DE19649403C2 - Schaltnetzteil mit Regelung der Ausgangsspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Schaltnetzteile werden bekanntlich verwendet, um aus einer gleichgerichteten Netzwechselspannung eine oder mehrere un­ terschiedliche Ausgangsgleichspannungen lastunabhängig zu er­ zeugen. Hierzu wird die primärseitige gleichgerichtete Wech­ selspannung über ein Schaltelement taktweise an die Primär­ wicklung eines Transformators gelegt. An der Sekundärwicklung ist nach Gleichrichtung und Glättung die Ausgangsspannung ab­ greifbar.

Die Ausgangsspannung wird durch die Taktsteuerung des Schalt­ elements geregelt. In der DE-A-44 07 709 wird hierzu an ei­ ner weiteren Primärwicklung ein Regelsignal abgegriffen, in Abhängigkeit dessen die Taktfrequenz und somit die sekundär­ seitige Ausgangsspannung geregelt werden. Problematisch ist die nur ungenügende Kopplung zwischen primärseitiger Regel­ wicklung und sekundärseitiger Lastwicklung. Dies führt dazu, daß bei Lastwechseln die Ausgangsspannung nicht im erforder­ lichen Maße konstant gehalten werden kann.

Bei der im oben genannten Dokument gezeigten Schaltung ist eine sogenannte Strompumpe für sinusförmige Stromaufnahme vorgesehen. Durch die Strompumpe werden Einflüsse der Netz­ frequenz verstärkt. Die Ausgangsspannung ist deshalb mit ei­ nem Netzbrummanteil überlagert, der wegen des primärseitigen Abgriffs der Regelspannung nicht vollständig ausgeregelt wird.

Zur Abhilfe kann die Regelspannung sekundärseitig abgegriffen werden, wie beispielsweise im deutschen Gebrauchsmuster G 94 10 995 gezeigt. Zur Übertragung des Regelsignals auf die pri­ märseitig angeordnete Steuerungseinrichtung ist ein Optokopp­ ler erforderlich. Ein Optokoppler-Bauelement ist jedoch rela­ tiv teuer. Diese Lösung ist demnach unwirtschaftlich.

Aus der JP 59-178969 (8) in: Patents Abstracts of Japan, Section I, 1985, Vol. 9, Nr. 35 (E-296) ist ein Gleichspannungskonverter bekannt, der neben einer Primär- und Sekundärwicklung eine dritte und eine vierte Wicklung aufweist. Schwankungen der Ausgangsspannung des Konverters werden mit einer Referenzspannung verglichen. Die Vergleichsspannung wird von einer sekundärseitigen dritten Wicklung zur vierten Wicklung auf der Primärseite übertragen, um einen Schalttransistor, der mit der Primärwicklung verbunden ist, zu steuern.

In der EP 3 332 095 A2 ist ein Schaltnetzteil offenbart, dessen vier Wicklungen eines Transformators den mittleren Schenkel eines E-Kerns umgeben. In Abhängigkeit von der Ausgangsspannung wird ein Zeitsteuersignal erzeugt, das auf der Sekundärseite des Transformators abgeleitet und zum Schalttransistor auf der Primärseite übertragen wird. Dabei wird durch Kurzschließen einer Sekundärwicklung eine Primärstromerhöhung erreicht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Schaltnetzteil der eingangs genannten Art anzugeben, das eine möglichst gute geregelte Ausgangsspannung bei geringeren Herstellungskosten erzeugt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Schaltnetzteil nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Schaltnetzteil wird ein Optokoppler gespart. Die Übertragung der Regelinformation von der Sekun­ där- auf die Primärseite erfolgt durch eine unsymmetrische Verlagerung des Magnetfelds des Transformators zwischen den Außenschenkeln des Transformatorkerns. Die Ableitung des Re­ gelsignals setzt direkt an der zu regelnden Ausgangsspannung an, so daß auch Lastwechsel und der Netzbrumm gut ausgeregelt werden. Die auf den Außenschenkeln anzubringenden Wicklungen sind im allgemeinen einfach und automatisiert herstellbar und somit kostengünstig.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Figur ist ein Schaltnetzteil gezeigt, das aus einer eingangs­ seitigen Netzwechselspannung UI ausgangsseitig eine geregelte Ausgangsspannung U1 erzeugt. Das Schaltnetzteil enthält einen Transformator 1 mit einem E-förmigen Transformatorkern 2, um dessen mittleren Schenkel 20 herum Primär- und Sekundärwick­ lungen 23 angeordnet sind. Der Mittelschenkel enthält zweck­ mäßigerweise einen quer zur Schenkellängsrichtung ausgerich­ teten Luftspalt. Der Primärwicklung wird die über einen Brüc­ kengleichrichter 3 gleichgerichtete Netzwechselspannung mit­ tels eines Schalttransistors 4 taktweise zugeführt. Der Schalttransistor 4 wird von einer Steuerungseinrichtung 5 zur Steuerung seiner Ein- und Ausschaltphasen angesteuert. An die Sekundärwicklung sind eine Gleichrichterdiode 6 sowie ein Glättungskondensator 7 angeschlossen, an dem die Ausgangs­ gleichspannung U1 anliegt. Damit die Ausgangsspannung U1 la­ stunabhängig möglichst konstant ausgeregelt wird, wird der Steuerungseinrichtung 5 an einem Anschluß 8 ein Regelsignal zugeführt. Davon abhängig erfolgt die Taktsteuerung des Schalttransistors 4. Bei Schaltnetzteilen nach dem frei­ schwingenden Prinzip wird durch das Regelsignal die Ein­ schaltdauer des Schaltransistors 4 festgelegt, die Ausschalt­ dauer wird durch den Entmagnetisierungszustand des Transfor­ mators bestimmt. Bei festfrequentem Betrieb wird durch das Regelsignal das Tastverhältnis des Einschalttaktes festge­ legt.

Das Regelsignal am Anschluß 8 der Steuerungseinrichtung 5 wird sekundärseitig abgegriffen und über den Transformator 1 auf die Primärseite übertragen. Hierzu ist eine Wicklung 24 vorgesehen, die um einen Außenschenkel 22 des E-förmigen Transformatorkerns gewickelt ist. Die Wicklung 24 ist auf der Sekundärseite angeschlossen. Um den anderen Außenschenkel 21 des E-förmigen Transformatorkerns ist eine Wicklung 25 ange­ ordnet. Diese ist primärseitig zur Auskopplung des Regelsi­ gnals angeschlossen. Regelinformation wird von der Sekundär- auf die Primärseite übertragen, indem der Strom durch die Wicklung 24 sekundärseitig moduliert wird, wodurch das Ma­ gnetfeld in entsprechender Weise unsymmetrisch zwischen den Außenschenkeln 21, 22, des Transformators verlagert wird und somit ein entsprechend moduliertes Spannungssignal an der Wicklung 25 primärseitig abgegriffen wird. Durch den Luftspalt im Mittelschenkel des Transformators wird dessen magnetischer Widerstand erhöht und die Verlagerung des Ma­ gnetfelds begünstigt.

Die Anschlüsse der sekundärseitigen Wicklung 24 sind über ei­ ne Diode 10, einen Strombegrenzungswiderstand 11 sowie die Kollektor-Emitter-Strecke eines Bipolartransistors 12 mitein­ ander zu einem Stromkreis verbunden. Anstelle eines Bipolar­ transistors kann auch ein MOS-Transistor verwendet werden. Der Emitter des Transistors 12 (bzw. der Sourceanschluß eines entsprechenden MOS-Transistors) ist über eine Zenerdiode 13 mit einem Sekundärmasseanschluß 14 verbunden und über einen Widerstand 15 mit einem Anschluß für eine weitere, sekundär­ seitig erzeugte Spannung U2. Der Basisanschluß des Transi­ stors 12 wird über einen Spannungsteiler 16, 17 von der zu regelnden Ausgangsspannung U1 angesteuert. Wenn das von der Ausgangsspannung U1 über den Spannungsteiler 16, 17 abgelei­ tete Signal die von der Zenerdiode 13 und des Transistors 12 gebildete Schwellenspannung übersteigt, wird die Wicklung 24 über die Elemente 10, 11, 12 kurzgeschlossen. Zur Ar­ beitspunkteinstellung der Zenerdiode 13 wird dieser über den Widerstand 15 ein Strom aus der Spannung U2 zugeführt. Bei Anwendung des Schaltnetzteils in einem Fernsehgerät ist die Spannung U2 eine niedrige, ansonsten noch zur Versorgung von Signalverarbeitungsschaltungen geeignete Spannung, die bei etwa 10 Volt liegt. Die Spannung U1 ist die üblicherweise zur Ansteuerung der Zeilenendstufe für die Bildröhre vorgesehene Spannung in der Größenordnung von 120. . .150 Volt.

Ohne Berücksichtigung der Wicklungen 24, 25 um die Seiten­ schenkel des Transformatorkerns verteilt sich das durch die Primärwicklung um den Mittelschenkel erzeugte Magnetfeld im Kern symmetrisch auf die beiden Seitenschenkel 21 und 22. Das Kurzschließen der Wicklung 24 über die Elemente 10, 11, 12 bewirkt, daß das durch die Primärwicklung um den Mittelschen­ kel 20 erzeugte Magnetfeld unsymmetrisch auf die Seitenschen­ kel 22, 21 aufgeteilt wird. Im Ausführungsbeispiel ist die Wicklung 24 derart orientiert, daß das Magnetfeld im zugeord­ neten Schenkel 22 des Transformatorkerns verringert wird. Der am Wicklungsende dargestellte Punkt deutet an, daß während der Sperrphase des Schalttransistors dort der positive Pol der an der Wicklung 24 induzierten Spannung vorliegt. Durch den in der Wicklung 24 induzierten Strom wird das durch den Schenkel 22 gerichtete Magnetfeld verringert und anstelle dessen in den Schenkel 21 verlagert.

Die in der Wicklung 25 induzierte Spannung wird dadurch er­ höht. Diese wird an einem Anschluß der Wicklung 25 über eine Gleichrichterdiode 27 und einen Glättungskondensator 28 aus­ gekoppelt und über einen Spannungsteiler 29, 30 dem Anschluß 8 der Steuerungseinrichtung 5 für das Regelsignal zugeführt. Der andere Anschluß der Wicklung 25 ist mit Primärmasse 31 verbunden. Die Wicklung 25 ist derart orientiert, daß an de­ ren gleichrichterseitigem Anschluß während der Sperrphase des Schalttransistors 4 der positive Pol der induzierten Spannung anliegt, was durch einen Punkt markiert ist.

Während bei der Wicklung 24 während der Sperrphase der posi­ tive Spannungspol an dem dem Sekundärmasseanschluß zugewand­ ten Wicklungsanschluß entsteht, entsteht der positive Span­ nungspol bei der Wicklung 25 am vom Primärmasseanschluß abge­ wandten Wicklungsanschluß. Die Wicklungen 24, 25 weisen ge­ gensinnige Wicklungsorientierung auf.

Die Anzahl der Windungen der Wicklung 24 hängt vom Stromer­ fordernis ab, welches zum Betreiben der daran angeschlossenen Schaltungselemente erforderlich ist sowie von dem Maß, wel­ ches für die Verlagerung des Magnetfelds in den Seitenschen­ keln gewünscht ist. Es hat sich gezeigt, daß mit zunehmender Windungsanzahl der Strom durch die Wicklung 24 abnimmt und die Wicklung hochohmiger wird, wobei die Wirkung der Magnet­ feldverlagerung zunimmt. Die Anzahl der Wicklungen der Win­ dung 25 hängt von der für die weitere Verarbeitung erforder­ lichen Höhe des Regelsignals ab.

Während der Anlaufphase des Schaltnetzteils ist die Spannung U1 niedriger als die durch die Zenerdiode 13 in Zusammenwir­ ken mit der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 12 einge­ stellten Schwellspannung. Der Transistor 12 ist gesperrt, durch die Wicklung 24 fließt kein Strom. Das Magnetfeld im Transformator ist symmetrisch auf die beiden Seitenschenkel 21, 22 verteilt. An der Wicklung 25 wird eine niedrige Span­ nung erzeugt, so daß die Steuerungseinrichtung 5 veranlaßt wird, den Schalttransistor 4 derart taktzusteuern, daß die Ausgangsspannung U1 zunimmt. Liegt die Ausgangsspannung U1 über den durch den Transistor 12 und die Zenerdiode 13 gebil­ deten Schwellwert, wird die Wicklung 24 über die Elemente 10, 11, 12 kurzgeschlossen, so daß im Schenkel 21 des Transforma­ torkerns ein höheres Magnetfeld entsteht als im Schenkel 22 und in entsprechender Weise in der Wicklung 25 eine höhere Spannung induziert wird. Dies bedeutet für das Regelsignal am Anschluß 8 der Steuerungseinrichtung 5, daß der Transistor 4 derart taktgesteuert wird, daß die Spannung U1 wieder ab­ nimmt, bis die Spannung U1 unter die durch den Transistor 12 und die Zenerdiode 13 gebildete Schaltschwelle fällt. Der Einschwingvorgang wird solange fortgesetzt, bis das über den Widerstandsteiler 16, 17 aus der Spannung U1 abgeleitete Si­ gnal bei der durch Transistor 12 und Zenerdiode 13 gebildeten Schaltschwelle liegt. Der Transistor 12 ist dann mäßig lei­ tend geschaltet, d. h. weniger leitend als bei voll durchge­ schaltetem Zustand und mehr leitend als bei gesperrtem Zu­ stand. In der Windung 25 wird dann eine solche Regelspannung induziert, die ausreicht, diesen Zustand beizubehalten. Die Ausgangsspannung U1 ist konstant ausgeregelt. Die Spannungs­ regelung ist somit eingeschwungen.

Das Regelsignal wird nur während der Sperrphase des Schalt­ transistors 4 von der Sekundär- auf die Primärseite übertra­ gen. Zusätzlich bietet sich eine Signalübertragung während der Flußphase an, während der der Schalttransistor 4 leitend geschaltet ist. Dann ist eine Übertragung von Information von der Primär- auf die Sekundärseite unter Verwendung der glei­ chen Wicklungen 25, 24 zweckmäßig, die auf der Primärseite an der Wicklung 25 mit entsprechenden Schaltungen wie für die Wicklung 24 vorgesehen eingekoppelt wird und an der Wicklung 24 auf der Sekundärseite ausgekoppelt wird. Zur Informati­ onsübertragung eignet sich beispielsweise ein Fernsteuersi­ gnal, das von einem primärseitigen Infrarotdetektor- und Emp­ fänger empfangen wird und von einem sekundärseitig mit Span­ nung versorgten Befehlsdecoder ausgewertet wird.

Claims (6)

1. Schaltnetzteil mit einem Schaltelement (4), durch das eine gleichgerichtete Wechselspannung (UI) taktweise an eine Primärwicklung eines Transformators (1) anlegbar ist, an dessen Sekundärwicklung eine gleichgerichtete zu regelnde Ausgangsspannung (U1) abgreifbar ist, und mit einer Steuereinrichtung (5), durch die das Schaltelement (4) in Abhängigkeit von einem Regelsignal taktsteuerbar ist, wobei der Transformator (1) einen E-förmigen Kern (2) enthält, dessen mittlerer Schenkel (20) von der Primär- und der Sekundärwicklung (23) umgeben ist, wobei eine einen Außenschenkel (22) des E-förmigen Kerns (2) umgebende erste Wicklung (24), die von einem in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (U1) steuerbaren Strom durchfließbar ist, und mindestens eine weitere einen anderen Außenschenkel (21) des E-förmigen Kerns (2) umgebende zweite Wicklung (25), von der das Regelsignal ableitbar ist, vorgesehen sind.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen sekundärseitigen Strompfad, der die erste Wicklung (24) sowie einen Transistor (12) enthält, der von der zu regelnden Ausgangsspannung (U1) ansteuerbar ist.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse der ersten Wicklung (24) über eine Diode (10), einen Widerstand (11) und den Hauptstrompfad eines Transi­ stors (12) miteinander verbunden sind, daß der Emitter oder Sourceanschluß des Transistors (12) über eine Zenerdiode (13) mit Sekundärmasse (14) und über einen Widerstand (15) mit ei­ ner sekundärseitig erzeugbaren Gleichspannung (U2) gekoppelt ist und daß der Transistor (12) über einen Spannungsteiler (16, 17) von der zu regelnden Spannung (U1) gesteuert wird.

4. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wicklung (25) an einem Ende mit Primärmasse (31) gekoppelt ist und an einem anderen Ende an ein Mittel zur Gleichrichtung (27) und Glättung (28), an dem das Regelsignal abgreifbar ist.

5. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungssinn der ersten und zweiten Wicklungen (24, 25) entgegengesetzt orientiert ist.

6. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Schenkel (20) des Transformators (1) einen Luftspalt enthält.