DE4407709C2 - Schaltnetzteil mit sinusförmiger Stromaufnahme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil enthaltend:

• - einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung zum Anschluß einer Last,
• - einen in Reihe mit der Primärwicklung geschalteten Schalter, durch den eine gleichgerichtete Spannung an die Primärwicklung in getakteter Weise gelegt werden kann,
• - Steuerungsmittel zur lastabhängigen Taktsteuerung des Schalters,
• - Glättungsmittel, durch die die gleichgerichtete Spannung geglättet wird und die an einem ersten Anschluß der Pri­ märwicklung des Transformators angeschlossen sind,
• - eine Strompumpe, die einen Kondensator und eine Diode umfaßt, wobei die Katode der Diode mit den Glättungsmit­ teln verbunden ist, die Anode der Diode mit einem ersten Anschluß des Kondensators und ein zweiter Anschluß des Kondensators mit einem zweiten Anschluß der Primärwick­ lung des Transformators.

Ein solches Schaltnetzteil ist in der nachveröffentlichten Offenlegungsschrift DE-A1-42 38 808 beschrieben. Die dort gezeigte Strompumpe sorgt dafür, daß nicht nur im Bereich des Betragsmaximums der eingangsseitigen Netzwechselspan­ nung Strom aufgenommen wird, sondern während des gesamten Verlaufs einer Halbwelle der Netzwechselspannung, sofern der Schalttransistor leitend ist. Dadurch wird erreicht, daß die Stromaufnahme aus dem Netz im wesentlichen sinus­ förmig ist. Eine Rückwirkung des Schaltnetzteils auf das Stromversorgungsnetz wird damit wesentlich verringert. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Strompumpe einen Kondensator, dessen erster Anschluß mit dem mit dem Schalttransistor verbundenen Anschluß der Primärwicklung verbunden ist und dessen anderer Anschluß über eine Diode an den Ladekondensator geführt ist.

Die dem Netz entnommene und an eine sekundärseitig ange­ schlossene Last abgegebene Leistung wird über die Ein­ schaltdauer des Schalttransistors geregelt. Mit zunehmen­ der abgegebener Leistung nimmt die Einschaltdauer des Schalttransistors zu. Die Schaltfrequenz des Schaltnetz­ teils nimmt ab. Entsprechendes ergibt sich für abnehmende Netzspannung. Der Kondensator der Strompumpe nimmt nur so lange Strom auf, bis er geladen ist. Je größer dieser La­ dekondensator dimensioniert wird, desto wirksamer ist die Strompumpe. Durch geeignete Dimensionierung des Ladekon­ densators kann also auch bei niedriger Eingangsnetzspan­ nung und hoher Belastung eine möglichst sinusförmige Stromaufnahme erreicht werden.

In entsprechender Weise wird die Einschaltzeit des Schalt­ transistors bei höherer Netzspannung und/oder geringerer Belastung kürzer geregelt, wobei die Schaltnetzteilfre­ quenz ansteigt. Demzufolge nimmt der in den Ladekondensa­ tor der Strompumpe fließende Strom entsprechend ab. Die höhere Schaltfrequenz hat auch einen kleineren Wechsel­ stromwiderstand des Ladekondensators der Strompumpe zur Folge. Dies bewirkt aber, daß mit abnehmender Belastung und/oder zunehmender Netzspannung die Wirkung der Strom­ pumpe weniger als im erforderlichen Maß abnimmt. Somit steigt die Spannung am Glättungskondensator und somit auch die Drainspannung am ausgeschalteten Schalttransistor. Diese Spannungen steigen insbesondere bei sehr niedriger Belastung (Leerlauf) und hoher Netzspannung unzulässig hoch an. Der Schalttransistor und gegebenenfalls weitere Elemente des Schaltnetzteils könnten zerstört werden.

Eine Verringerung der Kapazität des Glättungskondensators würde zwar unter diesen Betriebsbedingungen Abhilfe schaf­ fen, bei verringerter Netzspannung und zunehmender Last wäre dann aber die Wirkung der Strompumpe ungenügend, so daß eine sinusförmige Stromaufnahme nicht mehr gewährlei­ stet wäre.

In der britischen Offenlegungsschrift GB-A-2 261 331 ist auch ein in Rede stehendes Schaltnetzteil beschrieben. Dort wird in Abhängigkeit von der Glättungskondensator­ spannung das Tastverhältnis des Schalttaktes verändert. Ein mit dem Kondensator der Strompumpe in Reihe geschalte­ ter Parallelschwingkreis sorgt hierbei für frequenzselek­ tives Verhalten.

In Patent Abstracts of Japan, Sect. E, 1992, Vol. 16, Nr. 178 (E-1196), JP-4-21360 und Sect. E, 1990, Vol. 14, Nr. 268 (E-939), JP-2-84065 ist je ein Schaltnetzteil mit ei­ ner Strompumpe beschrieben, bei denen in Abhängigkeit von der Spannung am Glättungskondensator das Schalten des Schalttransistors beeinflußt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine andere Realisierung für ein Schaltnetzteil anzugeben, das über möglichst weite Schwankungsbereiche von eingangssei­ tiger Netzspannung und ausgangsseitig zu versorgender Last eine möglichst sinusförmige Stromaufnahme aus dem Strom­ netz gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Schaltnetz­ teil dadurch gelöst, daß

• - den Steuerungsmitteln an einem Steuereingang über Verzö­ gerungsmittel eine zu einer an der Sekundärwicklung ab­ fallenden Spannung im wesentlichen proportionale Span­ nung zugeführt wird,
• - bei Auftreten eines Nulldurchgangs des am Steuereingang der Steuerungsmittel anliegenden Signals das Einschalten des Schalters bewirkt wird und
• - durch die Verzögerungsmittel der Nulldurchgang des ihnen zugeführten Signals verzögert wird, wenn eine von den Glättungsmitteln abgeleitete Spannung über einem vorbe­ stimmten Schwellwert liegt.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß die Ausschaltphase verlängert wird, so daß die lastabhän­ gige Regelung der Einschaltdauer des Schalttransistors für eine längere Einschaltphase sorgt. Dies hat zur Folge, daß die Schaltfrequenz des Schaltnetzteils sinkt. Dadurch wird die ungünstige Wirkung der Strompumpe bei hohen Schaltfre­ quenzen, wenn also eine hohe eingangsseitige Netzspannung oder eine niedrige Belastung vorliegt, verringert.

Eine Realisierung für die Verzögerungsmittel kann aus Schaltern, Dioden, Widerständen und RC-Gliedern aufgebaut werden. Diese Realisierung kann größtenteils integriert werden und mit bekannten Steuerungsschaltungen, für die bereits integrierte Lösungen vorliegen, kombiniert werden.

Es hat sich gezeigt, daß das Schaltnetzteil sowohl in ei­ nem weiten Eingangsspannungsbereich als auch für große Lastschwankungen weitgehend sinusförmige Stromaufnahme liefert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils,

Fig. 2 ein Signaldiagram der Drainspannungen ohne und mit Verzögerung des Nulldurchgangs der Regelspan­ nung und

Fig. 3 ein Detailschaltbild einer schaltungstechnischen Realisierung der Erfindung.

Ein erfindungsgemäßes Schaltnetzteil enthält gemäß Fig. 1 einen Transformator 1, an dessen Primärwicklung 2 eine über einen Brückengleichrichter 3 gleichgerichtete Netzwechselspannung U_N in getakteter Weise angelegt wird. Hierzu ist der eine Anschluß 6 der Primärwicklung 2 an den die positive gleichgerichtete Spannung führenden Anschluß 4 des Brückengleichrichters 3 angeschlossen. Ein Glät­ tungskondensator 5 zwischen dem Anschluß 6 der Primärwick­ lung 2 und Primärmasse 7 sorgt für eine geglättete gleich­ gerichtete Spannung. Der andere Anschluß 8 der Primärwick­ lung 2 ist über einen Schalttransistor 9 mit Primärmasse 7 verbunden. Das Ein- und Ausschalten des Schalttransistors 9 wird durch eine Steuerungseinrichtung 10 festgelegt. Die Einschaltdauer wird in Abhängigkeit von einer sekundärsei­ tig zu versorgenden Last 11 geregelt, so daß dort eine im wesentlichen konstante Spannung anliegt. Die Last 11 ist über eine Gleichrichtereinrichtung aus einer Diode 12 und einem Kondensator 13 an eine Sekundärwicklung 14 ange­ schlossen. Der Steuerungseinrichtung 10 wird zur lastab­ hängigen Regelung eine zu der an der Sekundärwicklungs- Spannung 14 abfallenden Spannung proportionale Spannung zugeführt. Hierzu wird der entsprechende Steuereingang 20 der Einrichtung 10 mit einer weiteren Primärwicklung 15 verbunden.

Um eine möglichst sinusförmige Stromaufnahme zu erreichen, ist eine Strompumpe, enthaltend einen Kondensator 16 und eine Diode 17, vorgesehen. Ein erster Anschluß des Konden­ sators 16 ist mit dem Anschluß 8 der Primärwicklung 2 ver­ bunden. Ein zweiter Anschluß des Kondensators 16 ist mit dem Ausgang 4 des Brückengleichrichters 3 verbunden. Zwi­ schen diesem Anschluß und dem Glättungskondensator 5 ist eine Diode 17 in Flußrichtung geschaltet. Die Strompumpe 16, 17 bewirkt, daß bei eingeschaltetem Schalttransistor 9, d. h. der Anschluß 8 der Primärwicklung 2 ist mit Pri­ märmasse 7 verbunden, ein Strom in den Kondensator 16 aus dem Anschluß 4 des Brückengleichrichters 3 fließt.

Durch die Strompumpe 16, 17 wird erreicht, daß während jeder Einschaltphase des Schalttransistors 9 der Kondensator 16 aufgeladen wird und somit während jeder Einschaltphase ein Strom aus dem Brückengleichrichter 3 gezogen wird. Die Stromaufnahme ist deshalb weitgehend si­ nusförmig.

Ergänzend ist eine Drossel 18 vorgesehen, die zwischen den positiven Ausgang 4 des Gleichrichters 3 und den Knoten zwischen dem Kondensator 16 und der Diode 17 der Strom­ pumpe geschaltet ist. Der durch die Drossel 18 fließende Strom ist bekanntlich stetig. Dadurch wird auch während der Ausschaltphase des Schalttransistors 9 ein Strom aus dem Brückengleichrichter 3 gezogen. Die Sinusform der Stromaufnahme wird dadurch weiter verbessert.

Aus den eingangs erwähnten Gründen nimmt die Wirkung der Strompumpe 16, 17 mit steigender Schaltfrequenz nur unzu­ reichend ab. Um dies zu verbessern, ist eine Verzögerungs­ einrichtung 19 vorgesehen, die in den Signalpfad zwischen die Regelwicklung 15 und den Anschluß 20 der Steuerungs­ einrichtung 10, durch den der Nulldurchgang der an der Re­ gelwicklung 15 anliegenden Spannung festgestellt wird, ge­ schaltet ist. Der Verzögerungseinrichtung 19 wird die am Glättungskondensator 5 anliegende Spannung zugeführt. Die Verzögerungseinrichtung 19 bewirkt eine Verzögerung des Nulldurchgangs der Regelspannung, wenn die am Glättungs­ kondensator 5 anliegende Spannung über einem vorbestimmten Schwellwert liegt.

Die Wirkung der Verzögerungseinrichtung 19 auf den Regel­ kreis des Schaltnetzteils wird anhand des Verlaufs der Drainspannung des MOS-Schalttransistors 9 im Zusammenhang mit der Fig. 2 erläutert. Dort ist der zeitliche Verlauf der Drainspannung U_D für ein Schaltnetzteil nach dem Stand der Technik, also ohne Verzögerungseinrichtung 19, darge­ stellt (Kurve 30) sowie für das Schaltnetzteil gemäß Fig. 1, wenn die Verzögerungseinrichtung 19 aktiv ist (Kurve 31). Beim Schaltnetzteil gemäß dem Stand der Technik (Kurve 30) wird der Schalttransistor mit jedem Nulldurch­ gang 32 der Drainspannung U_D eingeschaltet. Der Drainan­ schluß des Schalttransistors wird dann mit Primärmasse verbunden, die Drainspannung bleibt in etwa bei 0 Volt.

Für das erfindungsgemäße Schaltnetzteil (Kurve 31) wird vorausgesetzt, daß die Nulldurchgangsverzögerung akti­ viert ist, d. h. daß die am Glättungskondensator 5 anlie­ gende Spannung über dem vorbestimmten Schwellwert liegt, also die Bedingung vorliegt, daß die Wirkung der Strom­ pumpe 16, 17 verringert werden soll. In diesem Fall wird beim Nulldurchgang 33 der Regelspannung der Schalttransi­ stor 9 aufgrund der verzögernden Wirkung der Nulldurch­ gangsverzögerung 19 vorerst nicht eingeschaltet. Die Drainspannung U_D des Schalttransistors 9 führt eine ge­ dämpfte Schwingung aus, für die die im Schaltnetzteil vor­ handenen Induktivitäten, Kapazitäten und parasitären Ele­ mente verantwortlich sind. Die Schwingung hält solange an, wie der Nulldurchgang der Regelspannung durch die Null­ durchgangsverzögerung 19 verzögert wird. In der Fig. 2 ist dies während des Zeitraums T1 der Fall.

Um die gleiche Leistung auf die Sekundärseite des Trans­ formators 1 zu übertragen, wird die Einschaltdauer T2 des Schalttransistors 9 aufgrund der Lastregelung des Schalt­ netzteils verlängert. Die im Transformator während der Einschaltdauer aufgenommene Leistung wird erhöht, so daß die Zeitdauer bis zu deren vollständigem Abfluß, der durch den Nulldurchgang der Regelspannung zu den Zeitpunkten 33 angezeigt wird, ebenfalls verlängert wird. Dies hat zur Folge, daß die Schaltfrequenz des Schaltnetzteils aufgrund der aktiven Nulldurchgangsverzögerung verringert wird. Ge­ mäß den oben genannten Zusammenhängen wird dadurch er­ reicht, daß die Wirkung der Strompumpe 16, 17 verringert wird. Dadurch übersteigt die am Glättungskondensator 5 an­ liegende Spannung und somit auch die Drainspannung U_D des Schalttransistors 9 nicht mehr die zulässigen Werte. Der Betrieb des Schaltnetzteils ist damit sicherer vor Zerstö­ rung von Bauteilen geschützt.

In der Fig. 3 ist eine schaltungstechnische Detailreali­ sierung der Nulldurchgangsverzögerung 19 gezeigt. Die Spannung am Glättungskondensator 5 wird über einen Span­ nungsteiler 40 abgegriffen. Diese Spannung wird über eine Zenerdiode 43 der Basis eines ersten Schalttransistors 41 zugeführt. Sobald die Spannung am Glättungskondensator 5 den vorbestimmten Schwellwert überschreitet, was über den Spannungsteiler 40 und die Zenerdiode 43 dem Schalter 41 mitgeteilt wird, liegt an der Basis des Transistors 41 ei­ ne positive Gleichspannung vor, die durch einen Kondensa­ tor 44 zusätzlich geglättet wird. Während der Einschalt­ phase des Schalttransistors 9 wird gekoppelt mit dem ent­ sprechenden Steuerausgang der Steuerungseinrichtung 10, auch der Transistor 42 leitend geschaltet. Dadurch wird der Kondensator 45 aus dem üblichen Versorgungsanschluß 46 der Steuerungseinrichtung 10 aufgeladen. Die am Kondensa­ tor 45 anliegende Spannung ist dann um zwei Dioden­ strecken, gebildet aus der Basis-Emitter-Diode des Tran­ sistors 41 und einer weiteren Diode 47, geringer als die am Kondensator 44 anliegende Spannung. Nach dem Abschalten des Schalttransistors 9 bleibt der Kondensator 45 bis zum Nulldurchgang der von der Regelwicklung 15 gelieferten Re­ gelspannung aufgeladen. Mit dem Nulldurchgang dieser Re­ gelspannung U_R wird eine mit dem Kondensator 45 und der Regelwicklung 15 verbundene Diode 48 leitend geschaltet, so daß der Kondensator 45 entladen wird. Die Drain-Span­ nung U_D des Schalttransistors 9 führt während dieser Zeit­ dauer T1 gedämpfte Schwingungen aus. Erst nach vollständi­ ger Entladung des Kondensators 45 erreicht die Spannung am Anschluß 20 für die Nulldurchgangsdetektion der Steue­ rungseinrichtung 10 den Schwellwert des Nulldurchgangs. Daraufhin wird der Schalttransistor 9 wieder eingeschal­ tet. Wenn die Spannung am Glättungskondensator 5 ansteigt, steigt in entsprechender Weise auch die Spannung der Kon­ densatoren 44, 45, wobei letztgenannte durch die Spannung am Kondensator 44 festgelegt wird. Dies bewirkt also mit steigender Spannung am Glättungskondensator 5 eine längere Verzögerungszeit für die Nulldurchgangsverzögerung, so daß diesem Anstieg der Spannung am Glättungskondensator 5 entgegengewirkt wird.

Für die Steuerungseinrichtung 10 kann eine herkömmliche integrierte Steuerungsschaltung, z. B. der Baustein TDA 4605 der Firma Siemens, verwendet werden. Die Verzöge­ rungsschaltung 19 kann ohne großen Aufwand in den wesent­ lichen Teilen oder vollständig integriert werden. In die­ sem Fall ist die Realisierung ohne großen zusätzlichen Aufwand an diskreten Bauelementen möglich.

Claims (4)

1. Schaltnetzteil enthaltend:

• - einen Transformator (1) mit einer Primärwicklung (2) und einer Sekundärwicklung (14) zum Anschluß einer Last (11),
• - einen in Reihe mit der Primärwicklung (2) geschalteten Schalter (9), durch den eine gleichgerichtete Spannung an die Primärwicklung (2) in getakteter Weise gelegt werden kann,
• - Steuerungsmittel (10) zur lastabhängigen Taktsteuerung des Schalters (9),
• - Glättungsmittel (5), durch die die gleichgerichtete Spannung geglättet wird und die an einem ersten Anschluß der Primärwicklung (2) des Transformators (1) ange­ schlossen sind,
• - eine Strompumpe (16, 17), die einen Kondensator (16) und eine Diode (17) umfaßt, wobei die Katode der Diode (17) mit den Glättungsmitteln (5) verbunden ist, die Anode der Diode (17) mit einem ersten Anschluß des Kondensa­ tors (16) und ein zweiter Anschluß des Kondensators (16) mit einem zweiten Anschluß (8) der Primärwicklung (2) des Transformators (1),

dadurch gekennzeichnet, daß

• - den Steuerungsmitteln (10) an einem Steuereingang (20) über Verzögerungsmittel (19) eine zu einer an der Sekun­ därwicklung (14) abfallenden Spannung im wesentlichen proportionale Spannung zugeführt wird,
• - bei Auftreten eines Nulldurchgangs des am Steuereingang (20) der Steuerungsmittel (10) anliegenden Signals das Einschalten des Schalters (9) bewirkt wird und
• - durch die Verzögerungsmittel (19) der Nulldurchgang des ihnen zugeführten Signals verzögert wird, wenn eine von den Glättungsmitteln (5) abgeleitete Spannung über einem vorbestimmten Schwellwert liegt.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsmittel (19) aufweisen:
einen ersten Schalter (41), dessen Steueranschluß mit den Glättungsmitteln (5) verbunden ist, so daß der erste Schalter (41) einschaltet, wenn eine von den Glättungsmit­ teln (5) abgeleitet Spannung den Schwellwert überschrei­ tet, dazu in Reihe einen zweiten Schalter (42), durch den ein Ladekon­ densator (45) aufgeladen wird, wenn der mit der Primär­ wicklung (2) in Reihe liegende Schalter (9) eingeschaltet ist, einen dritten Schalter (48), der von einem Anschluß einer weiteren Primärwicklung (15) gesteuert wird und ein­ geschaltet wird, wenn die Spannung an der weiteren Primär­ wicklung (15) einen Nulldurchgang aufweist, wodurch der Ladekondensator (45) entladen wird, und eine Verbindung des Ladekondensators (45) mit einem Steuereingang (20) für das Steuerungssignal der Steuerungsmittel (10).

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsknoten des Kondensators (16) der Strompumpe mit der Anode der Diode (17) der Strompumpe über eine Drossel (18) mit einem Gleichrichter (3) verbunden ist, dem eine Netzwechselspannung (U_N) zuführbar ist.