DE19600962A1 - Schaltnetzteil mit verlustleistungsarmem Standby-Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Schaltnetzteile zur Versorgung elektronischer Geräte weisen neben dem Normalbetrieb eine sogenannte Standby-Betriebsart auf, bei der eine im Vergleich zum Normalbetrieb wesentlich geringere Last mit Energie zu versorgen ist. Während des Standby-Betriebs soll die Leistungsaufnahme des Geräts mög­ lichst gering sein. Die Eigenverlustleistung herkömmlicher Schaltnetzteile im Standby-Betrieb ist jedoch im Vergleich zur abgegriffenen Nutzleistung relativ hoch. Der Wirkungsgrad ist dementsprechend niedrig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Schaltnetzteil anzugeben, das während der Standby-Betriebsart wenig Verlust­ leistung verbraucht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schaltnetzteil nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung wird das Schaltnetzteil während des Standby-Betriebs primärseitig mit einer wesentlich niedrigeren Spannung versorgt als während des Normalbetriebs. Die Aufnah­ meleistung nimmt mit dem Quadrat dieses Spannungsverhältnis­ ses ab. Bei einer üblichen Netzspannung von 230 V beträgt die am Glättungskondensator des Schaltnetzteils anliegende zu wandelnde Spannung entsprechend dem Scheitelwert der Wech­ selspannung etwa 325 V. Im Standby-Betrieb ist eine Reduzie­ rung der Ladespannung des Glättungskondensators auf 12 bis 16 V möglich. Dies entspricht einem Reduktionsfaktor von etwa 20; die Aufnahmeleistung wird dann um den Faktor 400 verrin­ gert. An die Aufnahmeleistung gekoppelt nimmt auch in ent­ sprechender Weise die Verlustleistung ab. Diese wird im we­ sentlichen durch die Schaltverluste im Schalttransistor be­ wirkt.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann die Niederspannung für den Standby-Betrieb durch eine Phasenan­ schnittsteuerung erzeugt werden, die derart dimensioniert ist, daß nur im Bereich des Nulldurchgangs der eingangsseiti­ gen Netzwechselspannung von ihr Strom an den Glättungskonden­ sator abgegeben wird. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann die Niederspannung durch kapazitive Spannungs­ teilung aus der Netzwechselspannung und anschließende Gleich­ richtung gewonnen werden. Da während des Standby-Betriebs nur eine geringe Leistung aufgenommen wird, ist eine kapazitive Teilung der Netzwechselspannung möglich. Nach einer dritten Ausführungsform wird die Niederspannung durch einen herkömm­ lichen Tiefsetzsteller bereitgestellt. Während des Standby-Betriebs wird die Speisung des Glättungskondensators aus der Netzwechselspannung über ein entsprechendes Schaltelement ab­ geschaltet.

Zur weiteren Einsparung von Verlustleistung ist es vorteil­ haft, die durch das Schaltnetzteil sekundärseitig erzeugten Gleichspannungen entsprechend zur primärseitigen Niederspan­ nung abzusenken. Sekundärseitig sind deshalb Schaltungsmaß­ nahmen vorgesehen, durch die die Versorgungsspannung einer Steuerungseinrichtung, die zur Umschaltung zwischen Standby-Betrieb und Normalbetrieb, beispielsweise ein Fernbedienemp­ fänger, sorgt, während des Standby-Betrieb gestützt wird. In den Ausführungsbeispielen ist dies durch eine Umschaltein­ richtung realisiert, durch die die Versorgungsspannung der Steuerungseinrichtung während des Standby-Betrieb auf eine Wicklung umgeschaltet wird, die während des Normalbetriebs zur Versorgung anderer Funktionseinheiten vorgesehen ist und deshalb während des Normalbetriebs eine wesentlich höhere Spannung abgibt als während des Standby-Betriebs. Insgesamt können die beschriebenen Schaltungsmaßnahmen ohne größeren zusätzlichen Bauelementeaufwand mit bisherigen Schaltnetz­ teilkonzepten kombiniert werden. Die schaltungstechnischen Realisierungen sind insbesondere integrierbar, beispielsweise zusammen mit einer ohnehin zur Regelung des Schaltnetzteils vorhandenen integrierten Regelungsschaltung.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Figuren dar­ gestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Der Über­ sichtlichkeit wegen sind nur die in Zusammenhang mit der Erfindung wesentlichen Elemente eines Schaltnetzteils enthal­ ten. Eine konkrete Schaltungsrealisierung ist beispielsweise mit dem integrierten Steuerungsschaltkreis TDA 4605 der Firma Siemens realisierbar, indem deren Außenbeschaltung entspre­ chend ergänzt wird. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Schaltnetzteils gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 (a) und (b) die zweite Ausführungsform zur Erzeugung der primärseitigen Niederspannung für den Standby-Betrieb mit zwei Ausführungsvarianten.

Das Schaltnetzteil nach Fig. 1 enthält einen Transformator 1 mit einer Primärwicklung 2, einer ersten Sekundärwicklung 3 und einer zweiten Sekundärwicklung 4. In Reihe zur Primär­ wicklung 2 ist ein Schalttransistor 5 geschaltet, durch den eine über einen Brückengleichrichter 6 gleichgerichtete und mittels eines Glättungskondensators 7 geglättete eingangssei­ tige Netzwechselspannung U1 taktweise an die Primärwicklung 2 anlegbar ist. Auf der Sekundärseite liegt jeweils nach Gleichrichtung mittels Gleichrichterdiode 8 bzw. 9 und Glät­ tungskondensator 10 bzw. 11 eine Gleichspannung U1 bzw. U2 vor. Das Schaltnetzteil dient im Normalbetrieb zur Versorgung eines elektrischen Geräts, beispielsweise eines Fernsehge­ räts. Die wesentlichen Funktionseinheiten des Fernsehgeräts werden von der Spannung U1 versorgt, die beispielsweise 150 V beträgt. Die Spannung U2 dient während des Normalbetriebs zur Versorgung einer Steuerungseinrichtung 12. Die Steuerungsein­ richtung 12 ist beispielsweise ein Fernbedienempfänger, der auch einen Befehlsdecoder umfaßt. Der Fernbedienempfänger empfängt von einer Fernbedieneinheit abgegebene Impulse, decodiert diese und erzeugt entsprechende Steuersignale. Die Steuerungseinrichtung 12 empfängt insbesondere die Bediensi­ gnale für das Umschalten zwischen Standby-Betrieb und Normal­ betrieb. Von der Spannung U1 wird ein Regelsignal abgeleitet und an die primärseitige Steuerungseinrichtung 13 rückgekop­ pelt. Diese steuert die Ein- und Ausschaltphasen des Schalt­ elements 5, beispielsweise einen Schalttransistor, derart, daß die Ausgangsspannung U1 lastunabhängig konstant ist. Hierzu ist der Anschluß 14 für die Spannung U1 über einen Strombegrenzungswiderstand 15, eine Zenerdiode 16 sowie einen Optokoppler 17 zur Kopplung auf die Primärseite in die Steue­ rungseinrichtung 13 rückgekoppelt. Die Regelschwelle für die Spannung U1 wird durch die Zenerdiode 16 gebildet, die im be­ schriebenen Beispiel eine Zenerspannung von 150 V aufweist.

Im Standby-Betrieb werden die von der Spannung U1 versorgten Funktionseinheiten abgeschaltet. Sekundärseitig ist im we­ sentlichen nur noch der Fernbedienempfänger und -decoder 12 mit Energie zu versorgen. Insoweit entspricht das in Fig. 1 gezeigte Schaltnetzteil dem Stand der Technik.

Erfindungsgemäß ist für die Umschaltung in den Standby-Betrieb ein Schalter 20 vorgesehen, durch den die Zuführung der Netzwechselspannung zum Brückengleichrichter 6 unterbrochen wird. Der Schalter 20 wird durch ein von der Steuerungsein­ richtung 13 auf der Leitung 21 abgegebenes Steuersignal ge­ steuert. Die Steuerungseinrichtung 13 schaltet die Leitung 21 dann aktiv, wenn Niedriglastbetrieb, das heißt Standby-Betrieb, vorliegt. Der Glättungskondensator 7 wird dann nicht mehr weiter aus dem Brückengleichrichter 7 nachgeladen. Die an ihm anliegende Spannung fällt ab, bis das Nachladen des Glättungskondensators 7 von einer Niederspannungsversorgung 22 übernommen wird. Durch eine Diode 23 wird verhindert, daß der Glättungskondensator 7 durch die Einrichtung 22 im Nor­ malbetrieb entladen wird. Die Einrichtung 22 enthält gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Phasen­ anschnittsteuerung. Durch eine Phasenanschnittsteuerung wird ein Strom bekanntlich nur während einer bestimmten Phase ei­ ner Wechselspannung abgegeben. Die Phasenanschnittsteuerung 22 ist derart eingestellt, daß nur zu Phasenabschnitten, die im Bereich des Nulldurchgangs der eingangsseitigen Netzwech­ selspannung liegen, eine Spannung an ihrem Ausgang 24 zur Verfügung steht, durch die der Kondensator 7 nachgeladen wird, sofern dessen Ladespannung unterhalb der am Anschluß 24 zur Verfügung stehenden Spannung liegt. Der Phasenanschnitt­ steuerung 22 wird die Netzwechselspannung U1 über eine Diode 25 gleichgerichtet zur Verfügung gestellt. Anstelle der in Fig. 1 gezeigten Einweggleichrichtung kann auch ein entspre­ chend aufwendiger Brückengleichrichter vorgesehen werden. In letzterem Fall enthält die aktive Phase der Phasenanschnitt­ steuerung 22 den Nulldurchgang der Netzwechselspannung U1 in ihrer Mitte, im ersteren Fall am Rand der Leitfähigkeits­ phase.

Durch die erfindungsgemäße Schaltung wird erreicht, daß wäh­ rend des Standby-Betriebs der Glättungskondensator 7 nur durch die von der Phasenanschnittsteuerung 22 abgegebene Spannung nachgeladen wird. Die Spannung des Glättungskonden­ sators 7 wird dann etwa auf die während eines Leitfähigkeits­ abschnitts von Einrichtung 22 abgegebene maximale Spannung aufgeladen. Zweckmäßigerweise wird die Leitfähigkeitsphase der Einrichtung 22 innerhalb einer Sinusschwingung der ein­ gangsseitigen Netzwechselspannung U1 beim Erreichen eines Mo­ mentanspannungswerts von 12 bis 16 V abgeschaltet. Während des Standby-Betriebs wird die Primärwicklung 2 des Schalt­ netzteiltransformators 1 also nur noch mit 12 bis 16 V ver­ sorgt. Der durch Primärwicklung 2 und Schalttransistor 5 fließende Primärstrom nimmt (bei im Vergleich zum Normalbe­ trieb gleichen Schaltzeiten) um den Faktor der Spannungsver­ ringerung ab. Die Aufnahmeleistung nimmt um das Quadrat die­ ses Faktors ab. Da die Schaltverluste im Schalttransistor 5 wesentlich für die Eigenverlustleistung des Schaltnetzteils im Standby-Betrieb sind, verringert sich die Eigenverlustlei­ stung des Schaltnetzteils entsprechend.

Die Sekundärspannungen U1, U2 sinken entsprechend dem Faktor der primärseitigen Spannungsverringerung ab. Die Spannung U2 reicht nicht mehr aus, die Steuerungseinrichtung 12 ausrei­ chend mit Energie zu versorgen. Die Spannung U2 wird deshalb im Standby-Betrieb von der Spannung U1 gestützt. Hierzu ist ein Umschalter 26 vorgesehen, durch den während des Standby-Betriebs der Anschluß 27 für die Spannung U2 mit dem Anschluß 14 verbunden wird. Vorzugsweise enthält der Umschalter 26 ei­ nen Transistor 28, dessen Basis über einen Widerstand 29 mit seinem Kollektor verbunden ist und über eine Zenerdiode 30 mit Sekundärmasse. Sinkt die Spannung U2 am Emitter des Tran­ sistors 28 unter die von der Zenerdiode 30 festgelegte Schwelle ab, wird Transistor 28 leitend. Die Spannung U2 wird dann von der Spannung U1 gestützt. Im Normalbetrieb ist die Spannung U2 mindestens so groß, daß der Transistor 28 gerade nicht eingeschaltet wird.

Zur Umschaltung von Normalbetrieb in den Standby-Betrieb wird von der Steuerungseinrichtung 12 an ihrem Ausgang 31 ein Si­ gnal erzeugt, das in den Optokoppler 17 eingespeist wird. Das Signal wird dabei der vom Anschluß 14 über Widerstand 15 und Zenerdiode 16 abgeleiteten Regelspannung additiv überlagert.

Der Steuerungseinrichtung 13 wird dadurch eine zu hohe, tat­ sächlich nicht vorliegende Sekundärspannung angezeigt. Die Steuerungseinrichtung 13 enthält ein Zeitglied, vorzugsweise einen Integrierer, der bei längerem Vorliegen dieses Zustands entscheidet, daß auf Standby-Betrieb umgeschaltet wird. Von der Steuerungseinrichtung 13 wird dann das Signal am Anschluß 21 zur Öffnung des Schalters 20 und Abschaltung des Brücken­ gleichrichters 6 aktiviert. Wenn die Emitterspannung von Transistor 28 die Schwellenspannung der Diode 30 unterschrei­ tet, kann die Spannung U2 durch Abfrage der Spannung U1 in der Einrichtung 12 und Erzeugung eines entsprechenden Steuer­ signals am Ausgang 31 der Steuerungseinrichtung 12 geregelt werden. Zur Umschaltung in den Normalbetrieb wird das Signal am Anschluß 31 abgeschaltet, so daß die Ausgangsspannungen wieder über die Zenerdiode 16 geregelt werden. Die Steuer­ schaltung 13 fährt dann zunächst an die obere Leistungsgrenze im Niederspannungs-Standby-Betrieb. Wenn nach Überschreiten einer bestimmten in der Steuerungseinrichtung 13 festgestell­ ten Zeitgrenze von der Steuerungseinrichtung 13 die Spannung U1 als unter dem Sollwert liegend festgestellt wird, wird das Signal am Anschluß 21 abgeschaltet und der Schalter 20 wieder geschlossen, so daß das Schaltnetzteil insgesamt in den Nor­ malbetrieb übergeht.

Als Phasenanschnittsteuerung 22 kann jede Steuerung verwendet werden, die die oben angegebene Funktion ausrührt. Vorteil­ hafterweise enthält die Phasenanschnittsteuerung einen MOS-Transistor 40, dessen Drain-Source-Strecke zwischen die Di­ oden 25, 23 geschaltet ist. Der Gateanschluß des Transistors 40 ist über einen Transistor 41 nach Masse geschaltet. Der Transistor 41 wird an seiner Basis von einem Spannungsteiler 43 angesteuert, durch den die eingangsseitig an der Phasenan­ schnittsteuerung anliegende Spannung abgefragt wird. An den Gateanschluß des Transistors 40 ist außerdem ein mit der Ein­ gangsseite der Phasenanschnittsteuerung verbundener Pull-up-Widerstand 42 vorgesehen. Wenn die an der Eingangsseite der Phasenanschnittsteuerung anliegende Spannung oberhalb der durch den Transistor 41 gebildeten Schaltschwelle liegt, wird das Gate des Transistors 40 auf Masse gezogen und der Ausgang 24 der Phasenanschnittsteuerung 22 ist abgeschaltet. Reicht die über den Spannungsteiler 43 an der Basis des Transistors 41 anliegende Spannung nicht aus, den Transistor 41 leitend zu steuern, wird der Transistor 40 über den Pull-up-Widerstand 42 leitend gesteuert und gibt die über Diode 25 gleich­ gerichtete Netzwechselspannung an Anschluß 24 weiter.

Die Erzeugung der primärseitigen Niederspannung für den Standby-Betrieb mittels kapazitiver Spannungsteilung ist in Fig. 2 gezeigt. Bei einer ersten Ausführungsalternative ge­ mäß Fig. 2 (a) wird ein Anschluß der primärseitigen Wech­ selspannung U1 über einen kapazitiven Spannungsteiler 50, 51 mit Primärmasse verbunden. Der Mittelabgriff des Spannungs­ teilers 50, 51 wird über Gleichrichterdioden 52, 53 einem Glättungskondensator 54 zugeführt, dessen Ausgangsspannung mit einer Zenerdiode 55 begrenzt wird. Der Abgriff 24 an der Zenerdiode 55 entspricht dem Anschluß 24 in Fig. 1 und dient unter Zwischenschaltung der Diode 23 zum Anschluß an den Glättungskondensator 7. Eine mit den Elementen 50 bis 53 gleichartig aufgebaute Schaltung kann auch für den anderen Anschluß der Wechselspannung zur Einkopplung in den Kondensa­ tor 54 vorgesehen werden.

Nach einer anderen Realisierungsalternative des zweiten Aus­ führungsbeispiels ist gemäß Fig. 2 (b) ein Brückengleich­ richter 60 vorgesehen, dessen Wechselspannungsanschlüsse über je einen Kondensator 61, 62 mit den Anschlüssen für die pri­ märseitige Wechselspannung U1 verbunden sind. Am Ausgang des Brückengleichrichters 60 ist wiederum ein Glättungskondensa­ tor 63 sowie eine spannungsbegrenzende Zenerdiode 64 angeord­ net, an der der Anschluß 24 abgegriffen wird. Die Kondensato­ ren 50, 51 bzw. 61, 62 sind als sogenannte X-Kondensatoren realisiert, die ansonsten zur Entstörung und Filterung von Rückwirkungen der Schaltfrequenz des Schaltnetzteils in das Stromnetz verwendet werden.

Anstelle der Phasenanschnittsteuerung 22 oder der in Fig. 2 gezeigten kapazitiven Spannungsteilung kann zur Erzeugung ei­ ner Niederspannung am Anschluß 24 auch ein sogenannter Tief­ setzsteller verwendet werden. Ein Tiefsetzsteller erzeugt aus der eingangsseitigen Netzwechselspannung U1 durch taktweises Anlegen dieser Spannung an ein induktives Element und an­ schließende Glättung eine verringerte Spannung. Ein Prinzip­ schaltbild zur Realisierung eines Tiefsetzstellers ist bei­ spielsweise in der Literaturstelle Tietze, Schenk: "Halbleiterschaltungstechnik", 9. Auflage, 1991, Seite 563, Abb. 18, 34 und Seite 564, Abb. 18, 37 beschrieben.

Claims (8)

1. Schaltnetzteil enthaltend einen Transformator (1), der mit einer gleichgerichteten Spannung taktweise versorgt wird und ausgangsseitig zur Versorgung einer Last dient, gekennzeichnet durch Mittel (20 . . . 25; 50 . . . 55; 61 . . . 64), durch die die gleichge­ richtete Spannung aus einer Wechselspannung (U1) derart er­ zeugt wird, daß sie in einem ersten Betriebszustand für hohe zu versorgende Last einen ersten Wert aufweist und in einem zweiten Betriebszustand für niedrige zu versorgende Last ei­ nen zweiten, niedrigeren Wert aufweist.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (22 . . . 25, 40 . . . 43), durch die während des ersten Be­ triebszustands nur während ersten Phasenabschnitten, die den Spannungsnulldurchgang der Wechselspannung (U1) enthalten, ein die gleichgerichtete Spannung bereitstellender Glättungs­ kondensator (7) geladen wird, und während zweiten Phasenab­ schnitten nicht geladen wird.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Gleichrichter (6) vorgesehen ist, der eingangssei­ tig über Schaltmittel (20) mit Anschlüssen für die Wechsel­ spannung (U1) verbunden ist und ausgangsseitig mit dem Glät­ tungskondensator (7), und daß der Glättungskondensator (7) über einen zweiten Pfad, der einen zweiten Gleichrichter (25) und eine Phasenanschnittsteuerung (22, 40 . . . 43) enthält, mit den Anschlüssen für die Wechselspannung (U1) verbunden ist und daß die Schaltmittel (20) von einem den Betriebszustand angebenden Signal (21) gesteuert werden.

4. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Gleichrichter (6) vorgesehen ist, der eingangssei­ tig über Schaltmittel (20) mit Anschlüssen für die Wechsel­ spannung (U1) verbunden ist, und ein zweiter Gleichrichter (52, 53; 60), der eingangsseitig über Mittel zur kapazitiven Spannungsteilung (50, 51; 61, 62) mit den Anschlüssen für die Wechselspannung (U1) verbunden ist, daß die Gleichrichter ausgangsseitig mit dem Glättungskondensator (7) verbunden sind und daß die Schaltmittel (20) von einem den Betriebszu­ stand angebenden Signal (21) gesteuert werden.

5. Schaltnetzteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gleichrichter ein Brückengleichrichter (60) ist, dessen Wechselspannungsanschlüsse über je einen Kondensator (61, 62) von der Wechselspannung (U1) gespeist werden.

6. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (1) eine erste Sekundärwicklung (3) auf­ weist, an die die Last anschließbar ist, und eine zweite Sekundärwicklung (4), von der während des ersten Betriebszu­ stands eine Steuerungseinrichtung (12) versorgt wird, daß durch die Steuerungseinrichtung (12) in Abhängigkeit von der zu versorgenden Last eine Umschaltung zwischen den Betriebs­ zuständen steuerbar ist, und daß eine Umschalteinrichtung (26) vorgesehen ist, durch die die Spannungsversorgung der Steuerungseinrichtung (12) während des zweiten Betriebszu­ stands auf die erste Sekundärwicklung (3) umgeschaltet wird.

7. Schaltnetzteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung (12) einen Empfänger und Befehlsde­ koder für eine Fernbedienung umfaßt.

8. Schaltnetzteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß von einer der Sekundärwicklungen (3, 4) ein an die im ersten Betriebszustand zu regelnde Ausgangsspannung gekoppeltes Re­ gelsignal abgegriffen wird, und daß von der Steuerungsein­ richtung (12) zur Umschaltung in den zweiten Betriebszustand ein Signal erzeugt wird, das dem Regelsignal additiv überla­ gert wird.