DE3624055A1 - Netzteil zur gewinnung einer stabilisierten ausgangsspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Netzteil zur Gewinnung einer stabilisierten Ausgangsspannung mit einem Transformator, an dessen Primärwicklung eine schwankende Speisespannung liegt und an dessen Sekundärwicklung ein Brückengleichrichter angeschlossen ist, mit einem über die Schaltstrecke eines steuerbaren Gleichrichters an dem Brückengleichrichter ange­ schlossenen Ladekondensator und mit einer an dem Steuerein­ gang des steuerbaren Gleichrichters angeschlossenen Phasen­ anschnitt-Steuereinrichtung.

Ein bekanntes Netzteil dieser Art ist aus dem Siemens-Buch "Halbleiter-Schaltbeispiele" 1973/74, Seiten 109 bis 111 bekannt, sofern man sich das dort dargestellte Ausführungs­ beispiel um einen eingangsseitigen Transformator zur Erzielung einer galvanischen Trennung ergänzt denkt. Betrachtet man bei einem solchen Netzteil mit einem Transformator die Leistungs­ verhältnisse, dann zeigt sich, daß ein derartiges Netzteil relativ hohe Verluste aufweist. Dies ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, daß bei relativ hohen Werten der schwankenden Speisespannung der Stromflußwinkel immer kleiner wird. Bei konstantem sekundärseitigen Laststrom steigen die Verluste im Kupferwiderstand des Transformators mit dem Quadrat der Stromzeitfläche an. Ein derartiges Netzteil läßt daher hinsichtlich seines Wirkungsgrades zu wünschen übrig; auch die Verwendung von Kühlelementen für die Schaltung dieses Netzteils ist notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Netzteil so auszugestalten, daß es eine vergleichsweise geringe Verlust­ leistung bei relativ geringem (Schaltungs-)Aufwand aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist bei einem Netzteil der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß die Sekundärwicklung des Transformators eine Mittenanzapfung auf, die über einen Einweggleichrichter mit demjenigen Ende der Schaltstrecke des steuerbaren Gleichrichters verbunden ist, das von einem Gleichspannungsausgang des Brückengleichrichters abgewandt liegt.

Es ist zwar bereits ein Netzteil mit einem Transformator mit einer mittenangezapften Sekundärwicklung und einem an den Enden der Sekundärwicklung angeschlossenen Brückengleichrichter ("Markt und Technik", No. 8 vom 21. 2. 86, S. 41 und 42) bekannt, wobei in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung mittels eines Thyristors als Schalter eine Umschaltung von einem Vollwellen-Gleichrichter auf eine Vollwellenbrücke erfolgt, jedoch wird hier durch die Umschaltung die Eingangsspannung für einen Längsregler unter Verminderung von dessen Verlusten entsprechend verändert.

Bei einer anderen Lösung der oben beschriebenen Aufgabe ist erfindungsgemäß der steuerbare Gleichrichter mit dem vom Ladekondensator abgewandten Ende seiner Schaltstrecke über einen Hilfskondensator an einem Wechselspannungsanschluß des Brückengleichrichters angeschlossen, und ein Gleichspannungs­ ausgang des Brückengleichrichters ist direkt mit dem Lade­ kondensator verbunden. Dieses Netzteil kommt ohne eine Trans­ formator-Sekundärwicklung mit Mittenanzapfung aus. Allerdings muß der Hilfskondensator wegen der Strombelastbarkeit eine relativ große Kapazität besitzen.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Netzteils in beiden oben angegebenen Ausführungsformen besteht darin, daß bei höchsten Werten der schwankenden Speisespannung die auf der Sekundärseite des Transformators auftretende Spannung unter Sperrung des steuerbaren Gleichrichters an den Lade­ kondensator gelegt wird, während bei den niedrigsten vorkommen­ den Werten der schwankenden Speisespannung der Ladekondensator über den dann offengesteuerten steuerbaren Gleichrichter mit dem Brückengleichrichter verbunden ist. Im mittleren Bereich, das heißt im Bereich zwischen den niedrigsten vorkommenden und den höchsten vorkommenden Werten der schwankenden Speise­ spannung wird der steuerbare Gleichrichter durch die Phasen­ anschnitt-Steuereinrichtung so gesteuert, daß im Hinblick auf die gewünschte stabilisierte Spannung ein entsprechend großer Stromflußwinkel am steuerbaren Gleichrichter eingestellt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Netzteil verändert sich die auf der Sekundärseite des Transformators abgegebene Leistung im gesamten Schwankungsbereich der Speisespannung daher nur relativ wenig, und die Verlustleistung ist verhältnismäßig klein.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Netzteils wird darin gesehen, daß es sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet und ohne Kühlelemente für die elektronischen Schaltungsteile auskommt. Dabei ist durch den Aufbau des erfindungsgemäßen Netzteils darüber hinaus dafür gesorgt, daß die Stabilisierung infolge Regelung auf der Sekundär­ seite des Transformators netzspannungsunabhängig erfolgen kann; auch die Prüftechnik für das erfindungsgemäße Schaltungsteil ist relativ einfach. Ein weiterer wesent­ licher Vorteil des erfindungsgemäßen Netzteils besteht darin, daß der Bauelemente-Aufwand verhältnismäßig gering ist und daß ohne zusätzliche Maßnahmen eine Phasenanschnitt-Steuer­ einrichtung in integrierter Technik Verwendung finden kann, weil eine Gefährdung durch relativ hohe Spannungen der schwankenden Speisespannung und bei kleiner Belastung nicht auftreten kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Netzteil nach der oben beschriebe­ nen zweiten Ausführungsform ist vorteilhafterweise zwischen dem Gleichspannungsausgang des Brückengleichrichters und dem von dem Ladekondensator abgewandten Ende der Schaltstrecke des steuerbaren Gleichrichters eine Diode in Durchlaßrichtung angeordnet. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Netzteils hat den Vorteil, daß an der Diode ein relativ kleiner Spannungsabfall auftritt, wodurch der Wirkungsgrad kaum beeinträchtigt wird. Es ist allerdings auch möglich, den Hilfskondensator über den steuerbaren Gleichrichter aufzuladen; jedoch ergibt sich dabei eine Verschlechterung des Wirkungsgrades, da bei einer Aufladung über den steuerbaren Gleichrichter ein größerer Spannungsabfall auftritt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Netzteils mit einem Hilfskondensator ist vorteilhafterweise an einem weiteren Wechselspannungsanschluß des Brückengleichrichters ein weiterer Hilfskondensator ange­ schlossen, mit dem über eine weitere Diode der Gleichspannungs­ ausgang des Brückengleichrichters verbunden ist, und der steuer­ bare Gleichrichter steht mit seinem von dem Ladekondensator abgewandten Ende seiner Schaltstrecke über jeweils eine zusätz­ liche Diode mit den jeweils gemeinsamen Verbindungspunkten der Hilfskondensatoren und der Dioden in Verbindung. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Netzteils besteht darin, daß eine Brummspannung mit der doppelten Frequenz der schwankenden Speisespannung auftritt - bei der weiter oben behandelten Ausführung mit einem Hilfskondensator tritt bei relativ niedriger Speisespannung eine vergleichsweise hohe Brummspannung mit der Frequenz der Speisespannung auf. Allerdings wird dabei ein weiterer Hilfskondensator benötigt und zusätzlich drei weitere Dioden. Die Dioden in Verbindung mit den Hilfskondensatoren können aber in vorteilhafter Weise durch einen Brückengleichrichter realisiert werden.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Netzteiles mit einem Transformator mit sekundärseitiger Mitten­ anzapfung, in

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Netzteiles mit einem Hilfskondensator zur Spannungsverdoppelung und in

Fig. 3 ein zusätzliches Ausführungsbeispiel mit zwei Hilfskondensatoren dargestellt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist eine schwankende Speisespannung U 1, die beispielsweise in einem Bereich zwischen 187 und 276 V _eff schwanken möge, an eine Primärwicklung 1 eines Transformators 2 gelegt. Der Transformator 2 weist eine Sekundärwicklung 3 mit einer Mittenanzapfung 4 auf. An den Enden 5 und 6 der Sekundärwicklung 3 ist ein Brücken­ gleichrichter 7 mit Dioden 8, 9, 10 und 11 angeschlossen.

An einen Gleichspannungsausgang 12 des Brückengleichrichters 7 ist mit einem Ende 13 seiner Schaltstrecke ein steuerbarer Gleichrichter 14 in Form eines Triacs angeschlossen. Das andere Ende 15 der Schaltstrecke des steuerbaren Gleichrichters 14 ist mit einem Anschlußende eines Ladekondensators 16 ver­ bunden. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Schaltstrecke des steuerbaren Gleichrichters 14 und des Ladekondensators 16 bildet einen Ausgangsanschluß 17 des dargestellten Netzteils. Ein anderer Ausgangsanschluß 18 des Netzteils ist mit einem weiteren Anschluß des Ladekondensators 16 verbunden. Zwischen den Ausgangsklemmen 17 und 18 ergibt sich eine Aus­ gangsspannung U 2, die eine stabilisierte Gleichspannung in einer Höhe von beispielsweise 20 Volt darstellt.

Der Steuereingang 19 des steuerbaren Gleichrichters 14 ist über einen Widerstand 20 mit einer Phasenanschnitt-Steuerein­ richtung 21 verbunden, bei der es sich vorzugsweise um einen Baustein in integrierter Technik, beispielsweise um einen Baustein TLE 3102 gemäß Siemens-Datenbuch "Integrierte Schaltungen für Industrielle Anwendungen" 1985/86, S. 326 bis 335 handeln kann. Die Phasenanschnitt-Steuer­ einrichtung 21 liegt eingangsseitig an einem Abgriff 22 eines aus einem Widerstand 23 und einem weiteren Widerstand 24 gebildeten Spannungsteiles 25, der parallel zum Ladekondensator 16 angeordnet ist. Der Abgriff 22 des Spannungsteilers 25 ist dabei mit einem Eingang 26 der Phasenanschnitt-Steuereinrichtung 21 verbunden, der einen Eingang eines Operationsverstärkers 27 bildet; ein weiterer Eingang 28 dieses Verstärkers 27 in der Phasenanschnitt-Steuer­ einrichtung 21 ist an einen Schaltungspunkt geführt, der aus einem gemeinsamen Verbindungspunkt eines mit einem Referenzspannungsteil 29 der Phasenanschnitt-Steuereinrichtung 21 verbundenen Widerstands 30 und eines Kondensators 31 gebildet ist, der über einen weiteren äußeren Anschluß 32 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 27 und einem Eingang 33 eines Komparators 34 in der Phasenanschnitt-Steuer­ einrichtung 21 verbunden ist. Zur Synchronisation der Phasenanschnitt-Steuerung dient ein weiterer Eingang 35 der Phasenanschnitt-Steuereinrichtung 21, der über einen Widerstand 36 mit dem einen Gleichspannungsausgang 12 des Brückengleichrichters 7 verbunden ist. Insgesamt ist auf diese Weise eine Phasenanschnitt-Steuerung des steuerbaren Gleichrichters 14 mit einem I-Regelverhalten gewonnen.

An die Mittenanzapfung 4 der Sekundärwicklung 3 des Transformators 2 ist mit seinem Anodenanschluß ein Gleich­ richter 37 angeschlossen, der mit seinem Kathodenanschluß direkt mit dem einen Ausgangsanschluß 17 des dargestellten Netzteiles verbunden ist. Dieser Ausgangsanschluß 17 ist außerdem über einen weiteren äußeren Anschluß 38 der Phasenanschnitt-Steuereinrichtung 21 mit dem Referenzspannungs­ teil 29 in der Phasenanschnitt-Steuereinrichtung 21 verbunden.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Netzteiles arbeitet in folgender Weise:

Weist die schwankende Speisespannung U 1 verhältnismäßig hohe Werte, zum Beispiel eine Spannung von 276 V _eff , auf, dann wird bei dieser Netzüberspannung aufgrund der Einstellung der Phasenanschnitt-Steuereinrichtung 21 der steuerbare Gleichrichter 14 total gesperrt, und es wird an dem einen Ausgangsanschluß 17 über den Gleichrichter 37 eine Spannung abgegeben, die dem halben Wert der an der gesamten Sekundärwicklung 3 bei dieser Netzüberspannung auftretenden Spannung entspricht. Da bei der Netzüberspannung an der Sekundärwicklung eine Spannung auftritt, die etwa doppelt so hoch wie im Fall der niedrigsten Speisespannung ist, ergibt sich an den Ausgangsanschlüssen 17 und 18 eine Spannung U 2 mit annähernd der gewünschten Höhe.

Nimmt die Speisespannung U 1 kleinere Werte als die maximale Netzüberspannung an, dann wird in zunehmendem Maße der Strom­ fluß über den steuerbaren Gleichrichter 14 aufgrund einer entsprechenden Ansteuerung durch die Phasenanschnitt-Steuer­ einrichtung 21 wirksam und auf diese Weise dafür gesorgt, daß am Ausgang 17, 18 des erfindungsgemäßen Netzteiles die stabilisierte Spannung U 2 erhalten bleibt.

Bei niedrigster Speisespannung, also einer Spannung von bei­ spielsweise 187 V _eff , wird der steuerbare Gleichrichter 14 derart gesteuert, daß der volle Laststrom gezogen werden kann; in diesem Falle ist der steuerbare Gleichrichter 14 bestmöglich leitend. Auch in diesem Falle ergibt sich die stabilisierte Aus­ gangsspannung.

Auf diese Weise ist dafür gesorgt, daß über den gesamten Schwan­ kungsbereich der Eingangsspannung U 1 des erfindungsgemäßen Netzteiles an den Ausgangsanschlüssen 17 und 18 eine weitgehend stabilisierte Spannung auftritt, wobei relativ kleine Verluste auftreten. Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Netzteiles ist somit hoch, und es müssen auch keine Kühl­ elemente eingesetzt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, in dem mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugszeichen verwendet sind, liegt wiederum eine schwankende Speisespannung U 1 an der Primärwicklung 1 eines Transformators 2, der eine Sekundärwicklung 3 aufweist. Die Sekundärwicklung 3 ist hier nicht mit einer Mittenanzapfung versehen. Es ist der Brückengleichrichter 7 in diesem Fall wiederum an die Enden 5 und 6 der Sekundärwicklung 3 angeschlossen. Der Gleichspannungsausgang 12 des Brückengleichrichters 7 des Netzteiles ist direkt an den mit dem Ausgangsanschluß 17 verbundenen Anschluß des Ladekondensators 16 geführt, dessen anderer Anschluß mit dem weiteren Ausgangsanschluß 18 des Netzteiles in Verbindung steht. Mit dem Ausgangsanschluß 17 ist hier wiederum ein Eingang 38 der Phasenanschnitt- Steuereinrichtung 21 verbunden, über den die Betriebsspannungs­ versorgung der Phasenanschnitt-Steuereinrichtung 21 erfolgt.

Der steuerbare Gleichrichter 40 ist in dem Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 2 mit seiner Schaltstrecke zwischen einem Anschluß 41 eines Hilfskondensators und dem Ausgangsanschluß 17 des Netzteiles angeordnet. Der Hilfskondensator 42 ist außerdem an einen Wechselspannungseingang 43 des Brücken­ gleichrichters 7 angeschlossen. Zwischen dem Gleichspannungs­ ausgang 12 des Brückengleichrichters 7 und dem einen Anschluß 41 des Hilfskondensators 42 ist eine Diode 44 in Durchlaß­ richtung angeordnet.

Der Synchronisiereingang 35 der Phasenanschnitt-Steuereinrichtung 21 ist über den Widerstand 36 ebenfalls an den einen Anschluß 41 des Hilfskondensators 42 geführt. Im übrigen ist die Phasenan­ schnitt-Steuereinrichtung 21 hinsichtlich ihrer äußeren Beschaltung genauso ausgeführt, wie es bei der Erläuterung der Fig. 1 im einzelnen dargelegt worden ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Netzteil nach Fig. 2 ist bei einer als Netzüberspannung zu bezeichnenden schwankenden Speise­ spannung U 1 die Spannung am Gleichspannungsausgang 12 des Brückengleichrichters 7 voll wirksam, das heißt, es wird aus dieser Spannung der Ladekondensator 16 unter Erzielung einer stabilisierten Ausgangsspannung U 2 aufgeladen. Nimmt die Speisespannung U 1 etwas niedrigere Werte an, dann wird aufgrund der Phasenanschnitt-Steuereinrichtung 21 unter entsprechender Regelung der stabilisierten Ausgangsspannung U 2 der steuerbare Gleichrichter 40 zunehmend weiter geöffnet, wobei aufgrund der Spannungsverdoppelung mittels des Hilfskondensators 42 eine Spannung an der Schaltstrecke des steuerbaren Gleichrichters 40 liegt, die etwa dem doppelten Wert der Ausgangsspannung an den Sekundärklemmen 5 und 6 der Sekundärwicklung 3 des Transformators 2 entspricht. Bei Netzunterspannung, das heißt bei niedrigster vorkommender Speisespannung U 1, ist der steuerbare Gleich­ richter 40 weitestmöglich geöffnet, wodurch dann über ihn der volle Laststrom gezogen wird. Dies alles führt dazu, daß über die gesamte Schwankungsbreite der Speisespannung U 1 an den Ausgangsanschlüssen 17 und 18 des erfindungsgemäßen Netzteiles mit gutem Wirkungsgrad eine stabilisierte Spannung erreicht wird, weil die Ausgangsspannung an den Sekundäranschlüssen 5 und 6 des Transformators bei Netzunterspannung nur etwa halb so groß wie bei Netzüber­ spannung ist, was durch die Spannungsverdoppelung berücksichtigt wird; im Bereich dazwischen erfolgt eine entsprechende Phasenanschnitt-Steuerung des steuerbaren Gleichrichters 40.

Anzumerken ist zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, daß dieses ggf. ohne die Diode 44 auskommt, weil die Gleich­ richtung über den steuerbaren Gleichrichter 40 erfolgen kann; jedoch führt dies zu einem höheren Spannungsabfall am steuerbaren Gleichrichter 40 im Vergleich zu dem Spannungs­ abfall an der Diode 44, wodurch sich der Wirkungsgrad verschlechtern würde.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist im Vergleich zu dem nach Fig. 2 dadurch ergänzt, daß an einem weiteren Wechsel­ spannungseingang 45 des Brückengleichrichters 7 ein weiterer Hilfskondensator 46 angeschlossen ist, der über eine weitere Diode 47 mit dem Gleichspannungsausgang 12 des steuerbaren Gleichrichters 7 verbunden ist. Außerdem sind zusätzliche Dioden 48 und 49 vorgesehen, die mit ihren Anodenanschlüssen jeweils an den gemeinsamen Verbindungspunkt 50 bzw. 51 von Hilfskondensator 42 und Diode 44 bzw. weiteren Hilfskondensator 46 und Diode 47 angeschlossen sind und mit ihren Kathoden-An­ schlüssen an dem Ende der Schaltstrecke des steuerbaren Gleich­ richters 40 liegen, das von dem Ladekondensator 16 abgewandt ist.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird mittels der Hilfskondensatoren 42 und 46 eine Spannungsverdoppelung durchgeführt, die für den Fall einer auftretenden Netzunter­ unterspannung wirksam wird. Ein Vorteil dieses Ausführungs­ beispiels besteht darin, daß die auftretende Brummspannung eine der doppelten Frequenz der Speisesspannung U 1 entspre­ chende Frequenz aufweist. Dafür muß jedoch ein zusätzlicher Hilfskondensator 46 und eine weitere Diode 47 in Kauf genommen werden. Außerdem werden zusätzliche Dioden 48 und 49 benötigt, jedoch lassen sich die Dioden 44, 47, 48 und 49 durch einen Brückengleichrichter verwirklichen.

Claims (4)

1. Netzteil zur Gewinnung einer stabilisierten Ausgangs­ spannung (U 2) mit einem Transformator (2), an dessen Primärwicklung (1) eine schwankende Speisespannung (U 1) liegt und an dessen Sekundärwicklung (3) ein Brückengleichrichter (7) angeschlossen ist, mit einem über die Schaltstrecke eines steuerbaren Gleich­ richters (14) an dem Brückengleichrichter (7) angeschlossenen Ladekondensator (16) und mit einer an dem Steuereingang (19) des steuerbaren Gleichrichters (14) angeschlossenen Phasenanschnitt-Steuereinrichtung (21), dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (3) des Transformators (1) eine Mittenanzapfung (4) aufweist und daß die Mittenanzapfung (4) über einen Einweggleichrichter (37) mit demjenigen Ende der Schaltstrecke des steuerbaren Gleichrichters (14) verbunden ist, das von einem Gleichspannungsausgang (12) des Brückengleichrichters (7) abgewandt liegt (Fig. 1).

2. Netzteil zur Gewinnung einer stabilisierten Ausgangs­ spannung (U 2) mit einem Transformator (2), an dessen Primärwicklung (1) eine schwankende Speisespannung (U 1) liegt und an dessen Sekundärwicklung (3) ein Brückengleichrichter (7) angeschlossen ist, mit einem über die Schaltstrecke eines steuerbaren Gleichrichters (40) an den Brückengleichrichter (7) angeschlossenen Ladekondensator (16) und mit einer an dem Steuereingang des steuerbaren Gleichrichters (40) ange­ schlossenen Phasenanschnitt-Steuereinrichtung (21), dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Gleichrichter (40) mit dem vom Lade­ kondensator (16) abgewandten Ende seiner Schaltstrecke über einen Hilfskondensator (42) an einem Wechselspannungsanschluß (43) des Brückengleichrichters (7) angeschlossen ist und daß ein Gleichspannungsausgang (12) des Brückengleichrichters (7) direkt mit dem Ladekondensator (16) verbunden ist (Fig. 2).

3. Netzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gleichspannungsausgang (12) des Brückengleich­ richters (7) und dem von dem Ladekondensator (16) abgewandten Ende der Schaltstrecke des steuerbaren Gleichrichters (40) eine Diode (44) in Durchlaßrichtung angeordnet ist (Fig. 2).

4. Netzteil nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, daß an einem weiteren Wechselspannungsanschluß (45) des Brücken­ gleichrichters (7) ein weiterer Hilfskondensator (46) ange­ schlossen ist, mit dem über eine weitere Diode (47) der Gleichspannungsausgang (12) des Brückengleichrichters (7) verbunden ist, und daß der steuerbare Gleichrichter (40) mit seinem von dem Ladekondensator (16) abgewandten Ende seiner Schaltstrecke über jeweils eine zusätzliche Diode (48, 49) mit den jeweils gemeinsamen Verbindungspunkten (50, 51) der Hilfskondensatoren (42, 46) und der Dioden (44, 47) in Verbindung steht (Fig. 3).