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Die
Erfindung betrifft ein Netzteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie ein elektrisches Gerät
mit einem solchen Netzteil.
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Für die Energieversorgung,
insbesondere von Steuerungen, elektrischer Geräte werden verbreitet Netzteile
mit einem Transformator verwendet, der die primärseitig anliegende Netzspannung
bei Netzfrequenz in eine sekundärseitige
Ausgangswechselspannung transformiert, wobei die sekundärseitige
Ausgangswechselspannung anschließend gleichgerichtet und geeignet
aufbereitet wird, beispielsweise stabilisiert. Bei derartigen Netzteilen
findet im Gegensatz zu den sogenannten Schaltnetzteilen die Transformation
bei Netzfrequenz statt, d.h. üblicherweise
bei 50 Hz bzw. 60 Hz. Schaltnetzteile weisen zwar ebenfalls einen
Transformator bzw. Übertrager
auf, der jedoch üblicherweise
bei wesentlich höheren
Frequenzen im Kilohertzbereich betrieben wird. Dies bewirkt eine
Erhöhung
des Wirkungsgrades und ermöglicht
eine Verkleinerung des Transformators. Der erforderliche Schaltungsaufwand nimmt
jedoch erheblich zu, da eine elektronische Aufbereitung der Eingangswechselspannung
vor ihrer Transformation erfolgen muss.
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Der
Vorteil von Netzteilen, die bei Netzfrequenz transformieren, ist
folglich ihr vergleichsweise günstiger
Preis sowie ihre hohe Störunempfindlichkeit
gegenüber
elektrischen Störquellen.
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Häufig ist
zum Abschalten des Netzteils bzw. des durch das Netzteil versorgten
Geräts
kein Netztrennschalter vorgesehen, welcher das Netzteil bzw. das
Gerät elektrisch
von der Eingangsspannung trennt. Dies kann beispielsweise aus Kostengründen der
Fall sein. Ein weiterer Grund hierfür sind Bedienelemente, die
hinter einem Isolator, wie Glaskeramik oder Hartglas, angeordnet
sind, beispielsweise in Form kapazitiv oder optisch betätigter Taster.
Diese können
ebenfalls nicht unmittelbar als Netztrennschalter wirken, da ein
Netztrennschalter in der Regel eine Netztrennung mechanisch bewirkt,
was eine Bewegung des Schalters, beispielsweise eine Drehung, erforderlich
macht.
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Wenn
kein Netztrennschalter vorgesehen ist, erfolgt ein Abschalten des
Geräts
bzw. dessen Steuerung in der Regel dadurch, dass sie in einen Ruhezustand
bzw. Stand-By-Zustand überführt werden,
in dem elektrische Verbraucher, beispielsweise Mikroprozessoren
und deren Peripherie, weitgehend abgeschaltet sind. Dadurch lässt sich
deren Stromverbrauch minimieren. Da der Transformator jedoch nicht
vom Netz getrennt ist, treten in diesem sogenannte Leerlaufverluste
auf, die deutlich über
den durch die elektrischen Verbraucher im Stand-By-Betrieb verursachten
Verlusten liegen können.
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Zur
Verringerung derartiger Leerlaufverluste ist in der
DE 100 23 832 A1 ein kapazitives
Bauelement in Form eines Kondensators vorgesehen, das auf der Primärseite des
Transformators in Serie mit einer Primärwicklung des Transformators
geschaltet ist. Dies bewirkt eine Verringe rung der an der Primärwicklung
anliegenden Spannung. Da an dem Kondensator keine Wirkleistungsverluste
entstehen, nehmen aufgrund der Spannungsreduktion an der Primärwicklung
die Leerlaufverluste im Transformator ab. Die primärseitige
Kapazität
hat jedoch ebenfalls zur Folge, dass eine sekundärseitige Ausgangsspannung stark
von der sekundärseitigen
Last abhängt. Zur
Lösung
dieses Problems wird eine sekundärseitige
Laststeuerung vorgeschlagen, die durch Veränderung einer zusätzlichen
sekundärseitigen
Last eine in etwa konstante Gesamtausgangslast einstellt. Dies erfordert
jedoch zusätzliche
Schaltungsteile und erhöht
den Stromverbrauch, da zusätzlich
zu der tatsächlichen
Ausgangslast ein Lastanteil durch die Laststeuerung hervorgerufen
wird. Weiterhin nimmt durch die Spannungsreduktion auf der Primärseite die
durch den Transformator übertragbare
Leistung ab.
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Aufgabe und
Lösung
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Der
Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines
Netzteils mit einem bei Netzfrequenz betriebenen Transformator sowie
eines elektrischen Geräts
mit einem derartigen Netzteil zugrunde, deren Transformator im Ruhe-
bzw. Stand-By-Zustand des Netzteils geringe Leerlaufverluste erzeugt
und im Normalbetriebsfall die auf der Primärseite zur Verfügung stehende
Leistung möglichst
verlustfrei auf die Sekundärseite übertragen.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch die Bereitstellung eines Netzteils mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 und eines elektrischen Geräts mit den Merkmalen
des Anspruchs 7. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der
Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden
näher erläutert. Der
Wortlaut der Ansprüche
wird durch ausdrückliche
Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Erfindungsgemäß ist dem
kapazitiven Bauelement und/oder induktiven Bauelement, das auf der Primärseite des
Transformators in Serie mit einer Primärwicklung des Transformators
geschaltet ist, ein ansteuerbares Schaltmittel parallel geschaltet.
Im Ruhezustand ist das Schaltmittel geöffnet. Das kapazitive und/oder
induktive Bauelement bildet in diesem Fall mit der Primärwicklung
einen Spannungsteiler, wodurch sich die an der Primärwicklung
anliegende Spannung verringert. Dies bewirkt eine Reduktion der
Leerlaufverluste im Transformator. Im Normalbetrieb ist das Schaltmittel
geschlossen, wodurch das kapazitive und/oder induktive Bauelement
kurzgeschlossen ist. Folglich liegt die gesamte Netzspannung an
der Primärwicklung
an, wodurch die maximale Eingangsleistung zur Verfügung steht.
Das kapazitive und/oder induktive Bauelement kann ein Bauelement
mit überwiegend
kapazitiven Eigenschaften, insbesondere ein Kondensator, ein Bauelement
mit überwiegend
induktiven Eigenschaften, insbesondere eine Spule, oder ein Bauelement
mit gemischt kapazitiven und induktiven Eigenschaften, beispielsweise
eine Serien- bzw. Reihenschaltung einer Spule und eines Kondensators,
sein. Da die Impedanz eines derartigen Bauelements im wesentlichen
frei von ohmschen Anteilen ist, entstehen durch das Bauelement praktisch
keine Wirkleistungsverluste, wenn es nicht durch das Schaltmittel
kurzgeschlossen ist.
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In
einer Weiterbildung des Netzteils ist dem kapazitiven und/oder induktiven
Bauelement ein Widerstand parallel geschaltet. Der Widerstand dient zur
definierten Entladung des Bauelements bei geöffnetem Schaltmittel.
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In
einer Weiterbildung des Netzteils ist das Schaltmittel ein Relais,
dessen Energieversorgung auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet
ist. Die Energieversorgung, d.h. die Versorgung bzw. Ansteuerung
einer Relaisspule, die ein Öffnen bzw.
Schließen
eines Relaiskontaktes bewirkt, erfolgt sekundärseitig, wodurch eine galvanische
Tren nung von Energieversorgung bzw. Ansteuerung des Relais und Relaiskontakt
ermöglicht
wird. Relais sind zuverlässige
und kostengünstige
Schaltmittel, die in geschlossenem Zustand eine niederohmige Verbindung
gewährleisten
und im geöffnetem
Zustand keine Störungen
durch parasitäre
Effekte verursachen.
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In
einer Weiterbildung des Netzteils ist ein Steuermittel auf der Sekundärseite des
Transformators zur Ansteuerung des Schaltmittels vorgesehen. Das
Steuermittel, das vorzugsweise einen Mikroprozessor bzw. eine digitale
Schaltung umfasst, wird hierbei von der Sekundärspannung versorgt, die üblicherweise
bereits aufgrund der herkömmlichen Netzteilfunktion
derart gewählt
ist, dass sie zur Versorgung digitaler Schaltkreise geeignet ist,
d.h. sie liegt typisch im Bereich von 2V bis ca. 15V. Eine zusätzliche
Versorgung des Steuermittels kann folglich entfallen. Wenn das Steuermittel
einen Mikroprozessor umfasst, kann dieser neben weiteren Funktionen auch
die Funktion der Ansteuerung des Schaltmittels übernehmen, wodurch keine zusätzlichen
Bauelemente notwendig werden. Ebenfalls kann die Ansteuerlogik bzw.
das Steuermittel beispielsweise mit einer Relaisspule verbunden
sein und durch Anlegen eines Stroms bzw. einer Spannung an die Relaisspule
ein Schließen
bzw. Öffnen
des Relaiskontaktes bewirken.
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Vorteilhaft
ist eine Impedanz des kapazitiven und/oder induktiven Bauelements
derart dimensioniert, dass sich bei geöffnetem Schaltmittel eine zur Versorgung
des Steuermittels ausreichende Sekundärspannung einstellt. Dies ermöglicht ein
Wiederanlaufen des Netzteils aus dem Ruhezustand in den Normalzustand
bzw. Normalbetrieb, da das Steuermittel auch bei geöffnetem
Schaltmittel bei Bedarf ein Schließen des Schaltmittels bewirken
kann und somit einen Übergang
in den Normalbetrieb hervorruft.
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Das
erfindungsgemäße elektrische
Gerät umfasst
ein erfindungsgemäßes Netzteil,
wie es zuvor beschrieben worden ist, und wenigstens eine elektrische
Heizeinrichtung.
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In
einer Ausbildung weist das Gerät
Bedienelemente auf, die hinter einem Isolator, insbesondere einer
Fläche
aus Glaskeramik oder Hartglas, angeordnet sind. Derartige Bedienelemente,
beispielsweise in Form kapazitiv oder optisch betätigter Taster bzw.
Sensorelemente, können
nicht unmittelbar als Netztrennschalter wirken, da ein Netztrennschalter
in der Regel eine Netztrennung mechanisch bewirkt. Dies macht eine
Bewegung des Schalters, beispielsweise eine Drehung, erforderlich.
Das erfindungsgemäße Gerät in Verbindung
mit dem erfindungsgemäßen Netzteil
ermöglicht
einen Stand-By-Betrieb des Geräts
mit reduzierter Verlustleistung, ohne dass ein speziell hierfür vorgesehener
Netztrennschalter notwendig ist, da die Leerlaufverluste des Transformators
im Stand-By-Betrieb deutlich reduziert sind.
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Diese
und weitere Merkmale gehen außer aus
den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale für
sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombination bei einer
Ausführungsform
der Erfindung oder auf anderen Gebieten verwirklicht sein können und
vorteilhafte sowie für
sich schutzfähige Ausführungen
darstellen können,
für die
hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne
Abschnitte sowie Zwischenüberschriften
beschränken
unter diesen gemachte Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Ein
vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und
wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 eine
Darstellung eines elektrischen Geräts in Form eines Kochfeldes
mit Bedienelementen zur Steuerung der Kochfeldfunktion und
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2 eine
Darstellung eines Netzteils des elektrischen Geräts von 1.
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Detaillierte
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
ein elektrisches Gerät
in Form eines Kochfelds KF mit Bedienelementen BE zur Steuerung
der Kochfeldfunktion, die hinter einer nicht gezeigten Glaskeramikfläche, insbesondere
als Kochfeldfläche,
angeordnet und als kapazitive Taster bzw. Sensorelemente ausgebildet
sind. Weitere Bedienelemente und insbesondere ein Netztrennschalter sind
nicht vorgesehen. Das Kochfeld weist mehrere, elektrische Heizeinrichtung
in Form von herkömmlichen
Strahlungsheizkörpern
SH auf.
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2 zeigt
ein Netzteil NE des Kochfelds KF von 1. Das Netzteil
NE umfasst Eingangsanschlüsse
EA1 und EA2, an die eine Netzwechselspannung UN angelegt werden
kann, ein Schaltmittel in Form eines Relais, das eine Relaisspule
RS und einen durch die Relaisspule RS betätigten Schaltkontakt SK aufweist,
ein kapazitives Bauelement in Form eines Kondensators C1, einen
Entladewiderstand R1, der ein definiertes Entladen des Kondensators C1
bei geöffnetem
Schaltkontakt SK gewährleistet, einen
Transformator TR mit einer Primärwicklung
PW und einer Sekundärwicklung
SW, einen Brückengleichrichter
GL, einen Glättungskondensator
C2, einen Mikroprozessor MP, Transistoren TR1 und TR2, einen Lastwiderstand
RV und eine Freilaufdiode D1.
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Auf
einer Primärseite
PS des Transformators TR sind der Kondensator C1, der Widerstand
R1 und der Schaltkontakt SK des Relais parallel geschaltet und mit
jeweils einem ihrer Anschlüsse
mit dem Eingangsan schluss EA2 verbunden. Die Parallelschaltung aus
den Bauelementen C1, R1 und SK ist seriell mit der Primärwicklung
PW des Transformators TR zwischen die Eingangsanschlüsse EA2
und EA1 eingeschleift.
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Auf
einer Sekundärseite
SS des Transformators TR ist die Sekundärwicklung SW des Transformators
TR mit dem Brückengleichrichter
GL in herkömmlicher
Weise verbunden. Der Brückengleichrichter
GL erzeugt aus einer an der Sekundärwicklung SW des Transformators
TR anliegenden Wechselspannung US eine gleichgerichtete Spannung UG,
die mit Hilfe des Glättungskondensators
C2 geglättet
wird und zur Versorgung des Mikroprozessors MP und seiner Peripherie
dient.
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Der
Lastwiderstand RV und eine Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors
TR1 sind zwischen die Spannung UG und eine Massespannung GND eingeschleift.
Ein Basisanschluss des Transistors TR1 ist mit einem Ausgangsanschluss
A1 des Mikroprozessors MP verbunden. Der Transistor TR1 dient als
Schalter, dessen Schaltzustand über
die Spannung am Ausgangsanschluss A1 des Mikroprozessors gesteuert
wird.
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Die
Relaisspule RS des Relais und eine Kollektor-Emitter-Strecke des
Transistors TR2 sind zwischen die Spannung UG und die Massespannung GND
eingeschleift. Der Relaisspule RS ist die Freilaufdiode D1 parallel
geschaltet, die eine beim Abschalten des Stroms durch die Relaisspule
RS entstehende Induktionsspannung definiert abbaut. Ein Basisanschluss
des Transistors TR2 ist mit einem weiteren Ausgangsanschluss A2
des Mikroprozessors MP verbunden. Der Transistor TR2 dient als Schalter,
dessen Schaltzustand über
die Spannung am Ausgangsanschluss A2 des Mikroprozessors gesteuert
wird. Bei durchgesteuertem Transistor TR2, d.h. bei geschlossenem
Schalter, fließt
ein Strom durch die Relaisspule RS, wodurch der Schaltkontakt SK
geschlossen wird. Bei gesperrtem Transistor TR2 ist die Relaisspule
RS stromlos, d.h. der Schaltkontakt SK öffnet sich. Selbstverständlich ist
in Abhängigkeit
vom verwendeten Relais-Typ auch ein invertiertes Schaltverhalten
möglich.
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Die
Bedienelemente BE von 1 sind mit nicht gezeigten Eingängen des
Mikroprozessors MP verbunden. Wenn ein Bedienelement BE betätigt wird,
führt dies
zu einem Zustandswechsel des Signals am zugehörigen Eingang. Dies wird vom
Mikroprozessor MP detektiert und dieser führt eine entsprechende Aktion
aus, beispielsweise aktiviert er den Transistor T1 und/oder T2.
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In
einem Stand-By- oder Ruhezustand sperrt der Transistor TR2, d.h.
durch die Relaisspule RS fließt
kein Strom. Folglich ist der Schaltkontakt SK geöffnet. Primärseitig bildet sich daher ein
Spannungsteiler aus der Kapazität
C1 und der Primärwicklung
PW des Transformators TR, die als Induktivität wirkt. Der Beitrag des Widerstands
R1 ist vernachlässigbar,
da er hochohmig dimensioniert werden kann. Dies reduziert eine Spannung
UP an der Primärwicklung
PW, ohne dass ohmsche Verluste im Kondensator C1 auftreten können. Aufgrund
der Spannungsreduktion an der Primärwicklung PW nehmen die Leerlaufverluste
im Transformator TR stark ab.
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Wenn
vom Ruhezustand in den Normalzustand gewechselt werden soll, kann
dies durch Betätigen
einer Taste bzw. eines Bedienelements BE erfolgen. Der Mikroprozessor
MP steuert in Folge den Transistor TR2 derart an, dass dessen Kollektor-Emitter-Strecke
leitend wird, d.h. durch die Relaisspule RS fließt ein Strom. Der Betrag des
durch die Relaisspule RS fließenden
Stroms wird durch einen Widerstand der Spule RS und durch den Betrag der
Spannung UG bei geöffnetem
Schaltkontakt SK bestimmt. Die Impedanz bzw. die Kapazität des kapazitiven
Bauelements bzw. des Kondensators C1 muss folglich derart dimensioniert
werden, dass sich bei geöffnetem
Schaltkontakt SK ein Betrag der Spannung UG einstellt, der einen
Strom durch die Relaisspule RS bewirkt, der zum Schließen des Schaltkontaktes
SK noch ausreicht.
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Wenn
der Strom ausreicht, schließt
sich in Folge der Schaltkontakt SK und der Kondensator C1 und der
Widerstand R1 werden kurzgeschlossen. Dies bewirkt, dass die Spannung
UN vollständig
an der Primärwicklung
PW des Transformators TR anliegt, wodurch auf der Sekundärseite SS
des Transformators TR die maximale aus der Netzspannung UN entnehmbare
Leistung ansteht.
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Wenn
für die
Strahlungsheizkörper
SH ein Nullleitertrennrelais verwendet wird, welches bei abgeschaltetem
Gerät bzw.
abgeschaltetem Heizkörper SH
den Heizkörper
SH vom Nullleiter trennt, kann das Nullleitertrennrelais auch als
Relais verwendet werden. Um zu vermeiden, dass die Heizkörper SH im
Stand-By-Betrieb auf dem Potential UN-UP liegen, sind jedoch getrennte
Relais für
das Nullleitertrennrelais und das Relais zu verwenden.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
sind der Mikroprozessor MP und die Transistoren TR1 und TR2 Teil
des Netzteils NE. Diese können
jedoch auch Teil einer durch das Netzteil NE versorgten, nicht gezeigten
zusätzlichen
Steuerung sein, wenn eine derartige zusätzliche Steuerung vorgesehen
ist.
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Der
Transformator TR erzeugt bei den gezeigten Ausführungen des Netzteils NE geringe
Leerlaufverluste, wobei im Normalbetriebsfall die auf der Primärseite PS
zur Verfügung
stehende Leistung ohne Einwirkung des kapazitiven Bauelementes C1 auf
die Sekundärseite
SS übertragen
wird, d.h. im Normalbetriebsfall steht die volle Leistung zur Verfügung.
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Das
kapazitive Bauelement bzw. der Kondensator C1 kann allgemein auch
durch ein induktives Bauelement, beispielsweise in Form einer Spule, ersetzt
werden. Auch eine Reihen- oder Serienschaltung des Kondensators
C1 zusammen mit einer Spule ist möglich. Wesentlich hierbei ist,
dass die Impedanz des kapazitiven und/oder induktiven Bauelements
möglichst
geringe ohmsche Anteile aufweist, da diese zu unerwünschten
Wirkleistungsverlusten führen.
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Die
gezeigten Ausführungsformen
sind schaltungstechnisch einfach realisierbar und reduzieren den
Stromverbrauch im Stand-By-Betrieb deutlich.