DE19614816C1 - Elektronisches Schaltnetzteil und dessen Verwendung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Schaltnetzteil nach Anspruch 1 und die Verwendung eines solchen Schaltnetzteiles nach Anspruch 7.

Es ist bereits ein derartiges Schaltnetzteil bekannt (EP 0 162 341 B1), das in Fig. 1 dargestellt ist und im folgenden näher erläutert wird. Das elektronisches Schaltnetzteil besteht aus einem primär getakteten Sperrwandler mit einem Übertrager 1, einem Transistor 2 sowie einer im Lastkreis vorgesehenen Diode 3. Der Sperrwandler wird über eine Gleichrichter-Brückenschaltung 4 aus einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz gespeist, dessen Spannung zwischen 100 V und 250 V, aber auch 12 V oder 24 V betragen kann und dessen Frequenz im Falle eines speisenden Wechselstromes nahezu beliebig sein kann. Die Ausgangsspannung wird über eine Sieb- und Glättungsanordnung 5, die hier der Einfachheit halber nur als Kondensator dargestellt ist, an den Eingang des Sperrwandlers bzw. der Steuer- und Regelelektronik gelegt.

Ein solcher Sperrwandler kann beispielsweise in einem Kleingerät wie einem Rasierapparat verwendet werden. Dieser Rasierapparat kann dann an Spannungsnetze angeschlossen werden, die international verschieden unterschiedliche Spannungswerte haben können. Es ist dabei wünschenswert, einen solchen Rasierappart beim Campen oder beim Bootfahren auch aus dem Bordnetz versorgen zu können. Dabei können die anliegenden Spannungen dann 12 V Gleichspannung oder 24 V Gleichspannung betragen.

Parallel zu den Gleichspannungsklemmen ist die Reihenschaltung der Primärwicklung 6 des Übertragers 1 mit der Kollektor-Emitter Strecke des Transistors 2 sowie eines Kondensators 7 geschaltet. An die Basis des Transistors 2 ist ein Widerstand 8 angeschlossen, der mit dem positiven Pol der Eingangsspannungsquelle verbunden ist. Darüber hinaus ist die Basis des Transistors 2 über die Kollektor-Emitter Strecke eines weiteren Transistors 9 mit dem negativen Pol der Eingangsspannungsquelle verbunden. Der Emitter des Transistors 2 ist an die Kathode einer Zenerdiode 10 angeschlossen, deren Anode sowohl mit der Basis des Transistors 9 als auch über einen weiteren Widerstand 11 mit dem negativen Pol der Eingangsspannungsquelle verbunden ist. Darüberhinaus ist der Emitter des Transistors 2 über einen weiteren Widerstand 12 an ein Wicklungsende der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 angeschlossen. Der Wickelsinn der Primärwicklung 6 und der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 ist durch die eingetragenen Punkte angedeutet.

Ein Rückkopplungskondensator 14 ist über einen Rückkopplungswiderstand 15 einerseits mit der Basis des Transistors 2 und andererseits mit einem Wicklungsende der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 verbunden. An das andere Wicklungsende der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 ist der elektrische Verbraucher angeschlossen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der elektrische Verbraucher aus einem Akkumulator 16. Diesem Akkumulator 16 kann dabei beispielsweise ein hier nicht gezeigter Elektromotor aufgeschaltet werden, der über einen Ein-/Ausschalter von dem Akkumulator versorgt wird, wenn das elektronische Schaltnetzteil nicht an eine Netzspannung angeschlossen ist. Ebenso ist eine Diode 19 vorgesehen, die das andere Wicklungsende der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 mit dem Verbindungspunkt von Rückkopplungskondensator 14 und Rückkopplungswiderstand 15 verbindet.

Zur Begrenzung der Rückschlagspannung ist parallel zur Primärwicklung 6 des Übertragers 1 eine Schaltung vorgesehen, die aus der Reihenschaltung einer Zenerdiode 17 sowie einer weiteren Diode 18 besteht, die anodenseitig miteinander verbunden sind.

Die Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 1 läßt sich dabei wie folgt erklären. Von den Eingangsspannungsklemmen wird der als Schalttransistor arbeitende Transistor 2 über den Widerstand 8 mit einem zunächst geringen Basisstrom angesteuert. Infolge des einschaltenden Transistors 2 entsteht über die Kollektor-Emitter Strecke des Transistors 2 und die Primärwicklung 6 des Übertragers 1 ein Mitkopplungseffekt durch die durch den ansteigenden Strom in der Primärwicklung 6 des Übertragers 1 induzierte Spannung. Durch diesen Mitkopplungseffekt wird der Transistor 2 zusätzlich angesteuert und in den leitenden Zustand geschaltet.

Der Kollektorstrom des Transistors 2 steigt linear an. Über dem Widerstand 12 fällt eine dazu proportionale Spannung ab. Wenn aufgrund des steigenden Kollektorstromes die Spannung am Widerstand 12 zuzüglich der Spannung des Akkumulators 16 die Durchbruchspannung der Zenerdiode 10 übersteigt, so wird der Transistor 9 in den leitenden Zustand geschaltet.

Dadurch wird die Basis des Transistors 2 direkt mit dem einen Anschluß der Eingangsspannungsquelle verbunden, wodurch dem Transistor 2 der Basisstrom entzogen wird. Der Transistor 2 sperrt dadurch und der Strom durch die Primärwicklung 6 des Übertragers 1 wird abrupt abgeschaltet.

Dadurch wird in der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 eine Spannung induziert, die eine Polarität aufweist, die der in der leitenden Phase des Transistors 2 entgegen gesetzt ist. Gegenüber einem durch diese induzierte Spannung verursachten Strom ist die Diode 3 in Durchlaßrichtung gepolt. Der Verbraucher (Akkumulator 16) wird also in der Sperrphase mit Strom versorgt bis die im Übertrager 1 gespeicherte Energie an den Verbraucher abgegeben ist.

Während des Umschwingvorganges des Übertragers 1 begrenzen die Dioden 17 und 18 parallel zur Primärwicklung 6 des Übertragers 1 die Rückschlagspannungsspitze.

Im Leitzustand des Transistors 2 wurde der Kondensator 14 wegen der in der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 induzierten Spannung an der mit "A" bezeichneten Seite positiv aufgeladen. Entsprechend erfolgte an der mit "B" bezeichneten Seite des Kondensators 14 eine negative Aufladung. Die Diode 19 ist bezogen auf die in der Leitphase des Transistors 2 in der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 induzierte Spannung in Sperrichtung gepolt.

Im Sperrzustand des Transistors 2 wird in der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 eine Spannung induziert, deren Vorzeichen gerade umgekehrt ist zu der in der Leitphase des Transistors 2 in der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 induzierten Spannung.

Dadurch wird der Kondensator 14 während des Sperrzustandes des Transistors 2 umgeladen. Der Punkt B ist - über die in diesem Fall in Durchlaßrichtung gepolte Diode 19 - mit der positiven Spannung verbunden, der Punkt A ist mit der negativen Spannung verbunden.

Nachdem der Übertrager 1 also seine gespeicherte Energie abgegeben hat, hat der Kondensator 14 am Punkt B eine positive Ladung und entsprechend am Punkt A eine negative Ladung.

Diese Spannung am Kondensator 14 unterstützt bei der nun wieder folgenden Schaltung des Transistors 2 in den Leitzustand den Schaltvorgang, da durch das Vorzeichen der Spannung am Kondensator 14 der Basis-Emitter Strom durch den Transistor 2 unterstützt wird. Insbesondere bei niedrigeren Eingangsspannungen wie beispielsweise einer 12 V Gleichspannung wird also durch das Vorzeichen der Spannung am Kondensator 14 der Einschaltvorgang des Transistors 2 unterstützt. Der Sperrwandlerbetrieb wird also insbesondere bei niedrigeren Eingangsspannungen stabilisiert.

In der dann folgenden leitenden Phase des Transistors 2 wird der Kondensator wieder - wie oben beschrieben - mit einer positiven Ladung am Punkt A und mit einer negativen Ladung am Punkt B aufgeladen.

Demgegenüber zeigt sich bei dem Schaltnetzteil nach Patentanspruch 1, daß mit vergleichsweise geringem Aufwand eine höhere Spannung an einem Netzwerk aus Rückkopplungskondensatoren erzielbar ist, die unterstützend wirkt für die Eingangsklemmenspannung bei der Durchschaltung des Schalttransistors, der den Stromfluß durch die Primärwicklung des Übertragers ermöglicht. Dadurch wird das Schaltnetzteil insbesondere bei Verwendung niedriger Netzspannungen vorteilhaft verbessert.

Besonders vorteilhaft ist die Maßnahme nach Anspruch 1 des Patentes, wenn das Emitterpotential des Schalttransistors gemäß Anspruch 2 bzw. 3 durch einen Akkumulator in dem Schaltnetzteil angehoben ist.

Anspruch 4 beschreibt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer elektronischen Schaltung. Dabei wird vorteilhaft ausgenutzt, daß die in der Sekundärwicklung des Übertragers induzierten Spannungen in der Lade- und Entladephase unterschiedlich sind.

Anspruch 5 sowie Anspruch 6 beschreiben eine Ausgestaltung, wie die Parallelschaltung von weiteren Kondensatoren in der Entladephase des Übertragers realisiert werden kann, wenn diese Kondensatoren insbesondere zu Beginn der Übertragerladephase in Reihenschaltung wirkend geschaltet sein sollen.

Die Verwendung eines solchen Schaltnetzteiles ist besonders vorteilhaft bei einem elektrischen Rasierapparat, da dessen Gebrauchsvielfalt insbesondere bei Verwendung von Netzspannungen niedriger Größe wie beispielsweise beim Camping oder auf Booten verbessert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigt dabei die Fig. 2 ein elektronisches Schaltnetzteil, dessen identische Bauteile mit identischer Funktion wie bei dem bereits aus dem angegebenen Stand der Technik heraus bekannten Schaltungsaufbau mit identischen Bezugsziffern zur Fig. 1 bezeichnet sind.

Bei dem Schaltbild nach Fig. 2 ist ein Bauteileblock ergänzt, der aus dem Kondensator 20, dem Widerstand 21, den Dioden 22 und 23 sowie einem Widerstand 24 besteht. Weiterhin ist noch ein Widerstand 25 vorhanden.

An dem Punkt B ist dabei das eine Ende des Widerstandes 21 angeschlossen, dessen anderes Ende mit dem einen Anschluß des Widerstandes 24 verbunden ist. Der andere Anschluß des Widerstandes 24 ist dabei an dem Punkt C mit einem Anschluß des Kondensators 20 verbunden. Der andere Anschluß des Kondensators 20 ist dabei mit der Basis des Transistors 2 sowie der Kathode der Diode 22 verbunden. Die Anode der Diode 22 ist mit einem Anschluß der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 verbunden. Die Anode der Diode 23 ist zwischen den Widerständen 21 und 24 angeschlossen. Die Kathode der Diode 23 ist mit dem anderen Anschluß der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 verbunden, mit dem auch der Kondensator an dem Punkt A verbunden ist.

Die Funktionsweise hinsichtlich der Spannungsverhältnisse läßt sich also wie folgt erklären. Im Leitzustand des Transistors 2 wurde der Kondensator 14 wegen der in der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 induzierten Spannung an der mit "A" bezeichneten Seite positiv aufgeladen. Entsprechend erfolgte an der mit "B" bezeichneten Seite des Kondensators 14 eine negative Aufladung. Die Diode 19 ist bezogen auf die in der Leitphase des Transistors 2 in der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 induzierte Spannung in Sperrichtung gepolt. Weiterhin wird der Kondensator 20 an der mit "C" bezeichneten Seite positiv aufgeladen und entsprechend an der mit "D" bezeichneten Seite negativ. Die Dioden 22 und 23 sind ebenfalls in Sperrichtung gepolt bezogen auf die zu diesem Zeitpunkt in der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 induzierten Spannung. Die Kondensatoren wirken also zu diesem Zeitpunkt als in Reihe geschaltet, weil die Zweige, die eine Parallelschaltung der Kondensatoren 14 und 20 bewirken würden, über die in Sperrichtung gepolten Dioden 22 und 23 unwirksam sind.

Im Sperrzustand des Transistors 2 wird in der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 eine Spannung induziert, deren Vorzeichen gerade umgekehrt ist zu der in der Leitphase des Transistors 2 in der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 induzierten Spannung.

Dadurch wird der Kondensator 14 während des Sperrzustandes des Transistors 2 umgeladen. Der Punkt B ist - über die in diesem Fall in Durchlaßrichtung gepolte Diode 19 - mit der positiven Spannung verbunden, der Punkt A ist mit der negativen Spannung verbunden. Ebenso ist der Punkt D über die in diesem Fall ebenfalls in Durchlaßrichtung gepolte Diode 22 mit der positiven Spannung verbunden, der Punkt C ist über die jetzt ebenfalls in Durchlaßrichtung gepolte Diode 23 mit der negativen Spannung verbunden.

Nachdem der Übertrager 1 also seine gespeicherte Energie abgegeben hat, hat der Kondensator 14 am Punkt B eine positive Ladung und entsprechend am Punkt A eine negative Ladung. Ebenso hat der Kondensator 20 am Punkt D eine positive Ladung und am Punkt C eine negative Ladung. Der direkte Stromfluß über die Diode 19 und die Diode 23 "am Kondensator 14 vorbei" wird mittels des Widerstandes 21 verhindert. Die Widerstände 15, 21 und 24 dienen lediglich der Strombegrenzung bei den Umladungsvorgängen.

Die Spannung am Kondensator 14 sowie am Kondensator 20 unterstützen bei der nun wieder folgenden Schaltung des Transistors 2 in den Leitzustand den Schaltvorgang, da durch das Vorzeichen der in Reihenschaltung wirkenden Kondensatoren 14 und 20 sich die Spannungen dieser Kondensatoren addieren und der Basis-Emitter Strom durch den Transistor 2 unterstützt wird. Die Kondensatoren 14 und 20 wirken deshalb in Reihenschaltung, weil die die Parallelschaltung bewirkenden Zweige durch die nun wiederum in Sperrichtung gepolten Dioden 19, 22 und 23 unwirksam geschaltet sind. Insbesondere bei niedrigeren Eingangsspannungen wie beispielsweise einer 12 V Gleichspannung wird also durch das Vorzeichen der Spannungen an den Kondensatoren 14 und 20 der Einschaltvorgang des Transistors 2 unterstützt. Der Sperrwandlerbetrieb wird also insbesondere bei niedrigeren Eingangsspannungen stabilisiert.

In der dann folgenden leitenden Phase des Transistors 2 werden die Kondensatoren 14 und 20 wieder - wie oben beschrieben - mit einer positiven Ladung an den Punkten A und C sowie mit einer negativen Ladung an den Punkten B und D aufgeladen.

Vorteilhaft kann also durch die Schaltungsanordnung mit einer bestimmten zur Verfügung stehenden Spannung in der Übertragerentladephase zu Beginn der Übertragerladephase eine Spannung zur Unterstützung des Einschaltvorganges erzeugt werden, die diese Einschaltung unterstützt und größer ist als diese bestimmte Spannung. Dies wird erreicht, indem in Parallelschaltung wirkend die Kondensatoren aufgeladen werden und anschließend in einer Reihenschaltung wirkend entladen werden. Durch die Verwendung der Dioden in den Zweigen der Schaltung, die die Parallelschaltung bewirken, wird dies schaltungstechnisch einfach erreicht. Dabei wird vorteilhaft genutzt, daß sich das Vorzeichen der in der Sekundärwicklung 13 des Übertragers 1 induzierten Spannung um kehrt beim Entladevorgang gegenüber dem Ladevorgang des Übertragers 1.

Zur weiteren Erhöhung der Spannung zu Beginn der Einschaltphase ist es möglich, weitere Bauteileblöcke entsprechend vorzusehen, d. h. weitere Kondensatoren, die in der Übertragerentladephase parallelgeschaltet wirken und in der Übertragerladephase reihengeschaltet wirken.

Claims (7)

1. Elektronisches Schaltnetzteil zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers (16) aus einer Wechsel- oder Gleichspannungsquelle (4) unterschiedlicher Spannungshöhe mit einem primär getakteten Sperrwandler, der einen Übertrager (1) enthält, dessen Sekundärwicklung (13) in Reihe zum elektrischen Verbraucher (16) und zu einer ersten Diode (3) geschaltet ist und dessen Primärwicklung (6) in Reihe zur Kollektor-Emitter Strecke eines ersten Transistors (2) geschaltet ist, dessen Basis über einen Rückkopplungskondensator (14) mit dem einen Wicklungsende der Sekundärwicklung (13) des Übertragers (1) verbunden ist, wobei die Basis des ersten Transistors (2) weiterhin mit dem einen Pol der Eingangsspannungsquelle (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rückkopplungskondensatoren vorhanden sind, die in der Übertragerentladephase als parallelgeschaltet wirkend an der Sekundärwicklung (13) des Übertragers (1) anliegen und in der Übertragerladephase als Reihenschaltung wirkend an einem Zweig anliegen, der die Basis-Emitter Strecke des ersten Transistors (2) umfaßt.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher (16) aus einer Parallelschaltung eines Akkumulators und einer elektrischen Last besteht.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher (16) mit dem Wicklungsende der Sekundärwicklung (13) des Übertragers (1) verbunden ist, das nicht mit den Rückkopplungskondensatoren verbunden ist.

4. Schaltnetzteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen, die die Parallelschaltung der Kondensatoren (14, 20) darstellen, mit jeweils wenigstens einer Diode (19, 22, 23) versehen sind, die während der Übertragerentladephase bezogen auf die Spannung der Sekundärwicklung (13) des Übertragers (1) in der Übertragerentladephase in Durchlaßrichtung gepolt sind.

5. Schaltnetzteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Kondensator (14) mit seiner einen Seite (A) an das erste Wicklungsende der Sekundärwicklung (13) des Übertragers (1) angeschlossen ist, und mit seiner anderen Seite (B) über eine Diode (19) an das zweite Wicklungsende der Sekundärwicklung (13) des Übertragers (1), wobei ein weiterer Bauteileblock (20, 21, 22, 23, 24) angeschlossen ist, indem ein weiterer Kondensator (20) mit seiner einen Seite (C) über ein Widerstandselement (21) mit der anderen Seite (B) des ersten Kondensators (14) verbunden ist, wobei die eine Seite (C) des weiteren Kondensators (20) über eine Diode (23) an das erste Wicklungsende der Sekundärwicklung (13) des Übertragers (1) angeschlossen ist, wobei die andere Seite (D) des weiteren Kondensators (20) über eine Diode (22) an das zweite Wicklungsende der Sekundärwicklung (13) des Übertragers (1) angeschlossen ist.

6. Schaltnetzteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein weiterer Bauteileblock angeschlossen ist, indem ein weiterer Kondensator des weiteren Bauteileblockes mit seiner einen Seite über ein Widerstandselement mit der anderen Seite des letzten Kondensators verbunden ist, wobei die eine Seite des weiteren Kondensators über eine Diode an das erste Wicklungsende des Übertragers angeschlossen ist, wobei die andere Seite des weiteren Kondensators über eine Diode an das zweite Wicklungsende des Übertragers angeschlossen ist.

7. Verwendung eines Schaltnetzteiles nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem elektrischen Rasierapparat.