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Die
Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil.
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In
der industriellen Messtechnik und in den meisten nicht tragbaren
elektronischen Geräten
werden Verbraucher regelmäßig über Schaltnetzteile
an eine Energieversorgung angeschlossen. Die Verbraucher sind elektronische
Geräte,
insb. Messgeräte,
Sensoren oder Transmitter. Die Schaltnetzteile umfassen in der Regel
einen Schaltregler und einen Transformator und dienen dazu eine
von der Energieversorgung bereitgestellte Spannung auf eine vom
Verbraucher benötigte
Eingangsspannung zu regeln. Zusätzlich
bewirken sie eine galvanische Trennung zwischen dem Verbraucher
und der Energieversorgung. Eine galvanische Trennung ist in der industriellen
Messtechnik sehr häufig
durch entsprechende Sicherheitsvorschriften vorgeschrieben.
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Schaltnetzteile
benötigen
bei deren Inbetriebnahme in der Regel einen sehr hohen Einschaltstrom.
Der Einschaltstrom kann ohne weiteres das 200-fache des während des Betriebs benötigten Nennstroms
betragen. Dieser Effekt führt
jedoch oft zu Problemen bei anderen Verbrauchern, welche an das
selbe Versorgungsnetz angeschlossen sind. Insbesondere in industriellen
Anwendungen gibt es daher Grenzwerte für den maximal zulässigen Einschaltstrom.
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Der
hohe Einschaltstrom wird typischer Weise durch einen Energiespeicher,
verursacht, der dem eigentlichen Schaltelement vorgeschaltet ist
und unter anderem dazu dient, einen möglicher Weise auftretenden
kurzzeitigen Ausfall der Energieversorgung zu überbrücken.
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1 zeigt
einen typischen Aufbau eines herkömmlichen Schaltnetzteils 1 mit
einem daran angeschlossenen Verbraucher 3. Das Schaltnetzteil 1 umfasst
eine Eingangsbeschaltung 5 und ein Schaltelement 7.
Die Eingangsbeschaltung 5 ist an eine Energieversorgung 9 anschließbar. Zwischen
der Eingangsbeschaltung 5 und dem eigentlichen Schaltelement 7 ist
typischerweise ein Kondensator 11 vorgesehen. Dieser Kondensator 11 erfüllt in der
Regel zwei Aufgaben.
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Zum
einen dient er als Kurzzeit-Energiespeicher für den Betrieb des Schaltnetzteils 1.
Bei jedem Schaltvorgang des Schaltelements 7 wird die für den Schaltvorgang
benötigte
Energie zunächst
dem Kondensator 11 entnommen. Anschließend wird der Kondensator 11 über die
Eingangsbeschaltung 5 wieder aufgeladen. Ein solcher Ent-
und Beladevorgang dauert typischerweise einige Mikrosekunden. Ohne den
Kondensator 11 müsste
die für
den Schaltvorgang benötigte
Energie unmittelbar über
die Eingangsbeschaltung 5 aus der Energieversorgung 9 entnommen
werden. Hierdurch würde
sich jedoch der Wirkungsgrad des Schaltnetzteils deutlich verringern,
da die Eingangsbeschaltung 5 in der Regel Leitungen und
Filter mit hohen Induktivitäten
aufweist.
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Zum
anderen dient der Kondensator 11 dazu kurzzeitige Ausfälle oder
Einbrüche
der Energieversorgung 9 zu überbrücken. Derartige Unterbrechungen
können
beispielsweise durch eine kurzzeitige Überlastung der Energieversorgung 9 entstehen.
In diesem Fall kann der Betrieb des Schaltnetzteils 1 beispielsweise
für einige
Millisekunden mittels der im Kondensator 11 gespeicherten
Ladung aufrecht erhalten werden. Häufig ist eine Überbrückungszeit
in der Größenordnung
von 20 ms gefordert.
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Um
kurzeitige Ausfälle
der Energieversorgung überbrücken zu
können
muss der Kondensator 11 eine hohe Kapazität aufweisen.
Dies führt
jedoch zwangsläufig
zu einem hohen Einschaltstrom. Um den Einschaltstrom gering zu halten
müsste
der Kondensator 11 eine möglichst geringe Kapazität aufweisen.
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Aus
diesem Grund wird zwischen der Eingangsbeschaltung 9 und
dem Kondensator 11 häufig ein
Widerstand 13 vorgesehen, der dazu dient den Einschaltstrom
zu reduzieren. Die Überbrückung von kurzzeitigen
Ausfällen
in der Energieversorgung wird durch den Widerstand 13 nicht
beeinträchtigt.
Der Widerstand 13 verursacht jedoch einen Spannungsabfall
und damit eine Verlustleistung und verringert die verfügbare Spannung.
Dies ist insb. bei solchen Anwendungen von Nachteil, bei denen die über die Energieversorgung 9 zur
Verfügung
stehende Spannung gering ist. Bei niedrigen Versorgungsspannungen
werden große
Ströme
benötigt,
welche wiederum am Widerstand 13 eine hohe Verlustleistung
bewirken.
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Der
durch den Widerstand 13 verursachte Energieverlust lässt sich
vermeiden, indem der Widerstand 13 nach dem Einschaltvorgang überbrückt wird.
Dies kann wie in 1 dargestellt, durch einen Parallelpfad 15 erfolgen,
der über
einen steuerbaren Schalter 17 zugeschaltet werden kann.
Dabei wird der Schalter 17 beim Einschalten des Schaltnetzteils 1 geöffnet, so
dass der Einschaltstrom ausschließlich über den Widerstand 13 fließt und im
Anschluss an den Einschaltvorgang geschlossen, so dass der Widerstand 13 überbrückt ist.
Durch den Schalter 17 und dessen Ansteuerung erhöht sich
jedoch der Aufwand für
das gesamte Schaltnetzteil erheblich.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges Schaltnetzteil anzugeben,
das bei dessen Inbetriebnahme mit einem geringen Einschaltstrom
auskommt.
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Hierzu
besteht die Erfindung in einem Schaltnetzteil mit
- – einer
Eingangsbeschaltung, über
die das Schaltnetzteil an eine Energieversorgung anschließbar ist,
- – einem
Schaltelement, das über
eine erste und eine zweite Leitung an die Eingangsbeschaltung angeschlossen
ist,
- – einem
ersten Kondensator, der als Kurzzeit-Energiespeicher dient und in
einem ersten die erste und die zweite Leitung verbindenden Querzweig liegt,
und
- – einem
zweiten Kondensator, der zur Überbrückung von
kurzzeitigen Ausfällen
der Energieversorgung dient, und der parallel zu dem ersten Kondensator
in einem die erste und die zweite Leitung verbindenden zweiten
Querzweig
liegt.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Kondensator im zweiten
Querzweig über einen
Aufladungszweig und einen parallel dazu angeordneten Entladungszweig
mit der ersten Leitung verbunden, und wird im Betrieb bei Bedarf über den Aufladungszweig
aufgeladen und über
den Entladungszweig entladen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist dem zweiten Kondensator im Aufladungszweig ein
Widerstand vorgeschaltet.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist dem zweiten Kondensator im Entladungszweig
eine Diode vorgeschaltet.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung weist der zweite Kondensator eine wesentlich
höhere
Kapazität
auf als der erste Kondensator.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zwei Kondensatoren eingesetzt
werden, von denen ein erster als Kurzzeit-Energiespeicher für das Schaltelement
und ein zweiter als Energiespeicher für eine Überbrückung eines eventuell auftretenden
kurzzeitigen Ausfalls der Energieversorgung dient. Auf diese Weise
ist es möglich
die beiden Kondensatoren unabhängig
voneinander entsprechend den an sie gestellten Aufgaben zu dimensionieren.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass der zweite Kondensator über den
Widerstand im Aufladezweig mittels eines geringen Stroms aufgeladen werden
kann. Hierdurch wird der benötigte
Einschaltstrom gering gehalten. Da sich der Widerstand im zweiten
Querzweig befindet, bewirkt er im normalen Betrieb keinerlei Energieverluste.
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Die
beschriebene Schaltung ist effektiver, einfacher und damit kleiner
und kostengünstiger
als die eingangs beschriebene herkömmliche Schaltung mit permanentem
Vorwiderstand und Schalter.
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Die
Verwendung von zwei Kondensatoren bewirkt keine zusätzlichen
Kosten, da nur der kleinere erste Kondensator schaltfest sein muss,
wohingegen der zweite Kondensator ein einfacher Kondensator mit
höherer
Kapazität
sein kann.
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Die
Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der
Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel
dargestellt ist, näher
erläutert; gleiche
Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild eines herkömmlichen
Schaltnetzteils; und
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2 zeigt
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils.
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In 2 ist
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils 19 mit
einem daran angeschlossenen Verbraucher 3 dargestellt.
Genau wie bei dem eingangs beschriebenen Stand der Technik ist auch
hier eine Eingangsbeschaltung 5 und ein Schaltelement 7 vorgesehen.
Die Eingangsbeschaltung 5 ist an eine Energieversorgung 9 anschließbar. Die
Eingangsbeschaltung 5 weist Anschlüsse 21 für die Energieversorgung 9 auf.
Zusätzlich
können
in der Eingangsbeschaltung 5 Elemente zur Vorverarbeitung,
z.B. Filter, vorgesehen sein. Das Schaltelement 7 umfasst
beispielsweise einen Schaltregler und einen Transformator. Die Erfindung ist
auch in Verbindung mit Schaltelementen ohne Transformator einsetzbar.
Das Schaltelement 7 ist über eine erste und eine zweite
Leitung 23, 25 an die Eingangsbeschaltung 5 angeschlossen.
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Das
Schaltnetzteil 19 weist einen ersten Kondensator 27 auf,
der in einem ersten die erste und die zweite Leitung 23, 25 verbindenden Querzweig 29 liegt.
Dieser erste Kondensator 27 dient als Kurzzeit-Energiespeicher
für den
Betrieb des Schaltnetzteils 15. Bei jedem Schaltvorgang
des Schaltelements 7 wird die für den Schaltvorgang benötigte Energie
zunächst
dem ersten Kondensator 27 entnommen. Anschließend wird
der erste Kondensator 27 über die Eingangsbeschaltung 5 wieder
aufgeladen. Ein solcher Ent- und Beladevorgang dauert typischerweise
einige Mikrosekunden.
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Erfindungsgemäß weist
das Schaltnetzteil 19 einen zweiten Kondensator 31 auf,
der parallel zu dem ersten Kondensator 27 geschaltet ist,
und in einem die erste und die zweite Leitung 23, 25 verbindenden
zweiten Querzweig 33 liegt. Dieser zweite Kondensator 31 dient
zur Überbrückung von
kurzzeitigen Ausfällen
der Energieversorgung. Bei einem kurzzeitigen Ausfall der Energieversorgung
wird die für
die Aufrechterhaltung des Betriebs des Schaltnetzteils 19 benötigte Energie
dem zweiten Kondensator 31 entnommen. Anschließend wird
der zweite Kondensator 31 über die Eingangsbeschaltung 5 wieder
aufgeladen.
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Vorzugsweise
erfolgen Aufladung und Entladung des zweiten Kondensators 31 auf
unterschiedlichen Wegen. Erfindungsgemäß ist der zweite Kondensator 31 im
zweiten Querzweig 33 über
einen Aufladungszweig 35 und einen parallel dazu angeordneten
Entladungszweig 37 mit der ersten Leitung 23 verbunden.
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Im
Betrieb wird der zweite Kondensator 31 bei Bedarf über den
Aufladungszweig 35 aufgeladen und über den Entladungszweig 37 entladen.
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Vorzugsweise
ist dem zweiten Kondensator 31 im Aufladungszweig 35 ein
Widerstand 39 vorgeschaltet. Der Widerstand 39 bewirkt
eine Verlangsamung des Aufladevorgangs und damit eine Reduktion
des hierzu erforderlichen Stromes.
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Der
Entladevorgang erfolgt demgegenüber nahezu
ungebremst. Vorzugsweise ist dem zweiten Kondensator 31 im
Entladungszweig 37 eine Diode 41 vorgeschaltet.
Arbeitet die Energieversorgung 9 einwandfrei, so ist der
Entladungszweig 37 durch die Diode 41 gesperrt.
Fällt die
Energieversorgung 9 jedoch aus, so sinkt die Spannung in
der ersten Leitung 23 ab und die Diode 41 schaltet
durch. Die Entladung erfolgt dann über die Diode 41,
und die Ladung des zweiten Kondensators 31 steht fast vollständig für die Überbrückung des
Ausfalls zur Verfügung.
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Dadurch,
dass ein erster Kondensator 27 als Kurzzeit-Energiespeicher
und ein zweiter Kondensator 27, 31 zur Überbrückung von
kurzzeitigen Ausfällen
der Energieversorgung vorgesehen sind, ist es möglich die beiden Kondensatoren 27, 31 unabhängig von
einander entsprechend deren Funktion in der Schaltung zu dimensionieren.
Dabei weist der zweite Kondensator 31 vorzugsweise eine
wesentlich höhere
Kapazität
C2 auf als der erste Kondensator 27. Die Kapazität C2 kann
beispielsweise das 20 bis 100 fache der ersten Kapazität C1 betragen.
Durch die kleine erste Kapazität
C1 wird der Einschaltstrom gering gehalten. Die im Vergleich dazu
wesentlich größere zweite
Kapazität
C2 ermöglicht
es, einen Ausfall der Energieversorgung über einen im Vergleich zu herkömmlichen
Lösungen
deutlich längeren
Zeitraum zu überbrücken.
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Vorzugsweise
wird als erster Kondensator 27 ein schaltfester Kondensator
mit geringer Kapazität
C1 eingesetzt. Die Kapazität
C1 ist so zu wählen, das
die im ersten Kondensator 27 speicherbare Energie im normalen
Betrieb für
einen Schaltvorgang ausreicht. Typischerweise reicht hierfür eine Kapazität C1 in
der Größenordnung
von einigen μF
völlig aus.
Je geringer die Kapazität
C1 ist, umso geringer ist der beim Einschalten des Schaltnetzteils 19 für die Aufladung
des ersten Kondensators 27 benötigte Strom.
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Der
zweite Kondensator 31 muss kein schaltfester Kondensator
sein. Dies liegt daran, dass er durch den Widerstand 39 und
die Diode 41 nicht direkt von den Schaltvorgängen im
Schaltnetzteil 7 betroffen ist. Hier kann ein kostengünstiger
Kondensator mit einer Kapazität
C2 verwendet werden, die in Abhängigkeit
von den zu überbrückenden
Ausfällen der
Energieversorgung zu wählen
ist. Die Aufladung des zweiten Kondensators 31 wird über den
im Aufladezweig 35 liegenden Widerstand 39 verlangsamt. In
der Praxis kommen kurzzeitige Ausfälle der Energieversorgung nur
gelegentlich vor, so dass zwischen zwei Ausfällen ein langer Zeitraum zur
Aufladung des zweiten Kondensators 31 zur Verfügung steht.
Durch entsprechende Dimensionierung des Widerstandes 39 kann
folglich der zweite Kondensator 31 mit großer Kapazität C2 mittels
eines geringen Stromes aufgeladen werden. Beispielsweise kann der
zweite Kondensator 31 in Verbindung mit einem Widerstand 39 in
der Größenordnung
von 10 Ω eine Kapazität C2 in
der Größenordnung
von 5000 μF
aufweisen.
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Das
erfindungsgemäße Schaltnetzteil 19 bietet
den Vorteil, dass der für
die Inbetriebnahme desselben erforderliche Einschaltstrom sehr gering ist.
Dies wird dadurch erreicht, dass der erste Kondensator 27 eine
geringe Kapazität
C1 aufweist und die Aufladung des zweiten Kondensators 31 unabhängig vom
ersten Kondensator 27 erfolgt und über den Widerstand 35 verlangsamt
ist.