DE10126160A1

DE10126160A1 - Schaltung zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung

Info

Publication number: DE10126160A1
Application number: DE10126160A
Authority: DE
Inventors: Thomas Duerbaum
Original assignee: Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2001-05-30
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2002-12-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung für einen oder zwei Verbraucher (Rm, Ra), bei der ein erster Teil des Stromes über eine große Induktionsspule (L50) und einen ersten Gleichrichter (Gm) und ein zweiter Teil des Stromes über einen zweiten Gleichrichter (Ga) vor der großen Indutionsspule in der Eingangsseite zugeleitet wird. Dabei ist ausgangsseitig hinter dem zweiten Gleichrichter (Ga) ein Schaltnetzteil, vorzugsweise in Form eines Hochsetzstellers oder eines Sperrwandlers (10), angeordnet. Durch die Aufteilung des zugeführten Stromes kann die Induktionsspule (L50) zur Glättung der Ausgangsspannung entsprechend kleiner dimensioniert werden, und trotzdem kann die Schaltung gleichzeitig einschlägig Normvorschriften erfüllen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Umwandlung von Wechselspannung in eine ungeregelte Gleichspannung für mindestens einen Verbraucher, enthaltend

- zwei externe Anschlüsse zur Einspeisung einer Wechselspannung,
- ein Gleichrichtermodul, dessen zwei Eingänge über Verbindungsleitungen mit den zwei genannten externen Anschlüssen verbunden sind und welches zwei Ausgangs leitungen mit Außenanschlüssen für die Ankopplung mindestens eines Verbrau chers aufweist,
- mindestens eine in wenigstens einer der Verbindungsleitungen zwischen den exter nen Anschlüssen und dem Gleichrichtermodul angeordnete Induktionsspule.

Eine Vielzahl von elektrischen oder elektronischen Geräten benötigt für ihren Betrieb eine Gleichspannung, welche aus der Wechselspannung des Stromversorgungsnetzes bereitge stellt beziehungsweise erzeugt werden muss. Stellvertretend für derartige Endgeräte sei ein Fernsehgerät (TV) genannt. Die in solchen Geräten eingesetzten Schaltungen zur Um wandlung der Wechselspannung in Gleichspannung müssen bestimmte Anforderungen hinsichtlich ihres Umwandlungsverhaltens, insbesondere hinsichtlich des verbleibenden Anteils von Netzharmonischen erfüllen. Derartige Anforderungen sind nicht zuletzt Gegenstand von Normen, wobei diesbezüglich insbesondere die EN 61000-3-2 zu nennen ist, welche in Europa von Endgeräten, die mehr als 75 W Leistungsaufnahme aufweisen, ab dem Jahr 2001 zu erfüllen ist.

Zur Gewährleistung der Einhaltung der genannten Qualitätsnormen gibt es verschiedene Möglichkeiten mit verschiedenen optimalen Leistungsbereichen. Für große Leistungen ab ca. 500 W überwiegen aktive Lösungen. Im kleineren Leistungsbereich findet man dagegen häufig 50 Hz-Spulen. Diese sind verhältnismäßig preiswert, jedoch auch verhältnismäßig groß und schwer. Diese Größe bzw. diese konzentrierten Massen führen zu Problemen mit dem verfügbaren Platz auf gedruckten Leiterplatten bzw. zu Problemen bei der Stoßfestig keit der hergestellten Geräte.

Die genannten Probleme treten insbesondere auch bei Anwendungen auf, die mehr als ein Schaltnetzteil enthalten. Ein Beispiel hierfür sind moderne TV-Geräte, bei denen das zwei te Netzteil für den Stand-by Betrieb notwendig ist und im Normalbetrieb z. B. die Logik- ICs versorgt.

Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung für mindestens einen Verbraucher bereitzustellen, welche eine ausreichende Qualität des Umwandlungsverhaltens bei be grenztem Platz- und Kostenaufwand gewährleistet und welche insbesondere für Anwen dungen mit zwei Schaltnetzteilen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Schaltung zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung für mindestens einen Verbraucher enthält demnach folgende Bestandteile:

a) Zwei externe Anschlüsse (EA) an die die Pole einer externen Wechselspannungsquelle angelegt werden können.
b) Ein Gleichrichtermodul bekannter Bauart, dessen zwei Eingänge über Verbindungslei tungen jeweils mit einem der genannten externen Anschlüsse verbunden sind, und welches zwei Ausgangsleitungen aufweist, an die mindestens ein Verbraucher angeschlossen werden kann.
c) Mindestens eine Induktionsspule, welche in einer der Verbindungsleitungen angeord net ist, die die externen Anschlüsse mit dem Gleichrichtermodul verbinden. Die Induk tionsspule hat die Aufgabe, den Nachladestrom abzuflachen bzw. den Oberwellenanteil des Nachladestroms zu reduzieren.

Die Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Gleichrichtermodul vorhanden ist, dessen zwei Eingänge jeweils mit einem externen Anschluss verbunden sind, ohne dass in der zugehörigen Verbindung eine Induktionsspule angeordnet ist. Ferner weist das Gleichrichtermodul zwei Ausgangsleitungen für den Anschluss mindestens eines Verbrauchers auf. Dabei ist in den Ausgangsleitungen ein Schaltnetzteil mit entsprechen der Ansteuerung angeordnet, welches einen zumindest näherungsweise sinusförmigen Ein gangsstrom aufweist. Das heißt, dass der Eingangsstrom einen geringen Oberwellenanteil hat. Solche Netzteile, die auch AC-DC Wandler oder PFC (power factor correction circuit) genannt werden, sind der Literatur bekannt (vgl. Siemens "Schaltnetzteile" W. Hirschmann, A. Hauenstein ISBN 3-8009-1550-2).

In der erfindungsgemäßen Schaltung wird die als Wechselspannung von außen zugeführte Leistung über zwei getrennte Eingangspfade geleitet. Der eine Pfad führt dabei über das erste Gleichrichtermodul. In diesem Pfad befindet sich in bekannter Weise eine Induk tionsspule, um eine Reduzierung des Oberwellenanteils des Nachladestroms zu bewirken. Daneben wird erfindungsgemäß ein zweiter Eingangspfad über das zweite Gleichrichter modul eröffnet. Die hierdurch bei gleichbleibender Gesamtstromaufnahme eintretende Entlastung des ersten Eingangspfades kann dazu ausgenutzt werden, die in diesem Pfad befindliche Induktionsspule entsprechend kleiner auszulegen, weil die benötigte Induk tivität kleiner gewählt werden kann. Auf diese Weise wird es möglich, Induktionsspulen mit drastisch reduzierter Größe zu verwenden, welche auch unter beengten Platzverhält nissen auf gedruckten Leiterplatten einsetzbar sind und Probleme mit der Stoßfestigkeit der Geräte vermeiden. Des weiteren wird die mit der erfindungsgemäßen Schaltung erzeugte Verlaufsform der Stromentnahme aus der Wechselspannungsquelle in vorteilhafter Weise verändert, so dass in einfacher Weise und mit reduziertem Aufwand Normvorschriften erfüllt werden können.

Während grundsätzlich verschiedenen Topologien für das Schaltnetzteil verwendet werden können, ist dieses vorzugsweise so eingerichtet, dass es mit einem sinusförmigen Strom be trieben werden kann. Daher werden vorzugsweise ein Hochsetzsteller (auch Boost Konver ter oder Aufwärtsregler genannt) und/oder ein Sperrwandler (Flyback Konverter) einge setzt, denn im Gegensatz zu vielen anderen Topologien können der Hochsetzsteller und der Sperrwandler bei entsprechender "normaler" Ansteuerung einen rein sinusförmigen Eingangsstrom erzeugen.

Alternativ kann das Schaltnetzteil (z. B. Hochsetzsteller oder Sperrwandler) auch nicht rein sinusförmig betrieben werden, sondern den Nachladeimpuls nutzen, um den an den externen Anschlüssen gezogenen Eingangsstrom so lange wie möglich sinusförmig zu halten.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann in verschiedener Weise ergänzt werden, um verbes serte Ausgangssignale zu erhalten. So können die beiden Ausgangsleitungen des ersten Gleichrichtermoduls Gm über je einen Glättungskondensator gekoppelt sein. Durch diesen Glättungskondensator erfolgt eine Unterdrückung höherer Frequenzen in der Ausgangs spannung.

Im zweiten Ausgangspfad erfolgt die Kopplung dabei über den Ausgangskondensator des Schaltnetzteils (z. B. des Hochsetzstellers oder Sperrwandlers).

Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schaltung nach dem Stand der Technik zur Versorgung von zwei Verbrauchern;

Fig. 2 eine Schaltung nach dem Stand der Technik zur Versorgung eines Verbrauchers;

Fig. 3 die bei einer Schaltung nach Fig. 1 oder 2 eintretende Form der Stromentnahme;

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Schaltung mit zwei Verbrauchern;

Fig. 5 die bei der Schaltung nach Fig. 4 eintretende Form der Stromentnahme bei Betrieb des AC-DC Wandlers mit sinusförmigem Strom;

Fig. 6 die bei der Schaltung nach Fig. 4 eintretende Form der Stromentnahme bei Betrieb des AC-DC Wandlers bei Nutzung eines Teiles des Nachladeimpulses.

Die Erzeugung von Gleichspannungen zur Versorgung von elektronischen Endgeräten aus einer Wechselstrom-Netzspannung muss hinsichtlich der Umwandlung der Wechselspan nung in Gleichspannung gewisse Mindestkriterien erfüllen. Für Verbraucher mit mehr als 75 W Leistungsaufnahme werden diese Anforderungen zum Beispiel in der zukünftigen Norm EN 61000-3-2 ausgedrückt. Verschiedene Verfahren zur Erfüllung dieser Norm sind bemüht, einen möglichst exakt sinusförmigen Eingangsstrom zu erzeugen. Eine derartige Sinusform ist von der Norm indes nicht zwingend vorgeschrieben.

Ein weit verbreitetes Verfahren zur Erfüllung von Qualitätsvorschriften besteht in einer passiven Lösung unter Verwendung einer sogenannten 50 Hz-Spule, welche den Eingangs strom glättet. Dabei wird jedoch eine hohe Induktivität notwendig, um zum Beispiel die EN 61000-3-2 zu erfüllen. Die entsprechende Spule ist somit sehr groß und schwer, was Probleme bei ihrer Unterbringung auf einer gedruckten Platine sowie bei Stoßtesten der Geräte verursacht. Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltung zur Verfügung gestellt, welche die Verwendung kleinerer Spulen bei gleichzeitiger Erfüllung von Qualitätsvorschriften für die Umwandlung ermöglicht.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung nach dem Stand der Technik zur Versorgung zweier Verbrau cher Rm, Ra mit Gleichspannung, die durch Umwandlung aus einer Wechselspannungs quelle gewonnen wird. Diese Schaltung entspricht derjenigen aus Fig. 2, wobei die beiden Verbraucher Rm, Ra parallel an die Ausgänge des Gleichrichtermoduls G gehängt sind.

Fig. 2 zeigt die bekannte Schaltung zur Versorgung eines Verbrauchers RL mit Gleich spannung genauer. Die Leistung wird einer Wechselspannungsquelle AC entnommen und durch ein Gleichrichtermodul G in eine ungeregelte oder schwankende (mit "ripple" behaftete) Gleichspannung umgewandelt. An den Eingangsanschlüssen des Gleichrichters G wird die Wechselspannung eingespeist. In einer der Verbindungsleitungen oder in beiden Verbindungsleitungen des Gleichrichtermoduls G zu den externen Anschlüssen EA der Schaltung befindet sich dabei zur Glättung eine 50 Hz-Spule L50. An den Ausgangs anschlüssen "+", "-" des Gleichrichtermoduls G kann die Gleichspannung vom Verbrau cher RL abgegriffen werden. Die beiden Ausgangsleitungen zu diesen Anschlüssen können über einen Glättungskondensator C gekoppelt sein. Ferner befindet sich häufig in einer Ausgangsleitung ein Widerstand R, um eine Begrenzung des Einschaltstroms zu erzielen.

Die mit einer Schaltung nach Fig. 1 beziehungsweise nach Fig. 2 resultierende Kurven form der Stromentnahme ist in Fig. 3 dargestellt, wobei der Schaltung exemplarisch folgende Parameter zugrunde liegen: R = 1.5 Ohm, L50 = 32 mH, C = 220 µF, Uin = 230 V, f = 50 Hz, Po = 145 W.

In Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Schaltung zur Versorgung von zwei Verbrauchern Rm, Ra dargestellt. Bei dieser Schaltung gibt es zwei verschiedene Pfade, über welche Ener gie aus der an den externen Anschlüssen EA anliegenden Wechselspannung (Netzversor gung) gezogen wird. Der erste Pfad geht über das erste Gleichrichtermodul Gm (m = "main"), der zweite Pfad über das zweite Gleichrichtermodul Ga (a = "aux"). Nur der erste Pfad verläuft eingangsseitig des ersten Gleichrichtermoduls Gm über die 50 Hz-Spule L50, während die Hilfsleistung für den zweiten Pfad vor der 50 Hz-Spule L50 entnommen wird.

Während der Ausgangspfad über das Gleichrichtermodul Gm die konventionelle Konfigu ration aus Diodenbrücke und Elektrolytkondensator Cm nutzt, wird die Leistung für den zweiten Pfad aktiv mittels eines sinusförmigen Stromes zur Verfügung gestellt. Dies kann über ein Schaltnetzteil 10 (auch AC-DC Wandler oder PFC genannt) wie z. B. einen Hochsetzsteller (Boost Konverter) oder einen Sperrwandler geschehen, welches zwischen dem Gleichrichtermodul Ga und dem Verbraucher Ra angeordnet ist. Dabei wird über den ersten Pfad mit dem Gleichrichtermodul Gm vorzugsweise die größere Leistung bereitgestellt. Ebenso könnte er jedoch auch die kleinere Leistung verarbeiten.

Fig. 5 zeigt den resultierenden Signalverlauf der Stromentnahme an den externen An schlüssen EA (50 Hz Eingangsstrom, eine Halbwelle) bei Anwendung der Schaltung nach Fig. 4, wenn die Leistung für den Verbraucher Ra über einen sinusförmigen Strom durch das Gleichrichtermodul Ga zur Verfügung gestellt wird. Die resultierende Kurvenform des Eingangsstroms (durchgezogene Linie) besteht aus zwei Teilen, nämlich dem Strom durch das erste Gleichrichtermodul Gm (gestrichelte Linie) und dem Strom durch das zweite Gleichrichtermodul Ga (gepunktete Linie). Der Hauptwiederaufladungsimpuls wird durch die große 50 Hz-Spule L50 begrenzt.

Fig. 6 zeigt den resultierenden Signalverlauf der Stromentnahme an den externen An schlüssen EA (50 Hz Eingangsstrom, eine Halbwelle) bei Anwendung der Schaltung nach Fig. 4, wenn die Leistung für den Verbraucher Ra nicht rein sinusförmig gezogen wird, sondern unter Nutzung eines Teils des Nachladeimpulses, um einen möglichst sinusförmi gen Eingangsstrom zu bilden. Die resultierende Kurvenform des Eingangsstroms (durchge zogene Linie) besteht wiederum aus zwei Teilen, dem Strom durch das erste Gleichrichter modul Gm (gestrichelt) und das zweite Gleichrichtermodul Ga (gepunktet). Wenn der Nachladeimpuls beginnt, wird dabei die Stromaufnahme durch das zweite Gleichrichter modul Ga solange reduziert, bis sie negativ werden will (was aufgrund des Gleichrichter moduls Ga nicht möglich ist). Hierzu muss der Nachladeimpuls im oberen Kreis erfasst werden. Dies kann nach gängigen Stromsensorprinzipien erfolgen.

In den Beispielen, die den Fig. 5 und 6 zugrunde liegen, kann die Spule L50 gegen über dem Stand der Technik um einen Faktor von mehr als 2 kleiner gemacht werden (mit L × l²/2 als Näherungsmaß für die Größe der Spule).

Bei allen Vorschlägen kann die Verwendung nichtlinearer Magneten zur weiteren Reduzierung der Größe der magnetischen Komponenten verwendet werden.

Bezugszeichenliste

AC Wechselspannungsquelle
C Glättungskondensator
Ca Kondensator im zweiten Eingangspfad
Cm Kondensator im ersten Eingangspfad
EA Externer Anschluss
Gm Gleichrichter im ersten Eingangspfad ("main")
Ga Gleichrichter im zweiten Eingangspfad ("aux")
l Strom
L50 50 Hz-Spule
Lcom Strom-Induktivität
R Ohmscher Widerstand
RL Verbraucher
Rm, Ra Verbraucher im ersten/zweiten Eingangspfad
t Zeit

Claims

1. Schaltung zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung für mindestens einen Verbraucher, enthaltend

- zwei externe Anschlüsse (EA) zur Einspeisung einer Wechselspannung,
- ein Gleichrichtermodul (Gm), dessen zwei Eingänge über Verbindungsleitungen mit den zwei genannten externen Anschlüssen (EA) verbunden sind und welches zwei Ausgangsleitungen mit Außenanschlüssen für die Ankopplung mindestens eines Verbrauchers (Rm) aufweist,
- mindestens eine in einer der Verbindungsleitungen zwischen den externen Anschlüssen (EA) und dem Gleichrichtermodul (Gm) angeordnete Induktionsspule (L50),

dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein zweites Gleichrichtermodul (Ga) vorhanden ist, dessen zwei Eingänge ohne über die Induktionsspule (L50) zu verlaufen mit je einem der externen Anschlüsse (EA) verbunden sind und welches zwei Ausgangsleitungen für den Anschluss mindestens eines Verbrauchers (Ra) aufweist, wobei in den Ausgangsleitungen zwischen dem zweiten Gleichrichtermodul (Ga) und dem anzuschließenden Verbraucher ein Schaltnetzteil (10) angeordnet ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil (10) so eingerichtet ist, dass es mit einem näherungsweise sinusför migen Strom betrieben wird.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil ein Hochsetzsteller oder ein Sperrwandler (10) ist.

4. Schaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil (10) so eingerichtet ist, dass es einen Teil des Nachladeimpulses nutzt, um einen möglichst sinusförmigen Strom an den beiden externen Anschlüssen (EA) zu ziehen.