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Die Erfindung betrifft ein Haushaltsgerät mit einer elektrischen Schaltungsanordnung, welche zwischen einem Betriebsmodus und einem Standby-Modus schaltbar ist. Die Schaltungsanordnung weist einen Schaltungseingang auf, welcher einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss aufweist, zwischen denen eine Wechselspannung (Netzspannung) angelegt werden kann. Die Schaltungsanordnung beinhaltet außerdem ein mit dem Schaltungseingang gekoppeltes Netzfilter. Sie umfasst auch einen dem Netzfilter nachgeschalteten Gleichrichter, welcher zum Gleichrichten der Wechselspannung ausgebildet ist. Ein dem Gleichrichter nachgeschalteter Glättungskondensator dient zum Glätten der gleichgerichteten Wechselspannung, sodass an dem Glättungskondensator eine Primärgleichspannung anliegt. Die Schaltungsanordnung umfasst auch ein mit dem Glättungskondensator gekoppeltes Schaltnetzteil, welches an dem Glättungskondensator die Primärgleichspannung abgreift und dazu ausgebildet ist, aus der abgegriffenen Primärgleichspannung eine Sekundärspannung mit einer gegenüber der Primärgleichspannung veränderten Amplitude bereitzustellen, mit welcher ein elektrischer Verbraucher des Haushaltsgeräts versorgbar ist. Das Schaltnetzteil weist einen Transformator auf, welcher eine Primärwicklung, die mit dem Glättungskondensator gekoppelt ist, sowie eine Sekundärwicklung umfasst, an welcher die Sekundärspannung für den elektrischen Verbraucher abgegriffen werden kann. Das Schaltnetzteil weist auch eine mit der Primärwicklung in Reihe geschaltete Schalteinrichtung auf, die zum Steuern eines Stromflusses durch die Primärwicklung ausgebildet ist. Die Schaltungsanordnung weist Mittel zum Verringern der Amplitude der Primärgleichspannung im Standby-Modus auf, sodass die Amplitude der Primärgleichspannung im Standby-Modus geringer als im Betriebsmodus ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Schaltungsanordnung eines Haushaltsgeräts.
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Es ist Stand der Technik, dass ein Haushaltsgerät zwischen einem Betriebsmodus bzw. Normalmodus und einem Standby-Modus geschaltet werden kann. Der Standby-Modus wird auch als ein Wartezustand bzw. Bereitschaftsmodus bezeichnet. In einem derartigen Standby-Modus soll elektrische Energie gespart werden. Deshalb sind die meisten elektrischen Verbraucher des Haushaltsgeräts im Standby-Modus ausgeschaltet; lediglich eine Standby-Steuereinheit kann aktiviert sein, welche das Haushaltsgerät wieder in den Betriebsmodus schalten kann. Die Standby-Steuereinheit kann beispielsweise Bediensignale von einer Bedieneinrichtung des Haushaltsgeräts empfangen und das Haushaltsgerät dann in den Betriebsmodus schalten bzw. aktivieren, wenn der Benutzer eine entsprechende Eingabe an der Bedieneinrichtung vornimmt.
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Ein Haushaltsgerät mit einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung ist beispielsweise aus dem Dokument
EP 0 873 651 B1 bekannt. Diese bekannte Schaltungsanordnung beinhaltet ein Schaltnetzteil, welches eine Primärwicklung sowie zwei Sekundärwicklungen aufweist. Parallel zur Primärwicklung ist ein Glättungskondensator geschaltet, an welchem eine Primärgleichspannung bereitgestellt wird, und zwar mittels eines Gleichrichters, welcher eine Wechselspannung des elektrischen Stromnetzes gleichrichtet. Um elektrische Energie im Standby-Modus zu sparen, beinhaltet die Schaltungsanordnung eine Einrichtung, welche im Standby-Modus die Primärgleichspannung aus der Wechselspannung erzeugt. Die Einrichtung ist so ausgebildet, dass die Amplitude der Primärgleichspannung am Glättungskondensator im Standby-Modus geringer als im Betriebsmodus ist. Die Einrichtung kann durch die X-Kondensatoren eines Netzfilters gebildet sein. Alternativ kann die Einrichtung einen Transistor beinhalten, sodass die Einrichtung nach dem Prinzip der Phasenanschnittsteuerung arbeitet.
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Die Schaltungsanordnung gemäß Dokument
EP 0 873 651 B1 hat den Nachteil, dass die Einrichtung zum Verringern der Amplitude der Primärgleichspannung relativ aufwändig aufgebaut ist und eine Vielzahl von Bauelementen aufweist, die zur Verringerung der Amplitude der Primärgleichspannung erforderlich sind. Diese Schaltungsanordnung beansprucht somit einerseits relativ viel Bauraum; andererseits ist sie auch relativ kostenaufwändig, weil aktive Bauelemente – etwa Transistoren – eingesetzt werden müssen. Die Einrichtung zum Verringern der Amplitude der Primärgleichspannung ist deshalb auch dazu ungeeignet, in bereits vorhandene Schaltungsanordnungen integriert zu werden, und zwar insbesondere in solche bereits vorhandene Schaltungsanordnungen, die über wenig Bauraum verfügen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie bei einem Haushaltsgerät der eingangs genannten Gattung die Mittel zum Verringern der Amplitude der Primärgleichspannung im Standby-Modus besonders einfach, zuverlässig und kostensparend aufgebaut werden können, sodass diese Mittel auch in bereits bestehende bzw. bereits vorhandene Schaltungsanordnungen von Haushaltsgeräten integriert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Haushaltsgerät sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Haushaltsgerät umfasst eine elektrische Schaltungsanordnung, welche zwischen einem Betriebsmodus – entspricht einem Betriebsmodus des Haushaltsgeräts – und einem Standby-Modus – entspricht einem Standby-Modus des Haushaltsgeräts – geschaltet werden kann. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Schaltungseingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss, zwischen denen eine Wechselspannung angelegt werden kann. Mit dem Schaltungseingang ist ein Netzfilter (so genanntes EMV-Filter, elektromagnetische Verträglichkeit) gekoppelt. Dem Netzfilter ist ein Gleichrichter zum Gleichrichten der Wechselspannung nachgeschaltet. Dem Gleichrichter wiederum ist ein Glättungskondensator nachgeschaltet, welcher zum Glätten der gleichgerichteten Wechselspannung ausgebildet ist, sodass an dem Glättungskondensator eine Primärgleichspannung anliegt. Mit dem Glättungskondensator ist ein Schaltnetzteil gekoppelt, das an dem Glättungskondensator die Primärgleichspannung abgreift und aus der abgegriffenen Primärgleichspannung eine Sekundärspannung mit einer gegenüber der Primärgleichspannung veränderten Amplitude bereitstellt, mit welcher ein elektrischer Verbraucher des Haushaltsgeräts versorgbar ist. Der Glättungskondensator kann auch in das Schaltnetzteil integriert sein. Das Schaltnetzteil weist einen Transformator auf. Der Transformator umfasst eine Primärwicklung, welche mit dem Glättungskondensator gekoppelt ist, wie auch eine Sekundärwicklung, an welcher die Sekundärspannung für den elektrischen Verbraucher abgegriffen werden kann. Das Schaltnetzteil weist auch eine mit der Primärwicklung in Reihe geschaltete Schalteinrichtung auf, welche zum Steuern eines Stromflusses durch die Primärwicklung ausgebildet ist. Die Schaltungsanordnung beinhaltet auch Mittel zum Verringern der Amplitude der Primärgleichspannung im Standby-Modus, sodass die Amplitude der Primärgleichspannung im Standby-Modus geringer als im Betriebsmodus ist. Die Mittel zum Verringern der Amplitude weisen ein von dem Netzfilter verschiedenes und in Reihe zum Schaltnetzteil geschaltetes Strombegrenzungselement auf, welches zum Begrenzen der Stromstärke eines durch den Glättungskondensator fließenden Ladestroms ausgebildet ist. Es ist auch ein elektrischer Schalter bereitgestellt, welcher parallel zum Strombegrenzungselement geschaltet ist und mittels welchem das Strombegrenzungselement im Betriebsmodus überbrückt ist.
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Also wird der erfindungsgemäße Effekt dadurch erzielt, dass die Mittel zum Verringern der Amplitude ein passives Bauelement – insbesondere ausschließlich ein einziges Bauelement – beinhalten, und zwar ein passives Strombegrenzungselement, welches in Serie zum Schaltnetzteil geschaltet ist und den Stromfluss zum Glättungskondensator im Standby-Modus auf einen Wert größer null begrenzt, sodass der Glättungskondensator im Standby-Modus langsamer als im Betriebsmodus aufgeladen wird. Im Betriebsmodus wird das Strombegrenzungselement mittels des Schalters überbrückt. Im Standby-Modus wird somit elektrische Energie gespart, denn die elektrische Leistung, welche durch das Schaltnetzteil bzw. den Glättungskondensator verbraucht wird, wird durch das Strombegrenzungselement begrenzt. Die vom Glättungskondensator aufgenommene elektrische Leistung ist somit im Standby-Modus geringer als im Betriebsmodus. Gegenüber dem Stand der Technik hat das erfindungsgemäße Haushaltsgerät den Vorteil, dass die Mittel zum Verringern der Amplitude besonders einfach aufgebaut und somit bauraumsparend und kostenreduziert sind, sodass diese Mittel auch ohne viel Aufwand in bereits vorhandene Schaltungsanordnungen von Haushaltsgeräten integriert werden können. Es genügt nämlich lediglich ein passives Strombegrenzungselement sowie ein elektrischer Schalter, welcher zum Überbrücken des Strombegrenzungselements dient.
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Unter einem Haushaltsgerät wird vorliegend ein Gerät verstanden, welches zur Haushaltsführung eingesetzt wird. Dies kann beispielsweise ein Haushaltsgroßgerät sein, wie beispielsweise eine Waschmaschine, ein Wäschetrockner, eine Geschirrspülmaschine, ein Gargerät, eine Dunstabzugshaube oder ein Kältegerät, wie z.B. ein Kühlschrank, ein Gefrierschrank oder eine Kühl-Gefrier-Kombination. Dies kann aber auch ein Haushaltskleingerät sein, wie beispielsweise ein Kaffeevollautomat oder eine Küchenmaschine.
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Prinzipiell kann das Strombegrenzungselement ein Ohmscher Widerstand sein. Es erweist sich jedoch als besonders vorteilhaft, wenn das Strombegrenzungselement ein Strombegrenzungskondensator ist. Durch den Strombegrenzungskondensator und den Glättungskondensator kann ein kapazitiver Spannungsteiler gebildet sein, welcher für die Verringerung der Amplitude der Primärgleichspannung im Standby-Modus sorgt. Dieser kapazitive Spannungsteiler beinhaltet also einerseits den Strombegrenzungskondensator und andererseits auch den im Haushaltsgerät ohnehin bereits vorhandenen Glättungskondensator. Mit lediglich einem Strombegrenzungskondensator, welcher in Reihe zum Schaltnetzteil geschaltet ist, kann somit dieselbe Wirkung wie im Stand der Technik mit einer Vielzahl von Bauelementen erzielt werden.
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Die Mittel zum Verringern der Amplitude beinhalten vorzugsweise lediglich ein einziges Bauelement. Unter Verzicht auf weitere Bauelemente können diese Mittel also ausschließlich das Strombegrenzungselement – insbesondere den Strombegrenzungskondensator – aufweisen. Diese Mittel sind dann besonders kompakt und kostensparend. Hierdurch können auch bereits vorhandene Schaltungsanordnungen von Haushaltsgeräten mit einem derartigen Strombegrenzungselement aufgerüstet werden, ohne dass sie in aufwändiger Weise umgestaltet werden müssen.
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Die Schaltungsanordnung kann so ausgebildet sein, dass mit dem elektrischen Schalter ausschließlich das Strombegrenzungselement überbrückt werden kann. Es erübrigt sich somit die Überbrückung von anderen Bauelementen mit den damit verbundenen Nachteilen hinsichtlich der Kosten und des Bauraums.
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Die Schalteinrichtung kann eine Zenerdiode umfassen, deren Kathode mit der Primärwicklung und deren Anode mit einem Bezugspotential (Masse) gekoppelt sind. Durch die Primärwicklung fließt ein elektrischer Strom, wenn die Amplitude der am Glättungskondensator abfallenden Primärgleichspannung einen von der Durchbruchsspannung der Zenerdiode abhängigen Schwellwert überschreitet. Diese Ausführungsform ist besonders einfach zu implementieren, und es erübrigt sich gegebenenfalls der Einsatz eines zusätzlichen Transistors, wie er im Stand der Technik zum Steuern des Stromflusses durch die Primärwicklung eingesetzt wird. Es genügt der Einsatz einer Zenerdiode, welche die Primärwicklung mit dem Bezugspotential dann verbindet, wenn die Amplitude der am Glättungskondensator anliegenden Primärgleichspannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, welcher abhängig von der Durchbruchsspannung der Zenerdiode ist.
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Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn ein parallel zu der Zenerdiode geschalteter und von dem Glättungskondensator verschiedener Kondensator vorgesehen ist, welcher gegenüber dem Glättungskondensator kleiner dimensioniert ist. Dann bewirkt die Zenerdiode den Stromfluss durch die Primärwicklung, wenn eine an diesem Kondensator anliegende Spannung die Durchbruchsspannung der Zenerdiode überschreitet. Auf diesem Wege gelingt es, einen rechteckförmigen bzw. wechselnden Stromfluss durch die Primärwicklung zu erzeugen, sodass die Energie von der Primärwicklung an die Sekundärwicklung übertragen werden kann. Wenn die Amplitude der am parallel zur Zenerdiode geschalteten Kondensator die Durchbruchsspannung der Zenerdiode erreicht, wird die Zenerdiode nämlich leitend geschaltet, sodass durch die Primärwicklung elektrischer Strom fließt. Der parallel zur Zenerdiode geschaltete Kondensator wird dann entladen, und die Zenerdiode sperrt wieder. Weil der Glättungskondensator deutlich größer als der parallel zur Zenerdiode geschaltete Kondensator ist und für den Betrieb mit höheren Spannungen ausgelegt ist, wird der kleine Kondensator wieder mit elektrischer Energie aufgeladen, und die Zenerdiode wird wieder leitend geschaltet. Dieser Schaltvorgang wird so lange wiederholt, bis der Glättungskondensator entladen wird und die Amplitude der Primärgleichspannung wieder ein Minimum erreicht.
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Das Strombegrenzungselement kann derart dimensioniert sein, dass im Standby-Modus ein Ladevorgang des Glättungskondensators länger als sein durch die Schalteinrichtung bewirkter Entladevorgang dauert. Nach einem Schaltvorgang der Schalteinrichtung wird dann der Stromfluss durch die Primärwicklung so lange gesperrt, bis der Glättungskondensator wieder aufgeladen ist und die Amplitude der Primärgleichspannung wieder den Schwellwert erreicht. Zwischen den Schaltvorgängen der Schalteinrichtung erfolgt somit jeweils ein Ladevorgang des Glättungskondensators. Anders als im Betriebsmodus, in welchem der Glättungskondensator unter Überbrückung des Strombegrenzungselements stets und kontinuierlich aufgeladen werden kann und die Schalteinrichtung fortlaufend den Stromfluss durch die Primärspule bewirken kann, wird im Standby-Modus deshalb elektrische Energie gespart, weil die Schalteinrichtung nur zeitweise leitend geschaltet wird. Insbesondere kann das Strombegrenzungselement derart dimensioniert sein, dass durch den Glättungskondensator gerade noch ein elektrischer Ladestrom fließen kann, welcher ein langsames Aufladen des Glättungskondensators mit elektrischer Energie bewirkt. Einerseits kann somit im Standby-Zustand elektrische Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite übertragen werden; andererseits ist der Energieverbrauch im Standby-Modus besonders gering.
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Hinsichtlich der Anordnung des Strombegrenzungselements erweist es sich als vorteilhaft, wenn dieses zwischen dem Netzfilter einerseits und dem Gleichrichter andererseits angeordnet ist. Somit ist der Stromverbrauch aller dem Strombegrenzungselement nachgeschalteten Bauelemente im Standby-Modus auf ein Minimum reduziert.
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An der Sekundärwicklung des Transformators kann die Sekundärspannung abgegriffen werden. Der Sekundärwicklung kann auch ein Gleichrichter – etwa eine Diode – nachgeschaltet sein, und parallel zur Sekundärwicklung kann ein Kondensator geschaltet sein, welcher die Sekundärspannung glättet, sodass an diesem Kondensator eine Sekundärgleichspannung abgegriffen werden kann. Der elektrische Verbraucher kann mit dieser geglätteten Sekundärgleichspannung versorgt werden.
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Ein derartiger Verbraucher kann zum Beispiel der genannte elektrische Schalter sein, welcher zum Überbrücken des Strombegrenzungselements dient. Die Sekundärspannung kann also zum Schließen des elektrischen Schalters und hierdurch zum Schalten der Schaltungsanordnung von dem Standby-Modus in den Betriebsmodus verwendet werden. Das Haushaltsgerät kann somit stets zuverlässig und wirkungsvoll in den Betriebsmodus geschaltet werden.
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Ergänzend oder alternativ kann ein solcher elektrischer Verbraucher auch eine Standby-Steuereinheit sein, welche im Standby-Modus mit der Sekundärspannung versorgt wird. Diese Standby-Steuereinheit kann im Standby-Modus überwachen, ob Bediensignale vorliegen, aufgrund derer der elektrische Schalter geschlossen und das Haushaltsgerät in den Betriebsmodus geschaltet werden sollen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zum Betreiben einer Schaltungsanordnung eines Haushaltsgeräts ausgelegt, welche zwischen einem Betriebsmodus und einem Standby-Modus geschaltet wird. Es wird eine elektrische Wechselspannung an einem Schaltungseingang der Schaltungsanordnung angelegt. Die Wechselspannung wird mittels eines einem Netzfilter nachgeschalteten Gleichrichters gleichgerichtet. Die gleichgerichtete Wechselspannung wird mittels eines dem Gleichrichter nachgeschalteten Glättungskondensators geglättet, sodass an dem Glättungskondensator eine Primärgleichspannung anliegt. Die Primärgleichspannung wird an dem Glättungskondensator durch ein Schaltnetzteil abgegriffen, welches aus der abgegriffenen Primärgleichspannung eine Sekundärspannung mit einer gegenüber der Primärgleichspannung veränderten Amplitude bereitstellt, mit welcher ein elektrischer Verbraucher des Haushaltsgeräts versorgt wird. Das Schaltnetzteil umfasst einen Transformator mit einer Primärwicklung, welche mit dem Glättungskondensator gekoppelt ist, und mit einer Sekundärwicklung, an welcher die Sekundärspannung für den elektrischen Verbraucher abgegriffen wird. Das Schaltnetzteil umfasst weiterhin eine mit der Primärwicklung in Reihe geschaltete Schalteinrichtung, welche einen Stromfluss durch die Primärwicklung steuert. Die Schaltungsanordnung beinhaltet auch Mittel, welche die Amplitude der Primärgleichspannung im Standby-Modus verringern, sodass die Amplitude der Primärgleichspannung im Standby-Modus geringer als im Betriebsmodus ist. Die Mittel zum Verringern der Amplitude umfassen ein von dem Netzfilter verschiedenes und in Reihe zum Schaltnetzteil geschaltetes Strombegrenzungselement, welches die Stromstärke eines durch den Glättungskondensator fließenden Ladestroms begrenzt, wobei mittels eines elektrischen Schalters das Strombegrenzungselement im Betriebsmodus überbrückt wird.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Haushaltsgerät vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand einzelner bevorzugter Ausführungsbeispiele, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung eine Schaltungsanordnung eines Haushaltsgeräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 in schematischer Darstellung die Schaltungsanordnung gemäß 1, wobei Komponenten eines Schaltnetzteils im Detail dargestellt sind;
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3 in schematischer Darstellung eine Schalteinrichtung des Schaltnetzteils; und
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4a bis 4c einen zeitlichen Verlauf einer Primärgleichspannung, einen zeitlichen Verlauf einer an einer Zenerdiode abfallenden elektrischen Spannung sowie einen zeitlichen Verlauf einer Sekundärgleichspannung.
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Eine in 1 dargestellte Schaltungsanordnung 1 dient zum Betreiben eines Haushaltsgeräts (nicht dargestellt). Die Schaltungsanordnung 1 – wie das Haushaltsgerät – kann zwischen einem Betriebsmodus und einem Standby-Modus hin- und hergeschaltet werden.
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Der Standby-Modus stellt einen Energiesparmodus dar, in welchem elektrische Energie gespart wird.
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Die Schaltungsanordnung 1 umfasst einen Schaltungseingang 2 mit einem ersten Eingangsanschluss 3 sowie einem zweiten Eingangsanschluss 4, zwischen denen eine elektrische Wechselspannung UN (Netzspannung) anliegt, wenn der Schaltungseingang mit einem elektrischen Stromnetz verbunden ist. Mit dem Schaltungseingang 2 ist ein Netzfilter 5 verbunden, welches ein EMV-Filter (elektromagnetische Verträglichkeit) ist. Dieses Netzfilter 5 beinhaltet eine mit dem ersten Eingangsanschluss 3 verbundene Spule bzw. Drossel 6 sowie eine Parallelschaltung aus einem Kondensator 7 und einem Ohmschen Widerstand 8.
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Dem Netzfilter 5 ist ein Gleichrichter 9 nachgeschaltet, welcher beispielsweise ein Brückengleichrichter sein kann. Der Gleichrichter 9 dient zum Gleichrichten der Wechselspannung UN, sodass an einem Ausgang des Gleichrichters 9 eine gleichgerichtete Wechselspannung UG bereitgestellt wird. Mit dem Ausgang des Gleichrichters 9 ist ein Schaltnetzteil 10 verbunden, welches aus der gleichgerichteten Wechselspannung UG eine Sekundärgleichspannung US bereitstellt. Mit dieser Sekundärgleichspannung US wird ein elektrischer Verbraucher 11 – etwa eine Standby-Steuereinheit – versorgt.
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Zwischen dem Netzfilter 5 einerseits und dem Gleichrichter 9 andererseits ist ein Strombegrenzungskondensator 12 angeordnet, welcher in Reihe zum Schaltnetzteil 10 geschaltet ist. Der Strombegrenzungskondensator 12 stellt ein Strombegrenzungselement im Sinne der vorliegenden Erfindung dar. Parallel zum Strombegrenzungskondensator 12 ist ein elektrischer Schalter 13 geschaltet, mittels welchem der Strombegrenzungskondensator 12 überbrückt wird, und zwar im Betriebsmodus.
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Das Umschalten des Haushaltsgeräts von dem Betriebsmodus in den Standby-Modus erfolgt somit durch Öffnen des Schalters 13. Und umgekehrt erfolgt das Umschalten des Haushaltsgeräts in den Betriebsmodus, also das Aktivieren des Haushaltsgeräts, durch Schließen des elektrischen Schalters 13. Der Schalter 13 kann als ein Relais mit einer Spule 14 ausgebildet sein. Die Spule 14 kann einerseits mit einem Ausgang 15 des Schaltnetzteils 10 verbunden sein, an welchem die Sekundärgleichspannung US anliegt; andererseits kann die Spule 14 über ein Schaltelement 16 mit einem Bezugspotential 17 gekoppelt sein. Das Schaltelement 16 kann beispielsweise ein Bedienelement sein, welches durch den Benutzer betätigt werden kann. Ergänzend oder alternativ kann das Schaltelement 16 mittels des elektrischen Verbrauchers 11 (Standby-Steuereinheit) automatisch betätigt werden. Durch Schließen des Schaltelements 16 wird ein Stromfluss durch die Spule 14 bewirkt, sodass der elektrische Schalter 13 geschlossen und das Haushaltsgerät in den Betriebsmodus geschaltet werden.
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Zwischen dem Strombegrenzungskondensator 12 einerseits und dem Gleichrichter 9 andererseits ist ein Schaltungsknoten 18 angeordnet. Dieser Schaltungsknoten 18 ist über einen ersten Spannungsteiler 19, welcher drei Widerstände 20, 21, 22 aufweist, mit einem von dem Bezugspotential 17 galvanisch getrennten Bezugspotential 17’ gekoppelt. Ein Spannungsteilerknoten 23 kann mit einer Steuereinheit (µC) gekoppelt sein. Hierdurch kann die Steuereinheit die am Schaltungsknoten 18 anliegende elektrische Spannung messen. Über einen zweiten Spannungsteiler 24 mit Widerständen 25, 26, 27 kann die Steuereinheit eine Frequenz der Wechselspannung UN erfassen. Dazu ist ein weiterer Spannungsteilerknoten 28 mit der Steuereinheit verbunden.
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In 2 ist die Schaltungsanordnung 1 detailliert dargestellt, wobei der Übersicht halber auf die Darstellung des zweiten Spannungsteilers 24 verzichtet wurde. Ebenfalls wurde auf die Darstellung des Netzfilters 5 verzichtet.
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Wie aus 2 hervorgeht, beinhaltet der Gleichrichter 9 vier Gleichrichterdioden und ist als Brückengleichrichter ausgebildet. Dem Gleichrichter 9 ist das Schaltnetzteil 10 nachgeschaltet, welches nun in 2 detailliert gezeigt ist. Das Schaltnetzteil 10 beinhaltet einen Glättungskondensator 29, welcher dem Gleichrichter 9 nachgeschaltet ist und zwischen einem Knoten 30 und einem Bezugspotential 31 liegt. Der Glättungskondensator 29 ist für den Betrieb mit relativ hohen Spannungen ausgelegt, nämlich etwa mit Spannungen von 400V. Der Glättungskondensator 29 dient zum Glätten der gleichgerichteten Spannung UG, sodass an dem Glättungskondensator eine Primärgleichspannung UP anliegt.
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Der Glättungskondensator 29 kann in das Schaltnetzteil 10 integriert sein oder er kann ein von dem Schaltnetzteil 10 separates Bauteil sein.
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Das Schaltnetzteil 10 umfasst einen Transformator 32, welcher eine Primärwicklung 33 einerseits sowie eine Sekundärwicklung 34 andererseits aufweist. In Reihe zur Primärwicklung 33 ist eine Schalteinrichtung 35 geschaltet, welche zum Steuern eines Stromflusses durch die Primärwicklung 33 und somit zum Steuern der Energieübertragung von der Primärwicklung 33 zur Sekundärwicklung 34 ausgebildet ist. Über die Schalteinrichtung 35 kann die Primärwicklung 33 nämlich mit dem Bezugspotential 31 verbunden werden. Die Schalteinrichtung 35 ist auch über einen Kondensator 36 mit dem Bezugspotential 31 gekoppelt.
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Sekundärseitig beinhaltet das Schaltnetzteil 10 einen Gleichrichter 37, welcher mit der Sekundärwicklung 34 elektrisch verbunden und im Ausführungsbeispiel in Form einer einzigen Diode ausgebildet ist. Die Kathode dieser Diode ist über einen Kondensator 38 mit dem sekundärseitigen Bezugspotential 17 gekoppelt, sodass der Kondensator 38 im Wesentlichen parallel zur Sekundärwicklung 34 geschaltet ist.
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An der Sekundärwicklung 34 fällt eine Sekundärspannung US’ ab, welche eine Wechselspannung ist. Diese Sekundärspannung US’ wird mittels des Gleichrichters 37 gleichgerichtet und mittels des Kondensators 38 geglättet, sodass an dem Kondensator 38 die oben genannte Sekundärgleichspannung US anliegt, die von dem elektrischen Verbraucher 11 abgegriffen werden kann sowie zum Schließen des elektrischen Schalters 13 dienen kann.
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In 3 ist eine Prinzipdarstellung der Schalteinrichtung 35 gezeigt, wobei die Funktionsweise der Schaltungsanordnung 1 näher erläutert wird. In 3 wurde auf die Darstellung der Primärwicklung 33 sowie weiterer Bauelemente verzichtet. Diese Primärwicklung 33 ist jedoch – wie in 2 dargestellt – in Serie zur Schalteinrichtung 35 geschaltet, nämlich zwischen einem Knoten 39 und der Schalteinrichtung 35. Parallel zu der Reihenschaltung aus der Primärwicklung 33 und der Schalteinrichtung 35 ist der Glättungskondensator 29 geschaltet, also zwischen dem Knoten 39 und dem Bezugspotential 31. An diesem Glättungskondensator 29 liegt die Primärgleichspannung UP an. In Serie zur Schalteinrichtung 35 ist außerdem der Strombegrenzungskondensator 12 geschaltet, dessen Funktionsweise nachfolgend näher beschrieben wird.
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Die Schalteinrichtung 35 umfasst eine Zenerdiode 40, deren Kathode mit einem Knoten 41 und deren Anode mit dem Bezugspotential 31 verbunden sind. Parallel zur Zenerdiode 40, also zwischen dem Knoten 41 und dem Bezugspotential 31, ist der oben genannte Kondensator 36 geschaltet, an welchem eine elektrische Spannung UK anliegt. Also ist die Kathode der Zenerdiode 40 mit der Primärwicklung 33 bzw. dem Strombegrenzungskondensator 12 gekoppelt, während ihre Anode mit dem Bezugspotential 31 direkt verbunden ist.
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Während der Glättungskondensator 29 für den Betrieb mit hohen Spannungen ausgelegt ist, nämlich mit Spannungen von etwa 400V, ist der Kondensator 36 zum Betrieb mit geringeren Spannungen ausgebildet, nämlich mit Spannungen von etwa 10V bis 16V. Der Kondensator 36 ist somit deutlich kleiner dimensioniert als der Glättungskondensator 29. Um diese beiden Spannungsniveaus voneinander zu trennen, ist zwischen den beiden Knoten 39 und 41 eine Einrichtung 42 geschaltet, welche beispielsweise als Spannungsregler oder Spannungsteiler oder als Widerstand mit einem dynamisch veränderlichen Widerstandswert realisiert werden kann. Durch Einsatz dieser Einrichtung 42 wird erreicht, dass durch den Kondensator 36 ein geringerer Strom als durch den Glättungskondensator 29 fließt, sodass aufgrund der unterschiedlichen Dimensionierung der Kondensatoren 29 einerseits und 36 andererseits im Wesentlichen gleiche oder annähernd gleiche Ladezeiten der beiden Kondensatoren 29, 36 erzielt werden.
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Im Standby-Modus ist der elektrische Schalter 13 (siehe 2) geöffnet, sodass durch den Strombegrenzungskondensator 12 ein elektrischer Strom fließt. Der Strombegrenzungskondensator 12 drosselt den Strom und verringert somit die Amplitude der Primärgleichspannung UP im Standby-Modus. Der Strombegrenzungskondensator 12 ist dabei derart dimensioniert, dass die Amplitude der Primärgleichspannung UP im Standby-Modus einen Wert aus einem Wertebereich von 16V bis 20V erreichen kann. Wie bereits ausgeführt, beträgt die Amplitude der Spannung UK hingegen etwa 10V bis 16V.
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Der Strombegrenzungskondensator 12 ist also so dimensioniert, dass im Standby-Modus durch den Glättungskondensator 29 gerade noch ein elektrischer Strom fließen kann und sich dieser Glättungskondensator 29 somit langsam aufladen kann. Die an das Schaltnetzteil 10 im Standby-Modus abgegebene elektrische Leistung ist dabei geringer als eine vom Schaltnetzteil 10 umsetzbare Leistung. Dies bedeutet, dass der Ladevorgang des Glättungskondensators 29 länger dauert als sein Entladevorgang aufgrund der Energieübertragung auf die Sekundärseite des Transformators 32. Der Glättungskondensator 29 wird also langsam aufgeladen, dann erfolgt die Übertragung der im Glättungskondensator 29 gespeicherten Energie auf die Sekundärseite, sodass der Glättungskondensator 29 entladen wird, und anschließend wird der Glättungskondensator 29 wieder aufgeladen.
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Im Standby-Modus werden die beiden Kondensatoren, nämlich der Glättungskondensator 29 und der Kondensator 36, aufgeladen. Wenn die Amplitude der Primärgleichspannung UP einen von der Durchbruchsspannung der Zenerdiode 40 abhängigen Schwellwert erreicht bzw. wenn die Amplitude der Spannung UK die Durchbruchsspannung der Zenerdiode 40 überschreitet, wird die Zenerdiode 40 leitend geschaltet, sodass die Primärwicklung 33 mit dem Bezugspotential 31 leitend verbunden wird. Es fließt durch die Primärwicklung 33 ein elektrischer Strom. Die Energie wird nun aus dem Glättungskondensator 29 auf die Sekundärseite des Transformators 32 übertragen. Weil der Kondensator 36 deutlich kleiner dimensioniert ist, wird dieser Kondensator 36 deutlich schneller als der Glättungskondensator 29 entladen. Die Amplitude der Spannung UK sinkt also relativ schnell, sodass die Zenerdiode 40 sperrt. Dann wird der Kondensator 36 wieder aufgeladen und die Amplitude der Spannung UK erreicht wieder die Durchbruchsspannung der Zenerdiode 40. Die Zenerdiode 40 wird wieder leitend geschaltet. Eine derartige Hin- und Herschaltung der Zenerdiode 40 erfolgt so lange, bis die gesamte Energie aus dem Glättungskondensator 29 auf die Sekundärseite übertragen und der Glättungskondensator 29 somit entladen werden. Dann wird der Glättungskondensator 29 wieder aufgeladen, und die oben genannten Schaltvorgänge beginnen von neuem.
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Diese Funktionsweise wird nun in Bezug auf die 4a bis 4c näher erläutert. In 4a ist ein Verlauf der Primärgleichspannung UP über der Zeit t dargestellt. In 4b hingegen ist ein zeitlicher Verlauf der am Kondensator 36 abfallenden Spannung UK dargestellt. Schließlich zeigt 4c einen zeitlichen Verlauf der Sekundärgleichspannung US. Während eines Zeitintervalls T1 werden die beiden Kondensatoren 29, 36 mit elektrischer Energie aufgeladen, sodass die jeweiligen Amplituden der Primärgleichspannung UP und der Spannung UK kontinuierlich ansteigen. Zu einem Zeitpunkt T2 erreicht die Amplitude der Primärgleichspannung UP den Schwellwert M, und die Amplitude der Spannung UK erreicht die Durchbruchsspannung der Zenerdiode 40. Ab dem Zeitpunkt T2 wird somit die Zenerdiode 40 leitend und bewirkt einen Stromfluss durch die Primärwicklung 33. Während eines sich dem Zeitintervall T1 anschließenden Zeitintervalls T3 wird der Kondensator 36 abwechselnd auf- und entladen und die Zenerdiode 40 abwechselnd zwischen dem leitenden und dem sperrenden Zustand geschaltet. Wie oben ausgeführt, entlädt sich der Kondensator 36 nämlich besonders schnell und kann wieder schnell aufgeladen werden. Während des Zeitintervalls T3 fällt an dem Kondensator 36 somit eine Wechselspannung ab, sodass durch die Primärwicklung 33 auch ein Wechselstrom fließt, sodass die Energie aus dem Glättungskondensator 29 auf die Sekundärseite übertragen werden kann. Dieses Hin- und Herschalten der Zenerdiode 40 dauert so lange, bis der Glättungskondensator 29 wieder entladen wird bzw. die Amplitude der Primärgleichspannung UP ein Minimum W erreicht. Zu diesem Zeitpunkt ist der Kondensator 38 auf der Sekundärseite bereits aufgeladen – dieser wird während des Zeitintervalls T3 aufgeladen. Nach Ablauf des Zeitintervalls T3 müssen die Kondensatoren 29 und 36 wieder aufgeladen werden, während die Amplitude der Sekundärgleichspannung US langsam sinkt. Die Schaltvorgänge der Zenerdiode 40 werden dann nach Ablauf eines weiteren Zeitintervalls T4 wiederholt.
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Der Strombegrenzungskondensator 12 ist also derart klein dimensioniert, dass die an das Schaltnetzteil 10 abgegebene elektrische Leistung geringer ist als ein Leistungsbedarf des Schaltnetzteils 10. Wird das Haushaltsgerät aktiviert bzw. der Strombegrenzungskondensator 12 mit dem Schalter 13 überbrückt, so wird der Glättungskondensator 29 kontinuierlich aufgeladen, sodass die Übertragung der Energie auf die Sekundärseite kontinuierlich erfolgen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Schaltungseingang
- 3
- Eingangsanschluss
- 4
- Eingangsanschluss
- 5
- Netzfilter
- 6
- Spule
- 7
- Kondensator
- 8
- Ohmscher Widerstand
- 9
- Gleichrichter
- 10
- Schaltnetzteil
- 11
- elektrischer Verbraucher
- 12
- Strombegrenzungskondensator
- 13
- elektrischer Schalter
- 14
- Spule
- 15
- Ausgang
- 16
- Schaltelement
- 17
- Bezugspotential
- 18
- Schaltungsknoten
- 19
- Spannungsteiler
- 20, 21, 22
- Widerstände
- 23
- Spannungsteilerknoten
- 24
- Spannungsteiler
- 25, 26, 27
- Widerstände
- 28
- Spannungsteilerknoten
- 20
- Glättungskondensator
- 30
- Knoten
- 31
- Bezugspotential
- 32
- Transformator
- 33
- Primärwicklung
- 34
- Sekundärwicklung
- 35
- Schalteinrichtung
- 36
- Kondensator
- 37
- Gleichrichter
- 38
- Kondensator
- 39
- Knoten
- 40
- Zenerdiode
- 41
- Knoten
- 42
- Einrichtung
- M
- Schwellwert
- t
- Zeit
- T1
- Zeitintervall
- T2
- Zeitpunkt
- T3
- Zeitintervall
- T4
- Zeitintervall
- UG
- gleichgerichtete Wechselspannung
- UK
- Spannung
- UN
- Wechselspannung
- UP
- Primärgleichspannung
- US
- Sekundärgleichspannung
- US’
- Sekundärspannung
- W
- Minimum
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
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- EP 0873651 B1 [0003, 0004]
