DE10347054A1

DE10347054A1 - Switching Power Supply

Info

Publication number: DE10347054A1
Application number: DE10347054A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dettmer
Original assignee: Laser Optoelektronik Z GmbH; Z-LASER OPTOELEKTRONIK GmbH
Current assignee: Laser Optoelektronik Z GmbH; Z-LASER OPTOELEKTRONIK GmbH
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2004-11-11
Also published as: DE20306035U1

Abstract

Ein Schaltnetzteil zur Stromversorgung von Niederspannungsverbrauchern aus einer Netzspannungsquelle weist einen als Resonanzsperrwandler ausgebildeten getakteten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler (6) zur galvanischen Trennung der Netzseite von der Niederspannungsseite auf. Der Wandler (6) hat einen Transformator mit einer Primärwicklung (8) und einer Sekundärwicklung (9). Zwischen der Primärwicklung (8) und der Sekundärwicklung (9) ist eine elektrische Isolationsschicht (16) angeordnet. Die Primärwicklung (8) ist im Stromkreis einer Eingangsspannungsquelle (1) mit einem taktgesteuerten Halbleiterschalter (V1) in Reihe geschaltet. Die Sekundärwicklung (9) ist über eine Gleichrichterschaltung mit Anschlüssen (12a, 2b) für den Niederspannungsverbraucher verbunden. Die Isolationsschicht (16) weist zur kapazitiven Entkopplung von Primärwicklung (8) und Sekundärwicklung (9) eine Dicke (d) von mindestens 0,2 Millimeter auf.A switched-mode power supply for powering low-voltage consumers from a mains voltage source has a clocked DC-DC converter (6) designed as a resonance flyback converter for the electrical isolation of the network side from the low-voltage side. The converter (6) has a transformer with a primary winding (8) and a secondary winding (9). An electrical insulation layer (16) is arranged between the primary winding (8) and the secondary winding (9). The primary winding (8) is connected in series in the circuit of an input voltage source (1) with a clock-controlled semiconductor switch (V1). The secondary winding (9) is connected to connections (12a, 2b) for the low-voltage consumer via a rectifier circuit. The insulation layer (16) has a thickness (d) of at least 0.2 millimeters for the capacitive decoupling of the primary winding (8) and the secondary winding (9).

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil zur Stromversorgung von Niederspannungsverbrauchern aus einer Netzspannungsquelle, mit einem getakteten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler zur galvanischen Trennung der Netzseite von der Niederspannungsseite, wobei der Wandler einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung aufweist, wobei zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung eine elektrische Isolationsschicht angeordnet ist, wobei die Primärwicklung im Stromkreis einer Eingangsspannungsquelle mit einem taktgesteuerten Halbleiterschalter in Reihe geschaltet ist, und wobei die Sekundärwicklung über eine Gleichrichterschaltung mit Anschlüssen Tür den Niederspannungsverbraucher verbunden ist.The The invention relates to a switching power supply for the power supply of low-voltage consumers from a mains voltage source, with a clocked DC-DC converter for electrical isolation of the network side from the low voltage side, the converter being a transformer with a primary winding and a secondary winding has, being between the primary winding and the secondary winding an electrical insulation layer is arranged, the primary winding in the circuit of an input voltage source with a clock-controlled Semiconductor switch is connected in series, and wherein the secondary winding via a Rectifier circuit with door connections connected to the low voltage consumer is.

Ein derartiges Schaltnetzteil ist aus der Praxis bekannt. Es weist eine Eingangsspannungsquelle auf, die einen Brückengleichrichter hat, der mit seinen Eingangsanschlüssen mit der Netzspannung des öffentlichen Wechselspannungsnetzes verbindbar ist. Mit seinen Ausgangsanschlüssen ist der Brückengleichrichter an einem Elektrolytkondensator angeschlossen ist, der die pulsierende Ausgangsgleichspannung des Brückengleichrichters glättet. Die Eingangsspannungsquelle ist über einen Halbleiterschalter mit einer Primärwicklung eines Transformators zu einem Stromkreis verbunden. Der Halbleiterschalter weist einen Steuereingang auf, der zum periodischen Unterbrechen des Stromkreises mit einer Ansteuereinrichtung verbunden ist. Über die Ansteuereinrichtung wird an den Steuereingang eine etwa rechteckförmige Steuerspannung angelegt. Durch das periodische Unterbrechen des Stromkreises wird in der Sekundärwicklung des Transformators eine elektrische Spannung erzeugt, die mit Hilfe einer Gleichrichterschaltung gleichgerichtet und elektrischen Anschlüssen zugeführt wird, die mit einem Niederspannungsverbraucher verbindbar sind. Die Schaltfrequenz ist größer als die Netzfrequenz, wodurch der Transformator im Vergleich zu einem mit Netzfrequenz betriebenen Transformator gleicher Leistung relativ kleine Abmessungen aufweist.On such switching power supply is known from practice. It has one Input voltage source that has a bridge rectifier that with its input connections with the mains voltage of the public AC network is connectable. With its output connections is the bridge rectifier is connected to an electrolytic capacitor which is the pulsating one DC rectifier output voltage smoothes. The input voltage source is over a semiconductor switch with a primary winding of a transformer connected to a circuit. The semiconductor switch has one Control input on, for periodically interrupting the circuit is connected to a control device. Via the control device an approximately rectangular control voltage is applied to the control input. Due to the periodic interruption of the circuit secondary winding of the transformer generates an electrical voltage using a rectifier circuit is rectified and supplied to electrical connections, that can be connected to a low-voltage consumer. The switching frequency is bigger than the mains frequency, which makes the transformer compared to one with transformer frequency operated transformer of the same power relative has small dimensions.

Um eine sichere galvanische Trennung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung zu ermöglichen und insbesondere beim Auftreten einer Über spannung im Wechselspannungsnetz einen Durchschlag der Wechselspannung von der Primärwicklung auf die Sekundärwicklung zu verhindern, ist zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung eine elektrische Papier-Isolationsschicht angeordnet, die eine Dicke von etwa 0,1 Millimetern aufweist. Bei der Konstruktion des Transformators wird unter Berücksichtigung der geforderten Überspannungsfestigkeit des Transformators eine möglichst geringe Dicke der Isolationsschicht angestrebt, um ein gute magnetische Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung, eine geringe Streuinduktivität und eine niedrige Bauelementbelastung und somit eine geringe Verlustleistung zu erreichen.Around safe electrical isolation between the primary winding and the secondary winding too enable and especially when an overvoltage occurs in the AC network a breakdown of the AC voltage from the primary winding on the secondary winding is to be prevented between the primary winding and the secondary winding an electrical paper insulation layer is arranged which is a thickness of about 0.1 millimeters. When designing the transformer is taking into account the required surge resistance the transformer as low as possible Thickness of the insulation layer aimed to be a good magnetic Coupling between the primary winding and the secondary winding, a low leakage inductance and a low component load and thus a low power loss to reach.

Zur Einhaltung gesetzlich vorgeschriebener Funkstörspannungsgrenzwerte ist der Primärkreis über einen Funk-Entstörkondensator mit der Sekundärwicklung verbunden. Das Schaltnetzteil ist in einem geerdeten metallischen Gehäuse untergebracht. Zwischen dem Gehäuse und dem Schaltnetzteil ist eine Koppelkapazität gebildet.to Compliance with legally prescribed radio interference voltage limits is the Primary circuit over one Radio interference suppression capacitor with the secondary winding connected. The switching power supply is in a grounded metallic casing accommodated. Between the case and a switching capacitance is formed in the switching power supply.

Ein derartiges Schaltnetzteil muss bestimmte Anforderungen für Anwendungen der Schutzklasse 1 an die Störfrequenzaussendung und an die Störfestigkeit erfüllen, die den Burstspannungsdurchgriff auf die galvanisch zur Netzseite getrennte Niederspannungsseite betrifft. Wenn das Gehäuse des Schaltnetzteils auf einer elektrisch isolierten Unterlage angeordnet ist, können statische Entladungen (durch Berührung) Ableitströme über das Gehäuse, die Koppelkapazität, den Niederspannungsverbraucher und den Funk-Entstörkondensator zum Netz erzeugen. Die kann einerseits für den Benutzer des Schaltnetzteils unangenehm sein, wenn er den Ableitstrom als Stromschlag empfindet. Andererseits kann durch einen derartigen Ableitstrom aber auch ein an dem Schaltnetzteil angeschlossener empfindlicher Niederspannungsverbraucher, wie z.B. eine Laserdiode, beschädigt oder sogar zerstört werden, wenn der Ableitstrom auf den Niederspannungsverbraucher durchgreift. Ein weiterer Nachteil des bekannten Schaltnetzteils besteht darin, dass es noch verhältnismäßig große Abmessungen aufweist.On Such switching power supply must meet certain requirements for applications protection class 1 to the interference frequency emission and immunity fulfill, the the burst voltage penetration on the galvanically to the network side separate low voltage side concerns. If the housing of the switching power supply is placed on an electrically insulated surface, static Discharges (by touch) Leakage currents over the Housing that Coupling capacitance, the low voltage consumer and the radio interference suppression capacitor generate to the network. On the one hand, this can be for the user of the switching power supply be uncomfortable if he perceives the leakage current as an electric shock. On the other hand, a leakage current of this type can also cause a sensitive low voltage consumers connected to the switching power supply, such as. a laser diode, damaged or even destroyed when the leakage current to the low voltage consumer be upheld. Another disadvantage of the known switching power supply is that it is still relatively large in size having.

Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Schaltnetzteil der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei kompakten Abmessungen einen geringen Ableitstrom und eine niedrige Störaussendung bei gleichzeitig hoher Störfestigkeit (Burst, Surge, HF-Feld, HF-Einströmung) ermöglicht.It there is therefore the task of a switching power supply of the type mentioned Art to create a low leakage current with compact dimensions and a low emission with high immunity (Burst, surge, RF field, RF inflow) enabled.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Isolationsschicht zur kapazitiven Entkopplung von Primärwicklung und Sekundärwicklung eine Dicke von mindestens 0,2 Millimeter aufweist, und dass der Wandler als Resonanzsperrwandler ausgebildet ist.This Task is solved by that the insulation layer for capacitive decoupling from primary winding and secondary winding has a thickness of at least 0.2 millimeters and that the transducer is designed as a resonance flyback converter.

In überraschender Weise ist also die Dicke der zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung angeordneten Isolationsschicht größer gewählt als dies für die Erfüllung der Überspannungsfestigkeit des Transformators eigentlich erforderlich wäre. In vorteilhafter Weise wird durch diese Maßnahme ein sehr geringe Koppelkapazität zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung erreicht, so dass sich der Ableitstrom entsprechend reduziert Die damit einhergehende Reduzierung der magnetischen Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung, die zu einer größeren Verlustleistung in dem Transformator führt, wird bewusst in Kauf genommen. Durch den als Resonanzsperrwandler ausgebildeten Wandler ergibt sich ein sinusartiger Verlauf des Ansteuersignals für den Halbleiterschalter, wodurch die Steilheit der geschalteten Transformatorströme im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Schaltnetzteil, bei dem der Halbleiterschalter mit einem rechteckförmigen Ansteuersignal angesteuert wird, so stark abnimmt, dass auf einen die Primärwicklung mit der Sekundärwicklung verbindenden Entstör-Kondensator verzichtet werden kann. Dadurch wird die elektrische Kapazität zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Schaltnetzteils zusätzlich um einen Faktor K = C_K/(C_K + C_E) reduziert, wobei C_K die der Koppelkapazität zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Schaltnetzteils und C_E die der Kapazität des Entstör-Kondensators bedeuten. Durch diese Maßnahmen sind der Ableitstrom und der Burstspannungsdurchgriff von der Primärseite auf die Sekundärseite auf einen Wert reduziert, durch den empfindliche Verbraucher so gut wie gar nicht beeinflusst werden. Dennoch ist die Abstrahlung von Störfrequenzen aufgrund der geringen Steilheit der Transformatorströme äußerst gering, so dass das Umfeld des Schaltnetzteils kaum gestört wird. Wegen des niedrigen Ableitstroms ist das Schaltnetzteil vor allem als Stromversorgung für Laserdioden geeignet. Auch in medizinischen Geräten, die mit Patienten in Berührung kommen, kann das Schaltnetzteil vorteilhaft zur Anwendung kommen. Da ein Entstör-Kondensator eingespart wird, ermöglicht das Schaltnetzteil kompakte Abmessungen.Surprisingly, the thickness of the insulation layer arranged between the primary winding and the secondary winding is therefore chosen to be greater than would actually be required to meet the overvoltage resistance of the transformer. This measure advantageously achieves a very low coupling capacitance between the primary winding and the secondary winding, so that the leakage current is reduced accordingly Magnetic coupling between the primary winding and the secondary winding, which leads to a greater power loss in the transformer, is deliberately accepted. The converter, which is designed as a resonance flyback converter, results in a sinusoidal course of the control signal for the semiconductor switch, as a result of which the steepness of the switched transformer currents decreases so much in comparison with the switching power supply known from the prior art, in which the semiconductor switch is controlled with a rectangular control signal. that an interference suppressor connecting the primary winding with the secondary winding can be dispensed with. As a result, the electrical capacity between the primary and the secondary side of the switching power supply is additionally reduced by a factor K = C _K / (C _K + C _E ), C _K that of the coupling capacitance between the primary and the secondary side of the switching power supply and C _E which mean the capacitance of the interference suppression capacitor. These measures reduce the leakage current and the burst voltage penetration from the primary side to the secondary side to a value by which sensitive consumers are practically unaffected. Nevertheless, the emission of interference frequencies is extremely low due to the low steepness of the transformer currents, so that the environment of the switching power supply is hardly disturbed. Because of the low leakage current, the switching power supply is particularly suitable as a power supply for laser diodes. The switching power supply can also be used advantageously in medical devices that come into contact with patients. Since a suppressor capacitor is saved, the switching power supply enables compact dimensions.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Dicke der Isolationsschicht mindestens 0,3 Millimeter, bevorzugt mindestens 0,35 Millimeter und insbesondere mindestens 0,4 Millimeter. Das Schaltnetzteil ermöglicht dadurch einen noch kleineren Ableitstrom, der in Pikoamperebereich liegen kann.at In an advantageous embodiment of the invention, the thickness is the insulation layer at least 0.3 millimeters, preferably at least 0.35 millimeters and in particular at least 0.4 millimeters. The Switching power supply enables thereby an even smaller leakage current, that in the picoampere range can lie.

Ein noch größerer Abstand zwischen Primär- und Sekundärwicklung und somit ein noch geringerer Ableitstrom kann dadurch erreicht werden, dass die Dicke der Isolationsschicht mindestens 0,5 Millimeter, gegebenenfalls mindestens 0,6 Millimeter und eventuell mindestens 0,7 Millimeter beträgt. Eine derartige Wandstärke der Isolationsschicht ist vor allem bei größeren Schaltnetzteilen zweckmäßig.On even greater distance between primary and secondary winding and thus an even lower leakage current can be achieved be that the thickness of the insulation layer is at least 0.5 millimeters, if necessary at least 0.6 millimeters and possibly at least Is 0.7 millimeters. Such a wall thickness the insulation layer is particularly useful for larger switching power supplies.

Vorteilhaft ist, wenn die Sekundärwicklung am Außenumfang der Primärwicklung angeordnet ist. Dadurch wird eine noch geringere Störfrequenz-Abstrahlung ermöglicht. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass die Primärwicklung und die Sekundärwicklung in Axialrichtung nebeneinander angeordnet sind und dass die Isolationsschicht in einer etwa rechtwinklig zur Axialrichtung verlaufenden Ebene zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung angeordnet ist.Advantageous is when the secondary winding on outer periphery the primary winding is arranged. This results in an even lower interference frequency radiation allows. in principle but it is also conceivable that the primary winding and the secondary winding are arranged side by side in the axial direction and that the insulation layer in a plane approximately perpendicular to the axial direction between the primary winding and the secondary winding is arranged.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist die Primärwicklung mit ihrem einen Ende mit einem Pol der Eingangsspannungsquelle und mit ihrem anderen Ende mit dem Halbleiterschalter verbunden ist, wobei die Primärwicklung mehrere Wicklungslagen aufweist und wobei die Wicklungslage, deren Ende mit dem Halbleiterschalter verbunden ist, einem weichmagnetischen Transformator-Kern und die Wicklungslage, deren Ende mit dem Pol der Eingangsspannungsquelle verbunden ist, der Sekundärwicklung zugewandt ist. Die Seite der Primärwicklung, die mit dem Halbleiterschalter verbunden ist und an der beim Schalten die Potentialschwankungen auftreten, ist also von der Sekundärwicklung entfernt angeordnet, so dass die beim Schalten des Primärstroms auftretenden Störungen nicht oder nur in sehr geringem Umfang auf die Sekundärwicklung übertragen werden.at an expedient embodiment of the Invention is the primary winding at one end with a pole of the input voltage source and is connected at its other end to the semiconductor switch, being the primary winding has a plurality of winding layers and wherein the winding layer whose End is connected to the semiconductor switch, a soft magnetic Transformer core and the winding layer, the end of which is connected to the pole of the input voltage source is connected to the secondary winding is facing. The side of the primary winding that is connected to the semiconductor switch is connected and the potential fluctuations when switching occur, so it is located away from the secondary winding, so that the disturbances occurring when switching the primary current are not or can only be transferred to the secondary winding to a very small extent.

Eine gute Abschirmung der Sekundärwicklung gegen die an der Primärwicklung auftretenden Störspannungen kann auch dadurch erreicht werden, dass die Sekundärwicklung die Primärwicklung nur teilweise überdeckt, und dass zwischen der Sekundärwicklung und der Stirnseite der Primärwicklung, an der das mit dem Halbleiterschalter verbundene Ende der Primärwicklung angeordnet ist, ein Abstand vorgesehen ist. Auch bei dieser Ausführungsform ist die Seite der Primärwicklung, an der beim Schalten die Potentialschwankungen auftreten, von der Sekundärwicklung entfernt angeordnet.A good shielding of the secondary winding against that on the primary winding occurring interference voltages can also be achieved in that the secondary winding the primary winding only partially covered, and that between the secondary winding and the face of the primary winding the end of the primary winding connected to the semiconductor switch is arranged, a distance is provided. Also in this embodiment is the side of the primary winding, at which the potential fluctuations occur when switching, from the secondary winding arranged away.

Wenn die Sekundärwicklung eine größere Anzahl Windungen aufweist, ist es vorteilhaft, wenn die Sekundärwicklung mehrere aufeinanderliegende Wicklungslagen hat, und wenn die radiale Abmessung oder Dicke des durch diese Wicklungslagen gebildeten Wicklungskörpers größer ist als dessen axiale Abmessung oder Länge. Die Wicklung der Niederspannungsseite ist also als schmale Hochkantwicklung ausgebildet, so dass zwischen der Stirnseite der Sekundärwicklung, an dem das mit dem Halbleiterschalter verbundene Ende der Primärwicklung angeordnet ist und der Sekundärwicklung ein entsprechend großer Abstand vorhanden sein kann.If the secondary winding A larger number Has turns, it is advantageous if the secondary winding has several superimposed winding layers, and if the radial Dimension or thickness of the winding body formed by these winding layers is larger as its axial dimension or length. The winding of the low voltage side is therefore designed as a narrow upright winding, so that between the face of the secondary winding, at which the end of the primary winding connected to the semiconductor switch is arranged is and the secondary winding a correspondingly large one Distance may exist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung eine Hilfsspannungswicklung angeordnet ist, die derart mit einer Ansteuerelektronik für den Halbleiterschalter verbunden ist, dass sie als Stromversorgung für die Ansteuerelektronik nutzbar ist. Dadurch kann die Ansteuerelektronik verlustarm mit einer gegenüber der Netzspannung reduzierten Betriebsspannung versorgt werden.at an advantageous embodiment of the invention is between the primary and the secondary winding an auxiliary voltage winding is arranged, which with a Control electronics for the Semiconductor switch is connected that they act as a power supply for the control electronics is usable. As a result, the control electronics can be used with little loss one opposite the operating voltage reduced supply voltage.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Anschlüsse für den Niederspannungsverbraucher mit Messsignaleingängen einer Spannungsmesseinrichtung verbunden, deren Messsignalausgang an einer eine Referenzspannungsquelle aufweisenden Vergleichseinrichtung angeschlossen ist, wobei die Vergleichseinrichtung zur Bildung eines geschlossenen Regelkreises über einen Regler mit der Ansteuerelektronik verbunden ist, und wobei zwischen dem Regler und der Ansteuerelektronik vorzugsweise ein Optokoppler angeordnet ist. Die an der Sekundärwicklung anliegende elektrische Spannung wird also geregelt, indem sie gemessen und mit einer Referenzspannung verglichen wird, und indem beim Auftreten einer Regelabweichung das Ansteuersignal für den Halbleiterschalter derart verändert wird, dass die Regelabweichung reduziert oder beseitigt wird. Dabei wird durch den Optokoppler die galvanische Trennung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung ermöglicht.at a preferred embodiment are the connections for the Low voltage consumer with measurement signal inputs of a voltage measuring device connected, whose measurement signal output to a reference voltage source having comparison device is connected, the Comparison device for forming a closed control loop via a Controller is connected to the control electronics, and wherein between the controller and the control electronics preferably an optocoupler is arranged. The electrical applied to the secondary winding Voltage is therefore regulated by measuring it and using a reference voltage is compared, and by the occurrence of a control deviation the control signal for the semiconductor switch is changed such that the control deviation is reduced or eliminated. This is done by the optocoupler the galvanic isolation between the primary winding and the secondary winding allows.

Die Taktfrequenz des Wandlers ist vorzugsweise größer als 25 kHz. Der Transformator kann dann sehr kompakte Abmessungen aufweisen.The Clock frequency of the converter is preferably greater than 25 kHz. The transformer can then have very compact dimensions.

Vorteilhaft ist, wenn der Halbleiterschalter, die Ansteuerschaltung und die Eingangsspannungsquelle auf der einen Seite des Transformators und die Gleichrichterschaltung und gegebenenfalls die Messeinrichtung und der Regelkreis auf der gegenüberliegenden anderen Seite des Transformators angeordnet sind. Die Sekundärseite des Schaltnetzteils ist dann noch besser gegen elektromagnetische Störungen, die auf der Primärseite auftreten, abgeschirmt.Advantageous is when the semiconductor switch, the drive circuit and the Input voltage source on one side of the transformer and the rectifier circuit and possibly the measuring device and the control loop on the opposite other side of the transformer are arranged. The secondary side of the Switching power supply is then even better against electromagnetic interference, the one on the primary side occur shielded.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Schaltnetzteil ein Gehäuse auf, in dessen Innenhöhlung die Eingangsspannungsquelle, und der Wandler angeordnet sind, wobei das Gehäuse elektrisch leitend mit einem der Anschlüsse für den Niederspannungsverbraucher verbunden ist. Das Schaltnetzteil erfüllt dann noch höhere Anforderungen an die Funkentstörung. Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus Metall. Es kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, wie zum Beispiel aus Kunststoff bestehen, der mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen ist.at a preferred embodiment of the invention, the switching power supply has a housing, in the inner cavity of which Input voltage source, and the converter are arranged, wherein the housing electrically conductive with one of the connections for the low voltage consumer connected is. The switching power supply then meets even higher requirements to radio interference suppression. The housing is preferably made of metal. But it can also be electrical insulating material, such as plastic, which is provided with an electrically conductive coating.

Das Gehäuse ist vorzugsweise röhrenförmig ausgebildet, wobei die durch die Eingangsspannungsquelle sowie den Wandler gebildete elektrische Schaltung und der Niederspannungsverbraucher in Axialrichtung des Gehäuses in dessen Innenhöhlung hintereinander angeordnet und vorzugsweise durch einen Zwischenraum voneinander beabstandet sind. Dabei ist das Schaltnetzteil bevorzugt mit seiner Sekundärseite dem Niederspannungsverbraucher zugewandt.The casing is preferably tubular, the one formed by the input voltage source and the converter electrical circuit and the low voltage consumer in the axial direction of the housing in its inner cavity one after the other arranged and preferably by a space from each other are spaced. The switching power supply is preferred with its secondary side facing the low voltage consumer.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:following is an embodiment the invention explained in more detail with reference to the drawing. It shows:

1 ein Schaltbild eines einen Resonanzsperrwandler und einen Transformator aufweisenden Schaltnetzteils, und 1 a circuit diagram of a resonance flyback converter and a transformer having a switching power supply, and

2 einen Querschnitt durch den Transformator des Schaltnetzteils. 2 a cross section through the transformer of the switching power supply.

Ein Schaltnetzteil zur Stromversorgung von Niederspannungsverbrauchern aus einer Netzspannungsquelle, nämlich dem öffentlichen Wechselspannungsnetz, weist eine in 1 im Ganzen mit 1 bezeichnete Eingangsspannungsquelle oder Eingangsstufe auf. Diese hat einen Brückengleichrichter 2, der mit seinen Eingangsanschlüssen 3a, 3b über eine Schmelzsicherung F1 mit der Netzspannungsquelle verbindbar ist. Die Ausgangsanschlüsse oder Pole 4a, 4b des Brückengleichrichters 2 sind über einen EMV-Filter 5 mit einem ersten Elektrolyt-Kondensator C4 verbunden, der zur Glättung der von dem Brückengleichrichter 2 gleichgerichteten Netz-Wechselspannung dient.A switched-mode power supply for the power supply of low-voltage consumers from a mains voltage source, namely the public AC network, has one in 1 whole with 1 designated input voltage source or input stage. This has a bridge rectifier 2 with its input connections 3a . 3b can be connected to the mains voltage source via a fuse F1. The output ports or poles 4a . 4b of the bridge rectifier 2 are through an EMC filter 5 connected to a first electrolytic capacitor C4, which is used to smooth the bridge rectifier 2 rectified mains AC voltage is used.

Die Eingangsspannungsquelle 1 speist einen in 1 im Ganzen mit 6 bezeichneten getakteten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler, der zur galvanischen Trennung der Netzseite von der Niederspannungsseite einen Transformator 7 mit einer Primärwicklung 8, einer Sekundärwicklung 9 und einer Hilfsspannungswicklung 10 hat, die auf einem als Blechpaket ausgebildeten weichmagnetischen Kern 11 angeordnet sind. Die Primärwicklung 8 des Transformators 7 ist mit ihrem einen Wicklungsanschluss mit einem ersten Pol 4a der Eingangsspannungsquelle 1 und mit ihrem anderen Wicklungsanschluss mit einem Drain-Anschluss eines als Feldeffekttransistor ausgebildeten taktgesteuerten Halbleiterschalters V1 verbunden. Der Source-Anschluss des Halbleiterschalters V1 ist über einen ersten ohmschen Widerstand R9 an einem zweiten Pol 4b der Eingangsspannungsquelle 1 oder Eingangsstufe angeschlossen.The input voltage source 1 feeds you in 1 whole with 6 designated clocked DC-DC converter, which for the galvanic isolation of the network side from the low voltage side a transformer 7 with a primary winding 8th , a secondary winding 9 and an auxiliary voltage winding 10 has that on a soft magnetic core designed as a laminated core 11 are arranged. The primary winding 8th of the transformer 7 is with its one winding connection with a first pole 4a the input voltage source 1 and connected with its other winding connection to a drain connection of a clock-controlled semiconductor switch V1 designed as a field effect transistor. The source connection of the semiconductor switch V1 is via a first ohmic resistor R9 at a second pole 4b the input voltage source 1 or input stage connected.

Die Sekundärwicklung 9 des Transformators 7 ist mit ihrem einen Wicklungsanschluss über einen Gleichrichter D1 mit einem ersten Anschluss 12a und mit ihrem anderen Wicklungsanschluss mit einem zweiten Anschluss 12b für den Niederspannungsverbraucher verbunden. Parallel zu den Anschlüssen 12a, 12b ist ein zweiter Elektrolyt-Kondensator C3 geschaltet, der als Puffer und zur Siebung dient.The secondary winding 9 of the transformer 7 is with its one winding connection via a rectifier D1 with a first connection 12a and with its other winding connection with a second connection 12b connected for the low voltage consumer. Parallel to the connections 12a . 12b a second electrolytic capacitor C3 is connected, which serves as a buffer and for screening.

Der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 6 ist als Resonanzsperrwandler ausgebildet und weist einen ersten Kondensator C5 auf, der mit der Primärwicklung 8 einen Reihenschwingkreis bildet. Der Kondensator C5 ist dazu mit seinem einen Pol an dem an dem Drain-Anschluss des Halbleiterschalters V1 angeschlossenen Wicklungsanschluss der Primärwicklung 8 und mit seinem anderen Pol mit einem ersten Knotenpunkt 13 verbunden, der über einen zweiten Widerstand R8 an dem zweiten Pol 4b der Eingangsspannungsquelle angeschlossen ist. Der erste Knotenpunkt 13 ist außerdem an der Basis eines ersten Transistors V2 einer Ansteuerelektronik für den Halbleiterschalter V1 angeschlossenen. Der Kollektor des Transistors V2 ist mit einem zweiten Kontenpunkt 14 verbunden, der einerseits über eine Diode D7 an dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters V1 und andererseits am Kollektor eines zweiten Transistors V3 der Ansteuerelektronik angeschlossen ist. Die Emitter der Transistoren V2, V3 sind mit am zweiten Pol 4b der Eingangsspannungsquelle 1 angeschlossen. Die Basis des zweiten Transistors V3 ist über einen dritten Widerstand R12 am Source-Anschluss des Halbleiterschalters V1 und über einen vierten Widerstand R11 an einem Spannungsteileranschluss eines den ersten Pol 4a mit dem zweiten Pol 4b der Eingangsspannungsquelle 1 verbindenden Spannungsteilers R4, R10, R7 angeschlossen. Ein weiterer Spannungsteileranschluss der Spannungsteilers R4, R10, R7 ist über einen Widerstand R6 mit dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters V1 verbunden. Dieser Spannungsteileranschluss ist außerdem über einen zweiten Kondensator C1 an einem ersten Anschluss der Hilfsspannungswicklung 10 angeschlossen. Ein zweiter Anschluss der Hilfsspannungswicklung 10 ist mit dem zweiten Pol 4b der Eingangsspannungsquelle verbunden. Über die Hilfsspannungswicklung 10 wird die Ansteuerelektronik verlustarm mit einer Betriebsspannung versorgt, die kleiner ist als die Netzspannung. Die an der Hilfsspannungswicklung 10 anliegende Spannung ist so dimensioniert, dass eine magnetische Sättigung des weichmagnetischen Werkstoffs des Transformator-Kerns 11 vermieden wird. Durch den aus der Primärwicklung 8 und dem Kondensator C5 gebildeten Resonanzkreis ergibt sich in dem Primärkreis eine sinusartiger Stromverlauf mit geringer Steilheit. Dadurch kann ein Entstör-Kondensator zwischen der Primärwicklung 8 und der Sekundärwicklung 9 eingespart werden, wodurch die Koppelkapazität zwischen der Primärwicklung 8 und der Sekundärwicklung 9 entsprechend reduziert ist. Dennoch weist das Schaltnetzteil auch ohne einen Entstör-Kondensator nur eine sehr geringe Störsignalsausendung auf.The DC-DC converter 6 is designed as a resonance flyback converter and has a first capacitor C5 which is connected to the primary winding 8th forms a series resonant circuit. For this purpose, the capacitor C5 has one pole at that at the drain terminal of the half conductor switch V1 connected winding connection of the primary winding 8th and with its other pole with a first node 13 connected through a second resistor R8 to the second pole 4b the input voltage source is connected. The first node 13 is also connected to the base of a first transistor V2 of control electronics for the semiconductor switch V1. The collector of transistor V2 is with a second account point 14 connected, which is connected on the one hand via a diode D7 to the gate connection of the semiconductor switch V1 and on the other hand to the collector of a second transistor V3 of the control electronics. The emitters of the transistors V2, V3 are also on the second pole 4b the input voltage source 1 connected. The base of the second transistor V3 is connected via a third resistor R12 to the source connection of the semiconductor switch V1 and via a fourth resistor R11 to a voltage divider connection of the first pole 4a with the second pole 4b the input voltage source 1 connecting voltage divider R4, R10, R7 connected. Another voltage divider connection of the voltage divider R4, R10, R7 is connected via a resistor R6 to the gate connection of the semiconductor switch V1. This voltage divider connection is also via a second capacitor C1 at a first connection of the auxiliary voltage winding 10 connected. A second connection of the auxiliary voltage winding 10 is with the second pole 4b connected to the input voltage source. Via the auxiliary voltage winding 10 the control electronics is supplied with a low-loss operating voltage that is less than the mains voltage. The on the auxiliary voltage winding 10 applied voltage is dimensioned such that magnetic saturation of the soft magnetic material of the transformer core 11 is avoided. Because of the primary winding 8th and the resonant circuit formed by the capacitor C5 results in a sinusoidal current profile with low steepness in the primary circuit. This allows a suppression capacitor between the primary winding 8th and the secondary winding 9 can be saved, thereby reducing the coupling capacity between the primary winding 8th and the secondary winding 9 is reduced accordingly. Nevertheless, the switching power supply has only a very low interference signal emission even without an interference suppression capacitor.

In 2 ist erkennbar, dass die Primärwicklung 8 mehrere Wicklungslagen aufweist und dass die Hilfsspannungswicklung 10 am Außenumfang der Primärwicklung 8 angeordnet ist. Ferner ist erkennbar, dass die Sekundärwicklung 9 auf der Hilfsspannungswicklung 10 angeordnet ist. Zwischen der Primärwicklung 8 und der Hilfsspannungswicklung 10 ist ein erste elektrische Isolationsschicht 15 angeordnet, deren Dicke in radialer Richtung etwa 0,1 Millimeter beträgt. Zwischen der Hilfs spannungswicklung 10 und der Sekundärwicklung 9 ist ein zweite elektrische Isolationsschicht 16 angeordnet, deren Dicke d in radialer Richtung etwa 0,35 Millimeter beträgt. An ihrem Außenumfang ist die Sekundärwicklung 9 durch eine dritte elektrische Isolationsschicht 19 abgedeckt, die als Decklage dient. Vor allem durch die zweite Isolationsschicht 16 sind die Primärwicklung und Sekundärwicklung weitestgehend kapazitiv entkoppelt. Durch diese Maßnahme wird in Kombination mit dem fehlenden Entstör-Kondensator zwischen der Primärwicklung 8 und der Sekundärwicklung 9 eine sehr geringe Koppelkapazität zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des Transformators 7 und somit ein entsprechend geringer Ableitstrom erreicht, der typischerweise kleiner als 1 Mikroampere ist. Die Koppelkapazität ist typischerweise kleiner als 25 Pikofarad.In 2 it can be seen that the primary winding 8th has several winding layers and that the auxiliary voltage winding 10 on the outer circumference of the primary winding 8th is arranged. It can also be seen that the secondary winding 9 on the auxiliary voltage winding 10 is arranged. Between the primary winding 8th and the auxiliary voltage winding 10 is a first electrical insulation layer 15 arranged, whose thickness in the radial direction is about 0.1 millimeters. Between the auxiliary voltage winding 10 and the secondary winding 9 is a second electrical insulation layer 16 arranged, the thickness d in the radial direction is about 0.35 millimeters. The secondary winding is on its outer circumference 9 through a third electrical insulation layer 19 covered, which serves as a top layer. Especially through the second layer of insulation 16 the primary winding and secondary winding are largely capacitively decoupled. This measure in combination with the missing interference capacitor between the primary winding 8th and the secondary winding 9 a very low coupling capacity between the primary side and the secondary side of the transformer 7 and thus a correspondingly low leakage current is reached, which is typically less than 1 microampere. The coupling capacity is typically less than 25 picofarads.

Um den Burstspannungsdurchgriff von der Primärseite auf die Sekundärseite des Transformators zu reduzieren, ist die Wicklungslage der Primärwicklung, deren Ende 18 mit dem Halbleiterschalter V1 verbunden ist, dem weichmagnetischen Transformator-Kern 11 und die Wicklungslage, deren Ende 19 mit dem ersten Pol 4a der Eingangsspannungsquelle 1 verbunden ist, der Hilfsspannungswicklung 10 und der Sekundärwicklung 9 zugewandt. In 2 ist ferner erkennbar, dass die Sekundärwicklung 9 die Hilfsspannungswicklung 9 und die Primärwicklung 8 nur teilweise überdeckt, und dass zwischen der Sekundärwicklung 9 und der Stirnseite der Primärwicklung 8, an der das mit dem Halbleiterschalter V1 verbundene Ende 18 der Primärwicklung 8 angeordnet ist, ein Abstand a vorgesehen ist.In order to reduce the burst voltage penetration from the primary side to the secondary side of the transformer, the winding position of the primary winding is its end 18 is connected to the semiconductor switch V1, the soft magnetic transformer core 11 and the winding position, the end of which 19 with the first pole 4a the input voltage source 1 is connected to the auxiliary voltage winding 10 and the secondary winding 9 facing. In 2 it can also be seen that the secondary winding 9 the auxiliary voltage winding 9 and the primary winding 8th only partially covered, and that between the secondary winding 9 and the face of the primary winding 8th at which the end connected to the semiconductor switch V1 18 the primary winding 8th is arranged, a distance a is provided.

In 1 ist erkennbar, dass die Anschlüsse 12a, 12b für den Niederspannungsverbraucher mit einer integrierten Schaltung D4 verbunden ist, die eine Referenzspannungsquelle und eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der zwischen den Anschlüsse 12a, 12b anliegenden Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung aufweist. Die integrierte Schaltung D4 enthält außerdem einen Regler, der eine von der Abweichung zwischen der gemessenen Ausgangsspannung und der Referenzspannung abhängige Steuerspannung generiert, welche eine Leuchtdiode eines Optokopplers O1 speist. Eine im Abstrahlbereich der Leuchtdiode angeordnete Photozelle des Optokopplers O1 ist zur Regelung der zwischen den Anschlüsse 12a, 12b anliegenden Ausgangsspannung mit einem Stelleingang der Ansteuerelektronik verbunden.In 1 it can be seen that the connections 12a . 12b for the low-voltage consumer is connected to an integrated circuit D4, which is a reference voltage source and a comparison device for comparing between the connections 12a . 12b has applied output voltage with a reference voltage. The integrated circuit D4 also contains a regulator which generates a control voltage which is dependent on the deviation between the measured output voltage and the reference voltage and which feeds a light-emitting diode of an optocoupler O1. A photocell of the optocoupler O1 arranged in the radiation area of the light-emitting diode is used to regulate the between the connections 12a . 12b output voltage connected to a control input of the control electronics.

Das Netzteil zur Stromversorgung von Niederspannungsverbrauchern aus dem öffentlichen Netz weist einen Transformator 7, einen getakteten Wandler 6 zur galvanischen Trennung der Netzseite und der Niederspannungsseite und ein geerdetes Gehäuse auf. Die Koppelkapazität zwischen den Wicklungen des Transformators 7 ist durch einen speziellen Wicklungslagenaufbau verringert. Für den getakteten Wandler 6 ist ein Schaltverfahren gewählt, bei dem die Steilheiten der geschalteten Transformatorströme gering sind. Die Taktfrequenz des Wandlers 6 ist größer als 25 kHz gewählt.The power supply unit for the power supply of low-voltage consumers from the public network has a transformer 7 , a clocked converter 6 for electrical isolation of the network side and the low voltage side and a grounded housing. The coupling capacitance between the windings of the transformer 7 is through one special winding layer structure reduced. For the clocked converter 6 a switching method is selected in which the steepness of the switched transformer currents is low. The clock frequency of the converter 6 is selected to be greater than 25 kHz.

Claims

Switched-mode power supply for powering low-voltage consumers from a mains voltage source, with a clocked DC-DC converter ( 6 ) for electrical isolation of the network side from the low voltage side, whereby the converter ( 6 ) a transformer ( 7 ) with a primary winding ( 8th ) and a secondary winding ( 9 ), whereby between the primary winding ( 8th ) and the secondary winding ( 9 ) an electrical insulation layer ( 16 ) is arranged, the primary winding ( 8th ) in the circuit of an input voltage source ( 1 ) is connected in series with a clock-controlled semiconductor switch (V1), and the secondary winding ( 9 ) via a rectifier circuit with connections ( 12a . 12b ) for the low-voltage consumer, characterized in that the insulation layer ( 16 ) for capacitive decoupling from primary winding ( 8th ) and secondary winding ( 9 ) has a thickness (d) of at least 0.2 millimeters and that the transducer ( 6 ) is designed as a resonance flyback converter.

Switched-mode power supply according to Claim 1, characterized in that the thickness of the insulation layer ( 16 ) is at least 0.3 millimeters, preferably at least 0.35 millimeters and in particular at least 0.4 millimeters.

Power supply according to claim 1 or 2, characterized in that the thickness of the insulation layer ( 16 ) is at least 0.5 millimeters, possibly at least 0.6 millimeters and possibly at least 0.7 millimeters.

Switched-mode power supply according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the secondary winding ( 9 ) on the outer circumference of the primary winding ( 8th ) is arranged.

Switched-mode power supply according to Claim 4, characterized in that the primary winding ( 8th ) with one end with a pole ( 4a ) of the input voltage source ( 1 ) and with its other end connected to the semiconductor switch (V1) that the primary winding ( 8th ) has several winding layers and that the winding layer, the end ( 18 ) is connected to the semiconductor switch (V1), a soft magnetic transformer core ( 11 ) and the winding position, the end ( 19 ) with the pole ( 4a ) of the input voltage source ( 1 ) is connected to the secondary winding ( 9 ) is facing.

Switched-mode power supply according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the secondary winding ( 9 ) the primary winding ( 8th ) only partially covered, and that between the secondary winding ( 9 ) and the face of the primary winding ( 8th ) at which the end of the primary winding connected to the semiconductor switch (V1) ( 8th ) is arranged, a distance (a) is provided.

Switched-mode power supply according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the primary winding ( 8th ) and the secondary winding ( 9 ) on a soft magnetic core ( 11 ) are arranged side by side in the axial direction and that the insulation layer ( 16 ) between the primary winding in a plane that is approximately perpendicular to the axial direction ( 8th ) and the secondary winding ( 9 ) is arranged.

Switched-mode power supply according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the secondary winding ( 9 ) has a plurality of winding layers lying one on top of the other, and that the radial dimension or thickness of the winding body formed by these winding layers is greater than its axial dimension or length.

Switched-mode power supply according to one of Claims 1 to 8, characterized in that between the primary winding ( 8th ) and the secondary winding ( 9 ) an auxiliary voltage winding ( 10 ) is arranged, which is connected to control electronics for the semiconductor switch (V1) such that it can be used as a power supply for the control electronics.

Switched-mode power supply according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the connections ( 12a . 12b ) for the low-voltage consumer are connected to measurement signal inputs of a voltage measuring device, the measurement signal output of which is connected to a comparison device having a reference voltage source, and that the comparison device is connected to the control electronics via a controller to form a closed control loop, an optocoupler preferably being between the controller and the control electronics (O1) is arranged.

Switched-mode power supply according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the clock frequency of the converter ( 6 ) is greater than 25 kHz.

Switched-mode power supply according to one of Claims 1 to 11, characterized in that the semiconductor switch (V1), the drive circuit and the input voltage source ( 1 ) on one side of the transformer ( 7 ) and the rectifier circuit and possibly the measuring device and the control circuit on the opposite other side of the transformer ( 7 ) are arranged.

Switched-mode power supply according to one of Claims 1 to 12, characterized in that it has a housing, in the inner cavity of which the input voltage source and the converter ( 6 ) are arranged, and that the housing is electrically conductive with one of the connections ( 12a . 12b ) is connected to the low voltage consumer.

Switched-mode power supply according to one of Claims 1 to 13, characterized in that the housing is preferably tubular and that the input voltage source ( 1 ) and the converter ( 6 ) electrical circuit formed and the low-voltage consumer are arranged in the axial direction of the housing in its inner cavity one behind the other and are preferably spaced apart by a space.