DE19739178A1

DE19739178A1 - Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE19739178A1
Application number: DE19739178A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Preller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 1999-03-11
Also published as: WO1999012251A1; TW402833B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil mit einer Gleichrichteranordnung, die an ihrem Ausgang eine gleichge richtete Spannung liefert, einem Transformator mit einer Pri märwicklung und einer Sekundärwicklung zum Anschluß einer Last, einem Schalttransistor zum getakteten Anlegen der gleichgerichteten Spannung an die Primärwicklung und einer Strompumpe zur sinusförmigen Stromaufnahme, die zwischen dem Ausgang der Gleichrichteranordnung und der Primärwicklung ge schaltet ist.

Bei einem Schaltnetzteil wird bekanntlich der durch die Pri märwicklung des Schaltnetzteiltransformators fließende Strom mittels des Schalttransistors zerhackt. Die auf der Sekundär seite des Transformators induzierten Spannungsimpulse werden gleichgerichtet und geglättet, um eine Last mit Gleichspan nung zu versorgen. Die Ein- und Ausschaltphasen des Schalt transistors werden in Abhängigkeit von der Belastung derart gesteuert, daß eine möglichst lastunabhängige, konstant aus geregelte Sekundärspannung vorliegt.

Infolge der hohen Schaltfrequenz des Schalttransistors von mehr als 20 kHz entstehen Störspannungen im Hochfrequenzbe reich. Diese Störspannungen können in das Versorgungsnetz gelangen und andere Geräte, beispielsweise Rundfunkempfänger, stören. Gemäß den geltenden Vorschriften zur elektromagneti schen Verträglichkeit (EMV) müssen die Störspannungen in aus reichendem Maße weggefiltert werden. Diese Filterung macht einen schaltungstechnischen Mehraufwand notwendig. Insbeson dere bei Schaltnetzteilen mit sinusförmiger Stromaufnahme ist ein aufwendigeres Netzeingangsfilter notwendig. Zukünftig wird bei Schaltnetzteilen Sinusstromaufnahme gesetzlich vor geschrieben sein.

In Fig. 1 ist eine Eingangsschaltung eines Schaltnetzteils mit Sinusstromaufnahme dargestellt. Bei dieser Eingangsschal tung sorgt eine Strompumpe für eine sinusförmige Stromauf nahme des Schaltnetzteils. Sie besteht in diesem Beispiel aus aus einer Drossel 12, einem Pumpkondensator 13 und einer Diode 14. Weiterhin sieht die Eingangsschaltung nach Fig. 1, wie bei Schaltnetzteilen üblich, einen Schalttransistor 17 einen Transformator, von dem nur die Primärwicklung 16 eingezeichnet ist, einen Glättungskondensator 15 und einen Brückengleichrichter 6 vor. Die Sekundärseite des Transformators (in Fig. 1 nicht dargestellt) ist an eine Last anschließbar.

Die Strompumpe nimmt immer dann Strom vom Brückengleichrich ter 6 auf, wenn der Schalttransistor 17 eingeschaltet ist und gibt den geladenen Strom 15 wieder ab, wenn der Schalttransistor 17 sperrt. Zur weiteren Erläuterung der Strompumpe sei auf die deutsche Patentschrift DE 42 38 808 und die britische Schrift GB 2 261 331 A verwiesen.

In der Eingangsschaltung nach Fig. 1 ist das Netzeingangs filter zur Filterung der erwähnten Störspannungen links vom Brückengleichrichter 6 angeordnet. Bei dieser Eingangsschaltung besteht das Netzeingangsfilter aus einer Kerndrossel 3 sowie an ihr eingangs- und ausgangsseitig angeschlossenen Kondensatoren. Diese müssen je nach Anwendungsfall bis zu je 1 µF Kapazität aufweisen. Aufgrund der Spannungsfestigkeit werden für die Kondensatoren des Netzeingangsfilters sogenannte X-Kondensatoren gewählt. Auf sie entfällt ein großer Kostenanteil des Netzeingangsfilters.

Wegen der großen Gesamtkapazität der X-Kondensatoren kann ein Ableitwiderstand 1 notwendig sein, um beim Ausstecken des vom Schaltnetzteil versorgten Gerätes gefährliche Entladestrom stöße am Netzstecker zu vermeiden.

Durch das Schalten des Schalttransistors mit hoher Frequenz entstehen steile Spannungsflanken, die über den Pumpkondensa tor 13 zum gemeinsamen Verbindungspunkt der Drossel 12 und der Diode 14 gelangen. Von dort aus breiten sich die Hochfre quenzstörungen, die auch als X-Störungen bezeichnet werden, über die Drossel 12 und die parasitären Kapazitäten des Brücken gleichrichters 6 zum Eingangsnetzfilter aus. Die erforderlichen X-Kondensatoren dort sind groß und teuer. Außerdem be wirkt der hohe Blindstrom durch die X-Kondensatoren eine Unsymmetrie des Netzeingangsstromes. Zudem verbraucht der Entladewiderstand zusätzliche Verlustleistung, die besonders im Stand-by-Betrieb sehr unerwünscht ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schaltnetzteil anzugeben, das eine wirkungsvolle Filterung der Störspannungen erlaubt, und die erwähnten Nachteile überwindet.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß zwischen der Gleichrichteranordnung und der Strompumpe eine Filterschal tung vorgesehen ist.

Das erfindungsgemäße Schaltnetzteil hat den Vorteil, daß die Kondensatoren des Eingangsfilters bei gleicher Filterwirkung wie bei herkömmlichen Schaltnetzteilen mit sinusförmiger Stromaufnahme erheblich geringere Kapazität aufweisen müssen. Beträgt beispielsweise die Gesamtkapazität der vor und hinter die Kerndrossel geschalteten Kondensatoren gemäß Fig. 1 3 µF, so genügen bei einem Eingangsfilter eines erfindungsge mäßen Schaltnetzteils 1 µF bis 1,5 µF. Infolge der geringeren Gesamtkapazität treten auch kleinere Entladestromstöße an den Eingangsklemmen des Schaltnetzteils auf. Der Ableitwiderstand 1 kann daher bei einem erfindungsgemäßen Schaltnetzteil ent fallen oder wesentlich hochohmiger dimensioniert werden. Das wiederum bewirkt eine Senkung der Verlustleistung.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich für die Wahl der Gleichrich teranordnung. Ein dafür üblicherweise eingesetzter Brücken gleichrichter wird durch die erfindungsgemäße Filterschaltung von einem großen Teil der Hochfrequenzbelastung befreit. Er erwärmt sich auf eine nur geringe Temperatur und der Aufwand für eine thermische Ableitung fällt entsprechend niedrig aus.

Wegen der geringeren Hochfrequenzbelastung des Brückengleich richters sind die Hochfrequenzanforderungen an ihn nicht so groß. Für das erfindungsgemäße Schaltnetzteil eignen sich gleichermaßen Brückengleichrichter mit langsameren und damit billigeren Dioden.

Gegenüber einem herkömmlichen Schaltnetzteil mit sinusförmi ger Stromaufnahme können die Gesamtkosten beim erfindungsge mäßen Schaltnetzteil gesenkt werden.

Die Filterschaltung, die zwischen der Gleichrichteranordnung und der Strompumpe vorgesehen ist, enthält vorzugsweise eine Filterdiode, die mit einer Filterkapazität verbunden ist. Die parasitäre Kapazität der Filterdiode wirkt mit der Filterka pazität als kapazitiver Spannungsteiler, der die vorhandene Hochfrequenzspannung herunterteilt.

Zur weiteren Dämpfung der Hochfrequenzstörungen ist vorzugs weise zwischen der Filterschaltung und der Strompumpe eine Siebkapazität oder eine Reihenschaltung aus einer Siebkapazi tät und einem Siebwiderstand geschaltet.

Weitere vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in Un teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Entsprechende Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:

Fig. 1 eine Eingangsschaltung eines herkömmlichen Schalt netzteils mit Strompumpe zur sinusförmigen Stromauf nahme und

Fig. 2 das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltnetz teils.

Beim Schaltnetzteil nach Fig. 1 besteht die Strompumpe aus einer Drossel 12, einem Pumpkondensator 13 und einer Diode 14. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform der Strompumpe beschränkt. Auch andere Ausführungsformen der Strompumpe, die zur sinusförmigen Stromaufnahme des Schalt netzteils dienen, sind von der Erfindung umfaßt.

Links von einem Brückengleichrichter 6 befindet sich ein Ein gangsfilter. Es weist eine stromkompensierte Ferritkerndros sel 3 sowie vom Eingang des Schaltnetzteils gesehen vor der Ferritkerndrossel 3 einen Ableitwiderstand 1 und einen ersten Eingangskondensator 2 auf. Nach der Ferritkerndrossel 3 be findet sich ein zweiter Eingangskondensator 4, 5 der in Fig. 1 als Parallelschaltung aus den Kondensatoren 4 und 5 darge stellt ist. Die Eingangskondensatoren 2 und 4, 5 müssen auf grund der Anforderungen an die Spannungsfestigkeit sogenannte X-Kondensatoren sein. Diese gegenüber herkömmlichen Kondensatoren teueren X-Kondensatoren liegen nur in wenigen Normreihen vor. Höhere Kapazitätswerte werden durch Parallel schaltung der X-Kondensatoren erreicht. Die in Fig. 1 einge tragenen X-Kondensatoren weisen beispielsweise eine Kapazität von jeweils 1 µF auf.

In Fig. 2 ist die Eingangsschaltung eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils gezeigt. Die Eingangsschaltung nach Fig. 2 schließt ebenfalls die Ferritkerndrossel 3, einen Gleichrich teranordnung 6, den Glättungskondensator 15, die Primärwick lung 16 und den Schalttransistor 17 ein. Die Primärwicklung 16 bildet zusammen mit einer Sekundärwicklung, an die eine Last anschließbar ist, einen Transformator. Von dem Transformator ist lediglich die Primärwicklung 16 in der Fig. 2 eingetragen.

Als Beispiel für eine Strompumpe ist auch hier eine Anordnung aus der Drossel 12, dem Pumpkondensator 13 und der Diode 14 angegeben. Die Ferritkerndrossel 3 weist zwei Spulen auf, die durch einen Ferritkern elektromagnetisch gekoppelt sind. Die Spulen sind jeweils mit einem Eingangsanschluß dem Schaltnetzteils und einem Eingangsanschluß der Gleichrichteranordnung 6 verbunden. Zu den Eingangsanschlüssen des Schaltnetzteils ist ein dritter Eingangskondensator 7 und zu den Eingangsanschlüssen der Gleichrichteranordnung 6 ein vierter Eingangskondensator 8 parallel geschaltet.

Zwischen der Gleichrichteranordnung 6 und der Strompumpe 12, 13, 14 ist eine Filterschaltung 9, 10 vorgesehen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält die Strompumpe die Drossel 12 und eine Serienschaltung aus dem Pumpkondensator 13 und der Diode 14. Die Serienschaltung 13, 14 ist parallel zu der Primärwicklung 16 geschaltet. Die Drossel 12 ist mit dem einen Ende mit dem gemeinsamen Anschluß des Pumpkondensators 13 und der Diode 14 verbunden. Die Filterschaltung 9, 10 ist an das andere Ende der Drossel 12 angeschlossen. Die Filterschaltung ist hier als eine Anordnung aus einer Filterkapazität 9 und einer Filterdiode 10 ausgeführt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Filterdiode 10 mit der Anode an der Ausgangsklemme der Gleichrichteranordnung 6 angeschlossen, an der der positive Betrag der gleichgerichteten Spannung der Gleichrichteranordnung 6 anliegt, und mit der Kathode mit dem anderen Ende der Drossel 12 verbunden. Die weitere Ausgangsklemme der Gleichrichteranordnung 6 dient als Anschluß für ein Bezugspotential 18.

Die Filterkapazität 9 verbindet die Ausgangsanschlüsse der Gleichrichteranordnung 6. Die Filterkapazität 9 ist also im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dem einen Anschluß an die Anode der Filterdiode 10 und mit dem anderen Anschluß an das Bezugspotential 18 angeschlossen.

Desweiteren kann beim erfindungsgemäßen Schaltnetzteil ein Siebglied vorgesehen sein, das sich zwischen der Filterschal tung 9, 10 und der Strompumpe 12, 13, 14 befindet. Das Sieb glied kann beispielsweise eine Siebkapazität 11 einschließen, die zwischen dem anderen Ende der Drossel 12 und dem Bezugs potential 18 vorgesehen ist. Es kann aber auch eine Reihen schaltung aus der Siebkapazität 11 und einem Siebwiderstand 19 aufweisen. In diesem Fall ist die Reihenschaltung 11, 19 zwischen das andere Ende der Drossel 12 und das Bezugspoten tial 18 geschaltet.

Die folgende Tabelle listet typische Werte der genannten Kon densatoren auf:

- dritter Eingangskondensator 7: 0,68 µF
- vierter Eingangskondensator 8: 0,47 µF
- Filterkapazität 9: 1,5 µF
- Siebkapazität 11: 1 µF

Der dritte und der vierte Eingangskondensator

7

,

8

sind übli cherweise als X-Kondensatoren ausgeführt. Der Filterkondensa tor

9

kann beispielsweise ein Elektrolytkondensator sein. Um eine gute Hochfrequenzfilterwirkung zu erreichen, ist vorzugsweise für die Filterdiode

10

ein schnellsperrender Typ zu wählen.

Die zusätzliche Filterkapazität 9 verursacht Mehrkosten. Diese werden jedoch mehr als nur kompensiert durch die Ver wendung von X-Kondensatoren mit geringerer Kapazität. Ebenso erlaubt die zusätzliche Filterdiode 10 die Verwendung einer billigeren Gleichrichteranordnung 6.

Die durch das Schalten mit hoher Frequenz des Schalttransi stors 17 entstehenden steilen Spannungsflanken gelangen über den Pumpkondensator 13 und die Drossel 12 zur Filterschaltung 9, 10. Die parasitäre Kapazität der Filterdiode 10 in Serie mit der Filterkapazität 9 wirkt als kapazitiver Signalteiler, der die vorhandene Hochfrequenzspannung herunterteilt. Die Filterdiode 10 verhindert, daß der Rückstrom durch die Drossel 12 auf die Filterkapazität 9 fließen kann und die Wirkung der Strompumpe 12, 13, 14 beeinträchtigt.

Claims

1. Schaltnetzteil mit

- einer Gleichrichteranordnung (6), die an ihrem Ausgang eine gleichgerichtete Spannung liefert,
- einem Transformator mit einer Primärwicklung (16) und einer Sekundärwicklung zum Anschluß einer Last,
- einem Schalttransistor (17) zum getakteten Anlegen der gleichgerichteten Spannung an die Primärwicklung (16) und
- einer Strompumpe (12, 13, 14) zur sinusförmigen Strom aufnahme, die zwischen den Ausgang der Gleichrichteranordnung (6) und die Primärwicklung (16) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gleichrichteranordnung (6) und der Strom pumpe (12, 13, 14) eine Filterschaltung (9, 10) vorgesehen ist.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschaltung (9, 10) eine mit einer Filterdiode (10) verbundene Filterkapazität (9) enthält.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkapazität (9) die Ausgangsanschlüsse der Gleichrichteranordnung (6) verbindet.

4. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Filterschaltung (9, 10) und der Strompumpe (12, 13, 14) eine Siebkapazität (11) vorgesehen ist, die mit einem Bezugspotential (18) verbunden ist.

5. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Filterschaltung (9, 10) und der Strompumpe (12, 13, 14) eine Reihenschaltung aus einer Siebkapazität (11) und einem Siebwiderstand (19) vorgesehen ist, die mit einem Bezugspotential (18) verbunden ist.

6. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichteranordnung (6) eingangsseitig mit einem Eingangsfilter (3, 7, 8) verbunden ist.

7. Schaltnetzteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsfilter (3, 7, 8) eine Drossel (3), die je weils eingangs- und ausgangsseitig mit einem Eingangskonden sator (7, 8) verbunden ist, einschließt.