DE202013009404U1 - Converter of an AC voltage to a DC voltage - Google Patents

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Abstract

Umsetzer einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, der einen an das einphasige Wechselstromnetz angeschlossenen Gleichrichter (1), eine Steuereinheit (2) sowie eine aus N Kondensatoren (C1, CN) bestehende (wobei N mehr oder gleich 2 ist) konsequente Kette (3), die an den Ausgang des Gleichrichters (1) angeschlossen ist, sowie Sammel- und Stromverteilungsknoten für eine Belastung (6) aufweist, die mit der angegebenen konsequenten Kette (3) aus N Kondensatoren so verbunden sind, dass die angegebenen Kondensatoren vom Gleichrichter (1) in konsequenter Weise geladen und in der Kette (3) der Belastung (6) in paralleler Weise entladen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck einer Vereinfachung der Konstruktion und einer Vergrößerung des Leistungskoeffizienten in den Umsetzer ein elektronischer Schlüssel (7) hinzugefügt ist, der von Signalen der Steuereinheit (7) in Betrieb setzbar ist und der einen Stromdurchfluss für die Belastung mit Stromsammelknoten bis zu einem Stromverteilungsknoten zu einem Zeitpunkt gewährleistet, bei dem die Amplitude der gleichgerichteten Spannung weniger als der Aufgabewert ist, und die Sammel- und Stromverteilungsknoten mit einer Belastung (6) in Form von Diodenkämmen (4, 5) ausgebildet sind, und dass dabei in die konsequente Kette (3) zusätzlich N Strombegrenzungsresistoren und N-1 oder N der Dioden aufgenommen sind.Converter of an AC voltage into a DC voltage comprising a rectifier (1) connected to the single-phase AC mains, a control unit (2) and a chain (3) consisting of N capacitors (C1, CN) (where N is more or equal to 2); which is connected to the output of the rectifier (1) and has a load (6) collection and current distribution node connected to the indicated consequent chain (3) of N capacitors such that the indicated capacitors are connected to the rectifier (1). are consistently loaded and discharged in the chain (3) of the load (6) in a parallel manner, characterized in that an electronic key (7) is added to the converter for the purpose of simplifying the construction and increasing the power coefficient of signals of the control unit (7) can be put into operation and the current flow for the load with current collecting node up to a Stromver Guaranteed dividing node at a time when the amplitude of the rectified voltage is less than the task value, and the collection and current distribution nodes with a load (6) in the form of diode combs (4, 5) are formed, and that in the consistent chain (3) additionally N current limiting resistors and N-1 or N of the diodes are included.

Description

Die Erfindung betrifft einen Umsetzer einer Wechselspannung in eine Gleichspannung nach dem Oberbegriff des Anspruchs.The invention relates to a converter of an AC voltage in a DC voltage according to the preamble of the claim.

Die Erfindung gehört zur elektronischen Technik einer DC/AC-Wandlung und kann eine breite Anwendung in vielfältigen Sekundärspannungsquellen finden. Das voraus-sichtliche Anwendungsgebiet sind LED-Beleuchtungsgeräte mit einer Netzversorgung. Möglich ist auch eine Nutzung der Erfindung in Hochleistungswandlern und in Wandlern mit einer pulsierenden Ausgangsspannung.The invention belongs to the electronic technique of DC / AC conversion and can find wide application in a variety of secondary voltage sources. The anticipated field of application is LED lighting devices with a mains supply. It is also possible to use the invention in high-power converters and in converters with a pulsating output voltage.

Der Stand der Technik einer Wandlung der normalfrequenten Wechselspannung ist mit der Bekanntheit einer technischen Lösung charakterisiert, die in der Gleichrichtung einer Netzspannung, in der Glättung mit einem filtrierenden Hochspannungskondensator und einer weiteren Umgestaltung mit Hilfe eines induktiven Reaktors besteht. Der vor einem Hochspannungsschlüsselelement auf eine Frequenz geschaltete Reaktor hat eine Frequenz, die viel größer ist als die Frequenz eines Versorgungsnetzes. Ein Beispiel einer solchen Lösung ist das Patent der USA 5 661 645 , 26.08.1997, Power supply for light emitting diode array, Hochstein. Zu den Merkmalen, die mit den Merkmalen der Erfindung übereinstimmen, gehören das Vorhandensein eines Gleich-richters für die Netzspannung sowie das Vorhandensein eines Hochspannungskraftschlüsselelements. Die Mängel solcher Einrichtungen folgen erstens aus den Eigenschaften eines Gleichrichters, der mit einem bemerkbaren Anteil einer reaktiven Komponente in voller Macht charakterisiert ist (d. h. einem niedrigen Wert des Leistungskoeffizienten), die aus dem Netz infolge einer Ladung von Abflachkondensatoren abgenommen wird. Zweitens können solche Einrichtungen nicht einfach und billig in der Konstruktion sein, da die Hochspannungskondensatoren einer großen Kapazität, mächtiger und schnellwirkender Hochspannungsschlüssel und induktiver Reaktoren mit qualitativen Kernen bedürfen und eine Isolierung vorhanden sein muss. Außerdem stellen solche Einrichtungen bei ihrer Massenanwendung eine bestimmte Bedrohung der Umwelt (Verschmutzung) mit einer elektromagnetischen Ausstrahlung dar, die mit der Arbeit eines Schlüsselhochspannungselements auf einer hohen Frequenz und mit dem Vorhandensein eines induktiven Reaktors verbunden ist.The state of the art conversion of the normal frequency AC voltage is characterized by the well-known technical solution that consists in the rectification of a mains voltage, in the smoothing with a high voltage filtering capacitor and a further transformation using an inductive reactor. The reactor connected to a frequency upstream of a high voltage key element has a frequency much greater than the frequency of a utility network. An example of such a solution is the patent of USA 5,661,645 , 26.08.1997, Power supply for light emitting diode array, Hochstein. Features that are consistent with the features of the invention include the presence of a line voltage rectifier and the presence of a high voltage force key element. The shortcomings of such devices are firstly due to the characteristics of a rectifier characterized by a noticeable proportion of a reactive component in full power (ie, a low value of the power coefficient) that is removed from the network due to a charge of flattening capacitors. Second, such devices can not be simple and inexpensive to construct because the high voltage capacitors require a large capacitance, powerful and fast acting high voltage key and inductive reactors with qualitative cores and isolation must be present. In addition, such devices in their mass application pose a particular environmental threat (pollution) with electromagnetic radiation associated with the operation of a key high voltage element at a high frequency and with the presence of an inductive reactor.

Der nächstkommende Stand der Technik ist im Patent der USA 6 577 072 B2 , 10.06.2003, Power supply and LED lamp device, Saito et al beschrieben. In dieser Lösung ist ein Umsetzer einer Wechselspannung in eine Gleichspannung beschrieben, der einen an das einphasige Wechselstromnetz angeschlossenen Gleichrichter, eine Steuereinheit sowie eine konsequente aus N Kondensatoren bestehende (wo N mehr oder gleich 2 ist) Kette aufweist. Die Kette ist an den Ausgang eines Gleichrichters angeschlossen und weist Sammel- und Stromverteilungsknoten für eine Belastung auf, die mit der angegebenen konsequenten Kette aus N Kondensatoren so verbunden sind, dass die angegebenen Kondensatoren vom Gleichrichter in konsequenter Weise geladen und in der Kette von einer Belastung in paralleler Weise entladen werden.The closest prior art is in the patent of USA 6 577 072 B2 , 10.06.2003, Power supply and LED lamp device, Saito et al. In this solution, a converter of an AC voltage is described in a DC voltage having a connected to the single-phase AC mains rectifier, a control unit and a consistent consisting of N capacitors (where N is more or equal to 2) chain. The chain is connected to the output of a rectifier and has load and current distribution nodes connected to the indicated consequent string of N capacitors so that the indicated capacitors are charged by the rectifier in a consistent manner and in the chain of one load be discharged in a parallel manner.

Mängel dieser Einrichtung sind ein niedriger Wert des Leistungskoeffizienten sowie eine Komplexität der Konstruktion. Die beschriebene Einrichtung weist eine Menge von schaltenden Hochspannungstransistoren auf, die die Rolle eines Schlüssels und von Sammel- und Stromverteilungsknoten für eine Belastung übernehmen.Shortcomings of this device are a low value of the coefficient of performance as well as a complexity of construction. The described device includes a set of switching high voltage transistors that perform the role of a key and of collection and power distribution nodes for loading.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Leistungskoeffizienten des Umsetzers zu vergrößern und die Konstruktion des Umsetzers zu vereinfachen.It is an object of the invention to increase the power coefficient of the converter and to simplify the construction of the converter.

Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The stated object is solved by the features of claim 1.

Die Erfindung geht von einem Umsetzer einer Wechselspannung in eine Gleichspannung aus, der einen an das einphasige Wechselstromnetz angeschlossenen Gleichrichter, eine Steuereinheit sowie eine konsequente aus N Kondensatoren bestehende (wo N mehr oder gleich 2 ist) Kette, die an den Ausgang des Gleichrichters angeschlossen ist sowie Sammel- und Stromverteilungsknoten für eine Belastung aufweist, die mit der angegebenen konsequenten Kette aus N Kondensatoren so verbunden sind, dass die angegebenen Kondensatoren vom Gleichrichter in konsequenter Weise geladen und in der Kette von einer Belastung in paralleler Weise entladen werden. Nach der Erfindung ist zusätzlich ein elektronischer Schlüssel eingeführt, der von den Signalen der Steuereinheit in Betrieb setzbar ist und der einen Stromdurchfluss für eine Belastung vom Stromsammelknoten bis zum Stromverteilungsknoten zu einem Zeitpunkt gewährleistet, bei dem die Amplitude der gleichgerichteten Spannung weniger als der Aufgabewert ist, und die Sammel- und Stromverteilungsknoten für eine Belastung in Form von Diodenkämmen ausgebildet sind und dass dabei in die konsequente Kette zusätzlich N Strombegrenzungsresistoren und N-1 oder N Dioden aufgenommen sind.The invention is based on a converter of an AC voltage in a DC voltage, a connected to the single-phase AC mains rectifier, a control unit and a consistent consisting of N capacitors (where N is more or equal to 2) chain, which is connected to the output of the rectifier and load sharing and distribution nodes connected to the indicated consequent chain of N capacitors so that the indicated capacitors are consistently charged by the rectifier and discharged in the chain from a load in a parallel manner. In addition, according to the invention, an electronic key is provided which is operable by the signals of the control unit and which ensures a current flow for a load from the current collecting node to the power distribution node at a time when the amplitude of the rectified voltage is less than the input value, and the collection and power distribution nodes are designed for a load in the form of diode combs, and that in the consequent chain additionally N current limiting resistors and N-1 or N diodes are accommodated.

Man muss bemerken, dass der technische Effekt, der in einer Vergrößerung des Leistungskoeffizienten besteht, unerwartet für eine Realisierung von eigentümlichen Merkmalen der Erfindung ist. Bei der erfinderischen Aufgabenlösung waren die angegebenen Merkmale in erster Linie auf eine Realisierung eines einfachen Schaltbildes der konsequenten Kette von Kondensatoren eines Ladungstransfers (charge pump) gerichtet. Jedoch ergab es sich, dass die Gesamtheit dieser Merkmale auch eine Vergrößerung des Leistungskoeffizienten gewährleistet.It should be noted that the technical effect, which consists in increasing the coefficient of performance, is unexpected for realization of peculiar features of the invention. In the inventive task solution, the specified features were directed primarily to a realization of a simple circuit diagram of the consistent chain of capacitors of a charge transfer (charge pump). However, it turned out that the All of these features also ensures an increase in the coefficient of performance.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. Show it:

1 ein elektrisches Grundschaltbild des Umsetzers, 1 an electrical schematic diagram of the converter,

2 die Spannungs- und Stromkurven des Gleichrichters, die die Arbeit der Einrichtung im Normalregime (a) und bei der Kompensation einer Blindleistung (b) illustrieren, 2 the voltage and current curves of the rectifier illustrating the operation of the device in normal regime (a) and in the compensation of reactive power (b),

3 Varianten von Diodenkämmen der Sammel- und Stromverteilungsknoten einer Belastung – konsequente Kämme (a), parallele Kämme (b), kombinierte Kämme (c), 3 Variants of diode combs of the collection and current distribution nodes of a load - consistent combs (a), parallel combs (b), combined combs (c),

4 konstruktive Varianten einer Realisierung des Gleichrichters-Einweggleichrichter (a), Brücken-Zweiweggleichrichter (b), mit der Strombegrenzung (c), mit Schutzelementen an dem Eingang (d), 4 constructive variants of a realization of the rectifier half-wave rectifier (a), bridge full wave rectifier (b), with the current limiting (c), with protective elements at the input (d),

5 schaltungstechnische Lösungen zur praktischen Realisierung des elektronischen Schlüssels und der Anschlussarten einer Belastung – mit dem Anschluss einer Belastung an die Kette einer Stromverteilung (a), mit dem Anschluss einer Belastung an die Kette einer Stromsammlung (b), mit dem Schlüssel auf einem Feld-MIH–Transistor (Metall-Isolator-Halbleiter) (c), auf einem Thyristor (d), auf einem optischen Thyristor (e) und 5 Circuit solutions for the practical realization of the electronic key and the connection types of a load - with the connection of a load to the chain of a power distribution (a), with the connection of a load to the chain of a power collection (b), with the key on a field MIH Transistor (metal-insulator-semiconductor) (c), on a thyristor (d), on an optical thyristor (e) and

6 ein elektrisches Grundschaltbild, das eine der Elementarvarianten einer Realisierung der Erfindung illustriert. 6 a basic electrical diagram illustrating one of the elementary variants of an implementation of the invention.

Die Einrichtung (1) funktioniert auf folgende Weise. Der Gleichrichter 1 konvertiert die Wechselspannung eines Speisenetzes, zum Beispiel einer sinusförmigen Form mit der Frequenz 50 Gz, in Halbwellen mit einer Polarität. Auf dem Gebiet der Steigerung einer Halbwelle der gleichgerichteten Spannung geschieht eine Ladung der Kondensatoren der konsequenten Kette 3 ungefähr bis zu einer Spannung U1 = √ 2 ·U0/N, wobei U0 der effektive Wert der Netzspannung und N die Zahl der Kondensatoren ist. Die übrigen Elemente befinden sich im ausgeschalteten passiven Zustand: der elektronische Schlüssel 7, dank der Abwesenheit eines öffnenden Steuersignals von der Steuereinheit 2, und die Diodenkämme 4 und 5, dank der Einwirkung der verschließenden gleichgerichteten Spannung der dafür rückgängigen Polarität. Auf dem sinkenden Gebiet einer Halbwelle bleibt alles ohne Veränderungen bis zu einer bestimmten Schwelle. Im Betrieb ohne Kompensation der Blindleistung ist diese Schwelle niedriger als ein mittlerer Spannungswert der Belastung 6 gewählt, und im Betrieb mit der Kompensation ist dieser Spannungswert höher als der Durchschnittswert. Nach dem Abfall einer Größe der gleichgerichteten Spannung bis zum Wert der aufgegebenen Schwelle bildet die Steuereinheit 2 ein Aufschlusssignal für den elektronischen Schlüssel 7. Ab diesem Zeitpunkt fängt der Strom an, in die Belastung 6 (die zum Beispiel ein Resistor R und ein Abflachkondensator sein können) von N der parallel eingeschalteten Kondensatoren C1–CN der konsequenten Kette 3 eingepumpt zu werden, plus der Strom, der von der Restspannung auf dem Ausgang des Gleichrichters 1 zum jetzigen Zeitpunkt bedingt ist. Der letzte Strom hängt von einem Strombegrenzungselement des Gleichrichters oder von seinem inneren Wider-stand ab. Die Bestimmung der Dioden VD1–VDN, eine konsequente Kette der Kondensatoren zum Zeitpunkt ihrer Entladung auszukuppeln, lässt zu, sie in der parallelen Weise umzustecken. Der Summenstrom des Gleichrichters ist auf den Schaubildern der 2 für den Betrieb mit der Kompensation und ohne Kompensation gezeigt. Die Strombegrenzungsresistoren R1–RN erfüllen nicht die Funktion eines Ballastes für die Belastung im gewöhnlichen Sinne dieses Terminus in der Elektrotechnik. Diese Resistoren mit einem verhältnismäßig kleinen Widerstand beschränken nur auf einem annehmbaren Niveau die Schaltströme, und darin besteht ihre Hauptbestimmung. Die angegebenen Ströme entstehen in den Kondensatoren C1-CN bei der Nutzung zusammen mit der Belastung eines Abflachkondensators einer größeren Kapazität sowie bei den Schaltstörungen seitens des Netzes (Kontaktprellen bei der Einschaltung). Das Strombegrenzungselement des Gleichrichters verringert diese Ströme zusätzlich und dient als prophylaktisches Mittel gegen eine spontane Einschaltung des elektronischen Schlüssels wegen des Effekts dU/dt infolge derselben Schaltstörungen des Netzes, aber auch dann, wenn kein Ballast für die Belastung vorhanden ist.The device ( 1 ) works the following way. The rectifier 1 converts the AC voltage of a feed network, for example a sinusoidal waveform with the frequency 50 Gz, in halfwaves with one polarity. In the field of increase of a half-wave of the rectified voltage happens a charge of condensers of the consequent chain 3 approximately up to a voltage U 1 = √ 2 U 0 / N, where U 0 is the effective value of the mains voltage and N is the number of capacitors. The remaining elements are in the off state passive: the electronic key 7 thanks to the absence of an opening control signal from the control unit 2 , and the diode combs 4 and 5 , thanks to the effect of the closing rectified voltage of the reverse polarity. In the sinking area of a half-wave everything remains without changes up to a certain threshold. In operation without compensation of the reactive power, this threshold is lower than a mean voltage value of the load 6 is selected, and when operating with the compensation, this voltage value is higher than the average value. After the decrease of a magnitude of the rectified voltage to the value of the set threshold, the control unit forms 2 a digest signal for the electronic key 7 , From this point on, the current starts to load 6 (which may be, for example, a resistor R and a flattening capacitor) of N of the consequent chain capacitors C1-CN connected in parallel 3 to be pumped, plus the current that is due to the residual voltage on the output of the rectifier 1 at the present time. The last current depends on a current limiting element of the rectifier or on its internal resistance. The determination of diodes VD1-VDN to disengage a consistent chain of capacitors at the time of their discharge allows them to be reconnected in the parallel fashion. The total current of the rectifier is on the graphs of 2 shown for operation with compensation and without compensation. The current limiting resistors R1-RN do not perform the function of ballast for the load in the ordinary sense of this term in electrical engineering. These resistors with a relatively small resistance limit the switching currents only to an acceptable level, and therein is their main purpose. The specified currents occur in the capacitors C1-CN when used together with the load of a Abflachkondensators a larger capacity and the switching disturbances on the part of the network (contact bounce when switching on). The current limiting element of the rectifier additionally reduces these currents and serves as a prophylactic means against a spontaneous activation of the electronic key because of the effect dU / dt due to the same switching disturbances of the network, but also when there is no ballast for the load.

Die Funktion eines Ballastes, der den Strom für eine Belastung beschränkt, erfüllen die Kondensatoren C1–CN selbst, die mit der Netzfrequenz bei der Einweggleichrichtung (oder mit der verdoppelten Netzfrequenz bei der Zweiweggleichrichtung) mit Hilfe des elektronischen Schlüssels 7 eine elektrische Ladung in die Belastung 6 verlegen. Die Entladung der angegebenen Kondensatoren geschieht schnell genug. Sie wird auf ihrem erlöschenden Gebiet vom elektronischen Schlüssel 7 unterbrochen, der von der Steuereinheit 2 zum Überschreitungsmoment von einem Spannungswert der nächsten Halbwelle der Abgabespannung des Gleichrichters 1 der aufgegebenen Schwelle für den Fall der Zweiweggleichrichtung ausgeschaltet wird oder zu jedem anderen Moment der nächsten inaktiven Halbwelle für einen Fall der Einweggleichrichtung. Weiter wird die Arbeit des Umsetzers zyklisch wiederholt.The function of a ballast that restricts the current for a load is fulfilled by the capacitors C1-CN themselves, which correspond to the line frequency at the half-wave rectification (or the doubled line frequency at the full-wave rectification) by means of the electronic key 7 an electrical charge in the load 6 embarrassed. The discharge of the specified capacitors happens fast enough. It becomes electronic key in its extinguishing area 7 interrupted by the control unit 2 to the excess torque of a voltage value of the next half wave of the output voltage of the rectifier 1 the posted threshold is turned off in the case of the full-wave rectification or at any other moment of the next inactive half-wave for a case of the half-wave rectification. Furthermore, the work of the converter is cyclically repeated.

Für die Illustration einer praktischen Verwirklichung der Erfindung sind in der 3 Varianten einer Realisierung der Diodenkämme 4, 5 der Sammel- und Stromverteilungsknoten einer Belastung 6 dargestellt. In der 3(a) sind konsequente Kämme dargestellt. In einer solchen Einschaltung werden an alle Dioden der Kämme identische und minimale Anforderungen bezüglich der Größe der zulässigen Rückspannung

Figure DE202013009404U1_0002
gestellt, wobei U0 der Effektivwert einer Netzspannung und N die Zahl der Kondensatoren ist, obwohl in einem solchen Schema die Spannungsverluste an den Dioden maximal sind, da die Entladung jedes Kondensators durch die Kette mindestens aus N-1 der konsequent eingeschalteten Dioden verwirklicht ist. Ein solches Schema ist für Einrichtungen mit einer Kleinleistung und in einer Integralerfüllung bevorzugt. In der 3(b) sind parallele Kämme dargestellt. In diesem Fall werden an einige Dioden der Kämme maximale Anforderungen bezüglich der Größe der zulässigen Rückspannung
Figure DE202013009404U1_0003
gestellt, wobei U0 der Effektivwert einer Netzspannung ist. In einem solchen Schema sind die Spannungsverluste an den Dioden minimal, da die Entladung jedes Kondensators durch die Kette aus nicht mehr als zwei konsequent eingeschalteten Dioden verwirklicht ist. Ein solches Schema ist für hochleistungsfähige Einrichtungen bevorzugt. In der 3(c) ist eine Variante mit kombinierten Kämmen dargestellt. Solche Kämme können aus spezifischen technologischen Gründen verwendet werden. Die Dioden 4 und 5 der Kämme der Sammel- und Stromverteilungsknoten einer Belastung 6 können als Stabilisatoren für eine Erhöhung der Zuverlässigkeit des Umsetzers verwendet sein. In diesem Fall werden der Abhang oder die wesentliche Verkleinerung der Kapazität eines der Kondensatoren C1–CN der konsequenten Kette 3 nicht zur katastrophalen Absage des Umsetzers führen. For the illustration of a practical realization of the invention are in the 3 Variants of a realization of the diode combs 4 . 5 the collection and power distribution node of a load 6 shown. In the 3 (a) are consistent combs shown. In such an intervention are identical and minimal requirements with respect to the size of the permissible reverse voltage to all diodes of the combs
Figure DE202013009404U1_0002
where U 0 is the RMS value of a mains voltage and N is the number of capacitors, although in such a scheme the voltage losses across the diodes are maximal, since the discharge of each capacitor by the chain is realized at least from N-1 of the consistently on diodes. Such a scheme is preferred for devices with a low power and in an integral fill. In the 3 (b) parallel crests are shown. In this case, some diameters of the combs are subject to maximum requirements with regard to the size of the permissible reverse voltage
Figure DE202013009404U1_0003
where U 0 is the rms value of a mains voltage. In such a scheme, the voltage losses across the diodes are minimal because the discharge of each capacitor through the chain is accomplished from no more than two consistently on diodes. Such a scheme is preferred for high performance devices. In the 3 (c) is a variant with combined combs shown. Such combs can be used for specific technological reasons. The diodes 4 and 5 the combs of the collection and power distribution nodes of a load 6 may be used as stabilizers for increasing the reliability of the converter. In this case, the slope or the substantial reduction of the capacity of one of the capacitors C1-CN become the consequent chain 3 not lead to catastrophic rejection of the converter.

In 4 sind verschiedene Aspekte einer praktischen Realisierung des Gleichrichters 1 dargestellt. In 4(a) ist ein Einweggleichrichter dargestellt, der aus einer Diode besteht. In 4(b) ist ein Brücken-Zweiweggleichrichter dargestellt, der aus vier Dioden besteht. In 4(c) ist ein Einweggleichrichter mit einer Strombegrenzung dargestellt. Als Begrenzer kann ein auf dem Schema dargestellter Resistor R oder jede andere bekannte Lösung mit ähnlicher Bestimmung verwendet werden. In 4(d) ist ein Einweggleichrichter mit Schutzelementen an dem Eingang mit einer Schmelz-sicherung F und einem Varistor RU dargestellt. Alle aufgezählten Lösungen können in verschiedenen Kombinationen sowie in Kombinationen mit anderen bekannten Lösungen aus dem Gebiet der einphasigen Gleichrichter verwendet werden. Der Gleichrichter kann zusätzlich mit einer Phasenabtrennung gesteuert sein, das heißt, die Steuersignale der Steuereinheit 2 lassen einen bestimmten Teil der gleichgerichteten Halbwellen der Spannung durch. Eine solche Lösung verbessert auch den Leistungskoeffizienten.In 4 are different aspects of a practical realization of the rectifier 1 shown. In 4 (a) is a half-wave rectifier shown, which consists of a diode. In 4 (b) a bridge full wave rectifier is shown, which consists of four diodes. In 4 (c) is a half-wave rectifier with a current limit shown. As a delimiter, a resistor R shown in the diagram or any other known solution with a similar determination can be used. In 4 (d) is a half-wave rectifier with protective elements at the input with a fuse F and a varistor RU shown. All of the enumerated solutions can be used in various combinations as well as in combinations with other known solutions in the field of single-phase rectifiers. The rectifier may additionally be controlled with a phase separation, that is, the control signals of the control unit 2 let through a certain part of the rectified half-waves of the voltage. Such a solution also improves the coefficient of performance.

In 5 sind schaltungstechnische Lösungen zur praktischen Realisierung des elektronischen Schlüssels 7 und der Anschlussarten für eine Belastung 6 dargestellt. In 5(a) ist ein Anschluss der Belastung 6 an den Stromverteilungsknoten 5 dargestellt und des einpoligen elektronischen Schlüssels 7 an den Stromsammelknoten 4 der Belastung 6. Eine solche Lösung ist nur bei einer Einweggleichrichtung möglich, und in diesem Fall soll es in der konsequenten Kette 3 N der Dioden geben. Die Diode VDN ist in einer besonderen Bezeichnung innerhalb der konsequenten Kette 3 dargestellt. In 5(b) ist ein Anschluss der Belastung 6 durch den einpoligen elektronischen Schlüssel 7 an den Stromsammelknoten 4 und des Stromverteilungsknotens 5 der Belastung an die Sammelschiene dargestellt. Eine solche Lösung ist sowohl bei der Einweg- als auch bei der Zweiweggleichrichtung möglich. Als elektronischer Schlüssel 7 ist die Nutzung von vielfältigen elektronischen Komponenten möglich. Zum Beispiel ist in 5(c) für die Nutzung als einpoliger elektronischer Schlüssel 7 ein Kraft-Hochspannungs-MIH-Transistor dargestellt. In 5(d) ist die Nutzung eines Thyristors als der einpolige elektronische Schlüssel 7 dargestellt. Eine solche Lösung ist für mächtige und/oder Hochspannungsanwendungen zweckmäßig. Möglich sind die Anschlussarten der Belastung 6 und ohne ihre Anpassung und des elektronischen Schlüssels 7 an einem der Ausgabebusse des Gleichrichters 1. Zum Beispiel ist in 5(e) die Nutzung eines optischen Thyristors als einpoliger elektronischer Schlüssel 7 dargestellt. Dieses Schema illustriert eine Anschlussart der Belastung 6 ohne Abflachkondensator für die Speisung mit einem Impulsstrom einer Polarität. Der elektronische Schlüssel 7 kann auch zweipolig sein, wie es in 1 vorgeführt ist. Als Belastung 6 des Umsetzers kann eine zweite Stufe verwendet sein, die nach dem Schema des beschriebenen Umsetzers ausgebildet ist. Dabei kann die Rolle des Gleichrichters in der zweiten Stufe der elektronische Schlüssel der ersten Stufe erfüllen. Eine solche Lösung lässt zu, die gerätetechnischen Aufwände bei großen Koeffizienten der Spannungsumgestaltung zu minimieren.In 5 are circuit technology solutions for the practical realization of the electronic key 7 and the connection types for a load 6 shown. In 5 (a) is a connection of the burden 6 at the power distribution node 5 represented and the unipolar electronic key 7 at the power collection node 4 the burden 6 , Such a solution is possible only with a half-wave rectification, and in this case there should be 3 N of diodes in the consequent chain. The diode VDN is in a special designation within the consistent chain 3 shown. In 5 (b) is a connection of the burden 6 through the unipolar electronic key 7 at the power collection node 4 and the power distribution node 5 the load on the busbar shown. Such a solution is possible both in the one-way as well as in the full-wave rectification. As an electronic key 7 is the use of various electronic components possible. For example, in 5 (c) for use as a single-pole electronic key 7 a force-high voltage MIH transistor shown. In 5 (d) is the use of a thyristor as the single-pole electronic key 7 shown. Such a solution is useful for powerful and / or high voltage applications. The connection types of the load are possible 6 and without their customization and the electronic key 7 at one of the output buses of the rectifier 1 , For example, in 5 (e) the use of an optical thyristor as a unipolar electronic key 7 shown. This diagram illustrates a connection type of the load 6 without flattening capacitor for feeding with a pulse current of one polarity. The electronic key 7 can also be bipolar, as it is in 1 is shown. As a burden 6 of the converter may be used a second stage, which is formed according to the scheme of the described converter. In this case, the role of the rectifier in the second stage can fulfill the electronic key of the first stage. Such a solution allows to minimize the equipment cost with large voltage reshaping coefficients.

In 6 ist ein elektrisches Grundschaltbild dargestellt, das eine Elementarvariante einer praktischen Realisierung der Erfindung illustriert. Der Gleichrichter 1 ist mit der Diode VD19, einem Strombegrenzungsresistor R8 und einer Schmelzsicherung F geschützt. Der elektronische Schlüssel 7 ist mit dem Transistor VT1 erfüllt. Das Stabilitron VD21 ist für den Schutz eines Verschlusses vor dem Durchschlag vorbestimmt, und der Resistor R10 gewährleistet das Schließen des Schlüssels 7 in Abwesenheit eines Steuersignals. Die Steuereinheit 2 ist mit dem Transistor VT2 realisiert. Für seinen Start ist beim Einschluss der Startresistor R12 verwendet. Die Analyse eines Spannungsniveaus des Netzes verwirklicht sich durch den Resistor R9. Die Diode VD20 gewährleistet einen Schutz des Emitter-pn-Übergangs des Transistors VT2 vom Durchschlag mit der Rückspannung. Das Steuersignal für den elektronischen Schlüssel 7 ist mit dem Resistor R11 gebildet. Durch den Auskoppelkondensator C8 tritt dieses Steuersignal auf den Verschluss des Transistors VT1.In 6 Fig. 12 is an electrical schematic diagram illustrating an elementary variant of a practical implementation of the invention. The rectifier 1 is with the diode VD19, one Current limiting R8 and a fuse F protected. The electronic key 7 is satisfied with the transistor VT1. The Stabilitron VD21 is intended to protect a shutter from breakdown, and the resistor R10 ensures closing of the key 7 in the absence of a control signal. The control unit 2 is realized with the transistor VT2. For its launch, the starter resistor R12 is included in the enclosure. The analysis of a voltage level of the network is realized by the resistor R9. The diode VD20 ensures protection of the emitter-pn junction of the transistor VT2 from the breakdown with the reverse voltage. The control signal for the electronic key 7 is formed with the resistor R11. Through the decoupling capacitor C8, this control signal occurs on the closure of the transistor VT1.

Die konsequente Kette 3 sowie die Diodenkämme der Strom-Sammlung und Verteilung der Belastung 4, 5 sind mit den Elementen C1–C7, R1–R7, VD1–VD18 realisiert. Die Belastung 6 ist durch konsequent eingeschaltete Leuchtdioden mit weißer Farbe des Leuchtens VD23–VD29 dargestellt, die von einem Elektrolytkondensator mit einer großen Kapazität C9 parallel geschaltet sind. Das Stabilitron VD22 ist für einen Belastungsschutz bei einem Spannungsüberschuss in den Notbetrieben vorbestimmt. In 6 sind einfachheitshalber die Löschzellen der Leuchtdioden bei der Ausschaltung und andere Hilfselemente nicht dargestellt. Bei der gleichen Kapazität jedes der sieben Kondensatoren C1–C7 mit 1 Mikrofarad beträgt der Aufnahmestrom vom Netz 1,5 MA, bei der Netzspannung von 220 Volt. Dabei bildet sich ein Belastungsstrom von 6,5 MA bei einer Belastungsspannung von 20 Volt. Der Wirkungsgrad beträgt ca. 40%.The consistent chain 3 as well as the diode combs of electricity collection and distribution of burden 4 . 5 are realized with the elements C1-C7, R1-R7, VD1-VD18. The load 6 is represented by consistently lit white light emitting diodes VD23-VD29, which are connected in parallel by an electrolytic capacitor with a large capacitance C9. The Stabilitron VD22 is intended for load protection with excess voltage in emergency applications. In 6 For reasons of simplicity, the quenching cells of the light-emitting diodes are not shown when switching off and other auxiliary elements are not shown. With the same capacitance of each of the seven capacitors C1-C7 with 1 microfarad, the absorption current from the mains is 1.5 MA, at the mains voltage of 220 volts. This creates a load current of 6.5 mA at a load voltage of 20 volts. The efficiency is about 40%.

Der konstruktiv betrachtete Umsetzer kann in unterschiedlichsten Ausgestaltungen je nach der Ausgangsleistung und der Netzspannung ausgeführt sein. Insbesondere kann für mikromächtige Anwendungen, solche wie Stromzeigelampen und flexible LED-Lineale mit einer Speisung vom Wechselstromnetz 220 Volt, die angegebene Einrichtung nach der SMD-Technologie einer oberflächlichen Montage auf eine flexible Unterlage oder auf eine harte Druckplatte aufgebracht sein. Es ist eine volle oder eine Teilherstellung des Umsetzers in Form eines integrierten Schaltkreises möglich. In einzelnen Fällen können als Strombegrenzungsresistoren R1–RN ein hoher innerer Widerstand der Dioden oder der Kondensatoren einer speziellen Konstruktion verwendet werden, was das technische Wesen und den Anspruch nicht verändert.The structurally considered converter can be designed in a variety of configurations depending on the output power and the mains voltage. In particular, for micromachined applications, such as current-indicating lamps and flexible LED rulers with a 220 volt AC supply, the indicated SMD surface-mount device may be mounted on a flexible pad or hard die. Full or partial fabrication of the integrated circuit converter is possible. In individual cases, high current resistance of the diodes or of the capacitors of a special construction can be used as current limiting resistors R1-RN, which does not change the technical character and the claim.

Der betrachtete Umsetzer weist nur zwei grundsätzlich notwendige Hochspannungs-Elemente, den Gleichrichter 1 und den elektronischen Schlüssel 7, auf. Hohe Anforderungen bezüglich der Schnelligkeit sind nicht gestellt. Die übrigen Elemente können Niederspannungselemente sein. Die Einfachheit und die geringen Anforderungen an die Elemente lassen es zu, den Realisierungswert des Umsetzers bei der Massenherstellung sehr niedrig zu halten, das heißt, in einigen Fallen ist eine reale und umweltfreundlichere Alternative zu den Transformatoren und den hochfrequenten Impulstiefsetzstellern geschaffen.The considered converter has only two basically necessary high-voltage elements, the rectifier 1 and the electronic key 7 , on. High demands on speed are not made. The remaining elements may be low-voltage elements. The simplicity and low demands on the elements make it possible to keep the implementation value of the converter in mass production very low, that is to say, in some cases a real and more environmentally friendly alternative to the transformers and the high-frequency pulse setters is provided.

Sofort nach der Abschaltung vom Netz weist diese Einrichtung bei der entsprechenden Auswahl der Zahl von Kondensatoren keine gefährlichen Spannungsquellen mehr auf. Außerdem weist die Einrichtung keine induktiven Reaktoren auf und funktioniert mit niedriger Frequenz, was das Niveau der elektromagnetischen Ausstrahlungen minimal hält.Immediately after disconnection from the grid, this device no longer has any dangerous voltage sources when selecting the number of capacitors. In addition, the device has no inductive reactors and operates at low frequency, which minimizes the level of electromagnetic emissions.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 5661645 [0003] US 5661645 [0003]
  • US 6577072 B2 [0004] US 6577072 B2 [0004]

Claims (1)

Umsetzer einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, der einen an das einphasige Wechselstromnetz angeschlossenen Gleichrichter (1), eine Steuereinheit (2) sowie eine aus N Kondensatoren (C1, CN) bestehende (wobei N mehr oder gleich 2 ist) konsequente Kette (3), die an den Ausgang des Gleichrichters (1) angeschlossen ist, sowie Sammel- und Stromverteilungsknoten für eine Belastung (6) aufweist, die mit der angegebenen konsequenten Kette (3) aus N Kondensatoren so verbunden sind, dass die angegebenen Kondensatoren vom Gleichrichter (1) in konsequenter Weise geladen und in der Kette (3) der Belastung (6) in paralleler Weise entladen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck einer Vereinfachung der Konstruktion und einer Vergrößerung des Leistungskoeffizienten in den Umsetzer ein elektronischer Schlüssel (7) hinzugefügt ist, der von Signalen der Steuereinheit (7) in Betrieb setzbar ist und der einen Stromdurchfluss für die Belastung mit Stromsammelknoten bis zu einem Stromverteilungsknoten zu einem Zeitpunkt gewährleistet, bei dem die Amplitude der gleichgerichteten Spannung weniger als der Aufgabewert ist, und die Sammel- und Stromverteilungsknoten mit einer Belastung (6) in Form von Diodenkämmen (4, 5) ausgebildet sind, und dass dabei in die konsequente Kette (3) zusätzlich N Strombegrenzungsresistoren und N-1 oder N der Dioden aufgenommen sind.Converter of an alternating voltage into a direct current voltage, a rectifier connected to the single-phase alternating current network ( 1 ), a control unit ( 2 ) as well as one consisting of N capacitors (C1, CN) (where N is more or equal to 2) 3 ) connected to the output of the rectifier ( 1 ) and collection and power distribution nodes for a load ( 6 ) with the specified consistent chain ( 3 ) of N capacitors are connected in such a way that the specified capacitors are connected by the rectifier ( 1 ) loaded in a consistent manner and in the chain ( 3 ) of the burden ( 6 ) are discharged in a parallel manner, characterized in that, for the purpose of simplifying the construction and increasing the power coefficient in the converter, an electronic key ( 7 ), which is dependent on signals from the control unit ( 7 ) and provides a current flow for loading current collection nodes to a power distribution node at a time when the amplitude of the rectified voltage is less than the duty value, and the collection and power distribution nodes having a load ( 6 ) in the form of diode combs ( 4 . 5 ) and in doing so in the consistent chain ( 3 ) in addition N current limiting resistors and N-1 or N of the diodes are included.
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