DE4214918A1 - Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines Netzteiles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Aus­ gangsspannung eines Netzteiles und eine Schaltung zur Durch­ führung des vorgenannten Verfahrens gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.

Als Stand der Technik gemäß Paragraph 3 Abs. 2 PatG ist hierzu die deutsche Anmeldung P 40 36 062 zu nennen. Das darin beschriebene Netzteil verwendet einen in Reihe zum Glättungskondensator angeordneten Halbleiter-Leistungsschal­ ter - insbesondere ein MOSFET oder ein Relais - als Regel­ glied für die Regelung der Ausgangsspannung des Netzteiles. Mit einem Regler erfolgt über den Halbleiterschalter eine zeitlich gesteuerte Zu- und Wegschaltung des Glättungskon­ densator im Bereich der Ladespitze des Kondensators zum Zwecke der Regelung der Ausgangsspannung.

Von öffentlichen Auftraggebern aus dem Bereich des Rundfunks wird für geregelte Netzteile in der Leistungsklasse von 1-3 kVA ein Leistungsfaktor vorgeschrieben, dessen Wert gleich oder größer als 0.8 ist. Bei bekannten geregelten Netzteilen, deren Regelglieder direkt im Längszweig des Netzteiles wirken, wird der Leistungsfaktor durch die zu­ sätzlichen Verluste in der Regelschaltung gegenüber einem ungeregelten Netzteil um typisch 10% (und mehr) verschlech­ tert. Der vorangehend angegebene Stand der Technik, weist eine Anordnung des Regelgliedes im Nebenschluß auf und wirkt damit der von den Längsregelgliedern verursachten Ver­ schlechterung des Leistungsfaktors entgegen, kann aber die vorgenannten Anforderungen bezüglich des Leistungsfaktors über einen größeren Regelbereich hinweg nicht sicher erfül­ len.

Andere bekannte Netzteile, die einen Leistungsfaktorwert von größer 0.8 aufweisen, sind z. B. als Primär-Schaltnetzteile ausgeführt. In diesen Netzteilen wird die Ausgangsspannung durch Zu- und Wegschalten von Primärwicklungen des Netztra­ fos geregelt. Diese Technologie ist auf einen speziellen Netztrafo und auf eine Vielzahl von Steuerelementen angewie­ sen und damit aufwendig und systembedingt anfällig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines Netzteiles zu schaffen, bei dem der Leistungsfaktor des Netzteiles einen Wert auf­ weist, der über einen größeren Regelbereich hinweg gleich oder größer als 0.8 ist und bei dem das Netzteil einfach und kostengünstig im Aufbau ist und eine hohe Zuverlässigkeit während des Betriebes gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine Lösung für ein Netzteil zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An­ spruch 1 ist im Kennzeichen des Anspruchs 2 angegeben. An­ spruch 3 offenbart Weiterbildungen dazu.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß mit ihm Netzteile mit hohem Wirkungsgrad und hohen Leistungsfaktor­ werten realisierbar sind. Im Vergleich zu Primär-Schaltnetz­ teilen, die einen Leistungsfaktor von typisch 0.87 erreichen können, ist erfindungsgemäß ein um 25% besserer Wert für den Wirkungsgrad erzielbar und zusätzlich besitzt der Erfin­ dungsgegenstand gegenüber den Primär-Schaltnetzteilen eine höhere Zuverlässigkeit, da nur vier Bauelemente zum Total­ ausfall des Netzteiles führen können (der Netztrafo, die beiden Glättungskondensatoren und die Siebdrossel). Beim Er­ findungsgegenstand sind als Halbleiterschalter Triacs oder Thyristoren einsetzbar, die gegenüber den im Stand der Tech­ nik gem. P 40 36 062 vorgeschlagenen Hochstrom-FETs in dem relevanten Strombereich bedeutende Kostenvorteile bieten. Im Vergleich mit dem Anmeldungsgegenstand P 40 36 062 wird mit dem Erfindungsgegenstand ein Leistungsfaktorwert von größer 0.8 über einen großen Regelbereich sicherer erreicht (für Netzspannungsänderungen in dem Bereich von 5% bis 10% des Nennwertes). Außerdem werden mit dem Erfindungsgegenstand Netzrückwirkungen vorteilhaft vermindert.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines Netzteiles zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines Netzteiles, das dem der Fig. 1 entspricht, in Abweichung dazu aber eine Doppelgleichrichterschaltung aufweist,

Fig. 3 zeigt typische Spannungs-Zeitverläufe an den Punk­ ten A und B der Schaltbilder gemäß Fig. 1 und Fig. 2.

Das erfindungsgemäße Netzteil gemäß Fig. 1 besteht aus einem an eine Wechselspannungsquelle U_N mit seiner Primärwicklung 10 angeschlossenen Netztransformator 1, dessen Sekundärwick­ lung 11 mit einer Gleichrichterbrückenschaltung 2 verbunden ist. Am gleichspannungsseitigen Ausgang der Gelichrichter­ brückenschaltung 2 schließt sich eine Siebschaltung an, die aus einem ersten Glättungskondensator 3, einer Siebdrossel 4 und einem zweiten Glättungskondensator 5 besteht.

Am Ausgang der Siebschaltung wird die Ausgangs-Gleichspan­ nung U_G des Netzteiles abgegriffen und einer Regelschaltung 7 als Ist-Wert U_ist zugeführt. Die Regelschaltung 7 ver­ gleicht den Ist-Wert U_ist mit einem vorgegebenen Soll-Wert U_soll (in der Figur symbolisch dargestellt durch einen ver­ änderbaren Widerstand 8) und leitet daraus ein Regelsignal R ab, das auf einen Halbleiterschalter (6) einwirkt. Der Schalter (6) bildet zusammen mit einer Sperrdiode (9) eine Parallelschaltung, die zwischen dem ersten Glättungskonden­ sator (3) und seinem Massenanschluß (14) in das Netzteil integriert ist.

Als Halbleiterschalter (6) eignen sich bei einer Auslegung der Netzteilleistung auf 1-3 kVA insbesondere Triacs und Thyristoren.

In Fig. 2 ist ein Netzteil zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens gezeigt, das sich von dem vorangehend be­ schriebenen Netzteil dadurch unterscheidet, daß statt der Gleichrichterbrücke 2 eine Dopplergleichrichterschaltung verwendet ist. Der Netztransformator 1 weist in diesem Netz­ teil zwei hintereinandergeschaltete Sekundärwicklungen 11 auf, die mit einer Mittelpunktanzapfung 13 miteinander ver­ bunden sind. Die gleichgerichtete Spannung ist über diese Anzapfung 13 der nachgeschalteten Sieb- und Regelschaltung des Netzteiles zugeführt. Diese Sieb- und Regelschaltung entspricht dem diesbezüglichen Schaltungsteil des vorange­ hend zu Fig. 1 beschriebenen Netzteiles. Die freien An­ schlüsse der Sekundärwicklungen 11 sind über in Sperrich­ tung gepolte Gleichrichterdioden 12 auf Masse geführt.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens soll nun anhand von Fig. 3 unter Bezug auf die vorangehend beschrie­ benen Netzteile näher erläutert werden.

Fig. 3a zeigt zum besseren Verständnis des Verfahrens den zeitlichen Spannungsverlauf am Gleichspannungsausgang der Gleichrichterbrückenschaltung 2, wie er an diesem Schalt­ punkt A hypothetischer Weise auftreten würde, wenn die nach­ geschaltete Sieb- und Regelschaltung vollkommen unwirksam wäre.

Fig. 3b zeigt informationshalber den zeitlichen Spannungs­ verlauf einer klassischen Spitzengleichrichtung wie er in dem Netzteil gemäß Fig. 1 am Schaltpunkt A auftreten würde, wenn dem Kondensator 3 keine Regelelemente nachgeschaltet wären. Mit steigender Ausgangsspannung der Brückenschaltung 2 wird der Glättungskondensator 3 aufgeladen. Diese Aufla­ dung erfolgt solange, wie die Ausgangsspannung der Brücken­ schaltung 2 größer ist als die Augenblicksspannung des Kon­ densators 3 (Zeitspanne T_A bis T_B). Bei der nachfolgenden Abnahme der Brückenausgangsspannung (Zeitspanne T_A bis T_B) entlädt sich der Kondensator 3 über die vom Netzteil ge­ speiste Last (nicht gezeigt in den Fig. 1 und 2) und die Siebdrossel 4. Diese Kondensatorentladung führt am Schalt­ punkt A zu dem in Fig. 3b gezeigten Spannungsverlauf.

Fig. 3c zeigt die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand zweier zeitlicher Spannungsverläufe. Der obere Ver­ lauf zeigt die Spannung am Schaltpunkt A, der untere die Spannung am Schaltpunkt B des Netzteiles gemäß Fig. 1. Wie vorangehend zu Fig. 3b beschrieben, steigt auch in der er­ findungsgemäßen Schaltung die Spannung am Schaltpunkt A mit steigender Ausgangsspannung der Gleichrichterbrückenschal­ tung 2 an, da der Glättungskondensator 3 über die in Durch­ laßrichtung gepolte Sperrdiode 9 aufgeladen wird, wenn die Brückenausgangsspannung größer ist als die momentane Konden­ satorspannung plus 0,7 V der Diodendurchlaßspannung (Zeit­ spanne T_A bis T_B). Die Spannung im Schaltpunkt B verläuft entsprechend der Spannung im Schaltpunkt A; mit einem um die Kondensatorspannung verminderten Potential. Nach dem Errei­ chen der Ladespitze sinkt die Spannung in den Schaltpunkten A und B. Dieses führt zum Sperren der Diode 9 (Zeitpunkt T_B). Die bei einer üblichen Spitzengleichrichtung zu diesem Zeitpunkt einsetzende Entladung des Glättungskondensators 3 kann wegen der Sperrdiode 9 nicht einsetzen. Die Spannung über dem Kondensator 3 bleibt konstant. Deshalb sinkt ab diesem Zeitpunkt die Spannung in den Schaltpunkten A und B entsprechend der Ladespannung am Ausgang des Brückengleich­ richters 2. Im Schaltpunkt B wird die Spannung dabei nega­ tiv. Die Wirkung der Sperrdiode 9 kann zu einem variierbarem Zeitpunkt Tc aufgehoben werden, in dem der parallel zur Dio­ de 9 angeordnete Halbleiterschalter 6 geschlossen wird. Der Glättungskondensator 3 wird ab diesem Zeitpunkt T_C mit sei­ nem Masseanschluß 14 verbunden und kann sich entladen, was zu einer kurzfristigen Potentialanhebung in den Schaltpunk­ ten A und B und zu einem der Spitzengleichrichtung entspre­ chenden geglätteten Abklingen des Spannungsverlaufes führt (Zeitspanne T_C bis T_A). Wird die Ausgangsspannung des Brücken­ gleichrichters 2 wieder höher, so wird der Strom durch den Halbleiterschalter 6 unterbrochen, die Diode 9 wird wieder leitend und der Kondensator 3 wird aufgeladen (Zeit­ punkt T_A).

Je früher der Kondensator 3 in der Abklingphase (Zeitspanne T_B bis T_A) zugeschaltet wird, desto höher ist die Ausgangs­ spannung des Netzteiles. Diese Zuschaltung erfolgt durch Wahl des Triggerzeitpunktes T_C für den Halbleiterschalter 6.

Im extremen Fall deckt sich der Zeitpunkt T_C mit dem Zeit­ punkt T_B, was einer üblichen Spitzengleichrichtung entspre­ chen würde. Das andere Regelextrem ist überhaupt keine Zu­ schaltung des Kondensators 3, wobei keine Glättung der Brücken­ ausgangsspannung erfolgt und eine minimale Ausgangsspan­ nung am Netzteil erzeugt wird.

Das in der Regelschaltung 7 generierte Regelsignal R be­ stimmt den Triggerzeitpunkt T_C und führt somit zu einer Regelung der Ausgangsspannung des Netzteiles.

Die konstruktive Ausführung der Regelschaltung 7 ist sehr einfach gehalten. Aus der Netzspannung wird ein Synchron­ impuls erzeugt und mit einem Monoflop wird bezugnehmend auf diesen Synchronimpuls der dazu verzögerte Triggerzeitpunkt T_C entsprechend der Regelabweichung in der Ausgansspannung erzeugt. Die Realisierung dieser Schaltung kann z. B. mit dem Schaltkreis U 208B der Firma Telefunken Elektronik GmbH erfolgen. Mit dem Triggersignal wird ein Triac angesteu­ ert, der als Halbleiterschalter 6 dient. Eine so ausgeführ­ te Regelschaltung 7 zeichnet sich durch eine sehr geringe Stromaufnahme aus (einige mA), die den Wirkungsgrad des Netzteiles nicht merkbar beeinträchtigt. So wurde erfin­ dungsgemäß u. B. ein 675-W-Netzteil mit einem Wirkungsgrad von 90% und einem Leistungsfaktor von 0,85 realisiert, bei dem für eine Netzspannungsänderung von +10% bis -15% die Ausgangsspannung konstant bleibt und für eine konstante Netzspannung eine konstante Ausgangsspannung zwischen 36 V und 48 V einstellbar ist.

Claims (3)

1. Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines Netz­ teiles, wobei das Netzteil aus einer von einem Netztrafo gespeisten Gleichrichterschaltung, einer der Gleichrich­ terschaltung nachgeschalteten Siebschaltung und einer Re­ gelschaltung besteht, die Siebschaltung zwei parallelge­ schaltete Glättungskondensatoren und eine im Längszweig angeordnete Siebdrossel aufweist, und die Regelschaltung über einen Vergleich von Ist- und Sollwert der Ausgangs­ spannung ein Regelsignal ableitet, mit dem der der Gleichrichterschaltung nachfolgende erste Glättungskon­ densator der Siebschaltung zeitlich gesteuert zu- und weggeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Zu- und Wegschaltung des ersten Glättungskondensators (3) die nach Überschreitung der Ladespitze (Zeitpunkt T_B) einsetzende Entladung des Kondensators (3) je nach Größe der Regelabweichung der Ausgangsspannung mehr oder weni­ ger um eine Zeitspanne (T_B bis T_C) verzögert einsetzt.

2. Netzteil zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum ersten Glät­ tungskondensator (3) zwischen dem Kondensator (3) und seinem Masseanschluß (14) eine Parallelschaltung, beste­ hend aus einem von der Regelschaltung (7) steuerbaren Halbleiterschalter (6) und einer Sperrdiode (9) angeord­ net ist.

3. Netzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (6) ein Triac oder ein Thyristor ist.