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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Schaltnetzteile respektive Switching Power Supplies sind dem Fachmann bekannt und werden heute in vielfältiger Weise für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Unter anderem werden sie mittlerweile auch für Geräte der Niederspannungsschalttechnik eingesetzt. Als Niederspannung sind Betriebsspannungen im Bereich kleiner als 2000 V bzw. kleiner als 1000 V gemeint. Niederspannungsschalttechnikgeräte können beispielsweise Leistungsschalter respektive Miniatur Circuit Breaker, Fehlerstromschutzschalter respektive Residual Current Devices, Brandschutzschalter respektive Arc Fault Detection Devices, Schalt- und Kontrollgeräte respektive Switch and Controll Devices, Kompaktleistungsschalter respektive Moulded Case Circuit Breaker, Luftleistungsschalter respektive Air Circuit Breaker, Lasttrennschalter respektive Load Break Switches sein.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 196 41 299 A1 offenbart eine getaktete Stromversorgung von Schaltnetzteilen, insbesondere für Schaltnetzteile mit Stand-by-Betrieb, mit den folgenden Merkmalen:
- - mit einem Hauptwandler für die galvanische Trennung des primären und sekundären Stromkreises sowie für die Transformation der Spannungen des Primärkreises und Sekundärkreises,
- - mit einem getakteten zweiten Wandler, der als aktives Oberschwingungsfilter insbesondere als PFC-Wandler ausgebildet ist und der dem Hauptwandler vorgeschaltet ist,
- - mit einer ersten Regelschleife für die Zwischenkreisspannung, wobei die erste Regelschleife dem zweiten Wandler zugeordnet ist,
- - mit einem dem zweiten Wandler nachgeschalteter ersten Ausgangskreis,
- - mit einer zweiten Regelschleife für die Zwischenkreisspannung, die dem zweiten Wandler zugeordnet ist, die der ersten Regelschleife mindestens zeitweise aktivierbar überlagert ist oder die erste Regelschleife vollständig ersetzt, die Regelzeitkonstante der ersten Regelschleife ist mindestens um den Faktor 10 größer als die Regelzeitkonstante der zweiten Regelschleife.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 101 47 924 A1 offenbart ein Verfahren und Einrichtung zur übertragerlosen Spannungsversorgung. Ein Busgerät wird über einen Kommunikationsbus mit Energie versorgt. Die Spannungsversorgung des Busgerätes weist ein Schaltnetzteil auf, wobei während eines Sendeimpulses, bei dem die Busspannung auf eine reduzierte Spannung herabgesetzt wird, ein Eingangsstrom am Schaltnetzteil vorbei zum Busgerät geleitet wird. Zur Speicherung von Energie, die dem Busgerät vom Kommunikationsbus zugeleitet wird, ist mindestens ein Energiespeicher vorgesehen.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 100 45 093 A1 offenbart einen Schaltungsanordnung zur Energieversorgung für eine Ansteuerschaltung eines Leistungshalbleiterschalters und Verfahren zur Bereitstellung der Ansteuerenergie für einen Leistungshalbleiterschalter. Zur Verlustleistungsminimierung für die Energieversorgung einer Ansteuerschaltung für einen Leistungshalbleiterschalter T wird elektrisch parallel zu einem Kondensator C1 ein Schaltnetzteil SNT oder ein anderes schaltendes Transformationsmittel angeschlossen, das ausgangsseitig elektrisch mit einem Speisespannungskondensator Cs verbunden ist und die Eingangsenergie auf das Spannungsniveau von Cs transformiert. Damit wird erreicht, dass die Last RL (Ansteuerschaltung) ausreichend versorgt wird und durch den Symmetrierungswiderstand Rs eines Leistungshalbleiterschalters T nur der ohnehin erforderliche Symmetrierstrom 11 fließt.
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Die Veröffentlichung der europäischen Patentanmeldung
EP 0 068 501 A1 offenbart eine Prüfeinrichtung zum Anzeigen einer elektrischen Spannung, deren Polarität und zur Durchgangsprüfung. Die Prüfeinrichtung ist zweipolig, hochohmig, enthält eine Stromquelle, die den Anzeigestrom einer optischen und gegebenenfalls akustischen Anzeige liefert, enthält ferner einen Trennverstärker, an dessen Eingänge der durch Vorwiderstände reduzierte Prüfstrom gefegt ist und der das Eingangssignal verstärkt und die akustische Anzeige, die in Spannungsbereiche gestaffelte optische Anzeige und die Polaritätanzeige ansteuert, ferner einen Oszillator zur Spannungsüberhöhung, der ein Schaltnetzteil steuert, über das ein Energiespeicher aufgeladen wird, der als Spannungsquelle für eine vollkommene Kontrolle sämtlicher Funktionen dient. Die Prüfeinrichtung enthält ggf. ferner eine Schaltungsanordnung, durch die der Eingangswiderstand vorübergehend erniedrigt werden kann.
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Die Veröffentlichung der US-amerikanischen Patentanmeldung
US 2002 / 0 011 886 A1 offenbart eine Schaltnetzteilsteuerung. Hierbei wird ein Schaltnetzteil gerade nicht eingeschaltet, wenn eine gewisse Eingangsspannung noch nicht erreicht ist. Dazu ist ein integrierter Schaltkreis vorgesehen, der diese Steuerungsfunktionen übernimmt.
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Die französische Offenlegungsschrift
FR 2 999 028 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Schutz gegen Überspannung, die sich an eine Stromversorgung für eine programmierbare Steuerung anpassen kann, umfassend eine erste Erfassungs- und Schutzvorrichtung, die eine mögliche Überspannung an einem ersten Punkt des Primär- oder Sekundärkreises erfassen kann, und umfassend Mittel zum Auslösen eines Kurzschlusses, wenn am ersten Punkt eine Überspannung erfasst wird, um jegliche Energieübertragung zum Ausgang der Versorgung zu stoppen; und eine zweite Erfassungs- und Schutzvorrichtung, die in der Lage ist, eine mögliche Überspannung an einem zweiten Punkt des Primär- oder Sekundärkreises zu erfassen, und Mittel zum Auslösen eines Kurzschlusses umfasst, wenn an dem zweiten Punkt eine Überspannung erfasst wird, um jegliche Übertragung zu stoppen von Energie in Richtung des Ausgangs der Stromversorgung und ferner umfassend einen Thyristor mit einer autonomen Stromversorgung, der in der Lage ist, den möglicherweise aufgetretenen Kurzschluss durch vorübergehende Wirkung aufrechtzuerhalten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Verwendung von Schaltnetzteilen unter Überspannungsbedingungen zu verbessern, insbesondere während des Einschaltvorganges.
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Diese Aufgabe wird durch einen Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass an den beiden Eingangsklemmen eines Schaltnetzteiles eine Spannungsbegrenzungsschaltung angeschaltet ist. Ferner ist ein Schwellwertschalter vorgesehen, der mit der Spannungsbegrenzungsschaltung und dem Ausgang des Schaltnetzteiles verbunden ist. Diese Schaltungsanordnung soll bei Überspannungen am Eingang eine Spannungsbegrenzung bewirken und eine Funktion des Schaltnetzteiles auch bei Überspannungen bzw. Anlegen einer Versorgungsspannung, die die übliche Versorgungsspannung überschreitet, ermöglichen. Das Schaltnetzteil kann folglich mit einer üblichen Eingangsspannung den Betrieb aufnehmen. Erreicht die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils den vorgesehen Ausgangsspannungswert, wird die Spannungsbegrenzung mittels des Schwellwertschalters ausgeschaltet. Das Schaltnetzteil kann nun auf die höhere Eingangsspannung reagieren und gegebenenfalls, z.B. wenn die Überspannung in einem noch tolerierbaren Bereich liegt, seinen Betrieb aufrecht erhalten.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Spannungsbegrenzungsschaltung aus einer Serienschaltung einer Diode und der Drain-Source-Strecke eines Feldeffekttransistors. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Spannungsbegrenzungsschaltung zur Verfügung steht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwellwertschalter mit dem Gateanschluss und dem Sourceanschluss des Feldeffekttransistors verbunden. Dies hat den Vorteil, dass eine einfache Steuerung der simplen Spannungsbegrenzungsschaltung durch den Schwellwertschalter möglich ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem dritten und vieren Ausgangsanschluss des Schaltnetzteils ein Kondensator geschaltet ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine weitere Glättung der Ausgangsspannung ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Gleichrichterschaltung vorgesehen, der eine Filterschaltung vor- oder nachgeschaltet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Eingangsspannung möglichst Oberwellen- und Störsignalfrei ist und die Spannung konstant gehalten wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Diode eine Zener-Diode oder aus eine Serienschaltung mehrerer Dioden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Möglichkeit für hohe Spannungsbegrenzungen ermöglicht wird bzw. im Falle mehrerer Dioden eine genaue Abstufung hinsichtlich der Spannungsbegrenzung ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Feldeffekttransistor (FET) ein Depletion-Feldeffekt-Transistor, Verarmungstyp-Feldeffekt-Transistor bzw. selbstleitender Feldeffekt-Transistor ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass im spannungslosen Fall eine Spannungsbegrenzung der Eingangsspannung durch die Diode erfolgt, da der Transistor im spannungslosen Fall selbstleitend ist.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
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1 zeigt eine Spannungsquelle V, die eine Wechselspannung abgibt und einer Filterschaltung FI zuführt. Die Filterschaltung kann beispielsweise ein Tiefpassfilter, Bandpassfilter oder anderes Filter sein. Beispielsweise kann die Filterschaltung als Tiefpassfilter ausgeführt sein.
Die Filterschaltung FI ist wiederum mit einer Gleichrichterschaltung GR verbunden, die an ihrem Ausgang eine Gleichspannung abgibt. Die Gleichrichterschaltung GR kann beispielsweise durch eine oder mehrere Dioden gebildet sein. Beispielsweise kann eine Einweg-, Zweiweg- oder Brückengleichrichtung verwendet werden. Die Gleichrichterschaltung GR kann ferner Glättungs- und/oder Siebmittel wie Kondensatoren oder Spulen aufweisen. Dem Fachmann sind einschlägige Gleichrichterschaltungen bekannt.
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Die Anordnung der Filterschaltung FI und der Gleichrichterschaltung GR kann auch vertauscht sein. D.h. erst kommt die Gleichrichterschaltung GR und dann die Filterschaltung FR.
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Der positive Ausgangsanschluss (+) der Gleichrichterschaltung GR ist mit dem positiven Eingangsanschluss 1 des Schaltnetzteiles SNT verbunden. Der negative Ausgangsanschluss (-) der Gleichrichterschaltung GR ist mit dem negativen Eingangsanschluss 2 des Schaltnetzteiles SNT verbunden. Das Schaltnetzteil SNT steht hierbei für den Kern bzw. die Hauptkomponenten eines dem Fachmann bekannten Schaltnetzteiles.
Dieses weist einen Schalter auf, der die zugeführte Gleichspannung durch Tastung bzw. Taktung des Schalters in eine Wechselspannung umwandelt, mit einer im Verhältnis zur Netzfrequenz, von beispielsweise 50 oder 60 Hertz, höheren Frequenz, üblicherweise im Kilohertzbereich. Dem getaktetem Schalter folgt ein Leistungsübertrager, der auf Grund der hohen Frequenz in kleiner Bauform ausgeführt werden kann. Daran schließt sich eine Gleichrichtung und Siebung an, die die Wechselspannung in eine Gleichspannung gleichrichtet, so dass eine gewünschte Gleichspannung zur Verfügung steht. Ferner können weitere Komponenten, wie eine Regelung, Potentialtrennung, Steuerung (primär für den Schalter) und Überwachung vorhanden sein. Dem Fachmann sind einschlägige Schaltnetzteilschaltungen bekannt.
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Erfindungsgemäß ist zwischen dem positiven Eingangsanschluss 1 und dem negativen Eingangsanschluss 2 des Schaltnetzteiles SNT ein Spannungsbegrenzungsschaltung SBS vorgesehen. Diese kann beispielsweise durch eine Serienschaltung einer Diode, wie beispielsweise eine Zener-Diode ZD und der Drain-Source-Strecke eines Feldeffekttransistors FET realisiert sein. Die Diode kann auch als Serienschaltung mehrerer Dioden realisiert sein, wobei die Summe der Spannungen über den einzelnen Dioden die Begrenzungsspannung der Spannungsbegrenzung ergibt. Im Falle einer Zener-Diode wird die Begrenzungsspannung durch die Zener-Spannung der Zener-Diode bestimmt.
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Die Zenerdiode kann eine übliche Zenerdiode sein. Der Feldeffekttransistor ist vorteilhafterweise ein Depletion-Typ, Verarmungstyp bzw. selbstleitender Feldeffekt-Transistor.
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Am positiven Ausgangsanschluss 3 und am negativen Ausgangsanschluss 4 des Schaltnetzteiles SNT steht eine Gleichspannung als Ausgangsspannung zur Verfügung. Diese kann Baugruppen mit einer Spannung versorgen. Beispielsweise Niederspannungs-Schaltgeräte.
Erfindungsgemäß wird die Ausgangsspannung dem Eingang eines Schwellwertschalters SWS zugeführt. Dieser ist wiederum mit der Spannungsbegrenzungsschaltung SBS verbunden. Beispielsweise, im Falle einer Spannungsbegrenzungsschaltung besteht aus einer Serienschaltung aus Diode und Feldeffekttransistor, ist ein positiver Ausgangsanschluss 5 des Schwellwertschalters SWS mit dem Gateanschluss G des Feldeffekt-Transistors FET und ein negativer Ausgangsanschluss 6 des Schwellwertschalters SWS mit der Sourceanschluss S des Feldeffekt-Transistors FET verbunden.
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Der Schwellwertschalter SWS ist derart ausgestaltet, dass bei Erreichen einer bestimmten Spannung an seinem Eingang der Schwellwertschalter umschaltet und eine Schwellwertspannung an seinem Ausgang abgibt, d.h. eine Schwellwertspannung an seinen positiven 5 und negativen 6 Ausgangsanschluss abgibt. Liegt beispielsweise eine Spannung von kleiner z.B. 5 Volt am Eingang des Schwellwertschalters an, gibt der Schwellwertschalter keine Spannung an seinen Ausgangsanschlüssen 5, 6 ab. Wird beispielsweise eine Spannung von 5 Volt oder größer am Eingang des Schwellwertschalters erreicht, schaltet dieser um, und gibt eine Ausgangsspannung an seinen Ausgangsanschlüssen 5, 6 ab, z.B. 3 Volt.
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Die Spannungsbegrenzung SBS wird im letzteren Fall ausgeschaltet. Im Beispiel einer Spannungsbegrenzung SBS durch Diode ZD und Feldeffekttransistor FET wird bei Abgabe einer Spannung durch den Schwellwertschalter SWS der Feldeffekttransistor gesperrt, so dass die Spannungsbegrenzung, deren Spannung durch die Diode bestimmt wird, nicht mehr aktiv zwischen den Eingangsanschlüssen 1,2 des Schaltnetzteiles SNT ist.
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Den Ausgansanschlüssen 3 und 4 des Schaltnetzteiles SNT kann eine weitere Glättungseinrichtung wie beispielsweise ein Kondensator C parallel geschaltet sein.
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Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung ist wie folgt: Wird eine Wechselspannung V an die Anordnung angelegt, wird diese optional durch die Filterschaltung FI gefiltert, d.h. Oberwellen und störende Signalanteile können entfernt werden. Die Ausgangsspannung der Filterschaltung FI wird der Gleichrichterschaltung GR zugeführt und gleichgerichtet. Die Gleichrichterschaltung GR kann weitere Sieb-, Glättungs- und Filtermittel aufweisen. Die derart gleichgerichtete Spannung wird den Eingangsklemmen des Schaltnetzteiles SNT zugeführt. Ist in einem Fehlerfall die zugeführte Wechselspannung V zu groß, beispielsweise durch eine Fehlbeschaltung der Spannungsquelle V, z.B. durch einen Anschluss zwischen zwei Phasen eines Stromversorgungssystems an Stelle zwischen Phase und Nullleiter, so ist in der Folge auch die dem Schaltnetzteil SNT zugeführte Gleichspannung zu groß. Durch die an den Eingangsklemmen angeschaltete Spannungsbegrenzung, z.B. durch Serienschaltung aus Zenerdiode ZD und Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistor FET, erfolgt eine Spannungsbegrenzung. Der Feldeffekttransistor FET ist im Grundzustand, d.h. ohne Spannung am Gate-Anschluss, elektrisch leitend. Durch die Zenerdiode ZD erfolgt eine Spannungsbegrenzung auf die Zenerspannung der Zenerdiode. Dadurch erfolgt eine Begrenzung der Eingangsspannung auf eine maximal mögliche Eingangsspannung, die durch die Zenerspannung der Zenerdiode bestimmt wird.
Das Schaltnetzteil kann nun auch bei fehlerhaft zu hoher Eingangsspannung arbeiten bzw. anfangen zu arbeiten, bis seine Regelung eingeschwungen ist und die vorbestimmte Ausgangsspannung erreicht ist.
Erreicht die Ausgangsspannung des Schaltnetzteiles SNT den gewünschten Wert, steuert der an den Ausgangsanschlüssen angeschlossenen Schwellwertschalter SWS durch und sperrt über den Gateanschluss den Feldeffekttransistor FET, so dass die Spannungsbegrenzungsschaltung ausgeschaltet wird, im Beispiel die Spannungsbegrenzung gebildet aus Zener-Diode ZD und Feldeffekttransistor FET nicht mehr wirkt. Das nun eingeschwungene Schaltnetzteil kann im Allgemeinen auch höhere Spannungen verarbeiten, entsprechend reagieren und regeln. Sollte die Eingangsspannung so hoch sein, dass das Schaltnetzteil SNT wider Erwarten zerstört wird, steht zumindest für einen kurzen Augenblick eine Spannung zur Verfügung, die für die weitere Anzeige von Fehlermeldung, wie Überspannung, verwendet werden kann.
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Die Spannungsbegrenzungsschaltung (SBS) führt eine Spannungsbegrenzung durch, bis sie vom Schwellwertschalter ein Signal erhält, das der Schwellwertschalter bei Erreichen einer definierten Ausgangsgleichspannung abgibt.
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Die vorliegende Schaltung verhindert, dass dem Schaltnetzteil zu hohe Eingangsspannungen beim Start des Schaltnetzteilbetriebes zugeführt werden. Ferner ermöglicht es einen Betrieb bei überhöhten Eingangsspannungen. Durch den Überspannungsschutz ist eine Arbeitsweise sichergestellt. Durch die Erfindung wird während der Einschaltzeit das Schaltnetzteil geschützt. Sollte die Eingangsspannung des Schaltnetzteiles im üblichen Bereich liegen, wird die Schaltung aus Zener-Diode und Feldeffekt-Transistor nicht wirksam und ist neutral.
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Beispielsweise kann bei einem fehlerhaft angeschlossenen Schaltnetzteil, wenn es z.B. nicht zwischen Phase und Neutralleiter eines Stromnetzes angeschlossen wird, sondern zwischen zwei Phasen eines Drehstromnetzes angeschlossen wird, eine Spannungsversorgung mindestens für eine gewisse Zeit sichergestellt werden. Damit kann beispielsweise eine Überspannungsanzeigeeinrichtung mit Spannung versorgt werden, um entsprechende Fehler anzuzeigen.
Ferner können einfache Schaltnetzteile verwendet werden, die im eingeschwungenen Zustand eine höhere Spannung verarbeiten können, als beim Vorgang des Einschaltens bzw. Hochfahrens.
