DE60113983T2

DE60113983T2 - Stromversorgung für ein hausgerät

Info

Publication number: DE60113983T2
Application number: DE60113983T
Authority: DE
Inventors: Robert William Todd; George Richard BUTLER
Original assignee: Fisher and Paykel Appliances Ltd
Current assignee: Fisher and Paykel Appliances Ltd
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2006-06-29
Also published as: BR0110096A; DE60113986D1; CA2405874A1; HK1049592B; ATE306740T1; EP1284633A4; KR20020093900A; EP1284633A1; NZ503866A; EP1281234A4; EP1284633B2; JP2003529431A; EP1281234B1; DE60113983D1; CA2405874C; HK1049238A1; JP2003530810A; ATE306741T1; DK1284633T3; DE60113986T2

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Gleichstromversorgungen und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, Gleichstromversorgungen für Haushaltsgeräte.
Technischer Hintergrund
In modernen Haushaltsgeräten werden üblicherweise Schaltnetzteile verwendet, um Motoren, Solenoide und die Steuerelektronik mit Strom zu versorgen. Solche Netzteile verbrauchen Strom, auch wenn sie in Bereitschaft sind (ein Zustand, den der Benutzer für den ausgeschalteten Zustand hält). Ferner erfordern Schaltnetzteile die Verwendung von relativ teueren Komponenten, wie zum Beispiel Drosseln und Kondensatoren, die eine hohe Betriebsspannung haben. Bei solchen Haushaltsgeräten ist es üblich, das Motordrehmoment und die Drehzahl unter Anwendung von Pulsbreiten-Modulationsverfahren (PWM) zu steuern/regeln, um die Stromzufuhr zu den Motorwicklungen zu steuern/regeln. Solche PWM-Schaltkreise erfordern ebenfalls relativ teuere Komponenten.
Das Dokument JP04275065A beschreibt ein AC/DC-Netzteil ohne Transformator, bei dem die Wechselstrom-Eingangsspannung zunächst einer Zweiweg-Gleichrichtung unterzogen wird und dann eine Regelschaltung die benötigten Abschnitte der sich daraus ergebenden Impulsfolge auf Grundlage einer erzeugten Referenzspannung auf einen Speicherkondensator schaltet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für eine Stromversorgung zu sorgen, die zumindest ein Stück Weg in Richtung der Überwindung der vorgenannten Probleme geht.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß besteht die Erfindung in einer Gleichstromversorgung ohne Transformator mit variabel gesteuerter/geregelter Ausgangsspannung, umfassend:

– eine Gleichrichter-Einrichtung, die Wechselstrom aus einem Stromnetz bezieht,
– einen Speicherkondensator, der im Betrieb für den Gleichstromausgang der Stromversorgung sorgt,
– eine mit dem Speicherkondensator in Reihe geschaltete Halbleiter-Schaltvorrichtung, die den Stromfluss von dem Ausgang der Gleichrichter-Einrichtung zu dem Speicherkondensator steuert/regelt, und
– Mittel zum variablen Steuern/Regeln des Durchlasswinkels der Schaltvorrichtung, um die Gleichspannung über dem Speicherkondensator auf einen gewünschten Wert zu variieren, dadurch gekennzeichnet,
– dass die Stromversorgung über einen AN-Modus und einen Bereitschaftsmodus verfügt und
– dass mit der Gleichrichter-Einrichtung ein Vorschaltwiderstand in Reihe geschaltet ist, der im AN-Modus der Stromversorgung die von der Gleichrichter-Einrichtung gelieferte einseitig gerichtete Spitzenspannung auf eine Höhe reduziert, die mit der maximalen Gleichstrom-Ausgangsspannung der Stromversorgung kompatibel ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt besteht die Erfindung in einer Waschvorrichtung mit einem Motor und einem Wasser-Heizelement, wobei der Motor durch eine Gleichstromversorgung betrieben wird, die über einen AN-Modus und einen Bereitschafts-Modus verfügt und die umfasst:

– eine Gleichrichter-Einrichtung, die Wechselstrom aus einem Stromnetz bezieht,
– einen Speicherkondensator, der im Betrieb Gleichstrom an den Motor liefert,
– eine mit dem Speicherkondensator in Reihe geschaltete Halbleiter-Schaltvorrichtung, die den Stromfluss von dem Ausgang der Gleichrichter-Einrichtung zu dem Speicherkondensator steuert/regelt,
– das mit der Gleichrichter-Einrichtung in Reihe geschaltete Heizelement, das im AN-Modus der Stromversorgung die von der Gleichrichter-Einrichtung gelieferte einseitig gerichtete Spitzenspannung auf eine mit der maximalen Gleichstrom-Ausgangsspannung der Versorgung kompatible Höhe reduziert, und
– Mittel zum variablen Steuer/Regeln des Durchlasswinkels der Schaltvorrichtung, um die Gleichspannung über dem Speicherkondensator auf einen gewünschten Wert zu variieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Formen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt:
1 ein Schaltkreisdiagramm einer Gleichstromversorgung, die insbesondere für den Einsatz in Haushaltsgeräten wie beispielsweise Geschirrspülern geeignet ist, und
2 ein Wellenform-Diagramm von Strom, der eine Halbleiter-Vorrichtung in der Stromversorgung durchfließt.
Beste Ausführungsformen der Erfindung
Die Stromversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung ist besonders für die Verwendung in Haushaltsgeräten geeignet, die eingebaute Heizelemente haben, wie beispielsweise Geschirrspüler und Waschmaschinen. Ein solche Ausführungsform wird im Folgenden beschrieben.
Ein vereinfachtes Schaltkreisdiagramm der erfindungsgemäßen Stromversorgung ist in 1 gezeigt. Diese Stromversorgung ist ohne Transformator ausgebildet. Sie arbeitet mit einem Hochleistungs-Vorschaltwiderstand R1 und mit einer Phasensteuerung von Netzstrom-Halbwellen, um für eine spannungsvariable Gleichstromschiene einer Spannung V_dc zu sorgen, die unter Mikroprozessor-Steuerung in dem Bereich von 30 Volt bis 85 Volt variiert werden kann. In charakteristischer Weise würde der Ausgang mit variabler Spannung für die Steuerung/Regelung eines Geräte-Motors verwendet werden, und der Vorschaltwiderstand R1, der eine bedeutende Verlustleistung hat, würde das Wasser-Heizelement bilden.
Die Verwendung eines Vorschaltwiderstands mit Verlustleistung, wie zum Beispiel R1 bei vorliegender Erfindung, würde für viele Anwendungen einer Stromversorgung als inakzeptabel gelten, doch bei Haushaltsgeräten mit integrierter Wasserheizung kann die Verlustleistung eines solchen Widerstands vorteilhaft als Wasserheizelement genutzt werden. Daher lässt sich dieses ansonsten nachteilige Schaltungsmerkmal bei solchen Anwendungen in einen Vorteil verwandeln.
Bezugnehmend auf 1 wird die Wechselspannung des Netzes V_AC, die 230/240 Volt oder 110 Volt betragen kann, über einen mit dem Mittelleiter in Reihe geschalteten Vorschaltwiderstand R1 an einen Zweiweg-Brückengleichrichter BR angelegt. Wird berücksichtigt, dass die durch die Stromversorgung zu liefernde maximale Gleichspannung normalerweise 85 Volt beträgt, so muss der Wert von R1 abhängig von der Nenn-Netzspannung differieren. Bei einer 50 Hz 230 Volt-Netzspannungsversorgung und einem Ausgang von 85 Volt mit dem Maximalstrom von 1 Ampere beträgt der Wert von R1 129 Ohm. Bei einer 110 Volt 60 Hz-Versorgung beträgt der Wert von R1 29 Ohm.
Ein großer Speicherkondensator C3 wird von dem Brückengleichrichter BR geladen, um die Gleichstromenergie mit variabler Spannung zu liefern. Der Wert der Ausgangsspannung wird durch das Schalten der Phasen des Transistors Q₁ bestimmt, der ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT = eng. insulated gate pipolar transistor) ist. Der Durchlasswinkel von Q₁ wird durch einen Mikroprozessor μP₁ gesteuertlgeregelt, zum Zweck der Bestimmung des Drehmoments des Gerätemotors in verschiedenen Stufen des Waschzyklus. Die Steuerung/Regelung des Durchlasswinkels von Q₁ wird durch das Wellenform-Diagramm in 2 dargestellt, das den Kollektorstrom I zeigt. Der Wert des Durchlasswinkels t_on wird erhöht oder verringert, um wiederum die Ausgangsspannung V_dc zu erhöhen oder zu verringern.
Es wurde festgestellt, dass ein geeigneter Wert für den Speicherkondensator C3 1000 μF sind. Dies ergibt eine Brummspannung zwischen 3 und 4 Volt, und der Kondensator erfordert einen Nenn-Brummstrom von mindestens 1 Ampere. Die Verwendung des Vorschaltwiderstands R1 bedeutet, dass die Nenn-Gleichspannung des Kondensators C3 relativ moderat sein kann, nämlich 100 Volt betragen kann.
Um während des Schattens von Q₁ eine Funkfrequenzstörung zu minimieren, muss die Ausschaltzeit t_off gesteuert/geregelt werden, um die Stromänderungsrate dl/dt zu reduzieren. Für eine Triac-Phasensteuerung müssten Induktivitäten mit einem Wert von normalerweise 2 bis 5 mH verwendet werden. Bei der vorliegenden Stromversorgungsschaltung lässt sich die Verwendung solcher Induktivitäten durch die Nutzung des Miller-Effekts vermeiden. Der Gate-Widerstand des IGBT Q₁ in Verbindung mit der Miller-Kapazität sorgt bezogen auf die Zeit für einen etwa linearen Spannungsabfall. Die Gate-Ladung von Q₁ wird mit einer Rate entladen, die durch die Gate-Spannung und den Gate-Widerstand R9 bestimmt wird.
Der Vorspannungsstrom für Q₁ muss direkt dem Wechselstromnetz entnommen werden, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Spannungsdifferenz relativ zu dem Kollektor von Q₁ vorliegt, von dem die Versorgung während der positi ven Netzstrom-Halbzyklen abgezweigt wird. Die Vorspannungsversorgung ist eine Halbwellen-Versorgung, die von der Diode D1 und dem Kondensator C4 bereitgestellt wird.
Die Vorspannungsversorgung für Q₁ muss zwei schwierige Voraussetzungen erfüllen. Erstens muss sie einen sachgemäßen Betrieb sowohl bei einer 110Volt als auch einer 230 Volt Versorgungsspannung sicherstellen. Zweitens muss sie beim Anschalten einen schnellen Anlauf sicherstellen, um wiederum sicherzustellen, dass Q₁ nicht in einem potenziell destruktiven linearen Modus arbeitet. Wenn Q₁ während eines negativen Halbzyklus entweder abgeschaltet ist oder in einem linearen Modus ist, dann ist zwischen dem Kollektor und dem Gate eine Spannungsdifferenz vorhanden, die einen Strom an die Vorspannungsversorgung über die Diode D2 produziert. Der Widerstand R8 ist wirksam, um den Kondensator C4 zu isolieren, der andernfalls jede sofortige Gate-Ansteuerung verhindern würde. Der Widerstand R2 dient zum Schutz der Dioden D1 und D2 während vorübergehender Netzspannungsspitzen, die an jeder der beiden Dioden einen Durchbruch in Sperrrichtung verursachen könnten.
Der Mikroprozessor μP₁, der normalerweise auch die Steuer-/Regeleinheit des Geräts bildet, steuert/regelt die Ausgangsspannung der Stromversorgung, indem Q₁ über den Transistor Q₂ gesteuertlgeregelt wird. Der Mikroprozessor benötigt Zeitimpulse, damit er sich mit den Halbzyklen des Netzstroms synchronisieren kann. Eine Nulldurchgangs-Detektorschaltung XD liefert diese Zeitsteuersignale.
Die erfindungsgemäße Stromversorgung bietet eine Reihe von Vorteilen bei Anwendungen, bei denen die Verlustleistung eines Vorschaltwiderstands R1 vorteilhaft genutzt werden kann. Diese Vorteile sind unter anderem das Fehlen von Drosseln, die Vermeidung der Notwendigkeit eines PWM-Schaltkreises für die Motor-Steuerung/Regelung, eine niedrige Nennspannung für den Speicherkondensator, eine reduzierte Funkfrequenzstörung und ein geringerer Strom verbrauch, wenn das Gerät in Bereitschaft ist. Ferner muss der Wert von nur einem Bauteil geändert werden, zum Beispiel zwischen einer Versorgung bei einer 110 Volt-Netzspannung und einer Versorgung bei einer 230 Volt-Netzspannung. Dieser Wert ist der Wert des Vorschaltwiderstands, der, wie bereits erwähnt wurde, durch das Wasser-Heizelement des Geräts implementiert ist.
In 1 ist der Vorschaltwiderstand R1 in Anordnung zwischen der Netzstromversorgung und dem Brückengleichrichter gezeigt, doch wäre auch eine Anordnung auf der Gleichstromseite des Brückengleichrichters möglich.
Im Zusammenhang mit der Stromreduzierung im Bereitschaftszustand hat die vorliegende Schaltung gegenüber konventionellen Schalt-Netzteilen den Vorteil, dass für die Bereitschaft keine separate Versorgung notwendig ist.
Bei den meisten Anwendungen sind eine oder mehrere Stromversorgungen/Netzteile mit einer fest eingestellten Spannung erforderlich, und diese können von der vorliegenden Gleichstromversorgung mit variabler Spannung abgeleitet werden, indem Versorgungen/Netzteile mit Pulsbreitenmodulator verwendet werden, um Spannungen mit Werten wie beispielsweise 5 Volt und 24 Volt zu liefern.

Claims

Gleichstromversorgung ohne Transformator mit variabel gesteuerterlgeregelter Ausgangsspannung, umfassend: – eine Gleichrichter-Einrichtung (BR), die Wechselstrom aus einem Stromnetz (V_ac) bezieht, – einen Speicherkondensator (C3), der im Betrieb für den Gleichstromausgang der Stromversorgung sorgt, – eine mit dem Speicherkondensator (C3) in Reihe geschaltete Halbleiter-Schaltvorrichtung (Q1), die den Stromfluss von dem Ausgang der Gleichrichter-Einrichtung (BR) zu dem Speicherkondensator steuert/regelt, und – Mittel (μP₁) zum variablen Steuern/Regeln des Durchlasswinkels der Schaltvorrichtung (Q1), um die Gleichspannung über dem Speicherkondensator (C3) auf einen gewünschten Wert zu variieren, dadurch gekennzeichnet, – dass die Stromversorgung über einen AN-Modus und einen Bereitschaftsmodus verfügt und – dass mit der Gleichrichter-Einrichtung (BR) ein Hochleistungs-Vorschaltwiderstand (R1) in Reihe geschaltet ist, der im AN-Modus der Stromversorgung die von der Gleichrichter-Einrichtung gelieferte einseitig gerichtete Spitzenspannung auf eine Höhe reduziert, die mit der maximalen Gleichstrom-Ausgangsspannung der Versorgung kompatibel ist.
Stromversorgung nach Anspruch 1, wobei der Hochleistungs-Vorschaltwiderstand (R1) mit dem Eingang der Gleichrichter-Einrichtung (BR) in Reihe geschaltet ist.
Stromversorgung nach Anspruch 1, wobei der Hochleistungs-Vorschaltwiderstand (R1) mit dem Ausgang der Gleichrichter-Einrichtung (BR) in Reihe geschaltet ist.
Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromversorgung Strom an einen Motor in einem Haushaltsgerät liefert, das mit Heißwasser arbeitet, und wobei der Vorschaltwiderstand (R1) ein Heizelement für die Erwärmung des Wassers ist.
Stromversorgung nach Anspruch 4, wobei das Mittel (μP₁) zum variablen Steuern/Regeln des Durchlasswinkels der Halbleiter-Schaltvorrichtung (Q1) ein Mikroprozessor ist.
Waschvorrichtung mit einem Motor und einem Wasser-Heizelement (R1), wobei der Motor von einer Gleichstromversorgung ohne Transformator betrieben wird, die über einen AN-Modus und einen Bereitschaftsmodus verfügt und die umfasst: – eine Gleichrichter-Einrichtung (BR), die Wechselstrom aus einem Stromnetz (V_ac) bezieht, – einen Speicherkondensator (C3), der im Betrieb Gleichstrom an den Motor liefert, – eine mit dem Speicherkondensator (C3) in Reihe geschaltete Halbleiter-Schaltvorrichtung (Q1), die den Stromfluss von dem Ausgang der Gleichrichter-Einrichtung (BR) zu dem Speicherkondensator steuert/regelt, – das mit der Gleichrichter-Einrichtung (BR) in Reihe geschaltete Heizelement (R1), das im AN-Modus der Stromversorgung die von der Gleichrichter-Einrichtung gelieferte einseitig gerichtete Spitzenspannung auf eine Höhe reduziert, die mit der maximalen Gleichstrom-Ausgangsspannung der Versorgung kompatibel ist, und – Mittel (μP₁) zum variablen Steuern/Regeln des Durchlasswinkels der Schaltvorrichtung (Q1), um die Gleichspannung über dem Speicherkondensator (C3) auf einen gewünschten Wert zu variieren.
Waschvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Heizelement (R1) mit dem Eingang der Gleichrichter-Einrichtung in Reihe geschaltet ist.
Waschvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Heizelement (R1) mit dem Ausgang der Gleichrichter-Einrichtung in Reihe geschaltet ist.
Stromversorgung oder Waschvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Waschzyklus-Steuer-/Regeleinheit aufweist und bei der das Mittel (μP1) zum variablen Steuern/Regeln des Durchlasswinkels der Halbleiter-Schaltvorrichtung die Steuer-/Regeleinheit ist.