DE4420528C1 - Schaltnetzteil mit niedriger Verlustleistung im Standby-Betriebszustand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil mit den folgenden Merkmalen:

• - ein Transformator weist eine Sekundärwicklung auf, an die eine Last anschließbar ist,
• - eine Primärwicklung des Transformators ist an einem Wick­ lungsanschluß über ein Schaltelement mit einem Anschluß für ein Bezugspotential verbindbar, und an einem anderen An­ schluß an eine gleichgerichtete Wechselspannung anschließ­ bar,
• - eine Steuerungseinrichtung steuert das Schaltelement in bezug auf die Ein- und Ausschaltzeiten in Abhängigkeit von der Last,
• - es sind Mittel vorgesehen, durch die das Schalten des Schaltelements in ersten Zeitabschnitten blockiert wird und in zweiten Zeitabschnitten nicht blockiert wird, wenn die Last als niedrig festgestellt wird,
• - die Zeitabschnitte sind an die Phasenlage der Wechselspan­ nung gekoppelt.

Bei Schaltnetzteilen sinkt bekanntlich der Wirkungsgrad mit abnehmender Abgabeleistung. Dies liegt daran, daß bei gerin­ ger Abgabeleistung das Verhältnis von Eigenverlustleistung zu Abgabeleistung ungünstiger ist. Die Verlustleistung im Standby-Betrieb, also dann, wenn der größte Teil der sekun­ därseitig angeschlossenen Verbraucher abgeschaltet ist und nur eine relativ geringe Last, z. B. ein Empfänger für eine Fernbedienung, zu versorgen ist, liegt die Verlustleistung von herkömmlichen Schaltnetzteilen im Bereich von etwa 10 W.

Eine Möglichkeit, die Verlustleistung für den Standby-Betrieb zu verringern besteht darin, das Schaltnetzteil in einem Burst-Betrieb zu betreiben. Dabei wird in abwechselnder Folge der Schaltbetrieb kurzzeitig blockiert und anschließend kurzzeitig freigegeben.

Zur Steuerung der Burst-Rate wird in der US-Patentschrift 4 766 528 ein Zeitglied verwendet, durch das Freigabe und Blockieren des Schaltbetriebs gesteuert werden. Die Schaltbetriebsphase ist hier nicht an die Netzwechselspannung gekoppelt. In der US-Patentschrift 4 937 728 ist die Burst-Rate an die Phasenlage der Netzwechselspan­ nung gekoppelt. Die Schaltbetriebsphase reicht dabei bis in den Be­ reich des Betragsmaximums der Netzwechselspannung. Die Be­ triebspause enthält den Nulldurchgang der Netzwechselspannung.

Bekanntlich wird aus dem Stromnetz im Bereich des Betragsma­ ximums der Netzwechselspannung Strom in den Glättungskonden­ sator des Schaltnetzteils aufgenommen. Da bei den bekannten Lösungen die Schaltbetriebsphase auch in diesem Zeitabschnitt der Netzwechselspannung liegt, wirkt das Schaltnetzteil in Form von Oberwellen ins Netz zurück.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Schaltnetzteil der eingangs genannten Art zu verbessern, so daß auch bei niedri­ ger Belastung ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird und gleichzeitig die Stromaufnahme möglichst störbefreit ist. Dies soll insbesondere für den Standby-Betrieb gelten.

Erfindungsgemäß wird dadurch gelöst, daß die Mittel derart ausgeführt sind, daß die zweiten Zeitabschnitte den Spannungs­ nulldurchgang der Wechselspannung enthalten und wesentlich kürzer sind als die ersten Zeitabschnitte.

Das erfindungsgemäße Schaltnetzteil hat den Vorteil, daß im Standby-Betrieb die Schaltbetriebsphase jeweils nur im Be­ reich der Nulldurchgänge der Netzwechselspannung vorliegt. Während der Betragsmaxima der Netzwechselspannung liegt kein Schaltbetrieb vor, so daß keine an die Schaltfrequenz gekop­ pelte Störungen ins Netz zurückwirken.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Schalt­ netzteils,

Fig. 2 ein Impulsdiagramm und

Fig. 3 eine schaltungstechnische Realisierung im Detail.

Das Schaltnetzteil weist einen Transformator 1 mit einer Primärwicklung 2 und einer Sekundärwicklung 3 auf. An die Sekundärwicklung 3 ist über eine Gleichrichteranordnung 16, 17 eine Last 18 angeschlossen. In Reihe mit der Primärwick­ lung 2 liegt ein Schalttransistor 6, durch den der entspre­ chende Wicklungsanschluß auf Primärmasse 20 gelegt wird. Der andere Anschluß der Primärwicklung 2 wird von der Ausgangs­ seite eines Brückengleichrichters 7 gespeist. Eingangsseitig liegt der Brückengleichrichter 7 an einer Netzwechselspannung UN. Um die an der Last 18 anliegende Spannung in Abhängigkeit vom momentanen Lastzustand möglichst konstant zu regeln, werden die Ein- und Ausschaltphasen des Schalttransistors 6 mittels einer Steuerungseinrichtung 5 geregelt. Die Steue­ rungseinrichtung 5 kann hierzu festfrequent oder in einer freischwingenden Betriebsart betrieben werden. Hierzu können Regelsignale verwendet werden, die z. B. an die Ausgangsspan­ nung und an den durch die Primärwicklung 2 fließenden Strom gekoppelt sind. Die Versorgungsspannung der Steuerungsein­ richtung 5 wird im eingeschwungenen Zustand von einer Gleich­ richtereinrichtung 14, 15 geliefert, die von einer Transfor­ matorwicklung gespeist wird.

Um während der Burst-Betriebsart die Betriebspause festzule­ gen, wird die an die Steuerungseinrichtung 5 gelieferte Versorgungsspannung mittels des Transistors 11 abgeschaltet. Die Steuerungseinrichtung 5 ist dann inaktiv, der Transistor 6 wird im gesperrten Zustand blockiert. Zur Steuerung des Transistors 11 sind zwei Vergleichseinrichtungen 8, 9 und eine logische Verknüpfung 10 vorgesehen. Die Vergleichsein­ richtung 8 ist eingangsseitig mit dem Ausgang des Brücken­ gleichrichters 7 verbunden. Ihr Ausgangssignal wird aktiv geschaltet, wenn die vom Brückengleichrichter 7 gelieferte Momentanspannung einen in der Einrichtung 8 eingestellten Vergleichswert unterschreitet. Mittels der Vergleichseinrich­ tung 9 wird der Momentanwert der an die Sekundärseite über­ tragenen Leistung mit einer weiteren Schwelle verglichen. Die an die Sekundärseite übertragene Leistung ist ein Maß für die sekundärseitig angeschlossene Momentanlast. Hierzu wird ein Signal UR, das den Wert der übertragenen Leistung repräsen­ tiert, in die Vergleichseinrichtung 9 eingespeist. Das Signal UR kann wie im vorliegenden Fall gezeigt vom Betriebszustand der Steuerschaltung 5 abgeleitet werden. Das Ausgangssignal der Einrichtung 9 wird aktiv geschaltet, wenn der vom Signal UR angezeigte Wert höher als die in der Einrichtung 9 vorge­ sehene Schaltschwelle ist. Die Schaltschwellen der Einrich­ tungen 8, 9 können durch Schaltschwellen von Bauelementen intern vorgegeben werden oder durch Einspeisung von Referenz­ signalen. Die Ausgangssignale der Einrichtungen 8, 9 werden in einer ODER-Verknüpfung miteinander verknüpft. Wenn minde­ stens eines der Ausgangssignale aktiv ist, wird der Transi­ stor 11 leitend geschaltet, so daß die Steuerungseinrichtung 5 mit Versorgungsspannung gespeist wird und Schaltbetrieb möglich ist. Wenn beide Signale nicht aktiv geschaltet sind, ist der Transistor 11 gesperrt, die Steuerungseinrichtung 5 wird nicht mit Versorgungsspannung gespeist, und der Transi­ stor 6 ist blockiert.

Im Fall des Standby-Betriebs ist die Ausgangslast 18 niedrig. Das Ausgangssignal des Vergleichers 8 wird aktiviert, wenn der Momentanwert der vom Brückengleichrichter 7 gelieferten gleichgerichteten Netzwechselspannung unterhalb der Schalt­ schwelle des Vergleichers 8 liegt. Der Transistor 11 wird dann eingeschaltet - eine Schaltbetriebsphase liegt vor. Das Schaltnetzteil lädt nun den sekundärseitigen Ladekondensator 17 auf. Die übertragene Leistung ist deshalb für die kurze Zeit, bis der Ladekondensator wieder aufgeladen ist, relativ hoch, so daß das Ausgangssignal des Vergleichers 9 aktiv ist.

Liegt der Momentanwert der gleichgerichteten Wechselspannung höher als die Schaltschwelle des Vergleichers 8, wird der Ausgang des Vergleichers 8 abgeschaltet. Der Transistor 11 bleibt gegebenenfalls so lange leitend, bis der Sekundärlade­ kondensator 17 vollständig nachgeladen ist. Dann wird das Ausgangssignal des Vergleichers 9 abgeschaltet, der Transi­ stor 11 wird gesperrt, und der Schalttransistor 6 ist bloc­ kiert. Während dieses Burst-Betriebs liegt also die Schaltbe­ triebsphase stets im Bereich des Nulldurchgangs der gleichge­ richteten Netzwechselspannung.

Die in der Fig. 2 gezeigten Signaldiagramme zeigen in der Fig. 1 auftretende Größen für den Standby-Betrieb zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 und den Lastbetrieb zwischen den Zeitpunkten T2 und T4. Aufgetragen sind die Ausgangsspannung U7 des Brückengleichrichters 7, die Ausgangssignale U8, U9 der Vergleicher 8 bzw. 9, das Signal UR, das die an die Sekundärseite übertragene Leistung repräsentiert, die Versor­ gungsspannung U11 für den Steuerungsschaltkreis und der Momentanwert P18 der Last 18.

Während des Zeitraums zwischen den Zeitpunkten T1, T2 liegt Standby-Betriebsart vor, d. h. die Last 18 ist niedrig. Das Signal U8 wird nur dann aktiviert, wenn der Momentanwert der Netzspannung U7 unterhalb der Schaltschwelle 50 liegt. Der Transistor 11 wird dann eingeschaltet, so daß das Schaltnetz­ teil anläuft. Während der Anlaufphase wird relativ viel Leistung auf die Sekundärseite übertragen, so daß das Signal UR oberhalb der Schaltschwelle des Vergleichers 9 liegt. Der Transistor 11 wird von einem aktiven Signal angesteuert, so daß die Steuerungseinrichtung 5 mit Versorgungsspannung versorgt wird. Wenn der Momentanwert der gleichgerichteten Netzspannung U7 die Schaltschwelle 50 übersteigt, wird das Signal U8 abgeschaltet. Die Signale UR, U9 bleiben noch so lange aktiv, d. h. es wird noch so lange zur Sekundärseite Leistung übertragen, bis der dort angeordnete Ladekondensator 17 aufgeladen ist. Das Signal UR fällt daraufhin ab, und der Transistor 11 wird gesperrt, so daß die Versorgungsspannung U11 für die Steuerungseinrichtung 5 abgeschaltet wird. Zum Zeitpunkt T2 wird beispielsweise mittels einer Fernbedienung von Standby-Betrieb auf Normalbetrieb umgeschaltet. Die Last 18 weist nun zwischen den Zeitpunkten T2, T4 einen hohen Wert auf. Mit dem Zeitpunkt T3, wenn also die Spannung U7 unter die Schwelle 50 fällt, wird der Steuerungsschaltkreis 5 mit Spannung U11 versorgt. Da die zu versorgende Last P18 relativ groß ist, liegt das Signal UR stets oberhalb der Schwelle 51. Es liegt nun dauerhaft Schaltbetrieb vor. Dieser dauert bis zum Zeitpunkt T4, an dem auf Standby-Betrieb zurückgeschaltet wird.

In der Fig. 3 ist eine schaltungstechnische Detailrealisie­ rung eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils gezeigt. Als Steuerungseinrichtung 5 wird der integrierte Schaltkreis TDA 4605 verwendet. Die Versorgungsspannung für den Schaltkreis 5, die über den Transistor 11 zugeführt wird, wird aus einer auf der Primärseite angeordneten Sperrwandlerwicklung 4 geliefert. Die Schaltschwelle des ersten Vergleichers 8 (vgl. Fig. 1) wird durch die Schaltschwelle der Zenerdiode 60 eingestellt. Wenn die momentane Ausgangsspannung des Brücken­ gleichrichters 7 die Einsatzspannung der Zenerdiode 60 über­ schreitet (z. B. 100 V) wird der Transistor 61 leitend ge­ schaltet, so daß der Transistors 11 sperrt. Die Schaltschwel­ le des Vergleichers 9 wird durch die Schaltschwelle des Transistors 62 eingestellt. Das Signal UR wird vom Anschluß 68 der Steuerungseinrichtung 5 abgegriffen. Es wird in der Steuerungseinrichtung 5 beispielsweise am Ausgang eines Regelverstärkers erzeugt, der das an die Sekundärspannung gekoppelte Steuersignal in eine Regelspannung umsetzt. Der Regelverstärker steuert damit die Ein- und Ausschaltphasen des Schalttransistors. Das Ausgangssignal des Regelverstär­ kers ist hoch, wenn eine hohe Leistung auf die Sekundärseite übertragen wird, und niedrig, wenn eine niedrige Leistung auf die Sekundärseite übertragen wird. Der Kondensator 69 wird entsprechend hoch aufgeladen. Das Signal UR wird über einen Spannungsteiler auf die Basis des Transistors 62 gekoppelt. Der Transistor 62 wird durchgeschaltet. Die ODER-Verknüpfung 10 der Fig. 1 wird durch den Schaltungsknoten 64 gebildet, an dem der Kollektor des Transistors 62 mit der Anode der Zenerdiode 60 verbunden ist. Der Transistor 62 bleibt so lange leitend, wie eine hohe Leistung an die Sekundärseite übertragen wird und die Spannung UR den Transistor 62 leitend hält.

Eine Betriebspause während der Burst-Betriebsart stellt sich dann ein, wenn die vom Brückengleichrichter 7 abgegebene Momentanspannung höher als die Schaltschwelle der Zenerdiode 60 liegt und an die Sekundärseite nur geringe Leistung über­ tragen wird. Daraufhin wird der Transistor 11 blockiert und die Steuerungseinrichtung 5 von ihrer Versorgungsspannung getrennt.

Das RC-Glied 65, 67 und die Diode 66 sorgen für ein sicheres Einschalten des Transistors 61 bzw. Abschalten des Tran­ sistors 11, wenn der Transistor 62 abschaltet.

Der Anschluß 68 ist auch ein Anschluß für einen Softstart der Steuerungsschaltung. Unter Softstart wird verstanden, daß beim Einschwingen des Schaltnetzteils die Einschaltdauer des Transistors 6 und damit die zu übertragende Leistung erst langsam zunimmt. Hierfür erzeugt der Kondensator 69 eine Rampenspannung. Im Burstbetrieb möchte man Softstart vermei­ den, so daß unmittelbar die volle Leistung des Schaltnetz­ teils bereitsteht. Aus diesem Grunde wird der Softstartan­ schluß 68 kapazitiv über den Kondensator 63 mit dem Versor­ gungsanschluß der Steuerungseinrichtung 5 verbunden. Beim Einschalten der Versorgungsspannung für den Steuerungsschalt­ kreis 5 wird dann die Spannung am Anschluß 68 sprungartig angehoben. In entsprechender Weise wird durch die kapazitive Kopplung bei Ausschalten die Spannung an der Basis des Tran­ sistors 62 schnell abgeschaltet. Der Kondensator 63 wirkt also als Mitkopplung.

Claims (6)

1. Schaltnetzteil mit den folgenden Merkmalen:

• - ein Transformator (1) weist eine Sekundärwicklung (3) auf, an die eine Last (18) anschließbar ist,
• - eine Primärwicklung (2) des Transformators ist an einem Wicklungsanschluß über ein Schaltelement (6) mit einem An­ schluß (20) für ein Bezugspotential verbindbar, und an ei­ nem anderen Anschluß an eine gleichgerichtete Wechselspan­ nung (UN) anschließbar,
• - eine Steuerungseinrichtung (5) steuert das Schaltelement (6) in bezug auf die Ein- und Ausschaltzeiten in Abhängig­ keit von der Last (18),
• - es sind Mittel (8, 9, 10, 11) vorgesehen, durch die das Schalten des Schaltelements in ersten Zeitabschnitten bloc­ kiert wird und in zweiten Zeitabschnitten nicht blockiert wird, wenn die Last als niedrig festgestellt wird,
• - die Zeitabschnitte sind an die Phasenlage der Wechselspan­ nung (UN) gekoppelt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel derart ausgeführt sind, daß die zweiten Zeitab­ schnitte den Spannungsnulldurchgang der Wechselspannung ent­ halten und wesentlich kürzer sind als die ersten Zeitabschnitte.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel umfassen:

• - einen ersten Vergleicher (8), durch den die gleichgerichte­ te Wechselspannung mit einer ersten Referenzschwelle (50) verglichen wird und ein erstes Ausgangssignal (U8) akti­ viert wird, wenn die gleichgerichtete Wechselspannung nied­ riger als die erste Referenzschwelle (50) ist,
• - einen zweiten Vergleicher (9), durch den ein die an die Sekundärwicklung übertragene Leistung repräsentierendes Signal (UR) mit einer zweiten Referenzschwelle (51) vergli­ chen wird und ein zweites Ausgangssignal (U9) aktiviert wird, wenn das die an die Sekundärwicklung übertragene Lei­ stung repräsentierende Signal (UR) höher ist als die Refe­ renzschwelle (51),
• - ein Verknüpfungsmittel (10), durch das die ersten und zweiten Ausgangssignale (U8, U9) verknüpft werden derart, daß das Schaltelement (6) nicht blockiert wird, wenn minde­ stens eines der ersten und zweiten Ausgangssignale akti­ viert ist, und daß das Schaltelement (6) andernfalls bloc­ kiert wird.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (11) vorgesehen ist, über den die Steuerungsein­ richtung (5) mit einer Versorgungsspannungsquelle (4, 14, 15) verbunden ist, daß der Schalter (11) vom Verknüpfungsmittel (10) geschlossen wird, wenn mindestens eines der ersten und zweiten Ausgangssignale aktiviert ist, und andernfalls geöffnet wird.

4. Schaltnetzteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die an die Sekundärwicklung übertragene Leistung reprä­ sentierende Signal (UR) von einem in der Steuerungseinrich­ tung (5) enthaltenen Regelverstärker, durch den die Ein- und Ausschaltphasen des Schaltelements (6) gesteuert werden, ausgangsseitig abgegriffen wird.

5. Schaltnetzteil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung (5) einen Eingang für einen Softstart (68) aufweist und daß der Eingang für den Softstart und der Anschluß für die Versorgungsspannung der Steuerungs­ einrichtung kapazitiv (63) miteinander gekoppelt sind.