DE2435392A1 - Schaltungsanordnung zum netzgetrennten betrieb von elektronischen geraeten, insbesondere rundfunk- und fernsehgeraeten - Google Patents

Schaltungsanordnung zum netzgetrennten betrieb von elektronischen geraeten, insbesondere rundfunk- und fernsehgeraeten

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DE2435392A1
DE2435392A1 DE2435392A DE2435392A DE2435392A1 DE 2435392 A1 DE2435392 A1 DE 2435392A1 DE 2435392 A DE2435392 A DE 2435392A DE 2435392 A DE2435392 A DE 2435392A DE 2435392 A1 DE2435392 A1 DE 2435392A1
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Description

1™^ ι ' ' f —''j
Standard Elektrik Lorenz AG,
Stuttgart
W. Schröder-74
Schaltungsanordnung zum netzgetrennten Betrieb von elektronischen Geräten, insbesondere
Rundfunk- und Fernsehgeräten
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum netzgetrennten Betrieb von elektronischen Geräten, insbesondere Rundfunk- und Fernsehgeräten.
Als "Netz" wird dabei die Speisespannungsquelle des elektronischen Gerätes bezeichnet. Die Speisespannung kann eine Gleich- oder Wechselspannung sein. Eäufig wird dabei eine Potentialtrennung zwischen dem Versorgungsnetz, das beispielsweise mit der?. Erdpotential verbunden sein kann, und dem elektronischen Gerät gefordert. Die Potentialtrennung dient verschiedenen Zwecken, wie dem Fernhalten unerwünschter Störpotentiale, der galvanischen, kapazitiven oder induktiven Entkopplung und insbesondere der Sicherheitsentkopplung gegen berührungsgefährliche Spannungen. Die Trennschaltung kann auch zwischen zwei elektronischen Geräten angeordnet sein, wie z.B. zwischen einem Verstärker und einem Lautsprecher.
Es gibt viele bekannte Schaltungen, die eine Potent!altrennung bewirken. Dazu gehören auch kapazitive Entkopplungsschaltungen, die jedoch den Nachteil besitzen, zu einer sicherheitsnäßigen Trennung untauglich zu sein, sobald die entnehmbare Leistung einen relativ geringen Wert (z.B. 1 Watt bei 50 Hz Wechselspannung) überschreitet. Für die übertragung höherer Leistungen bei gleichzeitiger Potentialtren-
16. Juli 1974 ./.
str/mü
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nung ist es bisher nur bekannt. Transformatoren einzusetzen. Als Hauptnachteile sind dabei störend:
1. Leistungsverluste
2. zu großes Gewicht
3. zu großer Raumbedarf
4. Frequenzabhängigkeit
5. Wickelkapazitäten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine transformatorlose, rein elektronische Netztrennung für Rundfunk- und Fernsehgeräte zu schaffen, die außerdem gleichzeitig den einschlägigen Sicherheitsbestimmungen genügt.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein kapazitiver und/oder induktiver Energiespeicher von einer elektronischen Schaltergruppe oder von zwei elektronischen Schaltergruppen allpolig abxtfechselnd an das Versorgungsnetz und an den Verbraucher geschaltet wird, derart, daß bei Verwendung zweier elektronischer Schaltergruppen jeweils eine den Energiespeicher vom Netz bzw. vom Verbraucher trennt, während die andere Gruppe ihn verbindet, und die Steuarelektroden der elektronischen Schaltergruppen an eine Steuerschaltung angeschlossen sind, welche für beide Gruppen gogensinnig wirkende Schaltsignale aufbereitet, die vorzugsweise mittels elektrischer, kapazitiver, magnetischer oder fotoelektrischer Kopplungsanordnungen aus Netz-, Energiespeicherund/oder Verbraucherstrom und/oder -Spannung abgeleitet sind und daß bei Verwendung nur einer elektronischen Schaltergruppe (anstelle der zwei elektronischen Schaltergruppen) entweder nur die zweite elektronische Schaltergruppe vorgesehen ist und der Energiespeicher im Betriebszustand dauernd mit dem Netz verbunden ist und über die elektronische Schaltergruppe durch ein Schaltsignal allpolig an den Verbraucher geschaltet und in den Schaltsignalpausen allpolig vom Verbraucher getrennt wird, und
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daß das Schaltsignal in der Steuerschaltung aus der Netzspannung erzeugt wird, synchron zur Netzspannungsphase, sowie asynchron oder synchron zur Netzfrequenz, und daß die Steuer- oder Schwellwertschaltung so dimensioniert ist, daß sie während des Unterschreitens bestimmter positiver und/oder negativer Grenzwerte in der Umgebung des Nulldurchganges der Netzspannung den Schaltimpuls auslöst, oder daß bei Verwendung nur einer elektronischen Schaltergruppe nur die erste Schaltergruppe vorgesehen ist, ober die der Verbraucher allpolig geschaltet wird.
Eine vereinfachte erfindungsgemäße Anordnung zur Netztrennung benötigt somit nur eine elektronische Schaltergruppe, jedoch eine Phasensynchronisierung mit der Netzspannung. Daher ist bei dieser Ausführung anstelle der zwei elektronischen Schaltergruppen nur die zweite Schaltergruppe vorhanden und der Energiespeicher ist im Betriebszustand dauernd mit dem Netz verbunden und über die elektronische Schaltergruppe durch ein Schaltsignal allpolig an den Verbraucher geschaltet und wird in den Schaltsignalpausen allpolig vom Verbraucher getrennt, und das Schaltsignal wird in der Steuerschaltung aus der Netzspannung erzeugt, synchron zur Netzspannungsphase, sovrle asynchron oder synchron zur Netzfrequenz, und die Schwellwertschaltung ist auf an sich bekannte Art so dimensioniert, daß sie während des Unterschreitens bestimmter positiver und/oder negativer Grenzwerte in der Umgebung des Nulldurchganges der Netzspannung den Schaltimpuls auslöst.
In den Fällen, wo der Schaltimpuls synchron zur Netzphase ausgelöst wird, ist es zweckmäßig, die positiven und/oder negativen Ansprechwerte der Schwellwertschaltung gleich oder kleiner als die in den Sicherheitsbestimmungen definierte berührungsgefährliche Spannung zu wählen.
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Häufig wird außer der Potential- oder Netztrennung auch eine Gleichrichtung der Versorgungsspannung gewünscht. Die elektronischen Schalter können unter bestimmten Voraussetzungen gleichzeitig als Gleichrichter wirken. Wenn wegen inverser Durchbrucheffekte der verwendeten elektronischen Schalter keine Gleichrichterwirkung erzielt wird, kann nach einer anderen Ausbildung der Erfindung in Serie zu einem der elektronischen Schalter eine zusätzliche Gleichrichterdiode eingefügt werden. Besonders bei Einsatz nur einer elektronischen Schaltergruppe wird zwischen das Netz und den Energiespeicher ohnehin eine einfache oder mehrfache Gleichrichteraiiordnung (z.B. Graetzglelchrichter) an die Stelle der hier eingesparten elektronischen Schaltergruppe treten. In Kombination mit den Gleichrichtereffekten ist es oft sinnvoll, parallel zum Verbraucher einen weiteren kapazitiven Energiespeicher, insbesondere zu Siebzwecken, vorzusehen.
Als Steuerschaltung für die elektronischen Schalter kann in weiterer Ausbildung der Erfindung ein Generator dienen, der direkt oder über Anpassungsstufen mit den Steuerelektroden der elektronischen Schalter verbunden ist. Die Wiederholfrequenz der Wechselspannung des Generators kann sowohl größer als auch kleiner gewählt werden als die Netzfrequenz oder Arbeitsfrequenz der elektronischen Geräte. Die Wiederholfrequenz kann unabhängig oder abhängig von der Netzoder Arbeitsfrequenz sein oder ihr auch gleich gemacht werden. Der Generator kann beliebige Ausgangsspannungen (z.B. Rechteck- oder Sinusform) liefern.
Um eine Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Generators von der Netz- oder Arbeitsfrequenz zu erzielen, kann nach einer anderen Ausbildung der Erfindung das Tastverhältnis und/oder die Frequenz und/oder Phase der Wechselspannung des Generators auf an sich bekannte Art mit einer Regelspan-
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nung gesteuert werden, die aus Netz-, Einergiespeicher- und/oder Verbraucherstrom und/oder -Spannung ggf. mittels einer bekannten Phasen- und/oder Frequenzvergleichsschaltung mit geschlossenem oder offenen Regelkreis, erforderlichenfalls über ein Tiefpaßfilter abgeleitet wird.
Zur Glättung der Gleichspannung ist es vorteilhaft, zwischen Lade- und Siebkondensator einen ohmschen und/oder induktiven Widerstand in Serie mit den elektronischen Schaltern einzufügen.
Wann die benötigte Betriebsspannung kleiner als die zulässige Berührungsspannung ist, kann anstelle der zweiten elektronischen Schaltergruppe auch nur die erste Schaltergruppe eingesetzt und über sie der Verbraucher allpolig geschaltet werden, wobei ggf. ein Lade- und/oder Siebkondensator parallel zum Verbraucher liegt und erforderlichenfalls eine Gleichrichterdiode in Serie zu mindestens einem elektronischen Schalter. Da jede elektronische Schaltergruppe eine -, sichere Netztrennung gewährleistet, liegt es nahe, minde- ) stens eine der Gruppen gleichzeitig als Netzschalter zu be- ^ nutzen derart, daß beim Fehlen oder Abschalten der Schaltsignale eine dauernde Trennung vom Netz erreicht wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine transformatorlose, rein elektronische Netztrennung für Rundfunk- und Fernsehgeräte erhalten ist, die gleichzeitig den einschlägigen Sicherheitsbestimmungen genügt, von weit geringerem Gewicht als eine mit einem Transformator ausgeführte Anordnung ist, geringere Verluste und geringeren Raumbedarf aufweist sowie eine geringere Frequenzabhängigkeit und keine Wickelkapazitäten besitzt und preiswerter sein kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
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dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Figur 1 eine erfindungsgemäße, grundsätzliche allgemeine Schaltung der Potential-Trennanordnung in Form eines Blockschaltbildes,
Figur 2 Einzelheiten eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Grundschaltung mit fotoelektrischer Steuerung,
Figur 3 eine erfindungsgemäße Ausführung, bei der ein freischwingender Rechteckgenerator als Steuerschaltung verwendet wird,
Figur 4 ein von der Netzphase gesteuerte, vereinfechte, erfindungsgemäße Anordnung mit nur einer elektronischen Schaltergruppe und
Figur 5 eine Variante der in Figur 4 dargestellten Anordnung für den Fall, daß die Betriebsspannung unterhalb des berührungsgefährlichen Spannungswertes bleibt.
Figur 1 zeigt den induktiven oder kapazitiven Energiespeicher 1 sowie die beiden elektronischen Schaltergruppen 2 und 3, die den Energiespeicher 1 allpolig abwechselnd an das Versorgungsnetz 4 und den Verbraucher 5 schalten, derart, daß jeweils eine der elektronischen Schaltergruppen 2 bzw. 3 den Energiespeicher 1 vom Netz 4 bzw. vom Verbraucher 5 trennt, während die andere Gruppe 3 bzw. 2 ihn damit verbindet, wobei die Steuerelektroden der elektronischen Schaltergruppen an die Steuerschaltung 10 angeschlossen sind, von der die entsprechenden Schaltimpulse erzeugt werden.
Weitere Einzelheiten eines Schaltungsbeispiels zu der Grund-
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schaltung sind der Figur 2 zu entnehmen. Die Steuerelektroden 6f 7f 8, 9 der elektronischen Schaltergruppen 2 und 3 sind an die Steuerschaltung 10 angeschlossen, welche für beide S cha lter gruppen gegensinnig tiirkende Schaltsignale aufbereitet, dia hier über die doppeladrige Verbindung 11 von dem Speicherkondensator 12 über einen Anpassungswiderstand 13 abgeleitet werden und mittels einer fotoelekfcri-schen Anordnung, die hier beispielsweise aus der lichtemittierenden Diode 14 und der Fotodiode 15 besteht, entkoppelt sind. In der Verstärker- und Schwellwertschaltung 16 und den Anpassungsstufen 17 und 18 werden die Schaltsignale auf an sich bekannte Art so aufbereitet, daß ein Einschaltsignal für die elektronischen Schalter 19 und 20 erzeugt wird und mindestens gleichzeitig ein Ausschaltsignal für die elektronischen Schalter 21 und 22. Die elektronischen Schalterelemente 19 und 20 können einander komplementäre Transistoren sein, ebenso die Schalterelemente 21 und 22. Wenn aus der Netzspannungsquelle 4 eine Wechselspannung geliefert wird und die elektronischen Schalterelemente 19, 20, 21 und 22 wegen ihres inversen Durchbruchverhaltens keine Gleichrichterwirkung zeigen, genügt im allgemeinen eine Gleichrichterdiode 23 in Serie mit einem der elektronischen Schalterelemente der ersten Schaltergruppe.
Besonders bei Einsatz nur einer elektronischen, später anhand der Figuren 4 und 5 beschriebenen Schaltergruppe, wird zwischen das Netz und den Energiespeicher ohnehin eine einfache oder mehrfache Gleichrichteranordnung (z.B. Graetzgleichrichter) an die Stelle der hier eingesparten elektronischen Schaltergruppe treten. Erforderlichenfalls ist zur Glättung der erzeugten Gleichspannung parallel zu dem eigentlichen Verbraucherelement 25 ein Kondensator 24 vorzusehen.
Der mit den Steuerelektroden 6, 7, 8, 9 verbundene Generator
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kann so gewählt werden, daß er an sich beliebige Steuerimpulsformen abgibt. Zweckmäßig ist allerdings ein Sinusgenerator oder ein Rechteckgenerator. Die Wiederholfrequenz der Wechselspannung des Generators kann sowohl größer als auch kleiner gewählt werden als die Netzfrequenz der elektronischen Geräte. Die Wiederholfrequenz kann unabhängig oder abhängig von der Netz- oder Arbeitsfrequenz sein oder ihr auch gleich gemacht werden. ;·
Unabhängig, von einer Zwangssteuerung kann die gegenphasige Rechteckspannung gemäß Figur 3 auch von einem freischwingenden Rechteckgenerator 16 an seinen Ausgängen 26 und 27 zum wechselseitigen Schalten über die Koppelkondensatoren 28, 29, 30, 31 abgeleitet werden. Die Widerstände 32, 33, 34, 35 stellen das erforderliche Steuerpotential zwischen den Steuerelektroden 6, 7, 8, 9 und dem Bezugspotential ihrer elektronischen Schalter 19, 20, 21, 22 her.
Eine von der Netzspannung 4 geschaltete Anordnung stellt die Ausführung nach Figur 4 dar. Die elektronische Schaltergruppe 3 mit den elektronischen Schaltern 21 und 22 wird über die mit der Netzspannung periodisch variierende Intensität des lichtemittierenden Elements 14 mit seinem Begrenzungswiderstand 13 gesteuert. Die Diode 36 sorgt, wenn erforderlich, für die Eindeutigkeit der Phasenlage. Die Schwellwertschaltung, der Schmitt-Trigger oder das Flipflop 16 sorgt dafür, daß die elektronischen Schalter 21 und 22 nur in der Zeit durchschalten, in der die Netzspannung unterhalb der zulässigen Berührungsspannung liegt. Die Verbindung zu den Steuerelektroden erfolgt über die Ausgänge 26 und 27.
Wenn auch die an den Verbraucher abzugebende Betriebsspannung unterhalb der zulässigen Berührungsspannung liegt, ist auch die Schaltung der Figur 5 anwendbar, wo die erste elektronische Schaltergruppe 2 mit ihren elektronischen Schal-
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tern 19 und 20 den Verbraucher 5 während der berüTirungsgefährlichen Phasenabschnitte mit dem Netz 4 verbindet. Im übrigen entspricht die Punktion der Figur 3.
Bei allen Schaltungsbeispielen können selbstverständlich anstelle der dort gezeigten komplementären elektronischen Schalterelernenten auch Elemente des gleichen Leitungstyps angewendet werden."Die entsprechende Änderung der Steuerpolarität und die Entkopplung der Steuerpotentiale beruhen auf bekannten Schaltungsanordnungen und brauchen daher r.icht näher beschrieben zu werden. Es liegt auch nahe, als elektronische Schalter die inzwischen bekannt gewordenen pvonics zu benutzen.
12 Patentansprüche
2ßlatt Zeichnungen
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Claims (1)

  1. W. Schröder-74 - 10 -
    Patentansprüche
    1. Schaltungsanordnung zum netzgetrennten Betrieb von elektronischen Geräten, insbesondere Rundfunk- und Fernsehgeräten, dadurch gekennzeichnet, daß ein kapazitiver und/oder induktiver Energiespeicher (1) von einer elektronischen Schaltergruppe (2 bzw. 3) oder von zwei elektronischen Schaltergruppen (2, 3, Figur 1 bis 3) allpolig abwechselnd an das Versorgungsnetz (4) und an den Verbraucher (5) geschaltet wird, derart, daß bei Verwendung zweier elektronischer Schaltergruppen jeweils eine den Energiespeicher vom Netz bzw. vom Verbraucher trennt, während die andere Gruppe ihn verbindet, und die Steuerelektroden (6/ 7, 8# 9) der elektronischen Schaltergruppen (2, 3) an eine Steuerschaltung (10) angeschlossen sind, welche für beide Gruppen gegensinnig wirkende Schaltsignale aufbereitet, die vorzugsweise mittels elektrischer, kapazitiver, magnetischer oder fotoelektrischer Kopplungsanordnungen (14, 15) aus Netz-, Energiespeicher- und/oder Verbraucherstrom und/oder -Spannung abgeleitet sind und daß bei Verwendung nur einer elektronischen Schaltergruppe (anstelle der zwei elektronischen Schaltergruppen) entweder nur die zweite elektronische Schaltergruppe (3, Figur 4) vorgesehen ist und der Energiespeicher (1) im Betriebszustand dauernd mit dem Netz (4) verbunden ist und über die elektronische Schaltergruppe (3) durch ein Schaltsignal allpolig an den Verbraucher (5) geschaltet und in den Schaltsignalpausen allpolig vom Verbraucher getrennt wird, und daß das Schaltsignal in der Steuerschaltung (10, 16) aus der Netzspannung erzeugt wird, synchron zur Neztspannungsphase, sowie asynchron oder synchron zu Netzfrequenz, und dal? die Steuer- oder Schwellwertschaltung (16) so dimensioniert ist, daß sie während des Unterschreitens bestimmter positiver und/oder negativer Grenzwerte in der Umgebung des · Nulldurchganges der Netzspannung den Schaltimpuls auslöst,
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    oder daß bei Verwendung nur einer elektronischen Schaltergruppe nur die erste Schaltergruppe (2, Figur 5) vorgesehen ist, über die der Verbraucher allpolig angeschaltet wird.
    2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lade- und/oder Siebkondensator parallel zum Verbraucher (25, 5, Figur 5) und/oder eine Gleichrichterdiode (23) in Serie zu mindestens einem elektronischen Schalter vorgesehen ist.
    3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die positiven und/oder negativen Ansprechwerte der Schwellwertschaltung (16) gleich oder kleiner als die in den Sicherheitsbestimmungen definierte, beruhrungsgefährliche Spannung sind.
    4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zu mindestens einem der elektronischen Schalter (19, 20, 21, 22) eine Gleichrichterdiode (23) geschaltet ist, oder daß mindestens einer der elektronischen Schalter als Gleichrichter arbeitet,
    5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Netz- (4) und Energiespeicher (1) eine einfache oder mehrfache (Doppelweg- oder Graetzschaltung) Gleichrichteranordnung geschaltet ist.
    6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Verbraucher (5, 25, Figur 2) ein weiterer, insbesondere kapazitiver Energiespeicher (24) angeschlossen ist.
    7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
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    gekennzeichnet,. daß die Steuerschaltung (10) einen Generator (16) aufweist, der direkt oder über Anpassungsstufen (17, 18) oder Anpassungselemente (28, 29, 30, 31^ Figur 3) mit den Steuerelektroden (6, 7, 8, 9) der elektronischen Schaltergruppen (2, 3) verbunden ist.
    8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator ein Steuerimpulsgenerator, vorzugsweise ein Sinusgenerator oder Rechteckgenerator ist.
    9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederholfrequenz des Generators größer oder kleiner als die Netz- oder Arbeitsfrequenz des Netzes (4) oder des elektronischen Gerätes (5) ist.
    10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Frequenz und/oder Phase der Wechselspannung des Generators (16) in an sich bekannter Weise von einer Regelspannung gesteuert werden, die aus Netz-, Energiespeicher- und/oder Verbraucherstrom und/oder -Spannung ggf. mittels einer bekannten Phasen- und/oder Frequenzvergleichsschaltung mit geschlossenem oder offenen Regelkreis, erforderlichenfalls über ein Tiefpaßfilter, abgeleitet wird.
    11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Energiespeichern ein ohmscher und/oder induktiver Widerstand in Serie mit den elektronischen Schaltern eingefügt ist.
    12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der elektronischen Schaltergruppen als Netzschalter benutzt wird, so daß beim Fehlen oder Abschalten der Schaltsignale eine dauernde Netztrennung erreicht wird.
    16. Juli 1974
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DE2435392A 1974-07-23 1974-07-23 Schaltungsanordnung zum netzgetrennten betrieb von elektronischen geraeten, insbesondere rundfunk- und fernsehgeraeten Withdrawn DE2435392A1 (de)

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