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Die Erfindung bezieht sich auf einen Schaltwandler zur Umwandlung einer Eingangswechsel- spannung in eine Ausgangsgleichspannung, mit einem Gleichrichter für die Eingangswechsel- spannung und einem nachgeschalteten Zwischenkreiskondensator für die erzeugte Zwischenkreis- spannung, mit einem von einer Ansteuerschaltung gesteuerten Schalter, über welchen die Zwi- schenkreisspannung an eine Primärwicklung eines Übertragers legbar ist, und mit einem einer Sekundärwicklung nachgeordneten Sekundärgleichrichter und einem Glättungskondensator zur Erzeugung der Ausgangsgleichspannung, wobei der Ansteuerschaltung ein Steuersignal zugeführt ist, welches zumindest eine Regelgrösse enthält.
Schaltwandler dieser Art werden in grosser Stückzahl zur Stromversorgung elektronischer Ge- räte eingesetzt, aber auch immer häufiger für geregelte Lichtquellen, z. B. LED-Arrays.
Die Ansteuerschaltung erzeugt ein pulsbreitenmoduliertes Signal für den (oder die) gesteuerten Schalter, z. B. einen Feldeffekttransistor, wobei das Steuersignal im Sinne einer Regelung auf konstante Ausgangsspannung und/oder konstanten Ausgangsstrom und/oder zur Begrenzung des Ausgangs- bzw. Eingangsstroms oder ggf. der Leistung erzeugt wird.
Ohne besondere Massnahmen ist die Stromaufnahme solcher Schaltwandler aus dem Wech- seistromnetz nicht sinusförmig; vielmehr weist der Eingangsstrom einen hohen Oberwellengehalt auf. Gesetzliche Vorschriften und Normen fordern seit längerer Zeit eine weitgehend sinusförmige Stromaufnahme bei Schaltwandlern, insbesondere solchen für Beleuchtungszwecke.
Zur Erzielung eines sinusförmigen Eingangsstroms ist eine Multiplikation von zwei Grössen er- forderlich, da zumindest zwei Grössen, nämlich die Kurvenform des Eingangsstroms und z. B. die Ausgangsspannung gleichzeitig durch die Steuerung einer dritten Grösse, nämlich des Tastverhält- nisses, geregelt werden müssen. Die genannte Multiplikation kann mit Hilfe spezieller, für diesen Zweck konzipierter integrierter Schaltungen realisiert werden, wobei einfachere und billigere Lö- sungen neben dem Tastverhältnis des Steuersignals auch dessen Frequenz ändern.
Die Lösungen nach dem Stand der Technik sind jedoch insgesamt aufwändig. Bei Lösungen mit variabler Frequenz ist die vorgeschriebene Funkentstörung schwieriger, wodurch der Vorteil einer prinzipiell einfacheren Ansteuerschaltung durch die Kosten für die breitbandigere Entstörung zunichte gemacht werden kann.
Bei Schaltwandlern ist die Verwendung von Optokopplern zur galvanischen Trennung von Se- kundärseite und Primärseite bekannt. Beispielsweise zeigt die JP 10004677 A einen Schaltwand- ler, bei welchem im Falle einer Überspannung an der Sekundärseite eine Photodiode optisch ein Signal an einen Photothyristor abgibt, welcher über einen Steuertransistor den eigentlichen, pri- märseitigen Schalttransistor stilllegt.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Schaltwandlers, der bei weitgehend sinusförmiger Stromaufnahme einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Schaltwandler der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäss die zumindest eine Regelgrösse sekundärseitig einer gesteuerten Lichtquelle zugeführt ist, welche in optischer, jedoch galvanisch getrennter Verbindung mit zumindest einem Fotowiderstand steht und der Fotowiderstand Teil eines Spannungsteilers für die Zwischenkreis- spannung ist, wobei die geteilte, einen Gleich- und einen Wechselspannungsanteil enthaltende Spannung als Stammsignal der Ansteuerschaltung zugeführt ist.
Dank der Erfindung lässt sich bei einfachstem Aufbau eine weitgehend sinusförmige Netz- stromaufnahme erzielen, selbst dann, wenn die Ansteuerschaltung mit konstanter Schaltfrequenz arbeitet.
Wegen der besonderen Einfachheit ist es zweckmässig, wenn der Spannungsteiler für die Zwi- schenkreisspannung aus einem Vorwiderstand und dem Fotowiderstand besteht.
Wenngleich andere gesteuerte Lichtquellen nicht auszuschliessen sind, ist es besonders vor- teilhaft, falls die gesteuerte Lichtquelle eine Leuchtdiode ist.
Bei einem Schaltnetzteil zur Versorgung einer Lichtquelle empfiehlt es sich, wenn der zumin- dest eine Fotowiderstand in optischer Verbindung mit der Lichtquelle steht. Auf diese Weise kann im Rahmen der Erfindung eine automatische Helligkeitsregelung erreicht werden.
Vor allem im Sinne einer vereinfachten Entstörung ist es auch empfehlenswert, dass die An- steuerschaltung den gesteuerten Schalter mit konstanter Frequenz schaltet.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungs- formen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen
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" Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und " Fig. 2 in einer Darstellung wie Fig. 1, jedoch bei weggelassenem Primärteil eine zweite Aus- führungsform der Erfindung.
Gemäss Fig. 1 besitzt ein Schaltwandler nach der Erfindung einen Übertrager UTR mit einer Primärwicklung W1 und einer Sekundärwicklung W2. Dies ist der einfachste Fall und es ist für den Fachmann auf dem Gebiet von Schaltnetzteilen klar, dass aus unterschiedlichen Gründen mehr als nur eine Primär- und/oder Sekundärwicklung vorgesehen sein kann, ebenso wie Wicklungen mit Anzapfungen, etc.
Eine Eingangswechselspannung UE, z.B. 230V/50Hz, wird über ein Funkentstörfilter FIL einem Gleichrichter GLR, z. B. einem Brückengleichrichter, zugeführt und die gleichgerichtete Spannung durch einen Zwischenkreiskondensator Cz geglättet. Diese Zwischenkreisspannung ZU wird über einen gesteuerten Schalter S der Primärwicklung W1 des Übertragers UTR zugeführt. Der Schalter S wird von einer Ansteuerschaltung AST angesteuert, die ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersig- nal sa liefert, dessen Tastverhältnis von der Grösse eines der Ansteuerschaltung zugeführten Steu- ersignals Us abhängt.
Sekundärseitig sorgt ein Gleichrichter D, hier eine Diode, für eine Gleichrichtung der an der Wicklung W2 auftretenden Wechselspannung, so dass an einem Glättungskondensator Cg eine Ausgangsgleichspannung UA zur Verfügung steht - je nach Anwendungsfall z. B. 12,24 oder 48 Volt. Die Ausgangsspannung UA, welche natürlich auch höher als die Netzspannung, z.B.
400 V, sein könnte, versorgt eine Last LAS, z. B. ein elektronisches Gerät, einen Motor oder eine Lichtquelle oder einen weiteren Schaltwandler. Der Ausgangsstrom IA kann mit Hilfe eines Mess- widerstandes RM erfasst werden.
Je nach Anwendungsfall kann eine Regelung auf eine oder mehrere Grössen erfolgen. Im vor- liegenden Beispiel wird die Ausgangsspannung UA oder ein Teil derselben in einem Dizzerenz- verstärker KOM mit einer Referenzspannung Ura verglichen, und die resultierende Regelgrösse oder das Regelsignal Su steuert eine Leuchtdiode LED an. Alternativ oder zusätzlich kann durch Ver- gleich des gemessenen Ausgangsstroms IA mit einem Referenzwert U" mittels eines Differenzver- stärkers KOI ein Regelsignal s, erzeugt werden.
Soweit entspricht die Schaltung nach Fig. 1 bekannten Schaltnetzteilkonzepten, seien es Fluss- oder Sperrwandler oder Mischtypen.
Lediglich die Kurvenform der Zwischenkreisspannung ist gegenüber den meisten herkömmli- chen Schaltwandlern unterschiedlich. Überlicherweise sind Zwischenkreiskondensatoren als Elekt- rolytkondensatoren mit hoher Kapazität ausgeführt, sodass die Zwischenkreisspannung bekannter Wandler typisch eine Welligkeit von 2 bis 8 % aufweist. Im Gegensatz dazu entspricht die Zwi- schenkreisspannung bei der Erfindung im wesentlichen dem Absolutbetrag der sinusförmigen Eingangswechselspannung, d. h. die Glättungsfunktion des kleinen Zwischenkreiskondensators Cz bezieht sich nicht auf die Netzfrequenz bzw. die doppelte Netzfrequenz, sondern auf Störungen höherer Frequenzen.
Nach Fig. 1 ist der Leuchtdiode LED ein Fotowiderstand LDR zugeordnet, welcher zusammen mit einem Vorwiderstand Rv einen Spannungsteiler für die Zwischenkreisspannung Uz bildet, wobei die geteilte Spannung als Steuersignal Us der Ansteuerschaltung AST zugeführt ist.
Fotowiderstände sind Widerstände, welche ihren Widerstandswert in Abhängigkeit von der Be- leuchtungsstärke um bis zu 3 oder 4 Grössenordnungen ändern, jedoch stromrichtungsunabhängig sind. Solche Fotowiderstände sind dem Fachmann wohl bekannt und im Handel erhältlich, auch in Kombination mit Leuchtdioden als Optokoppler.
Die Grösse des Steuersignals Us hängt nun einerseits von der Zwischenkreisspannung Uz ab, andererseits - über den Widerstandswert des Fotowiderstandes - von dem Regelsignal Su. Mit RL als Widerstandsmomentanwert von LDR, RL = k Su in erster Näherung ergibt sich über den Span- nungsteiler Rv/RL: us = Uz/R@.k.Su, somit eine Multiplikation der Grössen Uz und Su.
Rv
Für die Zwecke der Erfindung steht der Wechselspannungsanteil von Uz im Vordergrund, da durch Regelung auf diesen eine sinusförmige Stromaufnahme möglich ist. Dazu ist anzumerken, dass die Zwischenkreisspannung Uz, einen relativ kleinen Zwischenkreiskondensator Cz vorausge-
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setzt, im Wesentlichen der Kurvenform der gleichgerichteten Netzspannung folgt. Tatsächlich ist der Kurvenform doppelter Netzfrequenz eine zackige" Kurve geringer Amplitude mit der Schaltfre- quenz der Ansteuerschaltung überlagert, welche jedoch gross gegen die Netzfrequenz ist, was noch mehr für die Oberwellen der Schaltfrequenz gilt.
Der hochfrequente Wechselspannungsanteil des Steuersignals Us an der Zwischenkreisspan- nung Uz kann gegebenenfalls durch einen Kondensator Cp gefiltert werden, welcher parallel zu dem Fotowiderstand LDR liegt. Ebenso sind weitere frequenzkorrigierende Massnahmen an dem Spannungsteiler möglich oder z. B. die Einführung eines Parallelwiderstandes Rp zu dem Fotowi- derstand. Wegen des erforderlichen Wechselspannungsanteils der Zwischenkreisspannung wird der Kondensator Cz keinen sehr hohen Kapazitätswert aufweisen; bei typischen Anwendungsfällen in der Grössenordnung von einem Mikrofarad. Dem Zwischenkreiskondensator kommt de facto die Funktion eines Filterkondensators in beiden Richtungen, zu dem Netz und von dem Netz, zu.
Einerseits hält er die Zwischenkreisspannung Uz während der relativ kurzen Einschaltzeit des Schalters S näherungsweise konstant, d. h. er puffert die relativ hohen, aber kurzen Stromimpulse des Schaltwandlers, die sonst über das Netz fliessen würden. Andererseits unterdrückt er Spikes, Störspannungen oder höherfrequente Anteile, die aus dem Netz kommen und schützt so den Transistorschalter S vor gefährlichen Spannungsspitzen.
Durch die Regelung nicht nur auf eine Ausgangsgrösse, wie auf die Ausgangsspannung und/oder den Ausgangsstrom, sondern auch auf die Zwischenkreisspannung, die einen Wechsel- spannungsanteil besitzt, der einen im wesentlichen dem Betrag eines Sinus entsprechenden Verlauf aufweist, lässt sich eine sinusförmige Stromaufnahme erreichen, was durch die Erfindung beabsichtigt ist.
Die Regelung von Ausgangsstrom und/oder Ausgangsspannung erfolgt mit einer Zeitkonstan- te, die gross gegen die Netzfrequenz ist. Entsprechende RC-Glieder wird der Fachmann z. B. für die Beschaltung der Differenzverstärker seinem Wissen entsprechend vorsehen. Primärseitig kann eine bekannte Strombegrenzung oder eine ncurrent-mode" Topologie vorgesehen sein, wofür ein Messwiderstand Rs oder ein sonstiger Stromfühler vorgesehen sein kann. Das Ausgangssignal dieses Stromfühlers wird der Ansteuerschaltung AST zugeführt.
Bei einer Ausführungsform nach Fig. 2 speist der Schaltwandler mit seiner Ausgangsspannung ein Leuchtdiodenarray DAR, und es wird auf konstanten Ausgangsstrom IA geregelt. Hier besteht eine einfache Möglichkeit, zusätzlich auf konstante Lichtstärke bzw. Beleuchtungsstärke zu regeln, wenn man Licht des Diodenarrays DAR auf den Fotowiderstand LDR fallen lässt. Es könnte auch ein weiterer Fotowiderstand LDR' vorgesehen sein, z. B. in Serie oder parallel zu dem Fotowider- stand LDR, wobei ein Fotowiderstand von dem Differenzverstärker KOI - über die Leuchtdiode LED - angesteuert wird, der zweite Fotowiderstand jedoch von einem Teil des von dem Leuchtdiodenar- ray DAR abgestrahlten Lichtes.
Letztlich ist es auch möglich, ohne die gezeigte Stromregelung (oder Begrenzung) ausschliesslich über die Strecke Array oder Lichtquelle DAR - Fotowiderstand LDR die Beleuchtungsstärke zu regeln.
Primärseitig entspricht die Ausführung nach Fig. 2 natürlich der in Fig. 1 gezeigten, um die si- nusförmige Stromaufnahme zu gewährleisten.
Es ist zu betonen, dass im Rahmen der Erfindung auch weitgehende Modifikationen der ge- zeigten Schaltungen möglich sind, Die Kombination Lichtquelle - Fotowiderstand kann auch ohne galvanische Trennung angewendet werden, falls eine solche nicht erforderlich ist.
Weiters kann ein Schaltwandler nach der Erfindung auch in einer ersten Stufe eines zwei- oder mehrstufigen Wandlerkonzeptes eingesetzt sein.
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