DE102009037859B4

DE102009037859B4 - Eingangsschaltung für ein elektrisches Gerät, Verwendung einer Eingangsschaltung und elektrisches Gerät

Info

Publication number: DE102009037859B4
Application number: DE102009037859.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Busch; Robert Ruef
Original assignee: Fujitsu Technology Solutions Intellectual Property GmbH
Current assignee: Fujitsu Client Computing Ltd
Priority date: 2009-08-18
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2029-08-19
Also published as: JP2013502895A; DE102009037859A1; US20120163056A1; US8885367B2; JP5833006B2; EP2467926A2; WO2011020686A2; WO2011020686A3

Abstract

Eingangsschaltung (1) für ein elektrisches Gerät (2), umfassend: – einen Versorgungsausgang (10, 12), über den für wenigstens ein Schaltwandler eine Versorgungsspannung bereitgestellt wird, – einen gemeinsamen elektrischen Pfad (18) umfassend ein erstes passives Netzfilter (4), wobei das erste passive Netzfilter (4) keinen X-Kondensator oder einen X-Kondensator mit einer Kapazität von nicht mehr als 100 nF und keinen Entladewiderstand (Rx) aufweist, – einen mit dem gemeinsamen elektrischen Pfad (18) in Serie geschalteten und zu dem Versorgungsausgang (10, 12) führenden ersten elektrischen Pfad (6) umfassend ein zweites passives Netzfilter (8), wobei das zweite passive Netzfilter (8) einen X-Kondensator (Cx1, Cx2) mit einer Kapazität von mehr als 100 nF und einen Entladewiderstand (Rx) aufweist, – einen mit dem gemeinsamen elektrischen Pfad (18) in Serie geschalteten, zu dem Versorgungsausgang (10, 12) führenden und zu dem ersten elektrischen Pfad (6) parallel geschalteten zweiten elektrischen Pfad (7) umfassend ein Strombegrenzungselement (Rntc), – ein in dem ersten elektrischen Pfad (6) angebrachtes erstes Schaltelement (5) zum Öffnen des ersten elektrischen Pfades (6), – wenigstens einen, an den Versorgungsausgang (10, 12) angeschlossenen Speicherkondensator (Cb, Csb), – sowie einen Steuereingang (17) zur Ansteuerung des ersten Schaltelementes (5) durch eine Steuerschaltung (14), wobei das erste Schaltelement (5) in einer ersten Betriebsart (Z1) mit einer hohen Leistungsaufnahme des elektrischen Geräts (1) geschlossen ist, so dass eine Filterung eines Betriebsstroms über das erste Netzfilter (4) und das zweite Netzfilter (8) bewirkt wird und das Strombegrenzungselement (Rntc) keine Verlustleistung verursacht, und in einer zweiten Betriebsart (Z2) mit einer gegenüber der ersten Betriebsart (Z1) reduzierten Leistungsaufnahme des elektrischen Geräts (2) geöffnet ist, so dass eine Filterung nur durch das erste Netzfilter (4) bewirkt wird und das Strombegrenzungselement einen Einschaltstromstoß beim Anschluss der Eingangsschaltung an ein Stromversorgungsnetz verhindert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Eingangsschaltung für ein elektrisches Gerät aufweisend ein Netzfilter, wobei das elektrische Gerät in einer ersten Betriebsart mit einer hohen Leistungsaufnahme und in einer zweiten Betriebsart mit einer reduzierten Leistungsaufnahme betrieben werden kann. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung einer derartigen Eingangsschaltung in einem Schaltnetzteil sowie ein elektrisches Gerät mit einer derartigen Eingangsschaltung.
Elektrische Geräte mit Netzfiltern sowie unterschiedlichen Leistungsaufnahmen sind vielfach bekannt. Insbesondere Geräte der Informationstechnik sowie der Unterhaltungselektronik weisen neben einer normalen, vollständig eingeschalteten Betriebsart oft eine so genannte Bereitschafts- oder Standby-Betriebsart auf, in der nur eine verhältnismäßig geringe Leistung aus einem Energieversorgungsnetz entnommen wird. Solche Bereitschaftsbetriebsarten ermöglichen unter anderem, elektrische Geräte fern- oder zeitgesteuert wieder in einen vollständig eingeschalteten Betriebszustand zu versetzen.
Nachteilig an solchen elektrischen Geräten ist, dass sie auch in der Bereitschaftsbetriebsart stets eine geringe Leistung aus dem Stromversorgungsnetz entnehmen. Darüber hinaus weisen Netzteile und ihre Komponenten, die zur Versorgung des elektrischen Gerätes eingesetzt werden, in der Bereitschaftsbetriebsart in der Regel einen niedrigeren Wirkungsgrad auf als in dem für den Normalbetrieb dimensionierten Leistungsbereich.
Ein Beispiel für eine solche Komponente sind Netzfilter und Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur, die insbesondere beim Einsatz leistungsstarker Schaltnetzteile Verwendung finden, um die dort auftretenden Spannungs- und Stromspitzen zu reduzieren.
2 zeigt eine konventionelle Anordnung einer Eingangsschaltung 1 mit einem Netzfilter für ein elektrisches Gerät. Die Schaltungsanordnung 1 umfasst einen Netzeingang 3 in Form eines Phaseneingangs Line und eines Nullleiters Neutral, die über ein Netzeingangsfilter mit einer Gleichrichterschaltung in Form eines Brückengleichrichters BD1 gekoppelt sind. Das Netzeingangsfilter umfasst zwischen dem Phaseneingang Line und dem Nulleiter Neutral angeordnete X-Kondensatoren Cx1 und Cx2, zwischen dem Phasenanschluss Line beziehungsweise dem Nullleiter Neutral und elektrischer Masse angeordnete y-Kondensatoren Cy1, Cy2, Cy3 und Cy4, in der Phasenleitung Line beziehungsweise dem Nullleiter Neutral angeordnete Entstördrosseln L1 beziehungsweise L2 sowie einen zwischen die Phasenleitung Line und den Nullleiter Neutral geschalteten Entladewiderstand Rx. Der Brückengleichrichter BD1 umfasst vier Dioden, die in einer so genannten Graetz-Brücke angeordnet sind und die eine Wechselspannung an den Anschlüssen 4 und 3 in eine pulsierende Gleichspannung an den Anschlüssen 1 und 2 umwandeln. Das eigentliche Netzteil ist in der 2 nicht dargestellt. In der Schaltungsanordnung 1 der 2 würde es parallel zu dem mit Cb bezeichneten Speicherkondensator angeschlossen.
Um einen großen Ladestrom beim Einschalten des Netzteiles durch den Schalter Sw in der Phasenleitung Line zu vermeiden, ist zwischen dem Gleichrichter BD1 und den Speicherkondensator Cb ein Strombegrenzungselement in Form eines Heißleiters Rntc geschaltet. Der NTC-Widerstand begrenzt den Ladestrom des Kondensators Cb beim Einschalten oder Einstecken der Netzleitung. Um die parasitäre Last des NTC-Widerstandes Rntc im Betrieb der Schaltungsanordnung 1 zu vermeiden, ist ein monostabiles Relais Rel vorgesehen. Durch Anlegen einer Spannung von beispielsweise zwölf Volt zwischen den Steueranschlüssen A und B des Relais Rel kann das Strombegrenzungselement Rntc überbrückt werden.
Ein Nachteil der in der 2 dargestellten Schaltungsanordnung 1 besteht darin, dass das Netzeingangsfilter und der Speicherkondensator Cb bei geschlossenem Schalter Sw stets mit dem Stromversorgungsnetz verbunden ist. Selbst wenn ein Netzteil somit keine Ladung aus dem Speicherkondensator Cb entnähme, würde das Netzeingangsfilter zu einer Schein- und Verlustleistung durch die Schaltungsanordnung 1 führen. Auch der Entladewiderstand Rx des Netzeingangsfilters trägt zur Verlustleistung der Schaltungsanordnung 1 bei. Er ist aus Sicherheitsgründen erforderlich, um die netzseitigen X-Kondensatoren Cx1 und Cx2 des Netzeingangsfilters 5, die beispielsweise eine Kapazität von mehr als 100 nF aufweisen, bei einer Netztrennung kontrolliert zu entladen. Gemäß einschlägiger Vorschriften, beispielsweise der VDE-Norm ”Einrichtungen der Informationstechnik-Sicherheit” DIN EN 60950-1, müssen X-Kondensatoren von Netzfiltern innerhalb einer Zeit von weniger als einer Sekunde auf weniger als 37% des Startwertes entladen werden. Alternativ muss die Gesamtkapazität aller X-Kondensatoren auf einen Wert von maximal 100 nF begrenzt werden. Dies führt dazu, dass der Wirkungsgrad eines elektrischen Gerätes insbesondere in einer Betriebsart mit reduzierter Leistungsaufnahme reduziert wird.
Die Druckschrift JP 2002-010492 A betrifft ein elektronisches Gerät mit einer Energiesparfunktion. Um die Blindleistung des Geräts in einem Energiesparmodus zu reduzieren, wird eine Netzteilanordnung umfassend einen Tiefpassfilter, ein erstes Netzteil und ein zweites Netzteil vorgeschlagen. Beim Verlassen des Energiesparmodus wird eine Konstante des Tiefpassfilters umgeschaltet und das zweite Netzteil mit einer Netzspannung verbunden.
Aus der EP 1 176 688 A1 ist ein Gleichrichter mit einem Filterkondensator und einem ersten Pfad mit einem Gleichrichter und einem dazu parallelen zweiten Pfad mit einem Gleichrichter und einem Strombegrenzungselement bekannt.
Aus der DE 30 45 715 C2 ist ein fernsteuerbares nachrichtentechnisches Gerät mit einem in den Netzstromkreis geschalteten Netzrelais bekannt, wobei dem Netzrelais ein zweipoliger EIN-AUS-Schalter als Netzschalter vorgeschaltet ist, welcher mit einem Überholschalter gekoppelt ist, der eine Selbsthaltefunktion des Netzrelais über einen an eine Akkumulatorzelle angeschlossenen Fernbedienungsempfänger einleitet und den Fernbedienungsempfänger von jeglicher Stromquelle trennen kann.
Aus der US 2002/0 154 525 A1 ist eine Schaltung für ein Netzteil zur Versorgung eines oder zwei Verbraucher bekannt, wobei ein erster Teil des Stroms über eine große Induktionsspule und einen ersten Gleichrichter und ein zweiter Teil des Stroms über einen vor die Induktionsspule geschalteten zweiten Gleichrichter, hinter den ein Schaltwandler angeschlossen ist, eingespeist wird.
Aus der US 2002/0 003 713 A1 ist eine Schaltung für ein Netzteil mit einem ersten Netzfilter in einem gemeinsamen Pfad und einem zweiten Netzfilter in einem ersten, zu dem gemeinsamen Pfad in Serie geschalteten Pfad, der einen Gleichrichter-Schaltkreis umfasst und einem zweiten, zu dem gemeinsamen Pfad in Serie und dem ersten Pfad in Reihe geschalteten Pfad, der einen Leistungsfaktorkorrektur-Schaltkreis umfasst bekannt.
Aus der US 2006/0 221 657 A1 ist ein umschaltbares Filter bekannt, bei dem unterschiedliche, in Serie oder in Reihe geschaltete Filter in einen Schaltkreis eingeschaltet werden können, abhängig davon, welche Filtereigenschaften in dem Schaltkreis benötigt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Eingangsschaltung für ein elektrisches Gerät zu beschreiben, die den Wirkungsgrad des elektrischen Gerätes in einem Betriebszustand mit einer reduzierten Leistungsaufnahme verbessert. Insbesondere soll die Verlustleistung von in der Eingangsschaltung vorhandenen elektrischen Netzfiltern oder Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur reduziert werden.
Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Eingangsschaltung für ein elektrisches Gerät, eine Verwendung einer Eingangsschaltung und ein elektrisches Gerät entsprechend der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung sowie durch die angehängten Patentansprüche offenbart.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand unterschiedlicher Ausführungsbeispiele unter Zuhilfenahme von Figuren beschrieben.
Dabei werden in den Figuren für Funktionselemente mit gleicher oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Gerätes mit einer erfindungsgemäßen Eingangsschaltung.
2 zeigt eine konventionelle Eingangsschaltung für ein elektrisches Gerät.
3 zeigt einen Schaltplan einer Eingangsschaltung gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung.
4 zeigt einen Schaltplan einer Eingangsschaltung gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
5 zeigt einen Schaltplan einer Eingangsschaltung gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung.
6 zeigt einen Schaltplan einer Eingangsschaltung gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung.
7 zeigt einen Schaltplan einer Eingangsschaltung gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung.
8 zeigt ein kombiniertes Zustands- und Ablaufdiagramm für den Wechsel zwischen unterschiedlichen Betriebsarten eines elektrischen Geräts.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Gerätes 2 umfassend eine Eingangsschaltung 1. Bei dem elektrischen Gerät 2 kann es sich beispielsweise um einen tragbaren Computer mit einem externen Schaltnetzteil oder um ein stationäres Gerät der Unterhaltungselektronik mit einer internen Stromversorgungsschaltung handeln.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Eingangsschaltung 1 einen Netzeingang 3 zum Anschluss des elektrischen Gerätes 2 an ein Stromversorgungsnetz. In Energieflussrichtung hinter dem Netzeingang 3 ist in einem gemeinsamen elektrischen Pfad 18 ein erstes Netzfilter 4 angeordnet, das von dem elektrischen Gerät 2 verursachte Störungen von dem Stromversorgungsnetz beziehungsweise über das Stromversorgungsnetz übertragene Störungen von dem elektrischen Gerät 2 fernhält.
Hinter dem ersten Netzfilter 1 ist ein erstes Schaltelement 5 angeordnet. Das erste Schaltelement 5 gestattet die Auswahl eines ersten elektrischen Pfads 6 und/oder eines zweiten elektrischen Pfads 7 zur Versorgung des elektrischen Gerätes 2. Somit stehen zwei unterschiedliche elektrische Pfade zur Versorgung des elektrischen Geräts 2 mit einer Betriebsspannung zur Verfügung, die in Abhängigkeit einer gewählten Betriebsart des elektrischen Geräts 2 ausgewählt werden können, um die Eingangsschaltung 1 an die gewählte Betriebsart anzupassen.
In dem ersten elektrischen Pfad 6 sind ein zweites Netzfilter 8 sowie ein Hauptwandler 9 angeordnet. Wird der erste elektrische Pfad 6 über das Schaltelement 5 mit dem Netzeingang 3 verbunden, wird die von dem Netzeingang 3 bereitgestellte Netzspannung durch das erste Netzfilter 4 sowie das zweite Netzfilter 8 gefiltert und an einem ersten Versorgungsausgang 10 der Eingangsschaltung 1 bereitgestellt. Der Versorgungseingang 10 ist mit dem Hauptwandler 9 verbunden. Der Hauptwandler 9 erzeugt in diesem Fall eine Versorgungsspannung zum Betrieb des elektrischen Gerätes 2 in einer ersten Betriebsart.
In dem zweiten elektrischen Pfad 7 ist ein Hilfswandler 11 angeordnet. Wird das Schaltelement 5 so angesteuert, dass der erste elektrische Pfad 6 getrennt wird, erfolgt ein Stromfluss über den zweiten elektrischen Pfad 7 und einen zweiten Versorgungsausgang 12 der Eingangsschaltung 1 zu dem Hilfswandler 11. Der Hilfswandler 11 erzeugt eine Hilfsspannung zum Betrieb des elektrischen Gerätes 2 in einer zweiten Betriebsart.
Die Versorgungs- beziehungsweise Hilfsspannungen des Hauptwandlers 9 beziehungsweise des Hilfswandlers 11 können der- oder denselben oder unterschiedlichen Komponenten 13 des elektrischen Gerätes 2 zugeführt werden. Es kann auch ein gemeinsamer Wandler vorgesehen sein, der sich in Betriebsarten mit unterschiedlicher Leistungsaufnahme betreiben lässt. Beispielsweise kann ein Schaltwandler mit optionaler Leistungsfaktorkorrektur vorgesehen sein, wobei die Leistungsfaktorkorrektur in einer ersten Betriebsart mit einer Leistung von mehr als 75 W aktiviert ist und in einer zweiten Betriebsart mit einer Leistung von weniger als 75 W deaktiviert ist.
Das elektrische Gerät 2 weist des Weiteren eine Steuerschaltung 14 auf. Die Steuerschaltung 14 dient zur Ansteuerung des Schaltelementes 5 über einen Steuereingang 17. Im in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Steuerschaltung 14 alternativ über den Hilfswandler 11 oder den Hauptwandler 9 mit einer Betriebsspannung versorgt. Die Eingangsschaltung 14 kann auch eine Regelung des Hauptwandlers 9 und/oder des Hilfswandlers 11 vornehmen.
3 zeigt einen Schaltplan einer ersten, verhältnismäßig einfach aufgebauten Ausgestaltung der Erfindung. Sie umfasst im Wesentlichen ein erstes Netzfilter 4 im Bereich des Netzeingangs 3, ein als erstes Schaltelement 5 wirkendes monostabiles Relais Rel, ein zweites Netzfilter 8, einen Brückengleichrichter BD1, eine Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur, im Folgenden PFC-Schaltung 15, sowie einen Pufferkondensator Cb. Parallel zu dem ersten Schaltelement 5, dem zweiten Netzfilter 8 sowie der PFC-Schaltung 15 ist ein zweiter elektrischer Pfad 7 umfassend ein Strombegrenzungselement Rntc sowie zwei Dioden D3 und D4 geschaltet. Des Weiteren ist elektrisch hinter dem Relais Rel ein Schaltausgang 20 für ein externes Peripheriegerät wie beispielsweise einen Monitor vorgesehen.
In der ersten, so genannten Normalbetriebsart wird das Relais Rel über das Bereitstellen einer Versorgungsspannung an einem Steuereingang 17 geschlossen, so dass ein Stromfluss von dem Netzeingang 3 über das erste Netzfilter 4, das Relais Rel, das zweite Netzfilter 8 zu der PFC-Schaltung 15 und von dort zu dem Speicherkondensator Cb stattfindet. Die Spannung an dem Speicherkondensator Cb kann an dem Versorgungsausgang 10 der Eingangsschaltung 1 zur Versorgung eines elektrischen Geräts 2 abgegriffen werden. In dieser Betriebsart fließt der Versorgungsstrom über den ersten elektrischen Pfad 6, weil die PFC-Schaltung 15 den Speicherkondensator Cb auf eine Spannung oberhalb der Netzspannung auflädt, so dass die Dioden D3 und D4 sperren. Der erste elektrische Pfad 6 weist im unterschied zum zweiten elektrischen Pfad 7 kein Strombegrenzungselement Rntc auf, so dass das Strombegrenzungselement Rntc auch keine Verlustleistung im Normalbetrieb verursacht. Die von der PFC-Schaltung 15 an dem Versorgungsausgang 10 bereitgestellte Leistung ist in dieser ersten Betriebsart verhältnismäßig groß. Beispielsweise wird eine Leistung von 250 Watt bereitgestellt.
Das zweite Netzfilter 8 wirkt in dieser Betriebsart zur Filterung der von dem elektrischen Gerät 2, insbesondere einem der Eingangsschaltung 1 nachgeordnetem Hauptwandler 9, verursachten Störungen. Hierzu weist das zweite Netzfilter 8 insbesondere zwei verhältnismäßig groß dimensionierte X-Kondensatoren Cx1 und Cx2 mit einer Kapazität von mehr als 100 nF auf. Zur Einhaltung entsprechender gesetzlicher Normen sowie zur elektrischen Sicherheit sind ein Entladewiderstand Rx sowie ein Überspannungswiderstand VDR vorgesehen, die in den X-Kondensatoren Cx1 und Cx2 vorhandene Restladungen innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne entladen beziehungsweise die Überanspannungen an den X-Kondensatoren Cx1 und Cx2 verhindern. Darüber hinaus ist es bei einer Gesamtleistung von mehr als 75 Watt vorgeschrieben, eine Leistungsfaktorkorrektur durch korrekte Ansteuerung eines Steueranschlusses 16 der PFC-Schaltung 15 vorzunehmen. In Abhängigkeit gegebenenfalls existierender Vorschriften zur elektrischen Betriebssicherheit können einzelne Komponenten des zweiten Netzfilters 8 auch vor dem ersten Schaltelement 5 angeordnet sein. Beispielsweise kann anstelle oder zusätzlich zu dem Überspannungswiderstands VDR eine andere Überspannungsschutzkomponente direkt am Netzeingang 3 vorgesehen werden. Bevorzugt sollten dabei solche Komponenten Verwendung finden, die im an das Stromversorgungsnetz angeschlossenen Zustand keine Verlustleitung verursachen, wie beispielsweise ein Gasableiter.
In einer zweiten, so genannten Bereitschaftsbetriebsart ist das Relais Rel geöffnet und ein Versorgungsstrom fließt von dem Netzeingang 3 über das erste Netzfilter 4, das Strombegrenzungselement Rntc und Dioden D3 beziehungsweise D4 zu dem Speicherkondensator Cb. Während einer positiven Halbwelle der Phasenleitung Line fließt ein Strom über die Spule L1, das Strombegrenzungselement Rntc, die Diode D4 zu dem Speicherkondensator Cb und von dort zurück über die linke untere Diode des Brückengleichrichters BD1 zwischen den Anschlüssen 1 und 3, die Spule L2' sowie die Spule L1' zum Nullleiter Neutral. Während einer negativen Halbwelle der Phasenleitung Line fließt ein Versorgungsstrom von dem Nullleiter Neutral über die Drosselspule L1', die Drosselspule L2', die rechte untere Diode des Brückengleichrichters BD1 zwischen den Anschlüssen 3 und 2, die Drossel L und die Diode D zum Speicherkondensator Cb und von dort zurück über die Diode D3, das Strombegrenzungselement Rntc und die Drosselspule L1 zum Phaseneingang Line. Über den zweiten elektrischen Pfad 7 wird somit die Funktion eines gewöhnlichen Brückengleichrichters hergestellt. Die von der Eingangsschaltung 1 an dem Versorgungsausgang 10 bereitgestellte Leistung ist in dieser zweiten Betriebsart verhältnismäßig klein. Beispielsweise wird eine Leistung von weniger als fünf Watt, bevorzugt weniger als einem Watt bereitgestellt.
In dieser Betriebsart fließt kein Strom über den Entladewiderstand Rx des zweiten Netzfilters 8. Die X-Kondensatoren Cx1 und Cx2 werden nicht geladen. Des Weiteren wird der MOSFET-Kondensator Q der PFC-Schaltung 15 über den Steueranschluss 16 für die Leistungsfaktorkorrektur nicht angesteuert. Eine Filterung erfolgt allein über das erste Netzfilter 4, das weder X-Kondensatoren noch einen Entladewiderstand aufweist und daher auch keine oder nur eine verschwindend kleine Verlustleistung verursacht.
4 zeigt eine zweite Ausgestaltung der Eingangsschaltung 1. Gegenüber der in der 3 dargestellten Lösung wurde der Wirkungsgrad der Eingangsschaltung 1 gemäß 4 weiter erhöht. Die Schaltungsanordnung gemäß 4 stimmt weitgehand mit der Schaltungsanordnung gemäß 3 überein. Zusätzlich wurde ein gegenüber dem Speicherkondensator Cb kleiner dimensionierter Hilfskondensator Csb im Bereich des Versorgungsausgangs 10 vorgesehen. Der Hilfskondensator Csb wird in der zweiten Bereitschaftsbetriebsart über den zweiten elektrischen Pfad 7 auf eine Betriebsspannung geladen, die an einem zweiten Versorgungsausgang 12 abgegriffen werden kann.
Der weiterhin vorhandene Speicherkondensator Cb wird in dieser Betriebsart über die zusätzlichen Dioden D5 und D6 von dem Hilfskondensator Cb elektrisch entkoppelt. Somit wird der Speicherkondensator Cb in der zweiten Betriebsart nicht aufgeladen. Dadurch entfällt die Verlustleistung der in der 4 symbolisch eingezeichneten Widerstände Rpfc1 und Rpfc2, die zur Bereitstellung eines Rückkopplungssignals PFC-Feedback zum korrekten Betrieb der PFC-Schaltung 15 erforderlich sind.
In der ersten Betriebsart, das heißt bei geschlossenem Relais Rel, wird der Speicherkondensator Cb über das zweite Netzfilter und die PFC-Schaltung auf eine Betriebsspannung geladen, die an dem ersten Versorgungsausgang 10 zur Verfügung gestellt wird. Über die Dioden D6 und D5 wird zudem auch der Hilfskondensator Csb mit einer Betriebsspannung geladen, so dass auch an dem zweiten Versorgungsausgang 12 eine Versorgungsspannung für ein eventuell nachgeschaltetes Hilfsnetzteil bereitgestellt wird.
5 zeigt eine weiter verbesserte Eingangsschaltung 1 gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung. Die Eingangsschaltung gemäß 5 sieht wiederum ein erstes Netzfilter 4 in einem gemeinsamen elektrischen Pfad 18, sowie ein zweites Netzfilter 8 in einem ersten elektrischen Pfad 6 vor. Der erste elektrische Pfad 6 kann über ein Relais Rel von dem Netzeingang 3 entkoppelt werden. Der erste elektrische Pfad 6 ist aufgebaut wie der erste elektrische Pfad 6 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3.
Des Weiteren verfügt die Eingangsschaltung 1 über einen zweiten elektrischen Pfad 7, der parallel zu dem Relais Rel, dem zweiten Netzfilter 8 sowie der PFC-Schaltung 15 angeordnet ist. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß 3 und 4 weist der zweite elektrische Pfad 7 zwei als zweites Schaltelement 19 wirkende Thyristoren SCR1 und SCR2 auf. Die Steuereingänge der Thyristoren SCR1 und SCR2 werden über zwei Überträger T1 beziehungsweise T2 angesteuert. Über die Überträger T1 und T2 kann ein geeigneter Steuerimpuls von einer Steuerschaltung 14 des elektrischen Gerätes 1 bereitgestellt werden, um die Thyristoren SCR1 beziehungsweise SCR2 zu zünden und somit eine Versorgung des elektrischen Gerätes 2 in einer zweiten Betriebsart über den zweiten elektrischen Pfad 7 zu ermöglichen.
Werden weder das Relais Rel noch die Thyristoren SCR1 und SCR2 durch geeignete Steuersignale angesteuert, ist der Versorgungsausgang 10 der Eingangsschaltung 1 von dem Netzeingang 3 elektrisch vollständig getrennt. Somit findet kein Stromfluss durch die Eingangsschaltung 1 statt und das elektrische Gerät 2 befindet sich in einer dritten, so genannten Null-Watt-Betriebsart. In dieser Betriebsart ist einzig und allein der erste Netzfilter 4 mit dem Netzeingang 3 gekoppelt. Da der erste Netzfilter 4 weder einen X-Kondensator noch einen Entladewiderstand für einen X-Kondensator aufweist, nimmt das erste Netzfilter 4 in der Null-Watt-Betriebsart keine elektrische Leistung aus dem Stromversorgungsnetz auf.
6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Eingangsschaltung 1. Gegenüber der in der 5 dargestellten Ausgestaltung wurde die Ansteuerung des zweiten Schaltelementes 19 weiter vereinfacht. In diesem Ausführungsbeispiel wird als zweites Schaltelement 19 nur ein einzelner Thyristor SCR verwendet. Um den Thyristor SCR sowohl während einer positiven Halbwelle als auch während einer negativen Halbwelle der Versorgungsspannung an dem Netzeingang 3 zum Schalten eines Stromflusses durch den zweiten elektrischen Pfad 7 verwenden zu können, sind vier Dioden D1 bis D4 vorgesehen. Während einer positiven Halbwelle fließt ein elektrischer Strom von der Phasenleitung Line über die Drosselspule L1, den Strombegrenzungswiderstand Rntc, die Diode D1, den Thyristor SCR und die Diode D4 zum Speicherkondensator Cb. Von dort fließt der Strom über die linke untere Diode des Brückengleichrichters BD1 zwischen den Anschlüssen 1 und 3, die Drosselspule L2' und die Drosselspule L1' zurück zum Nullleiter Neutral. Während einer negativen Halbwelle fließt ein elektrischer Strom von dem Nullleiter neutral über die Drosselspule L1', die Drosselspule L2', die rechte untere Diode des Brückengleichrichters BD1 zwischen den Anschlüssen 3 und 2, die Speicherspule L und die Diode D zum Speicherkondensator Cb. Von dort fließt der Strom zurück über die Diode D3, den Thyristor SCR, die Diode D2, den Strombegrenzungswiderstand Rntc und die Drosselspule L1 zur Phasenleitung Line.
Da in der Schaltung gemäß 6 nur noch ein einzelner Thyristor SCR als zweites Schaltelement 19 vorgesehen ist, genügt zu seiner Ansteuerung auch ein einzelner Übertrager T. Die Ansteuerung der Eingangsschaltung 1 wird daher gegenüber der Schaltung gemäß 5 weiter vereinfacht.
7 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Eingangsschaltung 1. Die Eingangsschaltung entspricht weitgehend der in der 6 dargestellten Ausgestaltung. Insbesondere sind der gemeinsame elektrische Pfad 18 und der zweite elektrische Pfad 7 gleich ausgestaltet. Um eine weitere Erhöhung der Effizienz der Eingangsschaltung 1 auch in der ersten Betriebsart zu bewirken, wurden anstelle des Brückengleichrichters BD1 mit einer einzelnen nachgeschalteten PFC-Schaltung 15 zwei parallel arbeitende PFC-Schaltungen 15a und 15b eingesetzt. Bei den PFC-Schaltungen 15a und 15b handelt es sich jeweils um Aufwärtswandler (englisch: Boost-Converter). Es können jedoch auch andere, aus dem Stand der Technik bekannte Wandlerschaltungen mit Leistungsfaktorkorrektur Verwendung finden.
Bei geschlossenem Relais Rel leitet die Diode BR1 während einer positiven Halbwelle der Netzspannung und die Diode BR2 während einer negativen Halbwelle. Somit ist während einer positiven Halbwelle die erste PFC-Schaltung 15a und während einer negativen Halbwelle die die zweite PFC-Schaltung 15b aktiv. Wird der MOSFET Qa oder Qb durch Anlegen eines geeigneten Steuersignals PFC-Control1 beziehungsweise PFC-Control2 geschlossen, wird die Speicherdrossel La der ersten PFC-Schaltung 15a beziehungsweise die Speicherdrossel Lb der zweiten PFC-Schaltung 15b geladen. Sperrt der MOSFET Qa oder Qb, wird die erste Speicherdrossel La über die Diode Da beziehungsweise die zweite Speicherdrossel Lb über die Diode Db entladen.
Die Schaltung gemäß 7 mit parallelen PFC-Schaltungen 15a und 15b zum Betrieb während einer positiven beziehungsweise negativen Halbwelle der Versorgungsspannung bewirkt eine Reduktion der Verlustleistung der Eingangsschaltung 1 in der ersten Betriebsart. Denn die Schaltung gemäß 7 erfordert keinen Brückengleichrichter BD1 mehr, so dass die Spannung im Betrieb nur um eine Diodenflussspannung reduziert wird, während bei den Schaltungen gemäß dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel jeweils zwei Diodenflussspannungen am Brückengleichrichter BD1 abfallen.
8 zeigt ein kombiniertes Zustands- und Ablaufdiagramm für die Ansteuerung der Eingangsschaltungen 1 gemäß den unterschiedlichen Ausgestaltungen der Erfindung. Die Ausgestaltungen gemäß den 3 und 4 ohne ein zweites Schaltelement 19 in dem zweiten elektrischen Pfad 8 umfassen lediglich den ersten Betriebszustand Z1 mit einer normalen Leistungsaufnahme des elektrischen Gerätes 2 sowie die zweite Betriebsart Z2 mit einer reduzierten Leistungsaufnahme des elektrischen Gerätes 2. Die Ausgestaltungen gemäß den 5 bis 7 mit einem zweiten Schaltelement 19 in dem zweiten elektrischen Pfad 7 umfassen zusätzlich eine dritte Betriebsart Z3, in dem das elektrische Gerät 2 vollständig von dem Stromversorgungsnetz getrennt ist. Die zusätzliche Betriebsart Z3 sowie die Schritte 61 und 62 zum Übergang auf die zweite Betriebsart Z2 sind in der 8 daher gestrichelt dargestellt.
Das kombinierte Zustands- und Ablaufdiagramm gemäß 8 wird unter Zuhilfenahme der Schaltung gemäß 6 beschrieben. Anfänglich befindet sich das elektrische Gerät 2 in der so genannten Null-Watt-Betriebsart Z3. In diesem Zustand wird weder das Relais Rel noch der Thyristor SCR mit einer Steuerspannung beaufschlagt, so dass der Netzeingang 3 elektrisch von dem Versorgungsausgang 10 entkoppelt ist. Soll das elektrische Gerät 2 eingeschaltet oder zumindest in eine Standby-Betriebsart versetzt werden, wird ein Steuerimpuls über die Anschlüsse SCR-Puls1 und SCR-Puls2 an den Übertrager T bereitgestellt. Beispielsweise kann eine, aus einer so genannten BIOS-Batterie eines Computers gespeiste, diskrete Steuerschaltung oder ein Batterie gespeister Mikrocontroller mit einer besonders niedrigen Leistungsaufnahme eine Folge von 20 Einzelimpulsen innerhalb einer Zeitspanne von 40 ms an den Übertrager T schicken, ohne dass hierzu eine Netzspannung erforderlich ist. Der Übertrager T transformiert den bereitgestellten Steuerimpuls auf die erforderliche Spannung um den Thyristor SCR im Schritt 61 zu zünden.
Zündet der Thyristor SCR fließt wie oben unter Bezugnahme auf 6 beschrieben ein Strom in dem zweiten elektrischen Pfad 7 über das Strombegrenzungselement Rntc zum Laden des Speicherkondensators Cb. Das Strombegrenzungselement Rntc begrenzt dabei ein zu rasches Ansteigen der Versorgungsspannung und damit einhergehende Störungen. Ist der Kondensator Cb geladen, startet im Schritt 62 beispielsweise ein an dem Versorgungsausgang 10 angeschlossener Hilfswandler 11. Der Thyristor SCR kann nachfolgend mit einer höheren Impulsfolge angesteuert werden, wobei eine Stromversorgung über den Hilfswandler 11 erfolgen kann. Daraufhin befindet sich das elektrische Gerät 2 in der als Standby-Betrieb gekennzeichneten zweiten Betriebsart Z2 mit einer stark reduzierten Leistungsaufnahme.
Soll das Gerät 2 in eine Normalbetriebsart Z1 versetzt werden, kann beispielsweise eine über einen Hilfswandler 11 erzeugte Steuerspannung von 12 Volt über den Steuereingang 17 an das Relais Rel bereitgestellt werden. Daraufhin wird im Schritt 63 das erste Schaltelement 5 geschlossen.
Innerhalb einer definierten Zeitspanne wird ebenfalls ein Steuersignal zur Ansteuerung des MOSFETs Q der PFC-Schaltung 15 bereitgestellt. Dies wird im Schritt 64 vorgenommen.
Danach kann im Schritt 65 ein ebenfalls an den Versorgungsausgang 10 angeschlossener Hauptwandler 9 gestartet werden, der über das erste Netzfilter 4 und das zweite Netzfilter 8 eine höhere Leistung aus dem Stromversorgungsnetz entnimmt. Dabei sorgen das erste Netzfilter 4, das zweite Netzfilter 8 sowie die Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur 15 dafür, dass die durch den verhältnismäßig leistungsstarken Hauptwandler 9 verursachten Störungen das Stromversorgungsnetz nicht beeinträchtigen. Nach Starten des Hauptwandlers 9 befindet sich das elektrische Gerät in der als Normalbetrieb bezeichneten ersten Betriebsart Z1.
In allen zuvor beschriebenen Schaltungen ist es möglich, dass über das erste Schaltelement 5 nicht nur eine Trennung des zweiten Netzfilters 8 von dem Stromversorgungsnetz in der zweiten Betriebsart Z2 sondern auch eine Abschaltung eines Schaltausganges 20 von dem Netzeingang 3 zu bewirken. Auf diese Weise ist es möglich, unter Verwendung eines einzelnen Relais Rel sowohl eine Verlustleistung der Eingangsschaltung 1 eines elektrischen Gerätes 2 selbst als auch eines daran angeschlossenen Peripheriegerätes, beispielsweise eines Monitores oder Druckers zu reduzieren.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein drittes Netzfilter in dem zweiten elektrischen Pfad 7 vorgesehen. Dies ist unter Umständen dann von Vorteil, wenn das Verhältnis zwischen dem ersten Netzfilter 4 in dem gemeinsamen elektrischen Pfad 18 und dem zweiten Netzfilter 8 in dem ersten elektrischen Pfad 6 so gewählt wird, dass die Dimensionierung des zweiten Netzfilters 8 ausreicht, um eine Abstrahlung elektromagnetischer Störungen über ein an dem Schaltausgang 20 angeschlossenes Peripheriegerät zu unterbinden. Dafür kann das zweite Netzfilter 8 gegebenenfalls vergrößert und das erste Netzfilter 4 verkleinert werden. Reicht das erste Netzfilter 4 dann nicht mehr zur Entstörung des elektrischen Geräts in der zweiten Betriebsart aus, sollte in dem zweiten elektrischen Pfad 7 ein drittes Netzfilter vorgesehen werden, beispielsweise eine weitere Spule. Die Spule im zweiten elektrischen Pfad 7 wird im Betrieb nur von einem verhältnismäßig kleinen Strom, beispielsweise 100 mA, durchflossen und kann entsprechend dünne Spulenwicklungen aufweisen.
Eine Vielzahl weiterer Abwandlungen der oben beschriebenen Eingangsschaltungen 1 ist möglich. Beispielsweise kann anstelle eines ersten Schaltelementes 5 und eines zweiten Schaltelementes 19 ein Umschaltrelais verwendet werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass dann keine vollständige Entkopplung des Versorgungsausgangs 10 von dem Netzeingang 3 und somit auch keine Null-Watt-Betriebsart möglich ist. Des Weiteren muss der Speicherkondensator Cb groß genug dimensioniert werden, um eine Versorgung eines hinter dem Versorgungsausgangs 10 angeschlossenen Hilfswandlers 11 während der Umschaltdauer des Relais sicherzustellen.
Darüber hinaus können die Positionen des gemeinsamen elektrischen Pfades 18 und der parallel angeordneten ersten und zweiten elektrischen Pfade 6 beziehungsweise 7 vertauscht werden. Aus Sicht einer bestmöglichen elektromagnetischen Entstörung des elektrischen Gerätes 2 ist es jedoch vorteilhaft, das erste Netzfilter 4 so nah wie möglich am Netzeingang 3 anzuordnen.
Darüber hinaus können selbstverständlich sämtliche in den einzelnen Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale in beinahe beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere kann die in der 7 dargestellte Anordnung zweier paralleler PFC-Schaltungen 15a und 15b auch in den anderen Schaltungen gemäß 3 bis 6 Verwendung finden.
Bezugszeichenliste

1: Eingangsschaltung
2: elektrisches Gerät
3: Netzeingang
4: erstes Netzfilter
5: erstes Schaltelement
6: erster elektrischer Pfad
7: zweiter elektrischer Pfad
8: zweites Netzfilter
9: Hauptwandler
10: erster Versorgungsausgang
11: Hilfswandler
12: zweiter Versorgungsausgang
13: Komponente
14: Steuerschaltung
15: PFC-Schaltung
16: Steueranschluss
17: Steuereingang
18: gemeinsamer elektrischer Pfad
19: zweites Schaltelement
20: Schaltausgang
61–65: Verfahrensschritte
Z1: erste Betriebsart (Normalbetriebsart)
Z2: zweite Betriebsart (Bereitschaftsbetriebsart)
Z3: dritte Betriebsart (Null-Watt-Betriebsart)

Claims

Eingangsschaltung (1) für ein elektrisches Gerät (2), umfassend: – einen Versorgungsausgang (10, 12), über den für wenigstens ein Schaltwandler eine Versorgungsspannung bereitgestellt wird, – einen gemeinsamen elektrischen Pfad (18) umfassend ein erstes passives Netzfilter (4), wobei das erste passive Netzfilter (4) keinen X-Kondensator oder einen X-Kondensator mit einer Kapazität von nicht mehr als 100 nF und keinen Entladewiderstand (Rx) aufweist, – einen mit dem gemeinsamen elektrischen Pfad (18) in Serie geschalteten und zu dem Versorgungsausgang (10, 12) führenden ersten elektrischen Pfad (6) umfassend ein zweites passives Netzfilter (8), wobei das zweite passive Netzfilter (8) einen X-Kondensator (Cx1, Cx2) mit einer Kapazität von mehr als 100 nF und einen Entladewiderstand (Rx) aufweist, – einen mit dem gemeinsamen elektrischen Pfad (18) in Serie geschalteten, zu dem Versorgungsausgang (10, 12) führenden und zu dem ersten elektrischen Pfad (6) parallel geschalteten zweiten elektrischen Pfad (7) umfassend ein Strombegrenzungselement (Rntc), – ein in dem ersten elektrischen Pfad (6) angebrachtes erstes Schaltelement (5) zum Öffnen des ersten elektrischen Pfades (6), – wenigstens einen, an den Versorgungsausgang (10, 12) angeschlossenen Speicherkondensator (Cb, Csb), – sowie einen Steuereingang (17) zur Ansteuerung des ersten Schaltelementes (5) durch eine Steuerschaltung (14), wobei das erste Schaltelement (5) in einer ersten Betriebsart (Z1) mit einer hohen Leistungsaufnahme des elektrischen Geräts (1) geschlossen ist, so dass eine Filterung eines Betriebsstroms über das erste Netzfilter (4) und das zweite Netzfilter (8) bewirkt wird und das Strombegrenzungselement (Rntc) keine Verlustleistung verursacht, und in einer zweiten Betriebsart (Z2) mit einer gegenüber der ersten Betriebsart (Z1) reduzierten Leistungsaufnahme des elektrischen Geräts (2) geöffnet ist, so dass eine Filterung nur durch das erste Netzfilter (4) bewirkt wird und das Strombegrenzungselement einen Einschaltstromstoß beim Anschluss der Eingangsschaltung an ein Stromversorgungsnetz verhindert.
Eingangsschaltung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltelement (5) als Relais (Rel), insbesondere als monostabiles Relais, ausgestaltet ist.
Eingangsschaltung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strombegrenzungselement (Rntc) ein Heißleiter ist.
Eingangsschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsschaltung (1) ein zweites Schaltelement (19) zum Trennen des zweiten elektrischen Pfads (7) umfasst und die Steuerschaltung (14) dazu eingerichtet ist, in einer dritten Betriebsart (Z3) sowohl das erste Schaltelement (5) als auch das zweite Schaltelement (19) zu öffnen, so dass über die Eingangsschaltung (1) kein Betriebsstrom an das elektrische Gerät (2) bereitgestellt wird.
Eingangsschaltung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltelement (19) als Halbleiterschaltelement, insbesondere als Thyristor (SCR), ausgestaltet ist.
Eingangsschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsschaltung (1) eine Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur umfasst und die Steuerschaltung (14) dazu eingerichtet ist, die Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur in der ersten Betriebsart (Z1) zu aktivieren und in der zweiten Betriebsart (Z2) zu deaktivieren.
Eingangsschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsschaltung (1) einen ersten Speicherkondensator (Cb) mit einer ersten Kapazität und einen zweiten Speicherkondensator (Csb) mit einer zweiten, geringeren als der ersten Kapazität zum Puffern einer Versorgungsspannung für das elektrische Gerät (2) aufweist, wobei der erste Speicherkondensator (Cb) in dem ersten elektrischen Pfad (6) angeordnet ist und der zweite Speicherkondensator (Csb) sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Pfad verbunden ist.
Verwendung einer Eingangsschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Schaltnetzteil.
Elektrisches Gerät (2), umfassend – einen Netzeingang (3) zum Anschluss des elektrischen Geräts (2) an ein Stromversorgungsnetz, – eine mit dem Netzeingang (3) elektrisch gekoppelte Eingangsschaltung (1) mit wenigstens einem ersten Schaltelement (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, – wenigstens einen mit der Eingangsschaltung (1) gekoppelten Schaltwandler (9, 11) zum Umwandeln einer ersten Versorgungsspannung in eine zweite Versorgungsspannung, – sowie eine Steuerschaltung (14) zum wahlweisen Schalten des elektrischen Geräts (2) in eine erste Betriebsart (Z1) mit einer hohen Leistungsaufnahme oder eine zweite Betriebsart (Z2) mit einer gegenüber der ersten Betriebsart (Z1) reduzierten Leistungsaufnahme, wobei die Steuerschaltung (14) dazu eingerichtet ist, die Eingangsschaltung (1) derart anzusteuern, dass in der ersten Betriebsart (Z1) das erste Schaltelement (5) geschlossen ist und in der zweiten Betriebsart (Z2) das erste Schaltelement (5) geöffnet ist.
Elektrisches Gerät (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (14) weiterhin dazu eingerichtet ist, das elektrische Gerät (2) wahlweise in eine dritte Betriebsart (Z3) zu schalten, in der die Eingangsschaltung (1) den wenigstens einen Schaltwandler (9, 11) elektrisch von dem Netzeingang (3) trennt, wobei das elektrische Gerät (2) wenigstens eine interne Energiequelle aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Steuerschaltung (14) in der dritten Betriebsart (Z3) zumindest zeitweise mit einer Betriebsenergie zu versorgen.
Elektrisches Gerät (2) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Gerät (2) einen Hauptwandler (9) sowie einen Hilfswandler (11) umfasst, wobei in der ersten Betriebsart (Z1) der Hauptwandler (11) und in der zweiten Betriebsart (Z2) der Hilfswandler (11) zur Erzeugung einer Betriebsspannung für das elektrische Gerät (2) betrieben wird.