DE69737706T2

DE69737706T2 - Stromversorgungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69737706T2
Application number: DE69737706T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Shimomaruko Ohta-ku Asayama
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1997-01-10
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2017-01-11
Also published as: DE69737706D1; JPH09201043A; EP0785611A3; EP0785611B1; EP0785611A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Stromversorgungsvorrichtung zur Verwendung bei elektronischen Geräten wie einem Kopiergerät und einem Drucker.
Aus der US 4 816 892 ist eine elektrische Stromversorgungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, die einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler mit einem Gleichrichter, einen Spannungs-Tiefsetzsteller mit einem Schaltelement und einen Jochpol umfasst. Außerdem ist ein Schaltsteuerkreis vorgesehen.
Weiterhin ist aus der US 4 472 672 ein Batterieladegerät in Form eines Schaltnetzteils mit hohem Leistungsfaktor bekannt, bei dem ein doppeltes Rückkopplungsschleifensystem zur Regelung der Eingangs- und Ausgangsströme der Schaltungsanordnung in Verbindung mit einer Pulsdauermodulation Verwendung findet.
Darüber hinaus sind aus der US 3 913 002 Starkstrom- bzw. Leistungsschaltungen bekannt, bei denen ein Referenzsignal in Abhängigkeit von einer gewählten Selektorsteuerfunktion aus dem jeweils erfassten momentanen Starkstrom gebildet wird, wobei gemäß einem Ausführungsbeispiel ein konstanter Laststrom in einem Bereich außerhalb der Nulldurchgänge der Netzspannung erhalten wird.
Wenn an einer Netzstromversorgungsleitung verzerrte Wellenformen (verzerrte höhere Oberwellen) auftreten, kann dies zu Betriebsstörungen bei elektronischen Geräten führen, was in jüngerer Zeit ein immer schwerwiegenderes Problem darstellt. Zur Einschränkung von derartigen verzerrten höheren Oberwellen sind daher bereits Vorschriften ergangen, die die Zulässigkeitsgrenze von verzerrten höheren Oberwellen bei Eingangsströmen von elektronischen Geräten festlegen.
Bei einer Stromversorgungsschaltung (einem Schaltnetzteil) für elektronische Geräte findet häufig eine Gleichrichterschaltung mit einem Zwischenkreiskondensator der in 11 dargestellten Art Verwendung, bei der ein Kondensator C4 auf der Ausgangsseite einer Diodenbrücke DB2 angeordnet ist. Bei dieser Schaltungsanordnung fließt ein Strom von einer Netzspannungsquelle VIN (AC) nur während einer Periode im Bereich einer Spannungsspitze der Netzspannungsquelle über die Diodenbrücke DB2 in den Kondensator C4, sodass der Eingangsstrom eines elektronischen Gerätes Stromspitzen aufweist, durch die viele höhere Oberwellen erzeugt werden.
Zur Erzielung einer ausreichenden Reduzierung von solchen höheren Oberwellen sind bereits zwei Verfahren vorgeschlagen worden.
Gemäß einem dieser Verfahren ist in der in 12 dargestellten Weise eine Drosselspule L3 zwischen einer Netzspannungsquelle VIN(AC) und einer Diodenbrücke DB2 einer Gleichrichterschaltung mit Zwischenkreiskondensator zur Vergrößerung des Steuer- oder Durchlasswinkels des Eingangsstroms angeordnet.
Gemäß dem anderen Verfahren findet in der in 13 dargestellten Weise bei einer Stromversorgungsschaltung ein aktives Spannungs-Hochsetzfilter Verwendung, um einen einem Eingangsspannungsverlauf entsprechenden Eingangsstromverlauf zu erhalten.
In 13 sind mit DB2 eine Diodenbrücke, mit D2 eine sogenannte Schwungraddiode (die nachstehend vereinfacht als Diode bezeichnet ist), mit L4 und L5 eine jeweilige Drosselspule, mit C4, C5 und C6 ein jeweiliger Kondensator, mit Q3 ein Transistor, mit R1, R2, R3 und R4 jeweilige Widerstände, mit 801 eine Stromdetektionsschaltung, mit 802 eine Pulsdauermodulations-Steuerschaltung bzw. PDM-Steuerschaltung, mit 803 eine erste Spannungsdetektionsschaltung, mit 804 eine zweite Spannungsdetektionsschaltung, mit 805 ein Multiplizierer und mit 806 eine Fehlerdifferenz-Verstärkungsschaltung bezeichnet.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß 12 muss die Drosselspule L3 eine Induktivität von ungefähr 10 mH aufweisen, was zu erheblichen Abmessungen führt. Eine kompakte und leichte Ausführung dieser Schaltungsanordnung ist daher mit Schwierigkeiten verbunden.
In Bezug auf die Stromversorgungsschaltungen gemäß den 11 bis 13 ist in 4 eine Beziehung zwischen einer Eingangsspannung VIN und einer Ausgangsspannung VO (einer nach Kommutierung oder Gleichrichtung erhaltenen Spannung (DC)) dargestellt, während 5 eine Beziehung zwischen einer Verbraucherleistung Po und einer Ausgangsspannung VO zeigt.
In den 4 und 5 veranschaulichen die Kennlinien (1) die Charakteristik der Gleichrichterschaltung mit Zwischenkreiskondensator gemäß 11, die Kennlinien (2) die Charakteristik der Gleichrichterschaltung mit Zwischenkreiskondensator und der Drosselspule L3 gemäß 12 und die Kennlinien (3) die Charakteristik der das aktive Spannungs-Hochsetzfilter aufweisenden Schaltungsanordnung gemäß 13.
Wie den 4 und 5 zu entnehmen ist, findet bei der Schaltungsanordnung mit der Drosselspule L3 bei einem auf einem Anstieg der Verbraucherleistung Po oder einem Abfallen der Eingangsspannung VIN beruhenden Anstieg des Eingangsstroms IIN ein erheblicher Abfall der Ausgangsspannung VO auf Grund eines Spannungsabfalls an der Drosselspule L3 statt. Zur Bewältung kurzzeitiger Stromausfälle ist es daher erforderlich, den Betriebsbereich eines Gerätes wie eines nachgeschalteten Gleichstromstellers bzw. Gleichspannungswandlers in Richtung einer niedrigeren Eingangsspannung zu erweitern oder die Kapazität des Kondensators C4 zu vergrößern. Dies hat jedoch höhere Herstellungskosten und größere Abmessungen der Stromversorgungsschaltung und des mit dieser Schaltung verbundenen Gerätes wie eines Gleichstromstellers bzw. Gleichspannungswandlers zur Folge.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß 13 ist ein über die Drosselspule L5 im Durchschaltzustand des Transistors Q3 fließender Strom ΔI durch die nachstehende Gleichung (1) gegeben: ΔI = (VIN/L5) × Ton (1) wobei mit Ton eine Durchschaltperiode des Transistors Q3 und mit L5 die Induktivität der Drosselspule L5 bezeichnet sind.
Wie aus dieser Gleichung (1) ersichtlich ist, ist es zur Reduzierung der Belastung des Transistors Q3 erforderlich, die Induktivität der Drosselspule L5 zu erhöhen (wobei im allgemeinen eine Drosselspule mit einer Induktivität von ungefähr 1 mH Verwendung findet). Die Drosselspule L5 muss daher große Abmessungen aufweisen, während die zulässige Stromstärke des Transistors Q3 ausreichend hoch bemessen sein muss. Da jedoch die Drosselspule L5 nur im Durchschaltzustand des Transistors Q3 elektromagnetische Energie speichert, nimmt der über den Transistor Q3 fließende Spitzenstrom hohe Werte an. Weiterhin ist bei Verwendung des aktiven Spannungs-Hochsetzfilters eine aufwändige Steuerschaltung gemäß 13 erforderlich.
Auch bei der Schaltungsanordnung gemäß 13 treten jedoch einige Probleme in Bezug auf einen niedrigen Wirkungsgrad, große Abmessungen, erhöhte Störungen bzw. Störgeräusche, hohe Herstellungskosten und einen komplexen Aufbau auf.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine elektrische Stromversorgungsvorrichtung anzugeben, bei der die vorstehend beschriebenen Nachteile beseitigt sind.
Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine elektrische Stromversorgungsvorrichtung anzugeben, bei der der Spitzenwert eines über eine Drosselspule oder ein Schaltelement fließenden Stroms während einer gewünschten Periode konstant gehalten werden kann.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine elektrische Stromversorgungsvorrichtung anzugeben, bei der während einer gewünschten Phasenperiode einer eingangsseitigen Netzspannungsquelle eine konstante relative Einschaltdauer eingestellt werden kann.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine elektrische Stromversorgungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die vorstehenden sowie weitere Zielsetzungen der Erfindung ergeben sich im einzelnen aus der nachstehenden Beschreibung und den Patentansprüchen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild des Aufbaus einer elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2A und 2B Diagramme von Wellenformen bei jeweiligen Schaltungsabschnitten der elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß 1,
3 ein Diagramm von Wellenformen bei jeweiligen Schaltungsabschnitten der elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß 1,
4 eine grafische Darstellung von Kennlinien der bekannten elektrischen Stromversorgungsvorrichtungen gemäß den 11 bis 13 sowie der elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß 1,
5 eine grafische Darstellung von Kennlinien der bekannten elektrischen Stromversorgungsvorrichtungen gemäß den 11 bis 13 und der elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß 1,
6 ein Blockschaltbild des Aufbaus einer elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
7A und 7B Diagramme von Wellenformen bei jeweiligen Schaltungsabschnitten der elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß 6,
8 ein Diagramm von Wellenformen bei jeweiligen Schaltungsabschnitten der elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß 6,
9 ein Blockschaltbild des Aufbaus einer elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
10A und 10B Diagramme von Wellenformen bei jeweiligen Schaltungsabschnitten der elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß 9,
11 ein Blockschaltbild des Aufbaus einer bekannten elektrischen Stromversorgungsvorrichtung,
12 ein Blockschaltbild des Aufbaus einer weiteren bekannten elektrischen Stromversorgungsvorrichtung und
13 ein Blockschaltbild des Aufbaus einer weiteren bekannten elektrischen Stromversorgungsvorrichtung.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 zeigt ein Schaltbild einer elektrischen Stromversorgungsvorrichtung mit einer aktiven Spannungs-Tiefsetzfilterschaltung.
Gemäß 1 umfasst die aktive Spannungs-Tiefsetzfilterschaltung eine Diodenbrücke DB2, die mit einer Netzspannungsquelle VIN verbunden ist. Ein Ausgangsanschluss der Diodenbrücke DB2 ist über ein Tiefpassfilter 1101 und eine Spannungs-Tiefsetzstellerschaltung 1102 mit einer (nicht dargestellten) nachgeschalteten Schaltungsstufe wie einem Gleichstromsteller bzw. Gleichspannungswandler verbunden. Das Tiefpassfilter 1101 wird von Kondensatoren C1 und C2 sowie einer Drosselspule L1 gebildet. Die Spannungs-Tiefsetzstellerschaltung 1102 besteht aus einem Transistor Q1 wie einem Feldeffekttransistor als Schaltelement, einer sogenannten Schwungraddiode D1 (die nachstehend vereinfacht als Diode bezeichnet wird), einer Drosselspule L2 und einem Glättungskondensator C3. Bei dieser aktiven Spannungs-Tiefsetzstellerschaltung 1102 ist die Induktivität der Drosselspule L2 derart vorgegeben, dass die Drosselspule L2 mit einem diskontinuierlichen Strom betrieben werden kann, der auch bei maximaler Belastung unstetig durch die Drosselspule L2 fließt.
Ein Ausgangsanschluss der Spannungs-Tiefsetzstellerschaltung 1102 ist mit einem Eingangsanschluss einer Differenzverstärkerschaltung 1103 verbunden, deren Ausgang mit einem Eingangsanschluss einer Fehlerverstärkerschaltung 1104 verbunden ist. Der andere Eingangsanschluss der Fehlerverstärkerschaltung 1104 wird mit einer Bezugsspannung VREF1 beaufschlagt, während der Ausgang der Fehlerverstärkerschaltung 1104 mit einer Pulsdauermodulations-Steuerschaltung 1105 verbunden ist, die nachstehend vereinfacht als PDM-Steuerschaltung 1105 bezeichnet wird. Eine Ausgangsspannung VO der Spannungs-Tiefsetzstellerschaltung 1102 wird über die Differenzverstärkerschaltung 1103 in die Fehlerverstärkerschaltung 1104 eingegeben und mit der Bezugsspannung VREF1 verglichen. Hierbei wird ein der Differenz zwischen der Ausgangsspannung VO und der Bezugsspannung VREF1 entsprechendes Signal über die Fehlerverstärkerschaltung 1104 in die PDM-Steuerschaltung 1105 eingegeben, die das Ausgangssignal der Fehlerverstärkerschaltung 1104 mit einem von einem Dreiecksignalgenerator 1106 zugeführten Dreiecksignal vergleicht und ein Rechtecksignal mit einem dem Ausgangssignal der Fehlerverstärkerschaltung 1104 entsprechenden Tastverhältnis erzeugt. Dieses Rechtecksignal wird dem Transistor Q1 der Spannungs-Tiefsetzstellerschaltung 1102 zugeführt. Durch diese Schaltungsanordnung wird die Ausgangsspannung VO auf einen mit der Bezugsspannung VREF1 in Verbindung stehenden Konstantwert eingeregelt.
Bei der auf diese Weise aufgebauten Schaltungsanordnung wird die von der Netzspannungsquelle VIN abgegebene Spannung von der Diodenbrücke DB2 gleichgerichtet und die gleichgerichtete Spannung VS dem Tiefpassfilter 1101 zugeführt, dessen Ausgangssignal wiederum der Spannungs-Tiefsetzstellerschaltung 1102 zugeführt wird. Zur Einregelung der Ausgangsspannung VO der Spannungs-Tiefsetzstellerschaltung 1102 auf einen vorgegebenen Wert wird der Transistor Q1 mit einer vorgegebenen Frequenz, die ausreichend höher als die Frequenz der Netzspannungsquelle VIN ist, sowie mit einer vorgegebenen relativen Einschaltdauer gesteuert. Bei dem in 2A veranschaulichten allmählichen Anstieg der von der Diodenbrücke DB2 gleichgerichteten Spannung VS fließt der Strom IS' in der in 2B dargestellten Weise während der Periode, in der die gleichgerichtete Spannung VS die Ausgangsspannung VO übersteigt, d.h. während der Periode zwischen den Zeiten t1 und t2 und zwischen den Zeiten t3 und t4. Der Steuer- bzw. Durchlasswinkel des Eingangsstroms entspricht hierbei der Periode von VS > VO, sodass sich ein Strom mit höheren Oberwellen durch entsprechende Einstellung der Ausgangsspannung VO auf einen geeigneten Wert (von z.B. VO ≤ 250 V für eine Eingangsspannung von 230 V-Werten) unterdrücken lässt.
4 zeigt eine Beziehung zwischen der Eingangsspannung VIN und der Ausgangsspannung VO bei einer Verbraucherleistung Po von 200 W, während 5 eine Beziehung zwischen der Verbraucherleistung Po und der Ausgangsspannung VO bei einer Eingangsspannung VIN von 230 V zeigt, wobei diese Beziehungen jeweils durch die Kennlinien (4) wiedergegeben sind. Wie den 4 und 5 zu entnehmen ist, wird die Ausgangsspannung VO auch bei Schwankungen der Verbraucherleistung Po auf einen Konstantwert eingeregelt und in dem Bereich konstant gehalten, in dem die Eingangsspannung VIN einen vorgegebenen Wert (bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 einen Wert von 190 V) überschreitet. Wenn die Eingangsspannung VIN den vorgegebenen Wert erreicht oder kleiner ist, wird der Transistor Q1 stets zum Durchschalten angesteuert, sodass eine Charakteristik erhalten wird, die einer bekannten Gleichrichterschaltung mit Zwischenkreiskondensator weitgehend entspricht.
Nachstehend werden Betrieb und Wirkungsweise der Stromversorgungsschaltung gemäß 1 unter Bezugnahme auf 3 näher beschrieben, die einen über die Diodenbrücke DB2 fließenden Ausgangsstrom IS' und einen über die Drosselspule L2 fließenden Strom I(L2) zeigt.
Wenn zur Zeit t1 gemäß 2 VS > VO vorliegt, beginnt der Strom I über die Drosselspule L2 zu fließen.
Wird hierbei z.B. der Transistor Q1 während einer Dauer Ton von der Zeit t2 bis zu der Zeit t3 durchgeschaltet, steigt der über die Drosselspule L2 fließende Strom I(L2) an. Beim Sperren des Transistors Q1 zu der Zeit t3 nimmt der über die Drosselspule L2 fließende Strom I(L2) allmählich ab und erreicht nach einer Dauer Toff' nach der Zeit t3 zur Zeit t4 den Wert 0. Nach Ablauf einer Zeitdauer Toff (Toff > Toff') nach dem zur Zeit t3 erfolgenden Sperren des Transistors Q1 wird der Transistor Q1 zur Zeit t5 erneut durchgeschaltet, woraufhin sich die nach der Zeit t2 erfolgenden Vorgänge wiederholen. Der über die Drosselspule L2 fließende Strom I(L2) ist hierbei in der nachstehend näher beschriebenen Weise definiert.
(a) Während einer Zeitdauer, in der VS ≤ VO gilt:
Der über die Drosselspule L2 und den Transistor Q1 im Durchschaltzustand des Transistors Q1 fließende Strom I(L2) ist hierbei gegeben durch: I(L2) = 0 (2)
Der über die Drosselspule L2 und den Transistor Q1 im Sperrzustand des Transistors Q1 fließende Strom I(L2) ist hierbei gegeben durch: I(L2) = 0 (2)
(b) Während einer Zeitdauer, in der VS > VO gilt:
Der über die Drosselspule L2 und den Transistor Q1 im Einschaltzustand des Transistors Q1 fließende Strom I(L2) ist hierbei gegeben durch: I(L2) = {(VS – VO)/L2} × T (3)
Der Strom I(L2) steigt hierbei zeitabhängig an, wobei sein Spitzenwert gegeben ist durch: Ip = {(VS – VO)/L2} × Ton (4)
Der über die Drosselspule L2 und die Diode D1 im Sperrzustand des Transistors Q1 fließende Strom I(L2) ist gegeben durch: I(L2) = Ip – (VO/L2 × T) (5)
Der Strom I(L2) nimmt hierbei zeitabhängig ab, wobei die Zeitdauer Toff', in der der Strom I(L2) auf den Wert 0 übergeht, gegeben ist durch: Toff = {(VS – VO)/VO} × Ton (6)
Bei dieser aktiven Spannungs-Tiefsetzstellerschaltung ist die Induktivität der Drosselspule L2 dahingehend festgelegt, dass auch bei maximaler Belastung die Bedingung Toff' < Toff erfüllt ist (wobei Toff eine Zeitdauer darstellt, in der der Transistor Q1 gesperrt ist), sodass die Drosselspule L2 auch bei maximaler Belastung mit einem diskontinuierlichen Strom betrieben werden kann. Auf diese Weise wird die in der Drosselspule L2 akkumulierte gesamte Energie in jeder Periode abgegeben.
Der Eingangsstrom IS nimmt hierbei den Wert des über den Transistor Q1 fließenden und von dem Tiefpassfilter 1101 gefilterten Stroms an, der gegeben ist durch: IS = {(1/2) × Ton × Ip}/T = Ton2 (2 × T × L2) × (VS – VO) (7)
Der Eingangsstromverlauf ist somit der Differenz (VS – VO) zwischen der (gleichgerichteten) Eingangsspannung VS und der Ausgangsspannung VO proportional. Wenn es sich z.B. bei der gleichgerichteten Spannung VS um eine Sinuswelle handelt, besitzt der Strom IS einen Verlauf, der sich durch teilweisen Anschnitt der Sinuswelle ergibt, sodass durch Einstellung eines geeigneten Wertes von VO der Durchlasswinkel des Eingangsstroms in der gewünschten Weise eingestellt werden kann.
Die relative Einschaltdauer des Transistors Q1 wird vorzugsweise möglichst kurz eingestellt, solange die in der Drosselspule L2 akkumulierte gesamte Energie abgeführt werden kann. Hierbei wird die relative Einschaltdauer vorzugsweise entsprechend der Verbraucherleistung der Stromversorgungsschaltung mit der Gleichrichterschaltung des Ausführungsbeispiels oder entsprechend dem der Gleichrichterschaltung zugeführten Eingangsstrom eingestellt.
Wie vorstehend beschrieben, kann somit der Steuer- bzw. Durchlasswinkel des Eingangsstroms bei der aktiven Spannungs-Tiefsetzfilterschaltung in der gewünschten Weise eingestellt werden, indem die Bezugsspannung VREF1 auf einen geeigneten Wert eingestellt wird (indem die gleichgerichtete Spannung VO auf einen geeigneten Wert eingestellt wird). Auf diese Weise können höhere Oberwellen mit Hilfe eines Schaltungsaufbaus unterdrückt werden, der erheblich einfacher als der Schaltungsaufbau gemäß den 11 bis 13 ist.
Die aktive Spannungs-Tiefsetzfilterschaltung hat bei einer niedrigen Eingangsspannung eine Charakteristik, die weitgehend der Gleichrichterschaltung mit Zwischenkreiskondensator gemäß 4 entspricht. Auf diese Weise kann somit verhindert werden, dass die Ausgangsspannung bei einem Anstieg der Verbraucherleistung abfällt, wie dies bei der Schaltungsanordnung gemäß 12 der Fall ist. Es ist daher nicht erforderlich, den Eingangsspannungsbereich einer nachgeschalteten Schaltungsstufe in Richtung des unteren Spannungsbereichs zu erweitern, wobei weiterhin auch die Verwendung eines großen Glättungskondensators für kurzzeitige Stromausfälle nicht erforderlich ist. Da außerdem die Ausgangsspannung VO auf niedrigere Werte als den Spitzenwert der Eingangsspannung eingeregelt wird, können im Vergleich zu der Gleichrichterschaltung mit Zwischenkreiskondensator der obere Grenzwert der Ausgangsspannung VO herabgesetzt und der Eingangsspannungsbereich einer nachgeschalteten Schaltungsstufe verringert werden. Bei der nachgeschalteten Schaltungsstufe können daher Bauelemente mit einer niedrigeren Durchbruchspannung Verwendung finden, wodurch eine kompakte Ausführung, geringe Störungen und niedrige Herstellungskosten realisierbar sind.
Während die Spannung an der Drosselspule L5 der aktiven Spannungs-Hochsetzfilterschaltung gemäß 13 durch VS gegeben ist, kann die Spannung an der Drosselspule L1 der aktiven Spannungs-Tiefsetzfilterschaltung auf (VS – VO) verringert werden, sodass die Induktivität der Drosselspule L2 klein gehalten und eine kompakte Schaltungsanordnung bei niedrigen Herstellungskosten realisiert werden kann. Die Steuerschaltung lässt sich in noch größerem Maße als die aktive Spannungs-Hochsetzfilterschaltung vereinfachen. Da der Transistor Q1 als serielles Bauelement der Gleichrichterschaltung Verwendung findet, kann die den Transistor Q1 umfassende Gleichrichterschaltung auch als Stromspitzen-Begrenzerschaltung dienen, sodass eine Stromspitzen-Begrenzerschaltung mit einem Leistungsbauelement wie einem Triac oder einem Thyristor entfallen kann, die bei einer üblichen Stromversorgungsschaltung mit einer einen Zwischenkreiskondensator aufweisenden Gleichrichterschaltung oder bei einer aktiven Spannungs-Hochsetzfilterschaltung Verwendung findet. Durch die auf diese Weise erzielbare Vereinfachung der stromführenden Schaltungsanordnung lässt sich auch eine Verringerung von Störungen erzielen.
Zweites Ausführungsbeispiel
Die aktive Spannungs-Tiefsetzfilterschaltung ist zwar im Bereich einer bis zu 300 W betragenden Ausgangsleistung sehr effektiv, jedoch nimmt der über den Transistor Q1 und andere Bauelemente fließende Spitzenstrom bei einer 300 W übersteigenden Ausgangsleistung im Bereich der Phase der Eingangsspannungsspitze zu hohe Werte an. Das hierdurch gegebene Erfordernis der Auswahl geeigneter Bauelemente ist insofern nachteilig, als hierdurch die Herstellungskosten steigen und eine kompakte Ausführung der Schaltungsanordnung mit Schwierigkeiten verbunden ist.
Im einzelnen ist der Eingangsstromverlauf IS nämlich der Differenz (VS – VO) zwischen der (gleichgerichteten) Eingangsspannung VS und der Ausgangsspannung VO proportional, da der Transistor Q1 während der Periode (50/60 Hz) der Netzspannung mit einem konstanten Tastverhältnis gesteuert wird (wobei davon ausgegangen wird, dass die in der Drosselspule L2 akkumulierte gesamte Energie während der Sperrperiode des Transistors Q1 abgegeben bzw. abgeführt wird), d.h., wenn die gleichgerichtete Spannung VS eine Sinuswelle darstellt, besitzt der Eingangsstrom IS' einen Verlauf, der sich durch teilweisen Anschnitt der Sinuswelle ergibt. Mit steigender Ausgangsleistung steigt auch der Eingangsstrom IS' proportional zu der Ausgangsspannung an, wobei der Steuer- bzw. Durchlasswinkel konstant gehalten wird. Bei der aktiven Spannungs-Tiefsetzfilterschaltung fließt daher ein der Differenz (VS – VO) proportionaler Strom, sodass bei einer Phase, bei der VS einen Maximalwert annimmt, ein hoher Strom fließt, während bei einer Phase, bei der VS = VO gegeben ist, kein Strom fließt. Bei der Auswahl eines geeigneten Bauelements muss somit der bei einem Maximalwert der Spannung VS fließende Strom berücksichtigt werden. Wenn der Transistor Q1 von einem Feldeffekttransistor gebildet wird, ist die auf dem Einschaltwiderstand beruhende Verlustleistung durch I² × R gegeben, wobei mit R der Einschaltwiderstand und mit I der über den Transistor Q1 fließende Strom bezeichnet sind (und davon ausgegangen wird, dass der zeitabhängige Mittelwert des Stroms I konstant ist). Bei einer aktiven Spannungs-Tiefsetzfilterschaltung mit einer großen Differenz zwischen den Minimal- und Maximalwerten des Stroms I tritt somit eine hohe Verlustleistung auf. Bei der Auswahl einer geeigneten Drosselspule L2 muss daher beachtet werden, dass bei der Drosselspule in der Phase, bei der die Spannung VS einen Maximalwert annimmt, bei einem großen Strom keine magnetische Sättigung auftritt. Eine aktive Spannungs-Tiefsetzfilterschaltung mit einer großen Differenz zwischen den Minimal- und Maximalwerten des Stroms I(L2) ist somit in Bezug auf Abmessungen, Herstellungskosten und dergleichen nachteilig.
Nachstehend wird auf ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung näher eingegangen, bei dem diese Nachteile nicht gegeben sind.
6 zeigt ein Blockschaltbild einer elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei sind in 6 der Schaltungsanordnung gemäß 1 entsprechende Bauelemente mit identischen Bezugszahlen bezeichnet. Die Unterschiede des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 6 in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel gemäß 1 bestehen im wesentlichen darin, dass der Schaltungsanordnung des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1 eine Stromdetektorschaltung 101, eine Fehlerverstärkerschaltung 102 und eine Bezugsspannungsquelle VREF2 hinzugefügt worden sind.
Die Stromdetektor- und Strombegrenzerschaltung 101 erfasst hierbei den Wert eines über den Transistor Q1 fließenden Stroms und führt ihn der Fehlerverstärkerschaltung 102 zu. Wenn der erfasste Wert einem vorgegebenen Wert VREF2 entspricht oder höher ist, erfolgt eine Regelung einer PDM-Steuerschaltung 1105' zur Begrenzung der Durchschaltzeit des Transistors Q1. Auf diese Weise wird der Spitzenstrom begrenzt, der in der Phase eines Maximalwertes der Spannung VS fließt. Der Unterschied der PDM-Steuerschaltung 1105' in Bezug auf die PDM-Steuerschaltung 1105 gemäß 1 besteht darin, dass in diesem Falle ein Vergleicher mit drei Eingängen Verwendung findet.
Die 7A und 7B zeigen Diagramme, in denen Spannungs- und Stromverläufe der elektrischen Stromversorgungsvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels veranschaulicht sind. 7A zeigt hierbei den Verlauf der Spannung VS, während 7B eine Beziehung zwischen dem Verlauf des Eingangsstroms IS' und dem Verlauf des Eingangsstroms IS der elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß 1 veranschaulicht.
Nachstehend wird auf Betrieb und Wirkungsweise der elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 8 näher eingegangen, in der Änderungen des von der Diodenbrücke DB abgegebenen Ausgangsstroms IS' und des über die Drosselspule L2 fließenden Stroms I(L2)' veranschaulicht sind. Zum Vergleich sind hierbei der Eingangsstrom IS der elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß 1 und der über die Drosselspule L2 fließende Strom I(L2) gestrichelt dargestellt.
Wenn gemäß 8 zur Zeit t1 VS > VO wird, beginnt der Strom I(L2)' über die Drosselspule L2 zu fließen. Wenn der Transistor Q1 z.B. während einer Zeitdauer Ton von der Zeit t2 bis zu der Zeit t3 durchgeschaltet wird, steigt der über die Drosselspule L2 fließende Strom I(L2)' an. Wenn der Transistor Q1 sodann zur Zeit t3 gesperrt wird, nimmt der über die Drosselspule L2 fließende Strom I(L2)' allmählich ab und erreicht nach einer Zeitdauer Toff' nach der Zeit t3 den Wert 0. Der Transistor Q1 wird nach einer Zeitdauer Toff nach dem zum Zeitpunkt t3 erfolgten Sperren des Transistors Q1 zur Zeit t5 wieder durchgeschaltet, woraufhin sich die nach dem Zeitpunkt t2 erfolgenden Vorgänge wiederholen.
Nach dem Durchschalten des Transistors Q1 zum Zeitpunkt t5 steigt der Strom I(L2)' an und erreicht zum Zeitpunkt t7 einen durch die Stromdetektorschaltung 101 und VREF2 festgelegten Stromgrenzwert idLIM, bei dem die PDM-Steuerschaltung 1105 den Transistor Q1 sperrt. Nach dem Sperren des Transistors Q1 nimmt der über die Drosselspule L2 fließende Strom I(L2)' allmählich ab und erreicht nach einer Zeitdauer Toff" nach der Zeit t7 zur Zeit t8 den Wert 0. Nach Ablauf einer Zeitdauer Toff''' nach der Zeit t7, bei der der Transistor Q1 gesperrt wurde, erfolgt zur Zeit t9 erneut ein Durchschalten des Transistors Q1, woraufhin sich die vorstehend beschriebenen Vorgänge wiederholen.
Im Vergleich zu dem Eingangsstrom IS der elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß 1 kann somit der Spitzenwert des Eingangsstroms IS' in der Phase, in der die Spannung VS maximal wird, auf diese Weise dahingehend begrenzt werden, dass eine hohe Leistung zuverlässig erhalten werden kann.
Da die elektrische Stromversorgungsvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel in Bezug auf ihren weiteren Aufbau und ihre weitere Wirkungsweise weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 entspricht, erübrigt sich eine erneute Beschreibung.
Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel der elektrischen Stromversorgungsvorrichtung wird somit die Einschaltdauer des Transistors Q1 nur während einer Periode in der Nähe der Phase, in der die Netzspannung einen Spitzenwert annimmt, zur Durchführung einer Konstantstromsteuerung und Konstanthaltung des über den Transistor Q1 fließenden Stroms verkürzt, während bei anderen Phasen eine Konstantspannungssteuerung zur Konstanthaltung der gleichgerichteten Spannung erfolgt. Auf diese Weise kann der Spitzenstromwert ohne Verringerung der gesamten Steuerleistung reduziert werden, wodurch sich geringe Herstellungskosten und kleine Abmessungen des Transistors Q1, des Schwungrad-Gleichrichterelements T1 und der Drosselspule L1 realisieren lassen. Außerdem wird hierdurch eine kompakte und kostengünstige Ausführung einer aktiven Spannungs-Tiefsetzfilterschaltung ermöglicht, die eine dem gestiegenen Leistungsbedarf eines Kopierers, Druckers und dergleichen angepasste hohe Leistung abgeben kann.
Drittes Ausführungsbeispiel
Nachstehend wird ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf 9 sowie die 10A und 10B näher beschrieben, wobei 9 ein Blockschaltbild einer elektrischen Stromversorgungsvorrichtung gemäß diesem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Hierbei sind in
9 der Schaltungsanordnung gemäß 1 entsprechende Bauelemente mit identischen Bezugszahlen bezeichnet. Die Unterschiede des dritten Ausführungsbeispiels gemäß 9 in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel gemäß 1 bestehen darin, dass der Schaltungsanordnung des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1 nunmehr eine Eingangsspannungs-Detektorschaltung 401, eine Maximalimpulsdauer-Begrenzerschaltung 402 (eine nachstehend vereinfacht auch als DTC-Schaltung bezeichnete Totzeit-Steuerschaltung) sowie eine Bezugsspannungsquelle VREF3 hinzugefügt worden sind.
Die Eingangsspannungs-Detektorschaltung 401 erfasst hierbei eine Eingangsspannung, wobei während einer Periode, in der die erfasste Spannung einen vorgegebenen Wert VREF3 übersteigt, die Totzeit-Steuerschaltung 402 zur Begrenzung der Einschaltdauer des Transistors Q1 auf einen vorgegebenen Wert Tdtc angesteuert wird. Bei einer allmählichen Verringerung des Wertes Tdtc geht der Eingangsstrom IS' gemäß 10B auf den Eingangsstrom IS" über. Durch Auswahl eines geeigneten Wertes von Tdtc kann wahlweise der Eingangsstromverlauf IS' oder der Eingangsstromverlauf IS" Verwendung finden.
Bei einer elektrischen Stromversorgungsvorrichtung mit einer einzigen Strom- bzw. Spannungsquelle sollte vorzugsweise der Eingangsstromverlauf IS' gewählt werden.
Bei der elektrischen Stromversorgungsvorrichtung mit einer aktiven Spannungs-Tiefsetzfilterschaltung wird somit die Einschaltperiode eines Schalttransistors nur während einer Periode in der Nähe einer Phase, in der eine Netzeingangsspannung einen Spitzenwert annimmt, zur Durchführung einer Konstantstromsteuerung zur Konstanthaltung des über den Transistor fließenden Stroms verkürzt, während in anderen Phasen eine Konstantspannungssteuerung zur Konstanthaltung der gleichgerichteten Spannung erfolgt. Auf diese Weise kann eine geringe Effizienz der elektrischen Stromversorgungsvorrichtung vermieden werden, die sich andernfalls auf Grund eines komplizierten Schaltungsaufbaus und voluminöser Abmessungen der Vorrichtung, einer hohen Störungs- und Geräuschentwicklung sowie hoher Herstellungskosten ergibt.

Claims

Elektrische Stromversorgungsvorrichtung, mit einer Gleichrichterschaltung (DB2) zur Gleichrichtung einer zugeführten Wechselspannung (VIN), einer zur Herabsetzung der von der Gleichrichterschaltung gleichgerichteten Spannung (VS) vorgesehenen Spannungs-Tiefsetzstellerschaltung (1102) mit einer Drosselspule (L2) und einem Schaltelement (Q1), einer Schaltsteuerschaltung (1105; 1105') zur Steuerung des Schaltelements mit einer zur diskontinuierlichen Hindurchführung eines Stroms durch die Drosselspule ausreichend höheren Frequenz als die Frequenz der Wechselspannung, einer Detektorschaltung (101) zur Erfassung des über die Drosselspule (L2) oder das Schaltelement (Q1) fließenden Stroms, und einer Steuerschaltung zur Durchführung einer Konstantstromsteuerung und einer Konstantspannungssteuerung, gekennzeichnet durch eine Ausgangsspannungs-Steuerschaltung (1103) zur Steuerung der Ausgangsspannung (VO) der Spannungs-Tiefsetzstellerschaltung auf einen unter einem Spitzenwert der Wechselspannung liegenden vorgegebenen Wert, und eine Begrenzerschaltung zur Begrenzung der Einschaltzeit des Schaltelements durch die Schaltsteuerschaltung (1105; 1105') in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Detektorschaltung, wobei die Steuerschaltung dahingehend ausgestaltet ist, dass während einer Zeitdauer in der Nähe der Phase, bei der die Wechselspannung einen Spitzenwert annimmt, die Konstantstromsteuerung zur Konstanthaltung des über die Drosselspule oder das Schaltelement fließenden Stroms, und bei einer anderen Phase die Konstantspannungssteuerung zur Konstanthaltung der Ausgangsspannung (VO) der Spannungs-Tiefsetzstellerschaltung durchgeführt werden.
Elektrische Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzerschaltung zur dahingehenden Begrenzung der Einschaltzeit ausgestaltet ist, dass der Spitzenwert des über die Drosselspule oder das Schaltelement fließenden Stroms während einer Zeitdauer in der Nähe der Phase konstant gehalten wird, bei der die Wechselspannung einen Spitzenwert annimmt.
Elektrische Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzerschaltung zur Begrenzung der Einschaltzeit des Schaltelements während einer Zeitdauer in der Nähe der Phase, bei der die Wechselspannung einen Spitzenwert annimmt, ausgestaltet ist.
Elektrische Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzerschaltung zur Begrenzung eines Maximalwertes der Einschaltzeit des Schaltelements in Abhängigkeit von einer Phase der zugeführten Wechselspannung ausgestaltet ist.
Elektrische Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung zur Verkürzung der Einschaltzeit des Schaltelements (Q1) während der Zeitdauer in der Nähe der Phase, bei der die Wechselspannung einen Spitzenwert annimmt, ausgestaltet ist.