DE10002326C2 - Schaltnetzteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil, bei dem eine Wech­ selspannung an den Wechselspannungseingängen eines Brücken­ gleichrichters liegt, an dessen Gleichspannungsausgängen eine Parallelschaltung aus einem Elektrolytkondensator und aus ei­ ner Reihenschaltung, bestehend aus der Primärwicklung eines Übertragers und aus einem steuerbaren Schalter, angeschlossen ist, dessen Steuereingang mit dem Ausgang einer Steuereinheit verbunden ist, und bei dem parallel zur Sekundärwicklung des Übertragers eine Reihenschaltung aus einer ersten Diode und einer ersten Kapazität liegt.

Schaltnetzteile, die eine geregelte Ausgangsspannung erzeu­ gen, sind mit einem Übertrager ausgestattet, an dessen Pri­ märwicklung die Gleichspannungsausgänge eines Gleichrichters, z. B. eines Brückengleichrichters, mittels eines steuerbaren Schalters anschließbar sind, der von einer Steuereinheit oder von einem Regler geschaltet wird. Parallel zur Sekundärwick­ lung des Übertragers liegt eine Reihenschaltung aus einer Di­ ode und einer Kapazität, an der die geregelte Ausgangsspan­ nung abnehmbar ist. Der steuerbare Schalter wird in Abhängig­ keit von der Last am Ausgang des Schaltnetzteiles durch von der Steuereinheit oder vom Regler erzeugte Schaltimpulse ge­ öffnet und geschlossen.

Aufgrund ihrer Bauweise sind Schaltnetzteile kurzschlusssi­ cher bezüglich Kurzschlüssen an ihrem Ausgang. Es ist be­ kannt, mittels eines Shunt-Widerstandes den Primärstrom durch den steuerbaren Schalter und die Primärwicklung zu messen, um auch auf der Primärseite einen Kurzschlussschutz zu gewähr­ leisten.

Ein Nachteil dieses Kurzschlussschutzes liegt darin, dass im Shunt-Widerstand Verluste auftreten.

Aus der JP 08126307 A (Patent Abstracts of Japan) ist ein Schaltnetzteil mit einem Brückengleichrichter, an dessen Aus­ gang eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und aus ei­ ner Reihenschaltung mit einer Primärwicklung eines Übertra­ gers und einem steuerbaren Schalter angeschlossen ist, be­ kannt. Parallel zu einer Sekundärwicklung des Übertragers ist dabei eine Reihenschaltung mit einer Diode und einem weiteren Kondensator geschaltet. Der steuerbare Schalter wird abge­ schaltet, wenn die Spannung über dem Kondensator unter einen vorgebbaren Schwellenwert abgesunken ist. Die Ansteuerung des Schalters erfolgt dabei mittels eines Biponatransistors, der über einen Widerstand an den Gate-Anschluss des MOSFET ange­ schlossen ist. Die Ansteuerung dieses Biponatransistors er­ folgt mittels einer Reihenschaltung aus einer Zeneriode und einem Widerstand, die parallel zu dem Kondensator geschaltet ist, wobei der Bipolatransistor zu leiten und der MOSFET zu sperren beginnt, wenn die Spannung über dem Kondensator in etwa auf den Wert der Durchbruchspannung der Zeneriode abge­ sunken ist.

Aus der JP 1-278228 (Patent Abstracts of Japan) ist ein Schaltnetzteil zur Ansteuerung einer Last bekannt, das einen über eine Induktivität und eine Diode an Eingangsklemmen an­ geschlossenen Kondensator aufweist, dessen Spannung von einem Spannungsdetektor ausgewertet wird. Die Spannungsdetektor­ schaltung steuert über eine Schaltungsanordnung einen den Eingangsklemmen nachgeschalteten Unterbrecher des Schaltnetz­ teils an.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein gegen Kurzschluss ge­ schütztes Schaltnetzteil so zu gestalten, dass nur eine ver­ nachlässigbar kleine Verlustleistung auftritt.

Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass pa­ rallel zum Elektrolykondensator ein kapazitiver Spannungstei­ ler aus einer zweiten und einer dritten Kapazität liegt, des­ sen Mittelabgriff mit dem ersten Eingang eines Vergleichers verbunden ist, an dessen zweitem Eingang eine Referenzspan­ nung liegt und dessen Ausgang mit dem Steuereingang der Steu­ ereinheit verbunden ist.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass ein Elektro­ lytkondensator eine Reihenschaltung aus einem Ersatzserienwi­ derstand, einer Induktivität und der eigentlichen Kapazität darstellt. Weil bei einem Kurzschluss der Primärstrom an­ steigt, sinkt die Spannung am Elektrolytkondensator wegen des Spannungsabfalls an seinem Ersatzserienwiderstand ab. Die Spannung am Elektrolytkondensator wird in einem Vergleicher mit einer Referenzspannung verglichen, die als Schwellwert dient. Sinkt die Spannung am Elektrolytkondensator infolge eines Kurzschlusses, unabhängig davon an welcher Stelle der Kurzschluss liegt, auf den Schwellwert ab, so wird der steu­ erbare Schalter geöffnet und damit das Schaltnetzteil ausge­ schaltet.

Die Erfindung stellt daher einen perfekten Kurzschlussschutz für ein Schaltnetzteil dar, denn sie schaltet das Schaltnetz­ teil aus, wenn an irgendeiner Stelle ein Kurzschluss auf­ tritt. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass kein Verluste erzeugender Shunt-Widerstand mehr erfor­ derlich ist. Der erfindungsgemäße Kurzschlussschutz arbeitet nahezu verlustlos.

Die Erfindung wird nun anhand der in den Figuren abgebildeten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge­ mäßen Schaltnetzteiles,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsge­ mäßen Schaltnetzteiles,

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild eines Elektrolykondensators und

Fig. 4 Impulsdiagramme des erfindungsgemäßen Schaltnetz­ teiles.

Bei dem in der Fig. 1 abgebildeten ersten Ausführungsbei­ spiel eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteiles liegt eine Wechselspannung UW an den Wechselspannungseingängen eines Brückengleichrichter BR, an dessen Gleichspannungsausgängen eine Parallelschaltung aus einem Elektrolytkondensator Cp und einer Reihenschaltung, bestehend aus der Primärwicklung Lp eines Übertragers Ü und einem steuerbaren Schalter T1, ange­ schlossen ist. Parallel zur Sekundärwicklung Ls des Übertra­ gers Ü liegt eine Reihenschaltung aus einer Diode D2 und ei­ ner Kapazität C3. Parallel zum Elektrolytkondensator Cp liegt ein kapazitiver Spannungsteiler aus einer Kapazität C1 und C2, dessen Mittelabgriff mit dem ersten Eingang eines Ver­ gleichers K verbunden ist. Parallel zur Kapazität C2 liegt eine Diode D1. Eine Spannung Vp liegt über einen Widerstand R2 am ersten Eingang des Vergleichers K, um ihn auf das Ruhe­ potential zu klemmen. Am zweiten Eingang des Vergleichers K liegt eine Referenzspannung Vs. Der Ausgang des Vergleichers K ist mit dem Steuereingang einer Steuereinheit SE verbunden, deren Steuerausgang mit dem Steuereingang des steuerbaren Schalters T1 verbunden ist.

Weil bei einem Kurzschluss der Primärstrom Ip durch den Elek­ trolytkondensator Cp stark ansteigt, sinkt die Spannung am Elektrolytkondensator Cp und somit auch das Potential am Mit­ telabgriff des kapazitiven Spannungsteilers aus den Kapazitä­ ten C1 und C2. Wenn das Potential am Mittelabgriff des kapa­ zitiven Spannungsteilers unter die Referenzspannung Vs sinkt, gibt der Vergleicher K ein Steuersignal an die Steuereinheit SE ab, die daraufhin sofort den steuerbaren Schalter T1 öff­ net. Auf diese Weise wird ein sicherer Kurzschlussschutz er­ zielt, unabhängig davon, an welcher Stelle im Schaltnetzteil der Kurzschluss auftritt.

In der Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines er­ findungsgemäßen Schaltnetzteiles gezeigt.

An den Wechselspannungseingängen eines Brückengleichrichters BR liegt eine Wechselspannung UW. An die Gleichspannungsaus­ gänge des Brückengleichrichters BR ist eine Parallelschaltung aus einem Elektrolytkondensator Cp und einer Reihenschaltung, bestehend aus der Primärwicklung Lp eines Übertragers Ü und der Strecke eine Feldeffekttransistors T1, angeschlossen. Parallel zur Strecke des Feldeffekttransistors T1 liegt eine Kapazität Cs. Parallel zum Elektrolytkondensator Cp liegt ein kapazitiver Spannungsteiler, der als Reihenschaltung aus ei­ ner Kapazität C1, einem Widerstand R1 und einer Kapazität C2 aufgebaut ist. Der gemeinsame Verbindungspunkt des Widerstan­ des R1 und der Kapazität C2 ist mit dem ersten Eingang eines Vergleichers K verbunden, an dessen zweitem Eingang eine Re­ ferenzspannung Vs liegt. Parallel zur Kapazität C2 liegt eine Diode D1. Eine Spannung Vp liegt über einen Widerstand R2 am ersten Eingang des Vergleichers K, dessen Ausgang mit dem Setzeingang einer bistabilen Kippstufe EFF, beispielsweise ein Flip-Flop, verbunden ist. Der Ausgang der bistabilen Kippstufe ist mit dem Steuereingang einer Steuereinheit SE verbunden, deren Ausgang mit der Gate-Elektrode des Feldef­ fekttransistors T1 verbunden ist. Auf der Sekundärseite des Schaltnetzteiles liegt eine Reihenschaltung aus einer Diode D2 und einer Kapazität C3, an der die geregelte Ausgangsspan­ nung des Schaltnetzteiles abnehmbar ist, parallel zur Sekun­ därwicklung Ls des Übertragers Ü.

In der Fig. 3 ist das Ersatzschaltbild eines Elektrolytkon­ densators gezeigt, das eine Reihenschaltung aus einer Induk­ tivität L, einem Ersatzserienwiderstand R und aus der eigent­ lichen Kapazität C darstellt. Wenn der Strom durch den Elek­ trolytkondensator Cp ansteigt, wie es bei einem Kurzschluss der Fall ist, steigt auch der Strom durch den Ersatzserienwi­ derstand R an und verursacht an diesem Widerstand einen Span­ nungsabfall. Wegen des Spannungsabfalls am Ersatzserienwider­ stand R sinkt das Potential am Elektrolytkondensator Cp ab; es wird gegen Masse gezogen. Wenn die Spannung am Elektrolyt­ kondensator Cp sinkt, nimmt auch das Potential am ersten Ein­ gang des Vergleichers K ab. Wenn das Potential am Eingang des Vergleichers K unter die Referenzspannung Vs sinkt, gibt der Vergleicher K ein Signal an die bistabile Kippstufe EFF ab, die ein Steuersignal an die Steuereinheit SE abgibt, die so­ fort den Feldeffekttransistor T1 sperrt. Bei gesperrtem Fel­ deffekttransistor T1 fließt weder im Primärkreis noch im Se­ kundärkreis des Schaltnetzteiles ein Strom, so dass ein per­ fekter Kurzschlussschutz erzielt wird.

Das Ruhepotential am ersten Eingang des Vergleichers K wird durch die Spannung Vp, den Widerstand R2 sowie die Klemmdiode D1 bestimmt. Die Kondensatoren C1 und C2 bilden den kapaziti­ ven Spannungsteiler. Der Widerstand R1 bildet zusammen mit der Kapazität C2 einen Tiefpass zum Dämpfen vorhandener HF- Anteile. Die Kapazität Cs dient als sogenannter "Snubber- Kondensator". Weil anstelle eines Shunt-Widerstandes ein ka­ pazitiver Spannungsteiler vorgesehen ist, ist die Verlustlei­ stung des Kurzschlussschutzes vernachlässigbar klein. Der Vergleicher K, die bistabile Kippstufe EFF sowie die Steuer­ einheit SE lassen sich in geeigneter Weise in einem inte­ grierten Schaltkreis IC1 realisieren.

In der Fig. 4 sind Impulsdiagramme des in Fig. 2 abgebilde­ ten Schaltnetzteiles dargestellt.

Im Normalbetrieb steigt der Primärstrom Ip zwischen den Zeit­ punkten t0 und t1 innerhalb der zulässigne Grenze an.

Wegen eines Kurzschlusses steigt der Primärstrom Ip zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 stark an. Die am Mittelabgriff des kapazitiven Spannungsteilers abgegriffene und an den ersten Eingang des Vergleichers K gelegte Spannung Vcp1 sinkt daher weiter ab. Sobald sie zum Zeitpunkt t3 unter die Referenz­ spannung Vs sinkt, gibt der Vergleicher K ein Steuersignal an die Steuereinheit SE, welche den Feldeffekttransistor T1 sperrt. Dadurch steigt die Spannung VD an der Primärwicklung Lp des Übertragers Ü an, während gleichzeitig der Primärstrom Ip schlagartig auf den Wert 0 absinkt und das Potential Vcp1 am ersten Eingang des Vergleichers K wieder ansteigt.

Das erfindungsgemäße Schaltnetzteil hat den Vorteil, dass es unabhängig vom Ort des Kurzschlusses sofort ausgeschaltet wird.

Claims (8)

1. Schaltnetzteil, bei dem eine Wechselspannung (UW) an den Wechselspannungseingängen eines Brückengleichrichters (BR) liegt, an dessen Gleichspannungsausgängen eine Parallelschal­ tung aus einem Elektrolytkondensator (Cp) und aus einer Rei­ henschaltung, bestehend aus der Primärwicklung (Lp) eines Ü­ bertragers (Ü) und aus einem steuerbaren Schalter (T1), ange­ schlossen ist, dessen Steuereingang mit dem Ausgang einer Steuereinheit (SE) verbunden ist, und bei dem parallel zur Sekundärwicklung (Ls) des Übertragers (Ü) eine Reihenschal­ tung aus einer ersten Diode (D2) und einer ersten Kapazität (C3) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Elektrolytkondensator (Cp) ein kapazitiver Spannungstei­ ler aus einer zweiten und einer dritten Kapazität (C1, C2) liegt, dessen Mittelabgriff mit dem ersten Eingang eines Vergleichers (K) verbunden ist, an dessen zweitem Eingang ei­ ne Referenzspannung (Vs) liegt und dessen Ausgang mit dem Steuereingang der Steuereinheit (SE) verbunden ist.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Kapazitäten (C1, C2) des kapazitiven Spannungstei­ lers ein erster Widerstand (R1) liegt.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Span­ nung (Vp) über einen zweiten Widerstand (R2) am ersten Ein­ gang des Vergleichers (K) liegt und dass eine zweite Diode (D1) parallel zur an den ersten Eingang des Vergleichers (K) angeschlossenen Kapazität (C2) des kapazitiven Spannungstei­ lers liegt.

4. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum steuerbaren Schalter (T1) eine vierte Kapazität (Cs) liegt.

5. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang der Vergleichers (K) und dem Eingang der Steuer­ einheit (SE) eine bistabile Kippstufe (EFF) liegt.

6. Schaltnetzteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die bi­ stabile Kippstufe (EFF) ein Flip-Flop vorgesehen ist.

7. Schaltnetzteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ver­ gleicher (K), die bistabile Kippstufe (EFF) sowie die Steuereinheit (SE) als integrierter Schaltkreis (IC1) reali­ siert sind.

8. Schaltnetzteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den steuerbaren Schalter (T1) ein Feldeffekttransistor vorgesehen ist.