DD299410A7 - Schaltnetzteil mit schutz zur begrenzung einer ausgangsspannung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit Schutz zur Begrenzung einer Ausgangsspannung und einer Ansteuereinrichtung zum Ansteuern eines Schalttransistors, ueber den eine Gleichspannung periodisch an eine Primaerwicklung eines UEbertragers schaltbar ist, wobei der UEbertrager mindestens eine Sekundaerwicklung aufweist, an der ueber eine Gleichrichteranordnung die Ausgangsspannung abgreifbar ist. Im Stoerungsfall kann sich die Ausgangsspannung von Schaltnetzteilen in Fernsehempfaengern soweit erhoehen, dasz die zulaessige Hochspannung an der Bildroehre ueberschritten wird. Dabei kommt es vor, dasz die Roentgenstrahlen-Grenzwerte gefaehrlich ueberschritten werden. Um dies zu vermeiden wird vorgeschlagen, einen avalanchefesten MOS-Transistor als Schalttransistor im Schaltnetzteil vorzusehen. Das Schaltnetzteil wird so dimensioniert, dasz zwischen dem sicheren Dauerbetrieb des Schaltnetzteils und der Zerstoerungsgrenze des MOS-Transistors eine Spannungssicherheit von 10% bis 20% vorgesehen ist. Fig. 2{Schaltnetzteil; Ausgangsspannungsbegrenzung; Bildroehrenhochspannung; Roentgenstrahlen-Grenzwerte; avalanchefester MOS-Transistor; Spannungssicherheit}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit Schutz zur Begrenzung einer Ausgangsspannung und einer Ansteuereinrichtung zum Ansteuern eines Schalttransistors, über den eine Gleichspannung periodisch an eine Primärwicklung eines Übertragers schaltbar ist, wobei der Übertrager mindestens eine Sekundärwicklung aufweist, an der über eine Gleichrichteranordnung die Ausgangsspannung abgreifbar ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Tochnik

Eine solche Schaltungsanordnung ist z. B. aus der DE-AI-3341074 bekannt. Zum Schutz vor einer zu hohen Spannung auf der Sekundärseite des Schaltnetzteiles ist dort ein Thyristor vorgesehen, der bei einem zu hohen Strom auf der Primärseite den Schalttransistor periodisch sperrt.

Es ist weiterhin bekannt, die Ausgangsspannung von Schaltnetzteilen mit einem Regelkreis zu stabilisieren. Die Erfassung der Regelgröße bzw. Regelabweichung kann über eine Regelwicklung am Übertrager des Schaltnetzteiles - vgl. Siemens Produktinformation ,ICs für die Unterhaltungselektronik, SNTs", Ausgabe 8.87 - oder über einen Optokoppler erfolgen. Über eine Steuer- und Überwachungseinrichtung wird der Schalttransistor in Abhängigkeit von der ermittelten Regelgröße bzw. Regelabweichung angesteuert.

Ist bei diesen bekannten Schaltungsanordnungen aber der Regelkreis gestört, so kann sich die Ausgangsspannung des Schaltnetzteiles auf unzulässige Werte erhöhen. Bei einem Anstieg der Ausgangsspannung von 20 bis 40% bleiben die Signalverarbeitungsstufen der Steuer- und Überwachungseinrichtung funktionsfähig, da deren Versorgungsspannungen üblicherweise nachstabilisiert sind. Wenn aber die nichtstabilisierte Versorgungsspannung der Zeilenablenkschaltung (Η-Ablenkung) um diesen Prozentsatz ansteigt, so steigt im gleichen Verhältnis auch die Hochspannung an deV Bildröhre des Fernsehgerätes an, z. B. von 25 auf 35 kV. Das Fernsehbild erscheint dem Betrachter leicht vergrößert, aber scharf, so daß das Gerät üblicherweise weiter benutzt wird. Die Röntgenstrahlen-Grenzwerte werden somit in gefährlicher Weise überschritten. Die Röntgenstrahlen-Verordnung in den einzelnen Ländern schreibt deshalb sichere Schutzschaltungen vor, die das Hochlaufen der Hochspannung an der Bildröhre des Fernsehgerätes verhindert. In der Bundesrepublik Deutschland liegt der Grenzwert der zulässigen Röntgenstrahlung von Fernsehgeräten z. B. bei 3OkV.

Das Hauptproblem liegt darin, daß die heute üblicherweise in Schaltnetzteilen und H-Ablenkschaltungen der Zeilenendstufe verwendeten Bipolartransistoren einen sehr großen Sicherheitsabstand in der Spannungsfestigkeit aufweisen. Zum Beispiel wird der Bipolartransistor BU 508 im Schaltnetzteil mit ca. 700 V und in einer 90°-Zeilenendstufe mit ca. 950 V betrieben. Die Grenzdaten dieses Bipolartransistors BU 508 sind 1500 V, und die Zerstörungsgrenze liegt bei 1700 bis 1800 V. Dies bedeutet, daß die Endstufen fast nie durch Überspannung ausfallen, aber bei gestörter Regelspannung gefährlich hohe Ausgangsspannungen des Netzteils und damit zu hohe Hochspannungen an der Bildröhre und damit gefährlich hohe Röntgenstrahlen auftreten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen sicheren Schutz für ein Schaltnetzteil zu gewährleisten und ein Überschreiten der Röntgenstrahlen-Grenzwerte bei einem Fernsehgerät zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungeanordnung für ein Schaltneuteil anzugeben, mit der ein unzulässiges Ansteigen der Ausgangsspannung zuverlässig und mit geringstem Aufwand vermieden werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Schalttransistor ein avalanchefestor MOS-Transistor Ist, wobei das Schaltnetzteil so dimensioniert ist, daß zwischen dem sicheren Dauerbetrieb des Schaltnetzteils und der Zerstörungsgrenze des avalanchefesten MOS-Transistors eine Spannungssicherheit von 5% bis 20% vorgesehen ist.

Durch das erfindungsgemäße Schaltnetzteil wird die Betriebssicherheit des Schaltneuteils höher oder zumindest gleich hoch wie bei einem Bipolartransistor mit 100%iger Spanr.ungsslcherheit oder bei einem MOS-Transistor bei 40%iger Spannungssicherheit.

Durch äußere Einflüsse, wie z. B. Bildröhrenüberschläge, blitzbedingte Überspannungen oder Synchronisationsstörungen im Schaltnetzteil können einmalige sehr hohe Sperrspannungsspitzen im Schaltnetzteil auftreten. Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß diese Sperrspannungsspitzen für avalanchefeste MOS-Transistoren, welche z.B. aus der Deutschen Patentanmeldung P 3718912.3 bekannt sind, ungefährlich sind und werden - ähnlich wie bei einer Leistungszenerdiode - sicher begrenzt. Dabei dürfen durchaus Stromspitzen in der Größenordnung bis zu einigen Ampere auftreten. Wichtig ist, daß die durch den Begrenzungseffekt hervorgerufene Verlustleistung nicht zu einer Temperaturüberschreitung über die Grenzwerte des avalanchefesten SIPMOS® führt.

Einmalige Spannungsspitzen am avalanchefesten SIPMOS*-Transistor, selbst wenn die Spitzenleistung im KVA-Bereich liegt, sind also erfindungsgemäß zulässig. Wird dagegen die zulässige Drain-Source-Spannung des avalanchefesten SIPMOS⁹-Transistors periodisch bei jedem Impuls überschritten, so wird er durch die auftretende Verlustleistung sehr schnell überhitzt und zerstört. Bei solchen avalanchefesten MOS-Transistoren, wie z.B. avalanchefeste SIPMOS^-Transistoren, liegt die Zerstörungsgrenze bei der „Zenergrenze". Damit wird auch bei einem Ausfall des Regelkreises wirksam verhindert, daß die Ausgangsspannung des Schaltnetzteiles um mehr als die bei der Entwicklung vorgegebenen 5% bis 20% überschritten wird.

Dies stellt einen sichoren Schutzmechanismus für das Schaltnetzteil dar, der ohne jeglichen zusätzlichen Bauelementeaufwand zu realisieren Ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird im folgenden anhand von vier Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1: einen Spannungsverlauf am Lastkreis eines Schalttransistors in einem Schaltnetzteil bei Normalbetrieb im .vngeschwungenen Zustund mit zulässiger Sperrspannung bei einem Bipolartransistor, MOS-Transistor und einem erfindungsgemäß avalanchefbSten MOS-Transistor,

Fig.2: eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eines Schaltnetzteiles mit avalancheiestem SIPMOS®-Transistor, Fig.3: die Drain-Source-Spannung bei einem avalanchefesten SIPMOS^e-Transistor in einem Schaltnetzteil bei periodischer

Begrenzung und Fig.4: die Drain-Source-Spannung bei einem avalanchefesten SIPMOS®-Transiator in einem Schaltnetzteil bei völliger Begrenzung.

Fig. 1 zeigt den typischen Spannungsverlauf am Lastkreis dos Schalttransistors in einem Schaltnetzteil bei Normalbetrieb im eingeschwungenen Zustand. Wird als Schalttransistor ein Bipolartransistor eingesetzt, so bezeichnet 4 die Kollektor-Emitter-Spannung Uce dieses Bipolartransistors bzw. bei einem MOS-Transistor dessen Drain-Source-Spannung U_Ds· Nach dem Abschalten des Schaittransistors treten die in Fig. 1 dargestellten Überschwinger auf. Un bezeichnet die am Schalttransistor abfallende Spjtzdnsparrspannung bei Normalbetrieb und einer bestimmten vorgegebenen Eingangsspannung des Schaltnetzteiles. Bei einer Wechselspannung von 220 V am Eingang des Schaltnetzteiles liegt U_n z. B. bei 500 V^ Wird als Schalttransistor ein Bipolartransistor eingesetzt, so muß eine Spannungssicherheit von 50% bis 100% vorgesehen werden. Das heißt, daß die zulässige Kollektor-Emitter-Spannung U_Ces etwa 50% bis 100% höher als die am Bipolartransistor bei Normalbetrieb auftretende Spannung gewählt werden muß. Dies ist deswegen notwendig, weil ein Bipolartransistor durch eine einmalige die zulässige Kollektor-Emitter-Spannung U_Ces überschreitende Spannungsspitze zerstört wird. Auch normale MOS-Transistoren werden durch einmalig kurzes Überschreiten der zulässigen Drain-Source-Spannung U_DSS sofort zerstört. Deshalb muß eine ähnlich hohe Spannungssicherheit bei der Entwicklung des Schaltnetzteiles mit MOS-Transistoren berücksichtigt werden. Die Spannungssicherheit eines normalen MOS-Transistors liegt bei etwa 40%. Gemäß der Erfindung weist das Schaltnotzteil einen avalanchefesten MOS-Transistor, vorzugsweise einen avalanchefester SIPMOS®-Transistor, auf. Das Schaltnetzteil, insbesondere das Sperrwandlernetzteil, wird so dimensioniert, daß eine SpannungssicherheitzurZerstörungsgrenze des avalanchefesten SIPMOS*-Transistors von nur 5% bis 20% vorgesehen ist. Die Zenerspannung des avalanchefesten SIPMOS*-Transistors ist in Fig. 1 mit U_2lv,,_lnch, bezeichnet.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Sperrwandlerschaltnetzteil dargestellt. Dieses Schaltnetzteil ist bereits in der Produktinformation von Siemens, ICs für die Unterhaltungselektronik, SNTs, Ausgabe 8.87 auf Seite 57 beschrieben. Im Gegensatz zum dort verwendeten normalen SIPMOS®-Transistor BUZ 90 wird erfindungsgemäß ein avalanchefester SIPMOS*-Tra.nsistor verwendet. Dieser avalanchefeste SIPMOS®-Transistor ist z. B. unter der Bezeichnung BUZ 90* bekannt. Dieser avalanchefeste SIPMOS®-Transistor BUZ 90* hat eine zulässige Drain-Source-Spannung von 600 V und eine Zenerspannung U_Zlv,i_anch, von ca. 630V, d. h., daß bei dauerhaftem Überschreiten dieser 630 V der avalanchefeste SIPMOSe-Transistor zerstört wird. Das Schaltnetzteil ist für Eingangsspannungen von 90 bis 250V ausgelegt und weist eine integrierte Steuer- und Überwachungseinrichtung IC, z. B. die integrierte Schaltung TDA 4605, zur Ansteuerung des avalanchefesten SIPMOS*-Transistors TO auf.

Außerdem Ist die Schaltungsanordnung so dimensioniert, daß eine Spannungssicherheit zur Zerstörungsgrenze des avalanchefesten SIPMOS*-Transistors TO von 5% bis 20% vorgesehen lot. Dies geschieht durch die Dimensionierung des Transformators (Windungszahlverhältnis, Kopplungsfaktor) und der Beschallung des Rückschlagkreises. Mit der Bedämpfungskombination, bestehend aus der Diode D3, dem Widerstand R7 und dem Kondensator C7, können die oben bereits angesprochenen Überschwinger der Spannung im Schaltnetzteil begrenzt werden.

Im folgenden ist eine bevorzugte Dimensionierung der Bauelemente des in Fig. 2 dargestellten Sperrwandlerschaltnetzteiles angeführt:

R1 2200hm C1 3,9 nF

R2 8,2kOhm C2 1pF

R3 270kOhm C3 1nF

R 4 750kOhm C 4 47pF/25V

R5.R11 4,7kOhm C5 22OnF R6 22kOhm C6 1S0pF/83V

R7,R9 10kOhm C7 33nF

R 8 lOOkOhm C8 27OpF

R10 1000hm C9 2,2nF

D1 1N4148 C10 47uF/250V

D2 1 N 4148 C11 1000MF/25V

D3,D4,BYW76 C12 470mF/25V

NTC S 231 D 5, D 6, BYW

ICTDA4605 D7-D10 1N4007

TO BUZ 90» P2,2kOhm

Trafo TD 3202

Si F 0,8 A

An den Ausgangsklemmen des Schaltnetzteiles liegt am Verbindungspunkt des Kondensator C10 und der Diode D4 bei Normalbetrieb eine gleichgerichtete Spannung von 124V an, während am Verbindungspunkt der Diode D5 und des Kondensators C11 16V und am Verbindungspunkt der Diode D6 und des Kondensators D12 9 V anliegen. In Fig. 3 ist die Drain-Source-Spannung Sam erfindungsgemäß avalanchefesten SIPMOS®-Transistors bei erhöhter Eingangsspannung dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 4 ist wieder die Drain-Source-Spannung bei Normalbetrieb bezeichnet. Die auftretenden hohen Sperrspannungsspitzen werden am avalanchefesten SIPMOS*-Transistor ähnlich wie bei einer Leistungszenerdiode begrenzt. Im avalanchefesten SIPMOS®-Transistor entsteht eine hohe Verlustleistung. Treten die hohen Sperrspannungsspitzen nur kurzzeitig (Minutenbereich) auf, so wird der avalanchefeste SIPMOS^e-Transistor nicht beschädigt. Uz.v.i.nch· bezeichnet, wie bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 erläutert, die Zenerspannung am avalanchefesten SIPMOS®- Transistor. In Fig.4 ist die Drain-Source-Spannung 6 am avalanchefesten SIPMOS*-Transistor bei totaler Begrenzung dargestellt. Der

avalanchefeste SIPMOS*-Transistor weist eine sehr hohe Verlustleistung auf und wird schnell zerstört. Dadurch ist es nichtmöglich, daß auch bei ausgefallenem Regelkreis des Schaltnetzteiles die Ausgangsspannung um mehr als die bei der

Entwicklung des Schaltnetzteiles vorgegebenen 5% bis 20% überschritten wird. Damit wird es aber unmöglich, daß die Röntgenstrahl-Grenzwerte am Fernsehgerät überschritten werden. Es ist noch anzumerken, daß das erfindungsgemäße Schaltnetzteil natürlich nicht allein auf die Verwendung In Bildschirmgeräten beschränkt ist. Vielmehr kann das hier vorgestellte Schaltungskonzept überall dort in Schaltnetzteilen

eingesetzt werden, in denen die Ausgangsspannung nicht überschritten werden darf, wie z. B. in Computern etc.

In Betracht gezogene Druckschriften:

DE-OS 3341074

Siemens-Produktinformation „ICs für die Unterhaltungselektronik, SNTs" Ausgabe 08.87

Claims (3)

1. -1- 299 4ϊΟ Patentansprüche:

   1. Schaltnetzteil mit Schutz zur Begrenzung einer Ausgangsspannung und olner Ansteuereinrichtung zum Ansteuern eines Schalttransistors, über den eine Gleichspannung periodisch an eine Primärwicklung eines Übertragers schaltbar ist, wobei der Übertrager mindestens eine Sekundärwicklung aufweist, an der über eine Gleichrichteranordnung die Ausgangsspannung abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor ein avalanchefester MOS-Transistor ist, wobei das Schaltnetzteil so dimensioniert ist, daß zwischen dem sicheren Dauerbetrieb des Schaltnetzteils und der Zerstörungsgrenze des avalanchefesten MOS-Transistors eine Spannungssicherheit von 5% bis 20% vorgesehen ist.
2. 2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximal zulässige Spannung (Zenerspannung) U_zavalanche des avalanchefesten MOS-Transistors um 5% bis 20% über der im Normalbetrieb des Schaltnetzteiles auftretenden Drain-Source-Spannung (4) am avalanchefesten SIPMOS®-Transistors liegt.
3. 3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem Bildschirmgerät.