DE10040411A1

DE10040411A1 - Schaltungsanordnung mit geregelter Stromaufnahme zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung aus einer Eingangsspannung

Info

Publication number: DE10040411A1
Application number: DE10040411A
Authority: DE
Inventors: Martin Feldtkeller
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2002-03-07

Abstract

Schaltungsanordnung mit geregelter Stromaufnahme zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung (Uq) aus einer oszillierenden Eingangsspannung (Un), die folgende Merkmale aufweist: DOLLAR A - Eingangsklemmen (EK3, EK4) zum Anlegen einer oszillierenden Eingangsspannung (Un); DOLLAR A - Ausgangsklemmen (AK1, AK2) zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung (Uq) für eine Last (RL); DOLLAR A - eine an die Eingangsklemmen (EK3, EK4) angeschlossene Regelanordnung mit einer Spule (L) und einem in Reihe zu der Spule (L) geschalteten Schalter (S); DOLLAR A - eine zwischen die Regelanordnung und die Ausgangsklemmen (AK1, AK2) geschaltete Gleichrichteranordnung (D, C); DOLLAR A - eine an einen Steuereingang (G) des Schalters (S) angeschlossene Ansteuerschaltung (PWM1; PWM2); DOLLAR A wodurch ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO), dem ein von der Eingangsspannung (Un) und der Ausgangsspannung (Uq) abhängiges Eingangssignal (ES) zugeführt ist und die Ansteuerschaltung (PWM1; PWM2) von einem Ausgangssignal (AS) des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) abhängiges Signal zugeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit geregelter Stromaufnahme zur Bereitstellung einer Aus gangsspannung aus einer Eingangsspannung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Aufgabe derartiger Schaltungsanordnungen, die auch als Power Factor Controller (PFC) bezeichnet werden, ist es, einer Last eine Ausgangsspannung zur Verfügung zu stellen, die sowohl bei Laständerungen als auch bei Änderungen der Eingangsspan nung weitgehend konstant gehalten wird. Die Eingangsspannung ist dabei üblicherweise eine Wechselspannung des Spannungs versorgungsnetzes, bzw. der Betrag dieser Wechselspannung. Darüber hinaus soll die Schaltungsanordnung einen Strom auf nehmen, der zumindest über wenige Perioden der Netzspannung möglichst proportional zu der Eingangsspannung ist. Die Pro portionalität zwischen Eingangsspannung und aufgenommenem Strom führt dazu, dass die aufgenommene Leistung, die sich als Produkt aus der Eingangsspannung und dem aufgenommenen Strom ergibt, der Last mit hohem Wirkungsgrad zugeführt wird und die Schaltungsanordnung kaum Blindleistung aufnimmt.

Zur Umsetzung der Eingangsspannung in die Ausgangsspannung dient bei bekannten Power Factor Controllern ein sogenannter Hochsetz-Schaltregler (Boost-Converter) der üblicherweise ei ne Reihenschaltung einer Spule und eines Schalters aufweist, wobei parallel zu dem Schalter eine Gleichrichteranordnung, üblicherweise bestehend aus einer Diode und einem Kondensa tor, geschaltet ist, wobei die Ausgangsspannung über dem Kon densator abgreifbar ist. Wird bei einer derartigen Anordnung der Schalter geschlossen, steigt der Strom durch die Spule proportional zu der gerade anliegenden Eingangsspannung an und die Spule nimmt Energie auf. Wird der Schalter anschlie ßend geöffnet gibt die Spule Energie an die Gleichrichteran ordnung ab, wobei der Strom durch die Spule abhängig von der anliegenden Eingangsspannung und der Ausgangsspannung ab sinkt. Die Stromaufnahme und die an die Last abgegebene Leis tung sind mittels einer geeigneten Ansteuerung des Schalters regelbar, die durch eine Ansteuerschaltung erfolgt.

Zur Ansteuerung des Schalters sind bereits verschiedene Ver fahren und Schaltungsanordnungen bekannt.

In dem Datenblatt 6/98 der Unitrode Corporation, 7 Continen tal Blvd, Merrimack, NH 03054, betreffend den Power Factor Controller 1854, ist ein Power Factor Controller beschrieben, bei dem ein Shunt-widerstand in dem Eingangskreis des Power Factor Controllers vorhanden ist, der ein zu dem Eingangs strom proportionales Signal bereitstellt. Der Shunt- Widerstand ist Teil eines "Average current control loop", ei nem Regelkreis, der den Mittelwert des Stromsignals bildet und mit einem von der Eingangsspannung und der Ausgangsspan nung abhängigen Sollwert vergleicht. Das Tastverhältnis des Schalters wird bei diesem bekannten Power Factor Controller abhängig von den Abweichungen des Stromsignals gegenüber dem Sollwert verändert. Die Ansteuerschaltung ist größtenteils als integrierte Schaltung ausgeführt, wobei für die Bildung des Mittelwertes des Stromsignals externe Kondensatoren benö tigt werden, die nicht in der integrierten Schaltung unterge bracht sein können. Außerdem werden in der Zuleitung von der Ansteuerschaltung zu dem Shunt-Widerstand Schutzwiderstände benötigt, da beim erstmaligen Anschließen des Power Factor Controller an ein Wechselspannungsnetz der in der Gleichrichteranordnung enthaltene Kondensator schlagartig aufgeladen wird, was an dem Shunt-Widerstand kurzzeitig einen Spannungs abfall von mehreren 10 V hervorruft würde. Ein solcher Span nungsabfall würde ohne Schutzwiderstände die zur Auswertung des Stromsignals verwendete integrierte Schaltung schädigen.

Bei dem UC 1854 von Unitrode stammt ein Taktsignal, mit dem der Schalter angesteuert wird aus einem Oszillator, der mit konstanter Frequenz arbeitet, wobei aufgrund einer Verzöge rung beim Sperren der Diode des Hochsetzschaltreglers bei je dem Einschaltvorgang ein Rückstrom über diese Diode fließt, bis sie sperrt. Um Schaltverluste zu minimieren, wird bei ei nem derartigen Power Factor Controller daher eine schnelle Diode, beispielsweise eine Siliziumkarbid-Diode, verwendet, die allerdings teuer ist.

Aus dem Datenblatt MC34261/D der Motorola Inc. ist ein Power Factor Controller bekannt, bei dem ein Shunt-Widerstand in Reihe zu dem Schalter geschaltet ist, wobei der Shunt- Widerstand dadurch nur bei geschlossenem Schalter von einem Strom durchflossen wird. Der Spannungsabfall über diesem Shunt-Widerstand ist der Ansteuerschaltung zugeführt, wobei der Schalter abgeschaltet wird, wenn der Spannungsabfall ei nen zu einem Sollwert proportionalen Schwellenwert erreicht. Der Sollwert ergibt sich aus einer Multiplikation der Ein gangsspannung mit einem von der Ausgangsspannung abhängigen Regelsignal, wobei sich dieses Regelsignal verglichen zu der Periodendauer der Eingangsspannung nur langsam ändert, so dass der Sollwert über wenigstens einige Perioden der Ein gangsspannung proportional zu dieser ist. Der Schalter wird immer dann eingeschaltet, wenn der Strom durch die Spule den Wert Null erreicht, so dass der Spulenstrom dreieckförmig zwischen dem Schwellenwert und Null oszilliert. Aufgrund des dreieckförmigen Stromverlaufs entspricht der Mittelwert des Stromes der Hälfte des Schwellenwertes, der über einige Peri oden proportional zu der Eingangsspannung ist. Der Strommit telwert ist damit proportional zu der Eingangsspannung. Zur Erkennung des Nulldurchgangs des Spulenstrom ist bei diesem Power Factor Controller eine Hilfswicklung an der Spule er forderlich.

Probleme können bei diesem bekannten Power Factor Controller dann auftreten, wenn eine kleine Leistung übertragen werden soll. Die Schaltschwelle, bei der der Schalter abschaltet wird dazu sehr niedrig eingestellt. Der Anstieg des Spulen stromes ist durch den momentanen Wert der Eingangsspannung und den Wert der Induktivität der Spule bestimmt. Ist der Schwellenwert zum Abschalten des Schalters sehr niedrig, wird der Schwellenwert nach sehr kurzer Zeit erreicht und der Schalter wird sehr kurze Zeit nach dem Einschalten wieder ab geschaltet. Da sich die Spule schnell wieder entlädt wird der Schalter sehr kurze Zeit nach dem Einschalten wieder einge schaltet. Die Schaltfrequenz des Schalters steigt damit bei kleiner zu übertragender Leistung an. Bedingt durch parasitä re Kapazitäten ist der Stromverlauf bei hohen Frequenzen nicht mehr genau dreieckförmig. Die geforderte Proportionali tät zwischen dem Mittelwert der Stromaufnahme und der Schwel lenspannung, bzw. zwischen dem Mittelwert der Stromaufnahme und der Eingangsspannung geht dadurch verloren.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Power Control ler zur Verfügung zu stellen, bei dem auch bei kleinen über tragenen Leistungen die Proportionalität zwischen der Strom aufnahme, bzw. dem Mittelwert der Stromaufnahme, und der Ein gangsspannung gewährleistet ist, und dessen Ansteuerschaltung als integrierte Schaltung mit wenigen externen Bauelementen realisierbar ist.

Dieses Ziel wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Danach weist die Schaltungsanordnung neben Eingangsklemmen zum Anlegen einer oszillierenden Eingangsspannung und Aus gangsklemmen zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung für ei ne Last, eine an die Eingangsklemmen angeschlossene Regelan ordnung mit einer Spule und einem in Reihe zu der Spule ge schalteten Schalter auf, der eine Gleichrichteranordnung nachgeschaltet ist. Zur Ansteuerung des Schalters ist eine Ansteuerschaltung an einen Steuereingang des Schalters ange schlossen. Erfindungsgemäß weist die Ansteuerschaltung wei terhin einen spannungsgesteuerten Oszillator (voltage controlled oscillator) auf, dem ein von der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung abhängiges Eingangssignal zugeführt ist, wobei ein von einem Ausgangssignal des spannungsgesteu erten Oszillators abhängiges Signal der Ansteuerschaltung zu geführt ist, die den Schalter nach Maßgabe dieses Ausgangs signals ansteuert.

Das Eingangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators ist vorzugsweise aus der Differenz der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung gebildet. Da sich die Ausgangsspannung im Vergleich zu der Eingangsspannung langsam ändert, ist das Eingangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators wenigs tens für einige Perioden der Eingangsspannung, die üblicher weise sinusförmig bei einer Frequenz zwischen 50 Hz und 60 Hz ist, linear abhängig von der Eingangsspannung. Die Frequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators va riiert abhängig von dem Eingangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators, bzw. abhängig von der Eingangsspannung. Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators oder ein Signal mit einer dazu proportionalen Frequenz gibt der An steuerschaltung den Takt zum Einschalten des Schalters vor. Dabei gilt, dass die Schaltfrequenz mit steigender Eingangs spannung abnimmt.

Die Zeitdauer, während der Schalter eingeschaltet bleibt, kann fest vorgegeben werden, wobei diese Einschaltdauer so gewählt ist, dass die Spule bei der maximalen Schaltfrequenz während einer Periode des Ausgangssignal des spannungsgesteu erten Oszillators magnetisiert und wieder vollständig entmag netisiert wird. Die Einschaltdauer ist insbesondere von der Ausgangsspannung abhängig, um die Leistungsaufnahme nachre geln zu können und dadurch Änderungen der Ausgangsspannung entgegenzuwirken. Beim Einschalten des Schalters steigt der Strom durch die Spule linear an, wobei die Steigung des Stro mes vom Momentanwert der Eingangsspannung und von der Induk tivität der Spule abhängig ist. Nach dem Abschalten des Schalters nimmt der Spulenstrom ausgehend von dem Maximalwert ab bis er Null erreicht und der Schalter beim nächsten Takt wieder eingeschaltet wird. Die Dauer der "Stromlücken", in denen die Spule bis zum nächsten Einschalten nicht von Strom durchflossen ist steht in einem festen Verhältnis zu der Zeitdauer, während der die Spule beim Magnetisieren und Ent magnetisieren von Strom durchflossen ist. Der Mittelwert des Stromes pro Einschaltperiode, und damit der Mittelwert des Stromes über alle Perioden, ist dabei proportional zu der Eingangsspannung.

Die Zeitdauer, während der der Schalter eingeschaltet bleibt, kann auch abhängig von einem Schwellenwert festgelegt werden, wobei der Schalter nach dem Einschalten so lange eingeschaltet bleibt, bis ein Strom durch die Spule einen Schwellenwert er reicht. Der Schwellenwert ist insbesondere von der Ausgangs spannung abhängig, um die Leistungsaufnahme bei sich ändern der Ausgangsspannung nachregeln zu können und ist für wenigs tens einige Perioden der Eingangsspannungen zu dieser propor tional. Auch bei dieser Art der Ansteuerung der Spule ist der Mittelwert des Stromes proportional zu der Eingangsspannung, wobei die Spule vor einem erneuten Einschalten des Schalters bei dieser Ausführungsform nicht vollständig entmagnetisiert werden, der Spulenstrom also nicht auf Null absinken muss.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind keine ex ternen Bauelemente zur Bereitstellung eines Mittelwertes des Spulenstromes erforderlich. Außerdem kann die erfindungsgemä ße Schaltungsanordnung zur Übertragung geringer Leistung bei einer Frequenz betrieben werden, bei der sich parasitäre Ka pazitäten nur unwesentlich auf die Proportionalität zwischen Eingangsspannung und Spulenstrom, bzw. Eingangsstrom, auswir ken.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist vorzugsweise für Eingangsspannungen einsetzbar, die in weiten Bereichen vari ieren können. So besteht für Schaltnetzteile, in denen die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Regelung der Strom- bzw. Leistungsaufnahme aus dem Netz eingesetzt werden kann, vielfach die Forderung, dass sie für Eingangsspannungen mit Effektivwerten zwischen 90 V und 270 V funktionieren. Bei dem erfindungsgemäßen Schaltnetzteil ist die Schaltfrequenz des Schalters von dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Os zillators und damit von der Differenz zwischen der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung abhängig. Die maximale Schaltfrequenz wird dabei erreicht, wenn der Momentanwert der Eingangsspannung Null ist. Der Frequenzhub, das heißt der Frequenzbereich, innerhalb dessen die Schaltfrequenz des Schalters variiert ist dabei vom Maximalwert der Eingangs spannung abhängig. So beträgt beispielsweise bei einer Ein gangsspannung von 90 V die bei einem Spitzenwert der momenta nen Spannung vorhandene minimale Schaltfrequenz etwa 70% der maximalen Schaltfrequenz, die bei der Eingangsspannung Null erreicht wird, während bei einer Eingangsspannung von 270 V die minimale Schaltfrequenz nur etwa 10% der maximalen Schaltfrequenz beträgt.

Bei einer kleinen Eingangsspannung muss der Schalter länger eingeschaltet bleiben als bei einer großen Eingangsspannung, um die Leistungsaufnahme der erfindungsgemäßen Schaltungsan ordnung konstant zu halten. Die Einschaltfrequenz muss daher so gewählt werden, dass der Schalter bei der kleinsten Ein gangsspannung ausreichend lange eingeschaltet bleiben kann, um eine ausreichende Stromaufnahme der Spule zu gewährleis ten. Dabei gilt, je kleiner der Scheitelwert oder der Effek tivwert der Eingangsspannung ist, um so kleiner muss die Schaltfrequenz sein. Die maximale Schaltfrequenz bei kleinen Eingangsspannungen ist daher eine Größe, die bei der Dimensi onierung des spannungsgesteuerten Oszillators beachtet werden muss.

Dies kann zu Problemen führen, wenn mit demselben Power Fac tor Controller auch große Eingangsspannungen verarbeitet wer den sollen, bei denen die minimale Schaltfrequenz, wie oben beschrieben, wesentlich geringer werden kann als bei kleinen Eingangsspannungen. Bei kleinen Taktfrequenzen treten Proble me bei der Entstörung auf, wobei zu vermeiden ist, dass die Taktfrequenz so klein wird, dass Frequenzen im hörbaren Be reich auftreten.

Gemäß einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, die maxima le Taktfrequenz so festzulegen, dass bei der kleinsten Ein gangsspannung die Einschaltdauern noch so lange sein können, dass die Spule ausreichend Strom aufnehmen kann, um die Leis tungsaufnahme insgesamt konstant zu halten. Übersteigt die Eingangsspannung, d. h. der Spitzenwert der Eingangsspannung, deren Mittelwert oder deren Effektivwert, eine vorgebbare Schwelle, so wird die maximale Taktfrequenz mit einem vorge gebenen Faktor multipliziert, um Störungsprobleme bei kleinen Taktfrequenzen bei großen Eingangsspannungen zu vermeiden. Als Ausgleich für die Erhöhung der maximalen Taktfrequenz wird die Einschaltdauer, bzw. die maximale Einschaltdauer, durch denselben Faktor dividiert. Der Faktor, um den die Ein schaltdauer zu dividieren ist, wird dabei bei der Erzeugung eines Wertes für die Einschaltdauer oder bei der Erzeugung des Schwellenwertes berücksichtigt.

Die Spule ist derart dimensioniert, dass sie bei der klein sten Eingangsspannung, das heißt der Eingangsspannung mit dem kleinsten Mittelwert, Effektivwert oder Spitzenwert, einen großen Strom aufnehmen kann, ohne ihren magnetischen Sätti gungswert zu erreichen. Bei einer kleinen Eingangsspannung ist ein großer Eingangsstrom erforderlich, um die Leistungs aufnahme unabhängig von der Eingangsspannung konstant halten zu können. Steigt die Netzspannung, das heißt deren Mittel wert, Effektivwert oder Spitzenwert an, so steigt aufgrund der Proportionalität zwischen Eingangsspannung und Spulen strom der Spulenstrom an und es besteht die Gefahr, dass die Spule ihre magnetische Sättigung erreicht.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgese hen, dass die Einschaltzeiten des Schalters sich umgekehrt proportional zu dem Mittelwert, dem Effektivwert, dem Spit zenwert oder einem vergleichbaren Wert der Eingangsspannung ändern.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 Verlauf der Frequenz des Ausgangssignals des span nungsgesteuerten Oszillators in Abhängigkeit von der Eingangsspannung;

Fig. 4 Verlauf des Spulenstroms über der Zeit in verschie denen Zeitintervallen;

Fig. 5 Signalverlauf der Eingangsspannung (Fig. 4a) und Verlauf der Schaltfrequenz (Fig. 4b) über der Zeit;

Fig. 6 erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit Schal tungsmitteln zur Anpassung der Einschaltzeiten des Schalters abhängig von einem Mittelwert der Ein gangsspannung;

Fig. 7 im Current Mode arbeitende erfindungsgemäße Schal tungsanordnung mit Schaltungsmitteln zur Anpassung der Einschaltzeiten des Schalters abhängig von ei nem Mittelwert der Eingangsspannung;

Fig. 8 erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit Schal tungsmitteln zur Änderung der Schaltfrequenz abhän gig von einem Mittelwert der Eingangsspannung;

Fig. 9 weitere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit Schaltungsmitteln zur Änderung der Schaltfrequenz abhängig von einem Mittelwert der Eingangsspannung;

Fig. 10 Schaltungsanordung zur eingangsspannungsabhängigen Umschaltung eines Schalters.

In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Schaltungsanordnung, die auch als Power Factor Controller bezeichnet wird.

Die Schaltungsanordnung weist erste und zweite Eingangsklem men EK3, EK4 zum Anlegen einer Eingangsspannung Un auf, wobei die Eingangsspannung in dem Ausführungsbeispiel mittels eines Brückengleichrichters BG, der vier zu einer Brücke verschal tete Dioden aufweist, aus einer an Eingangsklemmen EK1, EK2 anliegenden Wechselspannung Uw gebildet ist. Die Wechselspan nung Uw ist dabei insbesondere eine Netzspannung mit einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz Scheitelwerten zwischen 90 V und 270 V. Die Eingangsspannung Un entspricht dem Betrag der Wech selspannung Uw.

Den Eingangsklemmen EK3, EK4 ist eine Regelanordnung RA nach geschaltet, die eine Reihenschaltung einer Spule (Speiche drossel) Dr und eines Schalters S aufweist, wobei die Reihen schaltung an die Eingangsklemmen EK3, EK4 angeschlossen ist. Parallel zu dem Schalter S ist eine Reihenschaltung einer Di ode D und eines Kondensators C geschaltet, die als Gleich richteranordnung wirken, wobei Anschlussklemmen des Kondensa tors C Ausgangsklemmen AK1, AK2 bilden an denen eine Aus gangsspannung Uq für eine Last abgreifbar ist. An einen Steu ereingang des Schalters S ist eine Ansteuerschaltung PWM1 zur Ansteuerung des Schalters S angeschlossen.

Die Anordnung aus Spule L, Schalter S mit Ansteuerschaltung PWM1, Diode D und Kondensator C bildet einen sogenannten Hochsetzschaltregler (boost converter).

Gegenstand der Erfindung ist die Ansteuerung des Schalters S derart, dass zum einen der Mittelwert des Spulenstroms I pro portional zu der Eingangsspannung Un ist, und dass zum ande ren die Ausgangsspannung Uq sowohl für Eingangsspannungen Un mit sich ändernden Effektivwerten als auch für Änderungen der Last, die in Figur als ohmscher Widerstand RL dargestellt ist, wenigstens annäherungsweise konstant ist.

Um eine Stromaufnahme I zu erreichen, deren Mittelwert pro portional zu der Eingangsspannung Un ist, weist der Power Factor Controller nach Fig. 1 einen ersten Regelkreis auf, der einen ersten an die Eingangsklemmen EK3, EK4 angeschlos senen Spannungsteiler R1, R2, einen zweiten an die Ausgangs klemmen AK1, AK2 angeschlossenen zweiten Spannungsteiler R3, R4, einen Differenzverstärker DV und einen spannungsgesteuer ten Oszillator VCO aufweist. Der erste Spannungsteiler R1, R2 stellt ein zu der Eingangsspannung Un proportionale Eingangs spannungssignal UnS und der zweite Spannungsteiler stellt ein zu der Ausgangsspannung Uq proportionale Ausgangsspannungs signal UqS zur Verfügung, wobei der jeweilige Proportionali tätsfaktor vom Verhältnis der Widerstände des jeweiligen Spannungsteilers abhängig ist. Das Ausgangsspannungssignal UqS ist einem negativen Eingang des Differenzverstärkers DV zugeführt und das Eingangsspannungssignal UnS ist einem positiven Eingang des Differenzverstärkers DV zugeführt, wobei ein zu der Differenz aus Ausgangsspannungssignal UqS und Eingangsspannungssignal UnS, bzw. der Differenz aus Aus gangsspannung Uq und Eingangsspannung Un, proportionales Sig nal dem spannungsgesteuerten Oszillator VCO als Eingangssig nal ES zugeführt ist.

Am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators VCO steht ein Ausgangssignal oder Oszillatorsignal AS zur Verfügung, dessen Frequenz proportional zu dem Eingangssignal ES und damit pro portional zu der Differenz aus Ausgangsspannung Uq und dem Momentanwert der Eingangsspannung Un ist. Der Verlauf der Frequenz f_VCO des Oszillatorsignals ist über dem Momentanwert der Eingangsspannung Un in Fig. 3a dargestellt. Die Frequenz nimmt dabei einen Maximalwert an, wenn der Momentanwert der Eingangsspannung Un Null ist, und sie erreicht Null, wenn der Momentanwert der Eingangsspannung Un der Ausgangsspannung Uq entspricht.

Die Ansteuerschaltung PWM1 schaltet über ihren Ausgang A11 den Schalter S getaktet nach Maßgabe des Oszillatorsignals AS, das an einem ersten Eingang E11 anliegt, ein. Der Schal ter S bleibt dabei für eine Einschaltdauer te geschlossen, die von einem Regelsignal RS11 abhängig ist, das einem zwei ten Eingang E12 der Ansteuerschaltung zugeführt ist. Die Ansteuerschaltung PWM1 funktioniert damit wie ein herkömmlicher Pulsweitenmodulator, der den Schalter nach Maßgabe eines ge takteten Signals schließt und abhängig von einem Regelsignal für eine bestimmte Zeitdauer geschlossen hält. Das Regelsig nal RS11 ändert sich langsam im Verhältnis zur Periodendauer der Eingangsspannung, so dass die Einschaltdauer wenigstens für einige Perioden der Eingangsspannung konstant bleibt.

Bei dem Power Factor Controller nach Fig. 1 ist der Mittel wert der Stromaufnahme proportional zu der Eingangsspannung, wie im folgenden insbesondere anhand der Fig. 4 erläutert wird.

Beim Schließen des Schalters steigt der Spulenstrom I linear an, wobei er beim Abschalten nach der Einschaltdauer te einen Spitzenwert Î erreicht, der proportional zu dem Momentanwert der Eingangsspannung Un ist und für den gilt:

Î = Un/L.te (1)

wobei L die Induktivität der Spule Dr ist.

Fig. 4 zeigt den Verlauf des Spulenstromes für zwei ver schiedene Momentanwerte der Eingangsspannung, die proportio nal sind zu Maximalwerten Î1 und Î2, die der Spulenstrom da bei jeweils erreicht. Dabei ist angenommen, dass die Frequenz der Eingangsspannung (üblicherweise 50 Hz) sehr viel kleiner ist als die Schaltfrequenz, so dass die Eingangsspannung Un wenigstens für einige Perioden des Spulenstromes als konstant angenommen werden kann. Zur besseren Veranschaulichung ist die Zeitachse in Fig. 4 unterbrochen, um die Situation für zwei unterschiedliche Momentanwerte der Eingangsspannung Un darstellen zu können.

Nach dem Öffnen des Schalters sinkt der Spulenstrom I linear ab, wobei die Steigung des Stromverlaufes von der über der Spule anliegenden Spannung bestimmt ist, die der Differenz aus der Ausgangsspannung Uq und der momentanen Eingangsspan nung Un entspricht. Eine Zeitdauer ta, die vergeht, bis der Spulenstrom I nach dem Erreichen des Maximalwertes auf Null abgesunken ist beträgt:

ta = te.Un/(Uq - Un) (2),

wobei sich für verschiedene Eingangsspannungen verschiedene Zeitdauern ergeben, wie anhand der Zeitdauern ta1 und ta2 in Fig. 4 dargestellt ist. Eine Gesamtdauer tg, während der die Spule Strom aufnimmt beträgt:

tg = te + ta = te.Uq/(Uq - Un) (3).

Die Zeitdauer tg1 und tg2 in Fig. 4 sind die jeweiligen Ge samtdauern der Stromaufnahme bei den verschiedenen Eingangs spannungen. Pro Einschaltvorgang nimmt der Power Factor Cont roller eine Ladung Q auf, die sich bei dem dreieckförmigen Stromverlauf wie folgt darstellt:

Q = 0.5.Î.tg = 0.5.Un/L - te².Uq/(Uq - Un) (4).

Für den Mittelwert Im des pro Einschaltvorgangs aufgenommenen Spulenstroms gilt:

Im = Q/T (5),

wobei T, bzw. T1 und T2, die Periodendauer des Spulenstromes, bzw. der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Einschaltvorgängen ist. Die Einschaltfrequenz ist durch das Ausgangs signal des spannungsgesteuerten Oszillators VCO vorgegeben und proportional zu der Differenz aus der Ausgangsspannung Uq und der Eingangsspannung Un. Damit ist:

T ~ Uq - Un (6).

Durch Einsetzen der Beziehungen (4) und (6) in (5) folgt:

Im ~ 0.5.Un/L.te².Uq (7).

Der Mittelwert des Spulenstroms ist damit abhängig von dem Momentanwert der Eingangsspannung Un, der Einschaltdauer te und der Ausgangsspannung Uq. Die Ausgangsspannung Uq und die Einschaltdauer te ändern sich langsam im Vergleich zu der Pe riodendauer der Eingangsspannung, so dass der Mittelwert des Spulenstromes wenigstens für einige Perioden proportional zu der Eingangsspannung Un ist.

Ändert sich bei den Power Factor Controller gemäß Fig. 1 die Ausgangsspannung Uq so wird die Leistungsaufnahme, bzw. die Stromaufnahme, derart nachgeregelt, dass die Ausgangsspannung Uq wieder ihren vorgegebenen Sollwert erreicht. Die Anpassung der Stromaufnahme erfolgt dabei durch Änderung der Einschalt dauer te, von der gemäß Gleichung (7) der Mittelwert Im der Stromaufnahme abhängig ist. Die Anpassung der Einschaltdauer te erfolgt mittels eines zweiten Regelkreises, welcher einen Regelverstärker REG aufweist, dem an einem positiven Eingang ein Referenzsignal Uref zugeführt ist, und dem an einem nega tiven Eingang das von dem zweiten Spannungsteiler R3, R4 ge lieferte Ausgangsspannungssignal UqS zugeführt ist. Am Aus gang des Regelverstärkers REF steht das erste Regelsignal RS11 zur Verfügung, welches dem zweiten Eingang E12 der Ansteuerschaltung PWM1 zugeführt ist, und von dem die Ein schaltdauer te abhängig ist. Der Regelverstärker REG ist ins besondere ein integrierender Regelverstärker, wodurch das erste Regelsignal RS11 ansteigt, wenn das Ausgangsspannungs signal UqS unter den Referenzwert Uref absinkt, und wobei das Regelsignal RS11 absinkt, wenn das Ausgangsspannungssignal UqS den Wert des Referenzsignals Uref übersteigt. Auf diese Weise wird die Einschaltdauer te verkürzt, wenn die Ausgangs spannung Uq ansteigt, und die Einschaltdauer te wird vergrö ßert, wenn die Ausgangsspannung Uq absinkt. Der Regelverstär ker REF ist insbesondere derart ausgelegt, dass sich das er ste Regelsignal RS11, und damit die Einschaltdauer te, langsam im Verhältnis zur Periodendauer der Eingangsspannung Un än dert, so dass die Einschaltdauer te über wenigstens einige Perioden der Eingangsspannung Un konstant ist.

Der erfindungsgemäße Power Factor Controller stellt somit ei ne wenigstens annäherungsweise konstante Ausgangsspannung Uq aus einer Wechselspannung Uw, bzw. einer gleichgerichteten Wechselspannung Un, zur Verfügung, wobei der Mittelwert der Stromaufnahme I proportional zu der Eingangsspannung Un ist. Sowohl die Ansteuerschaltung PWM1, als auch der spannungsge steuerte Oszillator VCO und der Differenzverstärker DV können in einer integrierten Schaltung ausgeführt werden, so dass bei dem erfindungsgemäßen Power Factor Controller nur eine minimale Anzahl externer Bauelemente erforderlich ist. Des weiteren ist der erfindungsgemäße Power Factor Controller da zu geeignet, auch kleine Leistungen zu übertragen, ohne dass dabei die Schaltfrequenz derart ansteigt, dass Probleme mit parasitären Kapazitäten auftreten, welche die Proportionali tät zwischen Eingangsspannung Un und Stromaufnahme I gefähr den würden.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen Power Factor Controllers, der sich von dem in Fig. 1 dargestellten dadurch unterscheidet, dass eine Ansteu erschaltung PWM2 gewählt ist, bei welcher der Schalter S, der in Fig. 2 als Leistungs-Feldeffekttransistor ausgebildet ist, nach dem Einschalten so lange geschlossen bleibt, bis der Spu lenstrom I einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht. Der Po wer Factor Controller gemäss Fig. 2 arbeitet damit im soge nannten "Current Mode".

Der Ansteuerschaltung PWM2 ist an einem ersten Eingang E21 das Ausgangssignal AS des spannungsgesteuerten Oszillators VCO zugeführt, wobei die Frequenz dieses Ausgangssignals AS proportional zu der Differenz aus der Ausgangsspannung Uq und der Eingangsspannung Un ist. Die Ansteuerschaltung PWM2 schaltet den Schalter S über den Ausgang A21 getaktet nach Maßgabe des VCO-Signals AS ein. Nach dem Einschalten steigt der Spulenstrom I linear an, bis er einen Schwellenwert er reicht, bei welchem der Schalter S wieder abgeschaltet wird. Zur Erfassung des Spulenstroms I ist dem Schalter S ein Stromfühlwiderstand Rf nachgeschaltet, dessen Anschlussklem men an Eingangsklemmen E23, E24 der Ansteuerschaltung PWM 2 angeschlossen sind. Der Schwellenwert, abhängig von dem der Schalter S wieder ausgeschaltet wird, ist von einem ersten Regelsignal RS21 abhängig, welches der Ansteuerschaltung PWM2 an einer zweiten Eingangsklemme E22 zugeführt ist. Dieses erste Regelsignal RS21 steht am Ausgang eines Multiplizierers MUL1 zur Verfügung, welcher das Eingangsspannungssignal UnS mit dem Ausgangssignal des Regelverstärkers REG multipli ziert. Da sich das Ausgangssignal des Regelverstärkers REG langsam im Vergleich zur Periodendauer der Eingangsspannung Un ändert, ist das erste Regelsignal RS21, und damit der Schwellenwert, wenigstens für einige Perioden der Eingangsspannung Un proportional zu der Eingangsspannung Un. Auch bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Power Factor Controllers gemäß Fig. 2 ist der Mittelwert des Spulenstroms I proportional zu der Eingangsspannung Un. Da der Spulenstrom I nach dem Einschalten des Schalters proportional zu dem Momentanwert der Eingangsspannung Un linear ansteigt und der Schalter S abgeschaltet wird, wenn der Spulenstrom I einen ebenfalls zu dem Momentanwert der Eingangsspannung Un propor tionalen Schwellenwert erreicht, resultiert hieraus, wie auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 eine für wenigstens einige Perioden der Eingangsspannung Un konstante Einschalt dauer, so dass die oben angegebene Beziehung zwischen dem Mittelwert der Stromaufnahme I und der Eingangsspannung Un auch für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 gilt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 regelt das Ausgangs signal des Regelverstärkers REG über den Multiplizierer MUL1 das erste Regelsignal RS21 nach, wodurch bei einem Absinken der Ausgangsspannung Uq das Regelsignal RS21 im gesamten an gehoben wird, um den Schwellenwert und damit die Einschalt dauern des Schalters 5 zu vergrößern, und wobei bei einem An steigen der Ausgangsspannung Uq das erste Regelsignal RS21 im gesamten abgesenkt wird, um den Schwellenwert, und damit die Einschaltdauer des Schalters S zu verringern.

Um bei einer Eingangsspannung Un mit kleinem Effektivwert die Leistungsaufnahme des Power Factor Controllers und damit die Ausgangsspannung Uq, konstant zu halten, muss die Stromauf nahme durch Verlängern der Einschaltdauer des Schalters S ge steigert werden, was bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 über das erste Regelsignal RS11 durch direktes Ändern der Einschaltdauer und was bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 über das erste Regelsignal RS21 durch Ändern des Schwellenwertes erfolgt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind die Schaltfrequenz, mit welcher der Schalter S abhängig von dem Oszillatorsignal AS eingeschaltet wird, und die maximale Einschaltdauer so aufeinander abzustimmen, dass die Spule L selbst bei maximaler Stromaufnahme vollständig entmagneti siert wird, bevor der Schalter S erneut eingeschaltet wird.

Demgegenüber erlaubt ein Power Factor Controller gemäß Fig. 2 auch einen sogenannten Trapezbetrieb, d. h. die Spule L muss nicht vollständig entmagnetisiert werden, bevor der Schalter S wieder eingeschaltet wird und der Spulenstrom I wieder an steigt. Die Proportionalität zwischen dem Mittelwert der Stromaufnahme I und der Eingangsspannung Un bleibt dabei auch im Trapezstrombetrieb erhalten. Die Ansteuerschaltung PW142 gemäß Fig. 2 kann ein herkömmlicher Pulsweitenmodulator sein, wie er bei Power Factor Controllern, die im Current Mode ar beiten zum Einsatz kommt.

Der erfindungsgemäße Power Factor Controller soll insbesonde re zur Regelung der Strom- bzw. Leistungsaufnahme bei soge nannten Weitbereichsnetzteilen dienen, bei denen für sinus förmige Eingangsspannungen mit Effektivwerten zwischen 90 V und 270 V ein konstante Ausgangsspannung Uq zur Verfügung ge stellt werden soll. Bei Eingangsspannungen mit kleinen Effek tivwerten steigt dabei die Einschaltdauer S gesteuert durch den Regelverstärker REG und damit die Stromaufnahme soweit an, bis die geforderte Leistungsaufnahme, bzw. die geforderte Ausgangsspannung Uq erreicht ist. Die Spule Dr ist dabei so dimensioniert, dass sie auch bei den erforderlichen großen Stromaufnahmen bei Eingangsspannungen mit kleinem Effektiv wert ihre magnetische Sättigung nicht erreicht, so dass der Strom I nach dem Einschalten des Schalters S stets linear ab hängig von dem Momentanwert der Eingangsspannung Un ansteigt.

Um zu verhindern, dass die Spule bei Eingangsspannungen Un mit größerem Effektivwert und einem daraus resultierenden steileren Anstieg des Spulenstromes I den Wert ihrer magneti schen Sättigung erreicht, ist bei dem Power Factor Controller gemäß Fig. 6 eine Vorrichtung zur Bildung des Mittelwertes des Eingangsspannungssignals UnS vorgesehen, wobei der Kehr wert eines Ausgangssignals dieser Mittelwertvorrichtung MW einer dritten Eingangsklemme E13 der Ansteuerschaltung PWM1 zugeführt ist. Die Ansteuerschaltung PWM1 des Power Factor Controllers gemäß Fig. 6 funktioniert wie auch die Ansteuer schaltung PWM1 gemäß Fig. 1 mit einer in der Ansteuerschal tung PWM1 generierten Einschaltzeit, die von dem ersten Re gelsignal RS11 abhängig ist.

Der Ansteuerschaltung PWM1 gemäß Fig. 6 ist an dem ersten Eingang E11 das Ausgangssignal AS des spannungsgesteuerten Oszillators VCO zugeführt, wobei der Schalter S getaktet nach Maßgabe dieses Ausgangssignals AS eingeschaltet wird. Die Einschaltdauer, während der der Schalter S eingeschaltet bleibt, ist neben dem ersten Regelsignal RS11, welches am Ausgang des Regelverstärkers REG anliegt, von einem zweiten Regelsignal RS12 abhängig, welches umgekehrt proportional zum Mittelwert der Eingangsspannung Un ist. Zur Bildung des Kehr werts des Mittelwerts der Eingangsspannung Un ist der Mittel wertvorrichtung MW eine den Kehrwert bildende Vorrichtung KW nachgeschaltet. Das zweite Regelsignal RS12 ist konstant, so lange sich der Effektivwert oder der Mittelwert der Eingangs spannung Un nicht ändert. Wird der Power Factor Controller an eine Netzversorgung mit größerer Spannung angelegt, wird die Einschaltdauer über das zweite Regelsignal RS12 im gesamten reduziert, um zu verhindern, dass der Schalter S solange eingeschaltet bleibt, bis die Spule L in Sättigung geht.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Power Factor Cont rollers, der im Current Mode funktioniert und bei dem die Einschaltdauer des Schalters für Eingangsspannungen Un mit größerem Effektivwert ebenfalls reduziert wird, um zu verhin dern, dass die Spule L den Wert ihrer magnetischen Sättigung erreicht. Der Power Factor Controller weist eine Vorrichtung MW zur Bildung des Mittelwertes des Eingangsspannungssignals UnS auf, wobei ein Kehrwert des Ausgangssignals der Mittel wertvorrichtung MW einem Eingang eines Multiplizierers MUL2 zugeführt ist, dem an anderen Eingängen das Eingangsspan nungssignal UnS und das Ausgangssignal des Regelverstärkers REG zugeführt ist. Am Ausgang des Multiplizierers MUL2 steht ein erstes Regelsignal RS41 zur Verfügung, welches einem zweiten Eingang E22 des Pulsweitenmodulators PWM2 zugeführt ist, wobei der Pulsweitenmodulator PWM2 entsprechend dem Pulsweitenmodulator PWM2 gemäß Fig. 2 funktioniert. Das erste Regelsignal RS41 beeinflusst den Schwellenwert, abhängig von dem der Schalter S nach dem Einschalten wieder abgeschaltet wird. Dieser Schwellenwert ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 umgekehrt proportional zu dem Mittelwert, bzw. dem Effektivwert der Eingangsspannung Un, wodurch bei Ein gangsspannungen Un mit großem Effektivwert der Schwellenwert im gesamten abgesenkt wird, um zu verhindern, dass die Spule L den Wert ihrer magnetischen Sättigung erreicht.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 6 und 7 können anstelle der Vorrichtung zur Bildung des Mittelwertes MW auch entsprechende Vorrichtungen zur Bewertung des Scheitelwertes der Eingangsspannung Un oder Vorrichtungen zur Bildung des Effektivwertes der Eingangsspannung Un verwendet werden.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines im Cur rent Mode funktionierenden Power Factor Controllers, der sich von dem in Fig. 2 dargestellten dadurch unterscheidet, dass zwischen den spannungsgesteuerten Oszillator VCO und die ers te Eingangsklemme E21 des Pulsweitenmodulators PWM2 ein Fre quenzteiler DIV1 geschaltet ist, der mittels eines ersten Um schalters US1 überbrückt werden kann. Des weiteren ist in den Signalpfad des Eingangsspannungssignals UnS, der an den Mul tiplizierer MUL2 angeschlossen ist, eine Teilvorrichtung DIV2 geschaltet, die mittels eines zweiten Umschalters US2 über brückt werden kann. Der erste und zweite Umschalter US1, U52 wird abhängig von einem Mittelwert der Eingangsspannung Un umgeschaltet, wobei der Mittelwert durch eine Vorrichtung MW zur Bildung des Mittelwertes erzeugt wird. Anstelle des Mit telwertes kann zur Umschaltung der ersten und zweiten Um schalter US1, US2 auch der Effektivwert oder der Scheitelwert der Eingangsspannung Un herangezogen werden. Zur Bildung ei nes von dem Mittelwert, dem Effektivwert oder dem Spitzenwert der Eingangsspannung Un abhängigen Wertes kann beispielsweise ein Tiefpassfilter verwendet werden.

Der von dem Mittelwert MW der Eingangsspannung Un abhängige Wert ist einem Schwellwertschalter SW zugeführt, welcher eine Schalthysterese des ersten und zweiten Umschalters US1, US2 bewirkt, und verhindert, dass der erste und zweite Schalter US1, US2 bei Schwankungen um einen Schwellenwert permanent ein- und ausgeschalter werden.

Die Funktionsweise des Power Factor Controllers gemäß Fig. 8 wird nachfolgend kurz erläutert, wobei angenommen wird, dass die Effektivwerte der Eingangsspannung Un in einem Bereich zwischen 90 V und 270 V liegen können, wobei Schwellenwerte zum Umschalten der ersten und zweiten Umschalter US1, US2 bei etwa 140 V und 180 V liegen, und wobei der Frequenzteiler DIV1 das Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators VCO um einen Faktor 4 herunterteilt und der Teiler DIV2 das Eingangsspannungssignal UnS durch zwei teilt.

Bei einem Effektivwert der Eingangsspannung Un zwischen 90 V und 140 V wird das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators VCO dem ersten Eingang E21 des Pulsweitenmodula tor PWM2 um den Faktor 4 heruntergeteilt zugeführt, während bei Eingangsspannungen Un mit Effektivwerten zwischen 180 V und 270 V das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszil lators VCO dem ersten Eingang E21 des Pulsweitenmodulators PWM2 direkt zugeführt ist. Fig. 3b zeigt den Verlauf der Schaltfrequenz f_PFC abhängig von dem Momentanwert der Ein gangsspannung Un für diese beiden Situationen, wobei der Ma ximalwert f_max2 bei Eingangsspannungen mit größerem Effektiv wert das vierfache der maximalen Schaltfrequenz f_max1 für Ein gangsspannungen mit kleineren Effektivwert beträgt.

Fig. 5a zeigt als durchgezogene Kurve eine erste Eingangs spannung Un mit einem Mittelwert, der oberhalb der Schalt grenze des Schwellwertschalters SW liegt und als gestrichelte Linie eine Eingangsspannung Un, dessen Effektivwert unterhalb der Schaltgrenze des Schwellwertschalters SW liegt. Fig. 5b zeigt die zugehörigen Schaltfrequenzen f_PFC über der Zeit als durchgezogene Linie für die kleine Eingangsspannung und als gestrichelte Linie für die große Eingangsspannung.

Der Frequenzhub, d. h. der Frequenzbereich in dem die Frequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators VCO variiert, ist abhängig von der Differenz der Ausgangsspannung Uq und der Eingangsspannung Un. Die maximale Frequenz wird dabei erreicht, wenn der Momentanwert der Eingangsspannung Un Null beträgt, und der minimale Wert der Frequenz dieses Aus gangssignals wird dann erreicht, wenn der Momentanwert der Eingangsspannung Un ihren jeweiligen Scheitelwert erreicht. Bei Eingangsspannungen Un mit kleinem Effektivwert und damit kleinem Scheitelwert, ist der Frequenzhub damit geringer als bei Ausgangsspannungen mit großem Effektivwert. Bei einer Eingangsspannung von 90 V beträgt die minimale Frequenz dabei etwa 70% der maximalen Frequenz, während bei einer Eingangs spannung von 270 V die minimale Frequenz nur etwa 10% der ma ximalen Frequenz beträgt. Die minimale Frequenz sollte bei großen Eingangsspannungen so gewählt sein, dass sie oberhalb des hörbaren Bereichs liegt, um Entstörungsprobleme zu ver meiden. Die maximale Schaltfrequenz ist wiederum durch die Verhältnisse bei kleinen Eingangsspannungen vorgegeben, wobei die Schaltperioden bei diesen kleinen Eingangsspannungen so groß sein müssen, bzw. die Schaltfrequenz so klein sein muss, dass ein entsprechend großer Strom aufgenommen werden kann, um die Leistungsaufnahme insgesamt konstant zu halten.

Da sich diese Forderung nach langen Schaltperioden zu Errei chung der erforderlichen Stromaufnahme und andererseits eine hohe Schaltfrequenz zur Vermeidung von Entstörungsproblemen entgegenstehen, wird bei dem Power Factor Controller gemäß Fig. 8 für Spannungen im Bereich zwischen 180 V und 270 V die vierfache maximale Schaltfrequenz als bei Spannungen zwischen 90 V und 140 V gewählt. Die Schaltfrequenz bei großen Span nungen kann auf diese Weise außerhalb des hörbaren Bereichs gewählt werden und bei kleinen Spannungen bleibt aufgrund der geringeren Schaltfrequenz ausreichend Zeit für die erforder liche Stromaufnahme.

Um einer Veränderung der Proportionalitätsverhältnisse zwi schen der Eingangsspannung Un und dem Mittelwert der Stromaufnahme I durch die Umschaltung der Schaltfrequenz entgegen zuwirken, wird das Eingangsspannungssignal UnS durch zwei di vidiert, wenn der Effektivwert der Eingangsspannung groß ist und das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators VCO dem Pulsweitenmodulator PWM2 ungeteilt zugeführt wird. Bei Eingangsspannungen mit kleinem Effektivwert, bei welchem die Frequenz des Oszillatorsignals durch vier geteilt wird, wird das Eingangsspannungssignal UnS dem Multiplizierer MUL1 ungeteilt zugeführt. Der Teiler DIV2 beeinflusst das Schwel lensignal, wobei das Schwellensignal bei der erhöhten Schalt frequenz durch zwei geteilt wird.

Das Ausgangssignal der Mittelwertvorrichtung MW kann weiter hin über eine Vorrichtung zur Kehrwertbildung KW dem Mul tiplizierer MUL2 zugeführt werden, um das Schwellwertsignal an den Mittelwert der Eingangsspannung Un anzupassen.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen Power Factor Controllers, bei welchem das Aus gangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators VCO eben falls abhängig von der Eingangsspannung Un durch den Faktor 4 teilbar ist, wobei das Ausgangssignal des Schwellwertschal ters SW einem Eingang des Pulsweitenmodulator PWM1 zugeführt ist, um abhängig davon, ob die Frequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators VCO heruntergeteilt ist, die Einschaltdauer in dem Pulsweitenmodulator PWM1 zu än dern. Der Pulsweitenmodulator PWM1 funktioniert ansonsten entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten und beschriebenen Pulsweitenmodulator.

Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ansteu erschaltung zur eingangsspannungsabhängigen Umschaltung der Schalter US1, US2, die anstelle der Vorrichtung zur Mittelwertbildung MW und des Schwellwertschalters SW bei den Power Factor Controllern nach den Fig. 8 und 9 verwendet werden kann. Die dargestellte Schaltungsanordnung wertet den maxima len Amplitudenwert des von dem Spannungsteiler R1, R2 zuge führten Eingangsspannungssignal aus und bringt abhängig da von, ob der maximale Amplitudenwert einen Schwellenwert über steigt oder nicht, den/die Umschalter US1, US2 in eine erste oder zweite Schalterstellung. Die dargestellte Schaltungsan ordnung kann einen eigenen Spannungsteiler aufweisen, der zwischen der ersten und zweiten Eingangsklemme EK3, EK4 ver schaltet ist, wobei die Eingangsklemme Ei der Schaltungsan ordnung dann an einen Spannungsabgriff dieses Spannungstei lers anstelle des Spannungsabgriffs des Spannungsteilers R1, R2 angeschlossen ist.

An der Eingangsklemme Ei der Schaltungsanordnung liegt ein sinusbetragförmiges Signal an, welches einem nicht- invertierenden Eingang eines ersten Komparators K1 und einem invertierenden Eingang eines zweiten Komparators K2 zugeführt ist. Dem anderen Eingang des ersten Komparators K1 ist ein erstes Referenzsignal Vref2, dem anderen Eingang des zweiten Komparators K2 ist ein zweites Referenzsignal Vref3 zuge führt. Der Ausgang des ersten Komparators K1 ist an den Set- Eingang eines RS-Flip-Flops RSF angeschlossen, der Ausgang des zweiten Komparators K2 ist an den Reset-Eingang des RS- Flip-Flops RSF angeschlossen. Der nicht-invertierende Ausgang Q des RS-Flip-Flops ist an den D-Eingang eines D-Flip-Flops DFF angeschlossen, wobei der Ausgang des zweiten Komparators an den Takteingang des D-Flip-Flops DFF angeschlossen ist. Der/die Umschalter US1, US2 werden abhängig von einem am Aus gang Q des D-Flip-Flops anliegenden Signals geschaltet.

Das RS-Flip-Flop RSF wird über den ersten Komparator K1 ge setzt, wenn das periodische Spannungssignal einen oberen Schwellenwert übersteigt und wird über den zweiten Komparator K2 zurückgesetzt, wenn das Spannungssignal anschließend einen unteren Schwellenwert unterschreitet. Der untere Schwellen wert ist dabei so klein gewählt, dass gewährleistet ist, dass er einmal pro Periode des Spannungssignals unterschritten wird, idealerweise wird mittels des unteren Schwellenwertes der Nulldurchgang des Spannungssignals überprüft.

Das D-Flip-Flop übernimmt den Zustand des RS-Flip-Flops zu einem Zeitpunkt bevor das Spannungssignal unter den unteren Schwellenwert absinkt. Übersteigt das Spannungssignal den o beren Schwellenwert zwischen zwei Nulldurchgängen, so über nimmt das D-Flip-Flop eine 1, wenn das Spannungssignal den oberen Schwellenwert zwischen zwei Nulldurchgängen nicht ü bersteigt, übernimmt es eine 0. Der Umschalter US1, U52 wird abhängig davon, welcher Wert getaktet durch das Ausgangssig nal des zweiten Komparators K2 an den Ausgang des D-Flip- Flops gelangt, in eine erste oder zweite Schalterstellung ge bracht. Der obere Schwellenwert bestimmt dabei den Spitzen wert der Eingangsspannung, bei welchem eine Umschaltung er folgen soll.

Bezugszeichenliste

AK1, AK2 Ausgangsklemmen
AS Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszil lators
A11 Ausgangsklemme
BG Brückengleichrichter
C Kondensator
D Diode
DFF D-Flip-Flop
DV Differenzverstärker
EKA3, EK4 Eingangsklemmen
EK1, EK2 Eingangsklemmen
ES Eingangssignal des spannungsgesteuerten Oszil lators
Ei Eingangsklemme
E11, E12 Eingangsklemmen
K1, K2 Komparator
RSF RS-Flip-Flop
L Spule, Drosssel
MW Vorrichtung zur Mittelwertbildung
PWM1, PWM2 Ansteuerschaltungen
PWM3 Ansteuerschaltung
REG Regelverstärker
Rf Stromfühlwiderstand
RS11, Rs21 Erstes Regelsignal
R1, R2 Erster Spannungsteiler
R3, R4 Zweiter Spannungsteiler
S Schalter
SW Schwellwertschalter
Un Eingangsspannung
UnS Eingangsspanungssignal
Uq Ausgangsspannung
UqS Ausgangsspannungsignal
Uref Referenzsignal
Vref1, Vref2 Referenzsignal
VCO Spannungsgesteuerter Oszillator

Claims

1. Schaltungsanordnung mit geregelter Stromaufnahme zur Be reitstellung einer Ausgangsspannung (Uq) aus einer oszillie renden Eingangsspannung (Un) die folgende Merkmale aufweist:

- Eingangsklemmen (EK3, EK4) zum Anlegen einer oszillierenden Eingangsspannung (Un);
- Ausgangsklemmen (AK1, AK2) zum Bereitstellen einer Aus gangsspannung (Uq) für eine Last (RL);
- eine an die Eingangsklemmen (EK3, EK4) angeschlossene Regelanordnung mit einer Spule (L) und einem in Reihe zu der Spule (L) geschalteten Schalter (S);
- eine zwischen die Regelanordnung und die Ausgangsklemmen (AK1, AK2) geschaltete Gleichrichteranordnung (D, C);
- eine an einen Steuereingang (G) des Schalters (S) ange schlossene Ansteuerschaltung (PWM1; PWM2);

gekennzeichnet durch folgendes weiteres Merk mal:
einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), dem ein von der Eingangsspannung (Un) und der Ausgangsspannung (Uq) abhängi ges Eingangssignal (Es) zugeführt ist, wobei der Ansteuer schaltung (PWM1; PWM2) ein von einem Ausgangssignal (AS) des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) abhängiges Signal zu geführt ist.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, bei dem das Eingangssignal (Es) des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) aus der Dif ferenz eines von der Ausgangsspannung abhängigen Ausgangs spannungssignals (UqS) und eines von der Eingangsspannung ab hängigen Eingangsspannungssignals (UnS) gebildet ist.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 2, bei dem das Eingangsspan nungssignal (UnS) proportional zu der Eingangsspannung (Un) ist und/oder bei dem das Ausgangsspannungssignal (UnS) pro portional zu der Ausgangsspannung (Uq) ist.

4. Schaltnetzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, das einen parallel zu den Eingangsklemmen (EK3, EK4) geschalteten ersten Spannungsteiler (R1, R2) zur Erzeugung des Eingangs spannungssignals (UnS) und/oder das einen parallel zu den Ausgangsklemmen (AK1, AK2) geschalteten zweiten Spannungstei ler (R3, R4) zur Bereitstellung des Ausgangsspannungssignals (UqS) aufweist.

5. Schaltnetzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Ausgangssignal (AS) des spannungsgesteuerten Oszilla tors (VCO) der Ansteuerschaltung (PWM1; PWM2) direkt zuge führt ist.

6. Schaltnetzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Frequenz des Ausgangssignal (AS) des spannungsgesteu erten Oszillators (VCO) nach Maßgabe der Eingangsspannung (Un) heruntergeteilt und der Ansteuerschaltung (PWM1; PWM2) zugeführt wird.

7. Schaltnetzteil nach Anspruch 6, bei dem die Frequenz des Ausgangssignals (AS) abhängig von einem Mittelwert, einem Scheitelwert oder einem Effektivwert der Eingangsspannung (Un) oder des Eingangsspannungssignals (UnS) heruntergeteilt wird.

8. Schaltnetzteil nach Anspruch 7, bei dem die Frequenz des Ausgangssignals (AS) um einen vorgegebenen Faktor herunterge teilt wird, wenn der Mittelwert, der Scheitelwert oder der Effektivwert der Eingangsspannung (Un) oder des Eingangsspan nungssignals (UnS) einen vorgegebenen Schwellenwert über steigt.

9. Schaltnetzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, das einen ersten Regelverstärker (REG) aufweist, dem ein von der Ausgangsspannung abhängiges Signal (UqS) zugeführt ist, wobei ein Ausgangssignal des Regelverstärkers (REG) der Ansteuer schaltung (PWM1) als erstes Regelsignal (RS11) zugeführt ist.

10. Schaltnetzteil nach Anspruch 9, bei dem der Ansteuer schaltung ein weiteres Regelsignals (RS12) zugeführt ist, das umgekehrt proportional zu dem Mittelwert, dem Scheitelwert oder dem Effektivwert der Eingangsspannung (Un) oder des Ein gangsspannungssignals (UnS) ist.

11. Schaltnetzteil nach Anspruch 9 oder 10 bei dem die An steuerschaltung (PWM1) derart ausgebildet ist, dass der Schalter (S) mit einer Frequenz nach Maßgabe des von dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) gelieferten Ausgangs signals (AS) eingeschaltet wird und für eine Einschaltdauer eingeschaltet bleibt, die von dem ersten Regelsignal (RS11) abhängig ist.

12. Schaltnetzteil nach Anspruch 11, bei dem die Einschalt dauer von dem ersten Regelsignals (RS11) und dem weiteren Re gelsignal (RS12) abhängig ist.

13. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das ei nen ersten Regelverstärker (REG) aufweist, dem ein von der Ausgangsspannung (Uq) abhängiges Signal (UqS) zugeführt ist, wobei ein Ausgangssignal des Regelverstärkers (REG) einem Multiplizierer (MUL1, MUL2) zur Multiplikation mit einem von der Eingangsspannung (Un) abhängigen Signal (UnS) zugeführt ist und wobei ein Ausgangssignal des Multiplizierers (MUL1, MUL2) der Ansteuerschaltung (PWM2) als erstes Regelsignal (RS21) zugeführt ist.

14. Schaltnetzteil nach Anspruch 13, bei dem ein Stromfühlwi derstand (Rf) in Reihe zu dem Schalter (S) geschaltet ist, wobei ein an dem Stromfühlwiderstand (Rf) abgreifbares Signal der Ansteuerschaltung als weiteres Regelsignal zugeführt ist.

15. Schaltnetzteil nach Anspruch 13 oder 14, bei dem dem Mul tiplizierer (MUL1) das Eingangsspannungssignal (UnS) direkt zugeführt ist.

16. Schaltnetzteil nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Ein gangsspannungssignals (UnS) nach Maßgabe der Eingangsspannung (Un) oder des Eingangsspannungssignals (UnS) mit einem Faktor multipliziert und dem Multiplizierer (MUL) zugeführt ist.

17. Schaltnetzteil nach Anspruch 16, bei dem das Eingangs spannungssignals (UnS) mit einem vorgegebenen Faktor multi pliziert wird, wenn der Mittelwert, der Scheitelwert oder der Effektivwert der Eingangsspannung (Un) oder des Eingangsspan nungssignals (UnS) einen vorgegebenen Schwellenwert unter schreitet.

18. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem die Ansteuerschaltung (PWM2) derart ausgebildet ist, dass der Schalter (S) mit einer Frequenz nach Maßgabe des von dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) gelieferten Ausgangs signals eingeschaltet wird und solange eingeschaltet wird, bis das weitere Regelsignal einen von dem ersten Regelsignal (RS21) abhängigen Schwellenwert erreicht.