DE102022133062B3

DE102022133062B3 - Schaltnetzteil zur Kurzschluss-Überwachung und Bereitstellung einer intern erzeugten Versorgungsspannung im Kurzschluss-Fall

Info

Publication number: DE102022133062B3
Application number: DE102022133062.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Wüller; Christian Hopp
Original assignee: Insta GmbH
Current assignee: Insta GmbH
Priority date: 2022-12-13
Filing date: 2022-12-13
Publication date: 2024-01-18
Anticipated expiration: 2042-12-14

Abstract

Zu dem Zweck, ein Schaltnetzteil zur Kurzschluss-Überwachung und Bereitstellung einer intern erzeugten Versorgungsspannung VDDim Kurzschluss-Fall zu schaffen, das sowohl den Platzbedarf als auch den Kostenaufwand reduziert, wird das folgende Schaltnetzteil vorgestellt. Dieses umfasst eine Primärwicklung LP und eine Sekundärwicklung LS, sowie einen Eingang IN und einen Ausgang OUT zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung. Dieses Schaltnetzteil zeichnet sich dadurch aus, dass es eine Kurzschluss-Überwachungs- und Versorgungsspannungserzeugungseinheit W mit einer Strommesseinrichtung S, insbesondere einen Shunt Rs, einen im Schalt- oder Längsreglerbetrieb arbeitenden Transistor L, einen Aufwärtswandler A, sowie eine Steuerungseinheit C umfasst, wobei die Strommesseinrichtung S ein Signal an die Steuerungseinheit C absetzt, insbesondere bezüglich eines Kurzschluss-Stromes, wobei die Steuerungseinheit C anhand des durch die Strommesseinrichtung S bereitgestellten Signals erfasst, ob ein Kurzschluss K vorliegt und nur bejahendenfalls der im Schaltbetrieb arbeitende Transistor L in den Längsreglerbetrieb umgeschaltet wird, so dass an dem Transistor L beziehungsweise der Zenerdiode eine definierbare Spannung UHilferzeugt wird, wobei die Steuerungseinheit C eine Spannungsreglung auf die in den Aufwärtswandler A einzuspeisende Spannung UHilfvornimmt, so dass diese Spannung UHilfan dem Eingang des Aufwärtswandlers A anliegt und auf eine Versorgungsspannung transformiert VDDwird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil zur Kurzschluss-Überwachung und Bereitstellung einer intern erzeugten Versorgungsspannung im Kurzschluss-Fall umfassend eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung, sowie einen an die Primärwicklung angeschlossenen Eingang und einen an die Sekundärwicklung angeschlossenen Ausgang zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung. Schaltnetzteile mit einer Anzeigenfunktion, insbesondere bezüglich eines Kurzschlusses, oder zusätzlicher Intelligenz, insbesondere bezüglich einer Überwachungsfunktionalität, benötigen für deren Versorgung eine hinreichend belastbare und stabile Versorgungsspannung. Im Normalfall kann diese Spannung der erzeugten Ausgangsspannung entnommen und auf das entsprechend erforderliche Spannungslevel mittels Längsregler oder Aufwärtswandler angepasst werden. Bei Netzteilen mit einem stromgeregelten Ausgang, wie es beispielsweise für den Betrieb von LEDs der Fall ist, liegt am Ausgang ebenfalls eine Spannung an, deren Höhe der Flussspannung der LEDs entspricht und so für die intern benötigte Versorgung verwendet werden kann.
Problematisch bei den vorbeschriebenen Schaltnetzteilen ist, falls ein Kurzschluss vorliegt, also: der Ausgang kurzgeschlossen wird. Dieses kommt beispielsweise bei einem Defekt des durch das Schaltnetzteil energieversorgten angeschlossenen Gerätes oder bei einem Installationsfehler in Betracht. In diesem Fall bricht die Spannung über der Sekundärwicklung des Schaltnetzteils zusammen, was zur Folge hat, dass keine hinreichende Ausgangsspannung mehr zur Verfügung steht und so auch keine interne Versorgungsspannung mehr verfügbar ist, die zur Anzeige, Überwachung oder dergleichen genutzt werden könnte. Ein vorbekanntes Schaltnetzteil erkennt den Kurzschluss und geht in den Kurzschlussschutzbetrieb über, so dass keine Versorgungsspannung mehr existiert. Auch eine etwaige Hilfswicklung, welche synchron zur Sekundärwicklung betrieben wird, bricht in ihrer Spannung zusammen. Zur Aufrechterhaltung einer internen Versorgungsspannung wird in einigen Anwendungen mitunter eine Versorgung in Gestalt einer zusätzlichen, unabhängigen und galvanisch getrennten Versorgung integriert, was erheblichen Platzbedarf und zusätzliche Kosten bedeutet, um die Anzeige- oder Überwachungsfunktionalität im Kurzschluss-Fall sicherstellen zu können.
Die US 7 408 755 B1 offenbart einen Mosfet in Serie zur Last, welcher im Kurzschlussfall ausgeschaltet wird, wobei die Spannung über ihn begrenzt wird, was einem Längsreglerbetrieb entspricht.
Die US 4 891 728 A offenbart einen Mosfet in Serie zur Last, welcher im Kurzschlussfall ausgeschaltet wird, wobei die Spannung über ihn mit einer Zenerdiode begrenzt wird.
Die US 3 256 448 A offenbart einen Thyristor in Serie zur Last, welcher im Kurzschlussfall ausgeschaltet wird, am Ausgang eines Spannungswandlers.
Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil zur Kurzschluss-Überwachung und Bereitstellung einer intern erzeugten Versorgungsspannung im Kurzschluss-Fall zu schaffen, das sowohl den Platzbedarf als auch den Kostenaufwand bezüglich vorbekannter Schaltnetzteile reduziert.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Schaltnetzteil, dass eine Kurzschluss-Überwachungs- und Versorgungsspannungserzeugungseinheit mit einer Strommesseinrichtung, insbesondere einen Shunt, einen im Schalt- oder Längsreglerbetrieb arbeitenden Transistor oder eine gebrückte beziehungsweise leitende Zenerdiode, einen Aufwärtswandler, sowie eine Steuerungseinheit umfasst, wobei die Strommesseinrichtung ein Signal an die Steuerungseinheit absetzt, insbesondere bezüglich eines Kurzschluss-Stromes, wobei die Steuerungseinheit anhand des durch die Strommesseinrichtung bereitgestellten Signals erfasst, ob ein Kurzschluss vorliegt und nur bejahendenfalls der im Schaltbetrieb arbeitende Transistor in den Längsreglerbetrieb beziehungsweise die Zenerdiode von gebrückt auf leitend umgeschaltet wird, so dass an dem Transistor beziehungsweise der Zenerdiode eine definierbare Spannung erzeugt wird, wobei die Steuerungseinheit eine Spannungsreglung auf die in den Aufwärtswandler einzuspeisende Spannung vornimmt, so dass diese Spannung an dem Eingang des Aufwärtswandlers anliegt und auf eine Versorgungsspannung transformiert wird.
Ein erfindungsgemäßes Schaltnetzteil umfasst eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung, sowie einen an die Primärwicklung angeschlossenen Eingang und einen an die Sekundärwicklung angeschlossenen Ausgang zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung, mit der ein nachgeordneter Verbraucher mit einer definierten Spannung spannungsversorgt werden kann.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das Schaltnetzteil eine Kurzschluss-Überwachungs- und Versorgungsspannungserzeugungseinheit aufweist. Diese erlaubt nicht nur, dass ein Kurzschluss-Fall erkannt wird, sondern der Einbruch der Spannung ohne eine zusätzliche, unabhängige und galvanisch getrennte Versorgung vorzusehen, kompensiert wird. Hierdurch werden nicht nur Kosten, sondern auch Bauraumbedarf signifikant reduziert.
Eine solche Kurzschluss-Überwachungs- und Versorgungsspannungserzeugungseinheit umfasst eine Strommesseinrichtung, die insbesondere als Shunt, ausgebildet ist. Diese Strommesseinrichtung misst den Strom permanent, insbesondere ob eine gewisse Schwelle bezüglich des Stroms überschritten wird, die zu einem Kurzschluss-Fall korrespondiert. Eine solche Strom-Schwelle kann beispielsweise 2 A betragen.
Zudem weist eine solche Kurzschluss-Überwachungs- und Versorgungsspannungserzeugungseinheit eine einen im Schalt- oder Längsreglerbetrieb arbeitenden Transistor oder eine gebrückte beziehungsweise leitende Zenerdiode, einen Aufwärtswandler, sowie eine Steuerungseinheit auf.
Die Strommesseinrichtung setzt ein Signal an die Steuerungseinheit ab, sofern ein Kurzschluss-Strom erfasst wird, beispielsweise wenn eine Strom-Schwelle, zum Beispiel von 2 A, überschritten wird. Dieses Signal wird in der Steuerungseinheit dahingehend ausgewertet, ob ein Kurzschluss vorliegt und nur bejahendenfalls der im Schaltbetrieb arbeitende Transistor in den Längsreglerbetrieb beziehungsweise die Zenerdiode von gebrückt auf leitend umgeschaltet wird, so dass an dem Transistor beziehungsweise der Zenerdiode eine definierbare Spannung erzeugt wird. Diese definierbare Spannung dient dazu, die interne Versorgungsspannung zu erzeugen. Dieses erfolgt jedoch nicht direkt, sondern nimmt die Steuerungseinheit eine Spannungsreglung auf die in den Aufwärtswandler einzuspeisende Spannung vor, so dass diese Spannung an dem Eingang des Aufwärtswandlers anliegt und auf eine Versorgungsspannung transformiert wird. Die intelligente Kombination von einem Aufwärtswandler und einem Transistor beziehungsweise einer Zenerdiode führt dazu, dass es erfindungsgemäß ermöglicht wird, mit einer sehr kleinen abfallenden Spannung die interne Peripherie zu versorgen. Ferner werden vorteilhafterweise die im Längsregler-Prinzip des Transistors, sofern dieser anstelle einer Zenerdiode genutzt wird, bedingten Verluste so gering wie möglich gehalten.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils weist die Kurzschluss-Überwachungs- und Versorgungsspannungserzeugungseinheit einen an die Strommesseinrichtung angeschlossenen Transistor zum Schutz des im Schalt- oder Längsreglerbetrieb arbeitenden Transistors oder der Zenerdiode auf.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils umfasst die Überwachungs- und Versorgungsspannungserzeugungseinheit einen Tiefpassfilter, der zwischen die Steuerungseinheit und die Strommesseinrichtung geschaltet ist. Hierdurch wird auf intelligente Weise vermieden, dass jeder kurzweilige Kurzschluss oder das Laden von Kondensatoren, was mit entsprechenden Stromspitzen einhergeht, in Verbrauchen bei Erstbestromung als Kurzschluss angesehen wird. Dabei können besonders kurze Zeitspannen, insbesondere im Zeitfenster von 100 ms bis 500 ms, ignoriert werden, so dass kurzzeitige Stromspitzen nicht berücksichtigt werden.
Die erfindungsgemäße Steuerungseinheit weist gemäß einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils zwei Operationsverstärker auf. Dabei dient ein Operationsverstärker zur Feststellung eines tatsächlichen Kurzschlusses, während der andere Operationsverstärker auf die gewünschte in den Aufwärtswandler einzuspeisende Spannung regelt. Es versteht sich, dass auch andere Realisierungsmöglichkeiten der Steuerungseinheit möglich sind, beispielsweise auf Basis eines Komparators oder dergleichen.
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt:

1: einen schematischen Schaltplan des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils.

1 zeigt einen schematischen Schaltplan des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils. Das dargestellte erfindungsgemäße Schaltnetzteil umfasst eine Primärwicklung LP und eine Sekundärwicklung LS, sowie einen an die Primärwicklung LP angeschlossenen Eingang IN und einen an die Sekundärwicklung LS angeschlossenen Ausgang OUT zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung, mit der ein nachgeordneter Verbraucher mit einer definierten Spannung spannungsversorgt werden kann.
Die erfindungsgemäße Kurzschluss-Überwachungs- und Versorgungsspannungserzeugungseinheit W umfasst eine Strommesseinrichtung S, die insbesondere als Shunt mit einem Widerstand Rs, ausgebildet ist. Diese Strommesseinrichtung S misst den Strom permanent, insbesondere ob eine gewisse Schwelle bezüglich des Stroms, im nachfolgenden Strom-Schwelle genannt, überschritten wird, die zu einem Kurzschluss-Fall korrespondiert. Eine solche Strom-Schwelle kann beispielsweise 2 A betragen. Der Kurzschluss-Fall ist in 1 ebenfalls schematisch dargestellt (gestrichelte Linie oben rechts).
Die erfindungsgemäße Kurzschluss-Überwachungs- und Versorgungsspannungserzeugungseinheit W umfasst einen im Schalt- oder Längsreglerbetrieb arbeitenden Transistor L, einen Aufwärtswandler A, sowie eine Steuerungseinheit C.
Die Strommesseinrichtung S setzt ein Signal an die Steuerungseinheit C ab, sofern ein Kurzschluss-Strom erfasst wird, beispielsweise wenn eine Strom-Schwelle, zum Beispiel von 2 A, überschritten wird. Ein solches Signal wird in der Steuerungseinheit C ausgewertet, insbesondere mit Blick darauf, ob ein Kurzschluss K vorliegt. Nur bejahendenfalls wird der im Schaltbetrieb arbeitende Transistor L in den Längsreglerbetrieb umgeschaltet, so dass an dem Transistor L beziehungsweise eine definierbare Spannung U_Hilf erzeugt wird. Diese definierbare Spannung U_Hilf des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils dient dazu, die interne Versorgungsspannung V_DD zu erzeugen. Dieses erfolgt jedoch nicht direkt, sondern nimmt die Steuerungseinheit C eine Spannungsreglung auf die in den Aufwärtswandler A einzuspeisende Spannung vor, so dass diese Spannung an dem Eingang IN des Aufwärtswandlers A anliegt und auf eine Versorgungsspannung V_DD transformiert wird. Die symbiotische Kombination von Aufwärtswandler A und Transistor L führt dazu, dass es erfindungsgemäß ermöglicht wird, mit einer sehr kleinen abfallenden Spannung, beispielsweise weniger als 1V, die interne Peripherie zu versorgen. Die Spannung kann dabei so weit reduziert werden, wie der Aufwärtswandler A noch mit dieser Spannung arbeiten kann. Dadurch werden vorteilhafterweise die im Längsregler-Prinzip des Transistors L bedingten Verluste so gering wie möglich gehalten.
Ferner weist die erfindungsgemäße Kurzschluss-Überwachungs- und Versorgungsspannungserzeugungseinheit Weinen an die Strommesseinrichtung S angeschlossenen Transistor ST zum Schutz des im Schalt- oder Längsreglerbetrieb arbeitenden Transistors L auf.
Zur Vermeidung der Fehlidentifikation von kurzzeitigen Stromschwankungen als Kurzschluss K weist das erfindungsgemäße Schaltnetzteil gemäß 1 einen Tiefpassfilter T auf. Dessen Ausgangsspannung U_i wird in die Steuereinheit C eingespeist. Mit der ebenfalls in die Steuereinheit C eingespeisten Referenzspannung U_ref wird die gewünschte Spannungsregelung zur Erzeugung der Versorgungsspannung V_DD durchgeführt.
Damit erkennt das erfindungsgemäße Schaltnetzteil S nicht nur einen Kurzschluss-Fall, sondern wird vorteilhafter Weise der Einbruch der Spannung ohne eine zusätzliche, unabhängige und galvanisch getrennte Versorgung vorzusehen, kompensiert. Mithin werden nicht nur Kosten, sondern auch Bauraumbedarf signifikant reduziert. In der Gebäudesystemtechnik ist eine Verringerung des Bauraumbedarfs besonders relevant.
Die Erfindung ist anhand von einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Ohne den Umfang der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche weitere Möglichkeiten, diese umzusetzen, ohne dass dieses im Rahmen dieser Ausführungen im Einzelnen erläutert werden müsste.
Bezugszeichenliste

A: Aufwärtswandler
C: Steuerungseinheit
IN: Eingang
K: Kurzschluss
L: Transistor
LP: Primärwicklung
LS: Sekundärwicklung
OUT: Ausgang
Rs: Shunt
S: Strommesseinrichtung
ST: Transistor
T: Tiefpassfilter
UHilf: definierbare Spannung
Ui: Ausgangsspannung
Uref: Referenzspannung
VDD: Versorgungsspannung
W: Kurzschluss-Überwachungs- und Versorgungsspannungserzeugungseinheit

Claims

Schaltnetzteil zur Kurzschluss-Überwachung und Bereitstellung einer intern erzeugten Versorgungsspannung (V_DD) im Kurzschluss-Fall umfassend eine Primärwicklung (LP) und eine Sekundärwicklung (LS), sowie einen an die Primärwicklung (LP) angeschlossenen Eingang (IN) und einen an die Sekundärwicklung (LS) angeschlossenen Ausgang (OUT) zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung, wobei das Schaltnetzteil eine Kurzschluss-Überwachungs- und Versorgungsspannungserzeugungseinheit (W) mit einer Strommesseinrichtung (S), insbesondere einen Shunt (R _s), einen im Schalt- oder Längsreglerbetrieb arbeitenden Transistor (L) oder eine gebrückte beziehungsweise leitende Zenerdiode, einen Aufwärtswandler (A), sowie eine Steuerungseinheit (C) umfasst, wobei die Strommesseinrichtung (S) ein Signal an die Steuerungseinheit (C) absetzt, insbesondere bezüglich eines Kurzschluss-Stromes, wobei die Steuerungseinheit (C) anhand des durch die Strommesseinrichtung (S) bereitgestellten Signals erfasst, ob ein Kurzschluss (K) vorliegt und nur bejahendenfalls der im Schaltbetrieb arbeitende Transistor (L) in den Längsreglerbetrieb beziehungsweise die Zenerdiode von gebrückt auf leitend umgeschaltet wird, so dass an dem Transistor (L) beziehungsweise der Zenerdiode eine definierbare Spannung(U_Hilf) erzeugt wird, wobei die Steuerungseinheit (C) eine Spannungsreglung auf die in den Aufwärtswandler (A) einzuspeisende Spannung(U_Hilf) vornimmt, so dass diese Spannung(U_Hilf) an dem Eingang des Aufwärtswandlers (A) anliegt und auf eine Versorgungsspannung transformiert (V_DD) wird.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschluss-Überwachungs- und Versorgungsspannungserzeugungseinheit (W) einen an die Strommesseinrichtung (S) angeschlossenen Transistor (ST) zum Schutz des im Schalt- oder Längsreglerbetrieb arbeitenden Transistors (L) oder der Zenerdiode aufweist.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungs- und Versorgungsspannungserzeugungseinheit (W) einen Tiefpassfilter (T) aufweist, der zwischen die Steuerungseinheit (C) und die Strommesseinrichtung (S) geschaltet ist.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (C) zwei Operationsverstärker aufweist.