-
Die
vorliegende Erfindung geht aus von einer Stromversorgung mit zwei
Schaltnetzteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Es
ist bekannt, in Geräten
der Unterhaltungselektronik zur Stromversorgung der verschiedensten Schaltungskomponenten
zwei Schaltnetzteile zu verwenden, die parallel geschaltet sind,
um die benötigte
Anzahl von Versorgungsspannungen bereit zu stellen, bzw. um bestimmte
Schaltungsgruppen abhängig
von einem gewählten
Betriebsmodus abschalten zu können.
In Fernsehgeräten
beispielsweise, die ein Internetmodul oder einen digitalen Decoder
aufweisen, ist es sinnvoll, für
diese Schaltungseinheit ein separates Schaltnetzteil zu verwenden, das
bei Bedarf mit dieser Einheit ein- und ausgeschaltet wird.
-
Schaltnetzteile
bewirken eine stark impulsförmige
Belastung des Leitungsnetzes, die zu Oberwellenströmen auf
dem Leitungsnetz 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 größere Fernsehgeräte, müssen deshalb
inzwischen bestimmte Vorschriften in Bezug auf die Oberwellenströme einhalten.
Die Oberwellenbelastung des Leitungsnetzes durch ein Gerät kann hierbei
durch einen sogenannten Powerfaktor angegeben werden.
-
Es
ist bekannt, für
eine aktive Powerfaktor-Korrektur zur Verringerung der Oberwellenbelastung
des Leitungsnetzes einen sogenannten "Preconverter" zu verwenden, der vor das Schaltnetzteil geschaltet
ist und der eine Spule aufweist, die durch einen Schalter periodisch
mit einem Strom beaufschlagt wird. Hierdurch wird ein quasi kontinuierlicher Stromfluss
aus dem Leitungsnetz erzeugt.
-
Weiterhin
sind Schaltnetzteile, die eine Powertaktor-Korrektur mit einer sogenannten
Strompumpe verwenden, bekannt, beispielsweise aus der DE-A-196 10
762, der EP-A-0 700 145 und der
US 5,986,898 .
Diese enthalten primärseitig
einen ersten Stromweg, durch den ein Speicherkondensator des Schaltnetzteiles über eine
Diode und einen Netzgleichrichter des Schaltnetzteiles geladen wird, und einen
zweiten Stromweg mit einer Induktivität, der zwischen dem Netzgleichrichter
und der Primärwicklung
des Transformators angeordnet ist. Der Speicherkondensator wird
hierbei vorwiegend über
den zweiten Stromweg aufgeladen. Die Induktivität des zweiten Stromweges wirkt
daher wie eine Strompumpe, die durch den Schalttransistor gesteuert
einen kontinuierlichen Strom oder zumindest einen verbreiterten
Stromfluss aus dem Leitungsnetz zieht zur Verbesserung des Powerfaktors.
Diese sind in diesem Sinne daher auch Schaltnetzteile mit aktiver
Powerfaktor-Korrektur, da auch bei diesen über eine Spule mittels eines
Transistors, hier der Schalttransistor des Schaltnetzteiles, ein
zumindest verbreiterter Stromfluss des Schaltnetzteiles mit verbessertem Powerfaktor
erzeugt wird.
-
Ein
weiteres Schaltnetzteil mit einer aktiven Powerfaktor-Korrektur
ist aus der EP-A-0 558 168, der EP-A-0 588 172 und der EP-A-0 558
173 bekannt. Dieses weist ebenfalls zwei Stromwege auf, wobei der
erste Stromweg den Brückengleichrichter über eine
Diode direkt mit der Primärwicklung
eines Transformators verbindet. Hierdurch arbeitet die Primärwicklung
direkt mit der gleichgerichteten Netzspannung. Im zweiten Stromweg
ist ein Ladekondensator angeordnet, der über einen zweiten Schalttransistor
in Abhängigkeit
vom ersten Schalttransistor zur Verbesserung der Welligkeit der
Ausgangsspannungen des Schaltnetzteiles entladen wird.
-
Es
ist auch bekannt, dass der Powerfaktor durch eine am Eingang des
Schaltnetzteiles, insbesondere vor dem Speicherkondensator angeordnete Spule
verbessert werden kann. Diese Spule ist auch als Netzfrequenzspule,
50 Hz-Spule oder Powerfaktorspule bekannt. Um Verwechslungen mit
anderen Spulen zu vermeiden, wird in der Beschreibung hier durchgängig der
Begriff Powerfaktorspule verwendet.
-
Diese
Powerfaktorspule benötigt
jedoch einen relativ hohen Induktivitätswert für eine ausreichend gute Powerfaktorkorrektur.
Ein weiterer Nachteil ist, dass beim Betätigen des Netzschalters zum Ausschalten
des Gerätes
der Stromfluss in der Powerfaktorspule schlagartig unterbrochen
wird. Die in der Powerfaktorspule ge speicherte Energie muss jedoch
abgebaut werden. Da der geöffnete
Netzschalter die höchste
Impedanz im Kreis darstellt, entwickelt sich deshalb über den
Schaltkontakten des Netzschalters eine sehr hohe Spannung, und es kommt
zum Lichtbogen. Je nach Ausführung
des Schalters kann es auch sein, dass die Schalteröffnungsgeschwindigkeit
vergleichsweise klein ist, und somit der Lichtbogen so lange ansteht,
bis die Netzhalbwelle beendet ist. Hierbei entsteht keine große Spannung über den
Kontakten, in beiden Fällen
bedeutet es jedoch eine schnellere Alterung des Netzschalters, und
der Schalter stellt ein Sicherheitsrisiko dar, da er im schlimmsten
Fall zur potentiellen Brandstelle wird.
-
Besitzt
ein Gerät
zwei Schaltnetzteile, aber nur ein Netzkabel, das die beiden Schaltnetzteile
mit dem Leitungsnetz verbindet, so wird das Gerät als eine Einheit betrachtet,
für das
die Vorschriften zur Powerfaktorkorrektur einzuhalten sind.
-
Ein
Schaltnetzteil gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 ist bekannt von Kohama et al: "Characteristics of a parallel-module
high power-factor AC-to-DC converter system with current-balancing controllers", Telecommunications
Energy Conference, 1995. Intelec 1995, 17th International
The Hague, Niederlande 29. Okt. – 1. Nov 1995, New York, NY,
USA, IEEE, 29. Okt. 1995, Seite 791–795.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromversorgung
anzugeben, die eine hohe Zuverlässigkeit
bei einem möglichst ökonomischen Schaltungsaufwand
aufweist.
-
Diese
Aufgabe wird für
eine Stromversorgung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und für ein Gerät durch
die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die
Stromversorgung nach der Erfindung weist ein erstes Schaltnetzteil
sowie ein hierzu parallel geschaltetes zweites Schaltnetzteil auf,
die jeweils eine eigene Powerfaktorkorrektur aufweisen. Das erste
Schaltnetzteil weist eine aktive Powerfaktor-Korrekturschaltung,
und das zweite Schaltnetzteil weist eine Powerfak torspule in der
Stromzufuhr des zweiten Schaltnetzteiles zur Powerfaktorkorrektur auf.
Die aktive Powerfaktorkorrektur bewirkt hierbei eine Abflachung
des impulsförmigen
Stromflusses und die Powerfaktorspule eine Phasenverschiebung des
impulsförmigen
Stromflusses. Beide Schaltnetzteile sind hierbei insbesondere parallel
nach dem Netzschalter eines Gerätes
angeordnet.
-
Hierdurch
ergeben sich überraschende
Vorteile für
die Stromversorgung: Das Problem einer übermäßigen Belastung des Netzschalters
besteht nun nicht mehr, da die in der Powerfaktorspule gespeicherte
Energie jetzt beim Ausschalten des Netzschalters aufgrund der Parallelschaltung
der beiden Schaltnetzteile über
den Ladekondensator des ersten Schaltnetzteiles abgeführt wird,
der Netzschalter beim Ausschalten also nicht durch die Powerfaktorspule
belastet wird. Dies führt
zu einer hohen Zuverlässigkeit
des Gerätes
auch unter Verwendung einer Powerfaktorspule.
-
Weiterhin
führen
die zwei verschiedenen Prinzipien der Powerfaktorkorrektur zu einer
konstruktiven Addition der beiden Stromflüsse: Die aktive Powerfaktorkorrektur
mit einer Strompumpe führt zu
einer Abflachung des impulsförmigen
Stromflusses, d. h. es findet eine Verbreiterung des Stromflusswinkels
sowohl vor als auch nach dem Spannungsmaximum der Netzspannung statt.
Der impulsförmige
Stromfluss des zweiten Schaltnetzteiles ist durch die Powerfaktorspule
jedoch phasenverschoben mit einer nacheilenden Phase, er führt somit
hauptsächlich
zu einer Verbreiterung des Stromflusswinkels nach dem Spannungsmaximum
der Netzspannung. Da sich die beiden Stromflüsse der parallel geschalteten
Schaltnetzteile addieren, ergibt sich durch diese Addition eine
zusätzliche
Verbesserung des Powerfaktors für
die Stromversorgung. Die Induktivität der Powerfaktorspule kann
hierdurch etwa um einen Faktor zwei kleiner gewählt werden, als für die Leistung
des zweiten Schaltnetzteiles eigentlich notwendig wäre.
-
Die
Kombination der beiden verschiedenen Powerfaktorkorrektur-Schaltungen
ist somit eine optimale Konfiguration für ein Gerät, das eine Stromversorgung
mit zwei Schaltnetzteilen enthält,
und bedeutet nur einen geringen Aufwand für das zweite Schaltnetzteil.
Anwendungen der Erfindung ergeben sich insbesondere für Fernsehgeräte mit digitalen Schaltungen,
sowie anderen Geräten
der Unterhaltungselektronik, die einen erhöhten Leistungsbedarf aufweisen.
-
Die
Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand eines in den Figuren
schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 ein
Schaltbild eines ersten Schaltnetzteiles mit einer aktiven Powerfaktorkorrekturschaltung,
-
2 ein
zweites Schaltnetzteil mit einer Powerfaktorspule zur Powerfaktorkorrektur
und
-
3 resultierende
Ströme
und Spannungen der beiden Schaltnetzteile nach den 1 und 2.
-
In
der 1 ist vereinfacht ein Schaltnetzteil I mit einem
Netzgleichrichter BR1, einem Speicherkondensator C20, einem Schalttransistor
T1, sowie mit einem Transformator Tr1, der eine Primärwicklung
W1 und Sekundärwicklungen
W2–W4
aufweist, dargestellt. Der Netzgleichrichter BR1 weist einen Eingangsanschluss
BP2 auf, über
den der Gleichrichter mit einem Netzschalter (nicht dargestellt)
eines entsprechenden Gerätes
sowie mit dem Leitungsnetz verbunden ist, und dient zur Gleichrichtung der
Netzspannung. Der Ausgang des Netzgleichrichters BR1 ist über zwei
Stromwege I1 und I2 mit dem Transformator Tr1 verbunden: Über den
ersten Stromweg I1 ist er mit einem Anschluss 1 der Primärwicklung
W1 sowie mit dem Speicherkondensator C20 verbunden, und über den
Stromweg I2 mit einem Abgriff A der Primärwicklung W1 verbunden. Der Stromweg
I1 weist eine Diode D16 auf, durch die der zweite Stromweg I2 vom
Speicherkondensator C20 entkoppelt ist.
-
Der
Stromweg I2 weist eine Spule L19 auf, durch die eine aktive Powerfaktorkorrektur
bewirkt wird, sowie ein Kondensator C19 zur Strombegrenzung im Stromweg
I2. Anstatt des Kondensators C19 kann auch eine Diode im Stromweg
I2 verwendet werden. Der Abgriff A kann auch mit dem Anschluss 1 oder 2 der
Primärwicklung
W1 identisch sein. Ein dem Netzgleichrichter BR1 nachgeschalteter Widerstand
R10 bewirkt ebenfalls eine Strombegrenzung, hier für beide
Stromwege I1 und I2.
-
Der
Transformator TR1 bewirkt auf bekannte Weise eine Netztrennung zwischen
der Primärseite und
der Sekundärseite
des Schaltnetzteiles. Der in Serie zur Primärwicklung W1 liegende Schalttransistor
T1 wird durch eine Treiberstufe (nicht dargestellt) mit Schaltsignalen
DS1 angesteuert, so dass eine Energieübertragung auf die sekundärseitig
angeordneten Sekundärwicklungen
W2, W3 und W4 bewirkt wird, wie bekannt. Das Schaltnetzteil arbeitet
hierbei nach dem Prinzip des Sperrwandlers, das häufig für Schaltnetzteile
in Geräten
der Unterhaltungselektronik verwendet wird.
-
Die
Funktion des Schaltnetzteiles ist hierbei wie folgt: Nach dem Einschalten
des Gerätes
wird zuerst der Speicherkondensator C20 über den Widerstand R10 und
den Stromweg I1 aufgeladen. Der Widerstand R10, der einen geringen
Widerstandswert von beispielsweise 2,7 Ohm aufweist, bewirkt hierbei eine
Begrenzung des Stromflusses. Die Aufladung des Speicherkondensators
C20 ist notwendig für
die Anlaufphase des Schaltnetzteiles. Während des Normalbetriebes zieht
der Schalttransistor T1 im wesentlichen einen Strom über den
Stromweg I2, durch den der Speicherkondensator C20 dann über eine
Diode D18 sowie über
die Primärwicklung
W1 nachgeladen wird.
-
Durch
die Induktivität
der Spule L19 wird hierbei im Idealfall ein kontinuierlicher Stromfluss
aus dem Leitungsnetz bewirkt, der zu einer entsprechenden Verbesserung
des Powerfaktors führt.
Eine der Spule L19 vorgeschaltete Spule L15 verhindert hierbei,
dass sich die hochfrequenten Schaltimpulse des Schaltnetzteiles über den
Brückengleichrichter
BR1 ins Leistungsnetz ausbreiten. Die Kondensatoren C10, C11 und
C12, die nur eine geringe Kapazität aufweisen, dienen zum Filtern
der Netzspannung beziehungsweise ebenfalls der Entstörung.
-
Das
Schaltnetzteil weist eine Regelung zur Stabilisierung der Ausgangsspannungen
auf, die beispielsweise eine Impulsbreitenmodulation der Treibersignale
DS1, abhängig
von der Belastung, zur Regelung verwendet. Da der Stromfluss I2 durch
den Schalttransistor gesteuert ist, wird daher auch der Ladekondensator
C20 abhängig
von der Belastung des Schaltnetzteiles nachgeladen. Weitere Einzelheiten zur
Funktion dieses Schaltnetzteiles und insbesondere zur aktiven Powerfaktorkorrektur
sind beispielsweise in der
US
5,986,898 beschrieben und werden daher hier nicht weiter
erläutert.
-
In
der 2 ist ein zweites Schaltnetzteil II schematisch
dargestellt, das eine Powerfaktorspule NS für eine passive Powerfaktorkorrektur
aufweist. Die Powerfaktorspule NS ist hierbei zwischen einem Netzfilter
NF und einem Netzgleichrichter BR2 des Schaltnetzteiles II angeordnet.
Mit dem Ausgang des Brückengleichrichters
BR2 ist ein Speicherkondensator C30 sowie die Primärwicklung
W5 eines Transformators Tr2 verbunden. Der Transformator Tr2 besitzt
entsprechend dem Transformator Tr1 Sekundärwicklungen W6–W9 und
seine Primärwicklung
W5 liegt ebenfalls in Serie zu einem Schalttransistor T2, der durch
eine Treiberschaltung DC gesteuert wird.
-
Über die
primärseitig
angeordnete Wicklung W6 wird hierbei eine Versorgungsspannung VCC
für die
Treiberschaltung DC bereitgestellt, und über die sekundärseitig
angeordneten Sekundärwicklungen W7–W9 werden
Ausgangsspannungen U1, U2, U3 zur Versorgung von entsprechenden
Schaltungen bereitgestellt. Die Treiberschaltung DC regelt hierbei die
Ausgangsspannungen U1–U3
des Schaltnetzteiles mit Hilfe eines Regelsignales RS, das primärseitig oder
sekundärseitig
von einer der Sekundärwicklungen
des Transformators TR2 abgeleitet werden kann.
-
Das
Schaltnetzteil II besitzt weiterhin eine Anlaufschaltung AS zum
Anlaufen des Schaltnetzteiles, sowie ein sogenanntes Snubber-Network
SN2, durch das Schaltungsspitzen beim Sperren des Schalttransistors
T2 gedämpft
werden. Die Powerfaktorspule NS, die im Stromweg der 50 Hz Netzfrequenz
vor dem Brückengleichrichter
BR2 liegt, weist eine Induktivität
von beispielsweise 20 mH auf, so dass der Ladevorgang des Speicherkondensators C30
deutlich verzögert
wird. Abgesehen von der Powerfaktorspule NS ist das Schaltnetzteil
II daher mit bisher bekannten Sperrwandlern ohne Powerfaktorkorrektur
identisch, und es weist nur einen Stromweg auf, über den der Speicherkondensator
C30 geladen wird. Weitere Bauteile für eine Powerfaktorkorrektur werden
hier nicht benötigt,
insbesondere muss hier nicht ein Transformator mit einem Abgriff
verwendet werden. Das Schaltnetzteil arbeitet daher mit der Powerfaktorspule
NS entsprechend einem Sperrwandler ohne Powerfaktorkorrektur, mit
dem Unterschied, dass der Speicherkondensator C30 mit einem Stromimpuls
nachgeladen wird, der durch die Induktivität der Powerfaktorspule verbreitert
und verzögert
ist.
-
Der
Eingang des Schaltnetzteiles II weist einen Anschluss BP1 auf, der
zu dem Anschluss BP2 des ersten Schaltnetzteiles I führt, sowie
einen Anschluss UN, der über
den Netzschalter sowie das Netzkabel eines Gerätes, nicht dargestellt, mit
dem Leitungsnetz verbunden ist. Das Schaltnetzteil II liegt hierdurch
parallel zum Schaltnetzteil I an der Netzspannung. Das Schaltnetzteil
II ist hierbei das kleinere Schaltnetzteil in dem Gerät und kann
durch ein Steuersignal von der Sekundärseite aus, nicht dargestellt,
je nach Betriebsmodus des Gerätes
ein- und ausgeschaltet
werden.
-
Die
während
des Betriebes der beiden Schaltnetzteile I und II auftretenden Eingangsströme sind
in der 3 dargestellt. Der Eingangsstrom des Schaltnetzteiles
I ist hierbei durch die Kurve 3 dargestellt und der Eingangsstrom
des Schaltnetzteiles II durch die Kurve 4 dargestellt,
ebenfalls die an dem Gerät
anliegende Netzspannung, Kurve 1. Der resultierende Stromfluss
für die
Stromversorgung ist durch die Kurve A dargestellt. Wie anhand der
Kurve 3 ersichtlich, zieht das Schaltnetzteil I in einem
Bereich um das Spannungsmaximum der Netzspannung, Kurve 1,
einen relativ konstanten Strom. Der Strom ist nicht phasenverschoben
im Bezug zur Netzfrequenz bzw. Netzspannung.
-
Der
Stromfluss des zweiten Schaltnetzteiles II, Kurve 4, zeigt
dagegen einen allmählichen
Anstieg mit einem Maximum, das zeitlich nach dem Maximum der Netzspannung
auftritt. Aufgrund der unterschiedlichen Stromcharakteristiken der
beiden Schaltnetzteile I, II führt
die Addition der beiden Ströme
daher zu einer zusätzlichen
Verbreiterung des Stromflusses, im Vergleich zu einer Stromversorgung,
die nur ein Schaltungsprinzip zur Powerfaktorkorrektur verwenden
würde.
-
Die
Powerfaktorspule NS des Schaltnetzteiles II hat hier bereits einen
entsprechend kleineren Induktivitätswert, als für das Schaltnetzteil
II alleine zur Erfüllung
der Powerfaktorkorrektur-Norm notwendig wäre.
-
Dies
wird durch ein Beispiel verdeutlicht: Weist das Schaltnetzteil II
eine Netzaufnahmeleistung von 100 W auf, so benötigt es, wenn es als einziges
Schaltnetzteil alleine am Netz angeschlossen ist, eine Powerfaktorspule
mit einer Induktivität
von 40 mH zur Erfüllung
der Powerfaktorkorrektur-Norm. Wird dieses Schaltnetzteil jedoch
zu einem Schaltnetzteil parallel geschaltet, das ebenfalls 100 W
Netzaufnahmeleistung aufweist und eine aktive Powerfaktorkorrektur
mit einer Strompumpe enthält,
so braucht die Induktivität
der Powerfaktorspule nur 20 mH zu betragen, damit die beiden Schaltnetzteile
als eine Stromversorgung die Grenzwerte der Powerfaktorkorrektur-Norm
einhalten. Die Powerfaktorspule des zweiten Schaltnetzteiles wird
daher vergleichsweise kleiner und billiger.
-
Durch
die Verwendung von einem Schaltnetzteil mit einer aktiven Powerfaktorkorrektur,
insbesondere bei Verwendung einer Strompumpe, sowie mit einem zweiten
Schaltnetzteil, das eine Powerfaktorspule zur Phasenverschiebung
des Eingangsstromes aufweist, kann daher eine kostengünstige Stromversorgung
mit zwei Schaltnetzteilen bereitgestellt werden, die zum einen keine übermäßige Beanspruchung
des Netzschalters in einem Gerät
aufweist, und bei der zudem im zweiten Schaltnetzteil eine Powerfaktorspule
mit einer verringerten Induktivität verwendet werden kann. Das
Prinzip kann auch entsprechend auf drei parallelgeschaltete Schaltnetzteile
angewendet werden, wobei für
das dritte Schaltnetzteil dann ebenfalls eine Powerfaktorspule verwendet
werden kann.
-
Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung liegen im Rahmen eines Fachmannes.
Die Erfindung ist nicht auf Sperrwandler beschränkt und kann ebenfalls für andere
Schaltnetzteilkonzepte verwendet werden, beispielsweise in Schaltnetzteilen,
die zwei oder mehr Schalttransistoren aufweisen. Insbesondere das
Schaltnetzteil II ist nicht auf Sperrwandler beschränkt, da
bei Verwendung einer Powerfaktorspule zur Powerfaktorkorrektur der
Aufbau eines Schaltnetzteiles nicht verändert zu werden braucht.