PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005040005A1 03.05.2007
Titel Schaltnetzteil
Anmelder Endress + Hauser Flowtec AG, Reinach, CH
Erfinder Pfleger, Reiner, 79585 Steinen, DE
Vertreter Andres, A., Pat.-Anw., 79576 Weil am Rhein
DE-Anmeldedatum 23.08.2005
DE-Aktenzeichen 102005040005
Offenlegungstag 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse H02M 1/14(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Es ist ein Schaltnetzteil (19) vorgesehen, das bei dessen Inbetriebnahme mit einem geringen Einschaltstrom auskommt, mit einer Eingangsbeschaltung (5), über die das Schaltnetzteil (19) an eine Energieversorgung (9) anschließbar ist, einem Schaltelement (7), das über eine erste und eine zweite Leitung (23, 25) an die Eingangsbeschaltung (5) angeschlossen ist, einem ersten Kondensator (27), der als Kurzzeit-Energiespeicher dient und in einem ersten die erste und die zweite Leitung (23, 25) verbindenden ersten Querzweig (29) liegt, und einem zweiten Kondensator (31), der zur Überbrückung von kurzzeitigen Ausfällen der Energieversorgung (9) dient und der parallel zu dem ersten Kondensator (27) in einem die erste und die zweite Leitung (23, 25) verbindenden zweiten Querzweig (33) liegt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil.

In der industriellen Messtechnik und in den meisten nicht tragbaren elektronischen Geräten werden Verbraucher regelmäßig über Schaltnetzteile an eine Energieversorgung angeschlossen. Die Verbraucher sind elektronische Geräte, insb. Messgeräte, Sensoren oder Transmitter. Die Schaltnetzteile umfassen in der Regel einen Schaltregler und einen Transformator und dienen dazu eine von der Energieversorgung bereitgestellte Spannung auf eine vom Verbraucher benötigte Eingangsspannung zu regeln. Zusätzlich bewirken sie eine galvanische Trennung zwischen dem Verbraucher und der Energieversorgung. Eine galvanische Trennung ist in der industriellen Messtechnik sehr häufig durch entsprechende Sicherheitsvorschriften vorgeschrieben.

Schaltnetzteile benötigen bei deren Inbetriebnahme in der Regel einen sehr hohen Einschaltstrom. Der Einschaltstrom kann ohne weiteres das 200-fache des während des Betriebs benötigten Nennstroms betragen. Dieser Effekt führt jedoch oft zu Problemen bei anderen Verbrauchern, welche an das selbe Versorgungsnetz angeschlossen sind. Insbesondere in industriellen Anwendungen gibt es daher Grenzwerte für den maximal zulässigen Einschaltstrom.

Der hohe Einschaltstrom wird typischer Weise durch einen Energiespeicher, verursacht, der dem eigentlichen Schaltelement vorgeschaltet ist und unter anderem dazu dient, einen möglicher Weise auftretenden kurzzeitigen Ausfall der Energieversorgung zu überbrücken.

1 zeigt einen typischen Aufbau eines herkömmlichen Schaltnetzteils 1 mit einem daran angeschlossenen Verbraucher 3. Das Schaltnetzteil 1 umfasst eine Eingangsbeschaltung 5 und ein Schaltelement 7. Die Eingangsbeschaltung 5 ist an eine Energieversorgung 9 anschließbar. Zwischen der Eingangsbeschaltung 5 und dem eigentlichen Schaltelement 7 ist typischerweise ein Kondensator 11 vorgesehen. Dieser Kondensator 11 erfüllt in der Regel zwei Aufgaben.

Zum einen dient er als Kurzzeit-Energiespeicher für den Betrieb des Schaltnetzteils 1. Bei jedem Schaltvorgang des Schaltelements 7 wird die für den Schaltvorgang benötigte Energie zunächst dem Kondensator 11 entnommen. Anschließend wird der Kondensator 11 über die Eingangsbeschaltung 5 wieder aufgeladen. Ein solcher Ent- und Beladevorgang dauert typischerweise einige Mikrosekunden. Ohne den Kondensator 11 müsste die für den Schaltvorgang benötigte Energie unmittelbar über die Eingangsbeschaltung 5 aus der Energieversorgung 9 entnommen werden. Hierdurch würde sich jedoch der Wirkungsgrad des Schaltnetzteils deutlich verringern, da die Eingangsbeschaltung 5 in der Regel Leitungen und Filter mit hohen Induktivitäten aufweist.

Zum anderen dient der Kondensator 11 dazu kurzzeitige Ausfälle oder Einbrüche der Energieversorgung 9 zu überbrücken. Derartige Unterbrechungen können beispielsweise durch eine kurzzeitige Überlastung der Energieversorgung 9 entstehen. In diesem Fall kann der Betrieb des Schaltnetzteils 1 beispielsweise für einige Millisekunden mittels der im Kondensator 11 gespeicherten Ladung aufrecht erhalten werden. Häufig ist eine Überbrückungszeit in der Größenordnung von 20 ms gefordert.

Um kurzeitige Ausfälle der Energieversorgung überbrücken zu können muss der Kondensator 11 eine hohe Kapazität aufweisen. Dies führt jedoch zwangsläufig zu einem hohen Einschaltstrom. Um den Einschaltstrom gering zu halten müsste der Kondensator 11 eine möglichst geringe Kapazität aufweisen.

Aus diesem Grund wird zwischen der Eingangsbeschaltung 9 und dem Kondensator 11 häufig ein Widerstand 13 vorgesehen, der dazu dient den Einschaltstrom zu reduzieren. Die Überbrückung von kurzzeitigen Ausfällen in der Energieversorgung wird durch den Widerstand 13 nicht beeinträchtigt. Der Widerstand 13 verursacht jedoch einen Spannungsabfall und damit eine Verlustleistung und verringert die verfügbare Spannung. Dies ist insb. bei solchen Anwendungen von Nachteil, bei denen die über die Energieversorgung 9 zur Verfügung stehende Spannung gering ist. Bei niedrigen Versorgungsspannungen werden große Ströme benötigt, welche wiederum am Widerstand 13 eine hohe Verlustleistung bewirken.

Der durch den Widerstand 13 verursachte Energieverlust lässt sich vermeiden, indem der Widerstand 13 nach dem Einschaltvorgang überbrückt wird. Dies kann wie in 1 dargestellt, durch einen Parallelpfad 15 erfolgen, der über einen steuerbaren Schalter 17 zugeschaltet werden kann. Dabei wird der Schalter 17 beim Einschalten des Schaltnetzteils 1 geöffnet, so dass der Einschaltstrom ausschließlich über den Widerstand 13 fließt und im Anschluss an den Einschaltvorgang geschlossen, so dass der Widerstand 13 überbrückt ist. Durch den Schalter 17 und dessen Ansteuerung erhöht sich jedoch der Aufwand für das gesamte Schaltnetzteil erheblich.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges Schaltnetzteil anzugeben, das bei dessen Inbetriebnahme mit einem geringen Einschaltstrom auskommt.

Hierzu besteht die Erfindung in einem Schaltnetzteil mit

  • – einer Eingangsbeschaltung, über die das Schaltnetzteil an eine Energieversorgung anschließbar ist,
  • – einem Schaltelement, das über eine erste und eine zweite Leitung an die Eingangsbeschaltung angeschlossen ist,
  • – einem ersten Kondensator, der als Kurzzeit-Energiespeicher dient und in einem ersten die erste und die zweite Leitung verbindenden Querzweig liegt, und
  • – einem zweiten Kondensator, der zur Überbrückung von kurzzeitigen Ausfällen der Energieversorgung dient, und der parallel zu dem ersten Kondensator in einem die erste und die zweite Leitung verbindenden zweiten

    Querzweig liegt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Kondensator im zweiten Querzweig über einen Aufladungszweig und einen parallel dazu angeordneten Entladungszweig mit der ersten Leitung verbunden, und wird im Betrieb bei Bedarf über den Aufladungszweig aufgeladen und über den Entladungszweig entladen.

Gemäß einer Ausgestaltung ist dem zweiten Kondensator im Aufladungszweig ein Widerstand vorgeschaltet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist dem zweiten Kondensator im Entladungszweig eine Diode vorgeschaltet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der zweite Kondensator eine wesentlich höhere Kapazität auf als der erste Kondensator.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zwei Kondensatoren eingesetzt werden, von denen ein erster als Kurzzeit-Energiespeicher für das Schaltelement und ein zweiter als Energiespeicher für eine Überbrückung eines eventuell auftretenden kurzzeitigen Ausfalls der Energieversorgung dient. Auf diese Weise ist es möglich die beiden Kondensatoren unabhängig voneinander entsprechend den an sie gestellten Aufgaben zu dimensionieren.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der zweite Kondensator über den Widerstand im Aufladezweig mittels eines geringen Stroms aufgeladen werden kann. Hierdurch wird der benötigte Einschaltstrom gering gehalten. Da sich der Widerstand im zweiten Querzweig befindet, bewirkt er im normalen Betrieb keinerlei Energieverluste.

Die beschriebene Schaltung ist effektiver, einfacher und damit kleiner und kostengünstiger als die eingangs beschriebene herkömmliche Schaltung mit permanentem Vorwiderstand und Schalter.

Die Verwendung von zwei Kondensatoren bewirkt keine zusätzlichen Kosten, da nur der kleinere erste Kondensator schaltfest sein muss, wohingegen der zweite Kondensator ein einfacher Kondensator mit höherer Kapazität sein kann.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

1 zeigt ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Schaltnetzteils; und

2 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils.

In 2 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltnetzteils 19 mit einem daran angeschlossenen Verbraucher 3 dargestellt. Genau wie bei dem eingangs beschriebenen Stand der Technik ist auch hier eine Eingangsbeschaltung 5 und ein Schaltelement 7 vorgesehen. Die Eingangsbeschaltung 5 ist an eine Energieversorgung 9 anschließbar. Die Eingangsbeschaltung 5 weist Anschlüsse 21 für die Energieversorgung 9auf. Zusätzlich können in der Eingangsbeschaltung 5 Elemente zur Vorverarbeitung, z.B. Filter, vorgesehen sein. Das Schaltelement 7 umfasst beispielsweise einen Schaltregler und einen Transformator. Die Erfindung ist auch in Verbindung mit Schaltelementen ohne Transformator einsetzbar. Das Schaltelement 7 ist über eine erste und eine zweite Leitung 23, 25 an die Eingangsbeschaltung 5 angeschlossen.

Das Schaltnetzteil 19 weist einen ersten Kondensator 27 auf, der in einem ersten die erste und die zweite Leitung 23, 25 verbindenden Querzweig 29 liegt. Dieser erste Kondensator 27 dient als Kurzzeit-Energiespeicher für den Betrieb des Schaltnetzteils 15. Bei jedem Schaltvorgang des Schaltelements 7 wird die für den Schaltvorgang benötigte Energie zunächst dem ersten Kondensator 27 entnommen. Anschließend wird der erste Kondensator 27 über die Eingangsbeschaltung 5 wieder aufgeladen. Ein solcher Ent- und Beladevorgang dauert typischerweise einige Mikrosekunden.

Erfindungsgemäß weist das Schaltnetzteil 19 einen zweiten Kondensator 31 auf, der parallel zu dem ersten Kondensator 27 geschaltet ist, und in einem die erste und die zweite Leitung 23, 25 verbindenden zweiten Querzweig 33 liegt. Dieser zweite Kondensator 31 dient zur Überbrückung von kurzzeitigen Ausfällen der Energieversorgung. Bei einem kurzzeitigen Ausfall der Energieversorgung wird die für die Aufrechterhaltung des Betriebs des Schaltnetzteils 19 benötigte Energie dem zweiten Kondensator 31 entnommen. Anschließend wird der zweite Kondensator 31 über die Eingangsbeschaltung 5 wieder aufgeladen.

Vorzugsweise erfolgen Aufladung und Entladung des zweiten Kondensators 31 auf unterschiedlichen Wegen. Erfindungsgemäß ist der zweite Kondensator 31 im zweiten Querzweig 33 über einen Aufladungszweig 35 und einen parallel dazu angeordneten Entladungszweig 37 mit der ersten Leitung 23 verbunden.

Im Betrieb wird der zweite Kondensator 31 bei Bedarf über den Aufladungszweig 35 aufgeladen und über den Entladungszweig 37 entladen.

Vorzugsweise ist dem zweiten Kondensator 31 im Aufladungszweig 35 ein Widerstand 39 vorgeschaltet. Der Widerstand 39 bewirkt eine Verlangsamung des Aufladevorgangs und damit eine Reduktion des hierzu erforderlichen Stromes.

Der Entladevorgang erfolgt demgegenüber nahezu ungebremst. Vorzugsweise ist dem zweiten Kondensator 31 im Entladungszweig 37 eine Diode 41 vorgeschaltet. Arbeitet die Energieversorgung 9 einwandfrei, so ist der Entladungszweig 37 durch die Diode 41 gesperrt. Fällt die Energieversorgung 9 jedoch aus, so sinkt die Spannung in der ersten Leitung 23 ab und die Diode 41 schaltet durch. Die Entladung erfolgt dann über die Diode 41, und die Ladung des zweiten Kondensators 31 steht fast vollständig für die Überbrückung des Ausfalls zur Verfügung.

Dadurch, dass ein erster Kondensator 27 als Kurzzeit-Energiespeicher und ein zweiter Kondensator 27, 31 zur Überbrückung von kurzzeitigen Ausfällen der Energieversorgung vorgesehen sind, ist es möglich die beiden Kondensatoren 27, 31 unabhängig von einander entsprechend deren Funktion in der Schaltung zu dimensionieren. Dabei weist der zweite Kondensator 31 vorzugsweise eine wesentlich höhere Kapazität C2 auf als der erste Kondensator 27. Die Kapazität C2 kann beispielsweise das 20 bis 100 fache der ersten Kapazität C1 betragen. Durch die kleine erste Kapazität C1 wird der Einschaltstrom gering gehalten. Die im Vergleich dazu wesentlich größere zweite Kapazität C2 ermöglicht es, einen Ausfall der Energieversorgung über einen im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen deutlich längeren Zeitraum zu überbrücken.

Vorzugsweise wird als erster Kondensator 27 ein schaltfester Kondensator mit geringer Kapazität C1 eingesetzt. Die Kapazität C1 ist so zu wählen, das die im ersten Kondensator 27 speicherbare Energie im normalen Betrieb für einen Schaltvorgang ausreicht. Typischerweise reicht hierfür eine Kapazität C1 in der Größenordnung von einigen &mgr;F völlig aus. Je geringer die Kapazität C1 ist, umso geringer ist der beim Einschalten des Schaltnetzteils 19 für die Aufladung des ersten Kondensators 27 benötigte Strom.

Der zweite Kondensator 31 muss kein schaltfester Kondensator sein. Dies liegt daran, dass er durch den Widerstand 39 und die Diode 41 nicht direkt von den Schaltvorgängen im Schaltnetzteil 7 betroffen ist. Hier kann ein kostengünstiger Kondensator mit einer Kapazität C2 verwendet werden, die in Abhängigkeit von den zu überbrückenden Ausfällen der Energieversorgung zu wählen ist. Die Aufladung des zweiten Kondensators 31 wird über den im Aufladezweig 35 liegenden Widerstand 39 verlangsamt. In der Praxis kommen kurzzeitige Ausfälle der Energieversorgung nur gelegentlich vor, so dass zwischen zwei Ausfällen ein langer Zeitraum zur Aufladung des zweiten Kondensators 31 zur Verfügung steht. Durch entsprechende Dimensionierung des Widerstandes 39 kann folglich der zweite Kondensator 31 mit großer Kapazität C2 mittels eines geringen Stromes aufgeladen werden. Beispielsweise kann der zweite Kondensator 31 in Verbindung mit einem Widerstand 39 in der Größenordnung von 10 &OHgr; eine Kapazität C2 in der Größenordnung von 5000 &mgr;F aufweisen.

Das erfindungsgemäße Schaltnetzteil 19 bietet den Vorteil, dass der für die Inbetriebnahme desselben erforderliche Einschaltstrom sehr gering ist. Dies wird dadurch erreicht, dass der erste Kondensator 27 eine geringe Kapazität C1 aufweist und die Aufladung des zweiten Kondensators 31 unabhängig vom ersten Kondensator 27 erfolgt und über den Widerstand 35 verlangsamt ist.


Anspruch[de]
Schaltnetzteil (19) mit

– einer Eingangsbeschaltung (5), über die das Schaltnetzteil (19) an eine Energieversorgung (9) anschließbar ist,

– einem Schaltelement (7), das über eine erste und eine zweite Leitung (23, 25) an die Eingangsbeschaltung (5) angeschlossen ist,

– einem ersten Kondensator (27), der als Kurzzeit-Energiespeicher dient und

in einem ersten die erste und die zweite Leitung (23, 25) verbindenden ersten Querzweig (29) liegt, und

– einem zweiten Kondensator (31), der zur Überbrückung von kurzzeitigen

Ausfällen der Energieversorgung (9) dient, und der parallel zu dem ersten

Kondensator (27) in einem die erste und die zweite Leitung (23, 25) verbindenden zweiten Querzweig (33) liegt.
Schaltnetzteil (19) nach Anspruch 1, bei dem der zweite Kondensator (31) im zweiten Querzweig (33) über einen Aufladungszweig (35) und einen parallel dazu angeordneten Entladungszweig (37) mit der ersten Leitung (23) verbunden ist, und im Betrieb bei Bedarf über den Aufladungszweig (35) aufgeladen und über den Entladungszweig (37) entladen wird. Schaltnetzteil (19) nach Anspruch 2, bei der dem zweiten Kondensator (31) im Aufladungszweig (35) ein Widerstand (39) vorgeschaltet ist. Schaltnetzteil (19) nach Anspruch 2, bei der dem zweiten Kondensator (31) im Entladungszweig (37) eine Diode (41) vorgeschaltet ist. Schaltnetzteil (19) nach Anspruch 1, bei dem der zweite Kondensator (31) eine wesentlich höhere Kapazität (C2) aufweist als der erste Kondensator (27).






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com