EP3631958A1 - Primärgetaktetes schaltnetzeil - Google Patents

Primärgetaktetes schaltnetzeil

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EP3631958A1
EP3631958A1 EP18724217.7A EP18724217A EP3631958A1 EP 3631958 A1 EP3631958 A1 EP 3631958A1 EP 18724217 A EP18724217 A EP 18724217A EP 3631958 A1 EP3631958 A1 EP 3631958A1
Authority
EP
European Patent Office
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primary
circuit branch
side circuit
power supply
voltage
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18724217.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Max JEHLE
Max Bauer
Patrick Geib
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP3631958A1 publication Critical patent/EP3631958A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/36—Means for starting or stopping converters

Definitions

  • the invention relates to a primary-clocked switching power supply and a field device with such a switching power supply.
  • Switched-mode power supplies are used today in virtually all electronic devices, both in the private consumer sector, for example in a television, as well as in industrial environments, for example in a field device of automation technology.
  • field devices of automation technology are used for detecting and / or influencing process variables. Examples of such field devices are level gauges, mass flow meters, pressure and
  • Temperature measuring devices pH redox potential measuring devices, conductivity measuring devices, etc., which detect the corresponding process variables level, flow, pressure, temperature, pH value or conductivity value as sensors. For influencing
  • Process variables serve so-called actuators, z.
  • actuators As valves that control the flow of a liquid in a pipe section or pumps that change the level in a container.
  • field devices all devices that are used close to the process and supply or process the process-relevant information are referred to as field devices.
  • field device used in connection with the invention, all types of measuring devices and actuators are thus to be subsumed.
  • field device also includes e.g. a gateway, a radio adapter or other bus users integrated / integrable into a bus system. A large number of such field devices are manufactured and distributed by the Endress + Hauser group of companies.
  • Input voltage can be applied, and a secondary side, at the one
  • Output voltage can be tapped off.
  • the energy is transmitted by a high clocking of a transformer to the secondary side.
  • security measures are implemented in the switched-mode power supply.
  • so-called crowbar circuits are used today, which limit the output voltage of the switching power supply as a last resort.
  • a secondary-side thyristor is ignited in the event of a fault, in particular in the case of an overvoltage Short circuit between the output voltage and a ground causes.
  • the secondary-side current increases to such an extent that a fuse burns out and the secondary-side current is interrupted so that the circuit to be supplied of the downstream device is disconnected from the primary side of the switched-mode power supply.
  • a control loop which likewise typically has a switched-mode power supply, is disconnected from the primary side of the switched-mode power supply, so that the switched-mode power supply recognizes on the primary side that the secondary-side output voltage is too low and controls accordingly.
  • the switched-mode power supply recognizes on the primary side that the secondary-side output voltage is too low and controls accordingly.
  • the output voltage increases up to several 100 volts.
  • the introduced power can only be provided via a primary-side
  • Circuit branch region are discharged with an additional primary winding of the transformer, whereby this primary-side circuit branch region is extremely loaded. This leads to the fact that the components involved become very hot and thus specific temperature classes for intrinsic safety, in particular the
  • Temperature class 6 according to which a maximum surface temperature may not rise above 85/80 ° C, can not be met. Furthermore, there is dangerous voltage in the circuit of the switching power supply, although it is supplied with only relatively low voltages.
  • the invention has for its object to propose a switching power supply, which turns off in the event of an error as safe as possible or out of service.
  • Input voltage into an output voltage comprises at least:
  • one of the primary-side circuit branch separate secondary-side circuit branch on which the output voltage can be tapped;
  • secondary-side circuit branch which comprises at least one transformer, wherein the transformer at least one in the primary side
  • Circuit branch arranged first primary and arranged in the secondary-side circuit branch first secondary winding for electrically isolated energy transfer from the primary side to the secondary side
  • the transformer further comprises one in the primary side Circuit branch disposed second primary winding for supplying power to at least parts of the primary-side circuit branch;
  • a fuse arranged in the primary-side circuit branch and configured to interrupt a primary-side current flow so that the primary-side circuit branch is essentially free of voltage
  • a first switchable switching element which is arranged in the primary-side circuit branch for securing such that it triggers the primary-side fuse when switching;
  • Circuit branch arranged monitoring unit which is adapted to monitor a characteristic of the second primary winding electrical signal and in the event that the characteristic electrical signal exceeds a threshold, the first switching element switches, so that the primary-side fuse is triggered.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the characteristic electrical signal is dependent on the second primary winding voltage signal, in particular a voltage applied to the output of the second primary winding
  • Voltage signal includes.
  • a further advantageous embodiment of the invention further provides for a diode arranged in the primary-side circuit branch, the diode having an anode connected to the second primary winding and the characteristic electrical signal comprising a voltage signal applied to a cathode of the diode.
  • Monitoring unit comprises at least one comparator, in particular a Schmitt trigger, to which the electrical signal is supplied and which compares the electrical signal with the threshold and in the case that the electrical signal exceeds the threshold, the first switching element switches.
  • comparator in particular a Schmitt trigger
  • Monitoring unit has an RC element, which in such a way with the second
  • the embodiment can provide that the RC element and the comparator are connected to one another in such a way that the comparator is supplied with the voltage summed up by the RC element, and wherein the comparator compares the accumulated voltage with the threshold value.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the comparator is connected in such a way that the threshold value is supplied at a first input. Again, an advantageous embodiment of the invention provides that the comparator is further connected such that at a second input, the electrical signal is supplied. A further advantageous embodiment of the invention provides that the first
  • Switching element comprises a thyristor, a transistor, in particular a field effect transistor, or a relay.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the primary-side circuit branch has a second switching element, which in series with the first
  • the embodiment can provide that the primary-side circuit branch has a control unit connected to the second switching element for driving the second switching element and / or that in the primary-side circuit branch a start-up circuit is provided, which supplies the control unit at start with the required energy.
  • the embodiment may comprise at least one first feedback element, which is designed such that it carries a feedback signal from the secondary-side circuit branch via the galvanic isolation to the primary side arranged control unit, so that the control unit controls the second switching element for clocking the first primary winding according to the feedback signal and or that the first feedback element comprises at least one optical coupling element, preferably an optocoupler or an infrared light emitting diode.
  • the object is achieved by a field device of
  • Automation technology solved which comprises at least a primary-switched switching power supply according to one of the embodiments described above.
  • Fig. 2 an inventively configured circuit of a Primäraktakteten
  • FIG. 1 shows a primary-clocked switched-mode power supply 1, which has a primary-side
  • the primary-side circuit branch 2 of the switched-mode power supply 1 shown in FIG. 1 comprises a first circuit branch region with at least one input connector a rectifying unit 15, a starting circuit 12, a first primary winding of a transformer 16, a second switching element 9 and a control unit 10.
  • the input terminal 14 serves to connect or apply a
  • Input voltage U a to the switching power supply 1.
  • both an AC wide-range input voltage of typically 80 to 253 V AC and a DC input voltage of typically 18 to 65 V DC can be applied to the input terminal 14.
  • the input voltage U e in the case of being an AC voltage, is rectified by the rectifying unit 15.
  • Such rectifying units 15 generally comprise a bridge rectifier, which consists of four diodes 18.
  • rectified input voltage U e is then fed to a start-up circuit 12, which provides the required electrical energy for the switching power supply 1 in the start phase, typically only the first clock cycles.
  • a start-up circuit 12 which provides the required electrical energy for the switching power supply 1 in the start phase, typically only the first clock cycles.
  • Regulating unit 10 operated, which serves to drive the second switching element 9 with a corresponding clock frequency.
  • Typical clock frequencies are, depending on the power, between 20 and 300 kHz.
  • Modern control units or control blocks are due to the high clock frequencies and duty cycles of up to 80% in a position
  • the second switching element 9 for example a transistor, is connected in series with a first primary winding 8 of the transformer 16 and clocks the first primary winding 8 according to the predetermined by the control unit 10 clock frequency, so as to remove energy portions of the input voltage U e and to a secondary winding 17 of the transformer 16 in
  • the secondary-side circuit branch 4 to transmit or transform. On the basis of these transmitted energy portions, a consumer which can be connected to the secondary-side circuit branch can be supplied with energy. Furthermore, the primary-side circuit branch 2 of the illustrated in Fig. 1
  • Switching power supply a second circuit branch region which essentially serves to supply power to the control unit 10.
  • the second circuit branch region comprises at least a second primary winding 1 1 of the transformer 16.
  • the second primary winding 1 1 is so on other components, for example.
  • the secondary-side circuit branch 4 comprises, as already mentioned, the
  • the smoothing means comprises a smoothing diode 20.
  • the secondary-side circuit branch 4 comprises a feedback circuit 19, which is adapted to a
  • a voltage reference 21 which is designed such that when the voltage applied to its input REF, a predetermined threshold, z. B. exceeds 2.5 V, the voltage reference 21 allows a current flow between its terminals C and A, the more so
  • the galvanic decoupling can be realized, for example, by the feedback circuit 19 comprising a first feedback element 13, which connects the secondary-side and primary-side circuit branch to one another.
  • the circuit shown in Fig. 1 of the switching power supply 1 is shown greatly simplified and includes, for example. Not known from the prior art and initially mentioned security measures, in particular it does not include, as usual in the art, a secondary side arranged switching element and fuse. Furthermore, the circuit according to FIG. 1 does not include any measures with regard to electromagnetic compatibility (EMC).
  • EMC electromagnetic compatibility
  • FIG. 2 shows by way of example a circuit designed according to the invention
  • FIGS. 1 and 2 show an AC switching power supply, the teaching according to the invention can also be transferred without problems to a DC / DC power supply.
  • the monitoring unit 7, the first switching element 6 and the primary-side fuse 5 are used in the event of an error, for example. In case of overvoltage, the switching power supply 1 primary side to de-energize, so that no further consequential errors and / or thermal loads occur more. Because of that, both the
  • Monitoring unit 7 and the first switching element 6 are arranged on the primary side, a transmission of a signal for driving the first switching element 6 from the secondary side to the primary side via the electrical isolation 3 is not necessary. This allows the switching power supply according to the invention in an advantageous manner at
  • the exemplary solution according to the invention shown in FIG. 2 comprises, at least in the primary-side circuit branch 2, a fuse 5, preferably one
  • Fuse which interrupts the primary-side current flow l r imär when exceeding a defined current for a defined period of time. So that the fuse 5 interrupts the primary-side current flow is also a first switching element 6, which is switchable by a control signal, provided on the primary side of the switching power supply.
  • the first switching element 6 is arranged in such a way in the primary-side circuit branch that when switching the primary-side fuse 5 is triggered. This can be realized, for example, that the fuse 5 by the first
  • Switching element 6 is connected to the ground when the first switching element 6 switches, i. E. is conductive.
  • the first switching element 6, which preferably comprises a thyristor or field effect transistor, is controlled by a monitoring unit such that it is in
  • the first switching element 6 may alternatively comprise a bipolar transistor or a relay.
  • the monitoring unit 7 comprises a comparator 7b, for example a Schmitt trigger, which has a threshold value at a first input (negative pole or inverting input) and an electrical signal at a second input (positive pole or non-inverting input). which is determined or defined by the second primary winding 11, is supplied.
  • the electrical signal may include, for example, a voltage signal applied across the second primary winding of the transformer. The voltage signal can either at an output of the second primary winding 1 1, i.
  • the voltage signal is tapped example of the diode at the cathode and fed to the comparator.
  • the voltage signal is tapped example of the diode at the cathode and fed to the comparator.
  • a characteristic electrical signal can also be used as a characteristic electrical signal.
  • the characteristic electrical signal can, in principle, be fed directly to the comparator 7b, ie without further electrical components. It is advantageous, however, the electrical signal, in particular in the case that this comprises the voltage signal to supply via an RC element (resistor-capacitor element) 7a to the comparator 7b.
  • the RC element 7a has an accumulating effect on the electrical signal, so that a pure peak detection is not performed by the comparator 7b. This offers the advantage that the electrical signal is less susceptible to interference, especially with regard to EMC interference.
  • an adaptation unit 7d for adaptation, in particular voltage adjustment, of the characteristic electrical signal may be provided, to which the electrical signal or the accumulated signal is supplied.
  • the adaptation unit 7d comprises a voltage divider with two resistors connected in series with each other, which are dimensioned such that a level, in particular a
  • the characteristic electrical signal or the summed signal is brought to a desired level.
  • the desired level is dependent on a threshold value which is supplied via a threshold value circuit 7c to the comparator 7b as a comparison reference.
  • the threshold value in turn is determined by the threshold circuit 7c in dependence on whether the electrical signal is picked up directly at the output of the second primary winding 11 or at the cathode of the diode 22.
  • the threshold circuit 7c comprises a zener diode and a resistor connected in series therewith, wherein the threshold via a center tap between the zener diode and the resistor to the first input (neg. Pol or inverting input) of the comparator 7b is guided.
  • the comparator 7b is arranged to compare the supplied electrical signal with the threshold value and, depending on the comparison, the first one
  • Control element 6 via a control signal.
  • the comparator 7b illustrated in FIG. 2 compares the supplied electrical signal with the threshold value and provides at an output the control signal which indicates whether the electrical signal or the threshold value is higher. If the electrical signal at the second input (positive or non-inverting input) is higher than the threshold value applied to the first input (negative or inverting input), then the control signal approaches a positive supply voltage of the comparator 7b that the first switching element 6 is switched or triggered by the control signal and the fuse 5 triggers. By triggering the fuse 5, the primary-side current flow l r is then imär interrupted and the switching power supply is set on the primary side out of action. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Primärgetaktetes Schaltnetzteil (1) zum Wandeln einer Eingangsspannung (Ue) in eine Ausgangsspannung (Ua) zumindest umfassend: - einen primärseitigen Schaltungszweig (2) an dem die Eingangsspannung (Ue) anlegbar ist; - einen von dem primärseitigen Schaltungszweig (2) getrennten sekundärseitigen Schaltungszweig (4) an dem die Ausgangsspannung (Ua) abgreifbar ist; - eine galvanische Trennung (3) zwischen dem primärseitigen und dem sekundärseitigen Schaltungszweig (4); - eine im primärseitigen Schaltungszweig (2) angeordnete Sicherung (5), um den primärseitigen Schaltungszweig (2) im Wesentlichen spannungsfrei zu schalten; - ein erstes schaltbares Schaltelement (6), welches im primärseitigen Schaltungszweig (2) derartig angeordnet ist, dass es beim Schalten die primärseitige Sicherung (5) auslöst; - eine mit dem ersten Schaltelement verbundene und im primärseitigen Schaltungszweig (2) angeordnete Überwachungseinheit (7), die dazu eingerichtet ist, ein durch die zweite Primärwicklung (11) bestimmtes charakteristisches elektrisches Signal zu überwachen und beim Überschreiten eines Schwellenwerts das erste Schaltelement (6) schaltet.

Description

Primargetaktetes Schaltnetzeil
Die Erfindung bezieht sich auf ein primargetaktetes Schaltnetzteil sowie ein Feldgerät mit einem solchen Schaltnetzteil.
Schaltnetzteile werden heutzutage in praktisch allen elektronischen Geräten, sowohl im privaten Consumerbereich, bspw. bei einem Fernseher, als auch im industriellen Umfeld, bspw. bei einem Feldgerät der Automatisierungstechnik eingesetzt. Derartige Feldgeräte der Automatisierungstechnik werden zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen eingesetzt. Beispiele für solche Feldgeräte sind Füllstandsmessgeräte, Massendurchflussmessgeräte, Druck- und
Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotential- Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte etc., die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeitswert erfassen. Zur Beeinflussung von
Prozessvariablen dienen sogenannte Aktoren, z. B. Ventile, die den Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt steuern oder Pumpen, die den Füllstand in einem Behälter ändern. Als Feldgeräte werden somit im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Unter dem in Verbindung mit der Erfindung verwendeten Begriff Feldgerät sind somit alle Typen von Messgeräten und Aktoren zu subsumieren. Weiterhin umfasst der Begriff Feldgerät aber auch z.B. ein Gateway, einen Funkadapter oder andere in ein Bussystem integrierte/integrierbare Busteilnehmer. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Wie bereits erwähnt, benötigen derartige Feldgeräte eine Energieversorgung. Hierfür werden heutzutage sogenannte primärgektakte Schaltnetzteile eingesetzt, welche für gewöhnlich eine galvanische Trennung zwischen einer Primärseite, an der eine
Eingangsspannung anlegbar ist, und einer Sekundärseite, an der eine
Ausgangsspannung abgreifbar ist, aufweisen. Die Energie wird hierbei durch eine hohe Taktung eines Transformators auf die Sekundärseite übertragen. Um im Fehlerfall ein Abschalten des Schaltnetzteils und so eine Zerstörung eines nachgelagerten Gerätes, insbesondere eines Feldgerätes, zu verhindern, sind in dem Schaltnetzteil Sicherheitsmaßnahmen realisiert. Hierzu werden heutzutage sogenannte Crowbar-Schaltungen eingesetzt, die als letztes Mittel die Ausgangsspannung des Schaltnetzteiles begrenzen. Bei derartigen Crowbar-Schaltungen wird im Fehlerfall, insbesondere bei einer Überspannung, ein sekundärseitiger Thyristor gezündet, der ein Kurzschluss zwischen der Ausgangsspannung und einer Masse verursacht. Dadurch steigt der sekundärseitige Strom soweit an, dass eine Sicherung durchbrennt und der sekundärseitige Strom unterbrochen wird, so dass der zu versorgende Stromkreis des nachgelagerten Gerätes von der Primärseite des Schaltnetzteils getrennt wird.
Gleichzeitig wird aber auch eine Regelschleife, welche ein Schaltnetzteil ebenfalls typischerweise aufweist, von der Primärseite des Schaltnetzteils getrennt, so dass das Schaltnetzteil primärseitig erkennt, dass die sekundärseitige Ausgangsspannung zu niedrig ist und entsprechend gegen steuert. Dies wiederum hat zur Folge, dass aufgrund der offenen Sekundärseite die Ausgangsspannung auf bis zu einige 100 Volt ansteigt. Die eingebrachte Leistung kann jedoch nur über einen primärseitigen
Schaltungszweigbereich mit einer zusätzlichen Primärwicklung des Transformators abgeführt werden, wodurch dieser primärseitige Schaltungszweigbereich extrem belastet wird. Dies führt dazu, dass die beteiligten Bauteile sehr heiß werden und somit spezifische Temperaturklassen für die Eigensicherheit, insbesondere die
Temperaturklasse 6, wonach eine maximale Oberflächentemperatur nicht über 85 / 80 °C steigen darf, nicht eingehalten werden können. Ferner herrschen gefährliche Spannung in der Schaltung des Schaltnetzteils, obwohl diese nur mit vergleichsweise geringen Spannungen versorgt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil vorzuschlagen, welches sich im Fehlerfall möglichst sicher abschaltet bzw. außer Betrieb setzt.
Die Aufgabe wird durch ein primärgetaktetes Schaltnetzteil gemäß Anspruch 1 und durch ein Feldgerät der Automatisierungstechnik gemäß Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße primärgetaktete Schaltnetzteil zum Wandeln einer
Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung umfasst zumindest:
einen primärseitigen Schaltungszweig an dem die Eingangsspannung anlegbar ist;
einen von dem primärseitigen Schaltungszweig getrennten sekundärseitigen Schaltungszweig an dem die Ausgangsspannung abgreifbar ist;
eine galvanische Trennung zwischen dem primärseitigen und dem
sekundärseitigen Schaltungszweig, welche zumindest einen Transformator umfasst, wobei der Transformator zumindest eine im primärseitigen
Schaltungszweig angeordnete erste Primär- und eine im sekundärseitigen Schaltungszweig angeordnete erste Sekundärwicklung zur galvanisch getrennten Energieübertragung von dem primärseitigen zu dem sekundärseitigen
Schaltungszweig umfasst, wobei der Transformator ferner eine im primärseitigen Schaltungszweig angeordnete zweite Primärwicklung zur Energieversorgung von zumindest Teilen des primärseitigen Schaltungszweiges aufweist;
eine im primärseitigen Schaltungszweig angeordnete Sicherung, die dazu eingerichtet ist, einen primärseitigen Stromfluss zu unterbrechen, so dass der primärseitige Schaltungszweig im Wesentlichen spannungsfrei ist;
ein erstes schaltbares Schaltelement, welches im primärseitigen Schaltungszweig derartig zur Sicherung angeordnet ist, dass es beim Schalten die primärseitige Sicherung auslöst;
eine mit dem ersten Schaltelement verbundene und im primärseitigen
Schaltungszweig angeordnete Überwachungseinheit, die dazu eingerichtet ist, ein durch die zweite Primärwicklung bestimmtes charakteristisches elektrisches Signal zu überwachen und in dem Fall, dass das charakteristische elektrische Signal einen Schwellenwert überschreitet, das erste Schaltelement schaltet, so dass die primärseitige Sicherung ausgelöst wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das charakteristische elektrische Signal ein von der zweiten Primärwicklung abhängiges Spannungssignal, insbesondere ein am Ausgang der zweiten Primärwicklung anliegendes
Spannungssignal, umfasst.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht ferner eine im primärseitigen Schaltungszweig angeordnete Diode vor, wobei die Diode mit einer Anode mit der zweiten Primärwicklung verbunden ist und das charakteristische elektrische Signal eine an einer Kathode der Diode anliegendes Spannungssignal umfasst.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die
Überwachungseinheit zumindest einen Komparator, insbesondere einen Schmitt-Trigger, aufweist, dem das elektrische Signal zugeführt ist und der das elektrische Signal mit dem Schwellenwert vergleicht und in dem Fall, dass das elektrische Signal den Schwellenwert überschreitet, das erste Schaltelement schaltet.
Wiederum eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die
Überwachungseinheit ein RC-Glied aufweist, welches derartig mit der zweiten
Primärwicklung verschaltet ist, dass das RC-Glied die von der zweiten Primärwicklung abhängige Spannung aufsummiert. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass das RC-Glied und der Komparator derartig miteinander verschaltet sind, dass dem Komparator die durch das RC-Glied aufsummierte Spannung zugeführt ist und wobei der Komparator die aufsummierte Spannung mit dem Schwellenwert vergleicht.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Komparator derartig beschaltet ist, dass an einem ersten Eingang der Schwellenwert zugeführt ist. Wiederum eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Komparator ferner derartig beschaltet ist, dass an einem zweiten Eingang das elektrische Signal zugeführt ist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das erste
Schaltelement ein Thyristor, ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor, oder ein Relais umfasst.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der primärseitige Schaltungszweig ein zweites Schaltelement aufweist, welches in Reihe mit der ersten
Primärwicklung verbunden ist und die erste Primärwicklung taktet. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der primärseitige Schaltungszweig eine mit dem zweiten Schaltelement verbundene Regeleinheit zum Ansteuern des zweiten Schaltelements aufweist und/oder dass im primärseitigen Schaltungszweig eine Anlaufschaltung vorgesehen ist, welche die Regeleinheit beim Start mit der benötigten Energie versorgt. Ferner kann die Ausgestaltung zumindest ein erstes Rückkopplungselement aufweise, welches derartig ausgebildet ist, dass es ein Rückkopplungssignal vom sekundärseitigen Schaltungszweig über die galvanische Trennung zu der primärseitig angeordneten Regeleinheit führt, so dass die Regeleinheit das zweite Schaltelement zur Taktung der ersten Primärwicklung entsprechend des Rückkopplungssignals ansteuert und/oder dass das erste Rückkopplungselement zumindest ein optisches Kopplungselement, vorzugsweise einen Optokoppler oder eine Infrarotleuchtdiode, umfasst.
Hinsichtlich dem Feldgerät wird die Aufgabe durch ein Feldgerät der
Automatisierungstechnik gelöst, welches zumindest ein primärgetaktetes Schaltnetzteil gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen umfasst.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung eines primärgetakteten Schaltnetzteils,
Fig. 2: eine erfindungsgemäß ausgestaltet Schaltung eines primärgetakteten
Schaltnetzteils. Figur 1 zeigt ein primärgetaktetes Schaltnetzteil 1 , welches einen primärseitigen
Schaltungszweig 2 und einen durch eine galvanische Trennung 3 davon getrennten sekundärseitigen Schaltungszweig 4 aufweist.
Der primärseitige Schaltungszweig 2 des in Fig. 1 dargestellten Schaltnetzteiles 1 umfasst eine ersten Schaltungszweigbereich mit zumindest einem Eingangsansehl einer Gleichrichteinheit 15, einer Anlaufschaltung 12, einer ersten Primärwicklung eines Transformators 16, ein zweites Schaltelement 9 und einer Regeleinheit 10.
Der Eingangsanschluss 14 dient zum Anschließen bzw. Anlegen einer
Eingangsspannung Ua an das Schaltnetzteil 1. Je nach Ausprägung des Schaltnetzteiles 1 können sowohl eine AC-Weitbereichseingangsspannung von typischerweise 80 bis 253 V AC als auch eine DC-Eingangsspannung von typischerweise 18 bis 65 V DC an den Eingangsanschluss 14 angelegt werden. Die Eingangsspannung Ue wird, in dem Fall, dass es eine Wechselspannung ist, von der Gleichrichteinheit 15 gleichgerichtet. Derartige Gleichrichteinheiten 15 umfassen in der Regel einen Brückengleichrichter, welcher aus vier Dioden 18 besteht. Die
gleichgerichtete Eingangsspannung Ue wird anschließend einer Anlaufschaltung 12 zugeführt, welche in der Startphase, typischerweise nur die ersten Taktzyklen, für das Schaltnetzteil 1 die benötigte elektrische Energie zur Verfügung stellt. Anhand der durch die Anlaufschaltung 12 zur Verfügung gestellten elektrischen Energie wird die
Regeleinheit 10 betrieben, die zum Ansteuern des zweiten Schaltelementes 9 mit einer entsprechenden Taktfrequenz dient. Übliche Taktfrequenzen liegen, je nach Leistung, zwischen 20 und 300 kHz. Moderne Regeleinheiten bzw. Regelbausteine sind aufgrund der hohen Taktfrequenzen und Tastverhältnisse von bis zu 80% in der Lage
entsprechend hohe Leistungen zu treiben. Das zweite Schaltelement 9, bspw. ein Transistor, ist in Reihe zu einer ersten Primärwicklung 8 des Transformators 16 geschaltet und taktet die erste Primärwicklung 8 entsprechend der von der Regeleinheit 10 vorgegebenen Taktfrequenz, umso Energieportionen von der Eingangsspannung Ue zu entnehmen und an eine Sekundärwicklung 17 des Transformators 16 im
sekundärseitigen Schaltungszweig 4 zu übertragen bzw. transformieren. Anhand dieser übertragenen Energieportionen lässt sich ein Verbraucher, der am sekundärseitigen Schaltungszweig anschließbar ist, mit Energie versorgen. Ferner umfasst der primärseitige Schaltungszweig 2 des in Fig. 1 dargestellten
Schaltnetzteiles eine zweiten Schaltungszweigbereich, welcher im Wesentlichen zur Energieversorgung der Regeleinheit 10 dient. Der zweite Schaltungszweigbereich umfasst zumindest eine zweite Primärwicklung 1 1 des Transformators 16. Die zweite Primärwicklung 1 1 ist derartig über weitere Bauelemente, bspw. einen in Reihe zur zweiten Primärwicklung angeordneten Widerstand sowie einer ebenfalls in Reihe zum
Widerstand und der zweiten Primärwicklung angeordnete Diode, mit der Anlaufschaltung 12 verschaltet, dass sobald genügend Energie über die zweite Primärwicklung 1 1 zum Versorgen der Regeleinehit 10 zur Verfügung steht, die Energieversorgung über den zweiten Schaltungszweigbereich erfolgt. Der sekundärseitige Schaltungszweig 4 umfasst, wie bereits erwähnt, die
Sekundärwicklung 17 des Transformators 16 und ein Glättungsmittel 20 zum Glätten des diskontinuierlichen Energieflusses über den Transformator 16. Im einfachsten Fall, umfasst das Glättungsmittel eine Glättungsdiode 20. Ferner umfasst der sekundärseitige Schaltungszweig 4 eine Rückkopplungsschaltung 19, die dazu eingerichtet ist, ein
Rückkopplungssignals galvanisch entkoppelt von dem sekundärseitigen Schaltungszweig 4 zu dem primärseitigen Schaltungszweig 2 rückzuführen, umso die Taktfrequenz der Regeleinheit 10 entsprechend anzupassen. Typischerweise umfasst die
Rückkopplungsschaltung 19 hierfür eine Spannungsreferenz 21 , welche derartig ausgelegt ist, dass wenn die an seinem Eingang REF anliegende Spannung, einen vorgegebenen Schwellwert, z. B. 2,5 V überschreitet, die Spannungsreferenz 21 einen Stromfluss zwischen seinen Anschlüssen C und A erlaubt, umso das
Rückkopplungssignal zu erzeugen. Die galvanische Entkopplung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, indem die Rückkopplungsschaltung 19 ein erstes Rückkopplungselement 13 umfasst, welches den sekundärseitigen und primärseitigen Schaltungszweig miteinander verbindet.
Ferner ist die in Fig. 1 dargestellte Schaltung des Schaltnetzteiles 1 stark vereinfacht dargestellt und umfasst bspw. keine aus dem Stand der Technik bekannten und eingangs erwähnten Sicherheitsmaßnahmen, insbesondere umfasst sie nicht, wie im Stand der Technik üblich, eine sekundärseitig angeordnetes Schaltelement und Sicherung. Ferner umfasst die Schaltung gemäß Fig. 1 keine Maßnahmen hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV).
Fig. 2 zeigt exemplarisch eine erfindungsgemäß ausgestaltet Schaltung des
primärgetakteten Schaltnetzteils 1 , welche erfindungsgemäß gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Schaltung um eine primärseitig angeordnete Überwachungseinheit 7, ein ebenfalls primärseitig angeordnetes erstes Schaltelement 6 sowie eine primärseitige Sicherung 5 erweitert ist. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass Fig. 1 und 2 zwar ein AC-Schaltnetzteil zeigen, die erfindungsgemäße Lehre aber problemlos auch auf ein DC/DC Netzteil übertragbar ist.
Die Überwachungseinheit 7, das erste Schaltelement 6 und die primärseitige Sicherung 5 dienen dazu, im Fehlerfall, bspw. bei einer Überspannung, das Schaltnetzteil 1 primärseitig spannungsfrei zu schalten, so dass keine weiteren Folgefehler und/oder thermische Belastungen mehr auftreten. Aufgrund dessen, dass sowohl die
Überwachungseinheit 7 und das erste Schaltelement 6 primärseitig angeordnet sind, ist eine Übertragung eines Signals zum Ansteuern des ersten Schaltelementes 6 von der Sekundärseite zur Primärseite über die galvanische Trennung 3 nicht nötig. Dies ermöglicht, dass das erfindungsgemäße Schaltnetzteil in vorteilhafter Weise bei
Feldgeräten der Automatisierungstechnik, an die gemäß SIL (Abkürzung für: Sicherheits- Integritätslevel) und/oder Ex-Maßnahmen besonders hohe technische Anforderungen gestellt werden, eingesetzt werden kann.
Die in Fig. 2 exemplarisch dargestellte erfindungsgemäße Lösung umfasst zumindest in dem primärseitigen Schaltungszweig 2 eine Sicherung 5, vorzugsweise eine
Schmelzsicherung, welche den primärseitigen Stromfluss l rimär beim Übersteigen einer definierten Stromstärke für eine definierte Zeitdauer unterbricht. Damit die Sicherung 5 den primärseitigen Stromfluss unterbricht ist ferner ein erstes Schaltelement 6, welches durch ein Steuersignal schaltbar ist, auf der Primärseite des Schaltnetzteiles vorgesehen.
Das erste Schaltelement 6 ist dabei derartig im primärseitigen Schaltungszweig angeordnet, dass beim Schalten die primärseitige Sicherung 5 ausgelöst wird. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Sicherung 5 durch das erste
Schaltelement 6 mit der Masse verbunden wird, wenn das erste Schaltelement 6 schaltet, d.h. leitend ist.
Das erste Schaltelement 6, welches vorzugsweise ein Thyristor oder Feldeffekttransistor umfasst, wird durch eine Überwachungseinheit derartig angesteuert, dass es im
Fehlerfall, bzw. im Fall einer Überspannung durchgeschaltet wird. Neben dem Thyristor oder Feldeffekttransistor kann das erste Schaltelement 6 alternativ einen Bipolartransistor oder ein Relais umfassen. Die Überwachungseinheit 7 umfasst einen Komparator 7b, bspw. einen Schmitt-Trigger, dem an einem ersten Eingang (neg. Pol bzw. invertierender Eingang) ein Schwellenwert und an einem zweiten Eingang (pos. Pol bzw. nicht invertierender Eingang) ein elektrisches Signal, welches durch die zweite Primärwicklung 11 bestimmt bzw. definiert ist, zugeführt ist. Das elektrische Signal kann bspw. ein Spannungssignal, das über der zweiten Primärwicklung des Transformators anliegt, umfassen. Das Spannungssignal kann dabei entweder an einem Ausgang der zweiten Primärwicklung 1 1 , d.h. an dem auf Masse gelegten gegenüberliegenden Ausgang, oder nach einer in Reihe zu der zweiten Primärwicklung geschalteten Diode 22 abgegriffen werden. In der in Fig. 2 dargestellten Schaltung ist das Spannungssignal beispielhaft nach der Diode an deren Kathode abgegriffen und dem Komparator zugeführt. Neben dem Spannungssignal als
charakteristisches elektrisches Signal kann prinzipiell auch ein Stromsignal als charakteristisches elektrisches Signal herangezogen werden.
Das charakteristische elektrische Signal kann prinzipiell direkt, d.h. ohne weitere elektrische Bauelemente, dem Komparator 7b zugeführt sein. Vorteilhaft ist es allerdings, das elektrische Signal, insbesondere in dem Fall, dass dieses das Spannungssignal umfasst, über ein RC-Glied (Widerstands-Kondensator Glied) 7a dem Komparator 7b zuzuführen. Das RC-Glied 7a hat eine aufsummierende Wirkung auf das elektrische Signal, so dass nicht eine reine Peak-Detektion durch den Komparator 7b durchgeführt wird. Dies bietet den Vorteil, dass das elektrische Signal weniger störanfällig, insbesondere gegenüber EMV-Störungen, ist.
Ferner kann in Abhängigkeit der konkreten Ausgestaltung der Schaltung auch eine Anpassungseinheit 7d zur Anpassung, insbesondere Spannungsanpassung, des charakteristischen elektrischen Signals vorgesehen sein, der das elektrische Signal bzw. das aufsummierte Signal zugeführt ist. In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel umfasst die Anpassungseinheit 7d einen Spannungsteiler mit zwei in Reihe zueinander geschalteten Widerstände, die so dimensioniert sind, dass ein Niveau, insbesondere ein
Spannungsniveau, des charakteristischen elektrischen Signals bzw. des aufsummierten Signals auf ein gewünschtes Niveau gebracht wird.
Das gewünschte Niveau ist Abhängig von einem Schwellenwert, welcher über eine Schwellenwertschaltung 7c dem Komparator 7b als Vergleichsreferenz zugeführt wird. Der Schwellenwert wiederum ist durch die Schwellenwertschaltung 7c in Abhängigkeit davon, ob das elektrische Signal unmittelbar am Ausgang der zweiten Primärwicklung 1 1 oder an der Kathode der Diode 22 abgegriffen wird, festgelegt. In der in Fig. 2 dargestellten Schaltung umfasst die Schwellenwertschaltung 7c eine Zenerdiode und einen dazu in Reihe geschalteten Widerstand, wobei der Schwellenwert über einen Mittenabgriff zwischen der Zenerdiode und dem Widerstand an den ersten Eingang (neg. Pol bzw. invertierender Eingang) des Komparators 7b geführt ist.
Der Komparator 7b ist dazu eingerichtet, das zugeführte elektrische Signal mit dem Schwellenwert zu vergleichen und in Abhängigkeit des Vergleichs das erste
Schaltelement 6 über ein Steuersignal zu steuern. Der in Fig. 2 dargestellte Komparator 7b vergleicht das zugeführte elektrische Signal mit dem Schwellenwert und stellt an einem Ausgang das Steuersignal zur Verfügung, welches anzeigt, ob das elektrische Signal oder der Schwellenwert höher ist. Wenn das elektrische Signal am zweiten Eingang (pos. bzw. nicht-invertierender Eingang) höher ist, als der am ersten Eingang (neg. bzw. invertierender Eingang) anliegende Schwellenwert, so nähert sich das Steuersignal einer positiven Versorgungsspannung des Komparators 7b an, so dass das erste Schaltelement 6 durch das Steuersignal geschaltet bzw. ausgelöst wird und die Sicherung 5 auslöst. Durch das Auslösen der Sicherung 5 wird anschließend der primärseitige Stromfluss l rimär unterbrochen und das Schaltnetzteil primärseitig außerbetrieb gesetzt wird. Bezugszeichenliste
1 Primärgetaktetes Schaltnetzteil
Primärseitiger Schaltungszweig
Galvanische Trennung
Sekundärseitiger Schaltungszweig
Primärseitige Sicherung
Erstes Schaltelement
Überwachungseinheit
a RC-Glied
b Komparator, insbesondere Schmitt-Trigger c Schwellenwertschaltung
d Anpassungseinheit
Erste Primärwicklung
Zweites Schaltelement
10 Regeleinheit
1 1 Zweite Primärwicklung
12 Anlaufschaltung
13 Erste Rückkopplungselement
14 Eingangsanschluss
15 Gleichrichteinheit
16 Transformator
17 Sekundärwicklung des Transformators
18 Diode zur Gleichrichtung
19 Rückkopplungsschaltung
20 Glättungsdiode
21 Spannungsreferenz
22 Diode
I primär Primärseitiger Stromfluss
Ue Eingangsspannung
Ua Ausgangsspannung

Claims

Patentansprüche
1. Primärgetaktetes Schaltnetzteil (1 ) zum Wandeln einer Eingangsspannung (Ue) in eine Ausgangsspannung (Ua) zumindest umfassend:
- einen primärseitigen Schaltungszweig (2) an dem die Eingangsspannung (Ue) anlegbar ist;
einen von dem primärseitigen Schaltungszweig (2) getrennten sekundärseitigen Schaltungszweig (4) an dem die Ausgangsspannung (Ua) abgreifbar ist;
eine galvanische Trennung (3) zwischen dem primärseitigen und dem
sekundärseitigen Schaltungszweig (4), welche zumindest einen Transformator umfasst, wobei der Transformator zumindest eine im primärseitigen
Schaltungszweig (2) angeordnete erste Primär- und eine im sekundärseitigen Schaltungszweig angeordnete erste Sekundärwicklung zur galvanisch getrennten Energieübertragung von dem primärseitigen zu dem sekundärseitigen
Schaltungszweig umfasst, wobei der Transformator ferner eine im primärseitigen
Schaltungszweig angeordnete zweite Primärwicklung zur Energieversorgung von zumindest Teilen des primärseitigen Schaltungszweiges (2) aufweist;
eine im primärseitigen Schaltungszweig (2) angeordnete Sicherung (5), die dazu eingerichtet ist, einen primärseitigen Stromfluss (l rimär) zu unterbrechen, so dass der primärseitige Schaltungszweig (2) im Wesentlichen spannungsfrei ist;
ein erstes schaltbares Schaltelement (6), welches im primärseitigen
Schaltungszweig (2) derartig zur Sicherung (5) angeordnet ist, dass es beim Schalten die primärseitige Sicherung (5) auslöst;
eine mit dem ersten Schaltelement verbundene und im primärseitigen
Schaltungszweig (2) angeordnete Überwachungseinheit (7), die dazu eingerichtet ist, ein durch die zweite Primärwicklung (1 1 ) bestimmtes charakteristisches elektrisches Signal zu überwachen und in dem Fall, dass das charakteristische elektrische Signal einen Schwellenwert überschreitet, das erste Schaltelement (6) schaltet, so dass die primärseitige Sicherung (5) ausgelöst wird.
2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 , wobei das charakteristische elektrische Signal ein von der zweiten Primärwicklung abhängiges Spannungssignal, insbesondere ein am Ausgang der zweiten Primärwicklung (1 1 ) anliegendes Spannungssignal, umfasst.
3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend eine im primärseitigen
Schaltungszweig angeordnete Diode (22), wobei die Diode (22) mit einer Anode mit der zweiten Primärwicklung verbunden ist und das charakteristische elektrische Signal eine an einer Kathode der Diode (22) anliegendes Spannungssignal umfasst.
4. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überwachungseinheit (7) zumindest einen Komparator (7b), insbesondere einen Schmitt- Trigger, aufweist, dem das elektrische Signal zugeführt ist und der das elektrische Signal mit dem Schwellenwert vergleicht und in dem Fall, dass das elektrische Signal den Schwellenwert überschreitet, das erste Schaltelement (6) schaltet.
5. Schaltnetzteil nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die
Überwachungseinheit (7) ein RC-Glied (7a) aufweist, welches derartig mit der zweiten Primärwicklung (1 1 ) verschaltet ist, dass das RC-Glied (7a) die von der zweiten
Primärwicklung abhängige Spannung aufsummiert.
6. Schaltnetzteil nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das RC-Glied (7a) und der Komparator (7b) derartig miteinander verschaltet sind, dass dem Komparator (7b) die durch das RC-Glied (7a) aufsummierte Spannung zugeführt ist und wobei der Komparator (7b) die aufsummierte Spannung mit dem Schwellenwert vergleicht.
7. Schaltnetzteil nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Komparator (7b) derartig beschaltet ist, dass an einem ersten Eingang der Schwellenwert zugeführt ist.
8. Schaltnetzteil nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Komparator (7b) ferner derartig beschaltet ist, dass an einem zweiten Eingang das elektrische Signal zugeführt ist.
9. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Schaltelement (6) ein Thyristor, ein Transistor, insbesondere ein
Feldeffekttransistor, oder ein Relais umfasst.
10. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der primärseitige Schaltungszweig (2) ein zweites Schaltelement (9) aufweist, welches in
Reihe mit der ersten Primärwicklung (8) verbunden ist und die erste Primärwicklung (8) taktet.
1 1. Schaltnetzteil nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der primärseitige
Schaltungszweig (2) eine mit dem zweiten Schaltelement (9) verbundene Regeleinheit (10) zum Ansteuern des zweiten Schaltelements (9) aufweist.
12. Schaltnetzteil nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei im primärseitigen
Schaltungszweig (2) eine Anlaufschaltung (12) vorgesehen ist, welche die Regeleinheit (10) beim Start mit der benötigten Energie versorgt.
13. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 1 oder 12, ferner aufweisend zumindest ein erstes Rückkopplungselement (13), welches derartig ausgebildet ist, dass es ein
Rückkopplungssignal vom sekundärseitigen Schaltungszweig (4) über die galvanische Trennung (3) zu der primärseitig angeordneten Regeleinheit (10) führt, so dass die Regeleinheit (10) das zweite Schaltelement (9) zur Taktung der ersten Primärwicklung (8) entsprechend des Rückkopplungssignals ansteuert.
14. Schaltnetzteil nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das erste
Rückkopplungselement (13) zumindest ein optisches Kopplungselement, vorzugsweise einen Optokoppler oder eine Infrarotleuchtdiode, umfasst.
15. Feldgerät der Automatisierungstechnik umfassend ein primärgetaktetes Schaltnetzteil (1 ) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.
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