DE3300285C2 - Electronic switching power supply - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein elektronisches Schaltnetzteil zur Stromversorgung insbesondere eines Akkumulators aus einer Wechsel- oder Gleichspannungsquelle veränderlicher Spannungshöhe. Das Schaltnetzteil besteht aus einem primär getakteten Sperrwandler mit einem Übertrager, dessen Primärwicklung in Reihe zur Schaltstrecke eines ersten Transistors und eines ersten Widerstandes und dessen Sekundärwicklung in Reihe zum Akkumulator und einer Diode geschaltet ist. Die Basis des ersten Transistors ist sowohl über die Reihenschaltung eines ersten Kondensators und eines Rückkopplungswiderstandes mit einem Wicklungsende der Sekundärwicklung des Übertragers als auch über einen zweiten Widerstand mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden. Der Emitter des ersten Transistors ist über einen Emitterwiderstand mit Masse- oder Bezugspotential verbunden, wobei an den Emitterwiderstand die Basis eines zweiten Transistors angeschlossen ist, dessen Schaltstrecke über eine Diode mit der Basis des ersten Transistors bzw. Masse- oder Bezugspotential verbunden ist. Durch Ausnutzung der in dem Rückkopplungskondensator gespeicherten Ladung wird ein in großen Betriebsspannungsbereichen konstanter Sekundärstrom erzielt, der auch bei Streueinflüssen sowie Bauelementstreuungen gewährleistet ist und eine definierte Aufladung des Akkumulators sowie einen Schutz vor einem zu hohen Ladestrom sicherstellt.The invention relates to an electronic switched-mode power supply for supplying power, in particular to an accumulator, from an AC or DC voltage source of variable voltage level. The switched-mode power supply consists of a primary clocked flyback converter with a transformer, the primary winding of which is connected in series with the switching path of a first transistor and a first resistor and the secondary winding in series with the accumulator and a diode. The base of the first transistor is connected both via the series circuit of a first capacitor and a feedback resistor to one winding end of the secondary winding of the transformer and via a second resistor to the collector of the first transistor. The emitter of the first transistor is connected to ground or reference potential via an emitter resistor, the base of a second transistor being connected to the emitter resistor, the switching path of which is connected to the base of the first transistor or ground or reference potential via a diode. By utilizing the charge stored in the feedback capacitor, a constant secondary current is achieved in large operating voltage ranges, which is guaranteed even in the event of stray influences and component scatter and ensures a defined charging of the accumulator as well as protection against excessive charging current.
Description
sich auf ein elektronisches Oberbegriff des Patentan-to an electronic generic term of the patent application
5050
Die Erfindung bezieht
Schaltnetzteil nach dem
Spruchs 1.The invention relates
Switching power supply after the
Proverb 1.
Elektronische Schaltnetzteile dienen zur Konstantspannungs- und/oder Konstantstromversorgung elektrischer oder elektronischer Geräte und sind in vielen Fällen als primär oder sekundär getaktetc Sperr- oder Durchflußwandler oder Gegentaktwandler aufgebaut. Sie weisen in der Regel eine Gleichrichterschaltung mit nachgeschalteter Sieb- und Glättungsanordnung auf, an die ein Übertrager oder eine Drossel angeschlossen ist. In Reihe zur Primärwicklung des Übertragers oder in Reiiie zur Drossel ist ein elektronischer Schalter vorgesehen, der in Abhängigkeit von einer oder mehreren Regelgrößen cm- und ausgeschaltet wird, wobei die in dem Übertrager bzw. in der Drossel gespeicherte Energie in Abhängigkeit davon, ob ein Sperr- oder Durch-•laßwandler bzw, Gegentaktwandler vorliegt, in der Sperr- oder Durchlaßphase bzw. sowohl in der Sperräls auch in der Durchlaßphase über eine entsprechend gepolte Diode an einen elektrischen Verbraucher abgegeben wird. Um bei der Verwendung eines Übertragers die Baugröße des Übertragers gering zu halten, wird der elektronische Schalter mit einer Frequenz von ca.Electronic switched-mode power supplies are used to supply constant voltage and / or constant current to electrical or electronic devices and are in many cases as primary or secondary clocked locking or Flow converter or push-pull converter constructed. They usually have a rectifier circuit downstream sieve and smoothing arrangement to which a transformer or a choke is connected. An electronic switch is provided in series with the primary winding of the transformer or in series with the choke. which is cm- and off depending on one or more control variables, whereby the in The energy stored in the transformer or in the choke, depending on whether a flyback or forward converter or, push-pull converter is present, in the blocking or passage phase or both in the Sperräls also in the forward phase delivered to an electrical consumer via a correspondingly polarized diode will. In order to keep the size of the transformer small when using a transformer, the electronic switches with a frequency of approx.
20 KHz betrieben.20 KHz operated.
Zum netzunabhängigen Betrieb eines elektrischen Gerätes wie beispielsweise elektrische Trockenrasierapparate, Elektronenblitzgeräte, Rundfunk- bzw. Fernsehgeräte oder dergL weisen die elektrischen Geräte einen Akkumulator auf, bei dem zur Ladung des Akkumulators mit konstantem Strom eine Regelschaltung vorgesehen werden muß, die auch bei unterschiedlichen Eingangsspannungen im Bereich von beispielsweise 90 bis 240 Volt einen konstanten Ausgangsstrom zur Ladung des Akkumulators gewährleistet Als Eingangsspannungen sind dabei sowohl Wechsel- als auch Gleichspannungen im Bereich von 90 bis 240 Volt und im Falle von Wechselspannungen mit Frequenzen zwischen 50 Hz und 60 Hz geeignetFor mains-independent operation of an electrical device such as an electrical dry shaver, Electronic flash units, radio or television sets or the like show the electrical devices an accumulator in which a control circuit is used to charge the accumulator with constant current must be provided that even with different input voltages in the range of, for example 90 up to 240 volts ensures a constant output current for charging the accumulator. Both AC and DC voltages in the range from 90 to 240 volts and in the case of AC voltages with frequencies between 50 Hz and 60 Hz suitable
Aus der DE-OS 29 48 054 ist eine Schaltungsanordnung zur geregelten Speisung eines Verbrauchers bekannt, die an verschiedenen Gleich- oder Wechselspannungen sowie an verschiedenen Wechselstromfrequenzen ohne Umschaltung betrieben werden kann. Diese bekannte Schaltungsanordnung weist einen Sperrwandler auf. der mittels zweier steuerbarer Halbleiterschalter abhängig von dem durch die Primärwicklung eines Übertragers fließenden Strom und abhängig von der zugeführten Eingangsspannung so gesteuert wird, daß der abgegebene Ladestrom konstant ist. Als Verbraucher ist die Parallelschaltung eines Akkumulators mit einem Gleichstroms <otor vorgesehen, so daß die Schaltungsanordnung beim Netzbetrieb entweder die volle Motorleistung oder bei ausgeschaltetem Motor einen Nachladestrom für den Akkumulator liefertFrom DE-OS 29 48 054 a circuit arrangement for the regulated supply of a consumer is known, those at different direct or alternating voltages as well as at different alternating current frequencies can be operated without switching. This known circuit arrangement has a flyback converter on. by means of two controllable semiconductor switches depending on the one through the primary winding Transformer flowing current and is controlled depending on the input voltage supplied so that the delivered charging current is constant. The parallel connection of an accumulator is used as a consumer a direct current <otor provided so that the circuit arrangement with mains operation either the full motor power or one when the motor is switched off Provides recharging current for the accumulator
Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist in Reihe zur Primärwicklung des Übertragers die Schaltstrekke eines ersten Transistors und ein in Reihe geschalteter Emitterwiderstand und ein die Basis-Kollektor-Strecke des Schalttransistors überbrückender Widerstand vorgesehen. Parallel zur Reihenschaltung der Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors und des Emitterwiderstandes ist die Schaltstrecke eines zweiten Transistors geschaltet, dessen Basis übe*· einen Widerstand und dessen Kollektor über einen RüCKkopplungswiderstand und einen Kondensator mit einem Wicklungsende der Sekundärwicklung des Übertragers verbunden sind.In this known circuit arrangement, the switching path is in series with the primary winding of the transformer a first transistor and a series-connected emitter resistor and a base-collector path of the switching transistor bridging resistor provided. Parallel to the series connection of the base-emitter path of the first transistor and the emitter resistor is the switching path of a second transistor switched, the base of which exerts a resistance and its collector via a feedback resistor and a capacitor connected to one winding end of the secondary winding of the transformer.
Wird bei dieser bekannten Schaltungsanordnung eine Gleichspannung an die Reihenschaltung aus der Primärwicklung des Übertragers, den ersten Transistor und den Emitterwiderstand angelegt, so fließt zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors ein Basisstrom über den die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors überbrückenden Widerstand. Dieser Basistrom bewirkt einen kleinen Kollektorstrom. der durch die Primärwicklung des Übertragers fließt und in der Skundärwicklung eine positive Spannung induziert, die über den Rückkopplungswiderstand und den in Reihe geschalteten Kondensator an die Basis des Transistors geführt wird und einen größeren Basisstrom hervorruft. Mit dem Einschalten des Schalttransistors steigt der durch die Primärwicklung des Übertragers fließenden Strom linear an bis über dem Emitterwiderstand eine dem Emitterstrom proportionale Spannung abfällt, die von einer bestimmten Höhe an im zweiten Transistor einen Basisstrom fließen läßt, wodurch der zweite Transistor eingeschaltet und damit das Potential an der Basis des ersten Transistors auf Bezugspotential gezogen wird und damit der erste Transistor abschaltet. Während der Sperrphase des ersten Transistors fließt die im Kern des Übertragers gespeicherte magnetische Energie über die Sekundärwicklung ab, wobei über die leitende DiodeIn this known circuit arrangement, a direct voltage is applied to the series circuit of the primary winding of the transformer, the first transistor and the emitter resistor applied, so flows between the The collector and the base of the transistor generate a base current through the collector-base path of the transistor bridging resistance. This base current causes a small collector current. the one through the primary winding of the transformer flows and induces a positive voltage in the secondary winding, which over the Feedback resistor and the series-connected capacitor to the base of the transistor and creates a larger base current. When the switching transistor is switched on, it increases the primary winding of the transformer flowing linear current to up above the emitter resistor one of the Emitter current proportional voltage drops, which from a certain level in the second transistor allows a base current to flow, whereby the second transistor switched on and thus the potential at the base of the first transistor is pulled to reference potential and thus the first transistor switches off. During the blocking phase of the first transistor, the in the core of the flows Magnetic energy stored in the transformer via the secondary winding, and via the conductive diode
OO ÜÜ ZÖDOO ÜÜ ZÖD
der Akkumulator einen linear abfallenden Ladestrom erhältthe accumulator receives a linearly decreasing charging current
Ein Nachteil dieser bekannten Schaltungsanordnung besteht darin, daß sich die Einschaltschwelle der Basis-Emitter-Spannung des ersten Transistors bzw. Schalttransistors nur in einem geringen Bereich von 200 bis 500 Millivolt je Schaltvorgang ändertA disadvantage of this known circuit arrangement is that the switch-on threshold of the base-emitter voltage of the first transistor or switching transistor only in a small range from 200 to 500 millivolts per switching process changes
Geringe Änderungen der Basis-Emitter-Schwellenspannung des Schalttninsistors bewirken aber eine Verlagerung des Einschalt-Zeitpunktes des Schalttransistors. Aufgrunu der geringen Einschaltschwelk· ist das bekannte Schaltnetzteil äußerst empfindlich gegenüber Störeinflüssen wie Impulsspitzen, Bauelemente-Streuungen u. dergl. So führen Impulssprtzen im Übertrager bei geringen Eingangsspannungen von 80 bis 90 Volt bereits zu einem vorzeitigen Einschalten des in Reihe zur Primärwicklung des Übertragers geschalteten Schalttransistors und damit zu einer Erhöhung der Schaltfrequenz, was wiederum einer Erhöhung des Ladestroms für den Akkumulator mit sich bringt Da jedoch ein zu hoher Ladestrom von beispielsweise mehr als 50 Milliampere bereits zur Zerstörung eines NC-Akkumulators führt, ist damit eine Gefährdung des Akkumulators und damit der Schaltungsanordnung .selbst gegeben. Darüber hinaus bewirkt ein vorzeitiges Einschalten des Schalttransistors eine Erhöhung des Spitzenstroms am Emitter des Schalttransistors und damit eine Gefährdung des Schalttransistors selbstHowever, small changes in the base-emitter threshold voltage of the switching transistor cause a shift the switch-on time of the switching transistor. This is due to the low switch-on threshold known switched-mode power supply extremely sensitive to interference such as pulse peaks, component scatter and the like. Impulse bursts in the transformer at low input voltages of 80 to 90 volts, the series will be switched on prematurely to the primary winding of the transformer switched switching transistor and thus to an increase in the Switching frequency, which in turn increases the charging current for the accumulator too high a charging current of, for example, more than 50 milliamps can destroy an NC accumulator leads, there is thus a risk to the accumulator and thus to the circuit arrangement .self. In addition, if the switching transistor is switched on prematurely, the peak current will increase at the emitter of the switching transistor and thus a risk to the switching transistor itself
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektronisches Schaltnetzteil zur Stromversorgung insbesondere eines Akkumulators aus einer Wechsel- oder Gleichspannungsquelle veränderlicher Spannungshöhe zu schaffen, das gegenüber Streueinflüssen wie Bauelemente-Streuungen, Impulsspitzen u. dgL weitestgehend unempfindlich ist und einen in weiten Grenzen der Eingangsspannung konstanten Sekundärstrom gewährleistet und mit einem Minimum an Bauelementen auskommt The object of the present invention is to provide an electronic switched-mode power supply in particular for power supply an accumulator from an alternating or direct voltage source of variable voltage level to create that as far as possible against scatter influences such as component scatter, pulse peaks and the like is insensitive and ensures a secondary current that is constant within wide limits of the input voltage and gets by with a minimum of components
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Basis des ersten Transistors über eine zweite Diode mit dem anderen Schaltstreckenanschluß des zweiten Transistors verbunden istThis object is achieved according to the invention in that the base of the first transistor has a second Diode is connected to the other switching path connection of the second transistor
Die erfindungsgemäße Lösung ist weitgehend unabhängig gegenüber Streueinflüssen und stellt einen konstanten Sekundärstrom zur Aufladung eines Akkumulators sicher und gewährleistet eine konstante Ladefrequenz und Abschaltung des Schalttransistors bei konstantem Spitzenwert der Emitterspannung. Dies wird dadurch erzielt, daß der Spannungsunterschied zwischen Ein- und Ausschalten des Schalttransistors ein Vielfaches gegenüber der bekannten Schaltungsanordnung beträgt, so daß die Auswirkungen einer Änderung der Basis-Emitter-Spannung des Schalttransistors zum Beispiel iniolge Erwärmung des Schalttransistors oder infolge von Impulsspilzen im Wandler nur ein Bruchteil der Abweichungen im Sekundärstrom gegenüber der bekannten Anordnung beträgt.The solution according to the invention is largely independent of scatter influences and provides a constant one Secondary current for charging an accumulator safely and guarantees a constant charging frequency and switching off the switching transistor at a constant peak value of the emitter voltage. this will achieved in that the voltage difference between switching the switching transistor on and off Multiple compared to the known circuit arrangement, so that the effects of a change the base-emitter voltage of the switching transistor, for example iniolge heating of the switching transistor or due to the impulse mushrooms in the converter, only a fraction of the deviations in the secondary current compared to the known arrangement is.
Aus der DE-OS 30 07 566 ist ein freischwingender Sperrwandler bekannt, bei dem in Reihe zur Primärwicklung eines Übertragers die Schaltsti-ecke eines ersten Transistors und eines ersten Widerstandes geschaltet ist und bei der in Reihe zur Sekundärwicklung des Übertragers die Reihenschaltung einer Diode und eines Verbrauchers angeordnet ist Die Basis des ersten Transistors ist sowohl über eine Zenerdiode an eine Eingangsspannungsklemme als auch über einen Widerstand mit einer Tertiärwicklung des Übertragers verbunden. Darüber hinaus ist die Basis des ersten Transistors wahlweise über eine Diode mit dem Ausgang eines Optokopplers oder einem Schaltstreckenanschluß eines zweiten Transistors verbunden, dessen Basis an eine vierte Wicklung des Übertragers angeschlossen ist Paralle! zur Schaltstrecke des zweiten Transistors liegt ein Kondensator mit parallel geschaltetem Widerstand.From DE-OS 30 07 566 a free-running flyback converter is known in which in series with the primary winding of a transformer the switching pins of a first Transistor and a first resistor is connected and in series with the secondary winding of the Transformer, the series connection of a diode and a load is arranged The base of the first transistor is connected to an input voltage terminal via a Zener diode as well as via a resistor connected to a tertiary winding of the transformer. It is also the base of the first transistor optionally via a diode with the output of an optocoupler or a switching path connection of a connected to the second transistor, the base of which is connected to a fourth winding of the transformer. Paralle! A capacitor with a resistor connected in parallel is connected to the switching path of the second transistor.
Die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung interessierende Anordnung eines zweiten Transistors, dessen einer Schaltstreckenanschluß über eine Diode mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist unterscheidet sich in ihrer Funktion jedoch grundlegend vom Gegenstand der DE-OS 30 07 566. Wie der Beschreibung auf Seite 8 der genannten Druckschrift zu entnehmen ist erfolgt beim Gegenstand der bekannten Anordnung eine Ausgangsspannungsregelung, wobei die Abhängigkeit der Ausgangsspannung des freischwingenden Sperrwandlers vom Ausgangsstrom berücksichtigt wird. Übersteigt nämlich die Ausgangsspannung die Zenerspannung einer in Reihe zu dem Optokoppler geschalteten Zenerdiode, so wird die Aufladezeit des über die Diode an die Basis des Schalttransistors angeschlossenen Kondensators verringp' so daß entsprechend die Schaiifrequenz des Schalt« ansistors in Richtung einer Sollwertangleichung verändert wird. Anstelle des im Sekundärkreis angeordneten Optokopplers kann beim Gegenstand der bekannten Anordnung gemäß Fig. 2 e:n mit der Basis an eine vierte Wicklung des Übertragers angeschlossener zweiter Transistor vorgesehen werden, der ebenfalls eine Veränderung der Ladezeit des Kondensators bei steigender Ausgangsspannung bewirkt In der bekannten Anordnung dient somit der zweite Transistor, anders als beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung, zur Beeinflussung der Einschaltphase des ersten Transistors (Schalttransistor) in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung.The arrangement of a second transistor, which is of interest in connection with the present invention, whose one switching path connection is connected to the base of the first transistor via a diode, differs in its function fundamentally from the subject of DE-OS 30 07 566. As the description on page 8 from the cited publication, the subject of the known arrangement involves output voltage regulation, taking into account the dependence of the output voltage of the free-running flyback converter on the output current. If the output voltage exceeds the Zener voltage of a Zener diode connected in series with the optocoupler, the charging time of the capacitor connected to the base of the switching transistor via the diode is reduced so that the switching frequency of the switching transistor is changed accordingly in the direction of a setpoint adjustment. Instead of being arranged in the secondary circuit of the opto-coupler, according to the aspect of the known arrangement Figure 2 e. N connected second transistor may be provided to the base at a fourth winding of the transformer, which also causes a change in the charging time of the capacitor at an increasing output voltage in the known arrangement, Thus, unlike the subject matter of the present invention, the second transistor is used to influence the switch-on phase of the first transistor (switching transistor) as a function of the output voltage.
Demgegenüber dient beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung der zweite Transistor der Beeinflussung der Einschalt- bzw. Ausschaltphase des ersten Transistors (Schalttransistor) in Abhängigkeit vom Primärstrom. Eine dem durch den ersten Widerstand fließenden Primärstrom proportionale Spannung wird an die Basis des zweiten Transistors gelegt und bewirkt, daL bei Erreichen eines bestimmten Primär-Spitzenstromwertes der zweite Transistor angesteuert wird, in den leitenden Zustand gelangt und über die erfindungsgemäß vorgesehene zweite Diode die Basis des ersten Transistors mit Masse- bzw. Bfczugspotential verbindet und so dem ersten Transistor den Basistrom entzieht, so daß der erste Transistor sperrt. Dabei dient die in derIn contrast, in the subject matter of the present invention, the second transistor is used for influencing the switch-on or switch-off phase of the first transistor (switching transistor) as a function of the primary current. A voltage proportional to the primary current flowing through the first resistor is applied placed the base of the second transistor and causes daL when a certain primary peak current value is reached the second transistor is driven, enters the conductive state and is used according to the invention provided second diode connects the base of the first transistor to ground or Bfczugspotential and so withdraws the base current from the first transistor, so that the first transistor blocks. The in the
so Verbindung von der Basis des ersten Transistors zu einem Schaltstreckenanschluß des zweiten Transistors vorgesehene zweite Diode in Verbindung mit dem Rückkopplungskondensator dazu, das Schaltverhalten des ersten Transistors infolge von Veränderungen der Basif Emitter-Spannung des ersten Transistors möglichst unabhängig zu machen.so connection from the base of the first transistor to a switching path connection of the second transistor provided second diode in connection with the feedback capacitor to the switching behavior of the first transistor as a result of changes in the base-emitter voltage of the first transistor to make independent.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfiiid'ingsgerr.äßen
Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur zweiten Diode ein Schalter vorgesehen ist, der mit einem
Schalter gekoppelt ist, der einen parallel zum Akkumulator geschalteten Gleichstrommotor ein- und
ausschaltet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfin-An advantageous embodiment of the solution according to the invention is characterized in that a switch is provided parallel to the second diode, which switch is coupled to a switch which switches on and off a direct current motor connected in parallel to the accumulator.
Another advantageous embodiment of the invention
■ dungsgemäßen Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand parallel zur Basis-Kollektor-Strecke des ersten Transistors geschaltet ist und aus zwei Teilwiderständtn besteht, an deren Verbindung einerseits und an Masse- oder Bezugspotential anderer-■ the solution according to the invention is characterized in that the second resistor is connected in parallel to the base-collector path of the first transistor and off there are two partial resistances, at the connection of which on the one hand and on the ground or reference potential of the other
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seits eine Zenerdiode mit anodenseitigem Anschluß an Masse- oder Bezugspotential angeschlossen ist.on the other hand, a Zener diode with an anode-side connection to ground or reference potential is connected.
Durch diese Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung wird erzielt, daß bei einem Wechsel der Polarität des Rückkopplungs-Kondensators im Zusammenhang mit dem Ein- und Ausschaltzustand des Schalttransistors ein Entladen des Rückkopplungs-Kondensators erfolgen kann, und daß die Aufladung des Rückkopplungs-Kondensators von einem konstanten Potential aus erfolgt, so daß die Wirkung der erfindungsgemäßen Lösung, einen konstanten Sekundärstrom über einen größeren Spannungsbereich zu erzielen, unterstützt wird. Through these embodiments of the solution according to the invention it is achieved that when the polarity of the feedback capacitor changes in connection with the on and off state of the switching transistor, a discharge of the feedback capacitor can take place, and that the charging of the feedback capacitor from a constant potential takes place, so that the effect of the solution according to the invention to achieve a constant secondary current over a larger voltage range is supported .
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigtBased on an embodiment shown in the drawing the idea on which the invention is based is to be explained in more detail. It shows
F ι g I ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Schaltnet/ieiles. FIG. 1 shows a circuit diagram of the switching network according to the invention.
F ι g. 2 den zeitlichen Verlauf der Basis-Emitter-Span-Fig. 2 the temporal course of the base-emitter-span
nurig lies ScnaiiiraMsisiurs bei einem bckuiiiiicn Sciiaiinetzteil. und Just read ScnaiiiraMsisiurs with a backuiiiiicn Sciiaii power supply. and
F i g. 3 den zeitlichen Verlauf der Basis-Emitter-Spannung des Schalltransistors bei dem erfindungsgemäßen SchaltneizteilF i g. 3 shows the time course of the base-emitter voltage of the acoustic transistor in the case of the invention Switching part
In Fig. 1 ist ein elektronisches Schaltnetzteil dargestellt, das aus einem primär getakteten Sperrwandlcr mit einem Übertrager 5 und einem ersten Transistor 1 sowie einer im Lastkreis vorgesehenen ersten Diode 7 besteht. Der Sperrwandler wird über eine Gleichrichter-Brückenschaltung 3 und einen Widerstand 26 aus einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz gespeist, dessen Spannung zwischen 90 und 250 Volt und dessen Frequenz im Falle eines speisenden Wechselspannungsnetzes nahezu beliebig sein kann. Parallel zu den Eingangs-Spannungsklemmen ist ein zusätzlicher Kondensator 25 vorgesehen. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung der Gleichrichter-Brückenschaltung 3 wird sinsr Sieb- und G!sttuniTS3nordnuncr. bestehend bus ?iner Längsdrossel 20 und zwei Glättungskondensatoren 21,22. an den Eingang des Sperrwandlers bzw. der Steuer- und Regelelektronik gelegt.In Fig. 1, an electronic switched-mode power supply is shown, which consists of a primarily clocked flyback converter with a transformer 5 and a first transistor 1 and a first diode 7 provided in the load circuit. The flyback converter is fed via a rectifier bridge circuit 3 and a resistor 26 from a DC or AC voltage network, the voltage of which can be between 90 and 250 volts and its frequency in the case of a feeding AC voltage network. An additional capacitor 25 is provided in parallel to the input voltage terminals. The rectified output voltage of the rectifier bridge circuit 3 is sinsr filter and G! Sttun iT S3nordnun cr . consisting of bus? iner series choke 20 and two smoothing capacitors 21, 22. connected to the input of the flyback converter or the control electronics.
Parallel zu den Gleichspannungsklemmen der Gleichriclv.er-Brückenschaltung 3 ist die Reihenschaltung der Primärwicklung 51 des Übertragers 5 mit der Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Transistors 1 und zweier in Reihe geschalteter Emitterwiderstände 13, 14 geschaltet. Parallel zur Basis-Kollektor-Strecke des ersten Transistors 1 sind zwei in Reihe geschaltete Widerstände 61,62 vorgesehen, an deren Verbindung die Kathode einer Zenerdiode 12 angeschlossen ist, die anodenseitig mit Masse- oder Bezugspotential verbunden ist Die Basis des ersten Transistors 1 ist über eine anodenseitig mit der Basis des ersten Transistors 1 verbundene zweite Diode 11 und die Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten Transistors 2 mit Masse- oder Bezugspotential verbunden. Darüber hinaus ist die Basis des ersten Transistors 1 über einen Rückkoppiungs-Widerstand 10 und einen Rückkopplungs-Kondensator 9 an ein Wicklungsende der Sekundärwicklung 52 des Übertragers 5 angeschlossen. Die Basis des zweiten Transistor 2 ist an die Verbindung der beiden Emitterwiderstände 13, 14 des ersten Transistors 1 angeschlossen. Der Emitter des ersten Transistors 1 ist darüber hinaus über einen zweiten Kondensator 15 an das andere Wicklungsende der Sekundärwicklung 52 des Übertragers 5 bzw. an Masseoder Beziigspctentiai angeschlossen.Parallel to the DC voltage terminals of the DC link bridge circuit 3 is the series connection of the primary winding 51 of the transformer 5 with the collector-emitter path of the first transistor 1 and two emitter resistors 13, 14 connected in series. Two resistors connected in series are parallel to the base-collector path of the first transistor 1 61,62 provided, to the connection of which the cathode of a Zener diode 12 is connected, the anode side is connected to ground or reference potential. The base of the first transistor 1 is on the anode side connected to the base of the first transistor 1 second diode 11 and the collector-emitter path of a second transistor 2 connected to ground or reference potential. It is also the base of the first transistor 1 via a feedback resistor 10 and a feedback capacitor 9 to one end of the winding the secondary winding 52 of the transformer 5 is connected. The base of the second transistor 2 is connected to the Connection of the two emitter resistors 13, 14 of the first transistor 1 connected. The emitter of the first In addition, transistor 1 is connected to the other winding end of the secondary winding via a second capacitor 15 52 of the transformer 5 or connected to mass or reference points.
Parallel zur Primärwicklung 51 des Übertragers 5 sind eine dritte Diode 23 und eine zweite Zenerdiode 24 mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung geschaltet. Sie dienen dazu, die beim Abschalten des ersten Transistors 1 infolge der Streuinduktivitäten ansteigende Spannung auf die Netzspannung zuzüglich des Spannungsabfalls an der zweiten Zenerdiode 24 zu begrenzen.A third diode 23 and a second Zener diode 24 are parallel to the primary winding 51 of the transformer 5 switched with opposite forward direction. They are used when the first transistor is switched off 1 as a result of the leakage inductances increasing voltage on the mains voltage plus the voltage drop at the second Zener diode 24 to limit.
Parallel zur Reihenschaltung des Rückkoppiungs-Kondensators9 mit dem Rückkoppiungs-Widerstand 10 ist ein dritter Kondensator 18 vorgesehen, der dazu dient, beim Abschalten des ersten Schalttransistors 1 infolge der schnellen, steil ansteigenden Kollektorspannung des ersten Schalttransistors 1 auftretenden sogenannten »Wiedereinschaltpeak« der Basis-Emitter-Spannung des ersten Schalttransistors entgegenzuwirken, so daß kein verzögertes Abschalten des Schalttransistors sondern ein steiles, direktes Abschalten erfolgt.Parallel to the series connection of the feedback capacitor 9 With the feedback resistor 10, a third capacitor 18 is provided which is used for this purpose is used when switching off the first switching transistor 1 due to the rapid, steeply rising collector voltage of the first switching transistor 1 occurring so-called "restart peak" of the base-emitter voltage counteract the first switching transistor, so that no delayed switching off of the switching transistor but a steep, direct switch-off takes place.
Parallel zur Sekundärwicklung 52 des Übertragers 5 ist zusätzlich die Reihenschaltung eines Vorwiderstandes 16 mit einer lichtemittierenden Diode 17 vorgesehen, die im Ladebetrieb bzw. bei Betrieb des Verbrau-In addition, parallel to the secondary winding 52 of the transformer 5 is the series connection of a series resistor 16 provided with a light-emitting diode 17, which in the charging mode or when operating the consumer
/U CiiciS f äiincüCiiici. ms »cTuräüCiiCr *r ί5ΐ αΓΐ uiC nnuuC der ersten Diode 7 bzw. an Masse- bzw. Bezugspotential die Parallelschaltung eines Akkumulators 41 und eines Gleichstrommotors 42 vorgesehen, wobei parallel zum Gleichstrommotor 42 ein vierter Kondensator 19 und in Reihe zum Gleichstrommotor 42 ein Schalter 82 vorgesehen ist. der mit einem parallel zur zweiten Diode 1! geschalteten Schalter 81 mechanisch gekoppelt ist / U CiiciS f äiincüCiiici. ms »cTuräüCiiCr * r ί5ΐ αΓΐ uiC nnuuC of the first diode 7 or the parallel connection of an accumulator 41 and a direct current motor 42 to ground or reference potential, with a fourth capacitor 19 parallel to the direct current motor 42 and a switch 82 in series with the direct current motor 42 is provided. the one with a parallel to the second diode 1! switched switch 81 is mechanically coupled
Nachstehend soll die Funktionsweise der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 näher erläutert werden.The following is the mode of operation of the circuit arrangement according to FIG. 1 will be explained in more detail.
Nach der Gleichrichtung mittels der Gleichrichter-Brückenschaltung 3 und Siebung bzw. Glättung mittels der Längsdrossel 20 bzw. der !Condensatoren 21, 22 wird der als Schalttransistor arbeitende erste Transistor 1 über die Reihenschaltung der beiden Widerstände 61, 62 mit einem geringen Basisstrom angesteuert. Infolge des einschaltenden ersten Transistors 1 entsteht über die Schaltstrecke des ersten Transistors 1 und die Primärwicklung 51 des Übertragers 5 ein Mitkopplungseffekt, durch den der erste Transistor 1 zusätzlich angesteuert und in den leitenden Zustand geschaltet wird. Der Emitterstrom steigt linear an und erzeugt an den beiden Emitterwiderständen 13, 14 eine proportionale Spannung. Bei Erreichen eines bestimmten Spitzenstromwertes wird der mit seiner Basis an die Verbindung der beiden Emitterwiderstände 13, 14 angeschlossene zweite Transistor 2 angesteuert, gelangt dadurch in den leitenden Zustand und verbindet über die zweite Diode 11 die Basis des ersten Transistors 1 mit Massebzw. Bezugspotentia! und entzieht damit dem erstenAfter rectification using the rectifier bridge circuit 3 and sieving or smoothing by means of the longitudinal throttle 20 or the condensers 21, 22 the first transistor 1, which works as a switching transistor, is connected via the series connection of the two resistors 61, 62 driven with a low base current. As a result of the switching on of the first transistor 1, over occurs the switching path of the first transistor 1 and the primary winding 51 of the transformer 5 have a positive feedback effect, by which the first transistor 1 is additionally activated and switched to the conductive state. The emitter current increases linearly and generates a proportional one at the two emitter resistors 13, 14 Tension. When a certain peak current value is reached, the base is connected to the connection of the two emitter resistors 13, 14 connected second transistor 2 is driven, thereby arrives in the conductive state and connects the base of the first transistor 1 to ground or via the second diode 11. Reference potential! and thus withdraws from the first
so Transistor 1 den Basisstrom, woraufhin der erste Transistor 1 sperrt. Mit Beginn der Sperrphase wechselt die Polarität der in der Sekundärwicklung 52 des Üoertragers 5 induzierten Spannung und die im Übertrager 5 gespeicherte Energie wird damit nach dem Prinzip des Sperrwandlers über die nunmehr leitende erste Diode 7 an den Verbraucher 4 abgegeben. Dadurch erhält der beispielsweise aus einem Nickel-Cadmium-Akkumulator bestehende Verbraucher 41 einen linear abfallenden Ladestrom. Ein negativer, abfallender Strom über denso transistor 1 the base current, whereupon the first transistor 1 blocks. When the blocking phase begins, the Polarity in the secondary winding 52 of the transformer 5 induced voltage and the energy stored in the transformer 5 is thus according to the principle of Flyback converter is delivered to the consumer 4 via the now conductive first diode 7. This gives the for example, a nickel-cadmium accumulator existing consumer 41 a linearly decreasing Charging current. A negative, declining current across the
öo Rückkoppiungs-Widerstand 10 und den Rückkopplungs-Kondensator 9 hält den ersten Transistor 1 gesperrt, bis die in dem Übertrager 5 gespeicherte magnetische Energie abgeflossen ist Erst danach kann wieder ein Anlaßstrom über die Widerstände 61,62 in die Basis des ersten Transistors 1 fließen, der den bereits beschriebenen Durchschaltvorgang auslöst.öo feedback resistor 10 and the feedback capacitor 9 keeps the first transistor 1 locked until the stored in the transformer 5 magnetic Energy has flowed off. Only then can a starting current flow through the resistors 61, 62 into the base of the first transistor 1, which triggers the switching process already described.
Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die für das Umschalten von einem ho-The special feature of the solution according to the invention is that the for switching from a ho-
hen Sekundärstrom auf einen niedrigen Sekundärstrom und für den über einen großen Betriebsspannungsbereich konstanten Sekundärstrom die in dem RQckkopplungs-Kondensator 9 gespeicherte Ladung ausgenutzt wird. Den niedrigen Sekundärstrom beispielsweise zum Laden des NC-Akkumulators 41 erhält man bei geöffnetem Schalter 81, 82, was besonders wichtig bei einem Ausfall des Schalters ist, da dann der Akkumulator nur mit eimern niedrigen Ladestrom versorgt wird.hen secondary current to a low secondary current and for the over a large operating voltage range constant secondary current in the feedback capacitor 9 stored charge is used. The low secondary current, for example, to the The NC accumulator 41 is charged when it is open Switch 81, 82, which is particularly important in the event of a breakdown of the switch, since then the accumulator only is supplied with buckets of low charging current.
Während der Einschaltzeit des ersten Transistors 1 wird der Rückkopplungs-Kondensator 9 am Punkt A positiv aufgeladen. Am Punkt B, dem anderen Anschluß des Ruckkopplungs-Kondensators 9. bildet sich somit eine negative Polarität aus. Erreicht der Emitterstrom des ersten Transistors 1 — wie oben beschrieben — einen bestimmten Wert, so wird der zweite Transistor 2 angesteuert und entzieht dem ersten Transistor 1 den Basissirom. Der erste Transistor 1 kippt somit in den Sperr/ustand. Die am Punkt A induzierte Spannung derDuring the switch-on time of the first transistor 1, the feedback capacitor 9 at point A is positively charged. At point B, the other connection of the feedback capacitor 9, a negative polarity is thus formed. If the emitter current of the first transistor 1 reaches a certain value - as described above - the second transistor 2 is activated and removes the base circuit from the first transistor 1. The first transistor 1 thus toggles into the blocking state. The voltage induced at point A of the
Polarität und liegt jetzt in Reihe mit der Spannung am Rückkopplungs-Kondensator 9. Die negative Ladung am Punkt B kann wegen der in Sperrichtung gepolten zweiten Diode 11 bei offenem Schalter 81 nicht über die Kollektor-BasisStrecke des zweiten Transistors 2 sowie den einen Emitter-Widerstand !4 nach Masse- oder Bezugspotential abfließen und verhindert deshalb solange ein Wiedereinschalten des ersten Transistors 1 bis über den einen Widerstand 62 parallel zur Basis-Kollektor-Strecke des ersten Transistors 1 und den Rückkopplungs-Widerstand 10. wobei der Rückkopplungs-Widerstan . 10 wegen des sehr kleinen Widerstandswertes gegenüber dem Widerstandswert des Widerstandes 62 vernachlässigbar ist, der Rückkopplungs-Kondensator 9 am Punkt ß wieder bis auf die Basis-Emitter-Schwellenspannung des ersten Transistors 1 aufgeladen ist. Bei diesem Vorgang kann der parallel zur Reihenschaltung des Rückkopplungs-Kondensators 9 mit dem Rückkopplungs-Widerstand 10 geschaltete weitere Kondensator 18 vernachlässigt werden, da seine Kapazität sehr klein gegenüber der Kapazität des Rückkopplungs-Kondensators 9 ist.Polarity and is now in series with the voltage on the feedback capacitor 9. Because of the reverse polarity of the second diode 11 when the switch 81 is open, the negative charge at point B cannot pass through the collector-base path of the second transistor 2 and one emitter resistor ! 4 to ground or reference potential and therefore prevents the first transistor 1 from being switched on again until via the one resistor 62 parallel to the base-collector path of the first transistor 1 and the feedback resistor 10. The feedback resistor. 10 is negligible because of the very small resistance value compared to the resistance value of the resistor 62, the feedback capacitor 9 at point β is again charged up to the base-emitter threshold voltage of the first transistor 1. During this process, the additional capacitor 18 connected in parallel to the series connection of the feedback capacitor 9 with the feedback resistor 10 can be neglected, since its capacitance is very small compared to the capacitance of the feedback capacitor 9.
Durch die Zenerdiode 12 wird erreicht, daß die Aufladung des Rückkopplungs-Kondensators 9 am Punkt B auf die Basis-Emitter-Schwellenspannung des ersten Transistors 1 von einem konstanten Spannungspotential aus erfolgt Dies hat zur Folge, daß der Sekundärstrom über einen großen Betriebsspannungsbereich konstant bleibt und somit ein konstanter Ladestrom in den Akkumulator 41 fließtThe Zener diode 12 ensures that the charging of the feedback capacitor 9 at point B to the base-emitter threshold voltage of the first transistor 1 takes place from a constant voltage potential thus a constant charging current flows into the accumulator 41
Die Abschaltung des ersten Transistors 1 bei einem konstanten Spitzenwert des Emitterstromes des ersten Transistors 1 führt zu einer konstanten Schaltfrequenz und zu einem konstanten Sekundärstrom. Dadurch wird der Akkumulator 41 einerseits vor einem zu hohen Ladestrom von beispielsweise mehr als 50 Milliampere geschützt was zu einer Zerstörung des Akkumulators führen würde und andererseits ein höherer Ladestrom von beispielsweise mehr als 20 Milliampere dem Akkumulator 41 zugeführt, wobei ein Ladestrom von beispielsweise 20 Milliampere lediglich der Erhaltungsladung dienen würde.The switching off of the first transistor 1 at a constant peak value of the emitter current of the first Transistor 1 leads to a constant switching frequency and a constant secondary current. This will the accumulator 41 on the one hand against an excessively high charging current of, for example, more than 50 milliamperes protected which would lead to the destruction of the accumulator and on the other hand a higher charging current of, for example, more than 20 milliamperes are supplied to the accumulator 41, with a charging current of, for example 20 milliamps would only serve as a trickle charge.
Das Schaltverhalten des erfindungsgemäßen Schaltnetzteiles gegenüber den bekannten Schaltnetzteilen wird am besten anhand der F i g. 2 und 3 verdeutlichtThe switching behavior of the switched-mode power supply according to the invention compared to the known switched-mode power supplies is best based on FIG. 2 and 3 clarified
In Fig.2 ist die Spannung zwischen der Basis des ersten Schalttransistors 1 und Masse- bzw. Bezugspotential bzw. der Spannung am Emitter des zweitenIn Fig.2 the voltage between the base of the first switching transistor 1 and ground or reference potential or the voltage at the emitter of the second
Schalttransistors 2 über der Zeit dargestellt. Die Einschaltschwelle des ersten Transistors 1, d. h. die entsprechende Basis-Emitter-Spannung des ersten Transistors 1 beträgt ca. 0,55 Volt. Der Spannungsunterschied während der Aufladezeit T vom Rückkopplungs-Kondensator 9 bis zum Wiedereinschalt-Zeitpunkt TeHJ beträgt ca. 0,2 Volt. Daraus geht deutlich hervor, daß geringe Änderungen der Basis-Emitter-Schwellenspannung des ersten Schalttransistors z. B. bei einer Erwärmung des ersten Schalttransistors oder infolge von Streueinflüssen den Schaltpunkt 7"ff,nzu einem früheren Zeitpunkt verlagern. Die damit verbundene Frequenzänderung verursacht deshalb eine erhebliche Änderung des mittleren Sekundär-Ladestromes. Wie aus dieser Darstellung deutlich hervorgeht, genügt bereits eine minimale Spannungsänderung, um bei der geringen Neigung des Anstiegs der Basis-Emitter-Spannung während der Aufladezeit Γ des Ruckkopplungs-Kondensators 9 ein frühzeitiges Einschalten des ersten Schalttransistors zu bewirken. Switching transistor 2 shown over time. The switch-on threshold of the first transistor 1, ie the corresponding base-emitter voltage of the first transistor 1, is approximately 0.55 volts. The voltage difference during the charging time T from the feedback capacitor 9 to the restart time T eHJ is approximately 0.2 volts. It clearly shows that small changes in the base-emitter threshold voltage of the first switching transistor z. For example, if the first switching transistor heats up or as a result of stray influences, shift the switching point 7 ″ ff , n at an earlier point in time. The associated frequency change therefore causes a considerable change in the mean secondary charging current minimal voltage change in order to cause the first switching transistor to be switched on early when the base-emitter voltage increases slightly during the charging time Γ of the feedback capacitor 9.
In Fig. 3 ist dagegen das Schaltverhalten des ersten Schalttransistors 1 bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Schaltnetzteil dargestellt. Wie aus der Darstellung deutlich hervorgeht beträgt der Spannungsunterschied während der Aufladezeit Γ des Rückkopplungs-Kondensators bis zum Wiedereinschaltzeitpunkt Temc&. 3 Volt. Die Auswirkung einer Änderung der Basis-Emitter-Spannung des ersten Schalttransistors z. B. infolge von Erwärmung des Transistors bzw. infolge von Streueinflüssen auf den Sekundärstrom beträgt somit nur ein Zehntel gegenüber der bekannten Anordnung. Aufgrund der wesentlich stärkeren Neigung bewirkt eine Veränderung der Basis-Emitter-Schwellenspannung des ersten Schalttransistors lediglich eine geringfügige Verschiebung des Einschalt-Zeitpunktes Te,„ und somit eine nur geringfügige Frequenzänderung und damit Änderung des Ladestromes.In Fig. 3, however, the switching behavior of the first switching transistor 1 is shown in the electronic switching power supply according to the invention. As can be clearly seen from the illustration, the voltage difference during the charging time Γ of the feedback capacitor until the point in time T em c & is switched on again. 3 volts. The effect of changing the base-emitter voltage of the first switching transistor z. B. as a result of heating of the transistor or as a result of stray influences on the secondary current is thus only a tenth compared to the known arrangement. Because of the much greater inclination, a change in the base-emitter threshold voltage of the first switching transistor causes only a slight shift in the switch-on time T e , " and thus only a slight change in frequency and thus a change in the charging current.
Wie aus der Beschreibung der Schaltungsanordnung und der Funktionsweise deutlich hervorgeht, wird die Sicherung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Schaltnetzteiles unter Einhaltung eines konstanten Sekundärstromes und einer konstanten Ladefrequenz mit nur einer zusätzlichen Diode 11 sowie zur Zwischensiebung einer Zenerdiode 12 erzielt Damit ist jedoch gegenüber den bekannten Schaltnetzteilen ein sicherer Schutz des Nickel-Cadmium-Akkumulators gegenüber einem zu hohen Ladestrom gegeben bzw. sichergestellt, daß der Ladestrom gegeben bzw. sichergestellt, daß der Ladestrom des Akkumulators stets in den engen Grenzen zwischen der Erhaltungsladung und einem den Akkumulator gefährdenden Ladestrom liegtAs is clear from the description of the circuit arrangement and the mode of operation, the Securing the functionality of the switched-mode power supply according to the invention while maintaining a constant secondary current and a constant charging frequency with only one additional diode 11 and for intermediate screening a Zener diode 12 is achieved with this, however, compared to the known switched-mode power supplies Protection of the nickel-cadmium battery against excessive charging current is given or ensured, that the charging current is given or ensured that the charging current of the accumulator is always within the narrow limits lies between the trickle charge and a charging current that could endanger the accumulator
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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