DE202006010911U1

DE202006010911U1 - Schaltnetzteil, insbesondere Weltbereichsnetzteil für Messumformer

Info

Publication number: DE202006010911U1
Application number: DE200620010911
Authority: DE
Original assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Current assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2016-07-15

Abstract

Schaltnetzteil, insbesondere Weitbereichsnetzteil zur Versorgung von Messumformern in schmalbauenden Anreihgehäusen, umfassend
– einen Netzgleichrichter (1),
– einen Eingangsfilter (2),
– einen Schaltregler (3) und
– eine Potentialtrennung (4),
gekennzeichnet durch
– eine Auslegung der Baulelemente von Eingangsfilter (2) und Schaltregler (3) derart, dass ohne Funktionsbeeinträchtigung der Bauelemente
– energiereiche Signale mir einer Grenzspannung bis maximal 1 kV zuführbar sind, und
– energiearme Signale mit einer gegenüber der Grenzspannung höheren Spannung durch eine Spannungsbegrenzung absorbierbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil, insbesondere ein Weitbereichsnetzteil zur Versorgung von Messumformern in schmal bauenden, insbesondere 6 mm breiten Anreihgehäusen, wie sie z.B. für Temperaturmessumformer mit kleiner Leistung eingesetzt werden.
Das technische Problem der Erfindung besteht darin, dass das Netzteil in einem 6 mm breiten Anreihgehäuse aufgebaut werden soll, wobei die Bestückungshöhe auf der Leiterplatte nur maximal 4 mm beträgt. Das Netzteil soll eingangsseitig alle weltweit üblichen Spannungen im Bereich 18...253 V AC/DC verarbeiten können und gleichzeitig Schutz gegen gefährliche Körperströme durch sichere Trennung für Arbeitsspannungen bis 300 V AC/DC gewährleisten. Die Anforderungen für eine solche sichere Trennung werden in der DIN EN 61010-1 „Sicherheitsbestimmungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte" beschrieben.
Überdies müssen die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit, insbesondere die Immunität gegen transiente energiereiche Störgrößen (Surge) bis 1 kV, erfüllt werden.
Schließlich soll auf der gleichen Leiterplatte ein kompletter Messumformer mit galvanischer Trennung, z.B. ein Temperaturmessumformer, aufgebaut werden, so dass für das gesamte Netzteil nur eine Fläche von maximal 4 cm² zur Verfügung steht.
Eine besondere Schwierigkeit bei der Konstruktion eines entsprechenden Netzteils ergibt sich durch das Auftreten von breitbandigen, energiereichen Störungen im μs-Bereich, die in Energieversorgungsnetzen auftreten können. Diese Überspannungen können z.B. infolge galvanischer oder induktiver Einkoppelungen atmosphärischer Entladungen (Blitze) oder durch Schalthandlungen in Elektroenergiesystemen entstehen. Sie breiten sich über Netz- und Datenleitungen aus. Diese Stoßspannungen können angeschlossene Betriebsmittel oder Bauelemente stören oder sogar zerstören. Die verwendeten Betriebsmittel müssen daher gegenüber derartigen Stoßspannungen eine hohe Immunität aufweisen. Insbesondere dürfen keine Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens oder kein Funktionsverlust auftreten.
Zur Prüfung der geforderten Immunität wird ein sog. Kombinations-Impulsgenerator, auch als Hybridgenerator bezeichnet, eingesetzt. Diese Bezeichnung resultiert aus dem Verhalten des Generators, beim Leerlauf einen so bezeichneten 1,2/50 μs-Spannungsimpuls und beim Kurzschluß einen 8/20 μs-Stromimpuls abzugeben. Beide Impulse werden durch die Parameter Anstiegszeit und Halbwertzeit definiert. Der Prüfgenerator erzeugt also einen Spannungsimpuls mit einer Anstiegszeit von 1,2 μs und einer Rücken-Halbwertzeit von 50 μs sowie im Kurzschlußbetrieb einen Stromimpuls von 8 μs Anstiegszeit und einer Rücken-Halbwertzeit von 20 μs. Die Impedanz der Störquelle für symmetrische Einkopplung auf den Versorgungsleitungen beträgt 2 Ohm und für asymmetrische Einkopplung auf den Versorgungsleitungen 12 Ohm.
Der Prüfimpuls wird zwischen den Leitern (symmetrische Einkopplung) und zwischen jedem Leiter und Erde (asymmetrische Einkopplung) ange legt. Um alle kritischen Punkte im Arbeitszyklus des Prüflings zu ermitteln, wird die Prüfung mehrmals mit jeder Polarität und jedesmal mit einer anderen Position (Phasenwinkel) der Netzspannungswelle durchgeführt. Bei einer maximalen Netzspannung von 253 V × √2 = 358 V und einer Prüfimpuls-Amplitude von 1000 V entstehen bei den Amplitudenmaxima der Netzspannung (Phasenwinkel 90 ° bzw. 270 °) Spitzenspannungen von ca. 1400 V.
Es wird offensichtlich, dass bei symmetrischer Einkopplung sehr hohe Spannungsspitzen im Eingangskreis des Netzteiles entstehen. In herkömmlichen Netzteilen werden diese hochenergetischen Störimpulse durch spannungsbegrenzende Bauelemente mit relativ großen Abmessungen in ihrer Spannungshöhe begrenzt und/oder durch Überspannungsableiter bzw. Tyristorbegrenzer kurzgeschlossen und/oder von großen Kondensatoren abgefangen, so daß die nachgeschalteten Schaltungsteile nicht zerstört werden können. Dieser Stand der Technik ist in einem 6-mm-Gehäuse aus Platzgründen nicht realisierbar bzw. führt durch den großen Folgestrom der Kurzschlusselemente innerhalb von Elektroenergiesystemen zu Problemen, da hierbei wiederum transiente Störspannungen erzeugt werden können.
Ausgehend von der geschilderten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil und insbesondere ein Weitbereichsnetzteil zur Versorgung von Messumformern zu schaffen, das einen besonders geringen Platzbedarf insbesondere zur Unterbringung in schmal bauenden Anreihgehäusen von beispielsweise maximal 6 mm Breite hat.
Diese Aufgabe wird laut Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 durch eine spezielle Auslegung der Bauelemente von Eingangsfilter und Schaltregler gelöst. Demnach sind diese Bauelemente so ausgelegt, dass energiereiche Signale mit einer Grenzspannung bis maximal 1 kV ohne Funktionsbeeinträchtigung der Bauelemente zuführbar sind. Energiearme Signale mit einer gegenüber der vorstehenden Grenzspannung höheren Spannung sind durch eine entsprechende Spannungsbegrenzung absorbierbar.
Aufgrund der vorstehenden Auslegung erfüllt das Schaltnetzteil die eingangs erörterten Prüfkriterien, ohne im Eingangsteil spannungsbegrenzende Bauelemente mit relativ großen Abmessungen für die hochenergetischen Störimpulse einsetzen zu müssen. Dadurch wird die aufgabengemäße Miniaturisierung des Schaltnetzkreises erst möglich.
Bevorzugte Ausführungsformen des Schaltnetzteiles sind in den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale und Vorteile anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung erörtert werden. Diese
1 zeigt ein schematisiertes Schaltungsdiagramm eines Schaltnetzteils.
Das gezeigte Schaltnetzteil besteht aus vier Basisteilen, nämlich einem eingangsseitigen Netzgleichrichter 1, einer diesem nachgeschalteten Eingangsfilteranordnung 2, dem eigentlichen Schaltregler 3 und einer Potentialtrennung 4 zwischen Eingang und Ausgang des Schaltnetzteils. Bei dem an die Anschlussklemmen 5, 6 geschalteten Netzgleichrichter 1 handelt es sich um einen Brückengleichrichter mit einer Spannungsfestigkeit von 1,4 kV. Die sich daran anschließende Eingangsfilteranordnung 2 besteht aus zwei LC-Filtern, nämlich den Filtern L₁C₁ und L₂C₂. Die L-Anteile L₁, L₂ dieser Filter sind durch drahtbewickelte Drosseln realisiert, die die netzseitige Störspannung und den Eingangsstrom durch ihren Gleichstrom-Widerstand bei sogenannten Surge-Impulsen verringert. Die Drosseln werden damit als Sicherungselement genutzt.
Die Kondensatoren C₁, C₂ der beiden LC-Filter weisen jeweils eine Spannungsfestigkeit von 1 kV auf und sind als X7R-Keramik-Kondensatoren realisiert. Für die Auslegung der Eingangsfilteranordnung 2 ist es wichtig, Resonanzen, die durch steilflankige Netzstörimpulse entstehen können, zu vermeiden.
Der Schaltregler 3 ist grundsätzlich als Flyback-Wandler auf der Basis einer Pulsweitenmodulation PWM, einem Halbleiterschaltelement 7, einem Speichertransformator 8 und einem Gleichrichter D₂ mit Ausgangskondensator C₃ aufgebaut. Eine ferner vorhandene Startup-Schaltung ist explizit in der 1 nicht dargestellt.
Der Schaltregler 3 arbeitet als Flyback-Wandler im Strommodus, wobei der primärseitige Strom des Speichertransformators 8 über einen (hier nicht dargestellten) Widerstand gemessen und das resultierende Dreieck-Signal als Grundlage für die Regelung herangezogen wird. Durch eine nicht näher dargestellte Beschaltung wird eine geringere Taktfrequenz im Flyback-Wandler erzielt, was bei höheren Versorgungsspannungen eine geringere Verlustleistung zur Folge hat. Gleichzeitig wird eine Variation der Schalt frequenz bei AC-Versorgungsspannungen erreicht, womit günstigere EMV-Eigenschaften bewirkt werden.
Als Halbleiterschaltelement 7 wird ein IGBT (= insolated gate bipolar transistor) mit einer Spannungsfestigkeit von 1,2 kV eingesetzt. Mit diesem Bauteil sind Schaltzeiten von ca. 30 ns realisierbar. Um keine Einbußen im Wirkungsgrad des Schaltreglers 3 hinnehmen zu müssen, muss die Sperrverzugszeit der Gleichrichterdiode D₂ in der gleichen Größenordnung liegen. Aus Spezifikationsgründen ist damit die Auswahl der Diodentypen für den Gleichrichter D₂ auf Dioden mit einer maximalen Sperrspannung von 600 V begrenzt. Dies bedingt, dass der Speichertransformator 8 bei einer maximalen primärseitigen Spannung von 1000 V ein Übersetzungsverhältnis von 1:2 haben muss, um die Gleichrichterdiode D₂ nicht zu schädigen.
Die Potentialtrennung 4 wird durch einen 1:1-Übertrager 9 realisiert, der mit Hilfe eines als Schmitt-Trigger-Inverter aufgebauten Oszillators angesteuert ist. Am Ausgang des Übertragers 9 wird die zu versorgende Last R_L angeschlossen.

Claims

Schaltnetzteil, insbesondere Weitbereichsnetzteil zur Versorgung von Messumformern in schmalbauenden Anreihgehäusen, umfassend – einen Netzgleichrichter (1), – einen Eingangsfilter (2), – einen Schaltregler (3) und – eine Potentialtrennung (4), gekennzeichnet durch – eine Auslegung der Baulelemente von Eingangsfilter (2) und Schaltregler (3) derart, dass ohne Funktionsbeeinträchtigung der Bauelemente – energiereiche Signale mir einer Grenzspannung bis maximal 1 kV zuführbar sind, und – energiearme Signale mit einer gegenüber der Grenzspannung höheren Spannung durch eine Spannungsbegrenzung absorbierbar sind.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Netzgleichrichter (1) ein Brückengleichrichter mit einer Spannungsfestigkeit im kV-Bereich, vorzugsweise von 1,4 kV ist.
Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsfilter (2) aus zwei LC-Filtern aufgebaut ist.
Schaltnetzteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der L-Anteil (L₁, L₂) der LC-Filter aus drahtbewickelten Drosseln besteht.
Schaltnetzteil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der C-Anteil (C₁, C₂) der LC-Filter durch Keramik-Kondensatoren mit einer Spannungfestigkeit von vorzugsweise 1 kV realisiert ist.
Schaltnetzteil nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltregler (3) als Flyback-Wandler mit Pulsweitenmodulation (PWM), Halbleiterschaltelement (7), Speichertransformator (8) und Gleichrichter (D₂) aufgebaut ist.
Schaltnetzteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltelement (7) ein IGBT mir einer Spannungsfestigkeit von vorzugsweise 1,2 kV eingesetzt ist.
Schaltnetzteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Speichertransformator (8) ein Übersetzungsverhältnis von mindestens 1:2 aufweist.
Schaltnetzteil nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertrager (9) zur Potentialtrennung ein 1:1-Übertrager ist.