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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 Leistungsfaktor angegeben werden.
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Zur
Verbesserung des Leistungsfaktors sind verschiedenste 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 einen Schalttransistor
des Schaltnetzteiles gesteuert wird und hierdurch den impulsförmigen Stromfluss
des Schaltnetzteiles verbreitert.
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Eine
weitere Möglichkeit,
den Leistungsfaktor eines Schaltnetzteiles zu verbessern, ist die
Verwendung einer Spule im Eingangsbereich des Schaltnetzteiles.
Diese Spule ist auch als 50 Hz-Spule, Netzfrequenzspule oder Leistungsfaktorspule
bekannt. Um Verwechslungen mit anderen Spulen zu vermeiden, wird
in der Beschreibung deshalb durchgängig der Begriff Leistungsfaktorspule
für diese Spule
verwendet.
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Diese
Leistungsfaktorspule hat jedoch den Nachteil, dass beim Betätigen des
Netzschalters zum Ausschalten des Gerätes der Stromfluss in der Leistungsfaktorspule
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
aufweisen bei einem möglichst ökonomischen
Schaltungsaufwand.
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Diese
Aufgabe wird für
eine Schaltungsanordnung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und für ein Gerät durch
die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Schaltungsanordnung nach der Erfindung weist einen Netzanschluss,
einen Netzschalter mit zwei Schaltkontakten, eine Entmagnetisierungsspule
und ein Schaltnetzteil auf, das eine Treiberschaltung zur Erzeugung
einer Steuerspannung für den
Schalttransistor des Schaltnetzteiles enthält. Ein erster Schaltkontakt
des Netzschalters ist hierbei zwischen dem Netzanschluss und der
Entmagnetisierungsspule angeordnet zum Ein- und Ausschalten der
Entmagnetisierungsspule und der zweite Schaltkontakt ist mit einer
Versorgungs- oder Steuerspannung der Treiberschaltung verbunden
zur Abschaltung der Steuerspannung des Schalttransistors beziehungsweise
zur Abschaltung des Schaltnetzteiles.
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Dies
hat den Vorteil, dass eine Leistungsfaktorspule zwischen dem Netzanschluss
und dem Schaltnetzteil zur Leistungsfaktorkorrektur verwendet werden
kann und der Netzschalter durch die Induktivität der Leistungsfaktorspule
nicht belastet wird. Das Schaltnetzteil ist hierdurch zwar auch
im ausgeschalteten Zustand mit dem Leitungsnetz verbunden. Für einen
Benutzer ist dies jedoch keine Beeinträchtigung. Es führt nur
zu einer geringfügigen Verlustleistung
durch die Anlaufschaltung, wenn das Schaltnetzteil ausgeschaltet
ist.
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Die
Schaltungsanordnung kann insbesondere in Geräten mit einer Bildröhre verwendet
werden, wie beispielsweise Fernsehgeräte und Computer-Monitore. Durch
diese Beschaltung des Netzschalters ist hierbei gewährleistet,
dass mit jedem Einschalten des Gerätes die Bildröhre entmagnetisiert
wird.
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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
Schaltungsanordnung mit einem Netzanschluss, einer Leistungsfaktorspule
und einem Schaltnetzteil, sowie einen Netzschalter, und
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2 die
Verwendung der Anordnung in einem Chassis eines Fernsehgerätes.
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In
der 1 ist schematisch ein Schaltnetzteil I 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 und 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 eine Versorgungsspannung
VCC für
den Betrieb des Schaltnetzteiles bereit gestellt, die der Treiberschaltung
DC zugeführt
wird.
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Das
Schaltnetzteil I der 1 ist ein Teil einer Schaltungsanordnung,
die weiterhin einen Netzanschluss NA, eine Entmagnetisierungsspule,
nicht dargestellt, und einen Netzschalter S1 mit zwei Schaltkontakten 1, 2 aufweist.
Die Schaltungsanordnung ist vorzugsweise in ein Gerät, beispielsweise
in ein Fernsehgerät,
integriert, das eine Bildröhre
aufweist.
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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 Posistor bewirkt, der sich durch
den hohen Strom erhitzt und dabei hochohmig wird.
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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.
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Parallel
zur Primärwicklung
W1 ist ein sogenanntes Snubber-Netzwerk
SN angeordnet, durch das Spannungsspitzen, die beim Sperren des
Schalttransistors T1 entstehen, gedämpft werden. 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. Während des Betriebes wird die
Versorgungsspannung VCC durch die Hilfswicklung W2 sowie die Diode
D1 und den Siebkondensator C2 erzeugt.
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Das
Schaltnetzteil nach der Figur arbeitet vorzugsweise nach dem Sperrwandlerprinzip,
andere Schaltungsprinzipien sind jedoch ebenfalls möglich. Sperrwandler
werden bevorzugt in Geräten
der Unterhaltungselektronik, beispielsweise in Fernsehgeräten und
Videorecordern verwendet. Bei einem Sperrwandler wird hierbei während der
Durchschaltphase 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 Leistungsfaktor auf, da der Speicherkondensator
C1 nur im Bereich der Spannungsmaxima und Minima der 50 Hz-Netzspannung nachgeladen
wird, wenn die Ausgangsspannung U2 des Brückengleichrichters BR den Spannungswert über dem
Speicherkondensator C1 überschreitet.
Eine einfache Möglichkeit,
den Leistungsfaktor eines Schaltnetzteiles zu verbessern, ist die
Verwendung einer Netzfrequenzspule oder Leistungsfaktorspule NS,
die zwischen dem Netzanschluss NA und dem Speicherkondensator C1
angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist sie zwischen den Netzanschluss NA und dem Netzgleichrichter
BR geschaltet.
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Die
Leistungsfaktorspule NS bewirkt eine Verbreiterung und eine Phasenverschiebung
des impulsförmigen
Stromflusses, durch den der Speicherkondensator C1 nachgeladen wird,
da durch die Induktivität
dieser Spule, 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 Leistungsfaktor erzielt.
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In
der 1 ebenfalls dargestellt ist ein Netzschalter S1,
der zwei Schaltkontakte 1 und 2 aufweist, sowie
entsprechende Anschlüsse
a und b für den
Schaltkontakt 1 und c und d für den Schaltkontakt 2.
Der Netzschalter S1 ist hierbei üblicherweise an
der Frontseite des Gerätes,
für einen
Benutzer gut zugänglich,
angeordnet. Die Anschlüsse
c und d sind hierbei erfindungsgemäß mit den Anschlüssen c' und d' zum Ein- und Ausschalten
der Treiberschaltung DC des Schaltnetzteiles verbunden und die Anschlüsse a und
b mit der Magnetisierungsspule zum Ein- und Ausschalten der Entmagnetisierungsspule.
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Die
Leistungsfaktorspule NS ist hierdurch nicht im Stromweg des Netzschalters
S1 angeordnet. Der Netzschalter wird also beim Ein- und Ausschalten
des Gerätes
durch die Leistungsfaktorspule NS nicht belastet. Gleichzeitig wird
durch diese Anordnung sichergestellt, dass bei jedem Einschalten
des Gerätes
die Entmagnetisierungsspule zum Entmagnetisieren der Bildröhre eingeschaltet
wird.
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In
der 2 sind die wesentlichen Komponenten der Schaltungsanordnung
dargestellt, soweit sie auf einem Chassis eines Fernsehgerätes in einer vorteilhaften
Ausgestaltung integriert sind. Eingangsseitig weist die Anordnung
eine Filtersektion mit einem Netzfilter NF, Kondensatoren C3 und
C4 und einen Widerstand R1 auf, die mit dem Netzanschluss NA der
Anordnung verbunden ist. Diese Filtersektion verhindert, dass Störstrahlungen
des Gerätes
in das Leitungsnetz gelangen und unterdrückt auf dem Leitungsnetz bereits
vorhandene Störungen.
Ausgangsseitig ist die Filtersektion mit dem Brückengleichrichter BR verbunden,
der die gleichgerichtete Spannung U2 für den Betrieb des Schaltnetzteiles
bereit stellt.
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In
der Verbindung zwischen dem Brückengleichrichter
und der Filtersektion sind Anschlüsse e und f angeordnet, an
der die Leistungsfaktorspule NS, in der 2 nicht
dargestellt, angeschlossen ist. Die Leistungsfaktorspule ist separat
angeordnet, so dass das Schaltnetzteil kompakt gehalten werden kann
und insbesondere ohne größere Designänderung
ein bereits vorhandenes Schaltnetzteil verwendet werden kann, das
keine Leistungsfaktorkorrektur aufweist. Durch die Anordnung der
Leistungsfaktorspule NS vor dem Brückengleichrichter BR liegt
diese im Stromweg der sinusförmigen
Wechselspannung des Leitungsnetzes.
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Die
Treiberschaltung DC und der Transformator TR des Schaltnetzteiles
sind in der 2 nur schematisch angedeutet,
soweit für
das Verständnis der
Erfindung notwendig. Wie bereits an Hand der 1 erläutert, ist
an der primärseitig
angeordneten Hilfswicklung W2 eine Diode D1 und ein Kondensator C2
angeordnet zur Erzeugung der Betriebsspannung VCC für die Treiberschaltung.
In der Verbindung zwischen dem Kondensator C2 und der Treiberschaltung
DC sind auf dem Chassis zwei Anschlusspunkte c' und d' angeordnet, die mit den Anschlusspunkten
c und d des Netzschalters S1 verbunden sind.
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Zwischen
Anschluss c' und
der Treiberschaltung DS ist vorteilhafterweise noch ein Kondensator C6
mit einer Kapazität
von 1 μF
gegen Masse geschaltet, durch den Schalterprellen des Schaltkontaktes 2 vermieden
wird und eine Siebung der langen Zuleitung des Netzschalters S1
erfolgt. Die Kapazität dieses
Kondensators beeinflusst hierbei auch, nach wie vielen Schaltzyklen
der Schalttransistor T1 vollständig
abgeschaltet ist.
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Auf
dem Chassis weiterhin angeordnet ist ein Posistor PS sowie ein Kondensator
C5, an denen die Entmagnetisierungsspule ES, nicht dargestellt, über Anschlusspunkte
g und h angeschlossen ist. Eingangsseitig ist der Posistor PS parallel
zum Kondensator C3 angeordnet. In einer Zuführung liegen hierbei Anschlusspunkte
a' und b', die mit den Anschlusspunkten
a und b des Netzschalters S1 verbunden sind. Hierdurch wird bei
jeder Betätigung
des Netzschalters S1 zum Einschalten des Gerätes die Entmagnetisierungsspule
ES eingeschaltet. Der Posistor PS gewährleistet hierbei einen hohen
Stromstoss im Einschaltmoment, der durch die Erwärmung des Posistors kontinuierlich
reduziert wird bis auf einen geringen Verlustwert.
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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 2 das Schaltnetzteil anlaufen kann, da hierdurch
die Treiberschaltung DC mit der Betriebspannung VCC versorgt wird.
Beim Einschalten verhält
sich das Schaltnetzteil daher genauso, wie bei einer Verwendung
des Netzschalters S1 in Geräten nach
herkömmlicher
Bauart.
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Beim
Ausschalten des Gerätes,
wenn der Netzschalter S1 geöffnet
wird, wird durch den Schaltkontakt 2 in kurzer Zeit der
Schalttransistor T1 abgeschaltet, so dass keine Energieübertragung
des Transformators TR auf die Sekundärwicklungen W2 – W5 mehr
stattfindet. Es wird durch die Treiberschaltung, direkt oder indirekt,
die Schaltspannung DS für den
Schalttransistor T1 abgeschaltet. Der Schaltkontakt 2 ist
vorteilhafterweise mit den Anschlusspunkten c' und d' verbunden, wie anhand der 2 beschrieben,
so dass die Treiberschaltung DC von der Versorgungsspannung VCC
getrennt wird beim Ausschalten. Es kann jedoch auch eine andere
Spannung der Treiberschaltung DC, 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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Nach
der Erfindung ist der Netzanschluss NA also ungeschaltet, ohne einen
Netzschalter, mit dem Brückengleichrichter
BR verbunden. Das Schaltnetzteil I ist daher immer mit dem Stromnetz
verbunden, wenn der Netzstecker des Gerätes ans Stromnetz angeschlossen
ist. Die Leistungsfaktorspule NS ist hierdurch nicht im Stromweg
des Netzschalters S1 angeordnet, so dass die Lebensdauer des Netzschalters
S1 erheblich verbessert wird.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung liegen im Rahmen eines Fachmannes.
Die Erfindung ist nicht auf Schaltnetzteile nach dem Sperrwandlerprinzip
beschränkt,
wie vorangehend bereits erläutert, und
kann auch für
andere Schaltnetzteilkonzepte verwendet werden, wenn eine Leistungsfaktorkorrektur
notwendig ist. Die Erfindung kann auch in Geräten verwendet werden, die keine
Leistungsfaktorkorrektur aufweisen. So können beispielsweise in Geräten für Länder, die
keine Leistungsfaktorkorrektur erfordern, die Anschlusspunkte e und
f kurzgeschlossen sein. Hierdurch braucht das Chassis dieser Geräte für diese
Länder
nicht geändert
zu werden.