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Die
vorliegende Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung mit
einem Schaltnetzteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bzw.
von einem Gerät
mit einer entsprechenden Schaltungsanordnung.
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Schaltnetzteile
bewirken eine stark impulsförmige
Belastung des Stromnetzes, die zu Oberwellenströmen im Stromnetz führt. Diese
Belastung tritt im Bereich der Spannungsmaxima der sinusförmigen Netzspannung
auf, in denen ein Speicherkondensator des Schaltnetzteiles nachgeladen
wird. Geräte mit
einem höheren
Energieverbrauch, wie beispielsweise Fernsehgeräte mit größeren Bildröhren, müssen deshalb inzwischen bestimmte
Vorschriften in Bezug auf Oberwellenströme einhalten. Die Oberwellenbelastung
des Stromnetzes durch ein Gerät kann
hierbei durch einen sogenannten Powerfaktor angegeben werden.
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Zur
Verbesserung des Powerfaktors sind verschiedene Schaltungskonzepte
bekannt, beispielsweise aus der DE-A-196 10 762, der EP-A-0 700
145 und der
US 5,986,898 .
Diese enthalten einen zweiten Stromweg mit einer Spule zwischen
dem Netzgleichrichter und der Primärwicklung des Transformators,
wobei die Induktivität
dieser Spule wie eine Strompumpe wirkt, die durch den Schalttransistor
gesteuert wird und hierdurch den impulsförmigen Stromfluss des Schaltnetzteiles
verbreitert.
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Eine
weitere Möglichkeit,
den Powerfaktor eines Schaltnetzteiles zu verbessern, ist die Verwendung
einer Spule im Eingangsbereich des Schaltnetzteiles. Diese Spule
ist auch als 50 Hz-Spule, Netzfrequenzspule oder Powerfaktorspule
bekannt. Um Verwechslungen mit anderen Spulen zu vermeiden, wird
in der Beschreibung deshalb durchgängig der Begriff Powerfaktorspule
für diese
Spule verwendet. Diese Powerfaktorspule hat jedoch den Nachteil, dass
beim Betätigen
des Netzschalters zum Ausschalten des Gerätes der Stromfluss in der Powerfaktorspule
schlagartig unterbrochen wird. Die in der Spule gespeicherte Energie
muss jedoch abgebaut werden. Da der geöffnete Netzschalter die höchste Impedanz
im Stromkreis dargestellt, entwickelt sich deshalb über den
Schaltkontakten des Netzschalters eine sehr hohe Spannung, die einen
Lichtbogen verursacht. Dies bedeutet eine schnellere Alterung des Netzschalters,
und der Schalter stellt ein Sicherheitsrisiko dar, da er im schlimmsten
Fall zur potentiellen Brandstelle wird.
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Andere
Netzschalter, bei denen die Öffnungsgeschwindigkeit
der Schaltkontakte gering ist, sind ebenfalls gefährdet. Hier
ist zwar die Spannung über
den Kontakten nicht sehr hoch, aber es entsteht trotzdem ein Lichtbogen,
der so lange ansteht, bis die entsprechende Netzhalbwelle zu Ende
ist. Auch hierbei entsteht eine hohe Verlustenergie in dem Schalter,
die zu einer schnellen Alterung führt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung
sowie ein entsprechendes Gerät
der eingangs genannten Art anzugeben, die eine hohe Zuverlässigkeit
bei einem möglichst ökonomischen
Schaltungsaufwand aufweisen.
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Diese
Aufgabe wird für
die Schaltungsanordnung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und für das Gerät durch
die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Schaltungsanordnung nach der Erfindung weist einen Netzanschluss,
einen Netzschalter und ein Schaltnetzteil auf, das eine Powerfaktorspule zur
Powerfaktorkorrektur enthält.
Der Netzschalter weist hierbei zwei Schaltkontakte auf, von denen
einer in einer Zuleitung zwischen dem Netzanschluss und dem Schaltnetzteil
angeordnet ist und hiermit Phase oder Nullleiter des 50 Hz-Leitungsnetzes abtrennt
bzw. einschaltet. Der zweite Schaltkontakt ist in der Spannungsführung der
Treiberschaltung des Schaltnetzteiles angeordnet und schaltet den
Schalttransistor des Schaltnetzteiles beim Abschalten der Schaltungsanordnung
aus, indem eine Steuer- oder Versorgungsspannung abgeschaltet wird.
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Parallel
zu dem ersten Schaltkontakt des Netzschalters ist der Schaltkontakt
eines Relais angeordnet, dessen Steuerspule mit einer Ausgangsspannung
des Schaltnetzteiles verbunden ist. Da die Ausgangsspannungen des
Schaltnetztei les jeweils durch einen Kondensator gepuffert sind,
ist das Relais daher noch für
eine gewisse Zeit nach dem Abschalten der Anordnung geschlossen.
Die in der Powerfaktorspule gespeicherte Energie wird daher über das
Relais abgebaut, indem die Powerfaktorspule den für den Abbau
der Energie notwendigen Strom über
den Schaltkontakt des Relais aus dem Netz zieht. Erst wenn die an
dem Relais anliegende Ausgangsspannung abgefallen ist, öffnet das
Relais, so dass der Stromfluss des Netzanschlusses komplett unterbrochen
ist.
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Die
Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand eines in den Figuren
schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Anordnung mit einem Netzschalter, einem Relais und einem Schaltnetzteil,
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2 eine
Anordnung mit einem Relais, das einen zusätzlichen Schaltkontakt für eine Entmagnetisierungsspule
aufweist, und
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3 Strom-
und Spannungsdiagramme der Schaltungsanordnungen zum Zeitpunkt des
Ausschaltens.
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In
der 1 ist schematisch ein Schaltnetzteil dargestellt,
das ein Gleichrichtermittel, in diesem Ausführungsbeispiel einen Brückengleichrichter
BR mit vier Dioden, einen Speicherkondensator C1 und einen Transformator
TR mit einer Primärwicklung W1,
einer primärseitig
angeordneten Hilfswicklung W2 sowie mit sekundärseitig angeordneten Sekundärwicklungen
W3, W4 und W5 aufweist. Der Speicherkondensator C1 ist hierbei zwischen
dem Brückengleichrichter
BR und der Primärwicklung
W1 angeordnet. In Serie zur Primärwicklung
W1 liegt ein Schalttransistor T1, der durch eine Steuerspannung DS
einer Treiberschaltung DC gesteuert wird. Über die Hilfswicklung W2, eine
Diode D1 und einen Kondensator C2 wird für den Betrieb des Schaltnetzteiles eine
Versorgungsspannung VCC bereit gestellt, die der Treiberschaltung
DC zugeführt
wird.
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Das
Schaltnetzteil der 1 ist ein Teil einer Schaltungsanordnung,
die außerdem
einen Netzanschluss NA und einen Netzschalter S1 mit zwei Schaltkontakten 1, 2 aufweist.
Die Schaltungsanordnung ist beispielsweise in ein Fernsehgerät integriert.
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Zur
Regelung des Schaltnetzteiles wird der Treiberschaltung DC ein Regelsignal
RS zugeführt, das
aus einer sekundärseitigen
Versorgungsspannung U4, beispielsweise der Systemspannung in einem
Fernsehgerät,
abgeleitet wird und über
einen Optokoppler oder einen Trenntransformator, nicht dargestellt,
auf die Primärseite
des Schaltnetzteiles übertragen
wird. Parallel zur Primärwicklung
W1 ist ein sogenanntes Snubber-Netzwerk SN angeordnet, durch das
Spannungsspitzen, die beim Sperren des Schalttransistors T1 entstehen,
gedämpft
werden.
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Das
Schaltnetzteil enthält
weiterhin eine Anlaufschaltung AS, die die Treiberstufe DC nach
dem Einschalten des Gerätes,
in das die Schaltungsanordnung integriert ist, für die Anlaufphase des Schaltnetzteiles
mit einem Strom versorgt. Üblicherweise ist
die Anlaufschaltung AS eine hochohmige Widerstandskette, die eine
Verbindung zwischen dem Brückengleichrichter
BR und dem Kondensator C2 herstellt zur Erzeugung der Versorgungsspannung
VCC. Während
des Betriebes wird die Versorgungsspannung VCC dann durch die Hilfswicklung
W2, sowie die Diode D1 und den Siebkondensator C2 erzeugt.
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Das
Schaltnetzteil nach der 1 arbeitet vorzugsweise nach
dem Sperrwandlerprinzip, andere Schaltungsprinzipien sind aber ebenfalls
möglich. Sperrwandler
werden bevorzugt in Geräten
der Unterhaltungselektronik, beispielsweise in Fernsehgeräten und
Videorecordern verwendet. Bei einem Sperrwandler wird hierbei während der
Einschaltphase des Schalttransistors T1 Energie im Transformator TR
gespeichert, die anschließend
in der Sperrphase des Schalttransistors auf die sekundärseitigen
Wicklungen W3–W5
sowie auf die primärseitige
Hilfswicklung W2 übertragen
wird. Sperrwandler werden sowohl als AC/DC-Wandler als auch als DC/DC-Wandler verwendet.
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Schaltnetzteile
dieser Art weisen einen niedrigen Powerfaktor auf, da der Speicherkondensator C1
nur im Bereich der Spannungsmaxima und Minima der 50 Hz-Netzspannung
nachgeladen wird, wenn die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters
BR den Spannungswert über
dem Speicherkondensator C1 überschreitet.
Eine einfache Möglichkeit,
den Powerfaktor eines Schaltnetzteiles zu verbessern, ist die Verwendung
einer Netzfrequenzspule oder Powerfaktorspule NS, die zwischen dem Netzanschluss
NA und dem Speicherkondensator C1 geschaltet ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist sie zwischen dem Netzschalter S1 und dem Netzgleichrichter BR
geschaltet.
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Diese
Spule bewirkt eine Verbreiterung und eine Phasenverschiebung des
impulsförmigen Stromflusses,
durch den der Speicherkondensator C1 nachgeladen wird, da durch
die Induktivität
der Powerfaktorspule NS, beispielsweise 50 mH, der Stromfluss durch
die Spule nur allmählich
ansteigt, sowie gedämpft
wieder abfällt.
Durch eine entsprechende Wahl des Induktivitätswertes wird hierbei ein den
Anforderungen entsprechender Powerfaktor erzielt.
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Da
die Powerfaktorspule NS im Stromweg des Netzschalters S1 angeordnet
ist, entsteht durch die relativ hohe Induktivität der Powerfaktorspule NS beim Öffnen des
Schaltkontaktes 1 eine hohe Spannung, die zu einem Lichtbogen
im Schaltkontakt 1 führt.
Der Netzschalter S1 weist zwei Schaltkontakte 1 und 2 auf,
von denen erfindungsgemäß ein erster Schaltkontakt 1 in
einer Zuführung
des Netzanschlusses NA liegt und der zweite Schaltkontakt 2 mit einer
Versorgungs- oder Steuerspannung der Treiberschaltung DC gekoppelt
ist. Die zweite Verbindung b des Netzanschlusses NA ist ungeschaltet
mit dem Brückengleichrichter
BR verbunden.
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Der
zweite Schaltkontakt 2 wird hierdurch zum Abschalten des
Schalttransistors T1 verwendet, indem direkt oder indirekt durch
die Treiberschaltung die Schaltspannung DS für den Schalttransistor T1 abgeschaltet
wird. Der Schaltkontakt 2 kann beispielsweise zwischen
die Anschlusspunkte c' und
d' geschaltet sein,
so dass die Treiberschaltung DC von der Versorgungsspannung VCC
getrennt wird beim Ausschalten. Innerhalb nur weniger Schaltzyklen
ist der Schalttransistor T1 dann bereits vollständig abgeschaltet.
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Hinter
dem Anschluss c' ist
vorteilhafterweise noch ein Kondensator (nicht dargestellt) gegen Masse
geschaltet, durch den Schalterprellen des Schaltkontaktes 2 vermieden
wird, sowie eine Siebung der langen Zuleitung zu dem Netzschalter S1 erfolgt.
Die Kapazität
dieses Kondensators beeinflusst hierbei auch, nach wie vielen Schaltzyklen
der Schalttransistor T1 vollständig
abgeschaltet ist.
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Es
kann jedoch auch eine andere Spannung, beispielsweise eine Steuerspannung
der Treiberschaltung DC, mit dem Schaltkontakt 2 entsprechend abgeschaltet
werden, oder es kann mit dem Schaltkontakt 2 das Regelsignal
RS auf einen vorgegebenen Spannungswert gelegt werden, so dass der Schalttransistor
T1 ebenfalls dauerhaft sperrt.
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Parallel
zu dem Schaltkontakt 1 des Netzschalters S1 ist ein Bypass
angeordnet, der diesen Schaltkontakt überbrückt. Vorteilhafterweise ist
dies ein Relais R1 mit Netztrennung, es können jedoch auch andere Schaltelemente,
beispielsweise ein Schalttransistor, verwendet werden. Bei Verwendung eines
Relais R1 mit Netztrennung kann an die Steuerspule ST des Relais 1 direkt
eine sekundärseitige Ausgangsspannung
U2 an den Anschluss e angelegt werden. Die Netztrennung ist durch
eine Linie N in der 1 angedeutet.
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Wenn
der Netzschalter S1 geöffnet
wird, wird daher durch den Schaltkontakt 2 direkt oder
indirekt in kurzer Zeit der Schalttransistor T1 abgeschaltet, so dass
keine Energieübertragung
des Transformators TR auf die Sekundärwicklungen W2–W5 mehr
stattfindet. Es kann jedoch noch ein Strom durch den Bypass fließen, den
Schaltkontakt 3 des Relais R1, so dass sich das Magnetfeld
in der Powerfaktorspule NS durch einen Stromfluss über das
Relais R1 abbauen kann, ohne dass ein Lichtbogen über dem
Schaltkontakt 1 des Netzschalters S1 entsteht. Die Lebensdauer
des Netzschalters S1 wird hierdurch erheblich verbessert.
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Die
Ausgangsspannung U2 ist beispielsweise eine gleichgerichtete und
geglättete
Spannung, die aus der Versorgungsspannung U3 mit Hilfe einer Diode
und eines größeren Siebkondensators,
nicht dargestellt, gewonnen wird. Der Schaltkontakt 3 des Relais
R1 öffnet
daher verzögert
in Bezug auf die Schaltkontakte 1 und 2, da sich
der größere Kondensator
mit deutlicher Verzögerung
in Bezug auf einen Schaltzyklus des Schaltransistors entlädt. Die
Zeitkonstante ist hierbei abhängig
von der Kapazität
dieses Kondensators und der Belastung durch die Last. Erst dann
ist der Anschluss a des Netzanschlusses NA vollständig vom
Schaltnetzteil abgetrennt.
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Beim
Einschalten des Gerätes,
wenn der Netzschalter S1 gedrückt
wird, werden die Schaltkontakte 1 und 2 geschlossen,
so dass über
den Schaltkontakt 1 das Schaltnetzteil anlaufen kann, da gleichzeitig über den
Schaltkontakt 2 die Treiberschaltung DC wieder betriebsbereit
ist. Ist das Schaltnetzteil hochgelaufen, dann wird auch der Schaltkontakt 3 des
Relais R1 durch die Ausgangsspannung U2 wieder geschlossen, so dass
anschließend
das Gerät
wieder ohne einen Lichtbogen im Netzschalter S1 abgeschaltet werden
kann. Beim Einschalten verhält
sich das Schaltnetzteil daher genauso, wie bei einer Verwendung
des Netzschalters S1 in Geräten nach
herkömmlicher
Bauart.
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Besitzt
das Gerät,
in dem das Schaltnetzteil angeordnet ist, einen Normalbetrieb und
einen Standby-Betrieb, auch Bereitschaftsbetrieb genannt, so ist
es vorteilhaft, dass als Spannung U2 eine sekundärseitig erzeugte Ausgangsspannung
verwendet wird, die im Standby-Betrieb abgeschaltet ist. Das Relais
ist dann im Standby-Betrieb abgeschaltet und verbraucht keine Energie.
Der Schaltkontakt 3 ist dann offen. Dies ist jedoch kein
Nachteil beim Ausschalten des Gerätes, wenn es sich im Standby-Betrieb
befindet, da im Standby-Betrieb der Energieverbrauch des Gerätes so gering
ist, dass kein Lichtbogen über
dem Schaltkontakt 1 des Netzschalters entsteht.
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In
der 2 ist ein Netzschalter S1 dargestellt mit zwei
Schaltkontakten 1 und 2, die wie in der 1 beschrieben
beschaltet sind. Als Relais wird hier jedoch ein Relais R2 verwendet,
das einen zweiten Schaltkontakt 4, parallel zu dem Schaltkontakt 3, aufweist.
Der Schaltkontakt 4 wird hierbei vorteilhaft für die Ansteuerung
einer Entmagnetisierungsspule, nicht dargestellt, verwendet, die üblicherweise
in Fernsehgeräten
mit Bildröhre
oder in entsprechenden Computer-Monitoren
eingesetzt wird. Die Ansteuerung der Steuerspule ST des Relais R2
entspricht hierbei der Ansteuerung für das Relais R1, 1.
Das Relais R2 weist ebenfalls eine Netztrennung auf, angedeutet
durch die Linie N. Für
weitere Anschlüsse
und Elemente in der 2, die den korrespondierenden
der 1 entsprechen, sind hierbei dieselben Bezugszeichen
verwendet worden.
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Bildröhren, die
in Fernsehgeräten
oder Computer-Monitoren verwendet werden, benötigen von Zeit zu Zeit eine
Entmagnetisierung, um die Farbreinheit der Bildröhre zu erhalten. Dies wird
durch eine Entmagnetisierungsspule bewirkt, die üblicherweise beim Einschalten
des Gerätes
von einer Wechselspannung durchflossen wird. Als Wechselspannung wird
hierbei die 220 Volt Netzspannung verwendet, die einen hohen Stromstoss
zum Zeitpunkt des Einschaltens liefert, der dann anschließend allmählich abklingt.
Das Abklingen wird durch einen sogenannten Posistor PS bewirkt,
der sich durch den hohen Strom erhitzt und dabei hochohmig wird.
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Nach
dem Abklingen des Stromstrosses verbraucht der Posistor PS jedoch
weiterhin etwa 1 Watt an Energie, da er permanent geheizt wird.
Für den Standby-Betrieb eines Gerätes ist
dies ungünstig,
da der Standby-Verbrauch beispielsweise von Fernsehgeräten möglichst
gering sein soll. Zum Abschalten der Entmagnetisierungsspule im
Standby-Betrieb wird daher häufig
ein Relais verwendet.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist nun ein Anschluss des Posistors
PS mit dem zweiten Schaltkontakt 4 des Relais R2 verbunden
und ein zweiter Anschluss des Posistors PS mit dem Anschluss b des
Netzanschlusses NA. An den Anschlüssen i, j ist die Entmagnetisierungsspule,
nicht dargestellt, angeschlossen. Als Steuerspannung U2 wird eine
Sekundärspannung
verwendet, die im Standby-Betrieb abgeschaltet ist, so dass die
Entmagnetisierungsspule im Standby-Betrieb durch den Schaltkontakt 4 ebenfalls
abgeschaltet ist. Hierdurch wird das Relais zum Abschalten der Entmagnetisierungsspule
und die entsprechende Ansteuerung für das Relais eingespart.
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Die
Spannung U2 darf daher nur im Normalbetrieb vorhanden sein, und
sie muss bereits vorhanden sein, bevor die Ablenkung in der Bildröhre einsetzt,
damit keine Bildstörungen
durch die Entmagnetisierung entstehen. Eine entsprechende Spannung
ist in einem Fernsehgerät
jedoch bereits vorhanden, so dass mit dem Relais R2 also sowohl
eine Abnutzung durch Lichtbogeneffekte im Netzschalter vermieden
wird, als auch die Entmagnetisierungsspule im Standby-Betrieb abgeschaltet
ist.
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Die
Funktion der Schaltung, wie in der 1 dargestellt,
wird nun anhand von in der 3 dargestellten
Strom- und Spannungsdiagrammen näher erläutert. I1
ist hierbei der durch den Schaltkontakt 1 des Netzschalters
S1 fließende
Strom und I2 der durch den Schaltkontakt 3 des Relais R1
fließenden Strom.
U1 ist die an dem Anschluss c' der
Treiberschaltung DC anliegende Spannung und U2 die an den Anschlüssen e und
f anliegende Sekundärspannung.
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Bis
zu dem Zeitpunkt t1 läuft
das Schaltnetzteil im Normalbetrieb. Deutlich sichtbar sind hierbei die
50 Hz-Stromimpulse der Ströme
I1 und I2, wenn der Ladekondensator C1, gedämpft durch die Powerfaktorkorrekturspule
NS, nachgeladen wird. Die Ströme
I1 und I2 sind hierbei gleichgroß, da sich der Strom durch
den Netzschalter S1 und das Relais R1 aufteilt.
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Zum
Zeitpunkt t1 wird jetzt der Netzschalter S1 betätigt und das Gerät somit
ausgeschaltet. Die Spannung U1, die Versorgungsspannung für die Treiberschaltung
DC, fällt
hierdurch sofort ab. Der Stromfluss I1 durch den Schaltkontakt 1 ist
ebenfalls sofort unterbrochen. Durch den Schaltkontakt 3 des
Relais R1 fließt
jetzt der doppelte Strom I2, da der Kondensator C1 noch einmal vollständig nachgeladen
wird. Im weiteren Verlauf klingt der Strom I2 jedoch ab, wodurch
auch das Magnetfeld in der Korrekturspule NS abgebaut wird.
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Die
Spannung U2 fällt
nach dem Zeitpunkt t1 jedoch nur allmählich ab, da der Siebkondensator
der Sekundärspannung
U2 nur allmählich
entladen wird. Erst zum Zeitpunkt t2, wenn die Spannung U2 einen gewissen
Schwellwert unterschritten hat, öffnet
auch der Kontakt 3 des Relais R1, so dass der Anschluss a
des Netzanschlusses NA ab diesem Zeitpunkt vollständig vom
Netz getrennt ist. Der Zeitpunkt t2 liegt hierbei etwa 100 Millisekunden
nach dem Zeitpunkt t1, so dass kein Lichtbogen mehr entstehen kann
sowohl über
den Schaltkontakten 1 als auch über den Schaltkontakten 3 des
Relais R1. Zum Zeitpunkt t2 ist kein Stromfluss mehr erkennbar durch
das Relais R1.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung liegen im Rahmen eines Fachmannes.
Als Relais können
insbesondere auch andere geeignete Schaltmittel, wie beispielsweise
Transistoren, verwendet werden. Als Steuerspannung U2 für das Relais
R1 oder R2 kann auch eine Versorgungsspannung verwendet werden,
die von dem Hochspannungstransformator in einem betreffenden Gerät bereitgestellt
wird. Werden in der Anordnung mehrere Schaltnetzteile verwendet,
beispielsweise ein erstes Schaltnetzteil für den Normalbetrieb und ein
zweites Schaltnetzteil für den
Standby-Betrieb, so genügt
es, mit dem Schaltkontakt 2 das erste Schaltnetzteil abzuschalten,
da der Energieverbrauch des Standby-Schaltnetzteils vernachlässigt werden
kann. Die Erfindung ist ebenfalls nicht auf Sperrwandler beschränkt, wie
vorangehend bereits erläutert,
und kann auch für
andere Schaltnetzteilkonzepte verwendet werden, wenn eine Powerfaktorkorrektur
notwendig ist.