DE102006014297A1

DE102006014297A1 - Schaltung, insbesondere zur Phasenschnittsteuerung und Verfahren zum Betrieb der Schaltung sowie Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE102006014297A1
Application number: DE102006014297A
Authority: DE
Inventors: Hubert Schönenberger
Original assignee: PULS GmbH
Current assignee: PULS GmbH
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-18

Abstract

Es wird u. a. eine Schaltung angegeben, umfassend einen Eingang und einen Ausgang, wobei an dem Eingang ein Wechselsignal anlegbar ist. Es ist ein erster Schalter vorgesehen, der mit einem Verbraucher in Reihe geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung aus dem ersten Schalter und dem Verbraucher mit dem Eingang und mit dem Ausgang der Schaltung verbunden ist. Eine Steuereinheit ist mit dem Eingang und mit dem Ausgang der Schaltung verbunden, wobei die Steuereinheit derart ausgestaltet ist, dass sowohl ein ansteigender Anteil einer Halbwelle des Wechselsignals als auch ein abfallender Anteil der Halbwelle des Wechselsignals zur Ansteuerung des ersten Schalters auswertbar bzw. einsetzbar bzw. nutzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung, insbesondere zur Phasenschnittsteuerung, und ein Verfahren zum Betrieb der Schaltung sowie ein Schaltnetzteil.
Zahlreiche Schaltungen weisen regelmäßig Kondensatoren auf, die beim Einschalten, d.h. beim Anlegen einer Versorgungsspannung zunächst aufgeladen werden. Dabei kann es zu hohen Einschaltströmen und damit zu einer hohen Belastung der Bauteile in der Schaltung kommen mit der Folge, dass extra für den Einschaltvorgang die Bauteile für die hohen Ströme dimensioniert werden müssen. Dies verteuert die gesamte Schaltung und führt – aufgrund der erhöhten Wärmeableitung – zu größeren Bauformen.
Beispielsweise kann es bei einer Netzspannung von 230VAC während des Einschaltvorgangs kurzzeitig zu Strömen von weit über 100A kommen. Dies kann dazu führen, dass Sicherungen auslösen und Bauelemente, z.B. Gleichrichter, beschädigt oder zerstört werden. Weiterhin wird das gesamte Netz während dieses Einschaltvorgangs stark belastet. Dieser Effekt verstärkt sich, wenn mehrere solcher Schaltungen gleichzeitig parallel eingeschaltet werden.
Somit ist es ein Ziel, den Einschaltstrom zu begrenzen und somit die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden. Insbesondere soll auf kostengünstige Bauteile mit geringer Baugröße zurückgegriffen werden können.
Zur Begrenzung des Einschaltstroms ist bekannt, einen NTC-Widerstand (Heißleiter) einzusetzen. Ist der NTC-Widerstand kalt, hat er einen großen ohmschen Widerstand, erwärmt sich das Bauteil, nimmt der ohmsche Widerstand ab. Ist der NTC-Widerstand zu Beginn des Einschaltvorgangs kalt und erwärmt er sich während des Ladens der Kondensatoren, begrenzt er entsprechend den Strom. Dabei ist es von Nachteil, dass auch während des Normalbetriebs, also nach der Einschaltphase (Kaltstart), der NTC-Widerstand dauerhaft Verluste erzeugt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der NTC-Widerstand von der Umgebungstemperatur abhängt und bei einem erneuten Einschaltvorgang – bevor der NTC-Widerstand abkühlen konnte – den Einschaltstrom nicht ausreichend begrenzt (Restart).
Weiterhin ist bekannt, parallel zu dem NTC-Widerstand einen Schalter vorzusehen (Bypass-Schaltung). Während des Kaltstarts ist der Schalter geöffnet, der Einschaltstrom wird begrenzt wie vorstehend beschrieben. Nach Abschluss der Einschaltphase wird der Schalter geschlossen, der NTC-Widerstand wird überbrückt und erzeugt damit keine Verluste. Weiterhin kühlt der NTC-Widerstand in dem überbrückten Zustand ab, so dass ein Restart möglich ist. Auch bei dieser Lösung ist es von Nachteil, dass während des Einschaltvorgangs der NTC-Widerstands von der Umgebungstemperatur abhängt und im Extremfall einen unerwünscht hohen Einschaltstrom (bei entsprechend warmer Umgebung) zulässt.
Auch kann der NTC-Widerstand durch einen Festwiderstand ersetzt werden. Dabei muss der Festwiderstand jedoch für den hohen Einschaltstrom ausgelegt sein, was zu einem ineffizient großen und teueren Bauteil führt.
Eine andere Möglichkeit den Einschaltstrom zu begrenzen, besteht darin, Thyristoren einzusetzen. Hierbei kann, wie aus Dimmerschaltungen bekannt, über einen Widerstand der Stromöffnungswinkel eingestellt werden. Allerdings ist es bei bekannten Dimmerschaltungen von Nachteil, dass nur ein geringer Teil der elektrischen Energie genutzt wird und damit die Einschaltphase unnötig lange dauert.
Über dies hinaus ist für Fehlerfallsituationen z.B. in elektrolytischen Bauteilen oder Fehlstellung des Bypassschalters eine völlige Entkopplung des Gerätes vom Netz notwendig, um die Gerätesicherheit im 1.Fehlerfall sicherzustellen. Üblicherweise wird dies mit Überstromsicherungsmaßnahmen wie Schmelzsicherungen bewerkstelligt. Diese Maßnahmen greifen für genannte Fehlerbilder jedoch nicht zuverlässig bzw. gar nicht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltung anzugeben, die vorstehend genannte Nachteile vermeidet und insbesondere eine effiziente Phasenschnittsteuerung ermöglicht. Ferner werden ein Verfahren und ein Verfahren zur Ansteuerung der Schaltung sowie ein Schaltnetzteil umfassend diese Schaltung angegeben.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung angegeben umfassend einen Eingang und einen Ausgang, wobei an dem Eingang ein Wechselsignal anlegbar ist. Es ist ein erster Schalter vorgesehen, der mit einem Verbraucher in Reihe geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung aus dem ersten Schalter und dem Verbraucher mit dem Eingang und mit dem Ausgang der Schaltung verbunden ist. Eine Steuereinheit ist mit dem Eingang und mit dem Ausgang der Schaltung verbunden, wobei die Steuereinheit derart ausgestaltet ist, dass sowohl ein ansteigender Anteil einer Halbwelle des Wechselsignals als auch ein abfallender Anteil der Halbwelle des Wechselsignals zur Ansteuerung des ersten Schalters auswertbar bzw. einsetzbar bzw. nutzbar ist.
Das Wechselsignal kann dabei ein Wechselspannungssignal, insbesondere einer Netzspannung oder einer Versorgungsspannung, sein. Dabei kann es sich um ein dreieck-, sinus- oder trapezförmiges Wechselsignal handeln. Auch Kombinationen verschiedener Wechselsignale sind möglich. Insbesondere ist das Wechselsignal ein alternierendes Signal mit einer vorgegebenen Flankensteilheit. Dabei kann die Flankensteilheit jeweils variieren. Das Wechselsignal kann positive und negative Abschnitte, z.B. positive und negative Halbwellen umfassen. Alternativ kann es sich um ein pulsierendes Signal aus gleichgerichteten (positiven oder negativen) Halbwellen handeln. Auch Mischformen aus vorgenannten Signalen sind möglich.
Somit ist es von Vorteil, dass pro Halbwelle beispielsweise einer sinusförmigen Netzspannung zwei Abschnitte der Halbwelle zur Ansteuerung des ersten Schalters genutzt werden können und ein effizienter und schneller Einschaltvorgang mit begrenztem Einschaltstrom ermöglicht wird. Dabei ist es möglich, dass die beiden Abschnitte pro Halbwelle zwei getrennte Abschnitte darstellen; die beiden Abschnitte können aber auch ineinander übergehen, also zusammenhängend sein.
Auch wird zur Lösung der Aufgabe eine Schaltung angegeben mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei an dem Eingang ein Wechselsignal anlegbar ist. Ein erster Schalter ist mit einem Verbraucher in Reihe geschaltet, diese Reihenschaltung ist einerseits mit dem Eingang und andererseits mit dem Ausgang der Schaltung verbunden. Eine Steuereinheit ist mit dem Eingang und mit dem Ausgang verbunden. Weiterhin ist ein zweiter Schalter mit dem Eingang und mit dem Ausgang verbunden.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass der zweite Schalter durch die Steuereinheit und/oder durch eine Auswerteeinheit ansteuerbar ist. Insbesondere kann dabei die Schaltung anhand des zweiten Schalters überbrückt, also inaktiv geschaltet, werden.
Bei der Ausführungsform mit dem zweiten Schalter ist es eine Weiterbildung, dass die Steuereinheit derart ausgestaltet ist, dass sowohl ein ansteigender Anteil einer Halbwelle des Wechselsignals als auch ein abfallender Anteil der Halbwelle des Wechselsignals zur Ansteuerung des ersten Schalters auswertbar bzw. einsetzbar bzw. nutzbar ist.
Ein Vorteil besteht darin, dass der Einschaltstrom stark begrenzt wird (z.B. möglichst niedrig ist), vorzugsweise ist der Einschaltstrom niedriger als der Betriebsstrom, dass der Einschaltstrom weitgehend temperaturunabhängig und eingangsspannungsunabhängig ist. Nach der Einschaltphase ist der Strom durch die Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung möglichst gering (verlustarm).
Eine Weiterbildung ist es, dass anhand des Verbrauchers eine Strombegrenzung erfolgt. Dabei kann der Verbraucher mindestens eine der folgenden Komponenten umfassen:

– einen Widerstand, insbesondere einen ohmschen Festwiderstand;
– einen temperaturabhängigen Widerstand (z.B. einen NTC- oder einen PTC-Widerstand);
– der parasitäre ohmsche Widerstand eines Halbleiterschalters;
– eine kapazitive und/oder eine induktive Impedanz.

Auch Kombinationen aus den vorstehenden Komponenten sind möglich.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der erste Schalter und/oder der zweite Schalter mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst:

– einen elektronischen Schalter;
– einen Triac;
– einen unipolaren Schalter;
– einen Transistor;
– einen Mosfet;
– einen IGBT;
– einen Bipolartransistor;
– ein Relais.

Auch Kombinationen aus den vorstehenden Komponenten sind möglich.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass anhand der Steuereinheit eine Auswertung des Spannungsabfalls zwischen dem Eingang und dem Ausgang erfolgt. Abhängig von der Höhe des Spannungsabfalls, insbesondere durch einen Vergleich mit mindestens einem vorgegebenen Schwellwert, wird der erste Schalter angesteuert. Dabei kann insbesondere dann der erste Schalter geöffnet werden, wenn der mindestens eine vorgegebene Schwellwert überschritten wird. In Verbindung mit dem Widerstand des Verbrauchers wird der maximale Einschaltstrom unabhängig von der Umgebungstemperatur und Eingangsspannung konstant gehalten.
Eine andere Ausgestaltung ist es, dass der erste Schalter über ein Halteglied von der Steuereinheit aktivierbar und/oder deaktivierbar ist. Dabei kann das Halteglied derart eingerichtet sein, dass die Aktivierung und/oder die Deaktivierung des ersten Schalters für eine vorgegebene Zeitdauer erfolgt. Vorzugsweise kann das Halteglied als ein Monoflop ausgeführt sein.
Hierbei ist es von Vorteil, dass anhand des Halteglieds eine Mindestschaltzeit festlegbar ist und somit wirksam ein Aufschwingen der Schaltung in Verbindung mit Serieninduktivitäten und Parallelkapazitäten im Eingang verhindert werden kann.
Eine zusätzliche Weiterbildung besteht darin, dass eine Zeitsteuerung vorgesehen ist, die mit dem Eingang und mit dem Ausgang der Schaltung verbunden ist. Über einen Ausgang der Zeitsteuerung ist weiterhin der erste Schalter ansteuerbar. Insbesondere kann nach einer vorgegebenen Zeitdauer die Zeitsteuerung den ersten Schalter öffnen. Somit ist es möglich, dass die Zeitsteuerung die Schaltung von dem Eingang dauerhaft entkoppelt.
Somit ist es ein Vorteil, dass bei fehlerhafter Funktion des zweiten Schalters (Bypass-Schalter) im Betriebsfall der dauerhaft gespeiste Betriebsstrom im Verbraucher aufgrund der großen Verlustleistung keinen sicherheitsrelevanten Schaden am Gerät (Brandstellen) verursacht.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Schaltung vor oder nach einem Gleichrichter angeordnet sein. Der Gleichrichter ist dabei bevorzugt als ein Brückengleichrichter ausgeführt. Ist die Schaltung als ein Zweipol vor dem Gleichrichter bspw. eines Netzteils angeordnet, so könnte für die Schaltung ein weiterer Gleichrichter vorgesehen sein, so dass ein gleichgerichtetes Signal, z.B. ein pulsierendes Wechselsignal umfassend mehrere Halbwellen, der Steuereinheit zuführbar ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Schaltung als Phasenschnittsteuerung verwendet wird. Auch kann die Schaltung in einem Netzgerät, insbesondere in einem Schaltnetzteil verwendet werden.
Ferner wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Betrieb der Schaltung angegeben.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltung, insbesondere einer Phasenschnittsteuerung, angegeben, bei dem ein Wechselsignal mit mindestens einer Halbwelle, an die Schaltung angelegt wird und zumindest ein ansteigender Anteil der Halbwelle und ein absteigender Anteil der Halbwelle genutzt wird, um einen Schalter anzusteuern.
Auch wird die Aufgabe gelöst anhand eines Schaltnetzteils mit einer Schaltung wie beschrieben. Insbesondere kann die Schaltung bzw. das Schaltnetzteil gemäß dem vorstehend angeführten Verfahren betrieben werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung, insbesondere eine Schaltung zur Phasenschnittsteuerung;
2 und 3 Signalverläufe, die das Funktionsprinzip der Schaltung von 1 veranschaulichen;
4 eine Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung;
5 ein Blockschaltbild einer sog. "Autorange-" oder "Autoselect-Schaltung" mit einem Entkopplungsmodul 160, das eine Strombegrenzung, insbesondere in Form einer Phasenschnittsteuerung, aufweist;
6 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung mit einem Halteglied;
7 eine Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung mit einem Halteglied;
8 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung mit einem Halteglied und einer Zeitsteuerung;
9 eine Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung mit einem Halteglied und einer Zeitsteuerung;
10 ein Blockschaltbild eines Schaltnetzteils mit einem Resonanzwandler.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung, insbesondere in einer Verwendung als Phasenschnittsteuerung. Eine Steuereinheit ST ist mit einem Eingang IN und mit einem Ausgang OUT der Schaltung verbunden, parallel zu der Steuereinheit ST ist optional ein zweiter Schalter S2 geschaltet. Eine Reihenschaltung aus einem ersten Schalter S1 und einem Verbraucher R verbindet den Eingang IN mit dem Ausgang OUT. Die Steuereinheit steuert über einen Ausgang A1 den ersten Schalter S1.
An dem Eingang IN liegt ein Wechselsignal, insbesondere eine Netz(Wechsel-)Spannung an. Diese Netzspannung umfasst mehrere Halbwellen. An dem Ausgang OUT kann unmittelbar, oder wie bspw. in 5 beschrieben, nach einem der Schaltung nachgeordneten Gleichrichter 120 (vgl. 5 und zugehörige Beschreibung) mindestens ein Kondensator, insbesondere mindestens ein Elektrolytkondensator, vorgesehen sein. Während der Einschaltphase, also dem anfänglichen Anlegen der Netzspannung, wird der mindestens eine Kondensator aufgeladen. Dabei würde – ohne weitere Maßnahme – ein (zu) hoher Einschaltstrom fließen. Dieser Einschaltstrom kann, wie eingangs dargestellt, anhand der vorliegenden Schaltung begrenzt werden. Hierzu wird von der Steuereinheit ST eine Spannungsdifferenz zwischen dem Eingang IN und dem Ausgang OUT bestimmt. Die Steuereinheit ST vergleicht den Wert der Spannungsdifferenz mit einem vorgegebenen Schwellwert SW (siehe auch 2 und 3 mit zugehörigen Beschreibungen). Bei Überschreiten des Schwellwerts SW öffnet die Steuereinheit ST den ersten Schalter S1 und bei Unterschreiten des Schwellwerts SW schließt die Steuereinheit ST wieder den ersten Schalter S1. Dadurch werden ein ansteigender sowie ein abfallender Anteil der Halbwelle des Wechselsignals für die Strombegrenzung ausgenutzt. Insgesamt wird der Einschaltstrom wirksam begrenzt.
2 und 3 zeigt jeweils die folgenden Signalverläufe zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips der Schaltung gemäß 1:

– Eine pulsierenden (Eingangs-)Gleichspannung Ue: Die pulsierende Gleichspannung Ue umfasst beispielhaft die gleichgerichteten Halbwellen der Netzspannung.
– Eine Elko-Spannung Uelko: Dabei handelt es sich um eine Spannung, die an mindestens einem der Schaltung nachgelagerten Elektrolytkondensator abfällt.
– Eine Schwellenspannung SW (Schwellwert): Die Schwellenspannung SW ist vorliegend mit 35V vorgegeben; durch den Wert der Schwellenspannung SW und des gegebenen ohmschen Widerstandes von 12 Ohm kann der maximal zulässige Einschaltstrom eingestellt werden. Entsprechend kann bezüglich der Bauelemente der Schaltung die Schwellenspannung SW individuell vorgegeben werden.
– Eine Differenzspannung Udiff: Für die Differenzspannung Udiff gilt: Udiff = Ue – Uelko;
– Ein Einschaltstrom Ie: Dabei handelt es sich um den tatsächlichen Einschaltstrom, der während des Einschaltvorgangs durch die Schaltung fließt.

Zu Beginn des Einschaltvorgangs beträgt die Spannung Uelko im Wesentlichen 0V, der mindestens eine der Schaltung nachgelagerte Elektrolytkondensator ist entladen. Damit ergibt sich, dass die Spannung Udiff im Wesentlichen gleich der Spannung Ue ist. Der erste Schalter S1 in 1 bzw. in 2 ist geschlossen, sofern die Spannung Udiff die Schwellspannung SW nicht überschreitet, also während der folgenden Zeitintervalle:

– Von einem Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2;
– von einem Zeitpunkt t3 bis zu einem Zeitpunkt t4;
– von einem Zeitpunkt t5 bis zu einem Zeitpunkt t6;
– von einem Zeitpunkt t7 bis zu einem Zeitpunkt t8;
– von einem Zeitpunkt t9 bis zu einem Zeitpunkt t10; und
– von einem Zeitpunkt t11 bis zu einem Zeitpunkt t12.

Während dieser Zeitintervalle fließt ein Eingangsstrom Ie, der mindestens eine Elektrolytkondensator wird aufgeladen. Dabei wird pro Halbwelle der Eingangsspannung je ein Zeitintervall während des ansteigenden Anteils der Halbwelle als auch während des abfallenden Anteils der Halbwelle zum Ansteuern des ersten Schalters S1 ausgenutzt, d.h. es gibt insbesondere zwei Anteile der Halbwelle während derer ein Einschaltstrom Ie fließt. Beide Anteile können, wie in 3 gezeigt ist, ineinander übergehen bzw. zusammenhängen.
4 zeigt eine Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung gemäß dem Blockschaltbild von 1. Die Schaltung umfasst einen Eingang IN, einen Ausgang OUT, einen n-Kanal Mosfet V1, einen npn-Transistor T1, eine Hilfsspannungsquelle Uaux, eine Zenerdiode D1 sowie Widerstände R1 (mit Anschlüssen 401 und 402) und R2 (mit Anschlüssen 403 und 404).
Der Eingang IN ist mit dem Drain-Anschluss des Mosfets V1 und mit dem Anschluss 403 des Widerstands R2 verbunden. Die Kathode der Zenerdiode D1 ist mit dem Anschluss 404 des Widerstands R2 und die Anode der Zenerdiode D1 ist mit der Basis des Transistors T1 verbunden. Der Kollektor des Transistors T1 ist mit dem Anschluss 402 des Widerstands R1 und mit dem Gate-Anschluss des Mosfets V1 verbunden. Der Anschluss 401 des Widerstands R1 ist mit dem positiven Pol der Hilfsspannungsquelle Uaux verbunden, der negative Pol der Hilfsspannungsquelle Uaux ist mit dem Emitter des Transistors T1, mit dem Source-Anschluss des Mosfets V1 und mit dem Ausgang OUT verbunden.
FUNKTIONSWEISE DER SCHALTUNG GEMÄß 4:
Erreicht die Spannung Udiff zwischen Eingang IN und Ausgang OUT einen Schwellwert SW, der höher ist als die Summe aus der Zenerspannung an der Zenerdiode D1 und der Spannung, die an dem Transistor T1 abfällt, schaltet der Transistor T1 durch, der Mosfet V1 sperrt. Der Mosfet V1 entspricht dem ersten Schalter S1 in 1. Sinkt die Differenzspannung unterhalb des Schwellwerts SW, so sperrt der Transistor T1 und der Mosfet V1 wird leitend.
5 zeigt eine mögliche Anwendung der Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung im Rahmen einer "Autoselect-" oder "Autorange-Schaltung". Die Autorange-Schaltung ermöglicht ein automatisches Umschalten (des Autorange-Schalters AS) abhängig von der Höhe einer anliegenden Eingangswechselspannung 150.
Als Eingangsspannung ist die Wechselspannungsquelle 150 einerseits mit einem Eingang 121 eines Gleichrichter 120 und andererseits mit einem Knoten 151 verbunden. In einem Entkopplungsmodul 160 sind eine Strombegrenzung 110 und ein zweiter Schalter IR ("Inrush"-Schalter, entspricht dem zweiten Schalter S2 in 1) angeordnet, der vorzugsweise als ein Relais ausgeführt ist.
Das Entkopplungsmodul 160 kann dabei durch das Blockschaltbild gemäß 1 ersetzt werden.
In dem Entkopplungsmodul 160 sind alternativ unterschiedliche Variationen von Strombegrenzung und Schalter, z.B. in Form einer Reihenschaltung aus ebendiesen Elementen, möglich. Das Entkopplungsmodul 160 stellt sicher, dass in einer bestimmten Betriebsart der Strom durch die Schaltung begrenzt wird, dass in einem Fehlerfall eine Entkopplung der Schaltung von der Eingangsspannung erfolgt und dass in einer anderen Betriebsart (z.B. im Normalbetrieb) die Eingangsspannung an dem Gleichrichter 120 anliegt.
Mit dem Knoten 151 ist ferner ein Eingang der Strombegrenzung 110 verbunden, deren Ausgang mit einem Eingang 122 des Gleichrichters 120 verbunden ist.
Der Gleichrichter 120 hat drei Ausgänge 123, 124 und 125. Der Ausgang 123 ist mit einem Eingang 131 einer Auswerteeinheit 130 und der Ausgang 125 ist mit einem Eingang 133 der Auswerteeinheit 130 verbunden. Ein erster Schalter AS ("Autoselect-Schalter") ist einerseits mit dem Ausgang 124 und andererseits mit einem Eingang 132 der Auswerteeinheit 130 verbunden. Der erste Schalter AS ist vorzugsweise als ein Relais ausgeführt. Ein erster Kondensator C1 liegt zwischen dem Eingang 131 und dem Eingang 132 der Auswerteeinheit, ein zweiter Kondensator C2 liegt zwischen dem Eingang 132 und dem Eingang 133 der Auswerteeinheit. Beide Kondensatoren C1 und C2 sind bevorzugt als Elektrolytkondensatoren ausgefürt.
Die Auswerteeinheit 130, die insbesondere eine zustandsgesteuert und/oder als Mikrocontroller ausgeführt sein kann, umfasst weiterhin einen Eingang 134 und zwei Ausgänge 135 und 136. Ein elektronischer Wandler 140, z.B. ein Resonanzwandler, der (nicht in 1 dargestellt) über die gleichgerichtete Spannung (also über die Ausgänge 123 und 125 des Gleichrichters 120) versorgt wird, dient in 1 als Verbraucher und stellt seinerseits die Wandlung auf eine gewünscht Ausgangsspannung bereit. Der Wandler 140 liefert an die Auswerteeinheit 130 über deren Eingang 134 ein Signal, falls der Wandler 140 inaktiv ist. Die Auswerteeinheit 130 schaltet über ihren Ausgang 135 den Wandler 140 ein und schließt ebenfalls den zweiten Schalter IR. Über den Ausgang 136 der Auswerteeinheit 130 wird der Schalter AS geschaltet.
An den Eingängen 131, 132 und 133 der Auswerteeinheit 130 liegen die Spannungen an, die an den Kondensatoren C1 und C2 abfallen, insbesondere eine Spannung über dem Kondensator C2 (oder C1) und eine Spannung über den Kondensatoren C1 und C2. Diese Information wird von der Auswerteeinheit 130 genutzt, um die Relais AS und IR anzusteuern und den Wandler 140 einzuschalten.
Durch Schließen des Relais AS erfolgt eine Spannungsverdopplung, so dass der Wandler bei niedrigeren Eingangsspannungen trotzdem in einem günstigen Arbeitspunkt betrieben werden kann. Beispielsweise kann die Schaltung so ausgelegt sein, dass bei einer Eingansspannung von 115VAC der Schalter AS geschlossen und bei einer Eingangsspannung von 230VAC der Schalter AS geöffnet ist. Ob der Wandler 140 läuft oder nicht wird der Auswerteeinheit 130 über deren Eingang 134 mitgeteilt. Dementsprechend kann die Auswerteeinheit 130 den Schalter AS schließen.
Zu Beginn sind die Kondensatoren C1 und C2 entladen. Wird die Eingangsspannung an die Schaltung angelegt, werden die Kondensatoren C1 und C2 über die Strombegrenzung 110 geladen, der Schalter IR ist geöffnet. Erst bei Abschluss des Ladevorgangs der Kondensatoren C1 und C2, d.h. die von der Auswerteeinheit 130 an den Eingängen 131, 132 und 133 gemessenen Spannungen verändern sich in einem vorgegebenen Zeitraum nicht mehr wesentlich und diese gemessenen Spannungen überschreiten einen vorgegebenen Schwellwert, ab dem der Wandler 140 betrieben werden kann, wird der Wandler 140 über den Ausgang 135 aktiviert und ebenso der Schalter IR geschlossen. Damit ist die Strombegrenzung 110 überbrückt und inaktiv. Der Wandler 140 arbeitet.
Schließlich können von der Auswerteeinheit 130 noch Fehlerfälle, d.h. unzulässige Spannungen an den Kondensatoren C1 und C2 erkannt und gegebenenfalls kann die Schaltung in einen inaktiven Zustand überführt werden. Auch ist die Schaltung aufgrund der Auswertung der Signale an den Eingängen 131, 132 und 133 der Auswerteeinheit 130 unempfindlich gegenüber kurzfristigen Veränderungen der Eingangsspannung, z.B. aufgrund Transienten oder vorübergehenden Spannungseinbrüchen der Versorgungsspannung.
6 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung, wobei zusätzlich zu dem Blockschaltbild gemäß 1 ein Halteglied MF vorgesehen ist. Das Halteglied MF wird über einen Ausgang A2 der Steuereinheit ST angesteuert, wobei das Halteglied MF einen Ausgang A3 aufweist, über den es den ersten Schalter S1 ansteuert.
Anhand des Halteglieds MF, das insbesondere als ein Monoflop ausgeführt sein kann, ist es möglich, eine Mindest(aus)schaltzeit des ersten Schalters S1 zu bewirken und damit ein Aufschwingen der Einschaltstrombegrenzung zu verhindern.
7 zeigt eine mögliche Realisierung des Blockschaltbilds gemäß 6. Die Schaltung gemäß 7 entspricht bis auf einen Block BL1 der Schaltung gemäß 4. Nachfolgend wird die Erweiterung der Schaltung gegenüber 4 beschrieben.
7 umfasst zusätzlich einen Kondensator C1 (mit Anschlüssen 405 und 406), eine Diode D2, einen pnp-Transistor T2 und Widerstände R3 (mit Anschlüssen 407 und 408) und R4 (mit Anschlüssen 409 und 410).
Der Anschluss 405 des Kondensators C1 ist mit dem Anschluss 402 des Widerstands R1, mit dem Gate-Anschluss des Mosfets V1 und mit dem Kollektor des Transistors T1 verbunden. Der Anschluss 406 des Kondensators C1 ist mit der Anode der Diode D2 und mit dem Anschluss 407 des Widerstands R3 verbunden. Der Anschluss 408 des Widerstands R3 ist mit der Basis des Transistors T2 verbunden. Der Emitter des Transistors T2 ist mit der Kathode der Diode D2, mit dem Anschluss 401 des Widerstands R1 und mit dem positiven Pol der Hilfsspannungsquelle Uaux verbunden. Der Kollektor des Transistors T2 ist mit dem Anschluss 409 des Widerstands R4 und der verbleibende Anschluss 410 des Widerstands R4 ist mit der Basis des Transistors T1 sowie mit der Anode der Zenerdiode D1 verbunden.
FUNKTIONSWEISE DER SCHALTUNG GEMÄß 7:
Gegenüber der Schaltung aus 4 weist die in 7 gezeigte Schaltung zusätzlich den Block BL1 auf.
Wird die Schwelle an dem Mosfet V1 überschritten, so schaltet der Transistor T1 und schließt die Gate-Source-Strecke des Mosfets V1 kurz. Der Kondensator C1 wird über den Widerstand R3 und die Basis-Strecke des Transistors T2 aufgeladen. Der Transistor T2 steuert ebenfalls durch und koppelt mit auf die Basis des Transistors T1. Die Schaltung verharrt solange in diesem Zustand bis der Ladestrom über dem Widerstand R3 und den Kondensator C1 abgeklungen ist. Danach kann der Transistor T1 wieder leiten.
Erst wenn der Transistor T2 sperrt kann auch der Transistor T1 sperren und damit der Mosfet V1 leiten. Das Halteglied sorgt somit für eine Mindesthaltezeit, d.h. eine Mindesteinschaltdauer des Schalters V1.
8 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung mit dem Halteglied MF gemäß 6, wobei zusätzlich eine Zeitsteuerung TI vorgesehen ist. Die Zeitsteuerung TI wird mit dem Eingang IN und dem Ausgang OUT verbunden und weist einen Ausgang A4 auf, über den die Zeitsteuerung TI den ersten Schalter S1 ansteuert.
Die Zeitsteuerung TI stellt sicher, dass die Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung nicht länger als eine vorgegebene Zeitdauer aktiv ist. So wird davon ausgegangen, dass ein Einschaltvorgang nicht länger als diese Zeitdauer andauert, ansonsten liegt ein Fehler in der Schaltung und/oder in angrenzenden Schaltkreisen vor. In diesem Fall wird die Einschaltstrombegrenzung inaktiv, d.h. der Eingang IN wird von dem Ausgang OUT entkoppelt.
Dabei kann die Zeitsteuerung TI anhand der Spannung Udiff gestartet werden. Ein Zeitglied misst eine vorgegebene Zeitdauer, z.B. 2 Sekunden, und öffnet nach Ablauf dieser Zeitdauer den ersten Schalter S1.
Im Normalfall dauert die Einschaltphase kürzer als die vorgegebene Zeitdauer von 2 Sekunden, d.h. der zweite Schalter S2 (in 5 als Schalter IR bezeichnet), der vorzugsweise von der Auswerteeinheit 130 (siehe 5) aktiviert wird, ist geschlossen und die Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung wird damit überbrückt. Durch das Schließen des zweiten Schalters S2 wird die Zeitsteuerung TI zurückgesetzt (Spannung Udiff = 0V).
Im Fehlerfall wird von der Auswerteeinheit 130 zunächst der zweite Schalter S2 (IR-Schalter) geöffnet. Daraufhin beginnt die Steuereinheit, insbesondere über das Halteglied MF, den ersten Schalter S1 in der beschriebenen Weise anzusteuern (Einschaltstrombegrenzung). Nach dem vorgegebenen Zeitintervall, das hier beispielhaft mit einer Zeitdauer von 2 Sekunden angesetzt wird, öffnet die Zeitsteuerung TI den ersten Schalter S1, damit wird der Eingang IN von dem Ausgang OUT getrennt, die Schaltung ist inaktiv.
9 zeigt eine mögliche Realisierung des Blockschaltbilds gemäß 8. Die Schaltung gemäß 9 entspricht bis auf einen Block BL2 der Schaltung gemäß 7. Nachfolgend wird die Erweiterung der Schaltung gegenüber 7 beschrieben.
9 umfasst zusätzlich eine Diode D3, einen p-Kanal-Mosfet V2, einen Widerstand R5 (mit Anschlüssen 411 und 412) und einen Kondensator C2 (mit Anschlüssen 413 und 414).
Im Unterschied zu der Schaltung gemäß 7 ist der positive Pol der Hilfsspannungsquelle Uaux mit dem Source-Anschluss des Mosfets V2 verbunden.
Der Drain-Anschluss des Mosfets V2 ist mit dem Emitter des Transistors T2, mit der Kathode der Diode D2 und mit dem Anschluss 401 des Widerstands R1 verbunden. Der Gate-Anschluss des Mosfets V2 ist mit dem Anschluss 412 des Widerstands R5 und mit dem Anschluss 413 des Kondensators C2 verbunden. Der Anschluss 414 des Kondensators C2 ist mit dem negativen Pol der Hilfsspannungsquelle Uaux, dem Emitter des Transistors T1, dem Source-Anschluss des Mosfets V1 und mit dem Ausgang OUT verbunden. Der verbleibende Anschluss 411 des Widerstands R5 ist mit der Kathode der Diode D3 und die Anode der Diode D3 ist mit dem Anschluss 404 des Widerstands R3 und mit der Kathode der Zener-Diode D1 verbunden.
FUNKTIONSWEISE DER SCHALTUNG GEMÄß 9:
Gegenüber der Schaltung aus 7 weist die in 9 gezeigte Schaltung zusätzlich den Block BL2 auf. Der Mosfet V2 unterbricht nach einer vorgegebenen Zeitdauer τ, die durch das RC-Glied aus dem Widerstand R5 und dem Kondensator C2 bestimmt ist, die Verbindung zur Hilfsspannungsquelle Uaux. Wird die Gate-Source-Spannung des Mosfets V2 größer 0, sperrt der Mosfet V2, die Hilfsspannungsquelle Uaux wird entkoppelt. Damit sperrt dauerhaft der Mosfet V1 insbesondere so lange bis die Spannung über dem Mosfet V1 gleich 0 gesetzt wird.
10 zeigt ein Blockschaltbild eines Schaltnetzteils mit einem Resonanzwandler. Hierbei wird ein Eingangssignal 701 in ein Ausgangssignal 709, vorzugsweise eine Wechselspannung in eine geregelte Gleichspannung, gewandelt. Das Eingangssignal 701 wird einem Modul 702 mit einer Netzgleichrichtung und einer Siebung zugeführt. Das Ausgangssignal des Moduls 702 wird einem Resonanzwandler 703, der eine Hauptbrücke 704 und eine Regelbrücke 705 umfasst, zugeführt. Das Ausgangssignal des Resonanzwandlers 703 entspricht dem Ausgangssignal 709, wobei dieses Ausgangssignal einer Regelung 706 zugeführt wird. Das durch die Regelung 706 gewonnene Signal wird einer Steuerung bzw. Pulsweitenmodulation 707 zugeführt, wobei ein Ausgangssignal der Steuerung bzw. Pulsweitenmodulation 707 die Regelbrücke 705 des Resonanzwandlers 703 beeinflusst. Zusätzlich ist ein Oszillator 708 vorgesehen, der ein Signal sowohl für die Steuerung bzw. Pulsweitenmodulation 707 als auch für die Hauptbrücke 704 des Resonanzwandlers 703 bereitstellt.

Claims

Schaltung, umfassend einen Eingang (IN) und einen Ausgang (OUT), wobei an dem Eingang ein Wechselsignal anlegbar ist; – einen ersten Schalter (S1), der mit einem Verbraucher (R) in Reihe geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung aus dem ersten Schalter (S1) und dem Verbraucher (R) mit dem Eingang (IN) einerseits und dem Ausgang (OUT) andererseits verbunden sind; – eine Steuereinheit (ST), die mit dem Eingang (IN) und mit dem Ausgang (OUT) verbunden ist; – wobei die Steuereinheit (ST) derart ausgestaltet ist, dass sowohl ein ansteigender Anteil einer Halbwelle des Wechselsignals als auch ein abfallender Anteil der Halbwelle des Wechselsignals zur Ansteuerung des ersten Schalters (S1) nutzbar ist.
Schaltung, umfassend – einen Eingang (IN) und einen Ausgang (OUT), wobei an dem Eingang ein Wechselsignal anlegbar ist; – einen ersten Schalter (S1), der mit einem Verbraucher (R) in Reihe geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung aus dem ersten Schalter (S1) und dem Verbraucher (R) mit dem Eingang (IN) einerseits und dem Ausgang (OUT) andererseits verbunden sind; – eine Steuereinheit (ST), die mit dem Eingang (IN) und mit dem Ausgang (OUT) verbunden ist; – einen zweiten Schalter (S2) der mit dem Eingang (IN) und dem Ausgang (OUT) verbunden ist;
Schaltung nach Anspruch 2, bei der der zweite Schalter (S2) durch die Steuereinheit (ST) und/oder eine Auswerteeinheit (130) ansteuerbar ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei der anhand des zweiten Schalters (S2) die Schaltung überbrückbar ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Steuereinheit (ST) derart ausgestaltet ist, dass sowohl ein ansteigender Anteil einer Halbwelle des Wechselsignals als auch ein abfallender Anteil der Halbwelle des Wechselsignals zur Ansteuerung des ersten Schalters (S1) nutzbar ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 5, bei der das Wechselsignal ein Wechselspannungssignal, insbesondere ein dreieck-, sinus- oder trapezförmiges Wechselsignal, insbesondere ein alternierendes Signal mit einer vorgegebenen Flankensteilheit, umfasst.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der anhand des Verbrauchers (R) eine Strombegrenzung erfolgt.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Verbraucher (R) mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst: – einen Widerstand, insbesondere einen ohmschen Festwiderstand; – einen temperaturabhängigen Widerstand (z.B. einen NTC- oder einen PTC-Widerstand); – der parasitäre ohmsche Widerstand eines Halbleiterschalters; – eine kapazitive und/oder eine induktive Impedanz.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Schalter (S1) und/oder der zweite Schalter (S2) mindestens ein elektronischer Schalter und/oder mindestens ein Triac und/oder mindestens ein unipolarer Schalter und/oder mindestens ein Transistor und/oder mindestens ein Mosfet und/oder mindestens ein IGBT und/oder mindestens ein Bipolartransistor und/oder mindestens ein Relais ist/sind.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der von der Steuereinheit (ST) eine Auswertung eines Spannungsabfalls zwischen dem Eingang (IN) und dem Ausgang (OUT) durchführbar ist und abhängig von dem Spannungsabfall, insbesondere durch einen Vergleich mit mindestens einem vorgegebenen Schwellwert, der erste Schalter (S1) ansteuerbar ist.
Schaltung nach Anspruch 10, bei der die Steuereinheit (ST) den ersten Schalter (S1) bei Überschreiten des mindestens einen vorgegebenen Schwellwertes öffnet.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Schalter (S1) über ein Halteglied (MF) von der Steuereinheit aktivierbar und/oder deaktivierbar ist.
Schaltung nach Anspruch 12, bei der das Halteglied (MF) derart eingerichtet ist, dass die Aktivierung und/oder die Deaktivierung des ersten Schalters für eine vorgegebene Zeitdauer erfolgt/erfolgen.
Schaltung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei der das Halteglied (MF) ein Monoflop ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Zeitsteuerung (TI), die mit dem Eingang (IN) und dem Ausgang (OUT) verbunden ist, wobei die Zeitsteuerung einen Ausgang aufweist, anhand dessen der erste Schalter (S1) ansteuerbar ist.
Schaltung nach Anspruch 15, bei der die Zeitsteuerung (TI) nach einer vorgegebenen Zeitdauer den ersten Schalter (S1) öffnet.
Schaltung nach Anspruch 16, bei der anhand der Zeitsteuerung (TI) die Schaltung nach der vorgegebenen Zeitdauer entkoppelbar ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltung vor oder nach einem Gleichrichter, insbesondere einem Brückengleichrichter, angeordnet ist.
Verwendung der Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Phasenschnittsteuerung.
Verwendung der Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 in einem Netzgerät, insbesondere in einem Schaltnetzteil.
Verfahren zum Betrieb einer Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18.
Verfahren zum Betrieb einer Schaltung, insbesondere einer Phasenschnittsteuerung, bei dem ein Wechselsignal umfassend mindestens eine Halbwelle, an die Schaltung angelegt wird und zumindest ein ansteigender Anteil der Halbwelle und ein absteigender Anteil der Halbwelle zur Ansteuerung eines Schalters genutzt wird.
Schaltnetzteil mit einer Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18.
Schaltnetzteil nach Anspruch 23, wobei die Schaltung gemäß einem der Ansprüche 21 oder 22 betrieben wird.