwert und einem mit den Ausgängen der Komparatoren (13, 14) verbundenen bistabilen Schalter (15) aufweist und daß ein Kondensator (C2) mit den Komparatoren (13,14) verbunden ist, der sich über einen ersten, an der Eingangs­ spannung liegenden Widerstand (R2) bis zum oberen Schwellenwert auflädt und über einen zweiten Widerstand (R6) bis zum unteren Schwellenwert entlädt, wobei abhängig von den zwei Schwellenwerten und dem Konden­ sator (C2) der zweite Widerstand (R6) derart gewählt wird, daß sich während der Entlade­ zeit des Kondensators über den zweiten Widerstand (R6) ein lückender Betrieb der Speicherdrossel (L) ergibt.

2. Konstantleistungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit einen Timer (12) in C-MOS Technik aufweist.

3. Konstantleistungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter als N-Kanal MOS- Transistor (T1) ausgebildet ist.

4. Konstantleistungsquelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kondensator (C2) ein weiterer Widerstand (R3) in Reihe liegt, der das Bezugspotential des Kondensators (C2) und damit die Zeit bis zum Erreichen des oberen Schwellenwertes abhängig von der Höhe der Eingangsspannung beeinflußt.

5. Konstantleistungsquelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transistor (T2) als Schutzeinrichtung vorgesehen ist, der mit den Komparatoren (13, 14) verbunden ist und bei Stromspitzen durch Störungen oder zu hohen Strömen beim Einschalten des Gerätes die Schwellenwerte absenkt.

6. Konstantleistungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (T1) das einzige Schaltelement der Konstantleistungs­ quelle für die hohe Eingangsspannung aus­ gelegt ist.

7. Konstantleistungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Widerstand (R7) vorgesehen ist, der mit dem Widerstand (R2) einen Spannungsteiler bildet, der bei kleinen Eingangsspannungen das Einsetzen des Taktes bestimmt.

8. Konstantleistungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Widerstand (R3) mit dem Kondensator (C2) in Reihe liegt, der so dimensioniert ist, daß sein Spannungsabfall nur bei hohen Eingangs­ spannungen merkbar in die Zeit eingeht, die der Kondensator (C2) zum Aufladen bis zum oberen Schwellenwert benötigt.