DE4342327A1 - Durch eine Batterie unterbruchfrei gestütztes Schaltnetzteil - Google Patents
Durch eine Batterie unterbruchfrei gestütztes SchaltnetzteilInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil, das durch eine
Batterie unterbruchfrei gestützt wird, entsprechend dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der Betrieb zahlreicher Elektronikgeräte, z. B. von Computern,
erfordert eine sichere, unterbruchfreie Speisung. Durch das
öffentliche Netz kann diese Bedingung nicht erfüllt werden. Es
sind hierzu vielmehr spezielle Stromlieferungsanlagen
erforderlich, die kurze Schaltunterbrüche oder auch Stunden
dauernde Netzausfälle zu überbrücken gestatten.
Aus der Schrift GB 2 120 474 A ist beispielsweise ein
entsprechendes Schaltnetzteil bekannt, das bei einem
Netzausfall unterbruchlos auf eine Pufferbatterie als
Stromlieferant umschaltet. Dieses Schaltnetzteil weist zwei
getrennte Primärkreise auf, die mit zwei getrennten
Primärwicklungen eines einzigen Transformators verbunden sind.
Sekundärseitig sind mehrere Ausgangskreise vorgesehen. Die
Regelung erfolgt mittels Puls-Weiten-Modulation, wobei das
Steuersignal den beiden Primärkreisen parallel zugeführt wird.
Die Umschaltung zwischen den somit synchron angesteuerten
Primärkreisen erfolgt zwangsläufig aufgrund der jeweiligen
Spannungsverhältnisse in diesen Kreisen, wobei vier
Trenndioden mitwirken.
Aus der Schrift WO 92/05614 ist ein weiteres Schaltnetzteil
für militärische Anwendungen bekannt, das Unterbrüche bei sehr
kurzfristigen Transienten mit Hilfe eines geladenen
Kondensators überbrücken kann. Auch dieses Schaltnetzteil
weist einen einzigen Transformator mit zwei primärseitigen
Wicklungen auf, die dem Normalbetrieb bzw. dem
Überbrückungsbetrieb zugeordnet sind. Es ist weiter eine
Ladeschaltung vorgesehen, die an eine zugeordnete Wicklung des
Transformators angeschlossen ist und jeweils während des
Normalbetriebs den Kondensator auflädt.
Die erstgenannte Schrift gibt keine Möglichkeit zum Laden der
benötigten Batterie an. Die Anordnung der zweitgenannten
Schrift ist relativ aufwendig und für zivile Anwendungen kaum
geeignet. Die Art des Kondensator-Ladens bewirkt ständig
zwischen verschiedenen Zuständen hin und her wechselnde
Energieströme, was die Verwendung zum Laden kapazitätsstarker
Batterien nicht zuläßt.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein preiswertes,
ausfallsicheres Schaltnetzteil für vorwiegend zivile
Anwendungen anzugeben, bei dem eine Ladeschaltung enthalten
ist zum Laden einer größeren Pufferbatterie während des
normalen Betriebes am speisenden Netz.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil
von Anspruch 1 gegeben. Die abhängigen Ansprüche geben
Ausgestaltungen der Erfindung an.
Die erfindungsgemäße Lösung ist vergleichsweise einfach und
erlaubt es, preiswerte unterbruchfreie Schaltnetzteile zu
fertigen. Die Lösung erfüllt damit die Bedingungen der
eingangs angegebenen Aufgabe bestens.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von vier Figuren
beispielsweise näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 Prinzipielles Blockschaltbild eines unterbruchfrei
gestützten Schaltnetzteils;
Fig. 2 bis 4 Detaillierte Schaltbilder entsprechender
Schaltnetzteile.
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines unterbruchfrei
gestützten Schaltnetzteils 11. Dieses umfaßt einen einzigen
Transformator 13 mit beispielsweise vier Wicklungen 14-17,
zwei primärseitige Wandlermodule 21, 22, zwei Trenndioden 25,
26, zwei sekundärseitige Ausgangsmodule 31, 32, einen Regler
35 und eine Ladeschaltung 41.
Der erste Wandlermodul 21 ist eingangsseitig über eine
separate Gleichrichterschaltung 27 und über die eine
Trenndiode 25 an das allgemeine Einphasen- oder Mehrphasen-
Wechselstromnetz angeschlossen, z. B. an ein Drehstromnetz 50
Hz, 400 V. Die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 27
ist über einen Glättungskondensator 28 gepuffert.
Ausgangsseitig ist der erste Wandlermodul 21 mit den beiden
Polen der ersten Wicklung 14 des Transformators 13 verbunden.
Der zweite Wandlermodul 22 ist in analoger Weise
eingangsseitig über die zweite Trenndiode 26 mit einer
Gleichspannungsbatterie 29, z. B. einer NiCd-Batterie
verbunden, der ein Pufferkondensator 30 parallel geschaltet
ist. Auf seiner Ausgangsseite ist der zweite Wandlermodul 22
an die zweite Wicklung 15 des Transformators 13 angeschlossen.
Auf der Sekundärseite des Transformators 13 sind die weiteren
Wicklungen 16, 17 einzeln mit zwei unabhängigen
Ausgangsmodulen 31 bzw. 32 verbunden. Die Zahl zwei entspricht
dabei dem gewählten Beispiel von vier Wicklungen 14-17, wobei
statt dessen auch ein einziger, drei oder mehr Ausgangsmodule
möglich sind.
Der Regler 35 ist mit seinem Spannungsfühler an die
Ausgangsleitungen 33 des Ausgangsmoduls 32 und mit seinem
Geber über eine Leitung 36 an die Steuereingänge beider
Wandlermodule 21, 22 angeschlossen. Er arbeitet als Puls-
Weiten-Modulator und steuert die Wandlermodule 21, 22 synchron
an. Der gesamte Regelkreis ist ein Rückwärtsregler für die
Ausgangsspannung U2 am Ausgang 33 des zweiten Ausgangsmoduls
32. Die Ausgangsspannung U1 am ersten Ausgangsmodul 31 und
eventuell weitere Ausgangsspannungen werden dabei über den
Transformator 13 lose gekoppelt mitgeregelt.
Die Ladeschaltung 41 schließlich ist mit ihrem Eingang 42 an
die beiden Pole der zweiten Wicklung 15 und mit ihrem Ausgang
43 an die Pole der Batterie 29 angeschlossen. Die
Ladeschaltung 41 liegt damit antiparallel zur Reihenschaltung
von zweiter Trenndiode 26 und zweitem Wandlermodul 22, d. h.
parallel als Schaltung, jedoch gegenläufig in der
Stromrichtung. Die Ladeschaltung 41 weist bevorzugt einen
nicht explizit gezeigten Laderegler sowie eine Steuerleitung
65 auf.
Jeder Wandlermodul 21, 22 bildet zusammen mit dem oder den
Ausgangsmodul(en) 31, 32 einen sogenannten Flußwandler. Da
beide Wandlermodule 21, 22 ständig parallel und synchron vom
Regler 35 angesteuert werden, arbeiten sie im Grunde parallel.
Aufgrund der Wirkung der Trenndioden 25, 26 zieht jedoch nur
derjenige Wandlermodul 21, 22 Energie aus seinem
Eingangsanschluß, d. h. aus der Gleichrichter-Schaltung 27
bzw. aus der Batterie 29, dessen interne Spannungen höher sind
als die entsprechenden Spannungen des jeweils anderen
Wandlermoduls 22, 21. Auf diese Weise wirkt jeweils einer der
Wandlermodule 21, 22 als "Stand-by"-Modul, der jederzeit und
ohne Unterbrechung die Energielieferungsfunktion übernimmt,
sobald sich die beschriebenen Spannungsverhältnisse umkehren.
Im Normalbetrieb sind die Spannungsverhältnisse so, daß das
Wechselstromnetz die benötigte Energie liefert. Bricht in
diesem Netz aus beliebigem Grund die Spannung zusammen, so
übernimmt sofort die Batterie 29 die Energielieferung und zwar
so lange, bis die Netzspannung wieder aufgebaut ist. Hierdurch
ist die gewünschte Unterbruchfreiheit nahtlos gewährleistet.
Die Ladeschaltung 41 kann nun entweder wie ein sekundärseitiger
Hochsetzsteller oder wie ein diskontinuierlich arbeitender
Tiefsetzsteller ausgebildet sein. In beiden Fällen sorgen
Entkoppelglieder dafür, daß die Ladeschaltung 41 nur
arbeitet, wenn der erste Wandlermodul 21 die Energie liefert.
In diesem Fall dient die zweite Wicklung 15 des Transformators
13 als Sekundärwicklung, über die Energie zur Batterie 29
fließt. Liefert dagegen der zweite Wandlermodul 22 die
Energie, dann dient die zweite Wicklung 15 als Primärwicklung
des Transformators 13 und die Ladeschaltung 41 ist gesperrt.
Die genannte Steuerleitung 65 kann dabei zum Steuern dieser
Entkoppelglieder benützt werden.
Die Gleichrichterelemente der Ladeschaltung 41 arbeiten je
nach den gegebenen Spannungsverhältnissen mehr oder weniger
unter Ausnützung der gegebenen Halbwellen. Werden dabei in Art
eines Spitzenwertgleichrichters nur die Spannungsspitzen
erfaßt, dann kann mit Vorteil ein nachgeschalteter
Linearregler vorgesehen sein, der den entstehenden
pulsierenden Gleichstrom glättet und linearisiert.
Es wurde erwähnt, daß jeder Wandlermodul 21, 22 zusammen mit
dem oder den Ausgangsmodul(en) 31, 32 einen Flußwandler
bildet. Als Flußwandler kommen dabei bevorzugt bei geringerem
Leistungsbedarf Einschalter-Eintakt-Flußwandler und bei
höherem Leistungsbedarf Zweischalter-Gleichtakt-Flußwandler
in Frage. Es können jedoch auch Gegentakt-Flußwandler
vorgesehen werden, z. B. mit konventioneller Vollbrücke oder
mit Vollbrücke, die mit "Phase-Shift"-Steuerung betrieben
werden.
Es ist weiter vorteilhaft, wenn die beiden Wandlermodule 21
und 22 gleich oder zumindest im wesentlichen gleich aufgebaut
sind. Dies ist jedoch kein unbedingtes Muß; grundsätzlich
können auch durchaus unterschiedliche Wandlermodule 21 und 22
verwendet werden. Entsprechendes gilt für die Ausgangsmodule
31, 32, sofern mehr als bin einziger solcher Modul eingesetzt
wird.
Die folgenden Figuren zeigen nun detaillierte
Ausführungsbeispiele von Schaltnetzteilen 11, bei denen
unterschiedliche Flußwandler eingesetzt sind.
Fig. 2 zeigt ein detailliertes Schaltbild eines ersten
Schaltnetzteils 11 entsprechend dem beschriebenen
Blockschaltbild von Fig. 1. Der erste Wandlermodul 21 umfaßt
einen über die Leitung 36 vom Regler 35 gesteuerten Schalter,
insbesondere einen Transistor 51, der in Reihe mit der
Wicklung 14 liegt. Weiter umfaßt er eine Diode 52 und eine
Zener-Diode 53, die in Reihe mit der Trenndiode 25 die
Wicklung 14 überbrücken.
Der zweite Wandlermodul 22 umfaßt in gleicher Weise einen
über die Leitung 36 gesteuerten Transistor 55, der in Reihe
mit der zweiten Trenndiode 26 und der Wicklung 15 liegt.
Die Ladeschaltung 41 ist ausgebildet als diskontinuierlich
arbeitender Tiefsetzsteller und umfaßt eine Diode 61, eine
Freilaufdiode 62 und eine Drossel 63. Als Ladekondensator
dient der Batterie-Kondensator 30. Weiter ist ein Stellglied
in Form eines (dritten) Transistors 64 vorgesehen, der in
Reihe mit der Diode 61 liegt und über die Steuerleitung 65
steuerbar ist, insbesondere durch den erwähnten Laderegler.
Der in Fig. 2 einzige Ausgangsmodul 31 umfaßt in bekannter
Weise eine Ladediode 71, eine Freilaufdiode 72, eine Drossel
73 und einen Kondensator 74. An seinem Ausgang liegt die
Ausgangsspannung U1 an, die als Ist-Wert des erwähnten
Regelkreises dem Regler 35 zugeführt wird.
Das beschriebene Schaltnetzteil 11 bildet zwei sich ergänzende
und zusammenarbeitende Einschalter-Eintakt-Flußwandler mit
Entmagnetisierungskreis, wobei die Transistoren 51 bzw. 55 die
zugehörigen Schalter bilden. Das Schaltnetzteil ist im Aufbau
einfach und bevorzugt fürs eine Ausgangsleistung von etwa 100
bis 200 W geeignet.
Fig. 3 zeigt ein detailliertes Schaltbild eines zweiten
Schaltnetzteils 11. Der obere Teil von Fig. 3 ist identisch
mit dem Schaltbild von Fig. 2 und zeigt Details des ersten
Wandlermoduls 21 und des Ausgangsmoduls 31. Im unteren Teil
von Fig. 3 bildet der über die Leitung 36 gesteuerte
Transistor 55 den zweiten Wandlermodul 22.
Die Ladeschaltung 41 umfaßt zwei Gleichrichterdioden 67, 68,
die an die beiden Pole der Wicklung 15 und gemeinsam an die
Ladedrossel 63 angeschlossen sind. Eine weitere Diode 69
verbindet die Ladedrossel 63 mit der Trenndiode 26. Der
Steuertransistor 64 ist schließlich zwischen die Ladedrossel
63 und die Wicklung 15 geschaltet.
Das Besondere des Schaltnetzteils 11 nach Fig. 3 gegenüber
demjenigen von Fig. 2 liegt darin, daß die Drosseln 63 und 73
magnetisch teilweise gekoppelt sind. Da nach Abschluß des
Ladevorganges kein Strom mehr über die Diode 69 in die
Batterie 23 fließen darf, wird durch diese Kopplung die
Spannung der zweiten Wicklung 15, die bei eingeschaltetem
Schalter 51 höher als die Spannung am Kondensator 30 ist,
unter die Spannung des Kondensators 30 herabgesetzt und
dadurch ein unerwünschter Stromfluß verhindert.
Fig. 4 zeigt ein detailliertes Schaltbild eines dritten
Schaltnetzteils 11 für bevorzugt Ausgangsleistungen bis 1 kW.
Bei dieser Version werden in beiden Wandlermodulen 21, 22
jeweils zwei Transistoren 81, 82 bzw. 83, 84 im Gleichtakt
eingesetzt, was die genannte, höhere Leistung ermöglicht. Zur
Reduzierung von Schaltspitzen sind vier Dioden 91-94
vorgesehen, die jeweils der Serienschaltung eines der
Transistoren 81-84 und einer der Wicklungen 14 und 15 parallel
geschaltet sind.
Die Erfindung erlaubt eine Reihe weiterer Varianten und
Ergänzungen. Von diesen bei speziell angegeben, daß statt der
Schalttransistoren 51, 55, 64, 81-84 auch andere steuerbare
Schalter verwendet werden können, z. B. MOSFETs.
Claims (9)
1. Durch eine Ladungsspeicher unterbruchfrei gestütztes
Schaltnetzteil (11),
- - mit einem mehrere Wicklungen (14-17) umfassenden, einzigen Transformator (13),
- - mit einem primärseitigen, an ein Wechselstromnetz und eine erste dieser Wicklungen (14) angeschlossenem, ersten Wandlermodul (21),
- - mit einem primärseitigen, an den Ladungsspeicher und eine zweite dieser Wicklungen (15) angeschlossenen, zweiten Wandlermodul (22),
- - mit wenigstens einem sekundärseitigen, an eine weitere dieser Wicklungen (16, 17) angeschlossenen Ausgangsmodul (31, 32), und
- - mit einem Rückwärtsregelkreis auf der Basis einer Puls- Weiten-Modulation zum synchronen Ansteuern beider Wandlermodule (21, 22),
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Ladungsspeicher eine Batterie (29) ist, der ein Kondensator (30) parallel geschaltet ist,
- - daß eine Ladeschaltung (41) zum Laden der Batterie (29) vorgesehen ist, welche Ladeschaltung antiparallel zum zweiten Wandlermodul (22) an die Batterie (29) und an die zweite der Wicklungen (15) angeschlossen ist, und
- - daß zwei Trenndioden (25, 26) vorgesehen sind, die zwischen die Batterie (29) und den jeweils zugeordneten Wandlermodul (21, 22) eingefügt sind zum Trennen der Wirkung der beiden Wandlermodule (21, 22) in Abhängigkeit der bei ihnen jeweils vorliegenden Spannungen.
2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandlermodule (21, 22) als Einschalter-Eintakt-
Flußwandler mit Entmagnetisierungskreis ausgebildet sind.
3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandlermodule (21, 22) als Zweischalter-Gleichtakt-
Flußwandler ausgebildet sind.
4. Schaltnetzteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandlermodule (21, 22) als Gegentakt-Flußwandler
ausgebildet sind.
5. Schaltnetzteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ladeschaltung (41) als diskontinuierlich arbeitender
Tiefsetzsteller mit einer Drossel (63) und zwei an die beiden
Pole der zweiten Wicklung (15) gleichpolig und gemeinsam an
die Drossel (63) angeschlossene Dioden (61, 62) ausgebildet
ist.
6. Schaltnetzteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ladeschaltung (41) als Spitzenwertgleichrichter mit
nachgeschaltetem Linearregler ausgeführt ist.
7. Schaltnetzteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ladeschaltung (41) einen steuerbaren Schalter (64)
mit einer zugeordneten Steuerleitung (65) aufweist.
8. Schaltnetzteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Drossel (63) der Ladeschaltung (41) mit der Drossel
(73) eines Ausgangsmoduls (31, 32) magnetisch gekoppelt ist.
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