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Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit einem Transformator, der eine
Primärwicklung hat, die über ein erstes steuerbares Schaltelement an ein erstes Paar
Gleichspannungsklemmen in einer Primärschaltung angeschlossen ist, und eine
Sekundärwicklung, die über ein als Freilaufdiode wirkendes unidirektionales Element und eine zu
speisende Last in einer Sekundärschaltung enthalten ist.
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Ein Schaltnetzteil der eingangs definierten Art ist aus der US-Patentschrift
Nr. 4.652.984 bekannt und kann zum Laden von Batterien und zum Speisen elektrischer
Apparatur verwendet werden. Eine derartige Stromversorgungsschaltung ist besonders für
einen elektrischen Rasierer mit wieder aufladbaren Batterien geeignet, wobei die
Stromversorgungsschaltung den Ladestrom für die Batterien und den Strom zum Speisen des Motors
des Rasierers liefert. Die genannte Patentschrift offenbart ein selbstschwingendes Flyback-
Schaltnetzteil mit einem Transformator. Der Transformator erlaubt eine Anpassung
zwischen der verhältnismäßig niedrigen Spannung der wieder aufladbaren Batterie und/oder
des Rasierermotors und der verhältnismäßig hohen gleichgerichteten Netzspannung. Das
Tastverhältnis des ersten steuerbaren Schaltelementes, im Allgemeinen ein Schalttransistor,
kann somit innerhalb praktischer Grenzen bleiben. Es ist möglich, dieses bekannte
Schaltnetzteil mit einer niedrigeren Eingangsspannung zu betreiben, beispielsweise mit einer
Gleichspannung von 12 V oder 24 V anstelle der normalen Netzspannung, obwohl der
maximal mögliche Ladestrom für die wieder aufladbare Batterie wegen des
Transformationsverhältnisses kleiner ist als im Fall eines hieran angepassten Transformationsverhältnisses.
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In der internationalen Anmeldung Nr. WO 95/01000 wird dieses Problem
mit Hilfe eines Schaltnetzteils gelöst, das einen Transformator mit zwei Primärwicklungen
verwendet, wobei jede ein gesondertes Schaltelement hat. In Abhängigkeit von der
angelegten Eingangsspannung, d. h. der gleichgerichteten Netzspannung oder der
12-V-Gleichspannung, werden die zugehörige Primärwicklung und das zugehörige Schaltelement
eingeschaltet. Dies führt zu einer optimalen Anpassung für die verschiedenen
Eingangsspannungen. Ein Nachteil dieser Lösung ist jedoch, dass sie einen Transformator mit zwei
gesonderten Primärwicklungen erfordert, was den Entwurf des Transformators kompliziert.
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Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil zu verschaffen,
das die vorstehend genannten Nachteile verringert. Hierzu ist das Schaltnetzteil der
eingangs definierten Art dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil weiterhin ein zweites
steuerbares Schaltelement umfasst, das in Reihe zu der Sekundärwicklung und der zu
speisenden Last an ein zweites Paar Gleichspannungsklemmen angeschlossen ist.
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Die Sekundärwicklung und das zweite Schaltelement bilden einen
Durchlass- oder Buck-Wandler, der sehr geeignet ist, einen hohen Strom zu liefern, wenn der
Unterschied zwischen der angelegten Spannung und der Sollspannung nicht zu groß ist.
Auf diese Weise ist es möglich, für eine Eingangsgleichspannung von 12 V oder irgendeine
andere verhältnismäßig niedrige Gleichspannung einen hohen Ladestrom zu erhalten,
indem das erste Schaltelement deaktiviert und das zweite Schaltelement mit Hilfe geeigneter
Steuerungselektronik aktiviert wird.
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Verschiedene vorteilhafte Varianten hinsichtlich der Weise, in der die
Sekundärschaltung und die Primärschaltung miteinander und mit den
Eingangsspannungsklemmen verbunden sind, werden in den beiliegenden Ansprüchen definiert. Die
Primärschaltung kann mit einer gleichgerichteten Netzwechselspannung erregt werden. Die
Gleichspannungsklemmen der Sekundärschaltung können gegen den oder mit dem Strom
des Gleichrichters für die Netzwechselspannung angeschlossen werden. Im letzteren Fall
müssen der Gleichrichter und eventuelle Filterkomponenten die größeren Ströme vertragen
können, die fließen, wenn das zweite Schaltelement aktiv ist und das Schaltnetzteil als
Durchlasswandler arbeitet.
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Auf Wunsch kann die 12-V-Gleichspannung auch über eine oder zwei
gesonderte Klemmen an die Sekundärschaltung angelegt werden. Das Einstecken der 12 V in
gesonderte Klemmen ermöglicht eine einfache 12-V-Detektion, wobei das Einstecken
bewirkt, dass die Ansteuerung des ersten Schaltelementes abgeschaltet und die des zweiten
Schaltelementes eingeschaltet wird.
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Bei bestimmten Konfigurationen verhindert ein mechanischer oder
elektrischer Schalter in Reihe zu einer der Klemmen des zweiten Paares von
Gleichspannungsklemmen der Sekundärschaltung, dass ein Strom von der Primärschaltung zur
Sekundärschaltung fließt oder umgekehrt. Dieser Schalter kann auch aktiviert werden, indem die
12 V in die vorstehend erwähnten gesonderten Klemmen eingesteckt werden.
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Die Erfindung kann auch als Erweiterung eines bestehenden
Durchlasswandlers betrachtet werden, in welchem Fall es sich um ein Schaltnetzteil handelt, das Folgendes
umfasst: eine erste Reihenschaltung aus einem induktiven Element, einem
steuerbaren Schaltelement und einer zu speisenden Last und eine zweite Reihenschaltung aus dem
induktiven Element, der zu speisenden Last und einem unidirektionalen Element, dadurch
gekennzeichnet, dass das induktive Element eine Wicklung eines Transformators ist, der
eine andere Wicklung hat, die in Reihe zu einem weiteren steuerbaren Schaltelement
geschaltet ist, um eine Gleichspannung zu empfangen. Die weitere Wicklung und das weitere
steuerbare Schaltelement entsprechen der vorstehend erwähnten Primärwicklung und dem
ersten steuerbaren Schaltelement.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Schaltnetzteil nach dem Stand der Technik;
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Fig. 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils;
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Fig. 3 eine bekannte Konfiguration eines Schaltnetzteils;
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Fig. 4 eine Variante der Konfiguration des Schaltnetzteils von Fig. 3 und
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Fig. 5 einen elektrischen Rasierer mit einer wieder aufladbaren Batterie
und einem erfindungsgemäßen Schaltnetzteil.
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In dieser Zeichnung haben Elemente mit gleichartiger Funktion oder
Aufgabe die gleichen Bezugszeichen.
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Fig. 1 zeigt ein Schaltnetzteil nach dem Stand der Technik. Die
Stromversorgung umfasst einen Transformator 2, der eine Primärwicklung 4 hat, die über ein erstes
steuerbares Schaltelement, im vorliegenden Beispiel ein Feldeffekttransistor 6, an ein erstes
Paar Gleichspannungsklemmen 8 und 10 angeschlossen ist. Eine Gleichspannung kann
direkt an die Gleichspannungsklemmen 8 und 10 angelegt werden, aber es ist auch möglich,
eine gleichgerichtete Wechselspannung, beispielsweise die Netzwechselspannung,
anzulegen. Hierzu sind zwei Eingangsspannungsklemmen 12 und 14 vorgesehen, an die die
Netzwechselspannung angelegt werden kann, ein Brückengleichrichter 16 und ein
Glättungsfilter 18. Auf diese Weiser ist die Primärwicklung 4 in einer Primärschaltung
enthalten, die mit Hilfe des Schalttransistors 6 unter Steuerung durch eine Steuerschaltung 20
periodisch geöffnet wird. Der Transformator 2 umfasst weiterhin eine Sekundärwicklung
22, an die eine Last, im vorliegenden Fall eine wieder aufladbare Batterie 24, über ein
unidirektionales Element, im vorliegenden Fall eine Diode 26, angeschlossen ist, und einen
optionalen Serienwiderstand 28. Die Batterie 24 und das Schaltnetzteil können in einem
elektrischen Rasierer aufgenommen sein, dessen Motor 30 über einen Schalter 32 an die
Batterie 24 angeschlossen ist.
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Die Konfiguration arbeitet als Sperrwandler. Wenn der Schalttransistor 6
leitet, sperrt die Diode 26; in dem Transformator 2 wird dann magnetische Energie
aufgebaut. Wenn der Schalttransistor 6 sperrt, leitet die Diode 26 und die aufgebaute
magnetische Energie wird der Last, im vorliegenden Fall der Batterie 24, über die Diode 26
zugeführt. Der Schalttransistor 6 kann beispielsweise in einer Weise gesteuert werden, wie aus
der vorstehend erwähnten US-Patentschrift Nr. 4.652.984 bekannt, aber viele andere
Weisen sind aus der technischen Literatur bekannt, und speziell hierfür entworfene integrierte
Schaltungen sind im Handel erhältlich. Die Ausgangsspannung an der Last oder der durch
die Last fließende Ausgangsstrom wird durch Steuerung des Tastverhältnisses und/oder der
Frequenz gesteuert, mit der der Schalttransistor 6 ein- und ausgeschaltet wird. Auf diese
Weise ist es auch möglich, Änderungen der an die Gleichspannungsklemmen 8 und 10
angelegten Gleichspannung aufzufangen. Der Transformator ermöglicht es, eine Anpassung
zwischen der hohen gleichgerichteten Netzspannung und der im Allgemeinen viel
niedrigeren Spannung an der zu speisenden Last zu erreichen, ohne auf ein unzulässig kleines
Tastverhältnis und/oder niedrige Schaltfrequenz zurückzufallen.
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Für viele tragbare wieder aufladbare Geräte ist es jedoch wünschenswert,
dass Aufladen nicht nur vom Wechselstromnetz aus möglich ist, sondern von auch einem
Gleichspannungsnetz mit einer verhältnismäßig niedrigen Spannung, wie z. B. die
Batteriespannung in Fahrzeugen und Schiffen. Eine häufig verwendete Spannung ist beispielsweise
eine Gleichspannung von 12 V, aber andere Spannungen, wie z. B. eine
24-V-Gleichspannung kommen ebenso vor. Die Beschreibung ebenso wie die Zeichnung beruhen auf
einer 12-V-Gleichspannung, aber es wird deutlich sein, dass eine beliebige andere
Gleichspannung auch möglich ist. Die 12-V-Gleichspannung kann an die
Gleichspannungsklemmen 8 und 10 oder auf Wunsch an die Klemmen 12 und 14 angelegt werden und es ist
möglich, das Schaltnetzteil so zu konstruieren, dass es bei dieser niedrigen
Eingangsspannung in Betrieb bleibt. Jedoch wird der maximale Strom, der der Last zugeführt werden
kann, durch das Wicklungsverhältnis des Transformators 2 noch immer begrenzt. Aufladen
der Batterie 2 erfordert dann eine wesentlich längere Zeit als bei der viel höheren
Netzspannung.
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Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Schaltnetzteil, das diesen Nachteil
verringert. Das Schaltbild ist dem von Fig. 1 ähnlich, aber ein zweites steuerbares Schaltelement
ist hinzugefügt worden, das wieder von einem Schalttransistor 34 gebildet wird, der
zusammen mit der Sekundärwicklung 22, der Diode 26, einer Steuerschaltung 36 und
einem zweiten Paar Gleichspannungsklemmen 38 und 40 als Durchlasswandler ausgebildet
ist. Fig. 3 zeigt das Prinzipschaltbild eines Durchlasswandlers, der an sich bekannt ist.
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Fig. 4 zeigt eine Variante des Durchlasswandlers von Fig. 3, die in dem in Fig. 2
gezeigten Schaltnetzteil verwendet wird. Die 12-V-Gleichspannungsquelle ist mit den
Gleichspannungsklemmen 38 und 40 verbunden. Eine der Gleichspannungsklemmen, im
vorliegenden Fall die Gleichspannungsklemme 38, ist über einen Schalter 42 mit dem Knoten
zwischen der Sekundärwicklung 22 und der Diode 26 verbunden. Die andere
Gleichspannungsklemme 40 ist über den Schalttransistor 34 mit dem Knoten zwischen der Diode 26
und der zu speisenden Last verbunden, im vorliegenden Fall der Batterie 24. Der
Widerstand 28 zwischen der Diode 26 und der Batterie 28 ist optional und kann weggelassen
werden.
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Das zweite Paar Gleichspannungsklemmen 38 und 40 kann als gesonderte
Klemmen ausgebildet sein, aber kann auch mit dem ersten Paar Gleichspannungsklemmen
8 und 10 oder direkt mit den Eingangsspannungsklemmen 12 und 14 verbunden sein. Der
Schalter 42 wird geschlossen, wenn 12 V angelegt werden. Der Schalter 42, der ein
mechanischer oder ein elektrischer Schalter sein kann, verhindert, dass unerwünschte Ströme aus
der Sekundärschaltung zur Primärschaltung fließen, falls das zweite Paar
Gleichspannungsklemmen 38 und 40 mit dem ersten Paar Gleichspannungsklemmen 8 und 10 oder den
Eingangsspannungsklemmen 12 und 14 verbunden ist und falls die Primärschaltung und die
Sekundärschaltung gemeinsame Erde haben, wie in Fig. 2 gezeigt wird. Es ist auch
möglich, nur die Gleichspannungsklemme 38 als gesonderte Klemme auszubilden und die
andere Gleichspannungsklemme 40 mit der Eingangsspannungsklemme 14 zu verbinden. Das
Ausbilden zumindest einer der Gleichspannungsklemmen 38 und 40 als gesonderte
Klemme hat den Vorteil, dass die Detektion der 12-V-Gleichspannung mit einfachen
mechanischen Mitteln ausgeführt werden kann. Einstecken in die 12-V-Gleichspannung aktiviert
den Schalter 42, die Steuerschaltung 36 und deaktiviert die Steuerschaltung 20.
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Die Steuerschaltungen 20 und 36 können gesonderte Einheiten sein, aber es
ist gleichermaßen möglich, eine einzige Steuerschaltung zu verwenden, um den
Schalttransistor 6 oder den Schalttransistor 34 zu steuern. Wechseln vom
12-V-Gleichspannungsbetrieb zum Netzwechselspannungsbetrieb kann manuell, automatisch durch Messen der
angelegten Spannung oder elektromechanisch durch Einstecken in gesonderte Klemmen
erfolgen.
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Die Erfindung ist keinesfalls auf die dargestellten und hier beschriebenen
Ausfiibrungsformen beschränkt. Zusätzlich zu der hier gezeigten Flyback-Konfiguration
gibt es andere aus der technischen Literatur bekannte Schaltnetzteilkonfigurationen, in
denen ein Transformator verwendet wird. Bei diesen Konfigurationen ist es auch möglich,
eine Anordnung, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, mit Hilfe eines zweiten steuerbaren
Schaltelementes und der Sekundärwicklung des Transformators zu bilden.
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Die Erfindung kann auch als Erweiterung eines bestehenden
Durchlasswandlers der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Art betrachtet werden. In diesem Fall
umfasst das Schaltnetzteil eine erste Reihenschaltung aus einem induktiven Element 22, einem
steuerbaren Schaltelement 34 und einer zu speisenden Last 24 und eine zweite
Reihenschaltung aus dem induktiven Element 22, der zu speisenden Last 24 und einem
unidirektionalen Element, im Allgemeinen eine Diode 26, wobei das induktive Element 22 eine
Wicklung eines Transformators 2 ist, der eine andere Wicklung 4 hat, die in Reihe zu einem
weiteren steuerbaren Schaltelement 6 geschaltet ist, um an den Klemmen 8 und 10 eine
Gleichspannung zu empfangen.
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Das Schaltnetzteil ist für elektrische Geräte geeignet, die wieder aufladbare
Batterien verwenden, beispielsweise NiCd- oder NiMH-Batterien, die von der
Netzspannung und/oder einer Batteriespannung von beispielsweise 12 V Gleichspannung aus
aufgeladen werden. Fig. 5 zeigt einen elektrischen Rasierer mit einem Gehäuse 44, das das
Schaltnetzteil 46, die wieder aufladbare Batterie 24 und den Motor 30 beherbergt. Der
Motor 30 steuert die Scherköpfe 48 an und wird mit Hilfe des Schalters 32 betätigt.