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Die Erfindung betrifft ein Kondensatornetzteil zum Umformen einer Netzspannung in eine niedrigere Versorgungsspannung für einen Controller und elektrische Kleinverbraucher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Kondensatornetzteile bilden einfach aufgebaute Netzteile, um die für eine Elektronik notwendige Betriebsspannung unmittelbar von der Netzspannung abzuleiten, ohne dass Transformatoren oder galvanische Trennungen notwendig sind. Eine Reihenschaltung aus einem Netzkondensator, einem Reihenwiderstand und einer Gleichrichterdiode liegen unmittelbar an der Netzspannung, wobei z. B. über eine Zenerdiode – und vorzugsweise einen Glättungskondensator – eine gewünschte Betriebsspannung abgegriffen wird, die zum Betrieb eines Controllers und/oder eines elektrischen Kleinverbrauchers dient. Dabei ist die von der Netzspannung abgeleitete Betriebsspannung an die zulässige Betriebsspannung des Kleinverbrauchers anzupassen.
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Ein Nachteil derartiger Kondensatornetzteile besteht darin, dass der maximale Ausgangsstrom des Netzteils durch die konkreten Bauteile des Kondensatornetzteils vorgegeben ist. Im Kondensatornetzteil verwendete Netzkondensatoren, z. B. sogenannte X2-Kondensatoren, lassen aufgrund ihres hohen Blindwiderstandes nur geringe Ausgangsströme des Netzteils zu, so dass z. B. neben einem Controller oder dgl. Mikroprozessor zusätzliche Kleinverbraucher mit einem höheren Strombedarf nicht ohne Weiteres an dem Kondensatornetzteil betrieben werden können. Ein derartiger Kleinverbraucher kann eine optische Anzeige sein, z. B. eine optische Anzeige in Form einer LED. Ist der Betriebsstrom der LED zu niedrig, leuchtet diese nicht oder nur sehr schwach, so dass die optische Anzeige für den Benutzer insbesondere bei Tageslicht kaum erkennbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kondensatornetzteil der gattungsbildenden Art derart weiterzubilden, dass eine Versorgungsspannung für Kleinverbraucher zur Verfügung gestellt ist, mit der auch Kleinverbraucher mit größerer Stromaufnahme sicher versorgt werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die vom Kondensatornetzteil bereitgestellte Versorgungsspannung für den Kleinverbraucher ist größer als die zulässige Betriebsspannung für den elektrischen Kleinverbraucher ausgelegt und kann daher nicht ohne Weiteres an den Kleinverbraucher angelegt werden. Nach der Erfindung wird die Versorgungsspannung über einen Tiefsetzsteller an den Kleinverbraucher angeschlossen, wobei der Tiefsetzsteller von dem Controller als Stromquelle mit einer variablen Betriebsfrequenz gesteuert ist. Damit kann in einfacher Weise der zulässige Betriebsstrom des Kleinverbrauchers eingestellt werden.
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Der Kern der Erfindung liegt in einer Kombination mehrerer Merkmale, die zur Lösung der gestellten Aufgabe führt. Zunächst wird die vom Kondensatornetzteil abgeleitete Versorgungsspannung erhöht, zumindest deutlich größer gewählt als die zulässige Betriebsspannung des anzuschließenden Kleinverbrauchers. Um nun den Kleinverbraucher an die – zu hohe – Versorgungsspannung anzuschließen, wird ein Tiefsetzsteller verwendet, der vorzugsweise frei schwingt. Der Tiefsetzsteller wird vom Controller ein- und ausgeschaltet, wobei eine derartige Betriebsfrequenz eingestellt ist, dass ein zerstörungsfreier Betrieb des Kleinverbrauchers an der zu hohen Versorgungsspannung sicher möglich ist. Dabei kann der Tiefsetzsteller von dem Controller als Stromquelle für den Kleinverbraucher betrieben werden.
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Gemäß der Erfindung wird die Spannungsquelle mit einer derartigen Versorgungsspannung betrieben, dass die von ihr gelieferte Energie ausreichend ist, um alle angeschlossenen Kleinverbraucher zu versorgen. Eine Erhöhung der Versorgungsspannung führt – auch bei gleichbleibendem Strom – im Ergebnis zu einer höheren verfügbaren Leistung (P = U·I), so dass für alle an die Spannungsquelle angeschlossenen Kleinverbraucher ausreichend Energie für einen ordnungsgemäßen Betrieb zur Verfügung steht. Eine Erhöhung des Betriebsstroms der einzelnen Verbraucher wird durch die Umwandlung mittels eines Schaltnetzteils – im Ausführungsbeispiel mittels eines Tiefsetzstellers – möglich.
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Insbesondere wird der Tiefsetzsteller als eine für den Kleinverbraucher angepasste Konstantstromquelle betrieben, also der Strom auf einen zweckmäßigen, zulässigen Betriebsstrom des Kleinverbrauchers eingestellt. In einfacher Weise wird hierzu der durch den Kleinverbraucher fließende Strom erfasst und ausgewertet. Zweckmäßig wird der durch den Kleinverbraucher fließende Strom erfasst und über einen Komparator mit einem Referenzstrom verglichen. Bei einem Überschreiten des Referenzstroms wird der Komparator einen im Stromkreis des Kleinverbrauchers angeordneten elektronischen Schalter öffnen; bei einem Unterschreiten des Referenzstroms wird der Schalter geschlossen. In Abhängigkeit des erfassten, tatsächlich fließenden Stroms wird somit von dem Komparator der elektronische Schalter im Stromkreis des Kleinverbrauchers geöffnet und geschlossen, so dass sich ein mittlerer Strom einstellt, der dem zulässigen Betriebsstrom des Kleinverbrauchers entspricht. Der Tiefsetzsteller ist in Kombination mit dem Komparator als eine Art Regelschleife geschaltet.
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Da das Kondensatornetzteil zum Betrieb eines Controllers genutzt ist, kann ein im Controller vorhandener Komparator zum Schalten des Tiefsetzstellers genutzt werden. Der elektronische Aufwand zum Betrieb des Kleinverbrauchers kann so gering gehalten werden.
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Um die auftretenden Stromänderungen zu dämpfen, ist im Stromkreis des Kleinverbrauchers eine Spule angeordnet. Die Spule liegt elektrisch in Reihe mit dem Kleinverbraucher.
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Um den Strom im Stromkreis des Kleinverbrauchers zu erfassen, wird zweckmäßig ein Shunt-Widerstand zur Strommessung vorgesehen. Das Potenzial des Shunt-Widerstandes wird über den Komparator mit einer Referenzspannung verglichen, die proportional einem zulässigen Betriebsstrom des Kleinverbrauchers ist.
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Der Tiefsetzsteller kann als vom Controller gesteuerter Schalter zum Ein- oder Ausschalten des Kleinverbrauchers betrieben werden. Da zur Regelung des Betriebsstroms der Tiefsetzsteller ohnehin ein- und ausgeschaltet wird, kann über die Einstellung des Referenzwertes (z. B. Referenzwert Null) auch ein permanentes Abschalten des Kleinverbrauchers erfolgen. Ein zusätzlicher Schalter für den Kleinverbraucher ist daher nicht notwendig.
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Der Kleinverbraucher ist zweckmäßig eine optische Anzeige, insbesondere eine LED. Die LED wird mit einem Konstantstrom betrieben, wodurch jede gewünschte Helligkeit einfach einstellbar ist. Über den Komparator kann die LED nicht nur permanent leuchtend geschaltet werden, sondern auch blinkend betrieben werden. Zum Blinken kann z. B. das Ausgangssignal des Komparators zum Einschalten des elektronischen Schalters verzögert werden.
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In Reihe mit dem Netzkondensator wird an einer zweiten Zenerdiode eine Betriebsspannung für den Controller abgegriffen, wobei die Betriebsspannung an die Bauart des Controllers, insbesondere an die zulässige Betriebsspannung des Controllers angepasst ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der ein nachfolgend im Einzelnen beschriebenes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Schaltung zum Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors,
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2 in schematischer Darstellung ein Prinzipschaltbild eines Kondensatornetzteil,
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3 in schematischer Darstellung ein Prinzipschaltbild eines von einem Komparator angesteuerten Tiefsetzstellers zum Betrieb einer optischen Anzeige.
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Der in 1 gezeigte elektrische Antriebsmotor 1 ist ein sogenannter Universalmotor, vorzugsweise ein einphasiger Reihenschlussmotor. Der elektrische Antriebsmotor 1 liegt in Reihe mit einer Leistungsendstufe 2, die Schaltelemente wie Triac's oder dgl. zur Inbetriebnahme des Universalmotors enthält. Die Reihenschaltung aus Antriebsmotor 1 und Leistungsendstufe 2 liegt an einer Netzspannung U.
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Die elektronischen Schaltelemente der Leistungsendstufe 2, im Ausführungsbeispiel Triac's, werden von einer Ansteuerung 3 betrieben, die zum Zünden der Triac's einen negativen Zündstrom aufprägen. Die zeitliche Abfolge der Zündung der Triac's der Leistungsendstufe 2 wird durch einen Controller 10 überwacht, z. B. durch einen Mikroprozessor.
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Zur Bereitstellung einer elektrischen Betriebsspannung für den Controller 10 einerseits und zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung zur Ansteuerung 3 der Triac's der Leistungsendstufe 2 andererseits ist ein Kondensatornetzteil 4 vorgesehen. Das Kondensatornetzteil 4 liefert die – insbesondere positive – Betriebsspannung V1 für den als Mikroprozessor vorgesehenen Controller 10 und die – insbesondere negative – Versorgungsspannung V2 für die Ansteuerung 3 der Leistungsendstufe 2.
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In 2 ist ein derartiges Kondensatornetzteil 4 im Prinzipaufbau dargestellt. Es besteht im Wesentlichen aus einer Reihenschaltung eines Netzkondensators 31 und einer Zenerdiode 32, die an der eine Wechselspannung bildenden Netzspannung U anliegen. In Reihe mit dem Netzkondensator 31 sind ein ohmscher Lastwiderstand 30 sowie eine Gleichrichterdiode 34 für eine Halbwelle der Netzspannung U ergänzt. Parallel zur Zenerdiode 32 ist ein Kondensator 35 geschaltet. Entsprechend der Anordnung von Gleichrichterdiode 34, Zenerdiode 32 und Kondensator 35 ist parallel ein weiterer elektrischer Zweig vorgesehen, der aus einer zur ersten Gleichrichterdiode 34 antiparallel geschalteten Gleichrichterdiode 36 besteht, die über eine weitere Zenerdiode 33 und einen parallel zur Zenerdiode 33 liegenden Kondensator 37 über den Netzkondensator 31 an der Netzspannung U liegt.
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Die Kondensatoren 35 und 37 sind vorzugsweise Elektrolyt-Kondensatoren oder Keramikkondensatoren und dienen sowohl der Glättung der Spannungen V1 bzw. V2 als auch der Speicherung von Energie zur Überbrückung einer gesperrten Halbwelle. An dem Kondensator 35 wird die positive Betriebsspannung V1 abgegriffen; an dem Kondensator 37 wird die negative Versorgungsspannung V2 abgegriffen. Die Zenerdioden 32 und 33 sind den gewünschten Spannungen V1 bzw. V2 entsprechend ausgelegt. Im Ausführungsbeispiel hat die Zenerdiode 32 eine Durchbruchspannung in der Höhe der Betriebsspannung V1, z. B. 5 Volt. Die Zenerdiode 33 hat im Ausführungsbeispiel eine Durchbruchspannung in der Höhe der Versorgungsspannung V2, z. B. 16 Volt.
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Die Betriebsspannung V1 ist eine positive Spannung V; die Versorgungsspannung V2 ist eine negative Spannung –V.
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Bauartbedingt kann mit einem Kondensatornetzteil, wie es schematisch in 2 dargestellt ist, nur ein begrenzter Ausgangsstrom an der jeweiligen Spannungsquelle bereitgestellt werden, z. B. ein Ausgangsstrom von etwa 10 mA.
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Soll mit einem derartigen Kondensatornetzteil 4 neben der Spannungsversorgung des Controllers 10 eine optische Anzeige 5 (1), z. B. eine LED 6 angesteuert werden, stößt ein Kondensatornetzteil 4 schnell an seine Leistungsgrenze. So wird zum Betrieb einer LED 6 etwa 20 mA an 3 Volt benötigt, so dass ein Kondensatornetzteil 4 die Energieversorgung des elektrischen Kleinverbrauchers 8, im Ausführungsbeispiel einer LED 6, nur unzureichend decken kann, da die zur Verfügung gestellte Leistung an 3 Volt lediglich 30 mW beträgt, für einen ordnungsgemäßen Betrieb der LED 6 aber 60 mW benötigt werden.
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Nach der Erfindung ist nun vorgesehen, die Spannungsquelle mit einer derartigen Versorgungsspannung V2 zu betreiben, dass die von der Spannungsquelle gelieferte Energie ausreichend ist, um einen oder gar mehrere angeschlossene Kleinverbraucher 8 ausreichend mit Energie zu versorgen. Durch die Erhöhung der Versorgungsspannung V2 wird – auch bei gleichbleibendem Strom – im Ergebnis eine höhere verfügbare Leistung P = U·I bereitgestellt, so dass für einen oder alle an die Spannungsquelle der Versorgungsspannung V2 angeschlossenen Kleinverbraucher ausreichend Energie für einen ordnungsgemäßen Betrieb zur Verfügung steht. Da die Versorgungsspannung V2 höher sein kann als die zulässige Betriebsspannung eines Kleinverbrauchers 8, wird der Kleinverbrauchers 8 über einen Tiefsetzsteller 7 an die Spannungsquelle angeschlossen. Durch die Umwandlung der Spannung mittels eines Schaltnetzteils – im Ausführungsbeispiel mittels des Tiefsetzstellers 7 – ist eine dem Kleinverbraucher 8 angepasste Einstellung des Betriebsstroms möglich, der höher sein kann als der vom Kondensatornetzteil 4 mögliche Versorgungsstrom von z. B. 10 mA. Ein angeschlossener Kleinverbraucher kann so auch mit einem höheren Betriebsstrom als 10 mA betrieben werden. Mehrere Kleinverbraucher 8 werden über je einen Tiefsetzsteller 7 an der Spannungsquelle V2 angeschlossen, so dass für jeden Verbraucher ein angepasster Betriebsstrom eingestellt werden kann.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, im Kondensatornetzteil 4 die Zenerdiode 33 der negativen Versorgungsspannung V2 derart auszulegen, dass eine Versorgungsspannung bereitgestellt ist, die z. B. höher, vorzugsweise mehrfach höher als die zulässige Betriebsspannung des Kleinverbrauchers ist, im Ausführungsbeispiel also mehrfach höher ist als für den Betrieb einer LED 6 zulässig. Die Versorgungsspannung V2 kann beispielsweise 3fach bis 5fach größer als die zulässige Betriebsspannung des Kleinverbrauchers gewählt sein, im gezeigten Ausführungsbeispiel also 3- bis 5fach höher als die zulässige Betriebsspannung der LED 6 der optischen Anzeige 5. Um einen Betrieb der optischen Anzeige 5 bzw. der LED 6 an der unzulässig hohen Versorgungsspannung V2 zu ermöglichen, ist der Tiefsetzsteller 7 vorgesehen, der bevorzugt als Stromquelle für den Kleinverbraucher 8 gesteuert ist. In 1 ist der Tiefsetzsteller 7 im Blockschaltbild dargestellt. Der Tiefsetzsteller 7 – vorzugsweise ein im Tiefsetzsteller 7 vorgesehener Schalter – ist über eine Steuerleitung 9 vom Controller 10 gesteuert; über eine Rückmeldeleitung 11 wird dem Controller 10 der im Tiefsetzsteller 7 fließende Strom I mitgeteilt. Die Versorgungsspannung V2 wird über den Tiefsetzsteller 7 dem Kleinverbraucher 8 aufgeschaltet, im Ausführungsbeispiel wird mit der Versorgungsspannung V2 die LED 6 der optischen Anzeige 5 betrieben.
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In 3 ist der Tiefsetzsteller 7 schematisch wiedergegeben. Der Kleinverbraucher, im Ausführungsbeispiel die LED 6 der optischen Anzeige 5, ist über eine Spule 12 und einen elektronischen Schalter S an die negative Versorgungsspannung V2 angeschlossen; über einen Shunt-Widerstand 13 liegt die LED 6 auf Masse 20. Jeweils parallel zur LED 6 sind ein Pufferkondensator 16 und eine Zenerdiode 14 geschaltet. Die Durchbruchspannung der Zenerdiode 14 ist z. B. der zulässigen Betriebsspannung der LED 6 entsprechend gewählt; zweckmäßig liegt die Durchbruchspannung der Zenerdiode 14 etwas unterhalb der zulässigen Betriebsspannung der LED 6.
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Der Tiefsetzsteller 7 ist über die Steuerleitung 9 und die Rückmeldeleitung 11 mit einem vorzugsweise im Controller 10 bzw. im Mikroprozessor vorhandenen Komparator 15 verbunden. Die Steuerleitung 9 bildet den Ausgang des Komparators 15; die Rückmeldeleitung 11 liegt an einem ersten Eingang 17 des Komparators 15. Auf den zweiten Eingang 18 des Komparators 15 ist eine Referenzspannung Vref geschaltet, bevorzugt über einen Schalter 19. Der Schalter 19 ist zweckmäßig ein Softwareschalter des Controllers 10.
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Über die Rückmeldeleitung 11 wird dem Komparator 15 das Spannungspotenzial am Shunt-Widerstand 13 zugeführt; das Spannungspotenzial am Shunt-Widerstand 13 ist proportional dem Betriebsstrom I durch die LED 6.
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Die auf den zweiten Eingang 18 geschaltete Referenzspannung Vref entspricht z. B. einem maximal zulässigen Betriebsstrom I, der über den Tiefsetzsteller 7 der LED 6 zugeführt werden soll. Ist das Potenzial am ersten Eingang 17 kleiner als die über den geschlossenen Schalter 19 dem zweiten Eingang 18 aufgeschaltete Referenzspannung Vref, wird der Komparator 15 durchschalten und den Schalter S betätigen, so dass die hohe negative Versorgungsspannung V2 auf die LED 6 aufgeschaltet ist. Dabei wird einerseits der Pufferkondensator 16 geladen und – ist die zulässige Betriebsspannung erreicht – durch leitend werden der Zenerdiode 14 ein weiterer Spannungsanstieg am Pufferkondensator 16 verhindert. Der durch die LED 6 fließende Strom I steigt an, bis die am Shunt-Widerstand 13 abgegriffene Spannung die Größe der vorgegebenen Referenzspannung Vref erreicht; daraufhin wird der Komparator 15 den Schalter S öffnen, um einen weiteren Stromanstieg zu unterbinden. Der Strom I wird bei geöffnetem Schalter S kleiner, dadurch sinkt das am Eingang 17 anliegende Spannungspotenzial unter die Referenzspannung Vref, so dass der Komparator 15 wieder durchschaltet und den Schalter S schließt. Dadurch wird ein frei schwingender Tiefsetzsteller 7 erhalten, mit dem eine optische Anzeige wie eine LED 6 oder andere Kleinverbraucher 8 auch mit den erforderlichen Betriebsströmen betrieben werden können, ohne dass der zulässige Ausgangsstrom des Kondensatornetzteils 4 überschritten wird.
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Da die Referenzspannung Vref über einen vom Controller 10 gesteuerten Schalter 19 aufgeschaltet wird, ist durch Öffnen und Schließen des Schalters 19 ein Ein- und Ausschalten der LED 6 möglich, ohne dass zusätzlich ein mechanischer Schalter benötigt ist.
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Wird von dem Controller 10 eine Betriebsfrequenz des Tiefsetzstellers 4 vorgegeben, lässt sich die Helligkeit der LED 6 beliebig einstellen und sogar ein Blinken der LED 6 ausführen. Darüber hinaus ist durch die erfindungsgemäße Schaltung die Möglichkeit geschaffen, mehr als nur einen Kleinverbraucher an der Versorgungsspannung V2 zu betreiben, z. B. intermittierend. Durch Vorgabe der Referenzspannung Vref ist auch die Helligkeit der LED 6 nach Belieben einstellbar.
