DE9218262U1 - Circuit arrangement for generating a DC voltage - Google Patents

Circuit arrangement for generating a DC voltage

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Description

Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Gleichspannung Circuit arrangement for generating a direct voltage

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Gleichspannung aus einer Wechselspannung vorgegebener Frequenz, mit einer Speicherdrossel, die eine Gleichrichterschaltung mit nachgeschaltetem Ladekondensator speist, an dem die Gleichspannung anliegt, und mit einer in den Querzweig zwischen Speicherdrossel und Gleichrichterschaltung geschalteten Schalteinheit, die von einer Steuerung veranlaßte Schaltvorgänge mit oberhalb der Frequenz der Wechselspannung liegender Frequenz so ausführt, daß der mittlere Strom durch die Speicherdrossel eine mit der Wechselspannung übereinstimmende Kurvenform hat.The invention relates to a circuit arrangement for generating a direct voltage from an alternating voltage of a given frequency, with a storage choke that feeds a rectifier circuit with a charging capacitor connected downstream to which the direct voltage is applied, and with a switching unit connected in the cross branch between the storage choke and the rectifier circuit, which carries out switching operations initiated by a controller at a frequency above the frequency of the alternating voltage in such a way that the average current through the storage choke has a waveform that matches the alternating voltage.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der Zeitschrift "Siemens Components" 24 (1986), S. 103-107, bekannt. Bei dieser Schaltungsanordnung ist einem Gleichrichter ein sogenannter Hochsetzsteller nachgeschaltet, der aus der Gleichspannung des Gleichrichters eine höhere Gleichspannung am Ausgang der Schaltungsanordnung erzeugt.Such a circuit arrangement is known from the magazine "Siemens Components" 24 (1986), pp. 103-107. In this circuit arrangement, a rectifier is followed by a so-called boost converter, which generates a higher direct voltage at the output of the circuit arrangement from the direct voltage of the rectifier.

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Verschiedene elektronische Geräte, beispielsweise Computersysteme, benötigen für den Betrieb eine Gleichspannung. Diese wird im allgemeinen aus dem Wechselspannungsnetz entnommen und durch Gleichrichtung erzeugt. In verschiedenen Ländern gibt es voneinander abweichende Nennspannungen der Wechselspannung, zum Beispiel 23 0 V und 120 V. Um ein elektronisches Gerät, das normalerweise bei einer Nennwechselspannung von 230 V betrieben wird, auch in einem Land mit nur 120 V Nennwechselspannung betreiben zu können, kann dem Gerät die eingangs genannte Schaltungsanordnung vorgeschaltet werden, die aus einer Wechselspannung mit niedrigem Nennwert eine Gleichspannung erzeugt, deren Spannungswert gleich der bei hoher Nennwechselspannung ist.Various electronic devices, such as computer systems, require a direct current to operate. This is generally taken from the alternating current network and generated by rectification. In different countries there are different nominal alternating current voltages, for example 230 V and 120 V. In order to be able to operate an electronic device that is normally operated at a nominal alternating current of 230 V in a country with a nominal alternating current of only 120 V, the circuit arrangement mentioned at the beginning can be connected upstream of the device, which generates a direct current from an alternating current with a low nominal value, the voltage value of which is the same as that at a high nominal alternating current.

Durch die Netzgleichrichtung mit anschließender Glättung durch einen Kondensator entstehen impulsförmige Ladeströme, die im Wechselspannungsnetz Oberwellen erzeugen. Diese Oberwellen erhöhen bei sonst gleicher Wirkleistung den Stromeffektivwert im Wechselspannungsnetz und können durch übliche Maßnahmen, wie z.B. Zuschalten von Induktivitäten oder Kapazitäten, nicht kompensiert werden. Die bekannte Schaltungsanordnung vermeidet diese Oberwellen, indem ein als Schalteinheit dienender Transistor so angesteuert wird, daß der zeitabhängige mittlere Strom durch die in Reihe zur Schalteranordnung geschalteten Speicherdrossel eine Kurvenform hat, die der der Eingangswechselspannung entspricht.The mains rectification with subsequent smoothing by a capacitor produces pulse-shaped charging currents that generate harmonics in the AC voltage network. These harmonics increase the effective current value in the AC voltage network with otherwise the same effective power and cannot be compensated by conventional measures, such as switching on inductances or capacitors. The known circuit arrangement avoids these harmonics by controlling a transistor serving as a switching unit in such a way that the time-dependent average current through the storage choke connected in series with the switch arrangement has a waveform that corresponds to that of the input AC voltage.

Wird die bekannte Schaltung zur Spannungsverdoppelung an einer Wechselspannungsquelle mit Nennspannung 12 0 V betrieben, so ist der Effektivwert des Stromes durch den Transistor relativ groß. Beträgt beispielsweise derIf the known circuit for doubling the voltage is operated on an AC voltage source with a nominal voltage of 12 0 V, the effective value of the current through the transistor is relatively large. For example, if the

effektive Streitwert für ein elektronisches Gerät an einer Wechselspannungsquelle mit 230 V Nennspannung 4,5 A, so erhöht sich diea-er Wert an einer Wechselspannungsquelle mit 120 V Nennspannung auf ca. 18 A. Entsprechend steigt die am Transistor auftretende Verlustleistung an, die in Wärme umgesetzt wird.If the effective value in dispute for an electronic device on an AC voltage source with a nominal voltage of 230 V is 4.5 A, this value increases to approx. 18 A on an AC voltage source with a nominal voltage of 120 V. The power loss occurring at the transistor increases accordingly and is converted into heat.

Außerdem fließt bei der bekannten Schaltungsanordnung der von ihr aufgenommene Strom durch einen Brückengleichrichter, an dessen Gleichrichterdioden eine dem Strom proportionale Verlustleitung erzeugt wird. Diese Verlustleistung verschlechtert zusätzlich die Leistungsbilanz.In addition, in the known circuit arrangement, the current it draws flows through a bridge rectifier, at whose rectifier diodes a power loss proportional to the current is generated. This power loss further worsens the power balance.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung anzugeben, bei der die entstehende Verlustleistung verringert ist.It is therefore an object of the invention to provide a circuit arrangement in which the resulting power loss is reduced.

Diese Aufgabe wird für eine Schaltungsanordnung eingangs genannter Art dadurch gelöst, daß die Speicherdrossel mit Wechselstrom gespeist wird, und daß als Gleichrichterschaltung eine Spannungsverdopplerschaltung vorgesehen ist.This task is solved for a circuit arrangement of the type mentioned above in that the storage choke is fed with alternating current and that a voltage doubler circuit is provided as the rectifier circuit.

Da durch den Spannungsverdoppler die Spannung hochgespannt wird, fließt bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung über die Schalteinheit bei gleicher Leistung ein reduzierter Strom, so daß dessen Effektivwert verglichen mit dem der vorgenannten bekannten Schaltung deutlich verringert ist. Dadurch wird in der Schalteinheit nur eine kleine Verlustleistung erzeugt, und es können elektronische Bauelemente mit verringerter Strombelastbarkeit eingesetzt werden, ohne daß die Effizienz der Schaltungsanordnung abnimmt.Since the voltage doubler increases the voltage, a reduced current flows through the switching unit in the circuit arrangement according to the invention at the same power, so that its effective value is significantly reduced compared to that of the previously mentioned known circuit. As a result, only a small power loss is generated in the switching unit and electronic components with reduced current carrying capacity can be used without the efficiency of the circuit arrangement decreasing.

Ein weiterer Vorteil besteht bei der Erfindung darin, daß anders als bei der Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik ein Netzgleichrichter entfallen kann. Dies bedeutet, daß die sonst an den Gleichrichtern des Brückengleichrichters entstehende Verlustleistung in die Gesamtverlustleistung nicht eingeht. Zwar wird bei einem noch zu erläuternden Ausführungsbeispiel ein Brückengleichrichter in Serie zur Schalteinheit geschaltet, jedoch wird dieser Brückengleichrichter verglichen mit dem in der bekannten Schaltungsanordnung mit einem deutlich verringertem Strom belastet, so daß hierbei nur geringe Verlustleistungen anfallen.A further advantage of the invention is that, unlike in the circuit arrangement according to the prior art, a mains rectifier can be omitted. This means that the power loss that would otherwise occur in the rectifiers of the bridge rectifier is not included in the total power loss. In an embodiment to be explained later, a bridge rectifier is connected in series with the switching unit, but this bridge rectifier is loaded with a significantly lower current than in the known circuit arrangement, so that only low power losses occur.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist als Spannungsverdopplersachaltung eine Gegentakt-Spannungsverdopplerschaltung vorgesehen. Diese besteht bekanntlich aus einer ersten und einer zweiten Gleichrichterdiode mit jeweils nachgeschaltetem Ladekondensator. Die beiden Gleichrichterdioden werden aus der mit Wechselstrom durchflossenen Speicherdrossel gespeist.In a preferred embodiment, a push-pull voltage doubler circuit is provided as the voltage doubler circuit. This consists of a first and a second rectifier diode, each with a charging capacitor connected downstream. The two rectifier diodes are fed from the storage choke through which alternating current flows.

Bei positiver Halbwelle fließt ein positiver Ladestrom über die erste Gleichrichterdiode und die Speicherdrossel in den der ersten Gleichrichterdiode zugeordneten ersten Ladekondensator, der sich auf den Spitzenwert der Spannung der ersten Halbwelle auflädt. Bei negativer Halbwelle der Wechselspannung fließt ein negativer Ladestrom über die zweite Gleichrichterdiode und die Speicherdrossel in den der zweiten Gleichrichterdiode zugeordneten zweiten Ladekondensator, der sich auf den Spitzenwert der negativenIn the case of a positive half-wave, a positive charging current flows through the first rectifier diode and the storage choke into the first charging capacitor assigned to the first rectifier diode, which charges to the peak value of the voltage of the first half-wave. In the case of a negative half-wave of the alternating voltage, a negative charging current flows through the second rectifier diode and the storage choke into the second charging capacitor assigned to the second rectifier diode, which charges to the peak value of the negative

Halbwelle auflädt. An den beiden Ladekondensatoren kann somit der doppelte Spitzenwert der Wechselspannung abgegriffen werden.Half-wave charging. The two charging capacitors can therefore pick up twice the peak value of the alternating voltage.

An der Schalteinheit liegt im Sperrzustand nur die halbe erzeugte Gleichspannung, so daß eine Schalteinheit mit verringerter Sperrspannungsfestigkeit eingesetzt werden kann. Wird als Schalteinheit z.B. ein Feldeffekt-Transistor verwendet, so reduziert sich dessen Durchlaßwiderstand mit der Verringerung der Sperrspannungsfestigkeit aufgrund von Halbleitereffekten annähernd proportional. Dies bedeutet, daß bei Verwendung eines solchen Transistors am Durchlaßwiderstand eine entsprechend verringerte Verlustleistung auftritt, die gegenüber der Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik bei sonst gleichen Verhältnissen etwa um die Hälfte geringer ist. Außerdem führt die Verringerung der Sperrspannungsfestigkeit der Schalteinheit zu einem wirtschaftlichen Vorteil, denn entsprechende Bauelemente sind einfacher und damit kostengünstiger herzustellen.In the off state, only half of the generated DC voltage is present at the switching unit, so that a switching unit with reduced blocking voltage strength can be used. If, for example, a field-effect transistor is used as the switching unit, its forward resistance is reduced almost proportionally to the reduction in the blocking voltage strength due to semiconductor effects. This means that when such a transistor is used, a correspondingly reduced power loss occurs at the forward resistance, which is about half as low as in the prior art circuit arrangement, all other things being equal. In addition, the reduction in the blocking voltage strength of the switching unit leads to an economic advantage, because corresponding components are simpler and therefore less expensive to manufacture.

Die Schaltungsanordnung mit der Gegentakt-Spannungsverdopplerschaltung kann problemlos mit anderen, aus derselben Wechselspannungsguelle gespeisten Gleichspannungsguellen verbunden werden. Dies liegt daran, daß die Schaltungsanordnung ein festes Bezugspotential gegenüber dem Anschluß der Wechselspannungsquelle hat, der mit der Verbindungsstelle zwischen dem ersten und zweiten Ladekondensator verbunden ist. Die Ausgänge der Schaltungsanordnung können somit ohne weiteres mit entsprechenden Ausgängen von Gleichspannungsschaltungen verbunden werden, dieThe circuit arrangement with the push-pull voltage doubler circuit can be easily connected to other DC voltage sources fed from the same AC voltage source. This is because the circuit arrangement has a fixed reference potential with respect to the connection of the AC voltage source, which is connected to the connection point between the first and second charging capacitor. The outputs of the circuit arrangement can thus easily be connected to corresponding outputs of DC voltage circuits that

dasselbe Spannungsverdopplerprinzip verwenden, ohne daß größere Ausgleichsströme fließen. Gegebenenfalls sind die entsprechenden Ausgänge der Schaltungsanordnung bzw. der Gleichspannungsquelle über Entkoppeldioden miteinander zu verbinden, so daß Rückströme unterbunden werden.use the same voltage doubler principle without large compensating currents flowing. If necessary, the corresponding outputs of the circuit arrangement or the DC voltage source must be connected to one another via decoupling diodes so that reverse currents are prevented.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist parallel zur Speicherdrossel und einer ersten Gleichrichterdiode sowie parallel zur Speicherdrossel und einer zweiten Gleichrichterdiode jeweils eine Diode mit zur jeweiligen Gleichrichterdiode gleicher Polarität geschaltet.In a preferred embodiment, a diode with the same polarity as the respective rectifier diode is connected in parallel to the storage choke and a first rectifier diode as well as in parallel to the storage choke and a second rectifier diode.

Dadurch wird erreicht, daß hohe Stör spannungen, die der Wechselspannung überlagert sind, beispielsweise Netzstörspannungen, direkt zum ersten bzw. zweiten Ladekondensator weitergeleitet werden. Dadurch wird die elektrische Sicherheit der Schaltungsanordnung weiter verbessert.This ensures that high interference voltages that are superimposed on the alternating voltage, such as mains interference voltages, are passed on directly to the first or second charging capacitor. This further improves the electrical safety of the circuit arrangement.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind der Steuerung eine sinusförmige Wechselspannung, eine den gemittelten Verlauf des Stromes angebende Ist-Kurvenformspannung, die Gleichspannung sowie eine Sollspannung zugeführt, auf die die Gleichspannung durch Ändern der Impulsbreite eines der Schalteinheit zugeführten Steuersignals so geregelt wird, daß die Kurvenform der Ist-Kurvenformspannung und die Kurvenform der Wechselspannung übereinstimmen, wobei als Sollspannung der Steuerung die Amplitude der Wechselspannung zugeführt ist.In another embodiment, a sinusoidal alternating voltage, an actual waveform voltage indicating the average course of the current, the direct voltage and a target voltage are supplied to the control, to which the direct voltage is regulated by changing the pulse width of a control signal supplied to the switching unit so that the waveform of the actual waveform voltage and the waveform of the alternating voltage match, whereby the amplitude of the alternating voltage is supplied to the control as the target voltage.

Durch diese Weiterbildung wird erreicht, daß bei abnehmender Amplitude der Wechselspannung der Wechselspannungsquelle auch die Gleichspannung am Ausgang der Schaltungsanordnung gleichsinnig abnimmt. DemzufolgeThis further development ensures that as the amplitude of the alternating voltage of the alternating voltage source decreases, the direct voltage at the output of the circuit arrangement also decreases in the same direction. As a result,

wird auch der Effektivwert des Stroms in der Schalteinheit kleiner, was die Schalteinheit nicht zusätzlich belastet. Beim Stand der Technik wird üblicherweise die Führungsgröße, d.h. die Sollspannung, konstant gehalten, wodurch sich eine konstante Gleichspannung am Ausgang der Schaltungsanordnung einstellt, selbst wenn die Amplitude der Wechselspannung abnimmt. Bei einer derartigen Regelung kann die Abnahme der Amplitude der Wechselspannung nur durch Erhöhen des Effektivwertes des Stroms in der Schalteinheit aufgefangen werden r Eine solche Erhöhung und die damit verbundenen Zunahme der Verlustleistung kann zu einem kritischen Zustand führen, bei dem die Schaltungsanordnung überfordert wird und ausfallen kann. Durch die oben beschriebene Weiterbildung wird ein solch kritischer Zustand vermieden.the effective value of the current in the switching unit also becomes smaller, which does not place any additional strain on the switching unit. In the prior art, the reference variable, ie the target voltage, is usually kept constant, which results in a constant direct voltage at the output of the circuit arrangement, even if the amplitude of the alternating voltage decreases. With such a control, the decrease in the amplitude of the alternating voltage can only be compensated for by increasing the effective value of the current in the switching unit . Such an increase and the associated increase in power loss can lead to a critical state in which the circuit arrangement is overwhelmed and can fail. Such a critical state is avoided by the development described above.

Ferner betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Gleichspannung, mit einer Spannungsquelle, die ein mit einer Schalteinheit ausgestattetes Schaltnetzteil speist, das eine Ausgangsspannung erzeugt, die eine Last speist, und mit einer Regeleinrichtung, der die Ausgangsspannung sowie eine Sollspannung zugeführt ist, wobei die Regeleinrichtung die Schalteinheit so steuert, daß die Abweichung zwischen Ausgangsspannung und Sollspannung reduziert wird. Diese Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sollspannung von der Spannung der Spannungsquelle abhängt.The invention further relates to a circuit arrangement for generating a direct voltage, with a voltage source that feeds a switching power supply equipped with a switching unit that generates an output voltage that feeds a load, and with a control device to which the output voltage and a target voltage are fed, the control device controlling the switching unit in such a way that the deviation between the output voltage and the target voltage is reduced. This circuit arrangement is characterized in that the target voltage depends on the voltage of the voltage source.

Bei bekannten Schaltungsanordnungen, die ein Schaltnetzteil enthalten, wird die Sollspannung mittels einer Referenzdiode erzeugt. Aufgrund der Funktion der Regeleinrichtung wird dann die Ausgangsspannung auf einen konstanten Wert entsprechend der ReferenzspannungIn known circuit arrangements that contain a switching power supply, the target voltage is generated by means of a reference diode. Due to the function of the control device, the output voltage is then set to a constant value corresponding to the reference voltage.

gehalten. Wenn nun die Spannung der speisenden Spannungsquelle absinkt, beispielsweise infolge einer Absenkung der Netzwechsclspannung, so entnimmt das Schaltnetzteil der Spannungsquelle einen höheren Strom, um die Ausgangsspannung weiterhin auf einem konstanten Wert zu halten. Die Schalteinheit wird bei diesem Regelprozeß stark belastet. Um diese Belastung aufzufangen, muß die Schalteinheit für große Belastungsschwankungen ausgelegt werden. Dies führt zu einer vergrößerten Bauform und zu einem erhöhten technischen Aufwand.If the voltage of the supplying voltage source drops, for example as a result of a reduction in the AC mains voltage, the switching power supply draws a higher current from the voltage source in order to continue to keep the output voltage at a constant value. The switching unit is heavily loaded during this control process. In order to absorb this load, the switching unit must be designed for large load fluctuations. This leads to a larger design and increased technical complexity.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Sollspannung von der Spannung der Spannungsquelle abhängt. Dadurch wird erreicht, daß bei einem Absinken der Spannung der Spannungsquelle auch die Sollspannung absinkt. Entsprechend wird die Ausgangsspannung durch die Regeleinrichtung heruntergeregelt und eine erhöhte Stromaufnahme des Schaltnetzteils findet nicht statt. Dadurch wird das Schaltnetzteil beim Betrieb auch in kritischen Zuständen nicht überlastet. Die Bauelemente des Schaltnetzteils können somit nahe der Höchstbelastung ausgelegt werden, ohne daß eine Überlastung während des Betriebs zu befüchten ist.The invention is characterized by the fact that the target voltage depends on the voltage of the voltage source. This ensures that if the voltage of the voltage source drops, the target voltage also drops. The output voltage is regulated down accordingly by the control device and the power consumption of the switching power supply does not increase. This means that the switching power supply is not overloaded during operation, even in critical conditions. The components of the switching power supply can therefore be designed close to the maximum load without there being any risk of overloading during operation.

Arbeitet das Schaltnetzteil beispielsweise alsFor example, if the switching power supply works as

Hochsetzsteller, so bleibt die Einschaltdauer derBoost converter, the duty cycle of the

Schalteinheit zum Zeitpunkt des Auftretens desSwitching unit at the time of occurrence of the

Spitzenwertes der Spannung am Eingang desPeak value of the voltage at the input of the

Schaltnetzteils nahe Null, selbst wenn die Spannung derswitching power supply close to zero, even if the voltage of the

Wechselspannungsguelle absinkt. Die Schalteinheit hat somit eine gleichbleibend geringe Strombelastung.AC voltage source drops. The switching unit therefore has a consistently low current load.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings, in which:

Figur 1Figure 1

Figur 2Figure 2

eine Schaltungsanordnung nach einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung,a circuit arrangement according to a
Embodiment of the invention,

eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Gleichspannung nach dem Stand
der Technik,a circuit arrangement for generating a direct voltage according to the state
of the technique,

Figur 3Figure 3

ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schalteinheit,a first embodiment of a switching unit,

Figur 4Figure 4

ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schalteinheit,a second embodiment of a switching unit,

Figur 5Figure 5

ein drittes '" Ausführungsbeispiel einer Schalteinheit,a third embodiment of a switching unit,

Figur 6Figure 6

ein Ausführungsbeispiel der Erfin
dung ait weiteren, in Funktionsblök
ken zusammengefaßten Steuerungstei
len, undan embodiment of the invention
dung ait further, in function blocks
ken combined control parts
len, and

Figur 7Figure 7

ein Ausführungsbeispiel deran example of the

Erfindung mit eines Schaltnetzteil, bei dem die Sollspannung von der Spannung der das Schaltnetzteil speisenden Spannungsguelle abhängt.Invention with a switching power supply in which the target voltage depends on the voltage of the voltage source feeding the switching power supply.

In Figur 2 ist eine bekannte Schaltungsanordnung zua Erzeugen einer Gleichspannung aus einer Wechselspannung U mit beispielsweise 12 0 V und vorgegebener Frequenz, beispielsweise 60 Hz, dargestellt. An Klemmen 10, 12 der Wechselspannungsauelle ist ein Brückengleichrichter angeschlossen, dessen einer Gleichspannungsausgang zu einer Ausgangsklemme 14 und dessen anderer Gleichspan-Figure 2 shows a known circuit arrangement for generating a direct voltage from an alternating voltage U with, for example, 12 0 V and a predetermined frequency, for example 60 Hz. A bridge rectifier is connected to terminals 10, 12 of the alternating voltage source, one of whose direct voltage outputs is connected to an output terminal 14 and the other of whose direct voltage

• · — · 10 ·- ·• · — · 10 ·- ·

nungsausgang zu einer Speicherdrossel L geführt ist. Die Speicherdrossel L ist von Gleichstrom durchflossen, der zu einer Schalteinheit 16 und zu einer Gleichrichterdiode Dl verzweigt wird.voltage output is led to a storage choke L. The storage choke L is flowed through by direct current, which is branched to a switching unit 16 and to a rectifier diode Dl.

Die Schalteinheit 16 wird durch eine Steuerung 18 zu Schaltvorgängen hoher Frequenz, beispielsweise 60 kHz, veranlaßt, so daß in der Speicherdrossel L ein impulsförmiger Strom fließt, wobei der zeitabhängige mittlere Strom die gleiche Kurvenform wie die Wechselspannung Uw hat. Hierzu tastet die Steuerung 18 die Kurvenform der Wechselspannung Uw sowie die Spannung an einem Strommeßwider stand RM ab, und gibt an die Schalteinheit 16 impulsbreitenmodulierte Signale ab. Ferner erfaßt die Steuerung 18 die Gleichspannung Ug am ersten Ladekondensator Cl und stellt die der Schalteinheit 16 zugeführten Signale so ein, daß diese Gleichspannung Ug auf einem konstanten Wert gehalten wird. Weitere Einzelheiten der Wirkungsweise dieser Schaltung sind in der Zeitschrift "Siemens Components" 24 (1986), S. 103 bis 107, "TDA 41814 - Integrierte Steuerschaltung für sinusförmige Net &zgr; stromauf nähme", beschrieben.The switching unit 16 is caused by a controller 18 to switch at a high frequency, for example 60 kHz, so that a pulse-shaped current flows in the storage choke L, the time-dependent average current having the same waveform as the alternating voltage Uw. To do this, the controller 18 samples the waveform of the alternating voltage Uw and the voltage at a current measuring resistor RM and sends pulse-width modulated signals to the switching unit 16. The controller 18 also detects the direct voltage Ug at the first charging capacitor Cl and adjusts the signals fed to the switching unit 16 so that this direct voltage Ug is kept at a constant value. Further details of the operation of this circuit are described in the magazine "Siemens Components" 24 (1986), pp. 103 to 107, "TDA 41814 - Integrated control circuit for sinusoidal mains current consumption".

Bei der Schaltungsanordnung nach Figur 2 fließt durch die Speicherdrossel L in beiden Halbwellen der Wechselspannung Uw jeweils ein Gleichstrom, der über die Diode Dl den Ladekondensator Cl auf den jeweiligen Spitzenwert der Spannung an der Schalteinheit 16 auflädt. Wenn diese Schaltungsanordnung zur Spannungsverdopplung am 12 0-Volt Wechselspannungsnetz eingesetzt wird, so fließen durch die Schalteinheit 16 Ströme mit hohem Effekt i wert, die eine hohe Verlustleistung erzeugen. Die an der Schalteinheit 16 auftretende Verlustleistung wird indirekt noch dadurch erhöht, daß sie einer hohenIn the circuit arrangement according to Figure 2, a direct current flows through the storage choke L in both half-waves of the alternating voltage Uw, which charges the charging capacitor Cl via the diode Dl to the respective peak value of the voltage at the switching unit 16. If this circuit arrangement is used to double the voltage on the 12 0-volt alternating voltage network, currents with a high effective i value flow through the switching unit 16, which generate a high power loss. The power loss occurring at the switching unit 16 is indirectly increased by the fact that it is subjected to a high

Sperrspannung ausgesetzt ist, die gleich der Gleichspannung Ug ist. Bei Vervendung eines Transistors als Schalteinheit 16 nuß dieser eine entsprechend hohe Spannungsfestigkeit haben. Eine hohe Spannungsfestigkeit bedingt aus halbleitertechnischen Gründen einen großen Durchlaßwiderstand im durchgeschalteten Zustand des Transistors und führt somit zu hoher Verlustleistung. Außerdem werden in den Gleichrichterdioden des Brückengleichrichters B weitere Verluste erzeugt, denn durch den Brückengleichrichter B muß der gesamte Strom der Schaltungsanordnung geleitet werden.is exposed to a blocking voltage that is equal to the direct voltage Ug. When using a transistor as the switching unit 16, it must have a correspondingly high dielectric strength. For semiconductor reasons, a high dielectric strength requires a high forward resistance when the transistor is switched on and thus leads to high power losses. In addition, further losses are generated in the rectifier diodes of the bridge rectifier B, because the entire current of the circuit arrangement must be conducted through the bridge rectifier B.

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt. Gleiche Bauelemente wie in Figur 2 sind gleich bezeichnet. Die Schaltungsanordnung nach Figur 1 stimmt hinsichtlich der schaltungstechnischen Anordnung der Speicherdrossel L, der Schalteinheit 16, der Steuerung 18, der Gleichrichterdiode Dl des Ladekondensators Cl, und des Strommeßwiderstands KM mit der in Figur 1 gezeigten überein. Die Speicherdrossel L ist jedoch anders als in Fig. l direkt an die Klemme 10 der Wechselspannungsquelle angeschlossen. Ferner ist ein zweiter Ladekreis, bestehend aus einer Gleichrichterdiode D2 und einem Ladekondensator C2, vorgesehen, wobei die Kathode der Gleichrichterdiode D2 mit der Anode der Gleichrichterdiode Dl und die Anode der Gleichrichterdiode D2 ait einem Anschluß des Ladekondensators C2 verbunden ist. Der andere Anschluß des Ladekondensators C2 ist mit dem Ladekondensator Cl sowie einer Leitung 2 0 verbunden, die zur Klemme 12 führt. Die Gleichspannung Ug wird an den beiden Ladekondensatoren Cl, C2 abgegriffen. Die aus den Bauteilen Dl, D2, Cl und C2 aufgebaute Schaltung bildetFigure 1 shows an embodiment of the invention. The same components as in Figure 2 are designated in the same way. The circuit arrangement according to Figure 1 corresponds to that shown in Figure 1 with regard to the circuit arrangement of the storage choke L, the switching unit 16, the control 18, the rectifier diode D1 of the charging capacitor C1, and the current measuring resistor KM. However, unlike in Figure 1, the storage choke L is connected directly to the terminal 10 of the AC voltage source. A second charging circuit consisting of a rectifier diode D2 and a charging capacitor C2 is also provided, with the cathode of the rectifier diode D2 being connected to the anode of the rectifier diode D1 and the anode of the rectifier diode D2 being connected to a connection of the charging capacitor C2. The other connection of the charging capacitor C2 is connected to the charging capacitor Cl and a line 2 0 that leads to terminal 12. The direct voltage Ug is tapped at the two charging capacitors Cl, C2. The circuit made up of the components Dl, D2, Cl and C2 forms

eine Gegentakt-Spannungsverdopplerschaltung. Zwischen die Klemmen 10, 12 ist ein Glättungskondensator C3 geschaltet, der zur Glättung der von der Speicherdrossel L hervorgerufenen Spannungsimpulsen dient.a push-pull voltage doubler circuit. A smoothing capacitor C3 is connected between terminals 10, 12, which serves to smooth the voltage pulses caused by the storage choke L.

Die Betriebsweise der Schaltungsanordnung nach Figur 1 wird im folgenden für eine sinusförmige Wechselspannung Uw beschrieben. In der ersten, positiven Halbwelle fließt auf Grund der Schaltvorgänge der Schalteinheit 16 durch die Speicherdrossel L ein impulsförmiger positiver Strom. Über die Gleichrichterdiode Dl wird der Ladekondensator Cl mit jedem Impuls auf den jeweiligen Spitzenwert aufgeladen.· Die Stromspitzen und der mittlere Stromwert durch die Speicherdrossel L haben dieselbe sinusförmige Kurvenform wie die erste Halbwelle. In der zweiten, negativen Halbwelle fließt durch die Speicherdrossel L ein negativer impulsförmiger Strom, durch den der Ladekondensator C2 auf die negative Scheitelspannung der Wechselspannung Uw aufgeladen wird. An den beiden Ladekondensatoren Cl, C2 kann somit der doppelte Wert der Amplitude der Wechselspannung Uw abgegriffen werden. Bei Betrieb der Schaltungsanordnung nach Figur 1 an einem Wechselspannungsnetz mit effektiver Wechselspannung von 12 0 V ergibt sich eine Gleichspannung Ug von 34 0 V. Der durch die Schalteinheit 16 fließende effektive Strom ist verglichen mit dem Strom durch die Schalteinheit 15 nach Fig. 1 bei gleicher Wechselspannung Uw und bei gleicher Abgabeleistung um den Faktor 2 verringert, da mit zunehmendem Momentanspannungswert innerhalb einer Netzwechselspannungshalbwelle die Einschaltdauer der Schalteinheit 16 abnimmt. Beim Spitzenwert ist die Einschaltdauer gleich Null. Bei der SchaltungsanordnungThe operation of the circuit arrangement according to Figure 1 is described below for a sinusoidal alternating voltage Uw. In the first, positive half-wave, a pulse-shaped positive current flows through the storage choke L due to the switching operations of the switching unit 16. The charging capacitor Cl is charged to the respective peak value with each pulse via the rectifier diode Dl. The current peaks and the average current value through the storage choke L have the same sinusoidal curve shape as the first half-wave. In the second, negative half-wave, a negative pulse-shaped current flows through the storage choke L, through which the charging capacitor C2 is charged to the negative peak voltage of the alternating voltage Uw. The two charging capacitors Cl, C2 can thus be tapped off with twice the value of the amplitude of the alternating voltage Uw. When operating the circuit arrangement according to Figure 1 on an AC network with an effective AC voltage of 12 0 V, a DC voltage Ug of 34 0 V results. The effective current flowing through the switching unit 16 is reduced by a factor of 2 compared to the current through the switching unit 15 according to Figure 1 for the same AC voltage Uw and the same output power, since the duty cycle of the switching unit 16 decreases with an increasing instantaneous voltage value within a mains AC voltage half-wave. At the peak value, the duty cycle is zero. In the circuit arrangement

nach Fig. 2 beträgt dagegen die relative Einschaltdauer bezogen auf die maximale Einschaltdauer 50 %, da hier eine Spannungsverdoppelunc erfolgt.According to Fig. 2, however, the relative duty cycle based on the maximum duty cycle is 50%, since here a doubling of the voltage occurs.

An der Schalteinheit 16 nach Fig. 1 fällt im gesperrten Zustand maximal die halbe Gleichspannung Ug ab. Diese Sperrspannung ist gegenüber der bei der Schaltungsanordnung nach Figur 1 halbiert. Dies bedeutet, daß Bauelemente zum Realisieren der Schalteinheit 16 eingesetzt werden können, die eine geringe Spannungsfestigkeit haben können. Bei derartigen Bauelementen ist aufgrund einer anderen Halbleiterdotierung der Durchlaßwiderstand im durchgeschalteten Zustand verringert, so daß eine entsprechend verringerte Verlustleistung auftritt. Beispielsweise verringert sich der Durchlaßwiderstand eine's Feldeffekt-Transistors bei Halbierung der Sperrspannungsfestigkeit von 500 V auf 250 V von 0,4 Ohm auf 0,14 Ohm.A maximum of half the DC voltage Ug drops across the switching unit 16 according to Fig. 1 in the blocked state. This blocking voltage is halved compared to that in the circuit arrangement according to Fig. 1. This means that components that have a low dielectric strength can be used to implement the switching unit 16. In such components, the forward resistance in the switched-on state is reduced due to a different semiconductor doping, so that a correspondingly reduced power loss occurs. For example, the forward resistance of a field-effect transistor is reduced from 0.4 ohms to 0.14 ohms when the blocking voltage strength is halved from 500 V to 250 V.

In Figur 3 ist ' ein erstes Ausführungsbeispiel der Schalteinheit 16 dargestellt. Zwischen die Anschlüsse 22, 24 ist ein Brückengleichrichter Bl geschaltet, dessen Brückendiagonale mit dem Drainanschluß bzw. mit dem Sourceanschluß eines Feldeffekt-Transistors Tl, der als Leistungstransistor ausgebildet ist, verbunden ist. Die Steuerung 18, die mit dem Gateanschluß des Transistors Tl verbunden ist, hat das gleiche Bezugspotential wie der Transistor Tl. Der Brückengleichrichter Bl wandelt den ihm über die Anschlüsse 22, 24 zugeführten Wechselstrom in einen für den Transistor Tl schaltbaren Gleichstrom um.Figure 3 shows a first embodiment of the switching unit 16. A bridge rectifier Bl is connected between the connections 22, 24, the bridge diagonal of which is connected to the drain connection or to the source connection of a field effect transistor Tl, which is designed as a power transistor. The controller 18, which is connected to the gate connection of the transistor Tl, has the same reference potential as the transistor Tl. The bridge rectifier Bl converts the alternating current supplied to it via the connections 22, 24 into a direct current that can be switched by the transistor Tl.

In Figur 4 besteht die Schalteinheit 16 aus zwei in Serie geschaltete Feldeffekt-Transistoren T2, T3, derenIn Figure 4, the switching unit 16 consists of two series-connected field effect transistors T2, T3, whose

Source-Elektroden miteinander verbunden sind. Die Source-Drain-Strecke eines jeden Transistors T2, T3 ist durch je eine Diode D3, D4 überbrückt. Die Dioden D3 bzw. D4 sind jeweils in Sperrichtung zur entsprechenen Source-Drain-Strecke der Transistoren T2 bzw. T3 gepolt. Der an den Anschlüssen 22, 24 zugeführte Wechselstrom wird während der postitiven Halbwelle vom Transistor T2 durchgeschaltet und während der negativen Halbwelle vom Transistor T3. Die Dioden D3, D4 dienen zum Umpolschutz. Es ist auch möglich, die interne parasitäre Feldeffekt-Transistordiode jeweils als Umpolschutz zu nutzen.Source electrodes are connected to each other. The source-drain path of each transistor T2, T3 is bridged by a diode D3, D4. The diodes D3 and D4 are each polarized in the reverse direction to the corresponding source-drain path of the transistors T2 and T3. The alternating current supplied to the terminals 22, 24 is switched through by the transistor T2 during the positive half-wave and by the transistor T3 during the negative half-wave. The diodes D3, D4 serve as polarity reversal protection. It is also possible to use the internal parasitic field-effect transistor diode as polarity reversal protection.

In Figur 5 besteht die Schalteinheit 16 aus zwei parallel geschalteten Serienschaltungen 26, 28. Die Serienschaltung 26 umfaßt eine Diode D5 und einen in Serie geschalteten Feldeffekt-Transistor T4. Die Serienschaltung 28 besteht aus einer Diode D6 und einem in Serie geschalteten Feldeffekt-Transistor T5. Die Transistoren T4 bzw. T5 werden von galvanisch getrennten Steuerungen 18b bzw. 18a angesteuert. Die Serienschaltung 26 schaltet den Strom zwischen den Anschlüssen 24, 22 während der positiven Halbwelle der Wechselspannung Uw durch, während die Serienschaltung 28 den Strom während der negativen Halbwelle durchschaltet.In Figure 5, the switching unit 16 consists of two series circuits 26, 28 connected in parallel. The series circuit 26 comprises a diode D5 and a field effect transistor T4 connected in series. The series circuit 28 consists of a diode D6 and a field effect transistor T5 connected in series. The transistors T4 and T5 are controlled by galvanically isolated controls 18b and 18a, respectively. The series circuit 26 switches the current between the terminals 24, 22 during the positive half-wave of the alternating voltage Uw, while the series circuit 28 switches the current during the negative half-wave.

Alternativ zu den Feldeffekt-Transtoren in den Figuren 3 bis 5 können auch bipolare Halbleiterschalter, wie beispielsweise Transistoren oder Thyristoren verwendet werden. Außerdem ist es zweckmäßig, mehrere Transistoren einander parallel zu schalten, so daß sich der Gesamtdurchlaßwiderstand verringert.As an alternative to the field effect transistors in Figures 3 to 5, bipolar semiconductor switches such as transistors or thyristors can also be used. It is also advisable to connect several transistors in parallel so that the total forward resistance is reduced.

Die Schaltverlustleistung, die am Transistor Tl bei der Schalteinheit 16 nach Figur 3 auftritt, berechnet sich zu:The switching power loss that occurs at the transistor Tl in the switching unit 16 according to Figure 3 is calculated as:

Pv = I2eff Rein/n + 2 Im Ud (l).Pv = I 2 eff Rein/n + 2 Im Ud (l).

Die Schaltverlustleistung an den Transistoren T2, T3 bzw. T4, T5 der Schalteinheiten 16 nach den Figuren 4 bzw. 5 berechnet sich zu:The switching power loss at the transistors T2, T3 or T4, T5 of the switching units 16 according to Figures 4 and 5 is calculated as follows:

Pv = I2eff 2 Rein/n + Im Ud (2).Pv = I 2 eff 2 Rein/n + Im Ud (2).

In den Gleichungen (1) bzw. (2) ist Pv die Schaltverlustleistung, Ieff der Effektivwert des Stroms durch den bzw. die Transistoren, Rein der Durchlaßwiderstand, Im der arithmetische Mittelwert des Stroms, Ud die Diodendurchflußspannung und &eegr; die Anzahl der jeweils parallel geschalteten Transistoren.In equations (1) and (2), Pv is the switching power loss, Ieff is the effective value of the current through the transistor(s), Rein is the forward resistance, Im is the arithmetic mean value of the current, Ud is the diode forward voltage and η is the number of transistors connected in parallel.

Den oben angegebenen Gleichungen (1) bzw. (2) ist zu entnehmen, daß die geringste Schaltverlustleistung beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 erzielt wird. Da der arithmetische Mittelwert des Stroms Im durch die Schalteinheit kleiner als der durch die Speicherdrossel L fließende Strom ist, ist die am Brückengleichrichter Bl (Fig. 3) erzeugte Verlustleistung erheblich geringer als bei der bekannten Schaltungsanordnung nach Figur 1. Weiterhin ist anhand der Gleichungen (1) bzw. (2) zu erkennen, daß die Schaltverlustleistung linear vom Duchlaßwiderstand Rein abhängt. Da bei den Schalteinheiten nach der Erfindung Transistoren mit geringer Sperrspannungsfestigkeit verwendet werden können, deren DuchlaßwiderständeFrom the above equations (1) and (2) it can be seen that the lowest switching power loss is achieved in the embodiment according to Figure 3. Since the arithmetic mean of the current Im through the switching unit is smaller than the current flowing through the storage choke L, the power loss generated at the bridge rectifier Bl (Figure 3) is considerably lower than in the known circuit arrangement according to Figure 1. Furthermore, it can be seen from equations (1) and (2) that the switching power loss depends linearly on the forward resistance Rein. Since in the switching units according to the invention transistors with low blocking voltage strength can be used, whose forward resistances

dotierungsbedingt erheblich verringert sind, wird die insgesamt erzeugte Verlustleistung weiter reduziert.are significantly reduced due to doping, the total power loss generated is further reduced.

In Figur 6 ist das Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2 und 3 um weitere Steuerungskomponenten ergänzt dargestellt. Bauteile, die mit denen in den Figuren 2 und 3 übereinstimmen, sind gleich bezeichnet. Die Verbindungsstelle zwischen den Ladekondensatoren Cl, C2 ist auf Masse M gelegt. In die Verbindungsleitung 20 ist ein Strommeßwiderstand RM geschaltet, an dem die Kurvenform des Stroms als Spannungsverlauf abgegriffen wird. Die Gleichspannung Ug ist mit einem Lastwiderstand Rl belastet. An den Klemmen 3 0 bzw. 3 2 kann eine positive Istspannung Uist+ bzw. eine negative Istspannung Uist- abgegriffen werden. Die negative Istspannung Uist- wird durch einen Inverterbaustein 3·3 in eine positive Spannung gewandelt.In Figure 6, the embodiment according to Figures 2 and 3 is shown supplemented by additional control components. Components that correspond to those in Figures 2 and 3 are labeled the same. The connection point between the charging capacitors Cl, C2 is connected to ground M. A current measuring resistor RM is connected to the connecting line 20, at which the waveform of the current is tapped as a voltage curve. The direct voltage Ug is loaded with a load resistor Rl. A positive actual voltage Uist+ or a negative actual voltage Uist- can be tapped at the terminals 3 0 and 3 2. The negative actual voltage Uist- is converted into a positive voltage by an inverter module 3·3.

Parallel zur Speicherdrossel L und erste Gleichrichterdiode Dl ist eine Diode D6 mit gleicher Polarität wie die Gleichrichterdiode Dl geschaltet. In analoger Weise ist eine Diode D7 mit zur Gleichrichterdiode D2 übereinstimmender Polarität parallel zur Speicherdrossel L und Gleichrichterdiode T2 geschaltet. Die Dioden D6 bzw. D7 leiten hohe Netzstörspannungen direkt zu den Ladekondensatoren Cl bzw. C2 weiter. Dadurch werden hohe Stromimpulse infolge von Net&zgr;störungen, z.B. beim Ausschalten induktiver Lasten am Netz, an der Schalteinheit 16 vor be ige führt. Die Ausfallsicherheit des Gesamtsystems wird dadurch erhöht.A diode D6 with the same polarity as the rectifier diode Dl is connected in parallel to the storage choke L and the first rectifier diode Dl. In a similar way, a diode D7 with the same polarity as the rectifier diode D2 is connected in parallel to the storage choke L and the rectifier diode T2. The diodes D6 and D7 pass high mains interference voltages directly to the charging capacitors Cl and C2. As a result, high current pulses resulting from mains interference, e.g. when switching off inductive loads on the mains, are bypassed at the switching unit 16. The reliability of the entire system is thereby increased.

Ein eingangsseitiger Kondensator C3 verringert die durch die Stromwelligkeit in der Speicherdrossel L erzeugte Störspannung, so daß das Wechselspannungsnetz nicht gestört wird.A capacitor C3 on the input side reduces the interference voltage generated by the current ripple in the storage choke L so that the AC voltage network is not disturbed.

Der Transistor Tl wird an seinem Gate über einen Verstärker 34 angesteuert, der aus einem Übertrager 36 gespeist wird. Der Übertrager 35 dient zur potentialfreien Ansteuerung des Transistors Tl.The transistor Tl is controlled at its gate via an amplifier 34, which is fed from a transformer 36. The transformer 35 is used for the potential-free control of the transistor Tl.

Der Übertrager 36 wird aus der Steuerung 18 mit Signalen Ust gespeist, deren Impulsbreite w variiert. Als Steuerung kann ein bekannter Baustein, beispielsweise der "High Power Factor Preregulator" UC 3854 der Firma Unitrode eingesetzt werden. Dieser Baustein erzeugt die Signale Ust mit einer vorgegebenen Frequenz von beispielsweise 60 kHz.The transformer 36 is fed from the controller 18 with signals Ust whose pulse width w varies. A known component, for example the "High Power Factor Preregulator" UC 3854 from the company Unitrode, can be used as the controller. This component generates the signals Ust with a predetermined frequency of, for example, 60 kHz.

Die Steuerung 18 stellt die Impulsbreite w der Signale üst so ein, daß die am Stroameßviderstand RM abgreifbare Stromkurvenforst mit der Kurvenform der Wechselspannung Uw übereinstimmt. Dadurch ist gewährleistet, daß im Wechselspannungsnetz keine schädlichen Oberwellen vorhanden sind. Ferner wird die Impulsbreite w der Signale Ust so gesteuert, daß eine Istspannung einem Sollwert nachgeregelt, wird, vie noch beschrieben wird.The control 18 sets the pulse width w of the signals üst so that the current curve shape that can be tapped at the current measuring resistor RM matches the waveform of the alternating voltage Uw. This ensures that there are no harmful harmonics in the alternating voltage network. Furthermore, the pulse width w of the signals Ust is controlled so that an actual voltage is adjusted to a setpoint, as will be described below.

Da herkömmliche Steuerungen so aufgebaut sind, daß sie wie bei der bekannten Schaltung nach der Figur 2 nur Gleichspannungen verarbeiten können, im vorliegenden Fall die Speicherdrossel L aber von einem Wechselstrom durchflossen ist, sind weitere Bausteine erforderlich, die eine Anpassung an diese Gegebenheiten schaffen. Ein Kalbwellenschalter 4 0 greift die Wechselspannung Uw ab und erzeugt an seinem Ausgang ein binäres Signal mit Zustand H während der postiven Halbwelle und mit Zustand L während der negativen Kalbwelle. Dieses Binärsignal wird einem Istwertschalter 42 und einem Sollwertgenerator 44 zugeführt. Der Istwertschalter 42Since conventional controls are designed in such a way that they can only process direct voltages, as in the known circuit in Figure 2, but in the present case the storage choke L is flowing through by an alternating current, additional components are required to adapt to these conditions. A half-wave switch 40 taps the alternating voltage Uw and generates a binary signal at its output with state H during the positive half-wave and with state L during the negative half-wave. This binary signal is fed to an actual value switch 42 and a setpoint generator 44. The actual value switch 42

schaltet abhängig vom Binärsignal B während der positiven Halbwelle die positive Istspannung Uist+ bzw. während der negativen Halbwelle die negative Istspannung Uist- an den Istspannungseingang der Steuerung 18 weiter.Depending on the binary signal B, it switches the positive actual voltage Uist+ during the positive half-wave or the negative actual voltage Uist- during the negative half-wave to the actual voltage input of the controller 18.

Dem Sollwertgenerator 4 4 ist ferner die Wechselspannung Uw zugeführt. Er ermittelt abhängig voa Binärsignal B während der positiven Halbwelle den Spitzenwert der Wechselspannung Uw und gibt diesen Wert an den Sollwerteingang der Steuerung 18 ab. Während der negativen Halbwelle ermittelt der Sollwertgenerator 44 den negativen Spitzenwert der Wechselspannung Uw, richtet diesen Spitzenwert gleich und leitet diesen an den Sollwerteingang der Steuerung 18 weiter.The setpoint generator 44 is also supplied with the alternating voltage Uw. Depending on the binary signal B, it determines the peak value of the alternating voltage Uw during the positive half-wave and passes this value on to the setpoint input of the controller 18. During the negative half-wave, the setpoint generator 44 determines the negative peak value of the alternating voltage Uw, rectifies this peak value and passes it on to the setpoint input of the controller 18.

Einem Sollkurvengenerator 46 ist die Wechselspannung Uw zugeführt. Er richtet diese gleich und gibt das gleichgerichtete Signal an den Sollkurveneingang der Steuerung 18 weiter.The alternating voltage Uw is fed to a target curve generator 46. It rectifies it and passes the rectified signal on to the target curve input of the controller 18.

Weiterhin ist ein Istkurvengenerator 48 vorgesehen, dem eingangsseitig die am Strommeßwiderstand RM abfallende Spannung zugeführt ist. Der Istkurvengenerator 4 8 richtet diese Spannung gleich und führt sie dem Istkurveneingang der Steuerung 18 zu.Furthermore, an actual curve generator 48 is provided, to which the voltage drop across the current measuring resistor RM is fed on the input side. The actual curve generator 48 rectifies this voltage and feeds it to the actual curve input of the controller 18.

Im folgenden wird die Betriebsweise der Schaltungsanordnung nach Figur 6 beschrieben. Während der positiven Halbwelle der Wechselspannung Uw wird dem Sollkurveneingang der Steuerung 18 die Sollkurvenform über den Sollkurvengenerator 46 zugeführt. Ferner ist der Steuerung 18 über den Istkurvengenerator 48 die Istkurvenform des Stroms, der über die Leitung 2 0 fließt, an ihrem Istkurveneingang zugeführt. Die Steuerung 18 ver-The operation of the circuit arrangement according to Figure 6 is described below. During the positive half-wave of the alternating voltage Uw, the target curve shape is fed to the target curve input of the control 18 via the target curve generator 46. Furthermore, the actual curve shape of the current flowing through the line 20 is fed to the control 18 via the actual curve generator 48 at its actual curve input. The control 18 uses

gleicht die Sollkurvenform mit der Istkurvenform und stellt abhängig von diesem Vergleich die Impulsbreite w des Signals Ust, das die.r Schaltvorgänge im Transistor Tl veranlaßt, so ein, daß die Abweichung zwischen Sollkurve und Istkurve minimal wird. Während der negativen Halbwelle der Wechselspannung Uw führen der Sollkurvengenerator 4 6 und der Istkurvengenerator 48 eine Gleichrichtung durch, so daß auch während dieser Halbwelle eine Regelung der Stromkurvenform erfolgt.compares the desired curve shape with the actual curve shape and, depending on this comparison, adjusts the pulse width w of the signal Ust, which causes the switching operations in the transistor Tl, so that the deviation between the desired curve and the actual curve is minimal. During the negative half-wave of the alternating voltage Uw, the desired curve generator 46 and the actual curve generator 48 carry out a rectification so that the current curve shape is also regulated during this half-wave.

Die Steuerung 18 führt auch eine Regelung der Spannung Ug zwischen den Klemmen 30, 32 durch. Während der positiven Halbwelle der Wechselspannung Uw wird dem Istspannungseingang über den Istwertschalter 42 die positive Istspannung Uist+ zugeführt. Ferner wird dem Sollwerteingang der Steuerung 18 über den Sollwertgenerator 44 die Amplitude, d.h. der positive Spitzenwert der Wechselspannung Uw eingegeben. Die Steuerung 18 regelt über die Impulsbreite w des Signals Ust die gegen Masse M positive Istspannung Uist+ der Amplitude der Wechselspannung Uw nach. Dies bedeutet, daß bei einem Absinken der Wechselspannung Uw auch die Istspannung Uist+ abgesenkt wird, d.h. die Gleichspannung Ug wird bei einer Änderung der Wechselspannung Uw gleichsinnig nachgeführt. Dadurch bleibt der Regelkreis in allen Betriebszuständen stabil.The control 18 also regulates the voltage Ug between the terminals 30, 32. During the positive half-wave of the alternating voltage Uw, the positive actual voltage Uist+ is fed to the actual voltage input via the actual value switch 42. Furthermore, the amplitude, i.e. the positive peak value of the alternating voltage Uw, is fed to the setpoint input of the control 18 via the setpoint generator 44. The control 18 regulates the actual voltage Uist+, which is positive with respect to ground M, to the amplitude of the alternating voltage Uw via the pulse width w of the signal Ust. This means that if the alternating voltage Uw drops, the actual voltage Uist+ is also reduced, i.e. the direct voltage Ug is adjusted in the same direction when the alternating voltage Uw changes. This means that the control loop remains stable in all operating states.

Während der negativen Halbwelle der Wechselspannung Uw wird dem Istspannungseingang der Steuerung 18 die negative Istspannung Uist- bzw. dem Sollwerteingang der Betrag der Amplitude der Wechselspannung Uw zugeführt. Die Steuerung arbeitet so, daß in dieser Halbwelle die Spannung zwischen der Klemme 3 2 und " Masse M nachgeregelt wird und damit die Gleichspannung UgDuring the negative half-wave of the alternating voltage Uw, the negative actual voltage Uist is fed to the actual voltage input of the control 18 and the amount of the amplitude of the alternating voltage Uw is fed to the setpoint input. The control works in such a way that in this half-wave the voltage between terminal 3 2 and " ground M is adjusted and thus the direct voltage Ug

zwischen den Klemmen 32, 3 0 beeinflußt wird. Durch diese Aufteilung der Regelung während der positiven bzw. der negativen Halbwelle wird eine höhere Regelgenauigkeit erreicht.between terminals 32, 3 0. This division of control during the positive and negative half-waves results in greater control accuracy.

In Figur 7 ist eine Schaltungsanordung zum Erzeugen einer Gleichspannung dargestellt, die mit hoher Sicherheit arbeitet und die eine minimale Baugröße hat. Einem sekundärgetakteten Schaltnetzgerät 50 ist ein Netzgleichrichter 56 vorgeschaltet, der aus dem Wechselspannungsnetz mit Wechselspannung Uw eine Gleichspannung UG erzeugt. Das Schaltnetzgerät 50 enthält eine Schalteinheit 52, die die Gleichspannung UG zerhackt und sie einem Filter 54 zuführt, das z.B. als LC-Tiefpaßfilter ausgebildet sein kann. Das Filter 54 bildet aus der ihm zugeführten Spannung einen zeitlichen Mittelwert, der als Ausgangsspannung UA ausgegeben wird, die eine Last RL speist. Die Ausgangsspannung UA ist auch einem Regler 58 zugeführt, der sie mit einer Sollspannung vergleicht. Abhängig von dem Vergleich wird das Tastverhältnis, mit der die Schalteinheit 52 die Gleichspannung UG zerhackt, so eingestellt, daß die Ausgangsspannung UA dem Sollwert als Führungsgröße folgt.Figure 7 shows a circuit arrangement for generating a direct voltage that operates with high reliability and has a minimal size. A secondary switched-mode power supply 50 is preceded by a mains rectifier 56 that generates a direct voltage UG from the alternating voltage network with alternating voltage Uw. The switched-mode power supply 50 contains a switching unit 52 that chops up the direct voltage UG and feeds it to a filter 54, which can be designed, for example, as an LC low-pass filter. The filter 54 forms a time average from the voltage fed to it, which is output as an output voltage UA that feeds a load RL. The output voltage UA is also fed to a regulator 58, which compares it with a target voltage. Depending on the comparison, the duty cycle with which the switching unit 52 chops the direct voltage UG is set so that the output voltage UA follows the setpoint as a reference variable.

Als Sollwert kann dem Regler 58 die Gleichspannung UG oder die Wechselspannung Uw zugeführt werden. Vorzugsweise wird der Spitzenwert der Wechselspannung Uw verwendet, um die vom Kondensator des Netzgleichrichters 56 hervorgerufene Zeitverzögerung auszuschalten. Beim Betrieb der Schaltungsanordnung folgt die Ausgangsspannung UA gleichsinnig der Wechselspannung Uw. Dies bedeutet, daß bei einem Spannungseinbruch im Wechselspannungsnetz die Schalteinheit 52 so geregelt wird, daß auch dieThe direct voltage UG or the alternating voltage Uw can be fed to the controller 58 as the setpoint. The peak value of the alternating voltage Uw is preferably used to switch off the time delay caused by the capacitor of the mains rectifier 56. When the circuit arrangement is in operation, the output voltage UA follows the alternating voltage Uw in the same direction. This means that if there is a voltage drop in the alternating voltage network, the switching unit 52 is controlled in such a way that the

Ausgangsspannung UA abgesenkt wird. Das Schaltnetzgerät 50 mit der empfindlichen Schalteinheit 52 wird bei einem solchen Betriebszustand nicht mit hohem Strom belastet. Insbesondere die Schalteinheit 52, d.h. der bzw. die Leistungstransistoren, können somit an ihrer oberen Leistungsgrenze betrieben werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß sie überlastet wird. Großvolumige Kühlvorrichtungen, die bei erhöhtem Strombedarf infolge abgesunkener Wechselspannung Uw erforderlich sind, können entfallen, so daß die Baugröße des Schaltnetzgeräts 50 minimal ist.Output voltage UA is reduced. The switching power supply 50 with the sensitive switching unit 52 is not loaded with high current in such an operating state. In particular, the switching unit 52, i.e. the power transistor(s), can thus be operated at its upper power limit without the risk of it being overloaded. Large-volume cooling devices, which are required when there is an increased power requirement as a result of a reduced alternating voltage Uw, can be omitted, so that the size of the switching power supply 50 is minimal.

Die vorgenannten Maßnahmen sind nicht auf ein sekundär getaktetes Schaltnetzgerät beschränkt, sondern können auch bei primärgetakteten Schaltnetzgeräten eingesetzt werden, die einen Hochfrequenztransformator enthalten. Ferner kann die vorgenannte Schaltungsanordnung auch für Schaltnetzgeräte eingesetzt werden, die wie im Beispiel nach der Figur 6 direkt mit Wechselpannung gespeist werden. Als Sollspannung wird vorzugsweise der Spitzenwert oder der Efektivwert der Wechselspannung Uw verwendet. Außerdem ist es möglich, während der positiven oder negativen Halbwellen der Wechselspannung jeweils den gleichgerichteten Spitzenwert oder den Effektivwert der jeweiligen Halbwelle als Sollspannung zu verwenden. Dadurch kann bei unsymmetrischer Wechselspannung Uw das Schaltnetzgerät 50 in jeder Halbwelle optimal betrieben werden.The aforementioned measures are not limited to a secondary switched-mode power supply, but can also be used with primary switched-mode power supplies that contain a high-frequency transformer. Furthermore, the aforementioned circuit arrangement can also be used for switched-mode power supplies that are fed directly with alternating voltage, as in the example in Figure 6. The peak value or the effective value of the alternating voltage Uw is preferably used as the target voltage. It is also possible to use the rectified peak value or the effective value of the respective half-wave as the target voltage during the positive or negative half-waves of the alternating voltage. This means that the switched-mode power supply 50 can be operated optimally in each half-wave with an asymmetrical alternating voltage Uw.

Claims (17)

SchutzansprücheProtection claims 1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Gleichspannung aus einer Wechselspannung vorgegebener Frequenz, mit einer Speicherdrossel, die eine Gleichrichterschaltung mit nachgeschaltetem Ladekondensator speist, an dem die Gleichspannung anliegt, und mit einer in den Querzweig zwischen Speicherdrossel und Gleichrichterschaltung geschalteten Schalteinheit, die von einer Steuerung veranlaßte Schaltvorgänge mit oberhalb der Frequenz der Wechselspannung liegender Frequenz so ausführt, daß der mittlere Strom durch die Speicherdrossel eine mit der Wechselspannung übereinstimmende Kurvenform hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherdrossel (L) mit Wechselstrom gespeist wird, und daß als Gleichrichterschaltung eine Spannungsverdopplerschaltung vorgesehen ist.1. Circuit arrangement for generating a direct voltage from an alternating voltage of a predetermined frequency, with a storage choke which feeds a rectifier circuit with a charging capacitor connected downstream to which the direct voltage is applied, and with a switching unit connected in the cross branch between the storage choke and the rectifier circuit, which carries out switching operations initiated by a controller at a frequency above the frequency of the alternating voltage in such a way that the average current through the storage choke has a waveform that matches the alternating voltage, characterized in that the storage choke (L) is fed with alternating current and that a voltage doubler circuit is provided as the rectifier circuit. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß als Spannungsverdopplerschaltung eine Gegentakt-Spannungsverdopplerschaltung (Dl, D2, Cl, C2) vorgesehen ist.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a push-pull voltage doubler circuit (Dl, D2, Cl, C2) is provided as the voltage doubler circuit. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalteinheit (16) ein mit einer Brückengleichrichterschaltung (Bl) in Serie geschalteter Transistor (Tl) vorgesehen ist, dessen Basis- bzw. Gateelektrode mit der Steuerung (18) verbunden ist.3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that a transistor (Tl) connected in series with a bridge rectifier circuit (Bl) is provided as the switching unit (16), the base or gate electrode of which is connected to the controller (18). 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalteinheit (16) zwei in Serie geschaltete Trsnsistoren (T2, T3) vorgesehen sind, deren Source-Elektroden bzw. Ermitter-Elektroden miteinander verbunden sind, und daß parallel zur Source-Drain-Strecke bzw. Ermitter-Kollektor-Strecke eines jeden Transistors (T2, T3) eine Diode (D3, D4) in Sperrichtung geschaltet ist, wobei die Basiselektroden bzw. Gateelektroden mit der Steuerung (18) verbunden sind.4. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that two transistors (T2, T3) connected in series are provided as the switching unit (16), the source electrodes or emitter electrodes of which are connected to one another, and that a diode (D3, D4) is connected in the reverse direction in parallel to the source-drain path or emitter-collector path of each transistor (T2, T3), the base electrodes or gate electrodes being connected to the controller (18). 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalteinheit (16) zwei parallel geschaltete Serienschaltungen (26, 28) vorgesehen sind, die jeweils aus einem Transistor (T4 bzw. T5) und einer in Durchlaßrichtung geschalteter Diode (D5 bzw. D6) bestehen, wobei die Serienschaltungen (26, 28) einander entgegengesetzte Ströme durchlassen und wobei die Basiselektrode bzw. Gateelektrode eines jeden Transistors (T4, T5) mit jeweils einer Steuerung (18b, 18a) verbunden ist.5. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that two series circuits (26, 28) connected in parallel are provided as the switching unit (16), each consisting of a transistor (T4 or T5) and a diode (D5 or D6) connected in the forward direction, the series circuits (26, 28) allowing opposing currents to pass through and the base electrode or gate electrode of each transistor (T4, T5) being connected to a respective controller (18b, 18a). 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis6. Circuit arrangement according to one of claims 3 to 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Transistoren einander parallel geschaltet sind.5, characterized in that several transistors are connected in parallel. 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis7. Circuit arrangement according to one of claims 3 to 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Transistoren (Tl bis T5) FET-Transistoren vorgesehen sind..6, characterized in that FET transistors are provided as transistors (Tl to T5). 8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Transistoren (Tl bis T5) Thyristoren vorgesehen sind.8. Circuit arrangement according to one of claims 3 to 7, characterized in that thyristors are provided instead of the transistors (T1 to T5). 9. Schaltungsanordnung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Speicherdrossel (L) und einer ersten Gleichrichterdiode (Dl) sowie parallel zur Speicherdrossel (L) und einer zweiten Gleichrichterdiode (D2) jeweils eine Diode (D6 bzw. D7) mit zur jeweiligen Gleichrichterdiode (Dl bzw. D2) gleicher Polarität geschaltet ist.9. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a diode (D6 or D7) with the same polarity as the respective rectifier diode (D1 or D2) is connected in parallel to the storage choke (L) and a first rectifier diode (Dl) and in parallel to the storage choke (L) and a second rectifier diode (D2). 10. Schaltungsanordnung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerung (18) eine sinusförmige Wechselspannung (Uw), eine den gemittelten Verlauf des Stromes angebende Istkurvenformspannung, die Gleichspannung (Ug) sowie eine Sollspannung zugeführt sind, auf die die Gleichspannung (Ug) geregelt wird, wobei die Steuerung (IS) an die Schalteinheit (Tl) iapulsbreitenmodulierte Signale (Ust) derart abgibt, daß die Kurvenform der Istkurvenformspannung und die Kurvenform der Wechselspannung (Uw) übereinstimmen, und daß als Sollspannung der Steuerung (18) die Amplitude der Wechselspannung (Uw) zugeführt ist.10. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the control (18) is supplied with a sinusoidal alternating voltage (Uw), an actual waveform voltage indicating the average course of the current, the direct voltage (Ug) and a target voltage to which the direct voltage (Ug) is regulated, the control (IS) outputting pulse width modulated signals (Ust) to the switching unit (Tl) in such a way that the waveform of the actual waveform voltage and the waveform of the alternating voltage (Uw) match, and that the amplitude of the alternating voltage (Uw) is supplied as the target voltage to the control (18). 11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1O7 dadurch ge kennzeichnet, daß die Verbindungsstelle zwischen dem ersten und zweiten Ladekondensatorer (Cl,C2) gegen Masse (M) geschaltet ist, daß der Steuerung (18) als Gleichspannung während der positiven Halbwelle der Wechselspannung (Uw) die Spannung11. Circuit arrangement according to claim 10 7 , characterized in that the connection point between the first and second charging capacitors (Cl, C2) is connected to ground (M), that the control (18) is supplied with the voltage as direct voltage during the positive half-wave of the alternating voltage (Uw) (Uist+) am ersten Ladekondensator (Cl) und während der negativen Halbwelle der Wechselspannung (Uw) die Spannung (Uist-) am zweiten Ladekondensator (C2) zugeführt ist.(Uist+) is supplied to the first charging capacitor (Cl) and during the negative half-wave of the alternating voltage (Uw) the voltage (Uist-) is supplied to the second charging capacitor (C2). 12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerung (18) die gleichgerichtete Wechselspannung (Uw), die gleichgerichte Istkurvenformspannung sowie als Sollspannung der gleichgerichtete Spitzenwert der Wechselspannung (Uw) zugeführt ist.12. Circuit arrangement according to one of claims 10 or 11, characterized in that the control (18) is supplied with the rectified alternating voltage (Uw), the rectified actual waveform voltage and, as the target voltage, the rectified peak value of the alternating voltage (Uw). 13. Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Gleichspannung, mit einer Spannungsquelle, die ein mit einer Schalteinheit ausgestattetes Schaltnetzteil speist, das eine Ausgangsspannung erzeugt, die eine Last mit Strom versorgt, und mit einer Regeleinrichtung, der die Ausgangsspannung sowie eine Sollspannung zugeführt ist, wobei die Regeleinrichtung die Schalteinheit so steuert, daß die Abweichung zwischen Ausgangsspannung und Sollspannung reduziert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollspannung von der Spannung (Uw, UG) der Spannungsguelle (56) abhängt.13. Circuit arrangement for generating a direct voltage, with a voltage source which feeds a switching power supply equipped with a switching unit which generates an output voltage which supplies a load with current, and with a control device to which the output voltage and a target voltage are supplied, wherein the control device controls the switching unit such that the deviation between the output voltage and the target voltage is reduced, characterized in that the target voltage depends on the voltage (Uw, UG) of the voltage source (56). 14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Sollspannung die Amplitude der Spannung der Spannungsguelle (56) verwendet wird.14. Circuit arrangement according to claim 13, characterized in that the amplitude of the voltage of the voltage source (56) is used as the target voltage. 15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsguelle eine Gleichrichterschaltung (56) vorgesehen ist, die aus einem Wechselspannungsnetz gespeist ist, und daß als Sollspannung die Wechselspannung (Uw) des Wechselspannungsnetzes, vorzugsweise der15. Circuit arrangement according to claim 13 or 14, characterized in that a rectifier circuit (56) is provided as the voltage source, which is fed from an alternating voltage network, and that the alternating voltage (Uw) of the alternating voltage network, preferably the Spitzenwert oder der Effektiwert der Spannung (Uw) verwendet wird.peak value or the effective value of the voltage (Uw) is used. 16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß während der positiven oder negativen Halbwelle der Wechselspannung (Uw) jeweils der gleichgerichtete Spitzenwert oder Effektivwert der Halbwelle als Sollspannung verwendet wird.16. Circuit arrangement according to one of claims 13 to 15, characterized in that during the positive or negative half-wave of the alternating voltage (Uw) the rectified peak value or effective value of the half-wave is used as the target voltage. 17. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als Hochsetzsteller arbeitenden Schaltnetzteil die Regeleinrichtung (58) die Ausgangsspannung (UA) auf einen geringfügig höheren Wert als die Amplitude der Wechselspannung (Uw) der Spannungsquelle einstellt.17. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in a switched-mode power supply operating as a boost converter, the control device (58) sets the output voltage (UA) to a slightly higher value than the amplitude of the alternating voltage (Uw) of the voltage source. IS. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltnetzteil ein primärgetaktetes oder sekundärgetaktetes Schaltnetzteil (50) vorgesehen ist.IS. Circuit arrangement according to one of the preceding claims 13 to 17, characterized in that a primary clocked or secondary clocked switching power supply (50) is provided as the switching power supply.
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