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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil.
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Schaltnetzteile
weisen üblicherweise
einen Übertrager
mit einer Primärspule
und einer Sekundärspule
auf, wobei ein Schaltelement, beispielsweise ein Halbleiterleistungsschalter,
in Reihe zu der Primärspule
geschaltet ist, um nach Maßgabe
eines Ansteuersignals eine Gleichspannung getaktet an die Primärspule anzulegen.
Bei geschlossenem Schaltelement nimmt die Primärspule dabei Energie auf, welche
bei anschließend
geöffnetem
Schaltelement an die Sekundärspule
abgegeben wird. Die Sekundärspule
ist dabei Teil eines Sekundärstromkreises,
welcher Ausgangsklemmen zum Anschließen eines Verbrauchers aufweist,
der mit einer an den Ausgangsklemmen anliegenden Ausgangsspannung
versorgt wird. Ziel ist es dabei, die Ausgangsspannung bei wechselnden
Lasten und für
wechselnde an der Primärspule
anliegende Gleichspannungen weitgehend konstant zu halten. Dazu
ist eine Regelstrecke vorgesehen, die einen Rückkopplungszweig und eine Ansteuerschaltung
zur Bereitstellung des Ansteuersignals für das Schaltelement umfasst. Über den
Rückkopplungszweig
wird der Ansteuerschaltung dabei ein von der Ausgangsspannung abhängiges Signal zugeführt, um
in der Ansteuerschaltung das Ansteuersignal abhängig von der Ausgangsspannung
derart zu erzeugen, dass die Ausgangsspannung wenigstens annäherungsweise
konstant ist.
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Probleme
ergeben sich dann, wenn der Rückkopplungszweig
unterbrochen ist. Das an der Ansteuerschaltung über den Rückkopplungszweig anliegende
Signal entspricht dann üblicherweise
einem Signal, das bei nicht unterbrochenem Rückkopplungszweig dann anliegt,
wenn die Ausgangsspannung sehr klein oder Null ist. In diesem Fall
werden die Ansteuersignale derart erzeugt, dass ein Maximum an Energie
an die Sekundärseite übertragen wird,
um die Ausgangsspannung auf einen gewünschten Sollwert zu bringen.
Da in der Ansteuerschaltung nicht zwischen einem unterbrochenen Rückkopplungszweig
und einer Ausgangsspannung 0 unterschieden werden kann, besteht
die Gefahr, dass Teile des Schaltnetzteiles zerstört werden, wenn
bei unterbrochenem Rückkopplungszweig
das Maximum an Energie an die Sekundärseite übertragen wird.
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In
der
JP 08251915 AA (Patent
Abstracts of Japan) ist ein Schaltnetzteil mit einer Überspannungsschutzschaltung
beschrieben. Diese Überspannungsschutzschaltung
ist dazu ausgebildet, nach Ablauf einer Verzögerungszeit, nachdem eine Ausgangsspannung
des Schaltnetzteils eine Überspannungsschwelle überschritten
hat, die Ansteuerung eines in Reihe zu einer Primärspule geschalteten
Schaltelements zu unterbinden.
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Die
JP 62144567 AA (Patent
Abstracts of Japan) beschreibt ein Schaltnetzteil mit einem Rückkopplungszweig
zur Rückkopplung
eines von der Ausgangsspannung abhängigen Rückkopplungssignals an eine
Ansteuerschaltung für
ein in Reihe zu einer Primärspule
eines Transformators geschalteten Schaltelements. Bei dem bekannten
Schaltnetzteil ist eine Schutzschaltung vorhanden, die bewirkt,
dass kein Ansteuersignal an das Schaltelement geliefert wird, wenn
das Rückkopplungssignal
den Wert eines Referenzsignals erreicht oder überschreitet.
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Die
JP 01148065 AA (Patent
Abstracts of Japan) beschreibt ein Schaltnetzteil mit einem in Reihe zu
einer Primärspule
eines Transformators geschalteten Schaltelement und einer Ansteuerschaltung
für das
Schaltelement. Die Ansteuerschaltung weist eine Signalerzeugungsschaltung
zum Erzeugen eines Ansteuersignals für das Schaltelement und eine Überstromschutzschaltung
auf. Zudem ist eine Schaltung vorgesehen, welche die Ansprechschwelle
dieser Überstromschutzschaltung
für eine
vorgegebene Zeitdauer nach einem Start des Schaltnetzteils anhebt,
um ein Ansprechen der Überstromschutzschaltung
während
einer Startphase zu verhindern.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Schaltnetzteil zur
Verfügung
zu stellen, bei dem bei Unterbrechung des Rückkopplungszweiges Schäden an dem
Schaltnetzteil vermieden werden.
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Dieses
Ziel wird durch ein Schaltnetzteil gemäss den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Danach
weist die Ansteuerschaltung eine Signalerzeugungsschaltung zum Erzeugen
des Ansteuersignals und eine Schutzschaltung auf, wobei die Schutzschaltung
bewirkt, dass kein Ansteuersignal an das Schaltelement geliefert
wird, wenn das Rückkopplungssignal
den Wert eines ersten Referenzsignals erreicht. Die Schutzschaltung
kann hierfür
beispielsweise die Signalerzeugungsschaltung ansteuern, um die Erzeugung
eines Ansteuersignals zu verhindern, oder die Schutzschaltung kann,
beispielsweise über
einen Schalter, die Verbindung zwischen der Signalerzeugungsschaltung
und dem Schaltelement unterbrechen, wenn keine Ansteuerung des Schaltelements
erfolgen soll.
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Üblicherweise
zeichnet sich ein unterbrochener Rückkopplungszweig durch ein
hohes Signal an einem Eingang der Ansteuerschaltung aus, an welchen
der Rückkopplungszweig
angeschlossen ist. In diesem Fall wird die Ansteuerung des Schaltelements
durch die Schutzschaltung unterbunden, wenn das Rückkopplungssignal
den Wert des ersten Referenzsignals übersteigt. Für den Fall,
in dem sich ein unterbrochener Rückkopplungszweig
durch ein niedriges Signal an dem Eingang der Ansteuerschaltung auszeichnet,
wird die Ansteuerung des Schaltelements unterbrochen, wenn das Rückkopplungssignal den
Wert des ersten Referenzsignals unterschreitet.
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Bei
Einschalten des Schaltnetzteils, bzw. zu Beginn der Erzeugung des
Ansteuersignals, ist die Ausgangsspannung noch 0 und steigt dann
mit zunehmender Energieaufnahme an. Kurz nach dem Einschalten des
Schaltnetzteils nimmt das Rückkopplungssignal
dabei Werte an, die den Werten des Rückkopplungssignals bei unterbrochenem
Rückkopplungszweig
entsprechen. Um zu verhindern, dass die Ansteuerung des Schaltelements
kurz nach dem Einschalten des Schaltnetzteils wieder unterbrochen
wird, ist die Schutzschaltung derart ausgebildet, dass sie erst
nach Ablauf einer ersten Zeitdauer nach einem Start der Ansteuerschaltung
die Ansteuerung des Schaltelements unterbindet, wenn das Rückkopplungssignal
den Wert eines ersten Referenzsignals erreicht.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Schaltnetzteil wird
durch Unterbrechung der Ansteuerung des Schaltelements verhindert,
dass weiter Energie an die Sekundärseite übertragen wird, wenn nach Ablauf
einer Startphase der Wert des Rückkopplungssignals
auf eine Unterbrechung des Rückkopplungszweigs
hindeutet. Eine Zerstörung
oder Schädigung des
Schaltnetzteils wird dadurch verhindert.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schaltnetzteil eine erste
an die Primärspule
gekoppelte Spannungsversorgungsschaltung zum Bereitstellen einer
Versorgungsspannung für
die Ansteuerschaltung aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass die Schutzschaltung
bewirkt, dass kein Ansteuersignal an das Schaltelement geliefert
wird, wenn während
einer zweiten Zeitdauer nach dem Start des Schaltnetzteils, bzw.
der Ansteuerschaltung, die Versorgungsspannung den Wert eines zweiten
Referenzsignals erreicht und wenn dabei das Rückkopplungssignal den Wert
des ersten Referenzsignals erreicht hat.
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Hierdurch
ist gewährleistet,
dass die Ansteuerung des Schaltelements, und damit die Energieübertragung
an die Sekundärseite,
unterbrochen wird, wenn der Rückkopplungszweig
unterbrochen ist und keine Last an den Sekundärkreis angeschlossen ist. Ist
nämlich
keine Last an den Sekundärstromkreis angeschlossen
und wird dennoch Energie an die Sekundärseite übertragen, weil nach dem Einschalten des
Schaltnetzteils während
der ersten Zeitdauer eine mögliche
Unterbrechung des Rückkopplungszweiges
nicht beachtet wird, steigt die Spannung an den Ausgangsklemmen
des Sekundärstromkreises schnell
an und könnte
zu Schäden
an dem Schaltnetzteil führen.
Durch die Kopplung der ersten Spannungsversorgungsschaltung an die
Primärspule
liefert die von der ersten Spannungsversorgungsschaltung gelieferte
Versorgungsspannung eine Information über die Ausgangsspannung des
ebenfalls an die Primärspule
gekoppelten Sekundärstromkreises. Steigt
die Versorgungsspannung nach dem Einschalten der Ansteuerschaltung
innerhalb der zweiten Zeitdauer sehr stark an und erreicht dabei
den Wert des zweiten Referenzsignals, so deutet dies auf eine nicht
vorhandene Sekundärlast
hin, wobei die Ansteuerung des Schaltelements dann durch die Schutzschaltung
unterbrochen wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist eine zweite Spannungsversorgungsschaltung in der
Ansteuerschaltung vorgesehen, welche die für den Betrieb der Ansteuerschaltung
erforderlichen internen Versorgungsspannungen aus der von der ersten
Spannungsversorgungsschaltung gelieferten Versorgungsspannung erzeugt.
Vorzugsweise schaltet die zweite Spannungsversorgungsschaltung die
Ansteuerschaltung ab, wenn die Versorgungsspannung den Wert einer
unteren Referenzspannung erreicht, und schaltet die Ansteuerschaltung
wieder ein, wenn die Versorgungsspannung anschließend wieder
den Wert einer oberen Referenzspannung erreicht. Das Abschalten
der Ansteu erschaltung durch die zweite Spannungsversorgungsschaltung
erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Bereitstellung der internen
Versorgungsspannungen unterbrochen wird.
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Die
Versorgungsspannung sinkt auf den Wert der unteren Referenzspannung
ab, wenn die Ansteuerung des Schaltelements unterbrochen ist und
von der Primärspule
keine Energie mehr an die erste Spannungsversorgungsschaltung abgegeben wird.
Da von der Ansteuerschaltung dann immer noch Strom von der ersten
Spannungsversorgungsschaltung aufgenommen wird, sinkt die Versorgungsspannung
ab. Nach dem Erreichen der unteren Referenzspannung und dem Abschalten
der Ansteuerschaltung baut die erste Spannungsversorgungsschaltung
wieder eine Versorgungsspannung auf, um nach Erreichen einer oberen
Referenzspannung die Ansteuerschaltung über die zweite Spannungsversorgungsschaltung
wieder einzuschalten. Die erste Spannungsversorgungsschaltung ist
vorzugsweise über
einen sehr großen
Widerstand an die Gleichspannung angeschlossen, welche auch der
Primärspule
zugeführt
ist. Über
diesen Widerstand kann eine Versorgungsspannung in der ersten Spannungsversorgungsschaltung
aufgebaut werden, auch wenn die Primärspule noch keine Energie aufgenommen
hat, welche an die erste Spannungsversorgungsschaltung abgegeben
werden könnte.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
in Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
Gesamtdarstellung eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils;
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2:
Detaildarstellung einer Ausführungsform
einer Ansteuerschaltung des erfindungsgemäßen Schaltnetzteiles;
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3:
Verlauf ausgewählter
Signale der Ansteuerschaltung bei unterbrochenem Rückkopplungszweig;
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4:
Verlauf ausgewählter
Signale der Ansteuerschaltung bei unterbrochenem Rückkopplungszweig
und nicht angeschlossener Sekundärlast.
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5:
Detaildarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Ansteuerschaltung
nach der Erfindung.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen,
gleiche Bauteile, gleiche Signale und gleiche Zeitintervalle mit
gleicher Bedeutung.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils. Eine
detaillierte Darstellung einer Ansteuerschaltung IC des Schaltnetzteils
ist in 2 gezeigt. Das dargestellte Schaltnetzteil weist
Eingangsklemmen EK1, EK2 auf, denen eine Eingangsspannung Vin zugeführt ist.
Als Eingangsspannung Vin dient üblicherweise
eine Wechselspannung im Bereich zwischen 85V und 270V. Den Eingangsklemmen
EK1, EK2 nachgeschaltet ist ein Brückengleichrichter BG bestehend
aus vier Dioden, wobei dem Brückengleichrichter
BG eine Kapazität
Cg nachgeschaltet ist. Der Brückengleichrichter
BG und die Kapazität
Cg erzeugen aus der wechselförmigen
Eingangsspannung Vn eine gleichgerichtete Spannung Vg, die über der
Kapazität
Cg anliegt.
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Das
Schaltnetzteil weist weiterhin einen Übertrager mit einer Primärspule L1
und einer Sekundärspule
L2, wobei eine Reihenschaltung der Primärspule L1 und eines Schaltelements
TS, beispielsweise eines Halbleiter-Leistungsschalters, parallel
zu der Kapazität
Cg geschaltet ist. Das Schaltelement TS dient zum getakteten Anlegen
der Gleichspannung Vg an die Primärspule L1 nach Maßgabe eines von
einer Ansteuerschaltung IC bereitgestellten Ansteuersignals AI.
Bei geschlossenem Schalter TS liegt die Gleichspannung Vg an der
Primärspule
L1 an, wodurch die Primärspule
L1 Energie aufnimmt. Wird der Schalter TS anschließend geöffnet wird
die in der Primärspule
L1 gespeicherte Energie an die Sekundärspule L2 abgegeben.
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Die
Sekundärspule
L2 ist Teil eines Sekundärstromkreises,
der eine Diode D2 zur Gleichrichtung und ein der Diode D2 nachgeschaltetes
Filter mit Kapazitäten
C2, Cout und einer Induktivität
L4 aufweist. Der Sekundärstromkreis
weist Ausgangsklemmen AK1, AK2 auf, an denen eine Ausgangsspannung
Vout parallel zu der Kapazität
Cout anliegt. An die Ausgangsklemmen AK1, AK2 ist eine Last R anschließbar, die
in dem Ausführungsbeispiel
gestrichelt als ohmscher Widerstand dargestellt ist.
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Aufgabe
des Schaltnetzteils ist es, die Ausgangsspannung Vout sowohl für unterschiedliche Eingangsspannungen
Vin, und damit unterschiedliche gleichgerichtete Spannungen Vg,
und für
wechselnde Lasten R weitgehend konstant zu halten. Der Ansteuerschaltung
IC ist daher zur Erzeugung des Ansteuersignals AI an einer ersten
Eingangsklemme Pin1 ein von der Ausgangsspannung Vout abhängiges Rückkopplungssignal
Urk zugeführt.
Die Erzeugung des Ansteuersignals AI in der Ansteuerschaltung erfolgt
durch eine Signalerzeugungsschaltung PWM, die beispielsweise ein "Current Mode" arbeitender Pulsweitenmodulator
ist. Das Ansteuersignal AI besteht üblicherweise aus einer Folge
von Ansteuerimpulsen, wobei die Frequenz und/oder die Zeitdauer
der einzelnen Impulse variieren kann. Der Signalerzeugungsschaltung
PWM ist neben dem Rückkopplungssignal
Urk ein von dem Strom durch die Primärspule L1 abhängiges Stromsignal
Us zugeführt,
welches an einem in Reihe zu dem Schaltelement Ts geschalteten Stromfühlwiderstand
Rsense anliegt.
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Sinkt
die Ausgangsspannung Vout unter einen vorgegebenen Sollwert so wird
das Schaltelement TS über
das Ansteuersignal AI der Signalerzeugungsschaltung PWM derart angesteuert,
dass das Schaltelement TS nach dem Schließen jeweils länger geschlossen
bleibt, um die Energieaufnahme der Primärspule L1 und die anschließende Energieabgabe an
den Sekundärstromkreis
zu erhöhen.
Steigt die Ausgangsspannung Vout über den vorge gebenen Sollwert
so bleibt das Schaltelement nach dem Einschalten jeweils für kürzere Zeitdauern
geschlossen, damit die Primärspule
L1 nur wenig Energie aufnimmt. Die Ansteuerimpulse des Ansteuersignals
AI werden durch die Signalerzeugungsschaltung PWM vorzugsweise in
festen periodischen Zeitabständen erzeugt,
wobei die Dauer der Ansteuerimpulse zur Regelung der Ausgangsspannung
Vout variiert.
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Zur
Bereitstellung des Rückkopplungssignals
Urk an der Eingangsklemme Pin1 der Ansteuerschaltung IC weist das
Schaltnetzteil einen Rückkopplungszweig
auf, der zum einen an eine Ausgangsklemme AK1 des Sekundärstromkreises
und zum anderen an die Eingangsklemme Pin1. der Ansteuerschaltung
IC angeschlossen ist. Zur Erfassung der Ausgangsspannung Vout ist
an die Ausgangsklemme AK1 eine Reihenschaltung eines Widerstands,
einer Leuchtdiode und einer weiteren Diode D3 geschaltet, wobei
die Leuchtdiode Bestandteil eines Optokopplers OK ist, der das an
der Ausgangsklemme AK1 anliegende Signal an den Eingang Pin1 der
Ansteuerschaltung IC überträgt. Durch
den Optokoppler OK kommt es zu einer Invertierung des an der Ausgangsklemme
AK1 anliegenden Signals, d. h. eine sehr kleine Ausgangsspannung
Vout bewirkt ein sehr großes
Rückkopplungssignal
Urk und eine sehr große
Ausgangsspannung Vout bewirkt ein sehr kleines Rückkopplungssignal Urk.
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Ist
der Rückkopplungszweig,
insbesondere die Verbindung des Optokopplers OK unterbrochen, liegt
an dem Eingang Pin1 der Ansteuerschaltung IC ein sehr großes Signal
Urk an, welches bei nicht unterbrochenem Rückkopplungszweig nur dann anliegen
würde,
wenn das Ausgangssignal Vout sehr klein ist. Um zu verhindern, dass
die Signalerzeugungsschaltung PWM, die nicht zwischen einem unterbrochenen
Rückkopplungszweig
und einem sehr kleinen Ausgangssignal Vout unterscheiden kann, das Schaltelement
TS derart ansteuert, dass es nach dem Schließen jeweils lange geschlossen
bleibt und somit ein Maximum an Energie auf die Sekundärseite übertragen
wird, ist in der Ansteuerschaltung IC eine Schutzschaltung PUS vorgesehen,
der das Rückkopplungssignal
Urk zugeführt
ist. Die Schutzschaltung PUS ist derart ausgebildet, dass sie eine
Ansteuerung des Schaltelements TS verhindert, wenn das Rückkopplungssignal
Urk den Wert eines ersten Referenzsignals U1 übersteigt, sofern weitere im
folgenden näher
erläuterte
Nebenbedingungen erfüllt sind.
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Das
Schaltnetzteil weist weiterhin eine erste Spannungsversorgungsschaltung
PMS1 auf, die über
eine dritte Spule L3 an die Primärspule
L1 gekoppelt ist. Parallel zu der dritten Spule L3 ist ein Gleichrichter
mit einer Diode D1 und einer Kapazität CVCC geschaltet,
wobei über
der Kapazität
CVCC eine Versorgungsspannung VCC anliegt,
welche der Ansteuerschaltung IC zugeführt ist. Die erste Spannungsversorgungsschaltung
PMS1 ist weiterhin über einen
Widerstand Rstart an eine Klemme K1 angeschlossen, an der die gleichgerichtete
Spannung Vg anliegt. Solange keine ausreichende Versorgungsspannung
VCC für
die Ansteuerschaltung IC zur Verfügung steht, kann das Schaltelement
nicht angesteuert werden. In diesem Fall fließt ein Strom über den
sehr großen
Widerstand Rstart auf die Kapazität CVCC bis
die Versorgungsspannung VCC einen ausreichend großen Wert
angenommen hat, um die Ansteuerschaltung IC und damit das Schaltelement
TS anzusteuern. Danach wird die Kapazität CVCC im
wesentlichen mit dem Strom gespeist, welchen die dritte Spule L3
von der Primärspule
L1 aufnimmt.
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In
der Ansteuerschaltung IC ist eine zweite Spannungsversorgungsschaltung
PMS2 vorgesehen, welche aus der Versorgungsspannung VCC interne
Spannungen Uref, U1, U2, U3, U4 erzeugt, die für den Betrieb der Ansteuerschaltung
IC erforderlich sind.
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Der
Aufbau und die Funktionsweise einer ersten Ausführungsform der Ansteuerschaltung
IC nach der Erfindung ist in 2 dargestellt.
Die dargestellte Schutzschaltung PUS ist in dem Ausführungsbeispiel
an die Signalerzeugungsschaltung PWM angeschlossen, um die Signalerzeugungsschaltung PWM
zur Er zeugung eines Ansteuersignals AI freizugeben oder zu sperren.
Die Schutzschaltung PUS weist hierfür ein RS-Flip-Flop auf, dessen
einer Ausgang an die Signalerzeugungsschaltung PWM angeschlossen
ist, wobei die Schutzschaltung PUS die Signalerzeugungsschaltung
PWM freigibt, wenn das RS-Flip-Flop zurückgesetzt ist und wobei die
Schutzschaltung PUS die Signalerzeugungsschaltung PWM sperrt, wenn
das Flip-Flop gesetzt ist.
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Die
dargestellte Schutzschaltung PUS erfüllt zwei Funktionen. Zum einen
sperrt sie die Signalerzeugungsschaltung PWM, wenn das Rückkopplungssignal
Urk nach Ablauf einer ersten Zeitdauer T1 nach einem Start der Ansteuerschaltung
IC den Wert eines ersten Referenzsignals U1 übersteigt. Zum anderen sperrt
die Schutzschaltung PUS die Signalerzeugungsschaltung PWM auch dann,
wenn innerhalb einer zweiten Zeitdauer T2 nach dem Start der Ansteuerschaltung
die Versorgungsspannung VCC den Wert eines zweiten Referenzsignals
U2 übersteigt
und außerdem
das Rückkopplungssignal URK
größer als
das erste Referenzsignal U1 ist.
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Die
Schutzschaltung PUS weist einen ersten Vergleicher K1 auf, dessen
einem Eingang das Rückkopplungssignal
Urk und dessen anderem Eingang das erste Referenzsignal U1 zugeführt ist,
wobei am Ausgang des ersten Vergleichers K1 ein High-Pegel anliegt, wenn
das Rückkopplungssignal
Urk den Wert des ersten Referenzsignals U1 übersteigt. Einem dritten Vergleicher
K3 der Schutzschaltung PUS ist an einem Eingang ein Startphasensignal
Uc1 und an einem anderen Eingang ein drittes Referenzsignal U3 zugeführt, wobei
an einem Ausgang des dritten Vergleichers K3 ein High-Pegel anliegt,
wenn das Startphasensignal Uc1 den Wert des dritten Referenzsignals
U3 übersteigt.
Das Startphasensignal Uc1 wird durch eine Reihenschaltung eines
Widerstands R1 und einer Kapazität
C1 generiert, wobei über
diese Reihenschaltung eine von der zweiten Spannungsversorgungsschaltung
PMS2 bereitgestellte Referenzspannung Uref anliegt. Parallel zu der
Kapazität
C1 ist ein Bipolartransistor T1 geschaltet, der durch die zweite
Span nungsversorgungsschaltung PMS2 ansteuerbar ist. Befindet sich
die Ansteuerschaltung IC in abgeschaltetem Zustand, d. h. werden
durch die zweite Spannungsversorgungsschaltung PMS2 keine internen
Versorgungsspannungen bereitgestellt, so ist die Kapazität C1 zunächst entladen.
Wird die Ansteuerschaltung IC dann gestartet, indem die zweite Spannungsversorgungsschaltung
PMS2 interne Versorgungsspannungen zur Verfügung stellt, so wird bei geöffnetem
Transistor T1 die Kapazität
C1 aufgeladen und das Startphasensignal Uc1 beginnt anzusteigen.
Die Ausgänge des
ersten und dritten Vergleichers K1, K3 sind einem ersten UND-Glied
G1 zugeführt,
dessen Ausgang über
ein ODER-Glied G3 dem SET-Eingang des RS-Flip-Flop zugeführt ist.
Das RS-Flip-Flop wird durch das Startphasensignal Uc1 und das Rückkopplungssignal
Urk nur dann gesetzt, wenn das Rückkopplungssignal
Urk größer als
das erste Referenzsignal U1 ist, nachdem das Startphasensignal Uc1
den Wert des dritten Referenzsignals U3 überstiegen hat. Nach dem Start
der Ansteuerschaltung IC wird das Rückkopplungssignal Urk damit
für eine
erste Zeitdauer T1 "ausgeblendet". Die erste Zeitdauer
T1 ist gegeben durch die Zeitdauer, bis zu der das Startphasensignal
Uc1 das dritte Referenzsignal U3 übersteigt.
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Nach
dem Start des Schaltnetzteil bzw. der Ansteuerschaltung IC muß erst Energie
von der Primärspule
L1 an die Sekundärseite
L2 des Schaltnetzteils nach 1 übertragen
werden, bis die Ausgangsspannung Vout ihren Sollwert erreicht. Zu
Beginn ist die Ausgangsspannung Vout noch sehr klein, woraus ein
großes
Rückkopplungssignal
Urk resultiert. Um nun zu verhindern, dass die Signalerzeugungsschaltung
PWM kurz nach dem Einschalten wegen eines zu großen Rückkopplungssignals Urk wieder
gesperrt wird, wird das Rückkopplungssignal Urk
in der erwähnten
Weise für
die erste Zeitdauer T1 nach dem Start der Ansteuerschaltung IC ausgeblendet. Übersteigt
das Rückkopplungssignal
Urk nach Ablauf dieser ersten Zeitdauer T1 nach dem Start immer
noch den Wert des ersten Referenzsignals, so deutet dies auf eine
Unterbrechung des Rückkopplungszweiges hin
und die Signalerzeugungsschaltung wird über den ersten und dritten
Vergleicher K1, K3, das UND-Glied G1, das ODER-Glied G3 und das RS-Flip-Flop gesperrt.
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Die
Schutzschaltung PUS weist einen zweiten Vergleicher K2 auf, dessen
einem Eingang die Versorgungsspannung VCC und dessen anderem Eingang
ein zweites Referenzsignal U2 zugeführt ist. Am Ausgang des zweiten
Vergleichers K2 liegt ein High-Pegel an, wenn der Wert der Versorgungsspannung
VCC den Wert des zweiten Referenzsignals U2 übersteigt. Einem vierten Vergleicher
K4 ist an einem Eingang das Startphasensignal Uc1 und einem anderen
Eingang ein viertes Referenzsignal U4 zugeführt, wobei an dem Ausgang des
vierten Vergleichers K4 solange ein High-Pegel anliegt, bis das Startphasensignal
Uc1 nach dem Start der Ansteuerschaltung IC den Wert des vierten
Referenzsignals U4 erreicht. Die Ausgänge des zweiten und vierten Vergleichers
K2, K4 sowie der Ausgang des ersten Vergleichers K1 sind einem zweiten
UND-Glied G2 zugeführt,
wobei der Ausgang des zweiten UND-Gliedes G2 über das ODER-Glied G3 dem SET-Eingang
des RS-Flip-Flop zugeführt
ist.
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Der
erste, zweite und vierte Vergleicher K1, K2, K4 und das zweite UND-Glied
G2 sperren die Signalerzeugungsschaltung PWM über das RS-Flip-Flop, wenn
die Versorgungsspannung VCC während
einer zweiten Zeitdauer T2 nach dem Start, d. h. bis zu dem Zeitpunkt,
zu dem das Startphasensignal Uc1 den Wert des vierten Referenzsignals
U4 erreicht, den Wert des zweiten Referenzsignals U2 übersteigt
und wenn gleichzeitig das Rückkopplungssignal
Urk größer als
der Wert des ersten Referenzsignals U1 ist. Die Tatsache, dass in
der Startphase das Rückkopplungssignal
Urk größer als
das erste Referenzsignal U1 ist und gleichzeitig die Versorgungsspannung
VCC größer als
der Wert des zweiten Referenzsignals U2 ist, deutet darauf hin,
dass der Rückkopplungszweig
unterbrochen ist und dass keine Last an die Ausgangsklemmen AK1,
AK2 angeschlossen ist. Da die erste Spannungsversorgungsschaltung
PMS1, die die Versorgungsspannung VCC zur Verfügung stellt wie auch der Se kundärstromkreis
an die Primärspule
L1 gekoppelt sind, deutet eine sehr große Versorgungsspannung VCC auf
einen sekundärseitigen
Leerlauf hin. Der erste, zweite und vierte Vergleicher K1, K2, K4
bewirken, dass in diesem Fehlerfall die Signalerzeugungsschaltung
PWM kurz nach dem Anschalten der Ansteuerschaltung IC wieder gesperrt
wird, um eine Zerstörung
des Schaltnetzteils zu verhindern.
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Die
zweite Spannungsversorgungsschaltung PMS2, der die Versorgungsspannung
VCC zugeführt ist,
weist eine Spannungsbewertungsschaltung UVL und daran angeschlossene
erste und zweite Schalteinheiten PDR, PUR auf. Die erste Schalteinheit
PDR ist an den parallel zu der Kapazität C1 geschalteten Transistor
T1 angeschlossen, wobei die erste Schalteinheit PDR den Transistor
T1 ansteuert, um die Kapazität
C1 zu entladen, wenn die Versorgungsspannung VCC auf den Wert einer
unteren Referenzspannung Uout abgefallen ist. Die zweite Schalteinheit PUR
ist an den RESET-Eingang des RS-Flip-Flop angeschlossen, wobei die
zweite Schalteinheit PUR das RS-Flip-Flop
zurücksetzt,
wenn die ansteigende Versorgungsspannung VCC den Wert einer oberen Referenzspannung
Uon erreicht.
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Die
Funktionsweise eines Schaltnetzteils gemäß 1 mit einer
Ansteuerschaltung nach 2 wird anhand ausgewählter Signalverläufe nachfolgend
anhand von 3 erläutert.
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In 3 sind
die Verläufe
des Rückkopplungssignals
Urk, des Startphasensignals Uc1, des Ansteuersignals AI und der
Versorgungsspannung VCC über
der Zeit t aufgetragen. Zu einem Zeitpunkt t0 funktioniert das Schaltnetzteil
fehlerfrei, d. h. es werden Ansteuerimpulse zur Ansteuerung des Schaltelements
TS erzeugt. Der Wert des Rückkopplungssignals
Urk liegt unter dem Wert des ersten Referenzsignals U1; der Rückkopplungszweig
ist nicht unterbrochen. Die Kapazität C1 ist zu diesem Zeitpunkt
vollständig
aufgeladen, der Wert des Startphasensignals Uc1 beträgt damit
in etwa dem Wert der Referenzspannung Uref, wobei die Referenzspannung
Uref über
dem Wert des dritten Referenzsignals U3 liegt, so dass am Ausgang
des dritten Komparators K3 ein High-Pegel anliegt. Der Wert der
Versorgungsspannung VCC liegt zwischen dem Wert der unteren Referenzspannung
Uout und dem Wert der oberen Referenzspannung Uon.
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Steigt
das Rückkopplungssignal
Urk bedingt durch eine Unterbrechung des Rückkopplungszweiges an so stellt
sich am Ausgang des ersten Komparators K1 ein High-Pegel ein, sobald
das Rückkopplungssignal
Urk zum Zeitpunkt t1 den Wert des ersten Referenzsignals U1 erreicht.
Das RS-Flip-Flop wird gesetzt und die Signalerzeugungsschaltung
PWM wird gesperrt, so dass keine weiteren Ansteuerimpulse AI mehr
erzeugt werden. Damit kann die erste Spannungsversorgungsschaltung
PMS1 keine Energie mehr über
die Primärspule
L1 aufnehmen und die Versorgungsspannung VCC sinkt, da die Ansteuerschaltung
IC nach wie vor Strom aufnimmt und der Strom, der über den
Widerstand Rstart in die erste Spannungsversorgungsschaltung PMS1
fließt
nicht ausreicht, um diesen Strombedarf zu decken. Die Versorgungsspannung
VCC sinkt solange ab, bis sie zu einem Zeitpunkt t2 den Wert der
unteren Referenzspannung Uout erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird
der Transistor T1 zur Entladung der Kapazität C1 über die erste Schalteinheit
PDR angesteuert, wodurch das Startphasensignal Uc1 auf 0 abfällt. Außerdem schaltet
die zweite Spannungsversorgung PMS2 die Ansteuerschaltung IC ab,
d. h. es werden keine interne Versorgungsspannungen mehr erzeugt und
auch das Rückkopplungssignal
Urk wird zu 0. Nachdem die Ansteuerschaltung IC nun wenigstens annäherungsweise
keinen Strom mehr aufnimmt, beginnt die Spannung VCC wieder langsam
zu steigen, weil die Kapazität
CVCC über
den Widerstand Rstart wieder aufgeladen wird. Erreicht die Versorgungsspannung
VCC dann den Wert der oberen Referenzspannung Uon so schaltet die
zweite Spannungsversorgungsschaltung PMS2 die Ansteuerschaltung
IC. wieder ein, d. h. es werden wieder interne Versorgungsspannungen
generiert und ab dem Zeitpunkt t3 werden wieder Ansteuerimpulse
AI erzeugt.
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Ist
der Rückkopplungszweig
zu diesem Zeitpunkt t3 immer noch unterbrochen, so nimmt das Rückkopplungssignal
Urk sofort wieder einen sehr hohen Wert an. Das Startphasensignal
Uc1 beginnt dadurch zu steigen, dass die Kapazität C1 bei gesperrten Transistor
T1 über
den Widerstand R1 wieder aufgeladen wird. Die Versorgungsspannung
VCC sinkt durch die nun wieder erhöhte Stromaufnahme der Ansteuerschaltung
IC ab. Nach einer ersten Zeitdauer T1 nach dem Start der Ansteuerschaltung
IC zum Zeitpunkt t3 übersteigt
das Startphasensignal Uc1 den Wert des dritten Referenzsignals U3
und die Signalerzeugungsschaltung PWM wird über den ersten und dritten
Vergleicher K1, K3, das erste UND-Glied G1 und das RS-Flip-Flop zum Zeitpunkt t4
wieder gesperrt. Die Versorgungsspannung VCC sinkt dann wieder bis
auf den Wert der unteren Referenzspannung Uout ab, den sie zum Zeitpunkt
t5 erreicht, an dem die Ansteuerschaltung durch die zweite Spannungsversorgungsschaltung
PMS2 wieder abgeschaltet wird. Der beschriebene Zyklus beginnt von
vorn und die Ansteuerschaltung IC wird zum Zeitpunkt t11, wenn die
Versorgungsspannung VCC wieder den Wert der oberen Referenzspannung
Uon erreicht, wieder eingeschaltet.
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Bei
unterbrochenem Rückkopplungszweig wird
bei dem erfindungsgemäßen Schaltnetzteil
die Ansteuerschaltung somit abgeschaltet und in periodischen Zeitabständen wieder
eingeschaltet wobei eine Periode dieses Vorgangs in 3 durch
Th1 dargestellt ist. Nach dem Start der Ansteuerschaltung IC werden
für eine
Zeitdauer T1 Ansteuerimpulse AI erzeugt und nach einer weiteren
Zeitdauer, innerhalb der die Versorgungsspannung VCC auf den Wert
der unteren Referenzspannung Uout abfällt, wird die Ansteuerschaltung
IC wieder abgeschaltet. Auf diese Weise wird bei dem erfindungsgemäßen Schaltnetzteil
eine Zerstörung
des Schaltnetzteils bei unterbrochenem Rückkopplungszweig zuverlässig verhindert.
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4 zeigt
die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils anhand
eines weiteren Fehlerfalls, bei dem sich neben einer Unterbrechung
des Rückkopplungszweiges
der Sekundärstromkreis
im Leerlauf befindet.
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Zunächst wird
wieder von einem ordnungsgemäßen Funktionieren
zum Zeitpunkt t0 ausgegangen, wobei der Rückkopplungszweig danach unterbrochen
wird und das Rückkopplungssignal
Urk zum Zeitpunkt t1 den Wert des ersten Referenzsignals U1 erreicht.
Nach dem Abschalten der Ansteuerschaltung IC zum Zeitpunkt t2 steigt
die Versorgungsspannung VCC wieder an, bis sie im Zeitpunkt t3 den
Wert der oberen Referenzspannung Uon erreicht zu dem die Ansteuerschaltung
IC wieder eingeschaltet wird. Kommt es nach dem Zeitpunkt des Wiedereinschaltens,
nachdem die Versorgungsspannung VCC etwas absinkt, zu einem sekundärseitigen
Leerlauf des Schaltnetzteils so steigt die Versorgungsspannung VCC
schnell an, bis sie zu einem Zeitpunkt t6 den Wert des zweiten Referenzsignals
U2 erreicht. Liegt der Zeitpunkt t6 noch innerhalb einer zweiten
Zeitdauer T2 nach dem Einschalten der Ansteuerschaltung IC so wird
die Signalerzeugungsschaltung PWM zum Zeitpunkt t6. durch den ersten,
den zweiten und vierten Vergleicher K1, K2, K4, das zweite UND-Glied G2,
das ODER-Glied G3 und das RS-Flip-Flop wieder gesperrt. Die Zeitdauer
T2 ist bestimmt durch die Zeitdauer, die vergeht, bis das Startphasensignal Uc1
den Wert des vierten Referenzsignals U4 erreicht. Während die
Anordnung aus dem ersten und dritten Vergleicher K1, K3 und dem
ersten UND-Glied G1 die Signalerzeugungsschaltung PWM erst nach Ablauf
der ersten Zeitdauer T1 nach dem Anschalten der Ansteuerschaltung
IC sperren kann, wenn der Rückkopplungszweig
unterbrochen ist, sperrt die Anordnung aus dem ersten, zweiten und
vierten Vergleicher K1, K2, K4 und den zweiten UND-Glied G2 die Signalerzeugungsschaltung
PWM nur innerhalb der zweiten Zeitdauer T2 nach dem Anschalten der
Ansteuerschaltung IC, wenn eine Unterbrechung des Rückkopplungszweiges
vorliegt und die Versorgungsspannung VCC, beispielsweise durch einen Leerlauf
auf der Sekundärseite
sehr groß wird.
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Nach
dem Sperren der Signalerzeugungsschaltung PWM zum Zeitpunkt t6 werden
keine Ansteuerimpulse AI mehr erzeugt und es wird keine Energie
mehr von der Primärspule
L1 an die erste Spannungsversorgungsschaltung PMS1 abgegeben, wodurch
die Versorgungsspannung VCC absinkt. Zum Zeitpunkt t8, zu dem die
Versorgungsspannung VCC den Wert der unteren Referenzspannung Uout
erreicht, wird die Ansteuerschaltung IC durch die zweite Spannungsversorgungsschaltung
PMS2 wieder abgeschaltet. Die Versorgungsspannung VCC kann dann
wieder langsam ansteigen, indem die Kapazität CVCC der
ersten Spannungsversorgungsschaltung PMS1 Strom über den Widerstand Rstart aufnimmt bis
zu einem Zeitpunkt t10 die Versorgungsspannung VCC wieder den Wert
der oberen Referenzspannung Uon erreicht und die Ansteuerschaltung
IC wieder eingeschaltet wird. Bei ordnungsgemäßem Betrieb kann die V Versorgungsspannung
VCC nach Ablauf der zweiten Zeitdauer t2 auch auf Werte über U2 ansteigen.
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Auch
in diesem Fehlerfall wird die Ansteuerschaltung IC in periodischen
Zeitabständen
bei unterbrochenem Rückkopplungszweig
abgeschaltet und für
kurze Zeitdauern wieder eingeschaltet, wodurch eine Zerstörung des
Schaltnetzteils verhindert wird.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung
IC, die sich von der in 2 dargestellten dadurch unterscheidet,
dass die Schutzschaltung PUS die in 2 vorhandenen
zweiten und vierten Vergleicher K2, K4 und das zweite UND-Glied
G2 nicht aufweist. Damit kann bei dem Ausführungsbeispiel nach 5 auch auf
das ODER-Glied G3 gemäß 2 verzichtet werden.
Das Ausführungsbeispiel
der Ansteuerschaltung nach 5 ermöglicht nur
eine Erkennung eines unterbrochenen Rückkopplungszweiges nach Ablauf
einer ersten Zeitdauer T1 nach dem Start der Ansteuerschaltung IC
durch den ersten und dritten Vergleicher K1, K3 und das erste UND-Glied
G1. Zur Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels wird auf die
Beschreibung zu 3 verwiesen. Zwischen das erste
UND-Glied G1 und das RS-Flip-Flop
ist bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 eine
Ausblendeinheit AB geschaltet, welche sehr kurze Signalimpulse an
ihrem Eingang ausblendet und nicht an den Ausgang weitergibt. Dadurch
wird verhindert, dass kurzfristige Störungen, wie beispielsweise „Spikes", die Signalerzeugungsschaltung
PWM sperren.
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Wird
die Ansteuerschaltung IC wieder eingeschaltet, wenn die Versorgungsspannung
VCC den Wert der oberen Referenzspannung Uon erreicht, so wird das
Flip-Flop sowohl bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 als
auch bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 durch
die zweite Schalteinheit PUR zurückgesetzt,
um im folgenden die Erzeugung von Ansteuerimpulsen AI zu ermöglichen.
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- EK1,
EK2
- Eingangsklemmen
des Schaltnetzteils
- AK1,
AK2
- Ausgangsklemmen
des Schaltnetzteils
- Vin
- Eingangsspannung
- Vout
- Ausgangsspannung
- BG
- Brückengleichrichter
- Vg
- gleichgerichtete
Spannung
- K1
- Klemme
- Rstart
- Widerstand
- PMS1
- erste
Spannungsversorgungsschaltung
- CVCC
- Kapazität der ersten
Spannungsversorgungs
-
- schaltung
- D1
- Diode
der ersten Spannungsversorgungsschaltung
- L3
- Spule
- VCC
- Versorgungsspannung
- L1
- Primärspule
- L2
- Sekundärspule
- C2,
Cout
- Kapazitäten des
Sekundärstromkreises
- D2
- Diode
des Sekundärstromkreises
- L4
- Induktivität des Sekundärstromkreises
- R11
- Widerstand
des Rückkopplungszweiges
- OK
- Optokoppler
des Rückkopplungszweiges
- D3
- Diode
des Rückkopplungszweiges
- IC
- Ansteuerschaltung
- PMS2
- zweite
Spannungsversorgungsschaltung
- PWM
- Signalerzeugungsschaltung
- PUS
- Schutzschaltung
- AI
- Ansteuersignal
- TS
- Schalteinheit
- PIN1
- Eingangsklemme
der Ansteuerschaltung
- Urk
- Rückkopplungssignal
- Uc1
- Startphasensignal
- C1
- Kapazität
- Uref
- Referenzspannung
- R1
- Widerstand
- G1,
G2
- UND-Glieder
- G3
- ODER-Glied
- K1,
K2, K3, K4
- Vergleicher
- U1,
U2, U3, U4
- Referenzsignale
- PDR
- erste
Schalteinheit der zweiten Spannungsver
-
- sorgungsschaltung
- PUR
- zweite
Schalteinheit der zweiten Spannungsver
-
- sorgungsschaltung
- UVL
- Vergleicherschaltung
der zweiten Spannungsver
-
- sorgungsschaltung
- T1
- erste
Zeitdauer
- T2
- zweite
Zeitdauer
- Uon
- obere
Referenzspannung
- Uout
- untere
Referenzspannung