Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Stromversorgung anzugeben,
die einen hohen Wirkungsgrad insbesondere bei geringen Abmessungen
aufweist.
Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des
unabhängigen
Patentanspruchs gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Unter
dem Begriff Stromversorgung wird vorliegend insbesondere eine Schaltungsanordnung verstanden,
die elektrische Leistung bereitstellt bzw. bereitgestellt elektrische
Leistung, z.B. aus einem Stromversorgungsnetz modifiziert. Weiterhin
kann dabei die Stromversorgung auch als Teil einer Schaltung, die
ebendiese Eigenschaften aufweist ausgeführt sein, also z.B. als Teil
eines Netzteils, eines Netzgeräts,
eines Schaltnetzteils oder eines Schaltnetzgeräts.
Zur
Lösung
der Aufgabe wird eine Stromversorgung angegeben, die einen Hochsetzer,
ein Resonanzwandler und eine Steuereinheit umfaßt. Der Hochsetzer ist mit
dem Resonanzwandler verbunden, wobei der Hochsetzer und der Resonanzwandler
jeweils mit der primären
Steuereinheit verbunden sind.
Eine
Weiterbildung besteht darin, dass ein Tiefsetzer dem Hochsetzer
vorangestellt ist, wobei der Tiefsetzer mit der Steuereinheit verbunden
ist.
Das
zu bearbeitende Signal, insbesondere die anzupassende (Netz-)Spannung
wird dabei optional von dem Tiefsetzer zu dem Hochsetzer in den Resonanzwandler übertragen.
Die primäre
Steuereinheit übernimmt
vorteilhaft die Ansteuerung insbesondere der aktiven Bauelemente
des Tiefsetzers, des Hochsetzers und des Resonanzwandlers. Durch die
vorgestellte Anordnung, insbesondere die Kombination der dargestellten
Komponenten Tiefsetzer, Hochsetzer und Resonanzwandler in Kombination mit
der primären
Steuereinheit, ist es möglich,
eine Stromversorgung mit besonders hoher Effizienz, d.h. mit einem
besonders hohen Wirkungsgrad, bereitzustellen. So ist beispielsweise
ein Wirkungsgrad in der Größenordnung
von 95% an einem Drehstromnetz möglich,
wobei insbesondere – durch
die reduzierte Wärmeentwicklung
der Stromversorgung – die Stromversorgung
in einem kleinen Gehäuse
Platz findet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zur Abkopplung
des Eingangssignals kein gesonderter Elektrolytkondensator am Eingang
notwendig ist, was weiterhin die Effizienz der vorgestellten Stromversorgung
steigert.
Eine
Weiterbildung besteht darin, dass die sekundäre Gleichrichtereinheit aktiv
oder passiv ausgeführt
ist. Insbesondere bei aktiv ausgeführter sekundärer Gleichrichtereinheit,
also sofern aktive Bauelemente, z.B. elektronische Schalter wie
Bipolartransistoren, IGBTs oder Mosfets vorhanden sind, werden bevorzugt
diese aktiven Bauelemente von der primären Steuereinheit angesteuert.
Im
Rahmen einer anderen Weiterbildung sind der Tiefsetzer, der Hochsetzer,
der Resonanzwandler und die primäre
Steuereinheit an einer Primärseite
eines Übertragers,
der insbesondere ein Transformator sein kann, angeordnet. Insbesondere umfaßt der Resonanzwandler
eine Verbindung mit der Primärseite
des Übertragers
bzw. des Transformators.
Anhand
der primären
Steuerungseinheit sind die aktiven Bauelemente auf der Primärseite des Übertragers
(oder Transformators) ansteuerbar.
Vorliegend
bezeichnet ein Übertrager
allgemein eine induktive Kopplung wie sie bevorzugt durch einen
Transformator mittels einer Primär-
und einer Sekundärseite
hergestellt wird.
Auch
ist es eine Ausgestaltung, dass die Stromversorgung eine Absicherungseinheit
umfaßt, die
bevorzugt der Stromversorgung vorgeschaltet ist. Insbesondere kann
die Absicherungseinheit dem Hochsetzer oder aber der Kombination
aus Tiefsetzer und Hochsetzer vorgeschaltet sein.
Diese
Absicherungseinheit kann passiv ausgeführt sein, d.h. ohne eine Verbindung
zur primären Steuereinheit,
die ihr nachfolgende Schaltungsanordnung absichern. Alternativ ist
die Absicherungseinheit mit der primären Steuereinheit ver bunden, bevorzugt
wird dabei mindestens ein aktives Bauelement der Absicherungseinheit
von der primären Steuereinheit
angesteuert.
Eine
zusätzliche
Ausgestaltung besteht darin, dass die Absicherungseinheit eine Transientenerkennung
und/oder eine Transientenkompensation umfaßt. Hierbei ist es besonders
vorteilhaft, wenn Transienten, insbesondere zeitlich begrenzte Überspannungen,
z.B. Spannungsimpulse oder Spannungsspitzen, von der Absicherungseinheit
gefiltert oder kompensiert werden.
Als „Transientenerkennung" ist insbesondere
eine Einheit bestimmt, deren Funktion darin besteht, ein Überschreiten
der Eingangsspannung über eine
vorgegebene Schwelle zu erkennen und die Information dieses Überschreitens
weiterzuleiten.
Vorteilhaft
ist es durch die Transientenerkennung ("Einheit zur Transientenerkennung") möglich, insbesondere
einen Überspannungsimpuls
vorzeitig zu erkennen und den Ausgang unmittelbar durch Eingriff
der Transientenerkennung oder aber durch eine zusätzliche
Einheit zur Transientenausblendung ("Transientenausblendung") oder -vernichtung
vor dem Überspannungsimpuls
zu schützen.
Die schnelle, dynamische und effektive Erkennung des Überspannungsimpulses
ermöglicht
eine konsequente Einsparung in der Spannungsfestigkeit nachfolgender
Komponenten im Ausgang, z.B. Leistungshalbleiter mit geringerer
Durchbruchspannung, sowie eine Einsparung verlustbehafteter Bauteile,
z.B. einer großen
Elektrolyt-Kapazität
im Eingang der Schaltungsanordnung.
Beispielsweise
kann durch den Einsatz einer Eingangsinduktivität eine Spannungsspitze detektiert und
geeignete Maßnahmen
durch die primäre
Steuereinheit eingeleitet werden, bevor die Stromversorgung geschädigt wird.
Eine
andere Weiterbildung besteht darin, dass die Absicherungseinheit
eine Fehlerabschaltung umfaßt,
die insbesondere einem Fehler in der Stromversorgung dadurch begegnet,
dass der Eingang der Stromversorgung über den Eingang der Absicherungseinheit
hochohmig geschaltet, d.h. der Eingang "abgeklemmt" wird.
Eine
Weiterbildung besteht darin, dass die primäre Steuereinheit über eine
Transfereinheit mit einer sekundären
Steuereinheit verbunden ist.
Auch
ist es eine Weiterbildung, dass die Stromversorgung eine sekundäre Gleichrichtereinheit
umfaßt,
die mit der sekundären
Steuereinheit verbunden ist. Dabei ist es eine Ausgestaltung, dass die
sekundäre
Gleichrichtereinheit und die sekundäre Steuereinheit an einer Sekundärseite des Übertragers,
insbesondere des Transformators, angeordnet sind. Vorzugsweise weist
die sekundäre
Gleichrichtereinheit eine Verbindung mit der Sekundärseite des Übertragers
auf. Somit sind der Resonanzwandler und die sekundäre Gleichrichtereinheit über besagten Übertrager
miteinander gekoppelt. Vorzugsweise ist dieser Übertrager ausgestaltet als
ein Transformator mit unterschiedlichen Wicklungen, wobei typischerweise
der Transformator eine Primärseite
(verbunden mit dem Resonanzwandler) und einer Sekundärseite (verbunden
mit der sekundären
Gleichrichtereinheit) aufweist.
Eine
andere Weiterbildung ist es, dass anhand der sekundären Steuerungseinheit
die aktiven Bauelemente der Sekundärseite des Übertragers ansteuerbar sind.
Auch
ist es eine Ausgestaltung, dass die sekundäre Gleichrichtereinheit eine
gleichgerichtete Ausgangsspannung bereitstellt. Diese gleichgerichtete
und bevorzugt "geregelte" Ausgangsspannung kann
zum Betrieb unterschiedlicher Geräte, Schaltung oder Verbraucher
eingesetzt werden. Beispielhaft seien als Ausgangsspannungen Gleichspannungen
in einem Bereich von ca. 3 Volt bis ca. 48 Volt, insbesondere 5
Volt, 12 Volt und 24 Volt genannt.
Im
Rahmen einer anderen Ausgestaltung ermöglicht die Transfereinheit
eine galvanisch getrennte Signalübertragung
zwischen der primären
Steuereinheit und der sekundären
Steuereinheit. Bevorzugt erfolgt die galvanisch getrennte Signalübertragung optisch,
induktiv oder kapazitiv. Bevorzugt kann die Transfereinheit mindestens
einen Optokoppler umfassen.
Im
Rahmen einer zusätzlichen
Weiterbildung liegt an dem Tiefsetzer oder (falls vorhanden) an
der Absicherungseinheit eine Netzwechselspannung oder eine Gleichspannung
an. Die hier vorgestellte Stromversorgung ist demnach nicht zwingend
an einer Wechselspannung, insbesondere einer Netzwechselspannung
zu betreiben, sie kann auch innerhalb eines Gleichspannungsnetzes,
Anwendung finden.
Auch
kann dem Tiefsetzer (falls vorhanden) der Absicherungseinheit eine
weitere Gleichrichtereinheit vorgeschaltet sein, die eine Wechselspannung,
insbesondere eine Netzwechselspannung, gleichrichtet.
Generell
sei angemerkt, dass am Eingang des Tiefsetzers oder (falls vorhanden)
der Absicherungseinheit nicht notwendigerweise eine Netzspannung
anliegen muss, es kann sich dabei auch um Spannungen interner (Gleich-
oder Wechselpannungs-)Netzwerke oder eigens generierter Versorgungsnetze,
handeln. Alternativ kann die Stromversorgung auch innerhalb eines
Geräts
zur weiteren Regelung der Versorgungsspannung eingesetzt werden.
Eine
andere Weiterbildung besteht darin, dass die Stromversorgung als
ein Netzteil, insbesondere als ein Schaltnetzteil ausgeführt ist.
Auch
ist es eine Weiterbildung, dass die Stromversorgung auf einer Hutschiene
und/oder in einem Schaltschrank montierbar ist.
Eine
andere Weiterbildung besteht darin, dass die Stromversorgung eine
Kühlung
insbesondere mittels natürlicher
Konvektion aufweist. Durch den hohen Wirkungsgrad der vorgestellten
Stromversorgung ist es möglich,
auf zusätzliche
aktive Kühlung zu
verzichten und stattdessen mit einer natürlichen Konvektionskühlung auszukommen.
Im
Rahmen einer Ausgestaltung liefert die Stromversorgung eine Ausgangsleistung
in der Größenordnung
von 0,1 Watt bis 10 Kilowatt.
Ferner
kann die Stromversorgung Bipolartransistoren, IGBTs oder Mosfets
umfassen, wobei insbesondere Dioden durch vorstehend genannte Bauelemente
ersetzt werden können,
um den Wirkungsgrad zu steigern.
Eine
andere Weiterbildung besteht darin, dass der Tiefsetzer zur Powerfaktorkorrektur
einsetzbar ist. Bei der Powerfaktorkorrektur sollen Verbraucher
im Schaltkreis, insbesondere Kapazitäten und Induktivitäten eines
Schaltkreises durch entsprechende Beschaltung kompensiert werden.
Insofern werden Kapazitäten
bzw. Induktivitäten
bereitgestellt, die den kapazitiven bzw. induktiven Komponenten des
Schaltkreises entgegenwirken und somit weitgehend eine Kompensation
derselben herstellen. Zum Thema Powerfaktorkorrektur wird z.B. verwiesen
auf [2].
Auch
ist es eine Weiterbildung, dass die Steuereinheit mindestens eine
analoge Steuerkomponente und/oder mindestens eine digitale Steuerkomponente
umfaßt.
Dabei kann die Steuereinheit ferner mindestens einen Mikroprozessor
und/oder mindestens einen Signalprozessor umfassen. Dies trifft
jeweils für
die primäre
Steuereinheit als auch für die
sekundäre
Steuereinheit zu.
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und
erläutert.
Es zeigen:
1 ein
Blockschaltbild einer Stromversorgung;
2 ein
Blockschaltbild einer Stromversorgung mit einer Absicherungseinheit;
3 ein
Blockschaltbild der Stromversorgung gemäß 1 und 2 mit
einer Ankopplung an die Sekundärseite
eines Übertragers;
4 ein
Schaltplan einer Stromversorgung;
5 ein
Schaltplan der Komponenten 104, 106 und 108 gemäß 4.
1 zeigt
ein Blockschaltbild einer Stromversorgung mit einem Tiefsetzer 101,
einem Hochsetzer 102, einem Resonanzwandler 103 und
einer primären
Steuereinheit 104. Ein an den Tiefsetzer 101 angelegtes
Eingangssignal wird von dem Tiefsetzer 101 an den Hochsetzer 102 und
danach an den Resonanzwandler 103 weitergeleitet bzw. übertragen.
Die primäre
Steuereinheit 104 ist über
eine Steuerleitung 110 mit dem Tiefsetzer 101, über eine Steuerleitung 111 mit
dem Hochsetzer 102 und über eine
Steuerleitung 112 mit dem Resonanzwandler 103 verbunden.
Die primäre
Steuereinheit 104 beeinflußt über die jeweiligen Steuerleitungen 110 bis 112 die
aktiven Bauelemente der einzelnen Komponenten Tiefsetzer 101,
Hochsetzer 102 und Resonanzwandler 103.
Optional
kann der Tiefsetzer 101 entfallen, also das Eingangssignal
unmittelbar an den Hochsetzer 102 angelegt werden.
In 2 ist
ein Blockschaltbild einer Stromversorgung mit einer zusätzlichen
Absicherungseinheit 105 dargestellt, die dem Tiefsetzer 101 vorgeschaltet
und über
eine Steuerleitung 113 mit der primären Steuereinheit 104 verbunden.
Sofern die Absicherungseinheit 105 aktive Komponenten aufweist, werden
diese über
die primäre
Steuereinheit 104 angesteuert. Die Absicherungseinheit 105 weist
Mittel auf, um Spannungsspitzen, Spannungsimpulse, Überspannungen
und/oder Transienten zu filtern bzw. zu unterbinden. Eine weitere
Funktion der Absicherungseinheit 105 ist die Fehlerabschaltung,
d.h. im Fehlerfall der Stromversorgung wird dazu der Eingang der
Absicherungseinheit 105 über die primäre Steuereinheit 104 hochohmig
geschaltet, so dass der Signalfluss zwischen dem an der Absicherungseinheit 105 anliegenden
Signal und der nachfolgenden Schaltungsanordnung unterbunden ist.
Dazu kann beispielsweise durch die primäre Steuereinheit ein Schalter
(aktives Bauteil, z.B. ein elektronischer Schalter in der Absicherungseinheit 105)
den Eingang hochohmig schalten.
Optional
kann auch in dem Blockschaltbild gemäß 2 der Tiefsetzer
optional entfallen. Das Eingangssignal läge dann direkt über die
Absicherungseinheit 105 an dem Hochsetzer 102.
3 zeigt
ein Blockschaltbild der Stromversorgung gemäß 1 und 2 mit
einer Ankoppelung an die Sekundärseite
eines Übertragers.
Vorzugsweise sind dazu die primäre
Steuereinheit 104 und eine sekundäre Steuereinheit 107 miteinander über eine
Transfereinheit 106 verbunden. Eine sekundäre Gleichrichtereinheit 108 ist über eine
Steuerleitung 114 mit der sekundären Steuereinheit 107 verbunden.
Die Transfereinheit 106 ist vorzugsweise als eine galvanisch
getrennte Übertragungseinheit ausgeführt. Diese
galvanische Trennung oder "Netztrennung" wird durch die gestrichelte
Linie 109 veranschaulicht.
3 stellt
eine Fortsetzung der 1 oder der 2 dar,
indem die "rechte
Seite" der primären Steuereinheit 104,
also jeweils die Verbindung der primären Steuereinheit 104 über die
Transfereinheit 106 mit der Sekundärseite (sekundäre Steuereinheit 107 verbunden
mit der sekundären
Gleichrichtereinheit 108), dargestellt wird. In Ergänzung dazu
sind der Resonanzwandler 103 und die sekundäre Gleichrichtereinheit 108 über einen Übertrager,
insbesondere einen Transformator mit primären und sekundären Wicklungen,
induktiv gekoppelt.
4 zeigt
einen Schaltplan einer Stromversorgung gemäß der vorstehenden Blockschaltbilder 1, 2 und 3 in
einer beispielhaften Detailbeschaltung.
Die
Stromversorgung gemäß 4 weist
am Eingang Anschlüsse
Uin+ und Uin– und
am Ausgang Anschlüsse
Uout+ und Uout– auf.
Das Eingangssignal ist vorzugsweise eine grob gleichgerichtete Netzwechselspannung,
am Ausgang ist eine geregelte Gleichspannung, z.B. in einem Bereich
von 3 Volt bis 48 Volt verfügbar.
Je nach Auslegung kann die Stromversorgung unterschiedliche Leistungen
bereitstellen.
Die
Absicherungseinheit 105 umfaßt einen Schalttransistor V100,
dessen Anschlüsse
(Gate, Emitter und Kollektor) jeweils mit der primären Steuereinheit 104 (Signale "Gate V100", "Emitter V100" und "Uin+") verbunden sind.
Weiterhin ist der Kollektor des Schalttransistors V100 mit dem Anschluss Uin+
verbunden.
Der
Tiefsetzer 101 umfaßt
einen Schalttransistor V200, eine Freilaufdiode, die vorliegend
als ein Mosfet V300 ausgeführt
ist, einen (Eingangsstütz-)Kondensator
C100 (mit Anschlüssen 402 und 403),
einen (Lade-)Kondensator C200 (Elektrolytkondensator) und eine Speicherdrossel
L100 (mit Anschlüssen 404 und 405).
Der
Drain-Anschluss des Schalttransistors V200 ist mit dem Emitter des
Schalttransistors V100 und dem Anschluss 402 des Kondensators
C100 verbunden. Der andere Anschluss 403 des Kondensators
C100 ist mit dem Anschluss 405 der Speicherdrossel L100
und mit dem positiven Anschluss des Elektrolytkondensators C200
verbunden. Der Anschluss 404 der Speicherdrossel L100 ist
mit dem Source-Anschluss des Schalttransistors V200, mit dem Drain-Anschluss
des Mosfets V300 und mit der primären Steuereinheit 104 (Signal "Source V200") verbunden. Der
Source-Anschluss des Mosfets V300 ist verbunden mit dem Anschluss
Uin– und
mit dem negativen Pol des Elektrolytkondensators C200. Dieser Knotenpunkt
wird fortan auch als Knoten 401 bezeichnet und ist ferner
als Signal "Uin–" mit der primären Steuereinheit 104 verbunden.
Weiterhin sind der Gate-Anschluss des Schalttransistors V200 und der
Gate-Anschluss des Mosfets V300 jeweils separat mit der primären Steuereinheit 104 (Signale "Gate V200" und "Gate V300") verbunden.
Der
Hochsetzer 102 umfaßt
eine Freilaufdiode V400, einen Schalttransistor V500, einen (Lade-)Kondensator
C300 und eine Speicherdrossel C200 (mit Anschlüssen 406 und 407).
Der
Ladekondensator C300 ist als ein Elektrolytkondensator ausgeführt, sein
positiver Pol ist mit der Kathode der Freilaufdiode V400 und mit
der primären
Steuereinheit 104 (Signal "Resonanzkreisspannung") verbunden. Der
Anschluss 406 der Speicherdrossel L200 ist mit dem negativen
Pol des Elektrolytkondensators C300, mit dem Anschluss 403 der Speicherdrossel
L100 (und damit auch mit dem Anschluss 405 der Speicherdrossel
L100 und dem positiven Pol des Elektrolytkondensators C200) und
mit der primären
Steuereinheit 104 (Signal "Bulkspannung") verbunden. Der Anschluss 407 der
Speicherdrossel L200 ist mit der Anode der Freilaufdiode V400 und
mit dem Drain-Anschluss des Schalttransistors V500 verbunden. Der
Gate-Anschluss des Schalttransistors V500 ist mit der primären Steuereinheit 104 (Signal "Gate V500") verbunden, der Source-Anschluss des Schalttransistors
V500 ist mit dem Knoten 401 verbunden.
Der
Resonanzwandler 103 umfaßt einen Schalttransistor V600,
einen Schalttransistor V700, (Resonanz-)Kondensatoren C400 (mit
Anschlüssen 408 und 409)
und C500 (mit Anschlüssen 410 und 411)
und eine Primärwicklung
eines Resonanztransformators TR100/W1 (mit Anschlüssen 412 und 413).
Der
Anschluss 408 des Kondensators C400 ist mit dem Drain-Anschluss
des Schalttransistors V600 und mit der Kathode der Freilaufdiode
V400 (und damit auch mit dem positiven Pol des Elektrolytkondensators
C300 und der primären
Steuereinheit 104) verbunden. Der Anschluss 409 des
Kondensators C400 ist mit dem Anschluss 413 der Primärwicklung
des Resonanztransformators TR100/W1 und mit dem Anschluss 410 des
Kondensators C500 verbunden. Der Anschluss 411 des Kondensators
C500 ist mit dem Source-Anschluss des Schalttransistors V700 und
dem Knoten 401 verbunden. Der Anschluss 412 der
Primärwicklung
des Resonanztransformators TR100/W1 ist verbunden mit dem Source-Anschluss
des Schalttransistors V600, dem Drain-Anschluss des Schalttransistors
V700 und der primären
Steuereinheit 104 (Signal "Source V600"). Weiterhin sind jeweils der Gate-Anschluss
des Schalttransistors V600 und der Gate-Anschluss des Schalttransistors
V700 separat mit der primären Steuereinheit 104 (Signale "Gate V600" und "Gate V700") verbunden.
Die
primäre
Steuereinheit 104 ist über
die Transfereinheit 106 mit der sekundären Steuereinheit 107 verbunden.
Eine gestrichelte Linie 109 zeigt die Netztrennung, also
die Trennung zwischen der Primärseite
und der Sekundärseite
des Resonanztransformators TR100 an. Die sekundäre Steuereinheit 107 ist
mit der sekundären
Gleichrichtereinheit 108 verbunden.
Die
sekundäre
Gleichrichtereinheit 108 umfasst einen Schalttransistor
V800, einen Schalttransistor V900, einen (Lade-)Kondensator C600
(mit Anschlüssen 418 und 419),
eine Sekundärwicklung
des Resonanztransformators TR100/W2 (mit Anschlüssen 414 und 415)
und eine weitere Sekundärwicklung
des Resonanztransformators TR100/W3 (mit Anschlüssen 416 und 417).
Der
Anschluss 414 der Sekundärwicklung TR100/W2 ist mit
dem Drain-Anschluss
des Schalttransistors V800 verbunden. Der Anschluss 415 der Sekundärwicklung
TR100/W2 ist mit dem Anschluss 416 der Sekundärwicklung
TR100/W3, der sekundären
Steuereinheit 107 (Signal "Uout+"), dem Anschluss 418 des Kondensators
C600 und mit dem Anschluss Uout+ verbunden. Der verbleibende Anschluss 417 der
Sekundärwicklung
TR100/W3 ist mit dem Drain-Anschluss
des Schalttransistors V900 verbunden. Der Source-Anschluss des Schalttransistors
V800 ist mit dem Source-Anschluss des Schalttransistors V900, dem
Anschluss 419 des Kondensators C600, der sekundären Steuereinheit 107 (Signal "Uout–") und dem Anschluss
Uout– verbunden.
Darüber
hinaus sind jeweils die Gate-Anschlüsse des Schalttransistors V900
und des Schalttransistors V800 separat mit der sekundären Steuereinheit 107 (Signale "Gate V900" und "Gate V800") verbunden.
5 zeigt
eine mögliche
Beschaltung der Komponenten primäre
Steuereinheit 104, Transfereinheit 106 und sekundäre Steuereinheit 108 gemäß 4.
Dabei unterteilt sich die sekundäre
Steuereinheit 107 in die Blöcke 501 und 502,
die Transfereinheit 106 in die Blöcke 503 und 504.
Der
Block 501 umfasst die Signale "Uout+" und "Uout–", Widerstände R1 (mit den Anschlüssen 510 und 511),
R2 (mit den Anschlüssen 512 und 513) und
R6 (mit den Anschlüssen 514 und 515)
und einen Regelverstärker
N1 mit einer Referenz (mit den Anschlüssen 516, 517 und 518),
der optional auch als eine Zener-Diode
ausgeführt
sein kann (wobei der Anschluss 516 der Kathode der Zener-Diode, der Anschluss 518 der
Anode der Zener-Diode und der Anschluss 517 der Referenz
entspricht).
Das
Signal "Uout+" ist mit dem Anschluss 510 des
Widerstands R1 und mit dem Anschluss 512 des Widerstands
R2 verbunden. Der Anschluss 511 des Widerstands R1 ist
mit dem Anschluss 514 des Widerstands R6 und mit dem Anschluss 517 des
Regelverstärkers
N1 verbunden. Das Signal "Uout–" ist mit dem Anschluss 515 des
Widerstands R6 und mit dem Anschluss 518 des Regelverstärkers N1
verbunden.
Der
Block 503 umfasst einen Optokoppler U1 mit Anschlüssen 519, 520, 521 und 522,
wobei primärseitig
der Anschluss 519 mit der Anode der Leuchtdiode des Optokopplers
U1 und der Anschluss 520 mit der Kathode der Leuchtdiode
des Optokopplers U1 verbunden ist. Die Sekundärseite des Optokopplers U1
bilden die Anschlüsse 521 und 522.
Der
Anschluss 519 des Optokopplers U1 ist mit dem Anschluss 513 des
Widerstands R2 und der Anschluss 520 des Optokopplers U1
ist mit dem Anschluss 516 des Regelverstärkers N1
verbunden.
Die
primäre
Steuereinheit 106 umfasst mehrere Signale "Emitter V100", "Gate V100", "Uin+", "Bulkspannung", "Gate V600", "Source V600", "Source V700", "Gate V700", "Gate V500", "Source V500", "Gate V200", "Source V200", "Source V300" und "Gate V300". Weiterhin umfasst
die primäre
Steuereinheit einen (Pulsweiten-)Modulator N5 für den Resonanzwandler 103,
einen (Pulsweiten)Modulator N6 für
den Hochsetzer 102 und eine (Pulsweiten-)Modulator N7 für den Tiefsetzer 101.
Jeder Modulator N5, N6 und N7 verfügt über einen Regeleingang VFB,
einen Eingang zur Festlegung der Schaltfrequenz RT und über zwei Ausgänge OUT1
und OUT2. Auch umfasst die primäre
Steuereinheit 106 eine Zener-Diode V1 zur Begrenzung der
Spannung an den Schalttransistor V100, eine Zener-Diode V2 als Referenz
für eine
Hilfsspannungserzeugung, einen Mosfet V3 zur Bereitstellung der
Hilfsspannung, einen Mosfet V4 zur Abschaltung des Schalttransistors
V100, Widerstände
R7 (mit Anschlüssen 524 und 525),
R35 (mit Anschlüssen 526 und 527),
R8 (mit Anschlüssen 530 und 531),
R9 (mit Anschlüssen 528 und 529),
R10, R11, R12, R13, R24, R14 (mit Anschlüssen 532 und 533),
R15 (mit Anschlüssen 534 und 535),
R16, R17, R19, R20 (mit Anschlüssen 536 und 537),
R23, R25 (mit Anschlüssen 540 und 541),
R26 (mit Anschlüssen 538 und 539),
R27, R28, R30, R31 (mit Anschlüssen 542 und 543)
und R34. Weiterhin umfasst die primäre Steuereinheit 106 einen
Komparator N2 zur Transientenabschaltung (zur Ansteuerung des Schalttransistors
V100), einen Operationsverstärker N3
zur Regelung der Hochsetzerspannung und einen Operationsverstärker N4
zur Regelung der Tiefsetzerspannung. Schließlich enthält die primäre Steuereinheit 106 noch
die sekundären
Ansteuerwicklungen TR1N2, TR1N3 eines Ansteuerübertragers TR1 und einen Ansteuerübertrager
TR2 mit einer Primärwicklung
TR2N1 und zwei sekundären
Ansteuerwicklungen TR2N2 und TR2N3.
Das
Signal "Emitter
V100" ist mit der
Anode der Zener-Diode V1 verbunden. Die Kathode der Zener-Diode
V1 ist mit dem Signal "Gate
V100", dem Drain-Anschluss
des Mosfets V4 und dem Anschluss 526 des Widerstands R35
verbunden. Der Anschluss 527 des Widerstands R35 ist mit
dem Signal "Uin+", mit dem Anschluss 524 des
Widerstands R7, mit dem Anschluss 528 des Widerstands R9
und mit dem Drain-Anschluss des Mosfets V3 verbunden. Der Anschluss 525 des
Widerstands R7 ist mit dem Gate-Anschluss des Mosfets V3 und mit
der Kathode der Zener-Diode V2 verbunden. Die Anode der Zener-Diode
V2 liegt auf Massepotential. Der Source-Anschluss des Mosfets V3
ist mit dem Anschluss 521 des Optokopplers U1 verbunden.
Dieser Verbindungspunkte wird nachfolgend mit Knoten 523 bezeichnet.
Der Anschluss 529 des Widerstands R9 ist mit dem positiven
Eingang des Komparators N2 verbunden. Der Widerstand R11 liegt zwischen
dem positiven Eingang des Komparators N2 und dem Masse potential.
Der Anschluss 530 des Widerstands R8 ist mit dem Knoten 523 und
mit dem Eingang der Versorgungsspannung Vcc des Modulators N5 verbunden.
Der Anschluss 531 des Widerstands R8 ist mit dem negativen
Eingang des Komparators N2 verbunden. Der Widerstand R10 liegt zwischen
dem negativen Eingang des Komparators N2 und dem Massepotential.
Zwischen dem negativen Eingang des Komparators N2 und dem Ausgang
des Komparators N2 liegt der Widerstand R12, der Ausgang des Komparators
N2 ist ferner mit dem Gate-Anschluss des Mosfets V4 verbunden. Zwischen
dem Source-Anschluss des Mosfets V4 und dem Massepotential liegt
der Widerstand R13. Der Eingang VFB des Modulators N5 liegt auf
dem Massepotential. Ebenso ist der dafür vorgesehene Eingang GND des
Modulators N5 mit dem Massepotential verbunden. Der Eingang RT des
Modulators N5 ist über
den Widerstand R24 mit dem Massepotential verbunden.
Der
Knoten 523 ist weiterhin mit dem Eingang der Versorgungsspannung
Vcc des Modulators N6 und mit dem Anschluss 532 des Widerstands
R14 verbunden. Der Anschluss 533 des Widerstands R14 ist
mit dem positiven Eingang des Operationsverstärkers N3 verbunden. Der Widerstand
R17 ist mit dem Eingang des Operationsverstärkers N3 und mit dem Massepotential
verbunden. Der Anschluss 534 des Widerstands R15 ist mit
dem Anschluss 522 des Optokopplers U1 verbunden. Der verbleibende
Anschluss 535 des Widerstands R15 ist mit dem negativen
Eingang des Operationsverstärkers
N3 verbunden. Der negative Eingang des Operationsverstärkers N3
ist über
den Widerstand R16 mit dem Massepotential verbunden. Zwischen dem
negativen Eingang des Operationsverstärkers N3 und dem Ausgang des
Operationsverstärkers
N3 liegt der Widerstand R19, der Ausgang des Operationsverstärkers N3
ist weiterhin mit dem Anschluss 536 des Widerstands R20
verbunden. Der Anschluss 537 des Widerstands R20 ist mit
dem Eingang VFB des Modulators N6 verbunden. Der Eingang RT des
Modulators N6 ist über
den Widerstand R23 mit dem Massepotential verbunden. Ebenso ist
der dafür
vorgesehene Eingang GND des Modulators N6 mit dem Massepotential
verbunden. Der Ausgang OUT1 des Modulators N6 ist mit dem Signal "Gate V500" verbunden. Das Signal "Source V500" ist mit dem Massepotential verbunden.
Zusätzlich ist
der Knoten 523 mit dem Anschluss 540 des Widerstands
R25 und mit dem Eingang der Versorgungsspannung Vcc des Modulators N7
verbunden. Der Anschluss 541 des Widerstands R25 ist mit
dem positiven Eingang des Operationsverstärkers N4 verbunden. Weiterhin
ist der positive Eingang des Operationsverstärkers N4 über den Widerstand R28 mit
dem Massepotential verbunden. Das Signal "Bulkspannung" ist mit dem Anschluss 538 des
Widerstands R26 verbunden, der Anschluss 539 des Widerstands
R26 ist mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers N4
verbunden. Weiterhin ist der negative Eingang des Operationsverstärkers N4 über den
Widerstand R27 mit dem Massepotential verbunden. Zwischen den negativen Eingang
und den Ausgang des Operationsverstärkers N4 ist der Widerstand
R30 geschaltet. Der Ausgang des Operationsverstärkers N4 ist darüber hinaus
mit dem Anschluss 542 des Widerstands R31 und der Anschluss 543 des
Widerstands R31 ist mit dem Eingang VFB des Modulators N7 verbunden. Der
Eingang RT des Modulators N7 ist über den Widerstand R34 mit
dem Massepotential verbunden. Ebenso ist der dafür vorgesehene Eingang GND des Modulators
N7 mit dem Massepotential verbunden. Zwischen die Ausgänge OUT1
und OUT2 des Modulators N7 ist die Primärwicklung TR2N1 des Ansteuerübertragers
TR2 geschaltet.
Weiterhin
umfasst die primäre
Steuereinheit 104 die Ansteuerwicklung TR2N2, deren einer
Anschluss mit dem Signal "Gate
V200" und deren
anderer Anschluss mit dem Signal "Source V200" verbunden ist. Der eine Anschluss der
Ansteuerwicklung TR2N3 ist mit dem Signal "Source V300" und der andere Anschluss mit dem Signal "Gate V300" verbunden.
Die
Ansteuerwicklung TR1N2 ist auf der einen Seite mit dem Signal "Gate V700" und auf der anderen
Seite mit dem Signal "Source
V700", die Ansteuerwicklung
TR1N3 ist auf der einen Seite mit dem Signal "Source V600" und auf der anderen Seite mit dem Signal "Gate V600" verbunden.
Der
Block 504 umfasst die Primärwicklung TR1N1 des Ansteuerübertragers
TR1 und die sekundären
Ansteuerwicklungen TR1N4 und TR1N5.
Die
Primärwicklung
TR1N1 ist auf der einen Seite mit dem Ausgang OUT1 und auf der anderen Seite
mit dem Ausgang OUT2 des Modulators N5 der primären Steuereinheit 104 verbunden.
Der
Block 502 umfasst die Signale "Gate V800", "Source
V800", "Source V900" und "Gate V900".
Die
Signale "Gate V800" und "Source V800" sind mit den beiden
Anschlüssen
der Ansteuerwicklung TR1N5 aus Block 504 und die Signale "Source V900" und "Gate V900" sind mit den beiden
Anschlüssen
der Ansteuerwicklung TR1N4 aus Block 504 verbunden.
FUNKTIONSWEISE DER KOMPONENTEN:
- a. Funktionsbeschreibung der Absicherungseinheit 105:
Die
Absicherungseinheit 105 dient insbesondere zur Ausblendung
von Überspannungen
und Transienten, die z.B. über
Netzleitungen an die Schaltungsanordnung gelangen können. Darüber hinaus
kann im Falle eines Fehlers der Stromversorgung selbst die Absicherungseinheit 105 hochohmig
geschaltet und somit vom Eingangssignal "abgeklemmt" werden.
- b. Funktionsbeschreibung des Tiefsetzers 101:
Der
Tiefsetzer 101 dient zur Herabsetzung und zur Stabilisierung
der Eingangsspannung, insbesondere der Netzspannung, auf eine festgelegte Spannung.
Zusätzlich
eignet sich der Tiefsetzer 101 zur Powerfaktorkorrektur,
also zum Ausgleich etwaiger induktiver bzw. kapazitiver Lasten.
Vorteilhaft kann zur Steigerung des Wirkungsgrads der Stromversorgung
die Freilaufdiode V300 durch einen Mosfet ersetzt werden.
- c. Funktionsbeschreibung des Hochsetzers 102:
Der
Hochsetzer 102 dient zur Regelung der Resonanzwandlerspannung
entsprechend einer eingestellten Ausgangsspannung sowie zu einer
Begrenzung eines Ausgangsstroms und zur Erzeugung einer definierten
Stützzeit
bei Netzausfall. Außerdem
wird durch den Elektrolytkondensator C300 eine Brummspannung herausgefiltert,
um einen Durchgriff der Brummspannung auf den DC-Ausgang (Anschlüsse Uout+
und Uout–)
zu verhindern.
- d. Funktionsbeschreibung des Resonanzwandlers 103:
Der
Resonanzwandler 103 dient zur Übertragung der Ausgangsleistung
mit entsprechend hohem Wirkungsgrad auf die Sekundärseite und
zur Umsetzung der dafür
nötigen
Netztrennung.
- e. Funktionsbeschreibung der sekundären Gleichrichtereinheit 108:
Die
sekundäre
Gleichrichtereinheit 108 stellt eine aktive Gleichrichtung
der sekundärseitigen
Wechselspannung des Resonanzwandlers bereit, wobei insbesondere
durch die Schalttransistoren V800 und V900 ein hoher Wirkungsgrad
erzielt wird. Optional kann bei in Bezug auf den Wirkungsgrad geringeren
Anforderungen auf eine Gleichrichtung mittels Dioden statt der genannten Schalttransistoren
zurückgegriffen
werden.
- f. Funktionsbeschreibung der primären Steuereinheit 104:
Die
primäre
Steuereinheit 104 dient der Regelung und der Kontrolle
der Funktionen der Primärseite und
der Ansteuerung insbesondere der aktiven Bauteile. Die primäre Steuerung 104 kann
dafür analog
und/oder digital ausgeführt
sein. Insbesondere kann die primäre
Steuerung 104 mindestens einen Mikroprozessor, mindestens
einen digitalen Signalprozessor oder einer Kombination aus Vorstehendem
aufweisen.
- g. Funktionsbeschreibung der sekundären Steuereinheit 107
Die
sekundäre
Steuereinheit 107 dient der Regelung und der Kontrolle
der Funktionen der Sekundärseite
einschließlich
einer Ansteuerung der aktiven Bauteile auf der Sekundärseite.
Auch die sekundäre
Steuereinheit 107 kann analog und/oder digital ausgeführt sein.
Insbesondere kann die sekundäre
Steuereinheit 107 mindestens einen Mikroprozessor, mindestens
einen digitalen Signalprozessor oder einer Kombination aus Vorstehendem
aufweisen.
Optional kann die sekundärseitige Steuereinheit 107 entfallen,
falls keine aktive Ansteuerung der sekundärseitigen Gleichrichtereinheit 108 erforderlich
ist.
- h. Funktionsbeschreibung der Transfereinheit 106:
Die
Transfereinheit 106 stellt einen Datentransfer zur Regelung
der Ausgangsspannung und/oder der Steuerung des aktiven Gleichrichters
(der sekundären
Gleichrichtereinheit 108) über die Netztrennung 109 hinweg
sicher. Dabei kann der Datentransfer wahlweise optisch, induktiv
oder kapazitiv stattfinden. Die Transfereinheit 106 kann
entfallen, falls z.B. eine sekundärseitige Regelung und/oder
Ansteuerung der sekundären
Gleichrichtereinheit 108 von der Primärseite aus erfolgt.
FUNKTIONSWEISE DER SCHALTUNG:
Die
an den DC-Eingängen
Uin+ und Uin– angelegte
Gleichspannung gelangt zuerst an die Absicherungseinheit 105.
Der Schalttransistor V100 ist "aktiv", d.h. durchgeschaltet,
sofern in der primären Steuereinheit 104 die
Transientenabschaltung durch den Komparator N2 inaktiv ist und eine
hinreichend große
Eingangsspannung über
den Widerstand R35 am Gate-Anschluss des Schalttransistors V100
anliegt. Falls an dem Anschluss Uin+ eine Eingangsspannung oberhalb
eines vorgegebenen Schwellwertes anliegt, schaltet der Komparator
N2 durch, sein Ausgang wird leitend, der Mosfet V4 schaltet durch.
Da der Mosfet V4 im Sourcezweig den Strombegrenzungswiderstand R13
aufweist, wird nur ein vorgegebener Strom am Drain-Anschluss des
Mosfets V4 zur Verfügung
gestellt. Dieser Strom fließt dem
Strom aus dem Widerstand R35 entgegen und bewirkt damit ein Entladen
des Gate-Anschlusses des Schalttransistors V100, worauf der Schalttransistor
V100 hochohmig wird und abschaltet. Über diesen Mechanismus schützt sich
also die Anordnung selbst durch Abschalten des Schalttransistors
V100 vor zu hohen Eingangsspannungen.
Wenn
der Schalttransistor V100 durchgeschaltet ist gelangt die an dem
Anschluss Uin+ anliegende Eingangsspannung an den Tiefsetzer 101 und wird
in eine konstante Ausgangsspannung umgewandelt. Die Höhe dieser
Ausgangsspannung wird durch den Regelverstärker N4 festgelegt. Der Regelverstärker N4
stellt in Abhängigkeit
von der am Elektrolytkondensator C300 gemessenen Spannung das Tastverhältnis für die anschließende Pulsweitenmodulation
durch den Modulator N7 jeweils so nach, dass sich die festgelegte
Spannung an dem Elektrolytkondensator C300 bei Laständerung
oder Änderung
der Eingangsspannung nicht ändert.
Dabei wirkt der Ausgang des Regelverstärkers N4 über den Widerstand R31 so auf
den Modulator N7, dass der Modulator N7 das Tastverhältnis an
seinen Ausgängen OUT1
und OUT2 so variiert, dass sich von der Primärwicklung des Ansteuerübertragers
TR2N1 über die
Ansteuerwicklung des Ansteuerübertragers TR2N2
für den
Schalttransistor V200 und die Ansteuerwicklung des Ansteuerübertragers
TR2N3 für
den Mosfet V300 eine konstante Spannung an dem Elektrolytkondensator
C300 einstellt. Insbesondere wird dabei die Ansteuerenergie über den
Ansteuerübertrager
TR2 an die Leistungsmosfets V200 und V300 übertragen.
Die
an dem Elektrolytkondensator C300 zur Verfügung stehende Spannung liegt
daraufhin an dem Hochsetzer 102 an. Dieser ist notwendig,
da der verwendete Resonanzwandler 103 nicht regelbar ausgeführt ist,
somit nicht auf Last- und/oder auf Eingangsspannungsänderungen
reagieren kann. Diese Funktionalität übernimmt der Hochsetzer 102 in
Zusammenarbeit mit dem auf der Sekundärseite angeordneten Regelverstärker N3,
der die Ausgangsspannung des sekundärseitigen Gleichrichtereinheit 108 überwacht.
Der Regelverstärker
N3 beeinflusst seinerseits in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung
der sekundärseitigen
Gleichrichtereinheit 108 über die sekundärseitige
Steuereinheit 107 (Signale "Uout+" und "Uout–") und den Optokoppler U1 hinweg das
Tastverhältnis
mittels des Modulators N6 über
die Ansteuerung des Gate-Anschlusses des Schalttransistors V500
derart, dass der Resonanzwandler 103 immer diejenige Spannung
zur Verfügung
gestellt bekommt, welche er gerade zur Aufrechterhaltung der Ausgangsspannung
benötigt.
Die
von dem Regelverstärker
N1 in der sekundären
Steuereinheit 107 gemessene Ausgangsspannung wird mit einer
internen Referenzspannung verglichen und führt bei Überschreiten dieser Referenzspannung
zu einem Stromfluss durch den Optokoppler U1. Dieser Stromfluss
führt über den
Widerstand R15 auf der Primärseite
zu einer Anhebung des Potentials an dem Regelverstärker N3.
Daraufhin wird an dessen Ausgang über den Widerstand R20 hinweg
das Tastverhältnis
des Modulators N6 derart reduziert, dass (über die Ansteuerung des Gate-Anschlusses
des Schalttransistors V500 durch den Ausgang des Modulators N6)
die Ausgangsspannung des Hochsetzers 102 sinkt und damit
auch die Eingangs- und Ausgangsspannung des Resonanzwandlers.
Dabei
arbeitet der Modulator N5 bevorzugt als Festfrequenzgenerator mit
einem Tastverhältnis von
50%. Dieses Tastverhältnis
gelangt über
den Ausgang des Modulators N5 OUT1 und OUT2 durch die Primärwicklung
des Ansteuerübertragers
TR1N1 über
die Ansteuerwicklung TR1N2 an den Schalttransistor V700 (Anschlüsse "Gate V700" und "Source V700") und über die
Ansteuerwicklung TR1N3 an den Schalttransistor V600 (Anschlüsse "Gate V600" und "Source V600") Ebenso steuert
der Ansteuerübertrager
TR1 über
die Ansteuerwicklung TR1N4 den Schalttransistor V900 (Anschlüsse "Gate V900" und Source "V900") und über die
Ansteuerwicklung TR1N5 den Schalttransistor V800 (Anschlüsse "Gate V800" und Source "V800") in der sekundären Gleichrichtereinheit 108 an,
was zu einer weiteren Erhöhung
des Wirkungsgrades führt.
Literaturverzeichnis:
- [1] Tietze, Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, 8. Auflage,
Springer Verlag, ISBN 3-540-16720-x, Seiten 538-562.
- [2] Powerfaktorkorrektur, siehe: www.tpub.com/neets/book2/4k.htm