DE3327003C2 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Gleichspannungsversorgung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei elektrischen Baugruppen, die in netzbetriebenen Geräten eingesetzt werden, ist stets ein Stromversorgungsteil notwendig, das aus der hohen Netz-Wechselspannung eine niedrige Betriebs-Gleichspannung für die elektrische Baugruppe erzeugt. Üblicherweise werden hierfür Transformatorschaltungen eingesetzt. Bei kleinen, handlichen Geräten ist dies von Nachteil, da der Transformator einerseits einen großen Raumbedarf hat und andererseits oft das teuerste Bauelement der Schaltung darstellt. Eine preisgünstigere Lösung ist die Verwendung von Einweg-Gleichrichterschaltungen, die über Vorwiderstände direkt vom Netz gespeist werden. Bei einem höheren Gleichstrombedarf scheidet dieses Verfahren jedoch wegen des hohen Wärmeanfalls am Vorwiderstand häufig aus. Die Verwendung eines geeigneten Vorkondensators ist wiederum wesentlich teuerer und wegen des hohen Volumens des Kondensators bei beengten Platzverhältnissen oft nicht realisierbar.

Der US 40 01 668 ist eine Schaltungsanordnung entnehmbar, bei der die Wechselspannung des Versorgungsnetzes in eine kleinere Gleichspannung zur Versorgung eines Elektrogerätes umgewandelt wird. Mittels einer Einwegdiode wird eine pulsierende Spannung erzeugt, die über einen Spannungsteiler einer Zenerdiode zugeführt wird. Die Zenerdiode ist in Reihe mit einer Basis-Emitter-Diode eines Steuertransistors geschaltet und bestimmt dadurch den Schaltpunkt des Steuertransistors. Durch den Kollektor dieses Steuertransistors wird ein weiterer Transistor gesteuert, in dessen Lastkreis ein Ladekondensator geschaltet ist und der innerhalb eines Schaltbereiches der Netzspannung aufgeladen wird. Bei dieser Schaltungsanordnung ist ungünstig, daß neben der Basis-Emitter-Strecke des Steuertransistors eine Zenerdiode erforderlich ist, die relativ aufwendig ist und aufgrund ihres Temperaturkoeffizienten eine zusätzliche thermische Belastung der Schaltungsanordnung bewirkt. Zur Kompensation dieses Nachteils wurde vorgeschlagen, zusätzliche Maßnahmen zu ergreifen und beispielsweise den Spannungsteiler mit temperaturabhängigen Widerständen auszugestalten. Dadurch erhöht sich der Aufwand für diese Schaltungsanordnung.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik nach US 40 01 668 die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Gleichspannungsversorgung von elektrischen Baugruppen zu schaffen, die durch einfachsten Aufbau eine hohe Betriebszuverlässigkeit gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die gekennzeichneten Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß der Wärmeanfall und das Volumen sehr gering sind. Die Schaltung ist weiterhin betriebssicher und mit einfachen Mitteln aufzubauen. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß der Schaltvorgang am elektronischen Schalter nur bei niedrigen Kollektor-Emitter-Spannungen stattfindet, und deshalb auch die Auswahl geeigneter elektronischer Schalter unkritisch ist. Es können daher leicht einfache Schalttransistoren verwendet werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist es, den elektronischen Schalter mit einem Schwellwertschalter anzusteuern, der beim Überschreiten eines vorgegebenen Spannungswertes der Netzspannung den elektronischen Schalter ausschaltet. Hierdurch wird gewährleistet, daß bei einem bestimmten Wert der Netzspannung der elektronische Schalter gesperrt wird. Der Schwellwertschalter wird im einfachsten Fall durch einen Hilfstransistor gebildet, an dessen Basis ein Teil der Netzspannung angelegt ist. Die Schaltschwelle wird dann durch die Basis-Emitter-Durchbruchspannung des Hilfstransistors bestimmt, so daß weitere Bauelemente nicht erforderlich sind. Um einen möglichst guten Regeleffekt zu erhalten ist es günstig, den elektronischen Schalter als Darlington-Transistor auszubilden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine positive Betriebsspannung und

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 wird an die Klemmen 1 und 2 die Netzwechselspannung angeschlossen. Von der Klemme 2 führt eine in Flußrichtung geschaltete Diode 3 zu einem Vorwiderstand 4. Zwischen der Diode 3 und dem Widerstand 4 ist ein Widerstand 12 angeschlossen, der mit einem Widerstand 13 in Reihe geschaltet ist. Der andere Anschluß des Widerstands 13 ist zur Klemme 1 geführt. Zwischen den Widerständen 12 und 13 ist die Basis eines Transistors 11 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 11 führt zur Klemme 1 während der Kollektor des Transistors 11 über einen Widerstand 10 mit der Leitung zwischen der Diode 3 und dem Widerstand 4 verbunden ist. Vom Kollektor des Transistors 11 führt eine Diode 9 zur Basis eines Transistors 8. Der Kollektor des Transistors 8 steht mit dem weiteren Anschluß des Vorwiderstandes 4 in Verbindung, während der Emitter des Transistors 8 zu einer Anschlußklemme 6 führt, an der eine positive Gleichspannung abgreifbar ist. Der negative Anschluß ist die Klemme 1. Zwischen der Klemme 6 und der Klemme 1 ist noch ein Kondensator 5 geschaltet. An die Klemme 6 und 1 ist ein elektrischer Verbraucher anschließbar, der mit einer positiven Versorgungsspannung betrieben wird.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist anhand des Diagrammes in Fig. 2 näher erläutert. Die Schaltungsanordnung baut auf der herkömmlichen Einwegschaltung mit der Diode 3, dem Widerstand 4 und dem Kondensator 5 auf. Der Schalttransistor liegt in Reihe mit dem Vorwiderstand 4. Er wird so gesteuert, daß der Ladestrom zum Kondensator 5 nicht wie üblich im Maximum der Halbwelle der Wechselspannung fließt, sondern nur kurzzeitig am Anfang und am Ende der Halbwelle. Der Transistor 8 wird nur durchgesteuert, solange der Augenblickswert der Netzspannung gleich oder nur wenig größer ist als die Ladespannung am Kondensator 5. Während der Zeit, in der der Augenblickswert der Netzspannung wesentlich größer ist als die Spannung am Kondensator 5, bleibt der Transistor 8 gesperrt. Damit fließt in den Zeiten, in denen am Widerstand 4 große Spannungsdifferenzen auftreten würden, kein Strom. Der Widerstand 4 hat nur noch die Funktion eines Strombegrenzers, insbesondere bei der Einschaltflanke des Stromimpulses. Er kann um typisch 3 bis 4 Größenordnungen kleiner gewählt werden, als der sonst bei der Einwegschaltung übliche Vorwiderstand. Damit reduziert sich auch die Verlustwärme.

In Fig. 2a ist mit 16 die Netzspannung bezeichnet, die an den Klemmen 1 und 2 der Schaltungsanordnung anliegt. Am Spannungsteiler mit den Widerstanden 12 und 13 steht die Steuerspannung für den Transistor 11 zur Verfügung, die in Fig. 2a mit 21 bezeichnet ist. Die Steuerspannung verläuft in der positiven Halbwelle proportional zur Netzspannung 16. Übersteigt die Steuerspannung 21 den Basis-Emitterschwellwert des Hilfstransistors 11, dann wird der normalerweise über Widerstand 10 und Diode 9 zum Transistor 8 fließende Basisstrom zur Masseleitung abgeleitet und damit der Transistor 8 gesperrt. Die Schwellwertspannung ist in Fig. 2a mit 20 bezeichnet. Wie dies in Fig. 2b dargestellt ist, wird der Kondensator 5 nur geladen, solange die Steuerspannung 21 kleiner ist als die Basis-Emitterspannung 20 des Hilfstransistors. Pro Netzperiode erhält man also zwei Ladestromstöße 17 und 18, so daß sich annähernd das Verhalten eines Zweiwegspitzengleichrichters ergibt. Aufgrund der zweimaligen Ladung pro Vollwelle kann der Kondensator 5 klein gewählt werden. Der Spannungsverlauf am Kondensator 5 ist in Fig. 2c dargestellt.

Während der negativen Halbwellen sperrt die Diode 3. Die Diode 9 verhindert den Rückfluß der Kondensatorladung über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 8 und den Transistor 11 in der Zeit, in der der Transistor 11 leitend geschaltet ist.

Die Schaltung nach Fig. 1 weist sowohl gegenüber Speisespannungs- als auch Lastschwankungen selbstregelnde Eigenschaften auf. Steigt die Speisespannung 16, dann wird die Amplitudenerhöhung der Stromimpulse 17 und 18 durch eine Verkleinerung der Stromimpulsdauer kompensiert. Die Steuerspannung 21 erreicht den Basis-Emitterschwellwert 20 früher, dadurch werden die Impulse schmaler. Die Ladung, die jeder Stromimpuls in den Kondensator liefert, bleibt dadurch weitgehend konstant.

Steigt der Laststrom an, dann fällt die Kondensatorspannung in Fig. 2c stärker ab. Damit steigt die für die Kondensatornachladung maßgebliche Spannungsdifferenz zum Augenblickswert der Speisespannung 16. In diesem Fall nimmt sowohl die Amplitude als auch die Dauer der Stromimpulse 17 und 18 zu. Da der Widerstand 4 relativ niederohmig ist, wird entsprechend kräftig nachgeladen, bzw. die Spannungsdifferenz besser ausgeglichen. Umgekehrte Störvorgänge ergeben die entgegengesetzten Abläufe.

Für den Transistor 8 wird vorteilhafterweise ein Hochspannungs-Darlington-Transistor verwendet, so daß die Steuerschaltung mit Bauelementen kleiner Leistung aufgebaut werden kann. Durch den Schaltbetrieb des Transistors 8 treten an ihm geringe Wärmeverlustleistungen auf, so daß der Wärmeverbrauch der Schaltungsanordnung auch im Hinblick auf den niedrigen Wert des Widerstandes 4 gering ist.

Die Schaltungsanordnung ist vorteilhafterweise bei solchen Geräten einzusetzen, bei denen beispielsweise ein Strom von etwa 100 mA benötigt wird. Der Wärmeanfall und das Volumen der Schaltungsanordnung ist gering, so daß eine spezielle Kühlung von Bauelementen in den meisten Fällen entfallen kann. Eine vorteilhafte Anwendung ist beispielsweise die Verwendung der Schaltung bei digitalen Uhren und bei elektronisch gesteuerten netzverbundenen Geräten, wie beispielsweise Haushaltsgeräte oder Elektrowerkzeuge.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Gleichspannungsversorgung von elektrischen Baugruppen in netzbetriebenen Geräten mit einem Gleichrichter (3), einem Vorwiderstand (4), einem Ladekondensator (5), einem als Transistor ausgebildeten elektronischen Schalter (8), der nur zu Beginn und am Ende einer Netzhalbwelle eingeschaltet ist und durch den der Ladekondensator (5) ladbar ist, mit einem Hilfstransistor (11), dessen Basis von einer Spannung versorgt wird, die von der gleichgerichteten Netzspannung abgeleitet ist, und der beim Überschreiten eines vorgegebenen Spannungswertes der Netzspannung den elektrischen Schalter (8) ausschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß der als Transistor ausgebildete elektronische Schalter (8) mit seinem Kollektor in Verbindung mit dem Vorwiderstand (4) steht, sein Emitter mit dem Ladekondensator (5) verbunden ist und daß eine Diode (9) vorgesehen ist, deren Kathode mit dem Steuereingang des elektronischen Schalters (8) und deren Anode mit dem Kollektor des Hilfstransistors (11) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltschwelle für den Hilfstransistor (11) durch einen Spannungsteiler (12, 13) vorgebbar ist, der von der gleichgerichteten Netzspannung gespeist wird und dessen Mittenabgriff mit dem Steuereingang des Hilfstransistors (11) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (8) als Darlington-Transistor ausgebildet ist.