DE2949347C2

DE2949347C2 - Transformatorloses Netzteil

Info

Publication number: DE2949347C2
Application number: DE2949347A
Authority: DE
Inventors: Felix 7808 Waldkirch Schörlin
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1979-12-07
Filing date: 1979-12-07
Publication date: 1985-02-07
Also published as: EP0030266B1; DE2949347A1; EP0030266A3; EP0030266A2

Description

Die Erfindung betrifft ein transformatorloses Netzteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Herkömmliche transformatorlose Schaltnetzteile (DE-OS 24 50 648, US-PS 37 23 737) arbeiten mit selbstschwingenden Kippschaltungen, die über eine gleichgerichtete Spannung gespeist werden. Sie haben im allgemeinen einen relativ hohen Bauaufwand und eine entsprechende Größe, wenn bei einem großen Betriebsspannungs- und Laststrombereich eine geregelte Ausgangsspannung abgegeben werden soll.

Aus der DE-OS 28 08 419 ist außerdem eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer Last mit einer Gleichspannung aus dem Wechselstromnetz bekannt, bei der der Verbraucher direkt mit den Ausgangsklemmen einer Gleichrichterschaltung verbunden ist, die den Verbraucher mit pulsierendem Gleichstrom versorgt Um hierbei zu verhindern, daß die am Verbraucher anliegende Spannung unter einen bestimmten Wert absinkt, ist ein Glättungskondensator zusammen mit einer Schaltstufe parallel zum Verbraucher gelegt. Die Anschaltung des Glättungskondensators an den Verbraucher erfolgt über die Schaltstufe in dem Moment, in dem die am Verbraucher anliegende pulsierende Gleichspannung unter einen bestimmten Wert absinkt, um zu verhindern, daß die am Verbraucher anliegende Spannung den vorherbestimmten Wert unterschreitet.

Netzspannungsschwankungen, die über dem kleinsten Spannungswert liegen, werden bei dieser bekannten Schaltung unverändert an den Verbraucher weitergegeben.

Ferner ist aus der DE-OS 21 05 942 ein gattungsgemäßes transformatorloses Netzteil bekannt, das aus einer Wechselspannung eine Gleichspannung in steuerbarer Höhe erzeugt Der gesteuerte Schalter dieses bekannten Netzteils unterbricht die Aufladung des Strombegrenzungskondensators um so früher, je größer die Eingangswechselspannung und je kleiner der am Ausgang entnommene Gleichstrom ist, so daß die Spannung am Ausgang unabhängig von Eingangswechselspannungs- und Lastschwankungen wird. Der gesteuerte Schalter umfaßt einen Transistor, dessen Kollektor-Emitterstrecke den positiven Ausgang des Gleichrichters über eine Spule eines Steuertransformators mit dem Verbraucher verbindet Die Basis des Steuertransformators ist über einen Thyristor mit dem Nullvoltpotential des Gleichrichters verbunden. Die Steuerelektrode des Thyristors ist über eine Zenerdiode an den Mittelabgriff eines Spannungsteilers gelegt, der parallel zum Glättungskondensator geschaltet ist Die Basis des Steuertransformators ist ferner an die zweite Spule des Steuertrcnsformators angeschlossen, um so die Kollektor-Emitterstrecke des Steuertransistors leitend zu machen.

Das bekannte Netzteil ist sehr aufwendig und unwirtschaftlich, insbesondere aufgrund des gesteuerten Schalters, der einen Steuertransformator mit relativ hoher Verlustleistung aufweist

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes transformatorloses Netzteil zu schaffen, bei dem mit geringem konstruktiven Aufwand und Platzbedarf eine geregelte, möglichst konstante Ausgangsspannung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß begrenzt der gesteuerte Schalter die Ausgangsspannung auf einen bestimmten Wert und sorgt für eine gute Ausnutzung beider Halbwellen der Eingangsspannung, da er beim Nulldurchgang des Eingangsstroms wieder öffnet. Das erfindungsgemäße transformatorlose Netzteil weist einen großen Betriebsspannungs- und Laststrombereich sowie eine geregelte, stabile Ausgangsspannung auf. Der Aufwand für die Herstellung und für die Unterbringung ist sehr gering, so daß die Erfindung ein wirtschaftliches Netzteil liefert.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines transformatorlosen Netzteils,

Fig.2 ein ins einzelne gehendes Schaltbild eines Netzteils entsprechend F i g. 1,

F i g. 3 Spannungs- und Strom-Zeitdiagramme der einzelnen Schaltstufen in den Schaltbildern nach den Fig. 1 und 2 bei irgendeiner Netzspannung im Inneren des von dem Netzteil entsprechend F i g. 1 oder 2 in eine konstante Gleichspannung umzuformenden Netzspannungsbereiches und

Fig. 4 entsprechende Diagramme wie Fig. 3 bei einer Netzspannung an der unteren Grenze des zu verarbeitenden Spannungsbereiches.

Nach Fig. 1 ist die in Fi g. 3a wiedergegebene Sinus

netzspannung Ue über einen Strombegrenzungskondensator 11 an den Eingang eines Zweiweggleichrichters angelegt Die am Gleichrichter 12 anliegende Eingangsspannung U i ist in F i g. 3b wiedergegeben.

Der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung 1/2 des Zweiweggleichrichters 12 ist in dem Diagramm gemäß F ig. 3c gezeigt

Der Ausgang des Zweiweggleichrichters 12 ist über eine den Ausgangsstrom des Gleichrichters 12 durchlassende Diode 13 an einen Speicherkondensator 14 angelegt An den Speicherkondensator 14 ist das den Verbraucher darstellende elektronische Gerät 20 geringer Stromaufnahme angeschlossen.

Parallel zum Ausgang des Zweiweggleichrichters 12 ist außerdem eiu gesteuerter Schalter 15 geschaltet, welcher bei Überschreitung einer vorbestimmten Spannung am Speicherkondensator 14 geschlossen wird und baim Nulldurchgang des Eingangs- bzw. Ausgangsstromes des Zweiweggleichrichters 12 wieder öffnet. Die Steuerschaltung ist als Zener-Diode 19 angedeutet, welche von der Spannung des Speicherkondensators 14 beaufschlagt wird.

Nach F i g. 2 ist vor den Strombegrenzungskondensator 11 bzw. den Zweiweggleichrichter 12 noch jeweils ein Widerstand 16,17 eingeschaltet

Der gesteuerte Schalter ist hier durch einen Thyristor 15 gebildet, dem ein ohmscher Widerstand 18 vorgeschaltet ist. Die Steuerelektrode des Thyristors 15 ist über die Zener-Diode 19 an den einen Pol und über einen ohmschen Widerstand 22 an den anderen Pol des Speicherkondensators 14 angeschlossen.

Der zeitliche Verlauf der Spannung U 3 am Verbrauchergerät 20 ist am Diagramm der F i g. 3d wiedergegeben.

Die Diagramme der Fig. 3e, f, g, h zeigen den zeitlichen Verlauf der Ströme /1, / 2, / 3 bzw. im Thyristor 15.

Der schraffierte Bereich der Stromkurve in Fig.3f entspricht dem Strom durch die Diode 13.

F i g. 4 zeigt entsprechende Diagramme wie F i g. 3 für die minimale, von dem Netzteil gerade noch zu verarbeitende Netzspannung. Dieser Minimalwert reicht gerade aus, den Strombedarf des Verbrauchers bei der Sollspannung zu decken. Der Thyristor 15 zündet bei dieser Minimalspannung gerade noch nicht. Entlang der Strecke A—B im Diagramm C ist i/3 gleich U2. U2 stellt den Absolutwert von U1 dar.

Die Auslegung des Strombegrenzungskondensators

11 erfolgt nun so, daß bei der minimal zu verarbeitenden Netzspannung die in Fig.4 gezeigten Diagramme erhalten werden. Fig.4 und die den Fall einer mittleren Netzspannung darstellende F i g. 3 geben die wesentlichen Anhaltspunkte für die Auslegung der einzelnen Schaltungselemente. Es ist also wichtig, die Schaltungselemente so zu dimensionieren und auszubilden, daß für mittlere Netzspannungen die Diagramme der Fig.3 und für die minimale Netzspannung die Diagramme der F i g. 4 vorliegen. Die Wirkungsweise des beschriebenen Netzteils ist für irgendeine Netzspannung im Inneren des zu verarbeitenden Bereiches wie folgt:

Nimmt man an, daß beim Anlegen der Netzspannung Ue der Speicherkondensator 14 entladen sei, so wird beim Anschluß der Netzspannung über 16,11,12,13,14,

12 und 17 der Speicherkondensator 14 aufgeladen. Sobald die Spannung am Speicherkondensator 14 die Z-Spannung an der Zener-Diode 19 zuzüglich der Spannung Ug am Thyristor 15 erreicht hat, zündet der Thyristor 15 und sperrt den weiteren Stromfluß vom Netz zum SDeicherkondensator 14. Der Speicherkondensator 14 entlädt sich über das Verbrauchergerät 20. Ein Rückstrom über den Thyristor 15 wird durch die Diode 13 verhindert Wird der Haltestrom des Thyristors unterschritten, so löscht dieser wieder. Ein Stromfluß im Speicherkondensator 14 kommt erst wieder zustande, wenn die Eingangsspannung Ue einen Hub von t/3 ausgeführt hat, weil der Ausgang des Gleichrichters 12 auf 0 V geklammert wurde. Der Speicherkondensator 14 wird daher nachgeladen, bis erneut i/3 die Spannung an der Diode 19 und dem Thyristor 15 erreicht hat

Die Ein- und Ausschaltschwellen sind den Spannungsbzw. Stromdiagrammen der F i g. 3 zu entnehmen. Am Verbrauchergerät 20 entsteht so eine Gleichspannung, die eine vom Verbraucherstrom abhängige Welligkeit aufweist

Der Speicherkondensator 14 wird je nach der gewünschten Welligkeit der Gleichspannung i/3 bemessen. Die Zener-Diode 19 bestimmt die Höhe der Ausgangsspannung. Der Widerstand 22 ist für den Haltestrom des Thyristors 15 verantwortlich. Der Parallelkondensator 21 ist je nach der gewünschten HF-Dämpfung auszulegen. Die Widerstände 16,17 und 18 begrenzen den Strom beim Schalten des Thyristors 15. Der Strombegrenzungskondensator 11 wird so ausgelegt daß der Strombedarf der an den Speicherkondensator 14 angeschlossenen Schaltung bei Ue_mi„ gerade gedeckt wird.

Die Berechnung des Strombegrenzungskondensators 11 erfolgt unter der Voraussetzung, daß der Speicherkondensator 14 sehr viel größer als der Strombegrenzungskondensator 11 ist und die Summe der Widerstandswerte der Widerstände 16,17 sehr viel kleiner ist als

«Cll

Beispielsweise werden im folgenden einige bevorzugte Werte für die einzelnen Schaltelemente angegeben:

Widerstand 16:	68 0hm
Widerstand 17:	68 0hm
Widerstand 18:	68 Ohm
Widerstand 22:	470 0hm
Kapazität des
Speicherkondensators 14:	47 μι (63 V)

Für einen maximalen Strom von 10 mA, eine Wechselspannung Ue von 90 \_Cff. eine Netzfrequenz von so 50 Hz und eine Ausgangsspannung (U3) von 48 V ergibt sich ein minimaler Wert für den Strombegrenzungskondensator 11 von 0,63 μΡ.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

PatentansprQche:

1. Transfonnatorloses Netzteil für mit herabgesetzter Gleichspannung arbeitende elektronische Geräte geringer Stromaufnahme, bei dem über einen umladbaren Strombegrenzungskondensator und über eine Gleichrichterschaltung ein ausgangsseitiger Speicherkondensator aufgeladen wird und bei dem ein im Querzweig liegender gesteuerter Schalter im Sinne einer Konstanthaltung der Ausgangsspannung jeweils beim Überschreiten einer vorgegebenen Spannung am Speicherkondensator angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzwechselspannung über einen Zweiweggleichrichter (12) und eine den gleichgerichteten Strom durchlassende Diode (13) an den Speicherkondensator (14) angeschlossen ist, daß der Querzweig mit dem gesteuerten Schalter (15) mit den Ausgangsanschlüssen des Zweiweggleichrichters (12) verbunden ist und daß der Schalter (15) beim Nulldurchgang des Eingangsstromes wieder öffnet.

2. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Strombegrenzungskondensator (11) und den Zweiweggleichrichter (12) Ohmsche Widerstände (16,17) und gegebenenfalls ein Dämpfungskondensator (21) eingeschaltet sind.

3. Netzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Schalter ein über einen Widerstand (18) an den Ausgang eines Zweiweggleichrichters (12) angelegter Thyristor (15) ist

4. Netzteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des Thyristors (15) über eine ebenso wie die erste Diode (13) gepolte zweite Diode (19) an den Verbindungspunkt zwischen erster Diode (13) und Speicherkondensator (14) angeschlossen ist.