DE102006010993B4

DE102006010993B4 - Schaltung und Verfahren zum Betrieb der Schaltung sowie Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE102006010993B4
Application number: DE200610010993
Authority: DE
Inventors: Hubert Schönenberger
Original assignee: PULS GmbH
Current assignee: PULS GmbH
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2026-03-10
Also published as: DE102006010993A1

Abstract

Schaltung, insbesondere zur Ansteuerung eines elektronischen Wandlers, umfassend
– einen Gleichrichter (120), der mit einer Eingangsspannung verbunden und der an einem Ausgang eine gleichgerichtete Spannung bereitstellt;
– einen ersten Kondensator (C1) und einen zweiten Kondensatoren (C2), die in Reihe geschaltet sind, wobei die Anschlüsse der Reihenschaltung mit dem Ausgang des Gleichrichters (120) verbunden sind;
– einen ersten Schalter (AS), der mit der Mitte der Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator (C1) und dem zweiten Kondensator (C2) und mit einem Pol der Eingangsspannung verbunden ist;
– eine Auswerteeinheit (130), die mit den Anschlüssen und mit der Mitte der Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator (C1) und dem zweiten Kondensator (C2) verbunden ist, wobei anhand der Auswerteeinheit (130) der erste Schalter (AS) ansteuerbar ist,
– wobei der erste Schalter geöffnet wird, wenn beide Spannungsabfälle an den Kondensatoren (C1, C2) einen Schwellwert überschreiten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung, insbesondere zur Ansteuerung eines elektronischen Wandlers, ein Verfahren zum Betrieb der Schaltung sowie ein Schaltnetzteil.
Aus DE 101 30 557 A1 sind Verfahren und Vorrichtung zur Spannungskompensation einer in einem 3-Phasen-Wechselrichter mit vier Schaltern erzeugten Spannungswelligkeit bekannt.
Netzteile, die sich zum Betrieb bei unterschiedlichen Netzspannungen eignen, sind bekannt. Beispielsweise funktionieren Netzteile für elektronische Geräte wie Notebooks oder Ladegeräte für Mobiltelefone bei 220 VAC ebenso wie bei 110 VAC. Dies lässt sich zum einen realisieren mit sogenannten Weitbereichsnetzgeräten, die einen Spannungsbereich von z. B. 100 VAC bis 240 VAC abdecken. Nachteilig ist bei Weitbereichsnetzgeräten, dass ein darin eingesetzter Wandler für den genannten Eingangsspannungsbereich ausgelegt werden muss und somit nicht effizient arbeitet.
Eine andere Möglichkeit ist es, den Spannungsbereich zu unterteilen in einen ersten Bereich von 100 VAC bis 120 VAC und in einen zweiten Bereich von 200 VAC bis 240 VAC und beide Bereiche abhängig von der tatsächlich anliegenden Eingangsspannung umzuschalten. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von ”Autorange” oder ”Autoselect”. Durch eine Spannungsverdopplungsschaltung, die während des Betriebs des Netzgeräts in dem ersten Bereich aktiv ist, lässt sich ein DC-Arbeitsbereich des Hauptwandlers begrenzen und damit die Performanz des Netzgerätes bezüglich Wirkungsgrad und Pufferzeit optimieren. Ein wesentliches Problem für diese automatische Bereichswahl besteht in einer zuverlässig funktionierenden Ansteuerung.
Übliche Ansteuerungen zur automatischen Bereichswahl bewerten als ein Auswahlkriterium die AC-Eingangsspannung aus. Das Problem bei diesen Lösungen besteht darin, dass das Auswahlkriterium störanfällig für kurzzeitig ”transiente” Vorgänge, insbesondere für Spannungseinbrüche ist. So können kurzzeitige Spannungseinbrüche (”Drops”) im 230 VAC-Betrieb dazu (ihren, dass fälschlicherweise die Spannungsverdopplungsschaltung (115 V-Betrieb) aktiviert wird. Kehrt die ”normale” Versorgungsspannung von 230 VAC nach dem kurzzeitigen Spannungseinbruch zurück, wird diese kurzzeitig verdoppelt, was zu einer massiven Überspannung auf der Gleichstromseite am dem Eingang des Wandlers führt und zur Zerstörung des Geräts führen kann.
Des weiteren kann eine zeitlich begrenzte Störung (z. B. die sog. Transiente ”VDE160”) bei einem Netzteil, das bei einer Netzspannung von z. B. 115 VAC betrieben wird, zu einem Umschalten in den 230 VAC-Betrieb (ihren. Ist die zeitlich begrenzte Störung vorüber, befindet sich das Netzteil in der falschen Betriebsart (230 VAC anstatt 115 VAC) und funktioniert nicht mehr.
Ferner ist es ein Nachteil konventioneller Lösungen zur automatischen Bereichswahl, dass beim Umschalten vom 230 VAC in den 115 VAC-Betrieb kurzzeitig ein sehr hoher Einschaltstrom fließen kann. Beim Aktivieren der Spannungsverdopplerschaltung kommt es zu unstetigen Spannungsänderungen an den Kondensatoren, die große Eingangsspitzenströme verursachen und Bauteile im Eingangskreis, wie z. B. Gleichrichter oder Sicherung, beschädigen können.
Ein weiterer Nachteil handelsüblicher Netzteile zur automatischen Bereichswahl besteht darin, dass diese keine geeignete Schutzvorrichtung der dem Gleichrichter nachgeschalteten Kondensatoren aufweisen. Bekannt sind Schutzverfahren mit Klemmbauteilen, z. B. Varistoren oder Zenerdioden, die direkt an den Kondensatoren angebracht werden und gegen dauerhafte Überspannung Schutz bieten sollen. In einem Fehlerfall jedoch löst ein großer Klemmstrom die Netzsicherung eingangseitig aus oder zerstört das Klemmelement selber. Der Nachteil dieser Schutzmaßnahme liegt insbesondere in der mangelhaften Betriebssicherheit bei energiereichen Spannungstransienten. Der VDE0160- Impuls oder ein wie oben beschrieben fehlerhaftes Umschalten in den 115 VAC-Bereich während eines 230 VAC-Betriebs führen ebenfalls zur Klemmung und zerstören somit die Schutzbauteile oder öffnen die Sicherung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend angegebenen Nachteile zu vermeiden und eine Schaltung anzugeben, die insbesondere eine Vielzahl von Betriebszuständen in einem Schaltnetzteil abdeckt und ferner eine geeignete Fehlerüberwachung erlaubt. Weiterhin wird ein Verfahren zum Betrieb dieser Schaltung angegeben und ein Schaltnetzteil unter Verwendung ebendieser Schaltung.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung angegeben, insbesondere zur Ansteuerung eines elektronischen Wandlers, umfassend einen Gleichrichter, der mit einer Eingangsspannung verbunden ist. An dem Ausgang des Gleichrichters wird eine im Wesentlichen gleichgerichtete Spannung bereitgestellt. Ferner umfasst die Schaltung einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Anschlüsse der Reihenschaltung mit dem Ausgang des Gleichrichters verbunden sind. Ein erster Schalter ist einerseits mit der Mitte der Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator und andererseits mit einem Pol der Eingangsspannung verbunden. Eine Auswerteeinheit ist mit den Anschlüssen der Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator sowie mit der Mitte der Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator verbunden. Anhand der Auswerteeinheit ist der erste Schalter ansteuerbar.
Wenn der erste Schalter geschlossen ist, kann der Gleichrichter insbesondere in Verbindung mit dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator als Spannungsverdopplerschaltung funktionieren. Dies ist insbesondere von Bedeutung, falls die Eingangsspannung einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Abhängig von der Eingangsspannung wird der nachgeschaltete Verbraucher, beispielsweise ein elektronischer Wandler, somit in einem für ihn günstigen Bereich betrieben, d. h. die Eingangsspannung kann entweder gleichgerichtet an den Verbraucher weitergeleitet werden oder sie kann über die Spannungsverdopplerschaltung im verdoppelt und gleichgerichtet an den Verbraucher weitergeleitet werden.
Ein Vorteil der Schaltung besteht nun darin, dass die Auswerteeinheit den Spannungsabfall über der Reihenschaltung aus erstem und zweiten Kondensator und den Spannungsabfall über dem ersten oder dem zweiten Kondensator ermittelt. Diese Spannungsdifferenzen nach der Gleichrichtung sind robust gegen eingangseitige Spannungseinbrüche und können genutzt werden um festzustellen, ob der Spannungsabfall über den Kondensatoren einen vorgegebenen Schwellwert erreicht, über- oder unterschreitet. Anhand dieser Informationen kann der erste Schalter geöffnet oder geschlossen werden. Zudem kann daraus eine effektive Fehlerüberwachung dergestalt erfolgen, dass beispielsweise die Schaltung inaktiv wird. Durch die beschriebene Schaltung wird eine hohe Störfestigkeit erreicht.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass die Schaltung einen Wandler umfasst, der über die Auswerteeinheit ansteuerbar ist. Insbesondere kann der Wandler über die Auswerteeinheit aktivierbar sein. Bevorzugt kann ferner der Wandler ein Zustandssignal, insbesondere ein Signal dass er inaktiv ist, an die Auswerteeinheit übermitteln.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass dem Gleichrichter vorgeschaltet ein Entkopplungsmodul ist. Vorzugsweise nimmt dabei das Entkopplungsmodul die folgenden Funktionen wahr: Es

– begrenzt den Strom durch die Schaltung, insbesondere während des Einschaltvorgangs bzw. während des Aufladens mindestens eines Kondensators;
– lässt in einem Betriebszustand, insbesondere dem ”Normalbetrieb” den Eingangsstrom ungehindert passieren;
– sperrt im Fehlerfall, d. h. die Schaltung wird von der Eingangsspannung getrennt. Mögliche Realisierungen für eine Sperrfunktionalität des Entkopplungsmoduls sind: (i) Eine Parallelschaltung aus einer Strombegrenzung und einem Schalter (wie nachfolgend detailliert beschrieben); im Fehlerfall wird der Schalter geöffnet, die Strombegrenzung wird aktiviert und schaltet sich selbst nach einer vorgegebenen Zeitdauer ab. Alternativ oder zusätzlich könnte eine aktive Abschaltung vorgesehen sein wie unter (ii) beschrieben. (ii) Eine Serienschaltung aus einer Strombegrenzung und einem Schalter: Der Schalter kann z. B. über die Auswerteeinheit angesteuert, d. h. geöffnet und somit die Schaltung von der Eingangsspannung getrennt werden. Auch ist es möglich, zusätzlich eine Sicherung (Netzsicherung) vorzusehen und über den Schalter einen Kurzschluss in der Schaltung dergestalt zu erzeugen, dass die Sicherung ausgelöst wird. Auch auf diese Art kann die Schaltung wirksam von der Eingangsspannung getrennt werden.

Eine Ausgestaltung besteht darin, dass das Entkopplungsmodul eine Strombegrenzung umfasst. Ferner kann das Entkopplungsmodul einen zweiten Schalter umfassen. Der zweite Schalter und die Strombegrenzung können bevorzugt zueinander in Reihe oder parallel geschaltet sein.
Dabei kann die Strombegrenzung mit einem Pol der Eingangsspannung einerseits und mit einem Eingang des Gleichrichters andererseits verbunden sein. Die Strombegrenzung kann den Strom während der Aufladung mindestens eines Kondensators begrenzen. Insbesondere begrenzt die Strombegrenzung den Strom durch den ersten Kondensator und durch den zweiten Kondensator während deren Aufladung. Dies ist von Vorteil, weil aufgrund der großen Kapazitäten des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators, die bevorzugt als Elektrolyt- Kondensatoren (ELKOs) ausgeführt sind, nach deren Entladung (z. B. beim Einschalten des Geräts) ein sehr großer Strom fließen würde, der entsprechend die Bauteile der Schaltung belasten würde. Die Strombegrenzung kontrolliert den Strom während der Aufladung der Kondensatoren. Die Strombegrenzung kann dabei ausgeführt sein als eine Phasenschnittschaltung (wie sie beispielsweise aus Dimmer-Schaltungen bekannt ist), als mindestens ein Widerstand, als mindestens ein NTC, als mindestens ein Halbleiterschalter (z. B. mindestens ein IGBT, mindestens ein Mosfet, mindestens ein Thyristor, mindestens ein Triac und/oder mindestens ein Bipolartransistor) und/oder als mindestens eine kapazitive Strombegrenzung. Auch Kombinationen aus diesen Elementen, auch mit anderen Bauteilen und/oder Elementen sind möglich.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Strombegrenzung für eine vorgegebene Zeitdauer aktiv ist und danach abschaltet. Dies hat den Vorteil, dass die Strombegrenzung einen Strom nur für eine bestimmte Zeit liefern kann und, insbesondere im Fehlerfall, damit eine allmähliche Überladung eines Kondensators verhindert wird. Optional kann die Strombegrenzung, z. B. über die Auswerteeinheit, abgeschaltet werden.
Beispielhaft ist der zweite Schalter parallel zu der Strombegrenzung angeordnet und von der Auswerteeinheit ansteuerbar. Vorteilhaft kann durch den zweiten Schalter, also wenn dieser geschlossen ist, die Strombegrenzung überbrückt (also inaktiv) werden. Der zweite Schalter wird vorzugsweise dann geschlossen, wenn die Kondensatoren aufgeladen sind. Die Auswerteeinheit kann anhand des zeitlichen Verlaufs der Spannungen an dem ersten Kondensator und an dem zweiten Kondensator feststellen, wann sich die Spannung an den Kondensatoren kaum mehr verändert (z. B. anhand einer Gradientenauswertung des Spannungsverlaufs) und dementsprechend den zweiten Schalter schließen. Entsprechend kann die Auswerteeinheit den zweiten Schalter öffnen, falls die Kondensatoren (weiter) geladen werden sollen oder falls ein Fehlerfall, z. B. eine zu hohe Spannung über einem Kondensator oder beiden Kondensatoren insbesondere für oder länger als eine vorgegebene Zeitdauer, auftritt. Das Öffnen des zweiten Schalters bewirkt zunächst, dass die Strombegrenzung anläuft. Die Strombegrenzung kann aber vorzugsweise, wie oben beschrieben, nur für eine vorgegebene Zeitdauer aktiv sein und schaltet sich nach Überschreiten dieser Zeitdauer ab. Im Fehlerfall wird demnach mit dem Öffnen des zweiten Schalters die Strombegrenzung aktiviert. Wird jedoch nach einer vorgegebenen Zeitdauer diese nicht wieder deaktiviert (durch Schließen des zweiten Schalters), schaltet sich die Strombegrenzung selbst ab oder wird beispielsweise über die Auswerteeinheit abgeschaltet. Somit ist die gesamte Schaltung inaktiv, der Fehlerfall wurde erkannt und eine Zerstörung des ersten Kondensators und/oder des zweiten Kondensators kann somit wirksam verhindert werden.
Ein besonderer Vorteil der Schaltung besteht in der Überwachung der Spannungen an den Kondensatoren. Überschreiten diese Spannungen zulässige Höchstwerte länger als eine vorgegebene Zeitdauer, kann die Schaltung deaktiviert, die Kondensatoren können geschützt werden. Somit kann verhindert werden, dass sich die Kondensatoren überladen, dass diese platzen, Elektrolyt ausläuft und die Schaltung beschädigt.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass der zweite Schalter zusammen mit dem Wandler von der Auswerteeinheit angesteuert wird. Der Verbraucher, hier beispielhaft Wandler, kann von der Auswerteeinheit dann aktiviert werden, wenn der zweite Schalter geschlossen wird. Im vorstehend beschriebenen Fall bedeutet dies, dass der zweite Schalter geschlossen und damit die Strombegrenzung inaktiv wird, sobald die Kondensatoren aufgeladen sind. Dann kann auch der Wandler aktiviert werden. Der erste Kondensator und der zweite Kondensator stellen für den Wandler einen Energiepuffer bereit.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass anhand der Auswerteeinheit eine Änderung der Eingangsspannung erkennbar ist und entsprechend der erste Schalter, der zweite Schalter und/oder der Wandler angesteuert wird/werden.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Auswerteeinheit gegenüber vorgegebenen kurzzeitigen Änderungen unempfindlich ist. Das kurzzeitige Anliegen eines Impulses, z. B. einer Transiente (z. B. des sog. ”VDE160”-Impulses) soll, ebenso wie die kurzfristige Schwankung der Netzspannung nicht bewirken, dass die Auswerteeinheit reagiert, d. h. den ersten Schalter oder den zweiten Schalter oder den Wandler (de) aktiviert. Um dies zu erreichen kann vorzugsweise ein Vergleich mit vorgegebenen Schwellwerten durchgeführt werden. Erst bei Verharren der Kondensatorspannungen länger als eine vorgegebene Zeitdauer wird eine Aktion von der Auswerteeinheit angestoßen. Ist die Schwankung kurzzeitig, also kürzer als der vorgegebene Schwellwert, reagiert die Auswerteeinheit nicht auf die Schwankung. Entsprechend ”erkennt” die Auswerteeinheit eine kurzfristige Schwankung oder Transiente gegenüber einer länger andauernden Änderung der Eingangsspannung.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass der Gleichrichter ein Brückengleichrichter ist.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass der erste Schalter und/oder der zweite Schalter mindestens ein elektronischer Schalter und/oder mindestens ein Triac und/oder mindestens ein unipolarer Schalter und/oder mindestens ein Transistor und/oder mindestens ein Mosfet und/oder mindestens ein IGBT und/oder mindestens ein Bipolartransistor und/oder mindestens ein Relais ist/sind.
Zur Lösung der Aufgabe wird weiterhin ein Verfahren zur Ansteuerung der vorstehend beschriebenen Schaltung angegeben, bei dem eine erste Spannung über dem ersten Kondensator oder über dem zweiten Kondensator bestimmt wird. Eine zweite Spannung wird über der Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator ermittelt. Abhängig von der ersten Spannung und von der zweiten Spannung werden anhand der Auswerteeinheit der erste Schalter und/oder der zweite Schalter und/oder der Hauptwandler aktiviert und/oder deaktiviert.
Hierbei ist es von Vorteil, dass abhängig von den ermittelten Spannungen, die an dem ersten Kondensator oder an dem zweiten Kondensator und an beiden Kondensatoren abfallen, der erste Schalter entsprechend angesteuert werden kann. Optional können auch der zweite Schalter und der Verbraucher, beispielsweise der Wandler, angesteuert werden.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass abhängig von den Kondensatorspannungen der erste Schalter und/oder der zweite Schalter geöffnet oder geschlossen wird/werden.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass anhand der Auswerteeinheit eine Fehlererkennung durchgeführt wird.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass anhand der Auswerteeinheit eine Ladestrombegrenzung mindestens eines Kondensators, insbesondere des ersten Kondensators und/oder des zweiten Kondensators durchgeführt wird. Diese Ladestrombegrenzung kann durch Öffnen oder Schließen des zweiten Schalters bewirkt werden, indem beim Öffnen des zweiten Schalters die Strombegrenzung aktiv ist. Ist hingegen der zweite Schalter geschlossen, ist die Strombegrenzung überbrückt und somit inaktiv.
Eine andere Ausgestaltung ist es, dass anhand der Auswerteeinheit der Wandler aktiviert wird. Insbesondere kann der Wandler zusammen mit dem zweiten Schalter aktiviert werden und somit mit der Überbrückung der Strombegrenzung (durch Schließen des zweiten Schalters) der Ladevorgang als beendet betrachtet und der Wandler aktiviert werden.
Eine zusätzliche Weiterbildung besteht darin, dass der Wandler eine Rückmeldung an die Auswerteeinheit liefert darüber, dass die zur Verfügung stehende Spannung für dessen Betrieb nicht ausreicht. Daraufhin kann die Auswerteeinheit den ersten Schalter schließen und damit im wesentlichen eine Spannungsverdopplung der Eingangsspannung bewirken.
Auch wird die Aufgabe gelöst anhand eines Schaltnetzteils, das eine Schaltung gemäß vorstehender Beschreibung umfasst. Insbesondere kann die Schaltung bzw. das Schaltnetzteil gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren betrieben werden.
Eine Anwendungsmöglichkeit der vorstehend beschriebenen Schaltung sowie des beschriebenen Schaltnetzteils und des Verfahrens zum Betrieb der Schaltung bzw. des Schaltnetzteils besteht darin, automatisch die Netzspannung bzw. Eingangsspannung zu erkennen und entsprechend die Betriebsart der Schaltung umzuschalten abhängig von der tatsächlich anliegenden Netzspannung. Diese Funktionalität wird auch als ”Autoselect” oder ”Autorange” bezeichnet. Ferner kann die Eingangsspannung während des Betriebs der Schaltung verändert werden. Auch können wirksam zeitlich begrenzte Veränderungen der Eingangsspannung, z. B. Transienten oder Spannungseinbrüche, als solche erkannt und behandelt werden ohne dass die Betriebsmodi der Schaltung unnötig gewechselt würden. Schließlich ermöglicht es die Schaltung, Fehlerfälle zu erkennen und geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten. Dabei kann wirksam verhindert werden, dass Elektrolytkondensatoren platzen und durch Auslaufen des Elektrolyts die Schaltung beschädigt oder zerstört wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Autoselect-Schaltung;
2 ein detailliertes Blockschaltbild einer Autoselect-Schaltung;
3 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur (An-)Steuerung der Schaltung bzw. der Auswerteeinheit;
4 Signalverläufe für den Fall: Eingangsspannung = 230 VAC;
5 Signalverläufe für den Fall: Eingangsspannung = 100 VAC;
6 Signalverläufe für den Fall: Umschalten der Eingangsspannung von 230 VAC auf 115 VAC;
7 Signalverläufe für den Fall: Umschalten der Eingangsspannung von 115 VAC auf 0 VAC und anschließend auf 230 VAC;
8 Signalverläufe für den Fall: Schnelles Umschalten der Eingangsspannung von 115 VAC auf 230 VAC;
9 Signalverläufe für den Fall: Kurzschluss des ersten Schalters;
10 Signalverläufe für den Fall: Kurzschluss an einem Elektrolytkondensator;
11 Signalverläufe für den Fall: Transiente VDE160 bei 120 VAC;
12 Blockschaltbild eines Schaltnetzteils mit einem Resonanzwandler.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Autoselect-Schaltung. Als Eingangsspannung ist eine Wechselspannungsquelle 150 einerseits mit einem Eingang 121 eines Gleichrichter 120 und andererseits mit einem Knoten 151 verbunden. In einem Entkopplungsmodul 160 sind eine Strombegrenzung 110 und ein zweiter Schalter IR (”Inrush”-Schalter) angeordnet, der vorzugsweise als ein Relais ausgeführt ist.
In dem Entkopplungsmodul 160 sind alternativ unterschiedliche Variationen von Strombegrenzung und Schalter, z. B. in Form einer Reihenschaltung aus ebendiesen Elementen, möglich. Das Entkopplungsmodul 160 stellt sicher, dass in einer bestimmten Betriebsart der Strom durch die Schaltung begrenzt wird, dass in einem Fehlerfall eine Entkopplung der Schaltung von der Eingangsspannung erfolgt und dass in einer anderen Betriebsart (z. B. im Normalbetrieb) die Eingangsspannung an dem Gleichrichter 120 anliegt.
Mit dem Knoten 151 ist ferner ein Eingang der Strombegrenzung 110 verbunden, deren Ausgang mit einem Eingang 122 des Gleichrichters 120 verbunden ist.
Der Gleichrichter 120 hat drei Ausgänge 123, 124 und 125. Der Ausgang 123 ist mit einem Eingang 131 einer Auswerteeinheit 130 und der Ausgang 125 ist mit einem Eingang 133 der Auswerteeinheit 130 verbunden. Ein erster Schalter AS (”Autoselect-Schalter”) ist einerseits mit dem Ausgang 124 und andererseits mit einem Eingang 132 der Auswerteeinheit 130 verbunden. Der erste Schalter AS ist vorzugsweise als ein Relais ausgeführt. Ein erster Kondensator C1 liegt zwischen dem Eingang 131 und dem Eingang 132 der Auswerteeinheit, ein zweiter Kondensator C2 liegt zwischen dem Eingang 132 und dem Eingang 133 der Auswerteeinheit. Beide Kondensatoren C1 und C2 sind bevorzugt als Elektrolytkondensatoren ausgeführt.
Die Auswerteeinheit 130, die insbesondere eine zustandsgesteuert und/oder als Mikrocontroller ausgeführt sein kann, umfasst weiterhin einen Eingang 134 und zwei Ausgänge 135 und 136. Ein elektronischer Wandler 140, z. B. ein Resonanzwandler, der (nicht in 1 dargestellt) über die gleichgerichtete Spannung (also über die Ausgänge 123 und 125 des Gleichrichters 120) versorgt wird, dient in 1 als Verbraucher und stellt seinerseits die Wandlung auf eine gewünscht Ausgangsspannung bereit. Der Wandler 140 liefert an die Auswerteeinheit 130 über deren Eingang 134 ein Signal, falls der Wandler 140 inaktiv ist. Die Auswerteeinheit 130 schaltet über ihren Ausgang 135 den Wandler 140 ein und schließt ebenfalls den zweiten Schalter IR. Über den Ausgang 136 der Auswerteeinheit 130 wird der Schalter AS geschaltet.
An den Eingängen 131, 132 und 133 der Auswerteeinheit 130 liegen die Spannungen an, die an den Kondensatoren C1 und C2 abfallen, insbesondere eine Spannung über dem Kondensator C2 (oder C1) und eine Spannung über den Kondensatoren C1 und C2. Diese Information wird von der Auswerteeinheit 130 genutzt, um die Relais AS und IR anzusteuern und den Wandler 140 einzuschalten.
Durch Schließen des Relais AS erfolgt eine Spannungsverdopplung, so dass der Wandler bei niedrigeren Eingangsspannungen trotzdem in einem günstigen Arbeitspunkt betrieben werden kann. Beispielsweise kann die Schaltung so ausgelegt sein, dass bei einer Eingansspannung von 115 VAC der Schalter AS geschlossen und bei einer Eingangsspannung von 230 VAC der Schalter AS geöffnet ist. Ob der Wandler 140 läuft oder nicht wird der Auswerteeinheit 130 über deren Eingang 134 mitgeteilt. Dementsprechend kann die Auswerteeinheit 130 den Schalter AS schließen.
Zu Beginn sind die Kondensatoren C1 und C2 entladen. Wird die Eingangsspannung an die Schaltung angelegt, werden die Kondensatoren C1 und C2 über die Strombegrenzung 110 geladen, der Schalter IR ist geöffnet. Erst bei Abschluss des Ladevorgangs der Kondensatoren C1 und C2, d. h. die von der Auswerteeinheit 130 an den Eingängen 131, 132 und 133 gemessenen Spannungen verändern sich in einem vorgegebenen Zeitraum nicht mehr wesentlich und diese gemessenen Spannungen überschreiten einen vorgegebenen Schwellwert, ab dem der Wandler 140 betrieben werden kann, wird der Wandler 140 über den Ausgang 135 aktiviert und ebenso der Schalter IR geschlossen. Damit ist die Strombegrenzung 110 überbrückt und inaktiv. Der Wandler 140 arbeitet.
Schließlich können von der Auswerteeinheit 130 noch Fehlerfälle, d. h. unzulässige Spannungen an den Kondensatoren C1 und C2 erkannt und gegebenenfalls kann die Schaltung in einen inaktiven Zustand überführt werden. Auch ist die Schaltung aufgrund der Auswertung der Signale an den Eingängen 131, 132 und 133 der Auswerteeinheit 130 unempfindlich gegenüber kurzfristigen Veränderungen der Eingangsspannung, z. B. aufgrund Transienten oder vorübergehenden Spannungseinbrüchen der Versorgungsspannung.
2 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild einer Autoselect-Schaltung. Eine Wechselspannungsquelle 201 ist einerseits mit einem Knoten 202 und andererseits mit der Anode einer Diode D1 und der Kathode einer Diode D2 verbunden. Die Kathode der Diode D1 ist mit der Kathode einer Diode D3, mit dem positiven Pol eines Elektrolytkondensators C1 und mit einem Anschluss 209 einer Gleichtaktdrossel 208 verbunden (Knoten 214). Die Anode der Diode D2 ist mit der Anode einer Diode D4, mit dem negativen Pol eines Elektrolytkondensators C2 und mit einem Anschluss 211 der Gleichtaktdrossel 208 verbunden (Knoten 215). Ein Schalter 204 (IR Relais) ist einerseits mit dem Knoten 202 und andererseits mit einem Knoten 206 verbunden. Die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode der Diode D4 und mit dem Knoten 206 verbunden. Eine Phasenschnittschaltung 203 liegt parallel zu dem Schalter 204. Der negative Pol des Elektrolytkondensators C1 ist mit dem positiven Pol des Elektrolytkondensators C2 verbunden (Knoten 207). Zwischen den Knoten 206 und 207 ist ein Schalter 218 (AS Relais) angeordnet. Ein Anschluss 210 der Gleichtaktdrossel 208 ist mit einem Knoten 216 und ein Anschluss 212 der Gleichtaktdrossel 208 ist mit einem Knoten 217 verbunden. Ein Elektrolytkondensator C3 liegt zwischen den Knoten 216 und 217, wobei sein positiver Pol mit dem Knoten 216 verbunden ist.
Eine Auswerteeinheit 227 umfasst Eingänge 223, 225, 226, 229 und Ausgänge 222, 230. Ein Wandler 228 mit einer Unterspannungsabschaltung 228 hat einen Eingang 221 und einen Ausgang 220. Er bezieht ferner seine Versorgungsspannung aus den Knoten 216 und 217.
Der Eingang 223 der Auswerteeinheit 227 ist mit dem Knoten 207, der Eingang 225 ist mit dem Ausgang 220 des Wandlers 228, der Eingang 226 ist mit dem Knoten 216 und der Eingang 229 ist mit dem Knoten 217 verbunden.
Der Ausgang 222 der Auswerteeinheit 227 steuert den Schalter 218, hier das AS Relais, über eine Spule 205 an. Der Ausgang 230 der Auswerteeinheit 227 liegt einerseits an dem Eingang 221 des Wandlers 228 an, andererseits steuert der Ausgang 230 den Schalter 204, hier das IR Relais, über eine Spule 219 an.
Die Eingänge 223, 226 und 229 der Auswerteeinheit 227 dienen zur Bestimmung der Spannungen, die an den Kondensatoren C1 bis C3 abfallen. Eingang 225 signalisiert der Auswerteeinheit 227, dass der Wandler 228 abgeschaltet ist Der Eingang 221 des Wandlers 228 ermöglicht die Aktivierung des Wandlers 228 (”enable”).
Die Gleichtaktdrossel 208 hat die Funktion, den Gleichtaktstrom zu PE zu unterdrücken (EMV). Hierbei ist es von Vorteil, dass eine PI-Filter-Struktur aus den Kondensatoren C1 und C2, Gleichtaktdrossel 208 und Kondensator C3 eingesetzt wird, um zum einen die Störaussendungen effizienter zu reduzieren, zum andern um den Effektiv-Strom in der Gleichtaktdrossel und somit deren Verluste zu minimieren und damit eine kleinere Bauformen zu ermöglichen.
Die Auswerteeinheit 227 wird vorzugsweise in Form eines Mikrocontrollers realisiert. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Ansteuerung der Schaltung, wie es beispielsweise auf dem Mikrocontroller implementiert ist.
In einem Zustand 301 sind zunächst alle Kapazitäten entladen. Der Wandler 228 ist inaktiv, der Schalter 204 ist geöffnet. Der Schalter 218 ist ebenfalls geöffnet.
Die Versorgungsspannung wird zugeschaltet und in einer Abfrage 302 wird bestimmt, ob die Spannung an dem Elektrolytkondensator C3 einen vorgegebenen Schwellwert von 80 VDC überschreitet. Der Einschaltstrom wird durch die Phasenschnittschaltung 203 begrenzt (Schalter 204 geöffnet), die Elektrolytkondensatoren werden aufgeladen. Der Mikrocontroller überwacht die Summenspannung an den Elektrolytkondensatoren C1 und C2 bzw. an dem Elektrolytkondensator C3 und wartet bis die Spannung an dem Elektrolytkondensator C3 nahezu konstant ist, d. h. bis ein Gradient der Spannung an dem Elektrolytkondensator C3 unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes fällt (Zustand 303). Daraufhin wird in einem Zustand 304 geprüft, ob die Spannung an dem Elektrolytkondensator C3 größer als 195 VDC ist. Ist dies der Fall, so ist der Ladevorgang abgeschlossen, die Auswerteeinheit 227 schaltet über ihren Ausgang 230 den Wandler 228 ein und schließt den Schalter 204, womit die Phasensteuerung 203 überbrückt und damit inaktiv wird. Die Schaltung befindet sich jetzt in einem Zustand ”Freigabe Wandler im 230 VAC-Modus” 310.
Ergibt die Abfrage 304, dass die Spannung am Elektrolytkondensator C3 nicht größer als 195 VDC ist, schließt die Auswerteeinheit 227 über ihren Ausgang 222 den Schalter 218. Dadurch wird die Eingangsspannung in etwa verdoppelt, der Ladevorgang der Elektrolytkondensatoren wird fortgesetzt (Zustand 305) bis der Gradient des Spannungsanstiegs kleiner als ein vorgegebener Schwellwert ist. In einer Abfrage 306 wird überprüft, ob die Spannung an dem Elektrolytkondensator größer als 195 VDC ist. Ist dies der Fall, so wird in einen Zustand ”Freigabe Wandler im 115 V-Modus” 307 verzweigt, die Auswerteeinheit 227 schaltet über ihren Ausgang 230 den Wandler ein und schließt den Schalter 204.
Erreicht nach einer vorgegebenen Zeitdauer die Spannung an dem Elektrolytkondensator C3 nicht 195 VDC (Abfrage 306), so wird in einen Zustand 315 verzweigt. In diesem Zustand wartet die Schaltung im 115 V-Modus, also mit geschlossenem Schalter 218. Ausgehend von dem Zustand 315 wird in einer Abfrage 316 geprüft, ob ein Spannungsanstieg an dem Elektrolytkondensator festgestellt werden kann, also ob ausreichend Eingangsspannung zur Verfügung steht. Ist dies der Fall, so wird der Schalter 218 geöffnet und ein RESTART durchgeführt, indem in den Zustand 303 verzweigt wird.
Andererseits wird ausgehend von dem Zustand 315 geprüft, ob die Spannung an dem Elektrolytkondensator C3 kleiner als 60 VDC wird. In diesem Fall wird ein RESET durchgeführt und in den Zustand 301 verzweigt.
Ausgehend von dem Zustand 307, Wandler 228 läuft im 115 V-Modus, kann es passieren, dass die Versorgungsspannung soweit absinkt, dass der Wandler 228 inaktiv wird (Zustand 313). Dies wird der Auswerteeinheit 227 über deren Eingang 225 (Ausgang 220 des Wandlers 228) mitgeteilt. In diesem Fall findet ein Übergang in den Zustand 315 statt. Von dort aus kann, wie beschrieben, ein RESTART oder ein RESET erfolgen.
Ferner ist es möglich, dass der Wandler 228 in dem 115-Modus arbeitet (Zustand 307) und die Eingangsspannung auf 230 VAC umschaltet. In diesem Fall werden die Spannungen an den Elektrolytkondensatoren C1 und C2 ausgewertet. Überschreiten beide Spannungen jeweils den Umschaltwert von 200 VDC (Abfrage 312), so wird in den Zustand 310 verzweigt, der Schalter 218 wird geöffnet. Handelt es sich statt des Umschaltens auf die Eingangsspannung von 230 VAC nur um einen kurzzeitigen Spannungsimpuls, z. B. eine Transiente, wird nur einer der beiden Elektrolytkondensatoren C1 oder C2 aufgeladen. Damit kann der kurzzeitige Spannungsimpuls, der nicht zu einem Umschalten führen soll, von der länger andauernden Änderung der Eingangsspannung wirksam unterschieden werden.
Wird hingegen währen der Aufladens der Elektrolytkondensatoren, also bei offenem Schalter 204 und aktiver Phasenschnittschaltung 203 eine Spannung entweder an den Elektrolytkondensator C1 oder an dem Elektrolytkondensator C2 gemessen, die höher als 200 VDC ist (Abfrage 314), so wird von dem Zustand 305 direkt in den Zustand 303 verzweigt.
Auch ist es möglich, dass in dem Zustand 310, also während der Wandler 228 in dem 230 V-Modus arbeitet, die Eingangsspannung auf 115 VAC umgeschaltet wird. Ausgehend von Zustand 310 wird in einer Abfrage 311 die Spannung an dem Elektrolytkondensator C3 und der Zustand des Wandlers überwacht. Signalisiert dieser Zustand, dass der Wandler 228 inaktiv ist oder unterschreitet die Spannung an dem Elektrolytkondensator C3 einen vorgegebenen Wert von 190 VDC länger als eine vorgegebene Zeitdauer, z. B. 1 Sekunde, so wird in den Zustand 301 zurück verzweigt. Hierbei können vorteilhaft kurzfristige Spannungseinbrüche in der Versorgungsspannung ausgeblendet werden.
Ferner kann die Spannung an den Elektrolytkondensatoren C1, C2 und/oder C3 zulässige Höchstwerte überschreiten. Ausgehend von dem Zustand 310 wird geprüft, ob eine längerfristige Überspannung an einem der Elektrolytkondensatoren C1, C2 oder C3 vorliegt (vergleiche Abfrage 308). Vorteilhaft werden dabei drei Fehlerfälle unterschieden:

– Kurzschluss an Elektrolytkondensator C1: Spannung an Elektrolytkondensator C2 ist zu hoch;
– Kurzschluss an Elektrolytkondensator C2: Spannung an Elektrolytkondensator C1 ist zu hoch;
– Kurzschluss an Schalter 218 (im 230 VAC-Modus): Spannung an Elektrolytkondensatoren C1, C2 und (insbesondere) C3 ist zu hoch.

Wird eine Überspannung an einem der Elektrolytkondensatoren erkannt, so geht die Auswerteeinheit 227 in einen Fehlerfall-Wartemodus. Die Wartezeit ist dabei vorzugsweise abhängig von einem Betrag der Überspannung an den einzelnen Elektrolytkondensatoren: Je größer die Überspannung desto kürzer ist die Wartezeit. Durch die Wartezeit kann verhindert werden, dass transiente Überspannungen einen Fehlerfall auslösen. Vorteilhaft können für die unterschiedlichen Elektrolytkondensatoren verschiedene Eintrittschwellen, Austrittsschwellen und Wartezeiten bestimmt werden, die parallel abgefragt werden bzw. unabhängig voneinander jeweils zu einem Fehlerfall 309 führen können. In dem Fehlerfall 309 werden der Wandler 228 abgeschaltet und der Schalter 204 geöffnet. Die Phasenschnittschaltung 203 läuft eine vorgegebene Zeitdauer weiter (z. B. ca. 2 Sekunden) und schaltet dann ab.
Beispielsweise können für die Elektrolytkondensatoren C1 und C2 (200 V-Elektrolytkondensatoren) die folgenden Parameter verwendet werden:

Eintrittschwelle Austrittschwelle Wartezeit

> 230 V < 190 V 8,5 s

> 280 V < 210 V 0,5 s
Entsprechend können für den Elektrolytkondensator C3 (400 V-Elektrolytkondensator) die folgenden Parameter verwendet werden:

Eintrittschwelle Austrittschwelle Wartezeit

> 430 V < 390 V 6 s

> 480 V < 410 V 0,5 s
Bei Überschreiten einer Eintrittsschwelle wird ein Timer gestartet, der Unterschreiten der zugehörigen Austrittsschwelle wieder gelöscht wird. Läuft die Wartezeit in einer Kategorie ab, so begibt sich die Logik in den Fehlerfall 309:
Der Wandler 228 wird abgeschaltet, der mit ihm gekoppelte Schalter 204 wird geöffnet. Die Strombegrenzung (Phasenschnittschaltung 203) liefert noch für weitere ca. 2 Sekunden einen Strom von ca. 250 mA, dann schaltet auch die Phasenschnittschaltung 203 ab. Die Stromzufuhr des Gerätes ist nun dauerhaft unterbrochen, ein RESET ist nur möglich durch Trennen der Eingangsspannung und Entladung der Eingangskapazitäten.
4 zeigt Signalverläufe für den Fall einer Eingangsspannung von 230 VAC. Dabei zeigen:

– Signal 401: Die Spannung an dem Elektrolytkondensator C3;
– Signal 402: Einen Eingangsstrom Ie, der von der Spannungsquelle 201 (2) bereitgestellt wird;
– Signal 403: Einen Schaltzustand des Schalters 218 (”Autoselect Relais”);
– Signal 404: Einen Schaltzustand des Schalters 204 (”Eingangsstrombegrenzungs-Relais”).

Ab einem Zeitpunkt t1 wird eine Eingangsspannung von 230 VAC an die Schaltung angelegt. Wie vorstehend beschrieben, sind die Schalter 218 und 204 geöffnet, der Wandler 228 ist inaktiv. Die Strombegrenzung (Phasenschnittschaltung 203) begrenzt den Eingangsstrom Ie (Signal 402), die Elektrolytkondensatoren C1, C2 und C3 werden aufgeladen. Signal 401 zeigt im Bereich 410 den Übergang in eine nahezu konstante Spannung an dem Elektrolytkondensator C3. Der Gradient des Signals 401 unterschreitet einen vorgegebenen Schwellwert, der Eingangsstrom Ie (Signal 402) nimmt ab, Elektrolytkondensator C3 ist geladen. Zu einem Zeitpunkt t2 wird der Schalter 204 geschlossen und der Wandler 228 aktiviert (vergleiche Aktivierung des Ausgangs 230 der Auswerteeinheit 227 und damit des Eingangs 221 des Wandlers und des Schalters 204 über die Spule 219 in 2), der Ladevorgang (”Inrush-Vorgang”) ist beendet. Da es sich um den 230 VAC-Betriebsmodus handelt, ist der Schalter 218, der insbesondere nahezu eine Spannungsverdopplung bewirkt, während des Vorgangs geöffnet, die Spule 205 des Relais 218, 205 wird entsprechend über den Ausgang 222 der Auswerteeinheit 227 nicht aktiviert.
5 zeigt Signalverläufe für einen Start bei einer Eingangsspannung von 100 VAC. Dabei sind die Signalverläufe 401 bis 404 wie in 4 bezeichnet.
Zunächst wird ab einem Zeitpunkt t1 die Eingangsspannung von 110 VAC an die Schaltung angelegt. Wie vorstehend beschrieben sind die Schalter 218 und 204 geöffnet, der Wandler 228 ist inaktiv. Die Strombegrenzung (Phasenschnittschaltung 203) begrenzt den Eingangsstrom Ie (Signal 402), die Elektrolytkondensatoren C1, C2 und C3 werden aufgeladen. Signal 401 zeigt im Bereich 410 den Übergang in eine nahezu konstante Spannung an dem Elektrolytkondensator C3. Der Gradient des Signals 401 unterschreitet einen vorgegebenen Schwellwert, was darauf hinweisen könnte, dass die Elektrolytkondensatoren aufgeladen sind und die Betriebsspannung für den Wandler 228 erreicht ist. Allerdings ist die Spannung am Elektrolytkondensator C3 noch zu gering, um den Wandler 228 in einem für ihn günstigen Arbeitspunkt zu betreiben. Eine UND-Verknüpfung aus Gradientenanalyse und Spannungsauswertung ist daher nicht erfüllt, es erfolgt zu einem Zeitpunkt t2 eine Aktivierung der Spannungsverdopplungsschaltung durch Schließen des Schalters 218 (siehe Signal 403), der über den Ausgang 222 der Auswerteeinheit 227 angesteuert wird. In einem Bereich 420 wird eine Gradientenauswertung des Signals 401 durchgeführt, der Elektrolytkondensator C3 ist aufgeladen, die Spannung für den Wandler 228 ist in einem zulässigen Bereich. Daraufhin wird zu einem Zeitpunkt t3 der Ausgang 230 der Auswerteeinheit aktiviert (siehe Signal 404), der Wandler 228 über seinen Eingang 221 eingeschalten und der Schalter 204, angesteuert über die Spule 219, geschlossen. Damit wird die Phasenschnittschaltung 203 inaktiv, der Einschaltvorgang ist beendet.
6 zeigt Signalverläufe für den Fall eines Umschaltens der Eingangsspannung von 230 VAC auf 115 VAC. Die Signalverläufe 401 bis 404 sind wie in 4 bezeichnet.
Im Ausgangszustand (vor einem Zeitpunkt t1) ist die Schaltung in dem 230 VAC-Betriebsmodus, der Wandler 228 ist aktiv, der Schalter 204 ist geschlossen und der Schalter 218 ist geöffnet. Zu einem Zeitpunkt t1 wird die Eingangsspannung auf 115 VAC umgeschaltet, der Wandler 228 läuft in einem sog. ”Pufferbetrieb”, in dem er die in den Elektrolytkondensatoren gespeicherte Energie verbraucht, bis zu einem Zeitpunkt t2 weiter (siehe Signal 401). Dann reicht die zur Verfügung stehende Spannung nicht mehr für den Betrieb des Wandlers 228 aus, er schaltet ab. Dies wird über den Ausgang 220 des Wandlers 228 dem Eingang 225 der Auswerteeinheit 227 mitgeteilt. Daraufhin öffnet die Auswerteeinheit 227 den Schalter 204 (siehe Signal 404), die Phasenschnittschaltung 203 ist aktiviert. Weiterhin wird der Schalter 218 über die Spule 205 von der Auswerteeinheit 227 geschlossen (siehe Zeitpunkt t3 und Signal 403). Die Verzögerung zwischen dem Öffnen des Schalters 204 (in etwa zum Zeitpunkt t2) und dem Schließen des Schalters 218 (Zeitpunkt t3) ergibt sich durch die Verarbeitungsarithmetik des Mikrocontrollers. Schalter 218 könnte auch geschlossen werden, sobald Schalter 204 geöffnet wird.
Ab dem Zeitpunkt t3 zeigen die Signale 401 und 402, dass die Elektrolytkondensatoren kontrolliert (strombegrenzt) über die Phasenschnittschaltung 203 geladen werden. In einem Bereich 410 erfolgt eine Gradientenauswertung des Signals 401 zusammen mit einem absoluten Spannungsvergleich (reicht die Spannung an dem Elektrolytkondensator C3 zum Betrieb des Wandlers 228 aus?). Zu einem Zeitpunkt t4 sind die Elektrolytkondensatoren aufgeladen, der Schalter 204 wird geschlossen und damit die Phasenschnittschaltung 203 inaktiv. Zusätzlich wird der Wandler 228 aktiviert, der Umschaltvorgang auf die Eingangsspannung 115 VAC ist beendet.
In 7 sind Signalverläufe für den Fall eines Abschaltens der Eingangsspannung von 115 VAC auf 0 V und ein anschließendes Einschalten der Eingangsspannung auf 230 VAC gezeigt. Die Signalverläufe 401 bis 404 sind wie in 4 bezeichnet.
Der Wandler 228 ist vor einem Zeitpunkt t1 aktiv, Schalter 204 ist geschlossen und Schalter 218 (Spannungsverdopplung) ist ebenfalls geschlossen. Zu dem Zeitpunkt t1 wird die Eingangsspannung abgeschaltet, bis zu einem Zeitpunkt ”puffern” die Elektrolytkondensatoren den Wandler 228, dann wird er inaktiv. Daraufhin öffnet die Auswerteeinheit den Schalter 204 und aktiviert die Strombegrenzung (Phasenschnittschaltung 203). Ferner wird der Schalter 218 geöffnet. Wird eine Eingangsspannung von 230 VAC angelegt, findet der Einschalt- bzw. Ladevorgang entsprechend 4 statt.
8 zeigt Signalverläufe bei einem schnellen Umschalten der Eingangsspannung von 115 VAC auf 230 VAC gezeigt. Die Signalverläufe 401 bis 404 sind wie in 4 bezeichnet.
Zu einem Zeitpunkt t1 wird im laufenden 115 VAC-Betrieb die Eingangsspannung umgeschaltet auf 230 VAC. Dabei liegt aufgrund des Schaltvorgangs zwischen dem Zeitpunkt t1 und einem Zeitpunkt t2 zunächst keine Eingangsspannung an, ab dem Zeitpunkt t2 liegt die Eingangsspannung auf 230 VAC. Durch das harte Umschalten kommt es kurzzeitig (siehe Bereich 410) zu hohen Eingangsströmen. Sobald nach mindestens zwei Netzhalbwellen eine Überspannung an C1 und C2 von der Auswerteeinheit 227 detektiert wird, wird der Schalter 218 geöffnet, d. h. auf den 230 VAC-Betrieb umgeschaltet (siehe Signal 403). Der Schalter 204 bleibt während des Umschaltens geschlossen, die Phasenschnittschaltung 203 bleibt inaktiv und der Wandler 228 läuft durch (vergleiche Signal 404).
9 zeigt Signalverläufe im Falle eines Kurzschlusses des Autoselect-Schalters 218 im 260 VAC-Betriebsmodus. Dabei zeigen:

– Signal 501: Eine Eingangsspannung, die an die Schaltung angelegt wird;
– Signal 502: Einen Eingangsstrom Ie;
– Signal 503: Die Spannung an dem Elektrolytkondensator C3;
– Signal 504: Den Schaltzustand am Eingang 221 des Wandlers 228 (”Wandler enable”).

Zu einem Zeitpunkt t1 tritt ein Kurzschluss des Schalters 218 auf. Daraufhin liegen nahezu 600 V and dem Elektrolytkondensator C3 an (siehe Signal 503).
Diese Spannung wird von der Auswerteeinheit 227 detektiert. Da sie länger als eine zulässige Zeitdauer an dem Elektrolytkondensator C3 anliegt, wird der Schalter 204 geöffnet (siehe Signal 504). Die Phasenschnittschaltung 203 wird mit Öffnen des Schalters 204 aktiv und lädt die Kondensatoren, allerdings wird dabei der Strom begrenzt (siehe Bereich 510 in Signal 502). Nach ca. 1,8 Sekunden schaltet die Phasenschnittschaltung 203 sich selbst ab, die Schaltung ist vollständig inaktiv, die Spannung an dem Elektrolytkondensator fällt langsam ab (siehe Zeitpunkt t2 und Signal 403).
In 10 sind Signalverläufe gezeigt für den Fall, dass ein Kurzschluss an einem von zwei in Reihe geschalteten Elektrolytkondensatoren auftritt. Dabei zeigen:

– Signal 501: Eine Eingangsspannung, die an die Schaltung angelegt wird;
– Signal 502: Einen Eingangsstrom Ie;
– Signal 503: Die Spannung an dem nicht kurzgeschlossenen Elektrolytkondensator;
– Signal 504: Den Strom durch den nicht kurzgeschlossenen Elektrolytkondensator.

Zu einem Zeitpunkt t1 tritt ein Kurzschluss an einem der beiden in Reihe geschalteten Elektrolytkondensatoren (C1 oder C2) auf. Die Auswerteeinheit 227 detektiert eine Überspannung an dem anderen Elektrolytkondensator und öffnet den Schalter 204. Dadurch wird die Phasenschnittschaltung 203 aktiviert, die für ca. 2 Sekunden eine Strombegrenzung durchführt und anschließend sich selbst deaktiviert. Signal 503 zeigt mit Funktion der Phasenschnittschaltung 203 ein Ansteigen der Spannung an dem nicht-kurzgeschlossenen Elektrolytkondensator. Erst mit Abschaltung der Phasenschnittschaltung 203, d. h. ab einem Zeitpunkt t2, fällt die Spannung an diesem Kondensator wieder ab.
11 zeigt Signalverläufe für den Fall einer Transiente VDE160 während eines 120 VAC-Betriebsmodus. Dabei zeigen:

– Signal 501: Eine Eingangsspannung, die an die Schaltung angelegt wird;
– Signal 502: Eine Spannung, die über den Elektrolytkondensatoren C1 und C2 abfällt;
– Signal 503: Eine Spannung, die über dem Elektrolytkondensator C2 abfällt;
– Signal 504: Einen Schaltzustand des Schalters 218 (”Autoselect Relais”).

Ein Bereich 510 zeigt eine Transiente VDE160, die der Eingangsspannung überlagert ist. Die Auswerteeinheit 227 ermittelt anhand der an den Elektrolytkondensatoren anliegenden Spannungen, dass nicht beide Elektrolytkondensatoren C1 und C2 die Schwelle für die zulässige Höchstspannung überschreiten. Dadurch kann die Transiente wirksam erkannt werden und ein unnötiges Umschalten verhindert werden.
12 zeigt ein Blockschaltbild eines Schaltnetzteils mit einem Resonanzwandler. Hierbei wird ein Eingangssignal 701 in ein Ausgangssignal 709, vorzugsweise eine Wechselspannung in eine geregelte Gleichspannung, gewandelt. Das Eingangssignal 701 wird einem Modul 702 mit einer Netzgleichrichtung und einer Siebung zugeführt. Das Ausgangssignal des Moduls 702 wird einem Resonanzwandler 703, der eine Hauptbrücke 704 und eine Regelbrücke 705 umfasst, zugeführt. Das Ausgangssignal des Resonanzwandlers 703 entspricht dem Ausgangssignal 709, wobei dieses Ausgangssignal einer Regelung 706 zugeführt wird. Das durch die Regelung 706 gewonnene Signal wird einer Steuerung bzw. Pulsweitenmodulation 707 zugeführt, wobei ein Ausgangssignal der Steuerung bzw. Pulsweitenmodulation 707 die Regelbrücke 705 des Resonanzwandlers 703 beeinflusst. Zusätzlich ist ein Oszillator 708 vorgesehen, der ein Signal sowohl für die Steuerung bzw. Pulsweitenmodulation 707 als auch für die Hauptbrücke 704 des Resonanzwandlers 703 bereitstellt.

Claims

Schaltung, insbesondere zur Ansteuerung eines elektronischen Wandlers, umfassend – einen Gleichrichter (120), der mit einer Eingangsspannung verbunden und der an einem Ausgang eine gleichgerichtete Spannung bereitstellt; – einen ersten Kondensator (C1) und einen zweiten Kondensatoren (C2), die in Reihe geschaltet sind, wobei die Anschlüsse der Reihenschaltung mit dem Ausgang des Gleichrichters (120) verbunden sind; – einen ersten Schalter (AS), der mit der Mitte der Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator (C1) und dem zweiten Kondensator (C2) und mit einem Pol der Eingangsspannung verbunden ist; – eine Auswerteeinheit (130), die mit den Anschlüssen und mit der Mitte der Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator (C1) und dem zweiten Kondensator (C2) verbunden ist, wobei anhand der Auswerteeinheit (130) der erste Schalter (AS) ansteuerbar ist, – wobei der erste Schalter geöffnet wird, wenn beide Spannungsabfälle an den Kondensatoren (C1, C2) einen Schwellwert überschreiten.
Schaltung nach Anspruch 1, umfassend einen Wandler (140), der über die Auswerteeinheit (130) ansteuerbar ist.
Schaltung nach Anspruch 2, bei dem der Wandler (140) über die Auswerteeinheit (130) aktivierbar ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei der der Wandler (140) ein Zustandssignal an die Auswerteeinheit (130) übermittelt.
Schaltung nach Anspruch 4, bei der der Wandler (140) als Zustandssignal eine Meldung über die Abschaltung des Wandlers (140) schickt.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der dem Gleichrichter (120) ein Entkopplungsmodul (160) vorgeschaltet ist.
Schaltung nach Anspruch 6, bei der das Entkopplungsmodul (160) eine Strombegrenzung (110) umfasst.
Schaltung nach Anspruch 7, bei der die Strombegrenzung (110) eine Strombegrenzung während der Aufladung mindestens eines Kondensators durchführt.
Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Strombegrenzung (110) mindestens eine Phasenschnittschaltung und/oder mindestens ein Widerstand und/oder mindestens ein Halbleiterschalter und/oder mindestens ein NTC und/oder mindestens eine kapazitive Strombegrenzung ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der die Strombegrenzung (110) für eine vorgegebene Zeitdauer aktiv ist und dann sich dann abschaltet oder abschaltbar ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei der das Entkopplungsmodul (160) einen zweiten Schalter (IR) umfasst.
Schaltung nach Anspruch 11, bei der der zweite Schalter (IR) von der Auswerteeinheit (130) ansteuerbar ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei der der zweite Schalter (IR) und die Strombegrenzung (110) in Reihe oder parallel geschaltet sind.
Schaltung nach Anspruch 11, bei der der zweite Schalter (IR) zusammen mit dem Wandler (140) von der Auswerteeinheit (130) angesteuert wird.
Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, bei der anhand der Auswerteeinheit (130) ein Start und/oder ein Betrieb des Wandlers (140) durchführbar ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der anhand der Auswerteeinheit (130) eine Änderung der Eingangsspannung erkennbar ist und entsprechend der erste Schalter (AS), der zweiten Schalter (IR) und/oder der Wandler angesteuert werden.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinheit (130) gegenüber vorgegebenen kurzzeitigen Änderungen unempfindlich ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinheit (130) eine Fehlererkennung der Schaltung durchführt und bei Vorliegen eines Fehlers die Schaltung inaktiv schaltet.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Gleichrichter (120) ein Brückengleichrichter ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Schalter (AS) und/oder der zweite Schalter (IR) mindestens ein elektronischer Schalter und/oder mindestens ein Triac und/oder mindestens ein unipolarer Schalter und/oder mindestens ein Transistor und/oder mindestens ein Mosfet und/oder mindestens ein IGBT und/oder mindestens ein Bipolartransistor und/oder mindestens ein Relais ist/sind.
Verfahren zur Ansteuerung der Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, – bei dem eine erste Spannung über dem ersten Kondensator (C1) oder über dem zweiten Kondensator (C2) bestimmt wird; – bei dem eine zweite Spannung über dem ersten Kondensator (C1) und dem zweiten Kondensator (C2) bestimmt wird; – bei dem abhängig von der ersten Spannung und von der zweiten Spannung anhand der Auswerteeinheit (130) der erste Schalter (AS) und/oder der zweite Schalter (IR) und/oder der Hauptwandler aktiviert und/oder deaktiviert werden, – wobei der erste Schalter geöffnet wird, wenn beide Spannungsabfälle an den Kondensatoren (C1, C2) einen Schwellwert überschreiten.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem abhängig von der Eingangsspannung der erste Schalter (AS) und/oder der zweite Schalter (IR) geschlossen oder geöffnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, bei dem anhand der Auswerteeinheit (130) eine Fehlererkennung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, bei dem anhand der Auswerteeinheit (130) eine Ladestrombegrenzung mindestens eines Kondensators durchgeführt wird, insbesondere durch Schließen oder Öffnen des zweiten Schalters (IR).
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, bei dem anhand der Auswerteeinheit (130) der Wandler (140) aktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, bei dem der Wandler (140) eine Rückmeldung an die Auswerteeinheit (130) liefert darüber, dass die Spannung für seinen Betrieb nicht ausreicht.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem daraufhin die Auswerteeinheit den ersten Schalter (AS) schließt und somit im Wesentlichen eine Spannungsverdopplung der Eingangsspannung bewirkt.
Schaltnetzteil mit einer Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20.
Schaltnetzteil nach Anspruch 28, wobei die Schaltung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 27 betrieben wird.