DE4036062C2 - Netzteil mit geregelter Ausgangsspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Netzteil mit geregelter Aus­ gangsspannung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. (JP 1-1 48 073 A. In: Patents Abstr. of Japan, Sect. E Vol. 13 (1989) Nr. 407 (E-818))

Netzteile dieser Art erzeugen ausgangsseitig eine (oder mehrere) Gleichspannung(en) und bestehen in ihrem Leistungsteil aus einem primärseitig an ein Wechsel- oder Drehstrom-Versorgungsnetz und sekundärseitig an eine Gleichrichterschaltung angeschlossenen Netztransformator und einer der Gleichrichterschaltung gleichspannungsseitig nachgeschalteter Siebschaltung.

Die Gleichrichterschaltung kann beispielsweise eine Gleichrichterbrückenschaltung sein, aber auch Doppel- oder Einweggleichrichterschaltungen sind möglich. Die Sieb­ schaltung besteht üblicherweise aus mehreren Glättungskon­ densatoren, die parallel zur Gleichrichterschaltung ge­ schaltet sind, und einer oder mehrerer Siebdrosseln, die in Reihe mit der Gleichrichterschaltung geschaltet sind und jeweils zwischen den Glättungskondensatoren angeordnet sind.

Zur Stabilisierung der Ausgangsspannung bzw. zur Ausrege­ lung der sich auf die Stabilität der Ausgangsspannung sonst auswirkenden Netzschwankungen (die ohne weiteres ± 10% vom Nennwert betragen können) ist ein solches Netzteil intern mit einem Regelteil versehen, der eine Regelschaltung enthält, die den am Ausgang des Netzteils abgegriffenen Ist-Wert der Ausgangsspannung des Geräts mit dem vorgegebenen Soll-Wert vergleicht und daraus ein Re­ gelsignal ableitet, das ein Stellglied im Leistungsteil ansteuert, mit dem die Regelung der Ausgangsspannung dann vorgenommen wird.

Es wurden bereits Netzteile vorgeschlagen, die zur Rege­ lung der Ausgangsspannung mit einem Längsregler oder einem Schaltregler ausgerüstet sind. Weiterhin wurden Netzteile vorgeschlagen, bei denen die Ausgangsspannung durch Um­ schaltung der Trafowicklung oder durch Wahl einer entspre­ chenden Anzapfung auf der Primärseite des Netztransforma­ tors geregelt wird. Schließlich wurde vorgeschlagen, die Regelung der Ausgangsspannung mittels Thyristoren bzw. TRIACs bzw. mittels Transduktoren durchzuführen.

Bei all diesen Vorschlägen befinden sich die Stellglieder direkt im Leistungszweig des Netzteils. Dies hat zur Folge, daß zum einen der Wirkungsgrad mit typisch 10% im Vergleich zu einem ungeregelten Netzteil verschlechtert wird und daß zum anderen ein Ausfall der Regeleinrichtung zu großen Spannungsänderungen am Ausgang des Netzteils führt.

Weiterhin ist aus der JP 1-1 48 073 A (Patents Abstr. of Japan, Sect. E Vol. 13 (1989) Nr. 407 (E-818) ein geregeltes Netzteil bekannt, das zusätzlich zu dem Stellglied im Leistungskreis ein Stellglied im Nebenschluß zu einem der Glättungskondensatoren aufweist. Beide Stellglieder werden mit einer überlagerten Regelschaltung in ihren Einschaltzeiten so gesteuert, daß am Ausgang des Netzteiles eine vorgebbare Kurvenform und Spannungshöhe eingehalten wird.

In der US-36 97 856 ist bei den dort gemachten Angaben zum Stand der Technik beschrieben, wie sich der Kondensatorwert des Glättungskondensators auf den Effektivwert bzw. den Mittelwert der Gleichrichterausgangsspannung auswirkt (insbesondere in der zweiten Darstellung zu Fig. 1c).

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Netzteil der eingangs genannten Art zu schaffen, das einfach im Aufbau ist und eine möglichst hohe Zuverlässigkeit während des Betriebs gewährleistet sowie einen möglichst hohen Wirkungsgrad erreicht.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 beschrieben. In den übri­ gen Ansprüchen sind vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung besteht darin, daß als Stellglied ein Schal­ ter vorgesehen ist, der im Nebenschluß mit einem der Glät­ tungskondensatoren der Siebschaltung in Reihe geschaltet ist.

Die Regelung der Ausgangsspannung erfolgt durch abwech­ selndes Öffnen und Schließen des Schalters und damit durch das Zu- und Wegschalten des mit dem Schalter in Reihe geschalteten Glättungskondensators in Abhängigkeit vom Regelsignal.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß sich das Stellglied nicht im Leistungszweig des Netz­ teils befindet, sondern im Nebenschluß, so daß ein Ausfall des Stellgliedes nicht kritisch ist. Selbst bei Totalaus­ fall des Stellgliedes betragen die Spannungsänderungen entsprechend den Schwankungen in der Netzspannung nur etwa ± 10%, wodurch eine hohe Zuverlässigkeit während des Be­ triebs erreicht wird. Auch ist der Wirkungsgrad des erfin­ dungsgemäßen Netzteils im Vergleich zu anderen geregelten Netzteilen hoch, da er beim erfindungsgemäßen Netzteil (vergleichbar zu den ungeregelten Netzteilen) im wesentli­ chen durch den Netztransformator, die Gleichrichterschal­ tung und die Subschaltung bestimmt wird und nicht vom (im Nebenschluß angeordneten) Stellglied. Ferner zeichnet sich das erfindungsgemäße Netzteil durch einen einfachen Aufbau (Netztransformator, Gleichrichterschaltung, Siebschaltung) aus und kommt insbesondere ohne DC/DC-Spannungsregler aus. Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Netzteils mit einen Schalter als Stellglied, der mit dem ersten Glättungskon­ densator nach der Gleichrichterschaltung in Reihe geschaltet ist;

Fig. 2 das Schaltbild einer vorteilhaften Weiterbildung der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Netz­ teils gemäß Fig. 1, bei der statt eines Schalters als Stellglied nunmehr mehrere Schalter als Stell­ glieder vorgesehen sind, die jeweils mit einem Glättungskondensator in Reihe geschaltet sind;

Fig. 3 typische Spannungs-Zeitverläufe an den Punkten A und B des Schaltbilds gemäß Fig. 1.

Das erfindungsgemäße Netzteil gemäß Fig. 1 besteht aus ei­ nem mit seiner Primärwicklung 10 an eine Wechselspannungs­ quelle u_N angeschlossenen Netztransformator 1, dessen Sekundärseite 11 mit einer Gleichrichterbrückenschaltung 2 verbunden ist. Am gleichspannungsseitigen Ausgang der Gleichrichterbrückenschaltung 2 schließt sich eine Sieb­ schaltung 3-5 an, die aus einem ersten Glättungskondensa­ tor 3, einer Siebdrossel 4 und einen zweiten Glättungskon­ densator 5 besteht.

Am Ausgang des Netzteils wird die Ausgangs-Gleichspannung U_G abgegriffen und einer Regelschaltung 7 als Ist-Wert zu­ geführt. Die Regelschaltung 7 vergleicht den Ist-Wert mit einem vorgegebenen Soll-Wert (in der Figur symbolisch dar­ gestellt durch einen veränderbaren Widerstand 8) und lei­ tet daraus ein Regelsignal R ab, mit dem ein in Reihe mit dem ersten Glättungskondensator 3 geschalteter Schalter 6 als Stellglied angesteuert wird, der mit einem seiner bei­ den Anschlüsse auf Bezugspotential (Masse) liegt.

Die Weiterbildung dieses erfindungsgemäßen Netzteils in Fig. 2 unterscheidet sich von der Grundausführung gemäß Fig. 1 lediglich dadurch, daß nunmehr N Schalter 61, 62...GN als Stellglieder vorgesehen sind, die jeweils mit einem Glättungskondensator 31, 32...3N in Reihe geschaltet sind und die mit einem ihrer beiden Anschlüsse jeweils auf Bezugspotential (Masse) liegen, wobei diese N Reihenschal­ tungen einen Block bilden, der zwischen gleichspannungs­ seitigem Ausgang der Gleichrichterschaltung 2 und Sieb­ drossel 4 angeordnet ist. Entsprechend der N Stellglieder 61, 62...6N wird in der Regelschaltung 7 nunmehr aus dem Vergleich von Ist- und Soll-Wert der Ausgangsspannung ein Regelsignal abgeleitet, das aus N Einzelsignalen R1, R2...RN besteht, die jeweils einen der N Regelschalter 61, 62...6N ansteuern.

Die Kapazitäten der mit den Regelschaltern 61, 62...6N in Reihe geschalteten Glättungskondensatoren 31, 32...3N kön­ nen in einer vorteilhaften Ausführungsform alle gleich oder annähernd gleich sein oder in einer anderen vorteilhaften Ausführungsform binär oder annähernd binär abgestuft sein. Denkbar ist auch, daß ein Teil der Kapazi­ täten gleich oder annähernd gleich ist und der andere Teil binär oder annähernd binär abgestuft ist.

Durch gezieltes Zu- bzw. Wegschalten der einzelnen "schaltbaren" Glättungskondensatoren 31, 32...3N kann man damit eine weitaus feinere Regelung der Ausgangsspannung erreichen als mit nur einem "schaltbaren" Glättungskonden­ sator (3 in Fig. 1).

Als Schalter eignen sich vor allem Relais bzw. an- und ab­ schaltbare Halbleiter-Leistungsschalter wie z. B. MOSFETs.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Netzteils gemäß Fig. 1 sei nun anhand der Fig. 3 näher erläutert.

Fig. 3a zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf der gleich­ gerichteten Wechselspannung am Punkt A der Schaltung mit permanent weggeschaltetem Glättungskondensator 3. Der Mit­ telwert der Spannung am Ausgang des Netzteils (in der Fi­ gur durch eine gestrichelte Linie angedeutet) ist gleich ihrem Effektivwert U_eff.

Fig. 3b zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf der gleich­ gerichteten und durch permanente Zuschaltung des Glät­ tungskondensators 3 "geglättete" Spannung am Punkt A der Schaltung.

Der Mittelwert der Spannung am Ausgang des Netzteils (in der Figur ebenfalls durch eine gestrichelte Linie angedeu­ tet) ist gleich der bei Spitzengleichrichtung erreichbaren maximalen Spannung U_S.

Wird nun der Glättungskondensator 3 erfindungsgemäß durch Schließen und Öffnen des Schalters 6 in Abhängigkeit vom Regelsignal zu- und weggeschaltet, ergibt sich der in Fig. 3c gezeigte Spannungsverlauf, wobei der Mittelwert der Spannung am Ausgang des Netzteils (in der Figur ebenfalls durch eine gestrichelte Linie angedeutet) dabei einen Wert U_M annimmt, der zwischen U_eff (bei permanent weggeschalte­ tem Glättungskondensator 3) und U_S (bei permanent zugeschaltetem Glättungskondensator 3) liegt und dessen Höhe vom Tastverhältnis, d. h. von dem Verhältnis der Ein­ schaltzeit zur Ausschaltzeit des Schalters 6 abhängt.

Dies sei im folgenden anhand der (beispielhaften) Schalt­ folge gemäß Fig. 3c näher erläutert: Während der Zeit T₁ wird der Kondensator 3 durch Schließen des Schalters 6 zugeschaltet ("ein" in Fig. 3c). Er wird dabei auf die Spannung U₁ aufgeladen. Während der an­ schließenden Zeit T₂ wird der Kondensator 3 durch Öffnen des Schalters 6 ("aus" in Fig. 3c) abgekoppelt. Die Span­ nung am Kondensator bleibt dabei erhalten (U₂ = U₁). Da­ nach wird der Kondensator 3 durch Schließen des Schalters 6 während der Zeit T₃+T₄ wieder zugeschaltet. Dabei ent­ lädt sich der Kondensator 3 während der Zeit T₃ über die Siebdrossel 4. Während der anschließenden Zeit T₄ (die z. B. mit Hilfe eines Monoflops in der Regelschaltung re­ alisiert werden kann) wird er dann wieder von dem Span­ nungsrestwert U₃ am Ende des Zeitintervalls T₃ auf den ur­ sprünglichen Spannungswert U₄ = U₁ aufgeladen und danach wieder während der Zeit T₅ durch Öffnen des Schalters 6 abgekoppelt usw.

Fig. 3d zeigt stark vereinfacht den entsprechenden zeitli­ chen Spannungsverlauf am Punkt B der Schaltung zwischen Glättungskondensator 3 und Schalter 6 für das in Fig. 3c angegebene Schaltschema des Schalters 6.

Es versteht sich, daß die Erfindung mit fachmännischen Können in naheliegender Weise weiterentwickelt oder abge­ ändert werden kann.

So ist es z. B. möglich, anstelle oder in Ergänzung zu den "gleichrichterseitigen" Glättungskondensatoren 3 bzw. 31, 32...3N auch andere Glättungskondensatoren der Siebschal­ tung, z. B. den Glättungskondensator 5 in Fig. 1 bzw. 2, in Reihe mit Regelschaltern zu schalten, um sie "schaltbar" zu machen.

Ferner ist es möglich, anstelle des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Wechselspannungs-Netztransformators einen Dreh­ strom-Netztransformator zu verwenden bzw. anstelle der ge­ zeigten Gleichrichterbrückenschaltung Doppel- oder Einweg­ gleichrichterschaltungen zu verwenden.

Außerdem ist es denkbar, zwischen die einzelnen Reihen­ schaltungen von Glättungskondensator und Regelschalter in Fig. 3 weitere Siebdrosseln einzufügen.

Schließlich ist es möglich, weitere LC-Siebglieder (mit "schaltbaren" oder mit nicht "schaltbaren" Glättungskon­ densatoren) der Siebschaltung in Fig. 1 bzw. 2 hinzuzufügen.

Claims (8)

1. Netzteil mit geregelter Ausgangsspannung, welches enthält:

• - einen Leistungsteil mit einem primärseitig an ein Wechsel- oder Drehstrom-Versorgungsnetz und sekundärseitig an eine Gleichrichterschaltung angeschlossenen Netztransformator sowie mit einer der Gleichrichterschaltung gleichspannungsseitig nachgeschalteten Siebschaltung, be­ stehend aus M jeweils parallel zur Gleichrichterschaltung geschalteten Glättungskondensatoren (M2) und mindestens einer in Reihe mit der Gleichrichterschaltung geschalteten Siebdrossel, und
• - einen Regelteil mit einer Regelschaltung zur Regelung der Ausgangsspannung, welches den Ist- und den Soll-Wert der Ausgangsspannung miteinander vergleicht und daraus ein Regelsignal zur Ansteuerung eines ein- und ausschaltbaren Schalters (6) als erstes Stellglied im Leistungsteil ableitet,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (6) im Nebenschluß zum gleichspannungsseitigen Ausgang der Gleichrichterschaltung mit einem der M Glättungskondensatoren (3, 5) in Reihe geschaltet ist, und mit einem seiner beiden Anschlüsse auf Bezugspotential, insbesondere Masse, liegt.

2. Netzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (6) mit dem direkt am gleichspannungsseitigen Ausgang der Gleichrichterschaltung (2) angeschlossenen Glättungskondensator (3) in Reihe geschaltet ist

3. Netzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß neben dem Schalter (6, 61) weitere N-1 Stellglieder in Form von weiteren N-1 Schaltern (62,...6N) vorgesehen sind, daß diese weiteren N-1 Schalter, (62,...6N) jeweils in Reihe mit einem weiteren der M Glättungs-Kondensatoren (32,...3N) geschaltet sind (NM) und mit einem ihrer beiden Anschlüsse jeweils auf Bezugspotential, insbesondere Masse, liegen und daß die Regelschaltung (7, 8) ein Regelsignal in Form von N Einzelsignalen (R1, R2...RN) zur Ansteuerung des ersten Schalters (61) und der weiteren N-1 Schalter (62,...6N) erzeugt.

4. Netzteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die N Reihenschaltungen aus Schalter (61, 62,...6N) und Glättungskondensator (31, 32,...3N) in einem Block ohne zwischengeschaltete Siebdrosseln parallel zum gleichspannungsseitigen Ausgang der Gleichrichterschaltung (2) geschaltet sind.

5. Netzteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Block von N parallel zum gleichspannungsseitigen Ausgang der Gleichrichterschaltung (2) geschalteten Reihenschaltungen aus Schalter (61, 62...6N) und Glättungskondensator (31, 32...3N) zwischen gleichspannungsseitigem Ausgang der Gleichrichterschaltung (2) und der ersten nachgeschalteten Siebdrossel (4) geschaltet ist.

6. Netzteil nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die jeweils in Reihe mit einem Schalter (61, 62,...6N) geschalteten Glättungskondensatoren (31, 32, ...3N) jeweils gleiche oder zumindest annähernd gleiche Kapazitätswerte aufweisen oder in ihren Kapazitätswerten binär oder zumindest annähernd binär abgestuft sind oder daß eine erste Gruppe dieser Glättungskondensatoren (31, 32...3N) gleiche oder annähernd gleiche Kapazitätswerte aufweisen und die übrigen dieser Glättungskondensatoren (31, 32...3N) in ihren Kapazitäten binär oder annähernd binär abgestuft sind.

7. Netzteil nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, da­ durch gekennzeichnet, daß der (die) Schalter (6, 61, 62 ...6N) (jeweils) ein Halbleiter-Leistungsschalter, insbesondere ein MOSFET-Schalter, oder ein Relais ist (sind).