Schaltnetzteils

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil zum Umwandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung, das zumindest eine von einer

Pulsweitenmodulationsschaltung getaktet angesteuerten Schaltstufe, wobei eine Regelschaltung vorgesehen ist, die auf die Pulsweitenmodulationsschaltung zur Änderung der Höhe der Ausgangsspannung einwirkt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Regeln einer Ausgangsspannung eines

Schaltnetzteils.

Bei einem Schaltnetzteil wird üblicherweise eine Eingangswechselspannung zunächst gleichgerichtet und dann mit einer Schaltstufe in eine Wechselspannung erheblich höherer Frequenz gewandelt. Diese eingangsseitige hochfrequente Wechselspannung wird, beispielsweise mittels eines Transformators, in eine ausgangsseitige hochfrequente Wechselspannung kleineren oder größeren Betrages transformiert und wieder gleichgerichtet. Um die so gewonnene

Ausgangsgleichspannung zu stabilisieren, weisen solche Schaltnetzteile einen Regelkreis auf, der die Ausgangsgleichspannung unabhängig von einer angeschlossenen Last auf einen möglichst konstanten Wert regelt. Dies ist über eine Veränderung der Frequenz und/oder der Pulsbreite bzw. des

Tastverhältnisses der getakteten Ansteuerung der Schaltstufe in einem

Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM) möglich. Dazu weist das Schaltnetzteil eine PWM-Schaltstufe auf, die von dem Regelkreis beeinflusst wird.

In Abhängigkeit vom Einsatzfall kann ein Schaltnetzteil anstelle der

eingangsseitigen Schaltstufe auch eine ausgangsseitig angeordnete Schaltstufe aufweisen, oder es ist sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig eine Schaltstufe zum Wandeln einer gleichgerichteten Wechselspannung in eine Wechselspannung höherer Frequenz vorgesehen. Um eine Last mit einer ausreichend großen Leistung zu versorgen, ist es bekannt, mehrere Netzteile parallel zu schalten, so dass der Last ein höherer

Ausgangsstrom zur Verfügung steht. Bei einer solchen Parallelschaltung ist es wichtig, dass die Netzteile gleichmäßig belastet werden. Dies ist ohne eine zusätzliche Regelung üblicherweise nicht der Fall, da selbst baugleiche Netzteile mit nominell gleicher Ausgangsspannung in ihrer tatsächlichen

Ausgangsspannungen zumindest geringfügig differieren, was unter Umständen stark voneinander abweichende Ausgangsströme der einzelnen Netzteile zur Folge hat.

Ohne eine zusätzliche Regelung übernimmt dann zumeist eines der Netzteile die volle Last bis zu seiner Strombegrenzung, während das andere oder die anderen Netzteile lediglich die verbleibende benötigte Last übernehmen. Das stark belastete Netzteil arbeitet dann dauerhaft an seiner Leistungsgrenze, wodurch seine Lebensdauer erheblich abnimmt.

Bekannt ist es daher, den Ausgangsstrom jedes der parallel geschalteten

Netzteile zu messen, und die Ausgangsspannung mit einer externen Regelung in Abhängigkeit vom fließenden Ausgangsstrom jeweils so zu regeln, dass die Netzteile denselben Stromanteil liefern. Die Netzteile werden bei dieser Lösung sehr gleichmäßig belastet. Wegen der erforderlichen externen Beschaltung ist diese Lösung jedoch aufwendig.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Schaltnetzteil zur Verfügung zu stellen, mit dem in Parallelschaltung mit einem anderen, insbesondere

baugleichen Schaltnetzteil eine gleichmäßige Strombelastung erzielt wird, ohne dass eine externe Beschaltung erforderlich ist.

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Schaltnetzteil und ein Verfahren zum Regeln einer Ausgangsspannung eines Schaltnetzteils mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Ein erfindungsgemäßes Schaltnetzteil der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass die Regelschaltung einen Temperatursensor aufweist, der zum Messen einer lastabhängigen Temperatur des Schaltnetzteils vorgesehen ist, wobei die Regelschaltung so eingerichtet ist, dass die Ausgangsspannung mit steigender Temperatur abgesenkt wird.

Bei einer dauerhaften großen Leistungsabgabe erwärmt sich das Schaltnetzteil bzw. erwärmen sich zumindest einzelne Komponenten (Bauelemente) des

Schaltnetzteils. Erfindungsgemäß erfasst der Temperatursensor diese

Erwärmung und wirkt derart auf die Regelschaltung ein, dass die

Ausgangsspannung mit steigender Temperatur absenkt wird. Arbeitet das Netzteil in einer Parallelschaltung mit weiteren Netzteilen, wird durch die

temperaturgesteuerte Absenkung der Ausgangsspannung das Netzteil in der Folge weniger stark belastet. Folglich sinkt nachfolgend, mit einer gewissen Zeitverzögerung, die in der thermischen Trägheit des Netzteils begründet liegt, die gemessene Temperatur wiederum. Die Ausgangsspannung steigt, und das Netzteil wird wieder stärker belastet. Bei geeigneter Steigung der

Temperaturabhängigkeit der Ausgangsspannung ergibt sich jedoch keine sich wiederholende Temperaturerhöhung und -absenkung, sondern es stellt sich eine weitestgehend konstante und über die parallelgeschalteten Netzteile

gleichmäßige Last- und damit Temperaturverteilung ein. Ohne dass eine externe Beschaltung notwendig ist, verteilt sich die Last in einem Parallelverbund mehrerer Netzteile so gleich auf die zusammengeschalteten Netzteile.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Schaltnetzteils wird die

Ausgangsspannung mit steigender Temperatur nur dann abgesenkt, wenn die Temperatur oberhalb einer vorgegebenen Schwellenwerttemperatur liegt. Die Regelschaltung kann dazu beispielsweise eine Auswerteschaltung für den

Temperatursensor umfassen, die einen Schwellwertschalter aufweist. Auf diese Weise wird eine Variation der Ausgangsspannung in einem Kleinleistungsbereich verhindert und auch eine ungewollte Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Umgebungstemperatur. Erst wenn ein Bauelement lastbedingt eine deutlich erhöhte Temperatur aufweist, was auf eine Lastungleichverteilung schließen lässt, setzt der temperaturabhängige Regelmechanismus ein. Bevorzugt wird eine Schwellenwerttemperatur zwischen 70 und 100 °C (Grad Celsius) gewählt und besonders bevorzugt zwischen 85 und 95 °C.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Schaltnetzteils wird die

Ausgangsspannung mit steigender Temperatur linear abgesenkt. Bevorzugt beträgt die Absenkung der Ausgangsspannung zwischen 0,005 und 0,025 V/K (Volt/Kelvin, entspricht V/°C) und besonders bevorzugt zwischen 0,015 und 0,02 V/K. Die Absenkung kann relativ einfach beispielsweise dadurch umgesetzt werden, dass die Regelschaltung eine Auswerteschaltung mit einem

gegengekoppelten Operationsverstärker für den Temperatursensor umfasst. Ein linearer Funktionszusammenhang zwischen der gemessenen Temperatur und der Ausgangsspannung lässt sich schaltungstechnisch leicht umsetzen und führt zu einem gutmütigen Regelverhalten in einer Parallelschaltung mehrerer Netzteile, bei dem ein Aufschwingen in eine Regelsituation, in der ständig ein anderes Netzteil übermäßig belastet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Regelschaltung eine

Spannungsregelung. Ebenfalls bevorzugt ist die Regelschaltung zusätzlich oder alternativ als eine Stromregelung ausgebildet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Schaltnetzteils ist der

Temperatursensor ein temperaturabhängiger Widerstand. Dieser kann als

Heißleiter oder als Kaltleiter ausgebildet sein. Prinzipiell sind aber auch als Schalttransistor oder als Halbleiter-Temperatursensoren ausgebildete

Temperatursensoren verwendbar.

Der Temperatursensor ist bevorzugt an einer Ausgangsseite des Schaltnetzteils angeordnet und befindet sich in einem thermischen Kontakt mit einem Bauteil des Schaltnetzteils. Beispielsweise kann der Temperatursensor mit einem

ausgangsseitigen Gleichrichter gekoppelt sein. Es ist aber auch eine Anordnung an einer Eingangsseite des Schaltnetzteils denkbar, sofern dort eine

lastabhängige Temperatur messbar ist. Das Schaltnetzteil ist bevorzugt als sogenanntes Weitbereichsnetzteil

ausgebildet. Die Höhe der Eingangsspannung liegt dabei bevorzugt im Bereich von 10 bis 300V, besonders bevorzugt im Bereich von 15 bis 265V.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zum Regeln einer

Ausgangsspannung eines Schaltnetzteils bei dem eine lastabhängige Temperatur einer Komponente des Schaltnetzteils gemessen wird und die

Ausgangsspannung abhängig von der gemessenen Temperatur eingestellt wird. Bevorzugt wird die Ausgangsspannung mit steigender Temperatur abgesenkt und insbesondere linear mit der Temperatur abgesenkt. Weiter bevorzugt wird die Ausgangsspannung mit steigender Temperatur abgesenkt, wenn die Temperatur größer ist als eine vorgegebene Schwellenwerttemperatur. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit dem Schaltnetzteil beschriebenen Vorteile.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe von Figuren näher beschrieben. Die Figuren zeigen:

Figur 1 ein schematisches Schaltbild eines Schaltnetzteils;

Figur 2 eine detaillierteres Schaltbild eines Teils des Schaltnetzteils; und

Figur 3 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit einer

Ausgangsspannung einer Auswerteschaltung von einer innerhalb des Schaltnetzteils gemessenen Temperatur; und

Figur 4 eine detaillierteres Schaltbild einer Auswerteschaltung des

Schaltnetzteils.

In Figur 1 ist ein Schaltnetzteil 1 in einem Blockschaltbild dargestellt. Das

Schaltnetzteil 1 der Figur 1 ist zum Wandeln einer Eingangsspannung UE, hier einer Eingangswechselspannung, in eine Ausgangsspannung UA (hier eine Ausgangsgleichspannung) vorgesehen. Die Eingangsspannung U _E , typischerweise eine Netzspannung, wird durch einen Gleichrichter 2 in eine pulsierende Gleichspannung Ui gewandelt, die mittels einer Glättungsbaugruppe 3 geglättet und/oder gesiebt wird. Dafür weist die Glättungsbaugruppe 3 einen ersten Glättungskondensator Ci auf.

Mit der Gleichspannung Ui wird über eine Schaltstufe 4 mit einem Schaltorgan 41 eine Primärwicklung I eines Transformators 5 getaktet beaufschlagt. Mit der Schaltstufe 4 wird die Gleichspannung Ui so in eine höherfrequente

Wechselspannung U ₂ gewandelt, die eine Frequenz aufweist, die deutlich größer ist, als die Frequenz der Eingangswechselspannung U _E .

Die Wechselspannung U ₃ wird mit dem Transformator 5 in eine sekundärseitige höherfrequente Wechselspannung U ₃ kleineren (oder in bestimmten

Anwendungsfällen auch größeren) Betrages gewandelt. Anschließend wird die sekundärseitige höherfrequente Wechselspannung U ₃ nochmals in einem sekundärseitigen Gleichrichter 6 in eine sekundärseitige Gleichspannung gleichgerichtet und in einer sekundärseitigen Glättungsbaugruppe 7 geglättet und/oder gesiebt. Dafür weist die sekundärseitige Glättungsbaugruppe 7 hier beispielhaft einen weiteren Glättungskondensator C ₂ auf. Prinzipiell sind aber auch komplexere Schaltungen aus mehreren insbesondere diskreten Bauteilen (nicht gezeigt) für die sekundärseitige Glättungsbaugruppe 7 bevorzugt.

Die Ausgangsspannung der sekundärseitigen Glättungsbaugruppe 7 ist die hier positive Ausgangsspannung U _A des Netzteils 1 gegenüber einem Bezugspotential GND.

Damit die Ausgangsspannung UA auch bei sich ändernder Last 10 stabil ist, ist eine Regelschaltung 8 vorgesehen, der die Ausgangsspannung UA mit einer Referenzspannung vergleicht und abhängig von dem Vergleich auf eine

Pulsweitenmodulations- (PWM) Schaltung 9 einwirkt. Die PWM-Schaltung 9 steuert die Schaltstuft 4 an und verändert entsprechend der Vorgaben der

Regelschaltung 8 die Taktparameter, insbesondere ein Taktverhältnis, ggf. aber auch eine Taktfrequenz, der Schaltstufe 4, wodurch die Ausgangsspannung U _A beeinflusst wird. Es wird so ein Regelkreis gebildet, durch den die Ausgangsspannung U _A auf einem gewünschten, vorgegebenen Wert gehalten wird. Neben dieser Spannungsregelung kann zusätzlich eine hier nicht gezeigte Stromregelung vorgesehen sein, durch die der an die Last 1 0 abgegebene Strom begrenzt werden kann.

Ein solches Schaltnetzteil 1 weist häufig zudem ein Filter (nicht gezeigt) auf, mit dem die Eingangswechselspannung U E vor dem Gleichrichten gefiltert wird, um Oberwellen, Überspannungen und/oder Netzstörungen auszufiltern.

Sekundärseitig kann der Transformator 5 zudem mehrere Sekundärwicklungen (nicht gezeigt) aufweisen, mit denen sekundärseitige Wechselspannungen verschiedener Höhe erzeugbar sind. Bei dieser Ausbildung des Schaltnetzteils 1 sind dann mehrere Gleichrichter 6 und Glättungsbaugruppen 7 jeweils für die verschiedenen sekundärseitigen Wechselspannungen vorgesehen.

Erfindungsgemäß ist die Regelschaltung 8 dazu eingerichtet, eine Temperatur eines sich mit wachsender Belastung des Schaltnetzteil 1 erwärmenden Bauteils zu messen und die Ausgangsspannung U _A auch abhängig von dieser Temperatur zu regeln. Dieses wird im Zusammenhang mit den Figuren 2 bis 4 nachfolgend näher erläutert.

Figur 2 zeigt die Regelschaltung 8 des Schaltnetzteils 1 detaillierter. Die

Ausgangsspannung UA wird über einen aus zwei Widerständen Ri und R ₂ gebildeten Spannungsteiler auf den invertierenden Eingang eines

Operationsverstärkers 82 geführt. Der nicht invertierende Eingang des

Operationsverstärkers 82 ist mit einer von einer Referenzspannungsquelle 83 bereitgestellten Referenzspannung L beaufschlagt. Der Operationsverstärker 82 ist als gegengekoppelter Verstärker beschaltet, indem ein

Gegenkopplungszweig mit einem Gegenkopplungswiderstand R ₀ gebildet ist. Zur Unterdrückung von Schwingungsneigungen ist dem Gegenkopplungswiderstand R ₀ ein Kondensator C ₀ parallel geschaltet. Der Ausgang des

Operationsverstärkers 82 ist über einen Optokoppler 84, der der galvanischen Trennung dient, indirekt auf den Eingang der PWM-Schaltung 9 geführt. Diese soeben beschriebenen Bauelemente der Regelschaltung 8 dienen der Einstellung einer zunächst konstanten Ausgangsspannung U _A des Schaltnetzteils 1 .

Weiter ist ein Temperatursensor S vorgesehen, der mit einem Bauelement des Schaltnetzteils 1 thermisch gekoppelt ist, das sich beim Betrieb und bei Belastung des Schaltnetzteils 1 erwärmt. Dieses Bauteil kann eines der im Laststromkreis angeordneten Bauteile oder Baugruppen sein, beispielsweise der sekundärseitige Gleichrichter 6 oder aber auch der primärseitige Gleichrichter 2 oder das

Schaltorgan 41 der Schaltstufe 4. Der Temperatursensor S ist im dargestellten Beispiel der Figur 2 ein temperaturabhängiger Widerstand R _# , beispielsweise ein Heißleiter oder ein Kaltleiter. Prinzipiell sind auch auf einem anderen Prinzip beruhende Temperatursensoren geeignet, beispielsweise Halbleiter- Temperatursensoren.

Der Temperatursensor S ist mit einer Auswerteschaltung 81 verbunden, die abhängig von einer gemessenen Temperatur T an einem Ausgang eine

Spannung U _# bereitstellt. Der Ausgang der Auswerteschaltung 81 ist über einen Widerstand R ₃ ebenfalls mit dem invertierenden Eingang des

Operationsverstärkers 82 verbunden.

In der Figur 3 ist die Abhängigkeit der Spannung U _# von der gemessenen

Temperatur T in einer Kurve 20 dargestellt. Bei einer Temperatur T, die zwischen einer Umgebungstemperatur T ₀ und einer Schwellenwerttemperatur T _s liegt, beträgt die Spannung U _# null. In diesem Temperaturbereich, der einer

Normaltemperatur oder einer nur leicht erhöhten Temperatur des Bauteils, mit dem der Temperatursensor S gekoppelt ist, entspricht, wird die

Ausgangsspannung UA des Schaltnetzteils 1 somit über einen Spannungsteiler auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 82 geführt, der sich aus dem Widerstand R ₂ und einer Parallelschaltung der Widerstände Ri und R ₃ zusammensetzt. Zusammen mit der Höhe der Referenzspannung U _ref bestimmen die Widerstandswerte Ri bis R ₃ die nominelle Höhe der Ausgangsspannung UA. Übersteigt die Temperatur T die Schwellenwerttemperatur Ts, steigt die

Spannung U _# in diesem Ausführungsbeispiel linear mit weiter steigender

Temperatur T an. Bei unveränderter Ausgangsspannung UA des Schaltnetzteils 1 führt diese Temperaturerhöhung T zu einer Erhöhung des Potentials am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 82. Der Regelkreis reagiert auf dieses erhöhte Potential mit einer Absenkung der Ausgangsspannung UA, wobei die Ausgangsspannung UA umso weiter abgesenkt wird, je größer die Spannung U _# wird.

In einem Parallelverbund mehrerer derartiger Schaltnetzteile 1 , bei dem die Schaltnetzteile 1 an ihren Ausgängen parallel geschaltet sind, kann eine

Betriebssituation auftreten, in der eines der Schaltnetzteile 1 stärker belastet ist als das oder die anderen. Ist diese Lastungleichverteilung ausgeprägt, wird bei dem stärker belasteten Netzteil 1 eine Temperaturerhöhung der vom

Temperatursensor S gemessenen Temperatur T über die

Schwellenwerttemperatur T _s auftreten, die zu einer Absenkung der

Ausgangsspannung UA führt. Durch die Absenkung der Ausgansspannung UA verringert sich die Last dieses Schaltnetzteils 1 , wodurch sich langsam seine Temperatur T wieder absenkt und die Ausgangsspannung wiederum leicht erhöht wird. Im Zusammenspiel von mindestens zweien oder mehrerer parallel geschalteter Schaltnetzteile 1 stellt sich eine Gleichverteilung der Belastung der Schaltnetzteile 1 ein. Die Temperaturträgheit, mit der sich die Temperatur von Bauteilen des Schaltnetzteils 1 ändert, bedingt eine große Zeitkonstante von einigen Minuten dieses temperaturabhängigen Teils des Regelkreises, die

Schwingungsneigungen entgegenwirkt.

Figur 4 zeigt einen geeigneten Aufbau der Auswerteschaltung 81 detaillierter. Die Auswerteschaltung 81 umfasst einen Operationsverstärker 81 1 , der mit einer unsymmetrischen Versorgungsspannung (Bezugspotential GND sowie eine positive Versorgungsspannung V ₊ ) versorgt wird. Entsprechend kann der

Ausgang dieses Operationsverstärkers 81 1 gegenüber dem Bezugspotential GND keine negativen Spannungen annehmen. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 81 1 ist über den als Temperatursensor S verwendeten temperaturabhängigen Widerstand R# mit der positiven Referenzspannung U _re f und über einen Widerstand R mit dem Bezugspotential GND verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 81 1 ist über einen Widerstand R ₆ mit Referenzpotential verbunden und über einen Widerstand R ₆ mit seinem Ausgang. Der temperaturabhängige Widerstand R# ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Heißleiter, dessen Widerstandswert sich mit steigender Temperatur T verringert. Entsprechend steigt am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 81 1 das Potential, wenn sich die Temperatur T erhöht. Bei der Schwellenwerttemperatur T _s übersteigt das Potential am nicht

invertierenden Eingang das Potential am invertierenden Eingang, das durch den Spannungsteiler aus den Widerständen R ₅ und R ₆ gebildet wird. Durch die Gegenkopplung über den Widerstand R ₆ steigt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers proportional mit wachsender Temperatur T an.

Bedingt durch die asymmetrische Versorgungsspannung wirkt der

Operationsverstärker 81 1 in diesem Ausführungsbeispiel als ein

Schwellenwertschalter, der eine von null verschiedene Ausgangsspannung U _# nur dann bereitstellt, wenn die Temperatur T größer wird als die

Schwellenwerttemperatur T _s . Die Gegenkopplung bewirkt eine dann mit weiterer Temperatur T linear ansteigende Spannung U _# . In alternativen Ausgestaltungen kann eine andere als eine lineare Temperaturabhängigkeit der Spannung U _# von der Temperatur T vorgesehen sein.

Bezugszeichenliste

1 Schaltnetzteil

2 Gleichrichter

3 Glättungsbaugruppe

4 Schaltstufe

5 Transformator

6 ausgangsseitiger Gleichrichter

7 ausgangsseitige Glättungsbaugruppe

8 Regelkreis

81 Auswerteschaltung

81 1 Operationsverstärker

82 Operationsverstärker

83 Referenzspannungsquelle

84 Optokoppler

9 PWM-Schaltung

S Temperatursensor

Co Kondensator

Ci , C2 Glättungskondensator

R ₀ bis R ₆ Widerstand

temperaturabhängiger Widerstand

U _E Eingangsspannung des Netzteils

U _A Ausgangsspannung des Netzteils

U1 Gleichspannung

u ₂ Primärspannung

u ₃ Sekundärspannung

Uref Referenzspannung

u ₊ positive Versorgungsspannung

GND Bezugspotential

Ausgangsspannung der Auswerteschaltung Temperatur

Schwellenwerttemperatur

Primärseite des Transformators / des Netzteils Sekundärseite des Transformators / des Netzteils