DE3525942A1 - Schaltnetzgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzgerät, bei dem die gleichgerichtete Netzspannung über einen taktweise betreibbaren, steuerbaren Leistungsschalter auf einen Transformator gegeben wird, bei dem der Steuereingang des Leistungsschalters mit einem ersten Ausgang einer als Impulsbreitenmodulator wirkenden Steuerschaltung mit Schutzfunktionen in Verbindung steht, die unter Anschlußein­ gängen wenigstens einen Schutzeingang aufweist, wobei bei Anliegen einer Spannung bestimmter Größe an diesem Schutz­ eingang die Steuerschaltung den Leistungsschalter über den ersten Ausgang abschaltet und bei dem aus einer auf der Ausgangsseite des Transformators abgegriffenen Spannung eine Regelspannung für die Steuerschaltung gewonnen wird, die auf einen Regeleingang der integrierten Steuerschaltung geführt ist und von deren Größe die taktweise Einschaltdauer des Leistungsschalters abhängt.

Ein derartiges Schaltnetzgerät ist aus der Broschüre der Siemens AG "Integrierte Schaltnetzteilsteuerschaltungen", insbesondere Seite 26, erschienen im Mai 1984, bekannt. Bei dem bekannten Schaltnetzgerät wird die gleichgerichtete Netz­ spannung mittels eines steuerbaren Leistungsschalters in eine am primären Teil eines Transformators anliegende hoch­ frequente Wechselspannung umgesetzt. Die Sekundärspannungen des Transformators werden gleichgerichtet und gesiebt. Somit stehen an den Ausgangsklemmen des Schaltnetzgerätes Gleich­ spannungen zur Verfügung. Der steuerbare Leistungsschalter wird über einen Leistungstreiber von einer als Impulsbrei­ tenmodulators wirkenden integrierten Steuerschaltung gesteu­ ert. Die integrierte Steuerschaltung weist eine Mehrzahl von Eingängen auf, von denen einer als Regeleingang, und andere als Schutzeingänge dienen, z. B. als Überspannungs­ eingang und als Eingang zur dynamischen Strombegrenzung. An diesen Schutzeingängen werden mittels Größenvergleichs von Spannungen Schutzfunktionen ausgelöst. Die integrierte Steuerschaltung verändert in ihrer Eigenschaft als Impuls­ breitenmodulator die Einschaltdauer des Leistungsschalters bei konstanter Schaltfrequenz in Abhängigkeit einer an dem Regeleingang anliegenden Regelspannung. Diese Regelspannung ist proportional der Differenz aus einer Ausgangsspannung des Schaltnetzgerätes und ihres Sollwertes. Unterschreitet die Ausgangsspannung ihren Sollwert wegen einer veränderten Stromabgabe, so steigt die Regelspannung an und die Ein­ schaltdauer des Leistungsschalters wird durch die integrier­ te Steuerschaltung erhöht bis die Ausgangsspannung des Schaltnetzgerätes ihren Sollwert erreicht. Zur galvanischen Trennung sind die Ausgangsklemmen des Schaltnetzgerätes und der Regeleingang der integrierten Steuerschaltung durch einen Optokoppler voneinander getrennt.

Wie bereits hingewiesen, kann die integrierte Steuerschal­ tung über die Schutzeingänge Schutz- und Überwachungsfunk­ tionen wahrnehmen. Ein als Überspannungseingang wirkender Schutzeingang der integrierten Steuerschaltung liegt am Ver­ bindungspunkt eines Spannungsteilers, an dem die gleichge­ richtete Netzspannung ansteht. Tritt dort eine Überspannung auf, so schaltet die Steuerschaltung den Leistungsschalter ab. Der Schutzeingang zur dynamischen Strombegrenzung steht in Verbindung mit einem Meßwiderstand, der im Stromkreis des Leistungsschalters liegt. Überschreitet der Strom durch den Leistungsschalter fließende einen Maximalwert, so erniedrigt die Steuerschaltung die Einschaltdauer des Leistungsschal­ ters, wodurch die Ausgangsspannung herabgesetzt wird und der Strom durch den Leistungsschalter und der Strom durch die Bauelemente auf der Ausgangsseite des Schaltnetzgerätes begrenzt wird. Diese Art der Strombegrenzung hat bei einem Kurzschluß auf der Ausgangsseite des Schaltznetzgerä­ tes den Nachteil, daß wohl der Kurzschlußstrom begrenzt wird, aber trotzdem Verlustleistung in den Bauelementen des Schaltnetzgerätes erzeugt wird, wodurch sich die Bauelemente stark erwärmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan­ ordnung zu schaffen, die bei einem Kurzschluß auf der Aus­ gangsseite des Schaltnetzgerätes die Ausgangsseite abschal­ tet. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Schaltnetzgerät der eingangs beschriebenen Art so ausgebildet, daß eine Schutz­ schaltung eingangsseitig an einer auf der Ausgangsseite des Transformators anstehenden Spannung angeschlossen ist und ausgangsseitig mit einem der Schutzeingängen der Steuer­ schaltung in Verbindung steht und daß die Schutzschaltung die Spannung bestimmter Größe auf diesen Schutzeingang schaltet, wenn der Wert der anstehenden Spannung für eine bestimmte Zeit einen Schwellwert erreicht. Man erhält somit bei geringem Aufwand eine Schutzschaltung , die keine weiteren Schaltelemente zur Abschaltung der Ausgangsseite des Schaltnetzgerätes benötigt, da hierfür die vorhandene Steuerschaltung benutzt wird.

Ist die Schutzschaltung eingangsseitig mit dem Regeleingang der Steuerschaltung verbunden, welche die Spannung bestimm­ ter Größe auf den Schutzeingang schaltet, wenn der Wert der Regelspannung für eine bestimmte Zeit einen vorgegebenen Wert überschreitet, so kann man, um eine einfache Schutz­ schaltung zu erhalten, die Tatsache ausnutzen, daß bei einem Kurzschluß auf der Ausgangsseite des Schaltnetzes die Regelspannung ihren Maximalwert annimmt.

Zweckmäßigerweise besteht die Schutzschaltung aus einem Zeitglied und einem diesem nachgeordneten Schwellwertschal­ ter. Das Zeitglied verhindert, daß kurzzeitige Erhöhungen der Regelspannung, wie sie z. B. beim Einschalten des Schaltnetzgerätes auftreten, auf den Eingang des Schwell­ wertschalters gelangen. Diese kurzzeitigen Erhöhungen würden sonst zu einem unerwünschten Abschalten der Ausgangsseite des Schaltnetzgerätes führen.

Für einen einfachen Aufbau der Schutzschaltung empfiehlt es sich, daß das Zeitglied der Schutzschaltung aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators besteht, wobei der Regeleingang der Steuerschaltung mit dem einen Ende dieses Zeitgliedes verbunden ist und der Verbin­ dungspunkt zwischen Widerstand und Kondensator an den Ein­ gang des Schwellwertschalters angeschlossen ist und daß der Ausgang des Schwellwertschalters über eine den Ausgang der Schutzschaltung bildenden Diode mit einem der Schutz­ eingänge verbunden ist. Außerdem verhindert die Diode einen Rückstrom auf den Ausgang des Schwellwertschalters.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, daß an den Verbindungspunkt der Reihenschal­ tung von Widerstand und Kondensator eine Entladeschaltung für den Kondensator angeschlossen ist, welche den Konden­ sator nach einer bestimmten Zeitspanne, nachdem die Aus­ gangsseite des Schaltnetzgerätes abgeschaltet ist, entlädt. Dadurch ist ein selbsttätiges Wiedereinschalten der Aus­ gangsseite des Schaltnetzgerätes möglich, wenn der Kurz­ schluß, der zum Abschalten geführt hatte, beseitigt wurde.

Im folgenden sei die Erfindung noch anhand des in den Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Die

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines Schaltnetzgerätes gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen Teil des Schaltbildes eines etwas abgewandelten weite­ ren Ausführungsbeispiels.

Die durch den Pfeil 1 angedeutete Netzspannung wird nach Eintritt in das Schaltnetzgerät zunächst gleichgerichtet und mittels eines steuerbaren Leistungsschalters 2 in eine hochfrequente Wechselspannung umgeformt, die am Primärteil eines Trannsformators 3 anliegt. Die Sekundärspannungen des Transformators 3 werden ebenfalls gleichgerichtet und gesiebt, so daß an allen Ausgangsklemmen 4, insbesondere den Ausgangsklemmen 5 und 6 Gleichspannungen für einen nicht dargestellten Verbraucher zur Verfügung stehen.

Der Steuereingang 7 des Leistungsschalters 2 ist über einen Leistungstreiber 8 mit dem Ausgang 9 einer integrierten Steuerschaltung 10 verbunden. Diese integrierte Steuerschal­ tung 10 wirkt als Impulsbreitenmodulator und weist Schutz­ funktionen auf. Die integrierte Steuerschaltung kann z. B. vom Typ TDA 4714 sein, der in der eingangs genannten Bro­ schüre auf Seite 8 dargestellt ist. Andere Impulsbreitenmo­ dulatoren mit Schutzfunktionen sind in dem Lehrbuch von Tietze/Schenk, "Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer Verlag 7. Auflage, in der Abbildung 18.74 auf Seite 562 aufgeführt. Die integrierte Steuerschaltung 10 weist einen als Überspannungseingang wirkenden Schutzeingang 11 und einen Schutzeingang 12 zur dynamischen Strombegrenzung auf. Die eingangs beschriebenen Schutzfunktionen werden ausgelöst, wenn die Spannungen an diesen Schutzeingängen 11, 12 eine bestimmte Größe haben. Weiterhin enthält die integrierte Steuerschaltung 10 den Regeleingang 13. Sie steuert die taktweise Einschaltdauer des Leistungsschalter 2 in Abhängigkeit von einer am Regeleingang 13 liegenden Regelspannung. Diese Regelspannung ist proportional der Differenz aus der an den Ausgangsklemmen 5, 6 liegenden Ausgangsspannung und ihres Sollwertes. Unterschreitet die Ausgangsspannung an den Ausgagnsklemmen 5, 6 ihren Sollwert, so steigt die Regelspannung am Regeleingang 13 an und die Einschaltdauer des Leistungsschalters 2 wird durch die Steuerschaltung 10 erhöht bis die Ausgangsspannung an den Ausgangsklemmen 5, 6 ihren Sollwert erreicht. Der Regelein­ gang 13 ist über einen Optokoppler 14 von den Ausgangs­ klemmen 5, 6 galvanisch getrennt.

Um ein Abschalten der Ausgangsseite des Schaltnetzgerätes bei Kurzschluß oder Überlast zu ermöglichen, ist eine Schutz­ schaltung 15 vorgesehen. Der Eingang der Schutzschaltung 15 ist mit dem Regeleingang 13 verbunden. Der Ausgang der Schutzschaltung 15 ist an den Schutzeingang 12 zur dyna­ mischen Strombegrenzung angeschlossen. Die Schutzschaltung 15 besteht aus einer als Zeitglied dienende Reihenschaltung eines Widerstandes 16 und eines Kondensators 17, dem ein Schwellwertschalter 18 nachgeschaltet ist.

Der Schwellwertschalter 18 besteht im wesentlichen aus einem als Komparator geschalteten Operationsverstärker, dessen (+) -Eingang an dem Verbindungspunkt des Zeitgliedes liegt. Dem (-)-Eingang des Oparationsverstärker ist eine Vergleichs­ spannung zugeführt, deren Wert sich aus der Speisespannung U _s der integrierten Steuerschaltung 10 und der Zenerspannung der vorgeschalteten Zenerdiode 19 ergibt.

Im folgenden sei die Wirkungsweise der Schutzschaltung 15 erläutert. Bei Kurzschluß oder Überlast auf der Ausgangssei­ te des Schaltnetzgerätes sinkt die Ausgangsspannung an den Ausgangsklemmen 5, 6 stark ab. Als Folge steigt die Regelspannung am Regeleingang 13 über ihren höchsten Wert bei ungestörten Betrieb an. Am Kondensator 17 baut sich eine Spannung auf, deren Wert größer als die Spannung am (-)-Eingang des Schwellwertschalters 18 ist.

Am Ausgang des Schwellwertschalters 18 tritt eine Spannung auf, die über die Diode 20 auf den Schutzeingang 12 zur dynamischen Strombegrenzung geschaltet wird. Diese Spannung ist wesentlich größer als die Spannung am Strom­ meßwiderstand 21 im Stromkreis des Leistungsschalters 2 und sie bewirkt über die integrierte Steuerschaltung 10 ein gänzliches Abschalten des Leistungsschalters 2.

In Fig. 2 ist eine modifizierte Schutzschaltung 15 dar­ gestellt, die ebenfalls an den Schutzeingang 12 und den Regeleingang 13 der integrierten Steuerschaltung 10 an­ schließbar ist. Für gleiche Teile sind gleiche Bezugszeichen verwendet.

An dem Verbindungspunkt der aus dem Widerstand 16 und dem Kondensator 17 bestehenden ersten Zeitgliedes ist eine strichpunktiert eingefaßte Entladeschaltung 22 für den Kondensator 17 angeschlossen. Die Entladeschaltung 22 besteht aus einer als zweites Zeitglied dienenden Reihen­ schaltung eines Widerstandes 23 und eines Kondensators 24, deren Verbindungspunkt 25 mit dem Steuereingang 26 eines steuerbaren Schalters 27 in Verbindung steht. Das zweite Zeitglied in der Entladeschaltung 22 weist eine größere Zeitkonstante wie das bereits zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beschriebene erste Zeitglied aus Widerstand 16 und Kondensator 17 auf.

Wenn der Leistungsschalter 2 nach einem Kurzschluß mittels der Schutzschaltung 15 abgeschaltet ist, liegt noch eine hohe Regelspannung am Eingang der Schutzschaltung 15 an, so daß sich auch der Kondensator 24 der Entladeschaltung 22 auflädt. Hat die Spannung am Kondensator 24 eine bestimmte, vorgegebene Höhe erreicht, zündet der steuerbare Schalter 27 und der Kondensator 17 wird entladen. Dadurch tritt am Ausgang des Schwellwertschalters 18 keine Spannung mehr auf und die integrierte Steuerschaltung 10 schaltet den Leistungsschalter 2 ab. Ist der Kurzschluß inzwischen beseitigt, so nimmt das Schaltnetzgerät seinen normalen Betrieb auf. Anderenfalls baut sich wieder eine ausreichende Spannung am Kondensator 17 auf, die bewirkt, daß der Schwellwertschalter 18 den Schutzeingang 12 zur dynamischen Strombegrenzung mit einer Spannung beaufschlägt, die zum erneuten Abschalten des Leistungsschalters 2 führt.

Claims (5)

1. Schaltnetzgerät, bei dem die gleichgerichtete Netzspannung über einen taktweise betreibbaren, steuerbaren Leistungsschalter auf einen Transformator gegeben wird, bei dem der Steuereingang des Leistungsschalters mit einem ersten Ausgang einer als Impulsbreitenmodulator wirkenden Steuerschaltung mit Schutzfunktionen in Verbindung steht, die unter Anschlußeingängen wenigstens einen Schutzeingang aufweist, wobei bei Anliegen einer Spannung bestimmter Größe an diesem Schutzeingang die Steuerschaltung den Leistungs­ schalter über den ersten Ausgang bleibend abschaltet und bei dem aus einer auf der Ausgangsseite des Transformators abgegriffenen Spannung eine Regelspannung für die Steuer­ schaltung gewonnen wird, die auf einen Regeleingang der Steuerschaltung geführt ist und von deren Größe die takt­ weise Einschaltdauer des Leistungsschalter abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzschaltung (15) eingangsseitig an einer auf der Ausgangsseite des Transformators (3) anstehenden Spannung angeschlossen ist und ausgangsseitig mit einem der Schutzeingänge (11, 12) der Steuerschaltung (10) in Verbindung steht und daß die Schutzschaltung (15) die Spannung bestimmter Größe auf diesen Schutzeingang (11, 12) schaltet, wenn der Wert der anstehenden Spannung für eine bestimmte Zeit einen Schwellwert erreicht.

2. Schaltnetzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung (15) eingangsseitig mit dem Regeleingang (13) der Steuerschaltung (10) verbunden ist und die Spannung bestimmter Größe auf den Schutzeingang (11, 12) schaltet, wenn der Wert der Regel­ spannung für eine bestimmte Zeit einen vorgegebenben Wert überschreitet.

3. Schaltnetzgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung (15) aus einem Zeitglied und einem diesem nachgeordneten Schwellwertschalter (18) besteht.

4. Schaltnetzgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied der Schutzschaltung (15) aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes (16) und eines Kondensators (17) besteht, wobei der Regeleingang (13) der Steuerschaltung (10) mit dem einen Ende dieses Zeitgliedes verbunden ist und der Verbindungs­ punkt zwischen Widerstand (16) und Kondensator (17) an den Eingang des Schwellwertschalters (18) angeschlossen ist und daß der Ausgang des Schwellwertschalters (18) über eine den Ausgang der Schutzschaltung (10) bildende Diode (20) mit einem der Schutzeingänge (11, 12) der Steuerschaltung (10) verbunden ist.

5. Schaltnetzgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Verbindungspunkt der Reihenschaltung von Widerstand (16) und Kondensator (17) eine ein zweites Zeitglied enthaltende Entladeschaltung (22) für den Kondensator (16) angeschlossen ist, welche den Kondensator (16) nach einer bestimmten Zeitspanne, nachdem die Ausgangsseite des Schaltnetzgerätes abgeschaltet ist, entlädt.