DE4330210A1 - Stabilisierungsschaltung - Google Patents

Stabilisierungsschaltung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Stabilisierungsschaltung für eine aus der Netzwechselspannung gleichgerichtete Halbwellenspannung mit einem Halbleiter-Längselement zwischen einem Kondensator und einem Gleichrichter und einem Referenzspannungselement am Steuerpol des Halbleiter-Längselements.
Elektrische Geräte, beispielsweise Haushaltsgeräte, die mit einer Steuerelektronik arbeiten, benötigen ein Netzteil, das die Netzwechselspannung auf die Höhe der Signalspannung der Steuerelektronik herabtransformiert und gleichrichtet. Nach dem Stand der Technik werden zur Stabilisierung der Versorgungsspannung der Steuerelektronik Längsregler eingesetzt. Ein solcher Längsregler arbeitet mit einem Transistor als Halbleiter- Längselement. Üblicherweise ist die Schaltung so dimensioniert, daß der Transistor bei maximalem Laststrom gerade noch nicht in Sättigung geht. Am Transistor tritt die höchste Verlustleistung dann auf, wenn der Wert des Laststroms die Hälfte des maximalen Laststroms ist. Denn dann hat das Produkt aus Strom und Spannung am Transistor den Maximalwert.
Um die Verlustleistung des Längstransistors abzuführen, ist er an einem Kühlkörper oder einem Kühlblech montiert. Der Kühlkörper bzw. das Kühlblech sind vergleichsweise teuere Bauteile, verursachen Montageaufwand und benötigen Bauraum auf der Steuerelektronik.
In der DE 28 13 402 A1 ist eine Stabilisierungsschaltung für eine Versorgungsspannung beschrieben. Die Versorgungsspannung ist eine Gleichspannung, jedoch keine aus der Netzwechselspannung abgeleitete Halbwellenspannung. Der Längstransistor benötigt auch hier in der Praxis ein Kühlblech.
In der DE 35 12 480 C2 ist eine Schalteinrichtung beschrieben, bei der ein Verbraucher schlagartig an die Versorgungsspannungsquelle dann und solange angeschaltet werden soll, wie der für den Verbraucher spezifizierte Spannungsbereich vorliegt. Die Versorgungsspannung ist auch hier eine Gleichspannung, die entweder aus einer Batterie oder einem Netzgerät stammen kann. Eine ähnliche Aufgabe ist auch durch die Stabilisierungsschaltung der EP 0 226 725 B1 gelöst.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Stabilisierungsschaltung der eingangs genannten Art die am Halbleiter-Längselement ab fallende Verlustleistung kleinzuhalten, um einen Kühlkörper einzusparen bzw. einen kleinen Kühlkörper genügen zu lassen.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einer Stabilisierungsschaltung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Halbleiter-Längselement ein elektronischer Schalter ist, der durchschaltet, wenn die Halbwellenspannung einen Wert erreicht, welcher größer ist als die am Ladekondensator erreichte Spannung, solange diese kleiner ist als die Referenzspannung, und der sperrt, wenn die Halbwellenspannung kleiner oder gleich der Spannung am Ladekondensator ist, und daß eine Strombegrenzung für den bei durchgeschaltetem Schalter zum Ladekondensator fließenden Strom vorgesehen ist.
Die am elektronischen Schalter im durchgeschalteten Zustand abfallende Restspannung ist sehr klein, so daß an ihm nur eine geringe Verlustleistung abfällt. Außerdem ist durch die Strombegrenzung der Ladestrom begrenzt. Die Strombegrenzung nimmt die Leistung auf, die bei der herkömmlichen Schaltung das Kühlblech des Längstransistors aufweist. Es ist dadurch erreicht, daß für den elektronischen Schalter kein Kühlkörper erforderlich ist, oder ein vergleichsweise kleines Kühlblech genügt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Netzteil mit einer Stabilisierungsschaltung mit Kühlkörpern nach dem Stand der Technik und
Fig. 2 ein Netzteil mit einer erfindungsgemäßen Stabilisierungsschaltung ohne Kühlblech.
Ein Netzteil weist einen Transformator (1) auf, dessen Primärwicklung (2) an der Netzwechselspannung (UN) liegt und dessen Sekundärwicklung (3) ein Brückengleichrichter (4) nachgeschaltet ist. Am Pol (5) des Gleichrichters (4) liegt eine gleichgerichtete Halbwellenspannung.
Nach dem Stand der Technik (vgl. Fig. 1) liegt zwischen dem Pol (5) und einem Kondensator (6) ein Längstransistor (7). Am Kondensator (6) ist die Versorgungs-Gleichspannung (Ua) beispielsweise für eine Steuerelektronik abgreifbar.
An die Basis des Transistors (7) ist als Referenzspannungselement eine Zenerdiode (8) angeschlossen. Außerdem liegt die Basis über einen Widerstand (9) an dem Pol (5) und über einen Widerstand (10) am Emitter des Transistors (7) bzw. am Kondensator (6).
Mit dem Längstransistor (7) muß ein Kühlkörper (11) in wärmeleitender Verbindung stehen, um die Verlustleistung des Transistors (7) abzuführen.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltung nach Fig. 2 ist anstelle des Transistors (7) als elektronischer Schalter ein Thyristor (12) vorgesehen. Statt dessen kann auch ein Triac verwendet werden. Zwischen der Anode des Thyristors (12) und dem Pol (5) liegt zur Strombegrenzung ein Widerstand (13). Die Kathode des Thyristors (12) ist an den Ladekondensator (6) angeschlossen. Außerdem liegt an ihr der Widerstand (10).
Die Zenerdiode (8) liegt am Gate des Thyristors (12). Außerdem liegen am Gate der Widerstand (10) und eine Diode (14), welche über den Widerstand (9) mit dem Pol (5) verbunden ist.
Für den Thyristor (12) ist kein Kühlkörper erforderlich. Kalkulationen zeigen, daß die Schaltung nach Fig. 2 hinsichtlich Material- und Arbeitskosten erheblich billiger als die Schaltung nach Fig. 1 ist.
Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2 ist etwa folgende:
Der Thyristor (12) wird bei jeder der am Pol (5) des Brückengleichrichters (4) anstehenden gleichgerichteten Halbwellen jeweils dann gezündet, wenn
  • a) die Halbwellenspannung einen Wert erreicht, der größer als die jeweilige Spannung am Ladekondensator (6) ist und
  • b) die Spannung am Ladekondensator (6) mindestens um den Betrag der Zündspannung des Thyristors (12) kleiner als die Durchbruchspannung (Referenzspannung) der Zenerdiode (8) ist.
Bei gezündetem Thyristor (12) (Leitphase) fließt über den Thyristor (12) ein Ladestrom in den Ladekondensator (6). Dieser Ladestrom ist durch den Widerstand (13) begrenzt. Am Widerstand (13) fällt eine Verlustleistung ab, die bei der Schaltung nach Fig. der Kühlkörper (11) aufnehmen und abführen muß. Der Widerstand (13) ist hinsichtlich Material- und Montagekosten wesentlich kleiner und billiger als der Kühlkörper (11), selbst wenn der Kühlkörper (11) nur ein einfaches Kühlblech ist. In der Leitphase ist der Thyristor (12) - anders als der Längstransistor (7) voll durchgeschaltet, so daß an ihm nur eine kleine Restspannung und damit kleine Verlustleistung abfällt. Der Thyristor (12) erwärmt sich nicht so, daß für ihn ein großes Kühlblech notwendig ist.
Gegen Ende jeder Halbwelle unterschreitet die Spannung der Halbwelle die Spannung am Ladekondensator (6). Der Thyristor (12) wird dadurch gelöscht, so daß er nicht mehr stromdurchflossen ist, bis er in der nächsten Halbwelle gegebenenfalls wieder gezündet wird. Die während jeder Halbwelle auftretende Zeit, während der ein Ladestrom auf den Ladekondensator (6) fließt, wird also automatisch geregelt. Je nach der an die Versorgungs-Gleichspannung (Ua) angeschlossenen Last (Steuerelektronik) ist die Leitzeit in jeder Halbwelle kürzer oder länger. Die stabilisierte Spannung am Ladekondensator (6) entspricht etwa der Zenerspannung der Zenerdiode (8).
Die Diode (14) sperrt, solange die Spannung am Pol (5) des Brückengleichrichters (4) kleiner ist als die am Ladekondensator (6) anstehende stabilisierte Spannung. Während dieser Zeit ist die Spannung am Gate des Thyristors (12) über den Widerstand (10) auf dem gleichen Wert wie an seine Kathode gehalten. Es liegt also zwischen der Kathode und dem Gate des Thyristors (12) keine negative Spannung, wenn die Spannung in einer Halbwelle am Pol (5) kleiner ist als die jeweilige Ladespannung des Ladekondensators (6).
Der Widerstand (9) begrenzt den in das Gate des Thyristors (12) während der Leitphase der Diode (5) fließenden Strom.
Eine weitere Vereinfachung der Schaltung nach Fig. 2 läßt sich dadurch erreichen, daß die strombegrenzende Funktion des Widerstands (13) in den Transformator (1) integriert. Hierfür kann der Transformator (1) so ausgelegt sein, daß er den Strom in der Leitphase des Thyristors (12) begrenzt. Diese Strombegrenzung kann durch die Bemessung der Widerstände der Primärwicklung (2) und/oder der Sekundärwicklung (3) erfolgen. Sie kann auch durch eine entsprechende Gestaltung der Streuinduktivität des Transformators (1) erreicht werden.

Claims (6)

1. Stabilisierungsschaltung für eine aus der Netzwechselspannung gleichgerichtete Halbwellenspannung mit einem Halbleiter-Längselement zwischen einem Kondensator und einem Gleichrichter und einem Referenzspannungselement am Steuerpol des Halbleiter- Längselements, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Längselement ein elektronischer Schalter (12) ist, der durchschaltet, wenn die Halbwellenspannung einen Wert erreicht, welcher größer ist als die am Ladekondensator (6) erreichte Spannung, solange diese kleiner ist als die Referenzspannung, und der sperrt, wenn die Halbwellenspannung kleiner oder gleich der Spannung am Ladekondensator ist, und daß eine Strombegrenzung (13) für den bei durchgeschaltetem Schalter (12) zum Ladekondensator (6) fließenden Strom vorgesehen ist.
2. Stabilisierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (12) durchschaltet, wenn die Spannung am Ladekondensator (6) mindestens um den Betrag der Zündspannung des elektronischen Schalters (12) kleiner ist als die Referenzspannung.
3. Stabilisierungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter ein Thyristor (12) oder ein Triac ist.
4. Stabilisierungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strombegrenzung ein ohmscher Widerstand (13) vorgesehen ist.
5. Stabilisierungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strombegrenzung ein dem Gleichrichter (4) vorgeschalteter Transformator (1) entsprechend bemessen ist.
6. Stabilisierungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kathode und dem Gate des Thyristors (12) bzw. Triacs ein Widerstand (10) liegt und daß zwischen das Gate und einem am Gleichrichter (4) liegenden Widerstand (9) eine Diode (14) geschaltet ist.
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