Schαltnetzteil Schαltnetzteil
Die Erfindung betrifft ein Schαltnetzteil zur Stromversorgung von Niederspαnnungs- verbrαuchern aus einer Netzspannungsquelle, mit einem getakteten Θleichspan- nungs-θleichspannungs-Wandler zur galvanischen Trennung der Netzseite von der Niederspannungsseite, wobei der Wandler einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung aufweist wobei zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung eine elektrische Isolationsschicht angeordnet ist, wobei die Primärwicklung im Stromkreis einer Eingangsspannungsquelle mit einem taktgesteuerten Halbleiterschalter in Reihe geschaltet ist und wobei die Sekundärwicklung über eine Gleichrichterschaltung mit Anschlüssen für den Niederspannungsverbraucher verbunden ist.The invention relates to a switching power supply for the power supply of low-voltage consumers from a mains voltage source, with a clocked ΘDC voltage-θDC voltage converter for the electrical isolation of the network side from the low-voltage side, the converter having a transformer with a primary winding and a secondary winding, between the primary winding and the secondary winding is arranged with an electrical insulation layer, the primary winding in the circuit of an input voltage source being connected in series with a clock-controlled semiconductor switch and the secondary winding being connected to connections for the low-voltage consumer via a rectifier circuit.
Ein derartiges Schaltnetzteil ist aus der Praxis bekannt. Es weist eine Eingangsspannungsquelle auf; die einen Brückengleichrichter hat der mit seinen Eingangsanschlüssen mit der Netzspannung des öffentlichen Wechselspannungsnetzes verbindbar ist. Mit seinen Ausgangsanschlüssen ist der Brückengleichrichter an einem Elektrolytkondensator angeschlossen ist, der die pulsierende Ausgangsgleichspannung des Brückengleichrichters glättet. Die Eingangsspannungsquelle ist über einen Halbleiterschalter mit einer Primärwicklung eines Transformators zu einem Stromkreis verbunden. Der Halbleiterschalter weist einen Steuereingang auf; der zum periodischen Unterbrechen des Stromkreises mit einer Ansteuereinrichtung verbunden ist. Über die Ansteuereinrichtung wird an den Steuereingang eine etwa rechteckförmige Steuerspannung angelegt. Durch das periodische Unterbrechen des Stromkreises wird in der Sekundärwicklung des Transformators eine elektrische Spannung erzeugt, die mit Hilfe einer Gleichrichterschaltung gleichgerichtet und elektrischen Anschlüssen zugeführt wird, die mit einem Niederspannungsverbraucher verbindbar sind. Die Schaltfrequenz ist größer als die Netzfrequenz, wodurch der Transformator im Vergleich zu einem mit Netzfrequenz betriebenen Transformator gleicher Leistung relativ kleine Abmessungen aufweist.Such a switching power supply is known from practice. It has an input voltage source; which has a bridge rectifier which can be connected with its input connections to the mains voltage of the public AC network. With its output connections, the bridge rectifier is connected to an electrolytic capacitor, which smoothes the pulsating DC output voltage of the bridge rectifier. The input voltage source is connected to a primary winding of a transformer to form a circuit via a semiconductor switch. The semiconductor switch has a control input; which is connected to a control device for periodically interrupting the circuit. An approximately rectangular control voltage is applied to the control input via the control device. The periodic interruption of the circuit generates an electrical voltage in the secondary winding of the transformer, which is rectified with the aid of a rectifier circuit and supplied with electrical connections that can be connected to a low-voltage consumer. The switching frequency is greater than the mains frequency, which means that the transformer has relatively small dimensions in comparison to a transformer of the same power operated at mains frequency.
Um eine sichere galvanische Trennung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung zu ermöglichen und insbesondere beim Auftreten einer Über-
Spannung im Wechselspannungsnetz einen Durchschlag der Wechselspannung von der Primärwicklung auf die Sekundärwicklung zu verhindern, ist zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung eine elektrische Papier-Isolationsschicht angeordnet, die eine Dicke von etwa 0,1 Millimetern aufweist. Bei der Konstruktion des Transformators wird unter Berücksichtigung der geforderten Überspannungsfestigkeit des Transformators eine möglichst geringe Dicke der Isolationsschicht angestrebt, um ein gute magnetische Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung, eine geringe Streuinduktivität und eine niedrige Bauelementbelastung und somit eine geringe Verlustleistung zu erreichen.In order to enable safe electrical isolation between the primary winding and the secondary winding and in particular when an overcurrent occurs To prevent voltage in the AC network from breaking through the AC voltage from the primary winding to the secondary winding, an electrical paper insulation layer is arranged between the primary winding and the secondary winding, which has a thickness of about 0.1 millimeters. When designing the transformer, taking the required overvoltage resistance of the transformer into account, the smallest possible thickness of the insulation layer is sought in order to achieve a good magnetic coupling between the primary winding and the secondary winding, a low leakage inductance and a low component load and thus a low power loss.
Zur Einhaltung gesetzlich vorgeschriebener Funkstörspannungsgrenzwerte ist der Primärkreis über einen Funk-Entstörkondensator mit der Sekundärwicklung verbunden. Das Schaltnetzteil ist in einem geerdeten metallischen Gehäuse untergebracht. Zwischen dem Gehäuse und dem Schaltnetzteil ist eine Koppelkapazität gebildet.The primary circuit is connected to the secondary winding via a radio interference suppression capacitor in order to comply with the radio interference voltage limit values prescribed by law. The switching power supply is housed in a grounded metallic housing. A coupling capacitance is formed between the housing and the switching power supply.
Ein derartiges Schaltnetzteil muss bestimmte Anforderungen für Anwendungen der Schutzklasse 1 an die Störfrequenzaussendung und an die Störfestigkeit erfüllen, die den Burstspannungsdurchgriff auf die galvanisch zur Netzseite getrennte Niederspannungsseite betrifft. Wenn das Gehäuse des Schaltnetzteils auf einer elektrisch isolierten Unterlage angeordnet ist, können statische Entladungen (durch Berührung) Ableitströme über das Gehäuse, die Koppelkapazität, den Niederspannungsverbraucher und den Funk-Entstörkondensator zum Netz erzeugen. Die kann einerseits für den Benutzer des Schaltnetzteils unangenehm sein, wenn er den Ableitstrom als Stromschlag empfindet. Andererseits kann durch einen derartigen Ableitstrom aber auch ein an dem Schaltnetzteil angeschlossener empfindlicher Niederspannungsverbraucher, wie z.B. eine Laserdiode, beschädigt oder sogar zerstört werden, wenn der Ableitstrom auf den Niederspannungsverbraucher durchgreift. Ein weiterer Nachteil des bekannten Schaltnetzteils besteht darin, dass es noch verhältnismäßig große Abmessungen aufweist.Such a switched-mode power supply must meet certain requirements for applications of protection class 1 regarding the interference frequency transmission and the immunity to interference, which relates to the burst voltage penetration to the low-voltage side, which is electrically isolated from the network side. If the housing of the switching power supply is arranged on an electrically insulated surface, static discharges (by touch) can generate leakage currents through the housing, the coupling capacitance, the low-voltage consumer and the radio interference suppression capacitor to the network. On the one hand, this can be uncomfortable for the user of the switching power supply if he perceives the leakage current as an electric shock. On the other hand, such a leakage current can also be used to connect a sensitive low-voltage consumer, e.g. a laser diode, can be damaged or even destroyed if the leakage current reaches the low-voltage consumer. Another disadvantage of the known switching power supply is that it still has relatively large dimensions.
Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Schaltnetzteil der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei kompakten Abmessungen einen geringen Ableitstrom und eine niedrige Störaussendung bei gleichzeitig hoher Störfestigkeit (Burst, Surge, HF-Feld, HF-Einströmung) ermöglicht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Isolationsschicht zur kapazitiven Entkopplung von Primärwicklung und Sekundärwicklung eine Dicke von mindestens 0,2 Millimeter aufweist, und dass der Wandler als Resonanzsperrwandler ausgebildet ist.It is therefore the task of creating a switching power supply of the type mentioned at the outset which, with compact dimensions, enables a low leakage current and a low interference emission with high immunity to interference (burst, surge, HF field, HF inflow). This object is achieved in that the insulation layer for the capacitive decoupling of primary winding and secondary winding has a thickness of at least 0.2 millimeters and that the converter is designed as a resonance flyback converter.
In überraschender Weise ist also die Dicke der zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung angeordneten Isolationsschicht größer gewählt als dies für die Erfüllung der Überspannungsfestigkeit des Transformators eigentlich erforderlich wäre. In vorteilhafter Weise wird durch diese Maßnahme ein sehr geringe Koppelkapazität zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung erreicht, so dass sich der Ableitstrom entsprechend reduziert. Die damit einhergehende Reduzierung der magnetischen Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung, die zu einer größeren Verlustleistung in dem Transformator führt, wird bewusst in Kauf genommen. Durch den als Resonanzsperrwandler ausgebildeten Wandler ergibt sich ein sinusartiger Verlauf des Ansteuersignais für den Halbleiterschalter, wodurch die Steilheit der geschalteten Transformatorströme im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Schaltnetzteil, bei dem der Halbleiterschalter mit einem rechteckförmigen Ansteuersignal angesteuert wird, so stark abnimmt, dass auf einen die Primärwicklung mit der Sekundärwicklung verbindenden Entstör- Kondensator verzichtet werden kann. Dadurch wird die elektrische Kapazität zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Schaltnetzteils zusätzlich um einen Faktor K = Cκ / (Cκ + CE) reduziert, wobei Cκ die der Koppelkapazität zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Schaltnetzteils und CE die der Kapazität des Entstör-Kondensators bedeuten. Durch diese Maßnahmen sind der Ableitstrom und der Burstspannungsdurchgriff von der Primärseite auf die Sekundärseite auf einen Wert reduziert, durch den empfindliche Verbraucher so gut wie gar nicht beeinflusst werden, Dennoch ist die Abstrahlung von Störfrequenzen aufgrund der geringen Steilheit der Transformatorströme äußerst gering, so dass das Umfeld des Schaltnetzteils kaum gestört wird. Wegen des niedrigen Ableitstroms ist das Schaltnetzteil vor allem als Stromversorgung für Laserdioden geeignet. Auch in medizinischen Geräten, die mit Patienten in Berührung kommen, kann das Schaltnetzteil vorteilhaft zur Anwendung kommen. Da ein Entstör-Kondensator eingespart wird, ermöglicht das Schaltnetzteil kompakte Abmessungen. In vorteilhafter Weise kann das Schaltnetzteil auch zum Betreiben eines Mobiltelefons verwendet werden. Dabei
Wird durch den geringen Ableitstrom vermieden, dαss der Benutzer des Mobiltelefons beim Telefonieren ein störendes Kribbeln am Ohr spürt, wenn das Mobiltelefon am Schaltnetzteil angeschlossen ist.Surprisingly, the thickness of the insulation layer arranged between the primary winding and the secondary winding is therefore chosen to be greater than would actually be required to meet the overvoltage resistance of the transformer. This measure advantageously achieves a very low coupling capacitance between the primary winding and the secondary winding, so that the leakage current is reduced accordingly. The associated reduction in the magnetic coupling between the primary winding and the secondary winding, which leads to a greater power loss in the transformer, is deliberately accepted. The converter, which is designed as a resonance flyback converter, results in a sinusoidal course of the control signal for the semiconductor switch, as a result of which the steepness of the switched transformer currents decreases so much in comparison with the switching power supply known from the prior art, in which the semiconductor switch is controlled with a rectangular control signal. that an interference suppression capacitor connecting the primary winding to the secondary winding can be dispensed with. As a result, the electrical capacitance between the primary and the secondary side of the switching power supply is additionally reduced by a factor K = C κ / (C κ + C E ), where C κ is the coupling capacitance between the primary and the secondary side of the switching power supply and C E which mean the capacitance of the interference suppression capacitor. These measures reduce the leakage current and the burst voltage penetration from the primary side to the secondary side to a value that hardly affects sensitive consumers.However, the emission of interference frequencies is extremely low due to the low steepness of the transformer currents, so that Environment of the switching power supply is hardly disturbed. Because of the low leakage current, the switching power supply is particularly suitable as a power supply for laser diodes. The switching power supply can also be used advantageously in medical devices that come into contact with patients. Since a suppressor capacitor is saved, the switching power supply enables compact dimensions. In an advantageous manner, the switching power supply can also be used to operate a mobile phone. there Is avoided by the low leakage current that the user of the mobile phone feels a disturbing tingling in the ear when making a call when the mobile phone is connected to the switching power supply.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Dicke der Isolationsschicht mindestens 0,3 Millimeter, bevorzugt mindestens 0,35 Millimeter und insbesondere mindestens 0,4 Millimeter. Das Schaltnetzteil ermöglicht dadurch einen noch kleineren Ableitstrom, der in Pikoamperebereich liegen kann.In an advantageous embodiment of the invention, the thickness of the insulation layer is at least 0.3 millimeters, preferably at least 0.35 millimeters and in particular at least 0.4 millimeters. The switched-mode power supply enables an even smaller leakage current, which can be in the picoampere range.
Ein noch größerer Abstand zwischen Primär- und Sekundärwicklung und somit ein noch geringerer Ableitstrom kann dadurch erreicht werden, dass die Dicke der Isolationsschicht mindestens 0,5 Millimeter, gegebenenfalls mindestens 0,6 Millimeter und eventuell mindestens 0,7 Millimeter beträgt. Eine derartige Wandstärke der Isolationsschicht ist vor allem bei größeren Schaltnetzteilen zweckmäßig.An even greater distance between the primary and secondary windings and thus an even lower leakage current can be achieved in that the thickness of the insulation layer is at least 0.5 millimeters, possibly at least 0.6 millimeters and possibly at least 0.7 millimeters. Such a wall thickness of the insulation layer is particularly useful for larger switching power supplies.
Vorteilhaft ist, wenn die Sekundärwicklung am Außenumfang der Primärwicklung angeordnet ist. Dadurch wird eine noch geringere Störfrequenz-Abstrahlung ermöglicht, Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass die Primärwicklung und die Sekundärwicklung in Axialrichtung nebeneinander angeordnet sind und dass die Isolationsschicht in einer etwa rechtwinklig zur Axialrichtung verlaufenden Ebene zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung angeordnet ist,It is advantageous if the secondary winding is arranged on the outer circumference of the primary winding. This enables an even lower interference frequency radiation. In principle, however, it is also conceivable that the primary winding and the secondary winding are arranged next to one another in the axial direction and that the insulation layer is arranged in a plane approximately perpendicular to the axial direction between the primary winding and the secondary winding.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist die Primärwicklung mit ihrem einen Ende mit einem Pol der Eingangsspannungsquelle und mit ihrem anderen Ende mit dem Halbleiterschalter verbunden ist, wobei die Primärwicklung mehrere Wicklungslagen aufweist und wobei die Wicklungslage, deren Ende mit dem Halbleiterschalter verbunden ist, einem weichmagnetischen und/oder ferritischen Transformator-Kern und die Wicklungslage, deren Ende mit dem Pol der Eingangsspannungsquelle verbunden ist, der Sekundärwicklung zugewandt ist. Die Seite der Primärwicklung, die mit dem Halbleiterschalter verbunden ist und an der beim Schalten die Potentialschwankungen auftreten, ist also von der Sekundärwicklung entfernt angeordnet, so dass die beim Schalten des Primärstroms auftretenden Störungen nicht oder nur in sehr geringem Umfong auf die Sekundärwicklung übertragen werden.
Eine gute Abschirmung der Sekundärwicklung gegen die an der Primärwicklung auftretenden Störspannungen kann auch dadurch erreicht werden, dass die Sekundärwicklung die Primärwicklung nur teilweise überdeckt, und dass zwischen der Sekundärwicklung und der Stirnseite der Primärwicklung, an der das mit dem Halbleiterschalter verbundene Ende der Primärwicklung angeordnet ist ein Abstand vorgesehen ist. Auch bei dieser Ausfuhrungsform ist die Seite der Primärwicklung, an der beim Schalten die Potentialschwankungen auftreten, von ' der Sekundärwicklung entfernt angeordnet.In an expedient embodiment of the invention, the primary winding is connected at one end to a pole of the input voltage source and at the other end to the semiconductor switch, the primary winding having a plurality of winding layers and the winding layer, the end of which is connected to the semiconductor switch, being a soft magnetic one and / or ferritic transformer core and the winding layer, the end of which is connected to the pole of the input voltage source, faces the secondary winding. The side of the primary winding, which is connected to the semiconductor switch and on which the potential fluctuations occur when switching, is thus arranged away from the secondary winding, so that the interference occurring when switching the primary current is not or only to a very small extent transferred to the secondary winding. Good shielding of the secondary winding against the interference voltages occurring on the primary winding can also be achieved in that the secondary winding only partially covers the primary winding, and in that between the secondary winding and the end face of the primary winding, on which the end of the primary winding connected to the semiconductor switch is arranged a distance is provided. Also in this embodiment, the side of the primary winding, the potential fluctuations at the on switching disposed of 'the secondary winding removed.
Wenn die Sekundärwicklung eine größere Anzahl Windungen aufweist, ist es vorteilhaft, wenn die Sekundärwicklung mehrere aufeinanderliegende Wicklungslagen hat, und wenn die radiale Abmessung oder Dicke des durch diese Wicklungslagen gebildeten Wicklungskörpers größer ist als dessen axiale Abmessung oder Länge. Die Wicklung der Niederspannungsseite ist also als schmale Hochkantwicklung ausgebildet, so dass zwischen der Stirnseite der Sekundärwicklung, an dem das mit dem Halbleiterschalter verbundene Ende der Primärwicklung angeordnet ist und der Sekundärwicklung ein entsprechend großer Abstand vorhanden sein kann.If the secondary winding has a larger number of turns, it is advantageous if the secondary winding has a plurality of winding layers lying one on top of the other, and if the radial dimension or thickness of the winding body formed by these winding layers is greater than its axial dimension or length. The winding on the low-voltage side is thus designed as a narrow upright winding, so that there can be a correspondingly large distance between the end face of the secondary winding on which the end of the primary winding connected to the semiconductor switch is arranged and the secondary winding.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung eine Hilfsspannungswicklung angeordnet, die derart mit einer Ansteuerelektronik für den Halbleiterschalter verbunden ist, dass sie als Stromversorgung für die Ansteuerelektronik nutzbar ist. Dadurch kann die Ansteuerelektronik verlustarm mit einer gegenüber der Netzspannung reduzierten Betriebsspannung versorgt werden.In an advantageous embodiment of the invention, an auxiliary voltage winding is arranged between the primary winding and the secondary winding, and is connected to control electronics for the semiconductor switch in such a way that it can be used as a power supply for the control electronics. As a result, the control electronics can be supplied with a low operating voltage compared to the mains voltage.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Anschlüsse für den Niederspannungsverbraucher mit Messsignaleingängen einer Spannungsmesseinrichtung verbunden, deren Messsignalausgang an einer eine Referenzspannungsquelle aufweisenden Vergleichseinrichtung angeschlossen ist, wobei die Vergleichseinrichtung zur Bildung eines geschlossenen Regelkreises über einen Regler mit der Ansteuerelektronik verbunden ist, und wobei zwischen dem Regler und der Ansteuerelektronik vorzugsweise ein Optokoppler angeordnet ist. Die an der Sekundärwicklung anliegende elektrische Spannung wird also geregelt, indem sie gemessen und mit einer Referenzspannung verglichen wird, und indem beim
Auftreten einer Regelabweichung das Ansteuersignal für den Halbleiterschalter derart verändert wird, dass die Regelabweichung reduziert oder beseitigt wird. Dabei wird durch den Optokoppler die galvanische Trennung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung ermöglicht.In a preferred embodiment, the connections for the low-voltage consumer are connected to measurement signal inputs of a voltage measurement device, the measurement signal output of which is connected to a comparison device having a reference voltage source, the comparison device being connected to the control electronics via a controller to form a closed control circuit, and between the controller and an optical coupler is preferably arranged in the control electronics. The electrical voltage applied to the secondary winding is therefore regulated by measuring and comparing it with a reference voltage, and by the If a control deviation occurs, the control signal for the semiconductor switch is changed in such a way that the control deviation is reduced or eliminated. The optocoupler enables electrical isolation between the primary winding and the secondary winding.
Die Taktfrequenz des Wandlers ist vorzugsweise größer als 25 kHz. Der Transformator kann dann sehr kompakte Abmessungen aufweisen.The clock frequency of the converter is preferably greater than 25 kHz. The transformer can then have very compact dimensions.
Vorteilhaft ist, wenn der Halbleiterschalter, die Ansteuerschaltung und die Eingangsspannungsquelle auf der einen Seite des Transformators und die Gleichrichterschaltung und gegebenenfalls die Messeinrichtung und der Regelkreis auf der gegenüberliegenden anderen Seite des Transformators angeordnet sind. Die Sekundärseite des Schaltnetzteils ist dann noch besser gegen elektromagnetische Störungen, die auf der Primärseite auftreten, abgeschirmt.It is advantageous if the semiconductor switch, the control circuit and the input voltage source are arranged on one side of the transformer and the rectifier circuit and optionally the measuring device and the control circuit on the opposite other side of the transformer. The secondary side of the switching power supply is then even better shielded from electromagnetic interference that occurs on the primary side.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Schaltnetzteil ein Gehäuse auf; in dessen Innenhöhlung die Eingangsspannungsquelle, und der Wandler angeordnet sind, wobei das Gehäuse elektrisch leitend mit einem der Anschlüsse für den Niederspannungsverbraucher verbunden ist. Das Schaltnetzteil erfüllt dann noch höhere Anforderungen an die Funkentstörung. Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus Metall. Es kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, wie zum Beispiel aus Kunststoff bestehen, der mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen ist.In a preferred embodiment of the invention, the switching power supply has a housing; in the inner cavity of which the input voltage source and the converter are arranged, the housing being electrically conductively connected to one of the connections for the low-voltage consumer. The switching power supply then meets even higher requirements for radio interference suppression. The housing is preferably made of metal. But it can also consist of an electrically insulating material, such as plastic, which is provided with an electrically conductive coating.
Das Gehäuse ist vorzugsweise röhrenförmig ausgebildet, wobei die durch die Eingangsspannungsquelle sowie den Wandler gebildete elektrische Schaltung und der Niederspannungsverbraucher in Axialrichtung des Gehäuses in dessen Innenhöhlung hintereinander angeordnet und vorzugsweise durch einen Zwischenraum voneinander beabstandet sind. Dabei ist das Schaltnetzteil bevorzugt mit seiner Sekundärseite dem Niederspannungsverbraucher zugewandt.The housing is preferably tubular, the electrical circuit formed by the input voltage source and the converter and the low voltage consumer being arranged one behind the other in the axial direction of the housing in its inner cavity and preferably being spaced apart from one another by a space. The switched-mode power supply preferably faces the low-voltage consumer with its secondary side.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schaltbild eines einen Resonanzsperrwandler und einen Transformator aufweisenden Schaltnetzteils, undAn exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It shows: Fig. 1 is a circuit diagram of a resonance flyback converter and a transformer switching power supply, and
Fig.2 einen Querschnitt durch den Transformator des Schaltnetzteils.2 shows a cross section through the transformer of the switching power supply.
Ein Schaltnetzteil zur Stromversorgung von Niederspannungsverbrauchern aus einer Netzspannungsquelle, nämlich dem öffentlichen Wechselspannungsnetz, weist eine in Fig. 1 im Ganzen mit 1 bezeichnete Eingangsspannungsquelle oder Eingangsstufe auf Diese hat einen Brückengleichrichter 2, der mit seinen Eingangsanschlüssen 3a, 3b über eine Schmelzsicherung Fl mit der Netzspannungsquelle verbindbar ist. Die Ausgangsanschlüsse oder Pole 4a, 4b des Brückengleichrichters 2 sind über einen EMV-Filter 5 mit einem ersten Elektrolyt-Kondensator C4 verbunden, der zur Glättung der von dem Brückengleichrichter 2 gleichgerichteten Netz- Wechselspannung dient.A switched-mode power supply for the power supply of low-voltage consumers from a mains voltage source, namely the public AC voltage network, has an input voltage source or input stage, designated as a whole in FIG. 1, which has a bridge rectifier 2, which with its input connections 3a, 3b has a fuse F1 with the mains voltage source via a fuse F1 is connectable. The output connections or poles 4a, 4b of the bridge rectifier 2 are connected via an EMC filter 5 to a first electrolytic capacitor C4, which is used to smooth the mains AC voltage rectified by the bridge rectifier 2.
Die Eingangsspannungsquelle 1 speist einen in Fig.! im Ganzen mit ό bezeichneten getakteten Gleichspannungs-Gleic spannungs-Wandler, der zur galvanischen Trennung der Netzseite von der Niederspannungsseite einen Transformator 7 mit einer Primärwicklung 8, einer Sekundärwicklung 9 und einer Hilfsspannungswick- lung 10 hat, die auf einem als Blechpaket ausgebildeten weichmagnetischen Kern 1 1 angeordnet sind. Anstelle des Blechpakets kann auch ein Kern 1 1 aus Ferritmaterial vorgesehen sein. In dem Kern 1 1 ist ein geschlossener magnetischer Kreis gebildet, der die Primärwicklung 8, die Sekundärwicklung 9 und die Hilfsspan- nungswicklung 10 durchsetzt. Die Primärwicklung 8 des Transformators 7 ist mit ihrem einen Wicklungsanschluss mit einem ersten Pol 4a der Eingangsspannungsquelle 1 und mit ihrem anderen Wicklungsanschluss mit einem Drain-Anschluss eines als Feldeffekttransistor ausgebildeten taktgesteuerten Halbleiterschalters VI verbunden. Der Source-Anschluss des Halbleiterschalters VI ist über einen ersten ohmschen Widerstand R9 an einem zweiten Pol 4b der Eingangsspannungsquelle 1 oder Eingangsstufe angeschlossen.The input voltage source 1 feeds one in Fig.! generally designated mit clocked DC-to-DC voltage converter which has a transformer 7 with a primary winding 8, a secondary winding 9 and an auxiliary voltage winding 10 for galvanic isolation of the network side from the low-voltage side, which has a soft magnetic core 1 designed as a laminated core 1 are arranged. Instead of the laminated core, a core 11 made of ferrite material can also be provided. A closed magnetic circuit is formed in the core 11, which passes through the primary winding 8, the secondary winding 9 and the auxiliary voltage winding 10. The primary winding 8 of the transformer 7 is connected with its one winding connection to a first pole 4a of the input voltage source 1 and with its other winding connection to a drain connection of a clock-controlled semiconductor switch VI designed as a field effect transistor. The source connection of the semiconductor switch VI is connected via a first ohmic resistor R9 to a second pole 4b of the input voltage source 1 or input stage.
Die Sekundärwicklung 9 des Transformators 7 ist mit ihrem einen Wicklungsanschluss über einen Gleichrichter Dl mit einem ersten Anschluss 12a und mit ihrem anderen Wicklungsanschluss mit einem zweiten Anschluss 12b für den Nieder-
spαnnungsverbrαucher verbunden. Parallel zu den Anschlüssen 12a, 12b ist ein zweiter Elektrolyt-Kondensator C3 geschaltet, der als Puffer und zur Siebung dient.The secondary winding 9 of the transformer 7 is connected with one winding connection via a rectifier Dl with a first connection 12a and with its other winding connection with a second connection 12b for the low voltage consumption connected. A second electrolytic capacitor C3, which serves as a buffer and for screening, is connected in parallel with the connections 12a, 12b.
Der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler ό ist als Resonanzsperrwandler ausgebildet und weist einen ersten Kondensator C5 auf; der mit der Primärwicklung 8 einen Reihenschwingkreis bildet. Der Kondensator C5 ist dazu mit seinem einen Pol an dem an dem Drain-Anschluss des Halbleiterschalters VI angeschlossenen Wicklungsanschluss der Primärwicklung 8 und mit seinem anderen Pol mit einem ersten Knotenpunkt 13 verbunden, der über einen zweiten Widerstand R8 an dem zweiten Pol 4b der Eingangsspannungsquelle angeschlossen ist. Der erste Knotenpunkt 1 3 ist außerdem an der Basis eines ersten Transistors V2 einer Ansteuerelektronik für den Halbleiterschalter VI angeschlossenen. Der Kollektor des Transistors V2 ist mit einem zweiten Kontenpunkt 14 verbunden, der einerseits über eine Diode D7 an dem Gate-Anschluss des Haibleiterschalters VI und andererseits am Kollektor eines zweiten Transistors V3 der Ansteuerelektronik angeschlossen ist. Die Emitter der Transistoren V2, V3 sind mit am zweiten Pol 4b der Eingangsspannungsquelle 1 angeschlossen. Die Basis des zweiten Transistors V3 ist über einen dritten Widerstand Rl 2 am Source-Anschluss des Halbleiterschalters VI und über einen vierten Widerstand Rl 1 an einem Spannungsteileranschluss eines den ersten Pol 4a mit dem zweiten Pol 4b der Eingangsspannungsquelle 1 verbindenden Spannungsteilers R4, RI O, R7 angeschlossen. Ein weiterer Spannungsteileranschluss der Spannungsteilers R4, Rl 0, R7 ist über einen Widerstand R6 mit dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters VI verbunden. Dieser Spannungsteileranschluss ist außerdem über einen zweiten Kondensator Cl an einem ersten Anschluss der Hilfsspan- nungswicklung 10 angeschlossen. Ein zweiter Anschluss der Hilfsspannungswicklung 10 ist mit dem zweiten Pol 4b der Eingangsspannungsquelle verbunden. Über die Hilfsspannungswicklung 10 wird die Ansteuerelektronik verlustarm mit einer Betriebsspannung versorgt, die kleiner ist als die Netzspannung. Die an der Hilfsspannungswicklung 10 anliegende Spannung ist so dimensioniert, dass eine magnetische Sättigung des weichmagnetischen Werkstoffs des Transformator-Kerns 11 vermieden wird. Durch den aus der Primärwicklung 8 und dem Kondensator C5 gebildeten Resonanzkreis ergibt sich in dem Primärkreis eine sinusartiger Stromverlauf mit geringer Steilheit. Dadurch kann ein Entstör-Kondensator zwischen der Primärwicklung 8 und der Sekundärwicklung 9 eingespart werden, wodurch die Koppelkapazität zwischen der Primärwicklung 8 und der Sekundärwicklung 9
entsprechend reduziert ist. Dennoch weist das Schaltnetzteil auch ohne einen Entstör-Kondensator nur eine sehr geringe Störsignalsausendung aufThe DC-DC converter ό is designed as a resonance flyback converter and has a first capacitor C5; which forms a series resonant circuit with the primary winding 8. For this purpose, the capacitor C5 is connected with its one pole to the winding connection of the primary winding 8 connected to the drain connection of the semiconductor switch VI and with its other pole to a first node 13, which is connected via a second resistor R8 to the second pole 4b of the input voltage source is. The first node 1 3 is also connected to the base of a first transistor V2 of control electronics for the semiconductor switch VI. The collector of transistor V2 is connected to a second account point 14, which is connected on the one hand via a diode D7 to the gate connection of the semiconductor switch VI and on the other hand to the collector of a second transistor V3 of the control electronics. The emitters of the transistors V2, V3 are connected to the second pole 4b of the input voltage source 1. The base of the second transistor V3 is connected via a third resistor Rl 2 at the source connection of the semiconductor switch VI and via a fourth resistor Rl 1 to a voltage divider connection of a voltage divider R4, RI O, connecting the first pole 4a to the second pole 4b of the input voltage source 1. R7 connected. Another voltage divider connection of the voltage divider R4, Rl 0, R7 is connected via a resistor R6 to the gate connection of the semiconductor switch VI. This voltage divider connection is also connected via a second capacitor C1 to a first connection of the auxiliary voltage winding 10. A second connection of the auxiliary voltage winding 10 is connected to the second pole 4b of the input voltage source. Via the auxiliary voltage winding 10, the control electronics are supplied with an operating voltage that is less than the mains voltage with little loss. The voltage applied to the auxiliary voltage winding 10 is dimensioned such that magnetic saturation of the soft magnetic material of the transformer core 11 is avoided. The resonance circuit formed from the primary winding 8 and the capacitor C5 results in a sinusoidal current profile with low steepness in the primary circuit. As a result, an interference suppression capacitor between the primary winding 8 and the secondary winding 9 can be saved, as a result of which the coupling capacitance between the primary winding 8 and the secondary winding 9 is reduced accordingly. Nevertheless, the switching power supply has only a very low interference signal emission even without an interference suppression capacitor
In Fig. 2 ist erkennbar, dass die Primärwicklung 8 mehrere Wicklungslagen aufweist und dass die Hilfsspannungswicklung 10 am Außenumfang der Primärwicklung 8 angeordnet ist. Ferner ist erkennbar, dass die Sekundärwicklung 9 auf der Hilfsspannungswicklung 10 angeordnet ist. Zwischen der Primärwicklung 8 und der Hilfsspannungswicklung 10 ist ein erste elektrische Isolationsschicht 15 angeordnet, deren Dicke in radialer Richtung etwa 0,1 Millimeter beträgt. Zwischen der Hilfsspannungswicklung 10 und der Sekundärwicklung 9 ist ein zweite elektrische Isolationsschicht 16 angeordnet, deren Dicke d in radialer Richtung etwa 0,35 Millimeter beträgt. An ihrem Außenumfang ist die Sekundärwicklung 9 durch eine dritte elektrische Isolationsschicht 19 abgedeckt, die als Decklage dient. Vor allem durch die zweite Isolationsschicht 16 sind die Primärwicklung und Sekundärwicklung weitestgehend kapazitiv entkoppelt. Durch diese Maßnahme wird in Kombination mit dem fehlenden Entstör-Kondensator zwischen der Primärwicklung 8 und der Sekundärwicklung 9 eine sehr geringe Koppelkapazität zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des Transformators 7 und somit ein entsprechend geringer Ableitstrom erreicht, der typischerweise kleiner als 1 Mikroampere ist. Die Koppelkapazität ist typischerweise kleiner als 25 Pikofarad.It can be seen in FIG. 2 that the primary winding 8 has a plurality of winding layers and that the auxiliary voltage winding 10 is arranged on the outer circumference of the primary winding 8. It can also be seen that the secondary winding 9 is arranged on the auxiliary voltage winding 10. A first electrical insulation layer 15 is arranged between the primary winding 8 and the auxiliary voltage winding 10, the thickness of which in the radial direction is approximately 0.1 millimeter. A second electrical insulation layer 16 is arranged between the auxiliary voltage winding 10 and the secondary winding 9, the thickness d of which in the radial direction is approximately 0.35 millimeters. On its outer circumference, the secondary winding 9 is covered by a third electrical insulation layer 19, which serves as a cover layer. Primarily through the second insulation layer 16, the primary winding and secondary winding are largely capacitively decoupled. This measure, in combination with the lack of interference suppression capacitor between the primary winding 8 and the secondary winding 9, results in a very low coupling capacitance between the primary side and the secondary side of the transformer 7 and thus a correspondingly low leakage current, which is typically less than 1 microampere. The coupling capacity is typically less than 25 picofarads.
Um den Burstspannungsdurchgriff von der Primärseite auf die Sekundärseite des Transformators zu reduzieren, ist die Wicklungslage der Primärwicklung, deren Ende 1 8 mit dem Halbleiterschalter VI verbunden ist, dem weichmagnetischen Transformator-Kern 1 1 und die Wicklungslage, deren Ende 19 mit dem ersten Pol 4a der Eingangsspannungsquelle 1 verbunden ist, der Hilfsspannungswicklung 10 und der Sekundärwicklung 9 zugewandt. In Fig. 2 ist ferner erkennbar, dass die Sekundärwicklung 9 die Hilfsspannungswicklung 9 und die Primärwicklung 8 nur teilweise überdeckt, und dass zwischen der Sekundärwicklung 9 und der Stirnseite der Primärwicklung 8, an der das mit dem Halbleiterschalter VI verbundene Ende 1 8 der Primärwicklung 8 angeordnet ist, ein Abstand a vorgesehen ist.In order to reduce the burst voltage penetration from the primary side to the secondary side of the transformer, the winding position of the primary winding, the end 1 8 of which is connected to the semiconductor switch VI, is the soft magnetic transformer core 1 1 and the winding position, the end 19 of which is connected to the first pole 4a is connected to the input voltage source 1, facing the auxiliary voltage winding 10 and the secondary winding 9. 2 that the secondary winding 9 only partially covers the auxiliary voltage winding 9 and the primary winding 8, and that between the secondary winding 9 and the end face of the primary winding 8, at which the end 18 of the primary winding 8 connected to the semiconductor switch VI is arranged, a distance a is provided.
In Fig. 1 ist erkennbar, dass die Anschlüsse 12a, 12b für den Niederspannungsverbraucher mit einer integrierten Schaltung D4 verbunden ist, die eine Referenzspannungsquelle und eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der zwischen
den Anschlüsse 12α, 12b anliegenden Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung aufweist. Die integrierte Schaltung D4 enthält außerdem einen Regler, der eine von der Abweichung zwischen der gemessenen Ausgangsspannung und der Referenzspannung abhängige Steuerspannung generiert, welche eine Leuchtdiode eines Optokopplers OI speist. Eine im Abstrahlbereich der Leuchtdiode angeordnete Photozelle des Optokopplers OI ist zur Regelung der zwischen den Anschlüsse 12a, 12b anliegenden Ausgangsspannung mit einem Stelleingang der Ansteuerelektronik verbunden.In Fig. 1 it can be seen that the connections 12a, 12b for the low-voltage consumer is connected to an integrated circuit D4, which is a reference voltage source and a comparison device for comparing the between has the output voltage applied to the terminals 12α, 12b with a reference voltage. The integrated circuit D4 also contains a regulator which generates a control voltage which is dependent on the deviation between the measured output voltage and the reference voltage and which feeds a light-emitting diode of an optocoupler OI. A photocell of the optocoupler OI arranged in the radiation area of the light-emitting diode is connected to a control input of the control electronics in order to regulate the output voltage present between the connections 12a, 12b.
Das Netzteil zur Stromversorgung von Niederspannungsverbrauchern aus dem öffentlichen Netz weist einen Transformator 7, einen getakteten Wandler ό zur galvanischen Trennung der Netzseite und der Niederspannungsseite und ein geerdetes Gehäuse auf Die Koppelkapazität zwischen den Wicklungen des Transformators 7 ist durch einen speziellen Wicklungslagenaufbau verringert. Für den getakteten Wandler 6 ist ein Schaltverfahren gewählt, bei dem die Steilheiten der geschalteten Transformatorströme gering sind. Die Taktfrequenz des Wandlers ό ist größer als 25kHz gewählt.
The power supply unit for the power supply of low-voltage consumers from the public network has a transformer 7, a clocked converter ό for the electrical isolation of the network side and the low-voltage side and a grounded housing. The coupling capacity between the windings of the transformer 7 is reduced by a special winding layer structure. A switching method is selected for the clocked converter 6 in which the steepness of the switched transformer currents is low. The clock frequency of the converter ό is selected to be greater than 25 kHz.