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Die Erfindung betrifft eine Überwachungsschaltung für ein Schaltnetzteil, welches eine Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten einer Netzwechselspannung aufweist. Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung einer derartigen Überwachungsschaltung.
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Unterschiedliche Typen von Schaltnetzteilen zur Versorgung von tragbaren Computern und anderen elektronischen Geräten mit einer aus einer primären Netzwechselspannung erzeugten sekundären Gleichspannung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Grundsätzlich weisen derartige Schaltnetzteile einen verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad auf und erlauben die Gestaltung von leichten und kostengünstigen Netzteilen für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen.
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Ein Nachteil bekannter Schaltnetzteile liegt jedoch darin, dass sie im so genannten Schwachlastbereich, also in einem Arbeitsbereich, in dem die sekundärseitig abgegebene Leistung nur einen geringen Bruchteil einer möglichen Ausgangsleistung darstellt, einen verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad aufweisen. Um den Wirkungsgrad solcher Schaltnetzteile zu erhöhen, können Schaltzeitpunkte des Schaltnetzteils mit der primären Netzwechselspannung korreliert werden.
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Bei starken Lastwechseln oder bei geringen Ausgangsleistungen des Schaltnetzteils kann es aufgrund der Anordnung der Gleichrichterschaltung dazu kommen, dass ein Bezug zur primären Netzwechselspannung kurzzeitig verloren geht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung zu beschreiben, mit welcher ein Bezug zu einer primären Netzwechselspannung hergestellt werden kann. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, die Verwendung einer derartigen Schaltung zu beschreiben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Überwachungsschaltung für ein Schaltnetzteil mit einer Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten einer primären Netzwechselspannung beschrieben. Die Überwachungsschaltung umfasst zwei Widerstandsteiler, die jeweils zwei Widerstände umfassen, welche jeweils in Serie zwischen einer Phasenleitung eines Netzanschlusses vor der Gleichrichterschaltung und einem Bezugspunkt nach der Gleichrichterschaltung angeschlossen sind. Die Überwachungsschaltung umfasst des Weiteren eine Subtraktionsvorrichtung mit zwei Eingängen, wobei jeder der zwei Eingänge der Substraktionsvorrichtung jeweils zwischen den Widerständen jeweils eines der Widerstandsteiler angeschlossen ist.
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Das Schaltnetzteil umfasst eine Gleichrichterschaltung. Die Gleichrichterschaltung kann eine Brückengleichrichterschaltung bestehend aus vier Dioden sein. Durch die gemäß dem ersten Aspekt beschriebene Schaltung kann ein Bezug zu einer primären Netzwechselspannung hergestellt werden, auch wenn das Schaltnetzteil im Schwachlastbetrieb betrieben wird oder wenn starke Lastwechsel auftreten. Dadurch, dass die Netzwechselspannung an zwei Widerstandsteilern gemessen wird, und die Signale voneinander subtrahiert werden, ist sichergestellt, dass ein Signal zur Verfügung gestellt wird, welches zu dem Signal der primären Netzwechselspannung in Relation steht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jeweils ein Kondensator parallel zu den Widerständen der Widerstandsteiler geschaltet, die dem Bezugspunkt am nächsten liegen. Dadurch, dass Kondensatoren parallel zu den Widerständen geschalten sind, bieten sich Filtermöglichkeiten, um die Überwachungsschaltung zu dimensionieren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Bezugspunkt ein ausgangsseitiges Massepotential.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Subtraktionsvorrichtung einen Operationsverstärker, der als Subtrahierer beschaltet ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der positive Eingang des Operationsverstärkers mit einem Offset beaufschlagt. Dadurch, dass der Operationsverstärker mit einer Vorspannung betrieben wird, ist sichergestellt, dass das Ausgangssignal stets positiv ist. Dies ist beispielsweise in den Fällen von Nöten, wenn das Ausgangssignal direkt, ohne weitere Verarbeitung, einem Mikrocontroller zur Verfügung gestellt werden soll.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Signalausgang des Operationsverstärkers elektrisch mit einem Mikrocontroller zur Steuerung des Schaltnetzteils verbunden.
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Dadurch, dass das Ausgangssignal des Operationsverstärkers direkt einem Mikrocontroller zur Verfügung gestellt wird, kann auf weitere Verarbeitungsschaltungen verzichtet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung hat ein Ausgangssignal der Subtraktionsvorrichtung einen direkten Bezug zu dem Spannungsverlauf der primären Netzwechselspannung. Dadurch, dass das Ausgangssignal einen direkten Bezug zu der primären Netzwechselspannung hat, kann auf eine weitere Verarbeitung des Signals verzichtet werden. Ein derartiger Bezug kann beispielsweise die Phasenlage sein oder Nulldurchgänge der Amplitude der primären Netzwechselspannung.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Verwendung einer Überwachungsschaltung gemäß dem ersten Aspekt in einem Schaltnetzteil beschrieben, in welchem zum Schalten Bezug auf ein primäres Netzwechselspannungssignal genommen wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Verwendung einer Überwachungsschaltung in einem Schaltnetzteil beschrieben, das starken Lastwechseln unterworfen ist.
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Bei starken Lastwechseln reißt möglicherweise der Bezug zur primären Netzwechselspannung ab. Durch die Verwendung einer Überwachungsschaltung gemäß dem ersten Aspekt kann auch in diesen Fällen ein Signal empfangen werden, das durch die Last nicht beeinflusst ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird bei geringer Ausgangsleistung des Schaltnetzteils jeweils eine komplette Halbwelle der primären Netzwechselspannung zur Erzeugung einer sekundären Gleichspannung verwendet.
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Dadurch, dass eine komplette Halbwelle der primären Netzwechselspannung zur Erzeugung einer sekundären Gleichspannung verwendet wird, kann die Effizienz des Netzteils erhöht werden. Dies ist gerade dann wichtig, wenn das Schaltnetzteil im Schwachlastbetrieb betrieben wird. So können Schaltverluste im Betrieb eines Schaltnetzteils mit 10 Prozent oder weniger seiner maximalen Ausgangsleistung reduziert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die angehängten Figuren näher erläutert. In den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder gleichartige Komponenten verwendet.
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Es zeigen:
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1 einen Blockschaltplan mit den erfindungswesentlichen Komponenten eines Schaltnetzteils
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2 einen Schaltplan einer möglichen Überwachungsschaltung,
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3 einen Signalverlauf eines Spannungssignals, welches einem gemessenen Spannungsverlauf einer Schaltung gemäß 2 entspricht und einen Stromverlauf eines Lastausgangs eines Schaltnetzteils,
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4 einen Schaltplan einer Überwachungsschaltung gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung,
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5 einen Spannungsverlauf eines Ausgangssignals der Subtraktionsvorrichtung und einem Stromverlauf des Lastausgangs des Schaltnetzteils,
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6 einen Schaltplan einer Überwachungsschaltung gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung, und
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7 einen Spannungsverlauf gemäß der Schaltung zu 6.
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In den 1, 2, 4 und 6 werden jeweils ähnliche Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Dies dient lediglich der Übersichtlichkeit und bedeutet nicht zwingend, dass die entsprechenden Bauteile gleiche Werte aufweisen beziehungsweise dieselben Bauelemente sind. So kann beispielsweise ein Widerstand R1 der Schaltung gemäß 2 einen anderen Wert aufweisen, wie ein Widerstand R1 der Schaltung gemäß 4.
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Die in 1 dargestellte primäre Netzwechselspannung AC kann verschiedene Scheitelspannungen aufweisen. Beispielsweise kann die Netzwechselspannung AC abhängig von einem Land, in dem die Schaltung verwendet wird unterschiedliche Scheitelspannungen haben. Üblich ist beispielsweise ein Wert von 230 V Wechselspannung. Für die Erfindung ist es jedoch unerheblich, welche Größe die Netzwechselspannung AC hat.
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Die Schaltpläne der 1, 2, 4 und 6 zeigen für das Verstehen der Erfindung relevante Schaltungsteile. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden Teile der Schaltungen eines Schaltnetzteils weggelassen, welche nicht wesentlich für das Verständnis der Erfindung sind.
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1 zeigt einen Schaltplan der Teile eines Schaltnetzteils, welche für die Erfindung wesentlich sind. In 1 ist eine primäre Netzwechselspannung AC dargestellt. Von der primären Netzwechselspannung AC führen zwei Phasenleitungen PH1 und PH2 zu einer Gleichrichterschaltung G. An der Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung G ist ein Kondensator C3 und eine Last RL angeschlossen. Die Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung hat ein Massepotential GND an dem Knotenpunkt, an dem der Kondensator C3 und die Last RL angeschlossen sind. Die Überwachungsschaltung ÜS ist zwischen die beiden Phasenleitungen PH1 und PH2, sowie dem ausgangsseitigen Massepotential GND geschalten.
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2 zeigt einen Schaltplan gemäß einer möglichen Überwachungsschaltung ÜS für ein Schaltnetzteil. Die Überwachungsschaltung ÜS gemäß 2 besteht aus zwei Dioden D1 und D2, welche jeweils eine der beiden Phasenleitungen PH1 und PH2 mit einem Widerstandsteiler W bestehend aus zwei Widerständen R1 und R2 verbinden. Über die beiden Dioden D1 und D2 werden durch die Verbindung zu den Phasenleitungen PH1 und PH2 der primären Netzwechselspannung AC jeweils die positiven Halbwellen der primären Netzwechselspannung AC auf die beiden Widerstände R1 und R2 des Widerstandsteilers W geführt. An dem Widerstand R2 kann ein Spannungssignal abgegriffen werden, welches einem betragsmäßigen Sinusverlauf entspricht.
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3 zeigt einen Spannung- und einen Stromverlauf. Der Stromverlauf, hier mit Symbolen markiert, ist der Verlauf eines Stroms an der Ausgangsseite des Schaltnetzteils. Der Strom bricht an einer Stelle ein. Zusätzlich zum Stromverlauf an der Ausgangsseite des Schaltnetzteils ist der Spannungsverlauf der gemessenen primären Netzwechselspannung AC gezeigt. Der Verlauf entspricht dem gemessenen Signal der Überwachungsschaltung nach 2. Aus den Graphen ist ersichtlich, dass die gemessene primäre Netzwechselspannung AC zu dem Zeitpunkt, zu dem der Laststrom auf Null sinkt, einbricht. Hierdurch geht der Bezug zur primären Netzwechselspannung AC teilweise verloren.
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In 4 ist ein Schaltplan gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Überwachungsschaltung ÜS zu sehen. Die Überwachungsschaltung ÜS umfasst hierbei einen Widerstandsteiler W1 bestehend aus den Widerständen R1 und R2, welcher zwischen der Phasenleitung PH1 der primären Netzwechselspannung AC und dem Bezugspunkt, an dem ausgangsseitigen Massepotential GND, liegt. Zwischen der zweiten Phasenleitung PH2 der primären Netzwechselspannung AC und dem ausgangseitigen Massepotential GND liegt ein zweiter Widerstandsteiler W2, bestehend aus den Widerständen R3 und R4. Jeweils parallel zu den Widerständen R2 und R4 sind Kondensatoren C1 und C2 geschaltet. Eine Subtraktionsvorrichtung OP, im Ausführungsbeispiel ein Operationsverstärker, welcher als Substrahierer beschaltet ist, ist mit der Schaltung derart verbunden, dass der positive Eingang des Operationsverstärkers mit dem ersten Widerstandsteiler W1 zwischen den Widerständen R1 und R2 verbunden ist und der negative Eingang des Operationsverstärkers mit dem zweiten Widerstandsteiler W2 zwischen den Widerständen R3 und R4 verbunden ist.
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Durch diese Beschaltung folgen die Eingänge der Subtraktionsvorrichtung OP den einzelnen Signalen, die über die Phasenleitungen PH1 und PH2 an den Widerstandsteilern W1 und W2 liegen. Bricht nun die Ausgangsleistung des Schaltnetzteils ein, so fällt auch der Ausgangsstrom ab. Dementsprechend würde eine Überwachungsschaltung ÜS, wie sie in 1 beschrieben ist, einen Einbruch der primären Netzwechselspannung AC detektieren. Dadurch, dass in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Spannungssignale der einzelnen Phasenleitungen PH1 und PH2 der primären Netzwechselspannung AC voneinander abgezogen werden, wird ein relatives Ausgangssignal erzeugt. Dadurch, dass das Ausgangssignal der Subtraktionsvorrichtung OP den relativen Unterschied angibt und nicht von der durch den sperrenden Brückengleichrichter verfälschten primären Netzwechselspannung AC abhängt, bleibt der Bezug zur primären Netzwechselspannung AC weiterhin bestehen.
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In 5 ist zum einen sowohl der Stromverlauf des Schaltnetzteils dargestellt als auch das Ausgangssignal der Subtraktionsvorrichtung OP gemäß der Schaltung nach 4. Wie zu sehen ist, hat der dargestellte Einbruch des Stromverlaufs des Ausgangssignals des Schaltnetzteils keinen Einfluss auf die Amplitude oder das Verhalten des Ausgangssignals der Subtraktionsvorrichtung OP. Dadurch, dass die beiden Signale der beiden Phasenleitungen PH1 und PH2 der primären Netzwechselspannung AC voneinander abgezogen werden, entsteht ein Signal, welches sowohl positive als auch negative Abschnitte aufweist. Hierbei sind die Nulldurchgänge jeweils klar definiert und entsprechen den Nulldurchgängen der primären Netzwechselspannung AC. Mit Hilfe dieses Signals hat man nun einen direkten Bezug zu der primären Netzwechselspannung AC. Das Signal der Subtraktionsvorrichtung OP kann beispielsweise zum Schalten einzelner Stufen des Schaltnetzteils verwendet werden.
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Hierdurch ist ein Ein- und Ausschalten abhängig von den Nulldurchgängen der primären Netzwechselspannung AC möglich. So ist es beispielsweise möglich, eine Schaltstufe eines Hochleistungsschaltnetzteils zu Beginn einer Halbwelle einzuschalten und am Ende derselben Halbwelle wieder auszuschalten. Hierdurch wird eine optimale Ausnutzung der übertragenen Leistung einer Halbwelle ermöglicht, was gegenüber herkömmlichen Schaltnetzteilen ein Vorteil zumindest im Wirkungsgrad bewirkt.
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In 6 ist ein weiterer Schaltplan einer Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Im dort dargestellten Schaltplan sind zusätzliche Bauelemente eingezeichnet, die gegenüber den bisher beschriebenen Überwachungsschaltungen ÜS weitere Vorteile bieten. Grundsätzlich entspricht die Überwachungsschaltung ÜS, welche in der 6 dargestellt ist, derjenigen Überwachungsschaltung ÜS, welche bezüglich 4 beschrieben wurde. Zusätzlich zu der beschriebenen Überwachungsschaltung ÜS gemäß 4 wurde in dem Ausführungsbeispiel, deren Schaltung in 6 dargestellt ist, ein zusätzlicher Widerstand R5 in Reihe zu einer Gleichspannungsquelle DC vorgesehen, welche parallel zu dem Widerstand R2 des ersten Widerstandsteilers W1 sind. Hierdurch wird ein Offset an den positiven Eingang des Operationsverstärkers angelegt. Dies führt dazu, dass das Ausgangssignal des Operationsverstärkers in den positiven Bereich verschoben wird. Hierbei kann die negative Versorgungsspannung-VCC des Operationsverstärkers mit Masse verbunden werden, da durch die Verschiebung in den positiven Bereich keine negative Vorspannung benötigt wird. Der Offset des Operationsverstärkers kann beispielsweise 1,5 V betragen. Dadurch, dass durch den Offset ein positives Signal vom Operationsverstärker ausgegeben wird, kann dieses Signal einfacher verarbeitet werden. So ist es beispielsweise möglich, das Ausgangssignal VOUT des Operationsverstärkers, welches den Bezug zur primären Netzwechselspannung AC aufzeigt, direkt einem Eingang eines Mikrocontrollers zuzuführen. In diesem Fall ist eine weitere Vorverarbeitung des Ausgangsignals VOUT des Operationsverstärkers nicht nötig.
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Ein Spannungsverlauf, welcher von dem Operationsverstärker ausgegeben wird, der mit einem Offset gemäß der Schaltung aus 6 beaufschlagt wurde, ist in 7 dargestellt. Der Spannungsverlauf, welcher in 7 dargestellt ist, entspricht grundlegend dem Spannungsverlauf, welcher in 5 dargestellt ist. Jedoch ist der Spannungsbereich hier ins Positive verschoben. Ebenso wie bei der Schaltung gemäß dem Schaltplan aus 4 ist das Spannungssignal aus 7 direkt auf die primäre Netzwechselspannung AC bezogen.
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In den Ausführungsbeispielen, welche bezüglich der Schaltpläne gemäß 4 und 6 beschrieben wurden, bieten die Kapazitäten C1 und C2 optionale Filtermöglichkeiten, um die Schaltung effizient zu dimensionieren.
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Ein weiterer Vorteil einer Überwachungsschaltung gemäß der Erfindung ist, dass Einflüsse der Brückengleichrichterdiodenvorwärtsspannung in das Ausgangssignal des Operationsverstärkers nicht einfließen. Die Brückengleichrichterdiodenvorwärtsspannung ist abhängig vom Stromfluss und der Temperatur. Während andere mögliche Überwachungsschaltungen ÜS diese Art der Störung berücksichtigen müssten, wird durch das Subtrahieren der beiden Spannungssignale der Phasenleitungen PH1 und PH2 durch die Subtraktionsvorrichtung OP dieser Einfluss vermieden.
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Die Widerstandsteiler W1 und W2 können Hochspannungswiderstandsteiler sein, um speziell an die gegebenen Spannungen angepasst zu werden. Hierbei ist ein Teilerverhältnis der Widerstände R1 und R2 vorzugsweise identisch zu dem Teilverhältnis der Widerstände R3 und R4. Zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit können die Widerstände R1 und R3 jeweils aus mehreren Widerständen bestehen, die in Serie geschaltet sind. Im in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Teilverhältnis der Widerstände R1, R2 und R5 identisch mit dem Teilverhältnis der Widerstände R3 und R4.
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Somit wird eine Schaltung zur fehlerfreien Eingangsspannungserkennung in einem Netzteil beschrieben. Die Schaltung gibt nicht nur im statischen Betrieb, bei dem zu jedem Zeitpunkt ein direkter Bezug von der Eingangsseite des Brückengleichrichters zur Ausgangsseite gegeben ist, ein genaues Ausgangssignal VOUT, sondern auch bei starken Lastwechseln beziehungsweise sehr geringer Ausgangsleistung.
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Bezugszeichenliste
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- AC
- primäre Netzwechselspannung
- PH1, PH2
- Phasenleitung
- W, W1, W2
- Widerstandsteiler
- G
- Gleichrichterschaltung
- D1, D2
- Diode
- RL
- Last
- R1 bis R5
- Widerstand
- C1 bis C3
- Kondensator
- DC
- Gleichspannungsquelle
- OP
- Subtraktionsvorrichtung
- GND–VCC
- Massepotential negative Vorspannung
- VOUT
- Ausgangssignal
