WO2014172724A1 - Capacitor power supply unit for supplying a small electrical consumer - Google Patents

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WO2014172724A1
WO2014172724A1 PCT/AT2014/000082 AT2014000082W WO2014172724A1 WO 2014172724 A1 WO2014172724 A1 WO 2014172724A1 AT 2014000082 W AT2014000082 W AT 2014000082W WO 2014172724 A1 WO2014172724 A1 WO 2014172724A1
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voltage
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PCT/AT2014/000082
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Josef FILZMAIER
Peter Duracher
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HELLA Sonnen- und Wetterschutztechnik GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a circuit according to the preamble of claim 1.
  • a method is used, which controls the removal of energy from the (public) network demand-dependent in load fluctuations, i. returns again if it is not needed.
  • Electronic circuits for building automation are increasingly indispensable in modern buildings or homes, for example, to be able to conveniently control the operation of all electrical equipment inside and outside of buildings.
  • Local operation by switching or manual adjustment of the respective device is due to the ever-increasing collection of modern control systems in the living room no longer up to date.
  • modern networked control systems are used for facilities, they usually also require connection to the public power grid, both in terms of permanent communication and remote maintenance.
  • the high number of distributed electronic devices in the building unnecessarily increases energy consumption (hidden consumers), making such "smart" building control systems unattractive to low-energy or passive houses.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a lossless or low-loss power supply (especially power supply) for electrical consumers. Above all, this should partially or substantially completely return the electrical energy taken from the (public) network and thus reduce the power loss almost to zero. One could therefore speak in the broadest sense of a "zero-power power supply”.
  • the prior art is based on the general idea to charge a storage capacitor via the public grid through a capacitive series resistor via a bridge rectifier.
  • the voltage level at the storage capacitor is limited by an overvoltage element, whereby electrical energy is converted into heat, which leads to losses in the power supply.
  • the bridge rectifier is specifically operated, ie either in half or full wave rectification, with energy being supplied from the network to the energy store in the full wave rectification in both half cycles
  • Half-wave and full-wave rectification takes place via a switching element which, depending on need, short-circuits a diode of the bridge rectifier in the negative half-wave.
  • the energy removal from the power supply is monitored while the switching element is controlled so that the transition between the two rectifier principles is continuous. With this method, a load-dependent energy extraction is essentially possible between 50 and 100%, which reduces the power loss in the power supply.
  • a further advantageous embodiment of the solution according to the invention is the development of a simple integrated circuit (IC), since no electronic special components are required for this structure.
  • the IC can be designed by the simple and proven process of all digital circuits which can then be made available for the construction of "Green Elektronik".
  • FIG. 1 shows a block diagram of the power supply according to the invention with load-dependent energy extraction essentially from 0 to 100%
  • FIG. 2 is a block diagram of the power supply according to the invention with load-dependent energy extraction substantially from 50 to 100%,
  • FIG. 3 is a block diagram of the power supply according to the invention with a switching element at the AC voltage input,
  • FIG. 4 shows a block diagram of the power supply according to the invention with a block representation of the measurement controller and a switching element at the DC output,
  • FIG. 5 is a block diagram of the power supply according to the invention with a block diagram of the measuring controller and a switching element at the AC voltage input
  • Fig. 6 is a block diagram of the measuring controller and
  • Fig. 7 is a block diagram of the power supply according to the invention with a ⁇ bleitwiderstand and a block diagram of the measurement controller.
  • the circuit 1 according to the invention has a capacitive current limit 2, a rectifier 3 designed as a bridge rectifier in this embodiment, and an energy store 4 designed as a storage capacitor.
  • the electrical energy will delivered via this capacitive voltage divider in the energy storage 4, which can then be removed via a coupled consumer.
  • the voltage on the energy store 4 designed as a storage capacitor would rise steadily.
  • this overvoltage is detected by the measuring controller 6, whereupon the latter then executes the electronic switch designed as a switching element 7 correspondingly long the rectifier 3 at the output.
  • the electrical energy extracted in the previous power quarter period is completely returned to the network in the following power quarter period.
  • the switching element 7 opens on the measuring controller 6 as required, and the rectifier 3 again supplies energy to the energy store 4.
  • the overvoltage element 5 assumes a purely protective function and no power loss will occur therein. With this circuit 1, the (public) network taken electrical energy is returned as needed.
  • the circuit 1 has a capacitive current limiting device 2, a rectifier 3 designed as a bridge rectifier, and an energy store 4 designed as a storage capacitor.
  • the electrical energy is supplied via this capacitive voltage divider in the energy storage 4, which can then be removed for example via a coupled consumer.
  • this overvoltage is dissipated at the overvoltage element 5. If the measuring controller 6 recognizes that more energy is taken from the energy store 4, then the switching element 7 designed as an electronic switch is opened and thus switched to full-wave rectification, whereby more energy from the network enters the energy store 4.
  • the measuring controller 6 closes the switching element 7 and thus switches to half-wave rectification, as a result of which the energy store 4 is only recharged in half a network period.
  • the short-circuiting carried out as electronically controlled switch element 7 takes place at the AC voltage input of the rectifier 3 designed as a bridge rectifier.
  • the circuit 1 comprises a damped inductive component designed as a damped coil 8, a switching element 7 designed as an electronically controlled changeover switch at the DC output of the rectifier 3 designed as a bridge rectifier, and an energy store configured as a storage capacitor 4 on. Due to the design of the switching element 7 as an electronically controlled changeover switch, the energy storage 4 in the preceding embodiments in series upstream diode D2 omitted. Thus, a simpler circuit and a further reduction of power loss can be achieved.
  • the damped coil 8 is used to limit the current inrush current and to filter transient mains voltage spikes.
  • the internal structure of the measuring controller 6 is shown schematically in FIG. 4 as a block diagram, this includes the switching blocks for the
  • the controlled by the measuring controller 6 via a pulse width modulated signal switching element 7 can be controlled with variable pulse durations and pulse frequencies, and it is also possible within a network period, the switching element 7 to control several consecutive times and thereby short-circuit the rectifier 3 at the output.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the circuit 1 with a damped coil 8, a capacitive current limit 2, a switching element 7 designed as an electronically controlled switch at the AC voltage input of the rectifier 3 designed as a bridge rectifier, and an energy store 4 designed as a storage capacitor.
  • the internal structure of the measuring controller 6 is shown schematically as a block diagram. Here, too, the losses at the rectifier 3 can be additionally eliminated by short-circuiting the AC voltage input of the rectifier 3.
  • the internal structure of the measuring controller 6 is shown schematically as a block diagram, this includes the switching blocks for the supply voltage a, the reference voltage b, the control voltage c, the synchronization d, the triangular generator e and the pulse width modulator f.
  • the pulse width modulator f is controlled by the triangular generator e, wherein this can also be done in a network-synchronous manner.
  • Fig. 7 is a block diagram of the power supply according to the invention with a damped coil 8, a capacitive current limiting 2, designed as an electronically controlled switch element 7 at the AC voltage input of the bridge rectifier rectifier 3, designed as a storage capacitor energy storage 4, a bleeder 9 and a Block representation of the measuring controller 6 shown.
  • the capacitive current limit 2 is rapidly discharged by the bleeder resistor 9 after disconnecting the connection of the circuit 1 from the grid.
  • the Circuit efficiency will be further increased and more energy will be provided to the consumer.
  • a switching element 7 embodied as an electronically controlled changeover switch at the DC output of the rectifier 3 (not shown), it must of course be ensured that, after disconnecting the circuit 1 from the mains, the switching element 7 is in a position or is brought into a position, so that the bleeder resistor 9 is connected substantially parallel to the capacitive current limit 2.

Abstract

A circuit (1) for supplying energy to electrical consumers, said circuit comprising an energy accumulator (4) which preferably comprises a storage capacitor and which is connected to a pole of the direct voltage output of a rectifier (3), and a serial power supply capacitor (2) which is connected to an alternating current input of said rectifier (3), a switching element (7) being provided which is controlled by means of a measurement controller (6) and which by-passes the alternating current input, the direct current output or a diode of the rectifier (3) depending on the voltage at the energy accumulator (4).

Description

KONDENSATORNETZTEIL ZUR VERSORGUNG EINES ELEKTRISCHEN  CAPACITOR POWER SUPPLY FOR SUPPLYING AN ELECTRICAL
KLEINVERBRAUCHERS  SMALL CONSUMER
Die Erfindung betrifft eine Schaltung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Dabei wird eine Methode angewendet, welche bei Belastungsschwankungen die Entnahme der Energie aus dem (öffentlichen) Netz bedarfsabhängig regelt, d.h. wieder zurückgibt, falls diese nicht benötigt wird. The invention relates to a circuit according to the preamble of claim 1. In this case, a method is used, which controls the removal of energy from the (public) network demand-dependent in load fluctuations, i. returns again if it is not needed.
Elektronische Schaltungen zur Gebäudeautomation werden in modernen Gebäuden bzw. Häusern zunehmend unentbehrlich, um beispielsweise die Bedienung sämtlicher elektrischer Ausstattung innerhalb und außerhalb von Gebäuden komfortabel steuern zu können. Lokales Bedienen durch Schalten bzw. manuelles Verstellen der jeweiligen Einrichtung ist aufgrund des stetig steigenden Einzugs von modernen Steuerungssystemen auch im Wohnbereich nicht mehr zeitgemäß. Werden jedoch moderne vernetzte Steuerungssysteme für Einrichtungen eingesetzt, so erfordern diese üblicherweise auch einen Anschluss an das öffentliche Energienetz und zwar sowohl hinsichtlich der ständigen Kommunikation als auch der Fernwartung. Insbesondere die hohe Anzahl von verteilten elektronischen Geräten im Gebäude treibt den Energieverbrauch (versteckte Verbraucher) unnötig in die Höhe, dass derartige „intelligente" Gebäudesteuerungssysteme für Niedrigenergie- bzw. Passivhäuser unattraktiv werden. Electronic circuits for building automation are increasingly indispensable in modern buildings or homes, for example, to be able to conveniently control the operation of all electrical equipment inside and outside of buildings. Local operation by switching or manual adjustment of the respective device is due to the ever-increasing collection of modern control systems in the living room no longer up to date. However, when modern networked control systems are used for facilities, they usually also require connection to the public power grid, both in terms of permanent communication and remote maintenance. In particular, the high number of distributed electronic devices in the building unnecessarily increases energy consumption (hidden consumers), making such "smart" building control systems unattractive to low-energy or passive houses.
Für den Anschluss eines leistungsarmen elektronischen Gerätes an das öffentliche Netz benötigt man daher in Zukunft einen Netzteil mit geringer Eigenleistung, sozusagen ein„Zero-Power-Netzteil". Bei solchen elektronischen Geräten handelt es sich üblicherweise um Steuerungsgeräte, welche bei Bedarf die Beschattungen elektrisch in die gewünschte Position bringen, Beleuchtungen ein bzw. ausschalten, Fenster öffnen bzw. schließen oder genereil sämtliche Ausstattungen in und außerhalb von Gebäuden über elektrische Antriebe verstellen. Verbraucht dieses Steuergerät wenig Leistung, so benötigt das zugehörige Netzteil nur dann einen TrenntransformatorTo connect a low-power electronic device to the public network, you will need a low-power power supply in the future, a "zero-power power supply", so to speak.These electronic devices are usually control devices which, if required, electrically insulate the shading bring the desired position, turn lights on or off, open or close windows or move ingeniously all equipment inside and outside buildings via electric drives If this control unit consumes little power, then the associated power supply only needs an isolating transformer
(Eigenleistung typischerweise 3 bis 5 Watt), wenn eine galvanische Trennung aus Sicherheitsgründen erforderlich ist. Wenn nicht, genügt meistens ein kapazitives Netzteil, welches Stand der Technik und somit schon am Markt erhältlich ist. Darin sind im Prinzip zwei Kondensatoren über einen Gleichrichter in Reihe geschaltet, was zu einer kapazitiven Spannungsteilung führt. Wegen der 90° Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, erzeugt der für diesen Zweck geeignete Seriennetzkondensator keine Verlustleistung, nur Blindleistung. Jedoch wird mit jeder Halbwelle der Kondensator nach dem Gleichrichter nachgeladen, was die Spannung an diesem stetig ansteigen lässt, wenn keine elektrische Energie dem Kondensator entnommen wird. Daher ist eine Spannungsbegrenzung, z.B.: VDR oder Z-Diode, erforderlich, was naturgemäß zu Verlusten in Form von Wärme führt. Somit handelt es sich dabei um einen verlustbehafteten Netzteil. (Own power typically 3 to 5 watts), if a galvanic separation is required for safety reasons. If not, a capacitive power supply, which is state of the art and thus already available on the market, is usually sufficient. Are in it In principle, two capacitors connected in series via a rectifier, resulting in a capacitive voltage division. Because of the 90 ° phase shift between current and voltage, the suitable for this purpose series network capacitor generates no power loss, only reactive power. However, with each half cycle, the capacitor is recharged after the rectifier, which causes the voltage at this steadily increase when no electrical energy is removed from the capacitor. Therefore, a voltage limitation, for example: VDR or Zener diode, required, which naturally leads to losses in the form of heat. Thus, it is a lossy power supply.
Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine verlustfreie bzw. verlustarme Energieversorgung (insbesondere Netzteil) für elektrische Verbraucher zu schaffen. Diese soll vor allem lastabhängig die dem (öffentlichen) Netz entnommene elektrische Energie teilweise bzw. im Wesentlichen völlig wieder zurückzugeben und dadurch die Verlustleistung nahezu auf Null zu reduzieren. Man könnte somit im weitesten Sinne von einem„Zero-Power-Netzteil" sprechen. The present invention is therefore an object of the invention to provide a lossless or low-loss power supply (especially power supply) for electrical consumers. Above all, this should partially or substantially completely return the electrical energy taken from the (public) network and thus reduce the power loss almost to zero. One could therefore speak in the broadest sense of a "zero-power power supply".
Dies wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Anwendungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This is achieved according to the invention by the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Der Stand der Technik beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Speicherkondensator über das öffentliche Netz durch einen kapazitiven Vorwiderstand über einen Brückengleichrichter aufzuladen. Dabei wird die Spannungshöhe am Speicherkondensator durch ein Überspannungselement begrenzt, wodurch elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird, was zu Verlusten im Netzteil führt. The prior art is based on the general idea to charge a storage capacitor via the public grid through a capacitive series resistor via a bridge rectifier. The voltage level at the storage capacitor is limited by an overvoltage element, whereby electrical energy is converted into heat, which leads to losses in the power supply.
Um diese Verluste im Netzteil gering zu halten, muss dafür gesorgt werden, dass die dem Netz entnommene Energie wieder dem Netz zurückgegeben wird, falls diese nicht benötigt wird. Dadurch ist eine lastabhängige Energieentnahme im Wesentlichen von 0 bis 100% möglich. Dazu müssen die beiden Dioden-Pfade des Brückengleichrichters jeweils für die positive als auch für die negative Halbwelle über einen Schalter kurzgeschlossen werden. Im Falle eines Kurzschlusses wird die in einer Netzviertelperiode aufgenommene elektrische Energie in der folgenden Netzviertelperiode wieder im Wesentlichen vollständig an das Netz zurückgegeben. Erfolgt das Kurzschließen zwischen den beiden Wechselspannungsanschlüssen des Brückengleichrichters, so sind die Gleichrichterverluste auch noch eliminiert. Für den Fall, dass nur zwei Belastungsfälle vorliegen (Standby und Aktiv), muss für eine ausgeglichene Energiebilanz im Energiespeicher (z.B.: Kondensator, Akku, ...) gesorgt werden, d.h. die zugeführte elektrische Energie muss gleich der entnommenen sein. Da elektronische Steuerungssysteme sich zumeist im Standby befinden, kann der Netzteil für diese Standby-Energie ausgelegt werden. Dennoch muss je nach Bedarf für kurze Zeiten die Steuerung Aktivitäten vornehmen. Für diese Aktivität wird kurzzeitig mehr elektrische Energie für die elektronische Schaltung benötigt. Bei bereits am Markt erhältlichen kapazitiven Netzteilen wird diese kurzzeitige höhere Energieentnahme als Grundlage für die Leistungsbilanz herangezogen, wobei die meiste Zeit (Standby) dann die verbleibende „Überschussenergie" im Netzteil verbraucht werden muss, was zu Verlusten im Netzteil führt. In order to minimize these losses in the power supply, it must be ensured that the energy taken from the network is returned to the network, if this is not needed. As a result, load-dependent energy extraction is essentially possible from 0 to 100%. For this purpose, the two diode paths of the bridge rectifier must be short-circuited for the positive as well as for the negative half-wave via a switch. In the case of a short circuit, the electrical energy consumed in a net quarter period becomes as follows Net quarter period again essentially completely returned to the network. If the short circuit between the two AC voltage terminals of the bridge rectifier, so the rectifier losses are also eliminated. In the event that only two load cases are present (standby and active), a balanced energy balance in the energy storage must be provided (eg: capacitor, battery, ...), ie the supplied electrical energy must be equal to the removed. Since electronic control systems are mostly in standby, the power supply can be designed for this standby power. Nevertheless, for a short time, the controller must perform activities as needed. For this activity, more electrical energy is needed for the electronic circuit for a short time. In the case of capacitive power supplies already available on the market, this short-term higher energy extraction is used as the basis for the power balance, whereby most of the time (standby) the remaining "excess energy" in the power supply has to be consumed, which leads to losses in the power supply.
Um nun insbesondere keine „Überschussenergie" entstehen zu lassen, wird der Brückengleichrichter speziell betrieben, das heißt entweder in der Halb- oder in der Vollwellengleichrichtung, wobei in der Vollwellengleichrichtung in beiden Halbwellen Energie aus dem Netz in den Energiespeicher geliefert wird. Die Umschaltung zwischenIn order not to generate any "excess energy" in particular, the bridge rectifier is specifically operated, ie either in half or full wave rectification, with energy being supplied from the network to the energy store in the full wave rectification in both half cycles
Halb- und Vollwellengleichrichtung erfolgt über ein Schaltelement, welches bedarfsabhängig eine Diode des Brückengleichrichters in der negativen Halbwelle kurzschließt. Die Energieentnahme aus dem Netzteil wird überwacht und dabei das Schaltelement so angesteuert, dass der Übergang zwischen den beiden Gleichrichterprinzipen kontinuierlich erfolgt. Mit dieser Methode ist eine lastabhängige Energieentnahme im Wesentlichen zwischen 50 und 100% möglich, wodurch die Verlustleistung im Netzteil reduziert wird. Half-wave and full-wave rectification takes place via a switching element which, depending on need, short-circuits a diode of the bridge rectifier in the negative half-wave. The energy removal from the power supply is monitored while the switching element is controlled so that the transition between the two rectifier principles is continuous. With this method, a load-dependent energy extraction is essentially possible between 50 and 100%, which reduces the power loss in the power supply.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die Entwicklung eines einfachen Integrierten Schaltkreises (IC), da für diesen Aufbau keine elektronischen Spezialkomponenten benötigt werden. Darüber hinaus kann durch den einfachen und erprobten Prozess sämtlicher Digitalschaltungen ein IC entworfen werden, welcher dann für den Bau von „Green Elektronik" zur Verfügung gestellt werden kann. A further advantageous embodiment of the solution according to the invention is the development of a simple integrated circuit (IC), since no electronic special components are required for this structure. In addition, the IC can be designed by the simple and proven process of all digital circuits which can then be made available for the construction of "Green Elektronik".
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.
Dabei zeigen jeweils schematisch, Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Netzteils mit lastabhängiger Energieentnahme im Wesentlichen von 0 bis 100%, 1 shows a block diagram of the power supply according to the invention with load-dependent energy extraction essentially from 0 to 100%,
Fig. 2 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Netzteils mit lastabhängiger Energieentnahme im Wesentlichen von 50 bis 100%, 2 is a block diagram of the power supply according to the invention with load-dependent energy extraction substantially from 50 to 100%,
Fig. 3 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Netzteils mit einem Schaltelement am Wechselspannungseingang, 3 is a block diagram of the power supply according to the invention with a switching element at the AC voltage input,
Fig. 4 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Netzteils mit einer BlockdarsteUung des Messreglers und einem Schaltelement am Gleichspannungsausgang, 4 shows a block diagram of the power supply according to the invention with a block representation of the measurement controller and a switching element at the DC output,
Fig. 5 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Netzteils mit einer Blockdarstellung des Messreglers und einem Schaltelement am Wechselspannungseingang, Fig. 6 ein Blockschaltbild des Messreglers und 5 is a block diagram of the power supply according to the invention with a block diagram of the measuring controller and a switching element at the AC voltage input, Fig. 6 is a block diagram of the measuring controller and
Fig. 7 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Netzteils mit einem Äbleitwiderstand und einer Blockdarstellung des Messreglers. Entsprechend der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Schaltung 1 eine kapazitive Strombegrenzung 2, einen in dieser Ausführungsform als Brückengleichrichter ausgeführten Gleichrichter 3, sowie einen als Speicherkondensator ausgeführten Energiespeicher 4 auf. Die elektrische Energie wird über diesen kapazitiven Spannungsteiler in den Energiespeicher 4 geliefert, welche dann über einen angekoppelten Verbraucher entnommen werden kann. Für den Fall, dass wenig bis keine Energie - sei es durch mangelnden Verbraucher oder Standby- Betrieb des Verbrauchers - dem Energiespeicher 4 entnommen wird, würde die Spannung am als Speicherkondensator ausgeführten Energiespeicher 4 stetig ansteigen. Diese Überspannung wird jedoch vom Messregler 6 erkannt, worauf vom diesem dann das als elektronischer Schalter ausgeführte Schaltelement 7 entsprechend lange den Gleichrichter 3 am Ausgang kurzschließt. Somit wird die in der vorherigen Netzviertelperiode entnommene elektrische Energie in der folgenden Netzviertelperiode wieder vollständig an das Netz zurückgegeben. Wird tatsächlich elektrische Energie benötigt, so öffnet über den Messregler 6 bedarfsabhängig das Schaltelement 7 und der Gleichrichter 3 liefert wieder Energie in den Energiespeicher 4. In dieser Variante nimmt das Überspannungselement 5 eine reine Schutzfunktion ein und es wird darin keine Verlustleistung entstehen. Mit dieser Schaltung 1 wird bedarfsabhängig die dem (öffentlichen) Netz entnommene elektrische Energie wieder zurückgegeben. Fig. 7 is a block diagram of the power supply according to the invention with a Äbleitwiderstand and a block diagram of the measurement controller. According to the embodiment illustrated in FIG. 1, the circuit 1 according to the invention has a capacitive current limit 2, a rectifier 3 designed as a bridge rectifier in this embodiment, and an energy store 4 designed as a storage capacitor. The electrical energy will delivered via this capacitive voltage divider in the energy storage 4, which can then be removed via a coupled consumer. In the event that little to no energy is taken from the energy store 4, be it due to a lack of consumers or standby mode of the consumer, the voltage on the energy store 4 designed as a storage capacitor would rise steadily. However, this overvoltage is detected by the measuring controller 6, whereupon the latter then executes the electronic switch designed as a switching element 7 correspondingly long the rectifier 3 at the output. Thus, the electrical energy extracted in the previous power quarter period is completely returned to the network in the following power quarter period. If electrical energy is actually required, the switching element 7 opens on the measuring controller 6 as required, and the rectifier 3 again supplies energy to the energy store 4. In this variant, the overvoltage element 5 assumes a purely protective function and no power loss will occur therein. With this circuit 1, the (public) network taken electrical energy is returned as needed.
Entsprechend dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die erfindungsgemäße Schaltung 1 eine kapazitive Strombegrenzung 2, einen als Brückengleichrichter ausgeführten Gleichrichter 3, sowie einen als Speicherkondensator ausgeführten Energiespeicher 4 auf. Die elektrische Energie wird über diesen kapazitiven Spannungsteiler in den Energiespeicher 4 geliefert, welche dann beispielsweise über einen angekoppelten Verbraucher entnommen werden kann. Für den Fall des Auftretens einer Überschussenergie am Energiespeicher 4, was sich durch eine erhöhte Spannung am Speicherkondensator zeigt, wird diese Überspannung am Überspannungselement 5 abgeleitet. Erkennt der Messregler 6 dass mehr Energie aus dem Energiespeicher 4 entnommen wird, so wird das als elektronischer Schalter ausgeführte Schaltelement 7 geöffnet und somit auf Vollwellengleichrichtung umgeschaltet, wodurch mehr Energie aus dem Netz in den Energiespeicher 4 gelangt. Geht die Energieentnahme zurück, so schließt der Messregler 6 das Schaltelement 7 und stellt somit auf Halbwellengleichrichtung um, wodurch der Energiespeicher 4 nur mehr in einer halben Netzperiode nachgeladen wird. Insbesondere erfolgt eine kontinuierliche Umschaltung zwischen Halb- und Vollwellengleichrichtung, was der Energieentnahme aus dem öffentlichen Netz auch sehr entgegen kommt. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Schaltung 1 erfolgt das Kurzschließen mit dem als elektronisch gesteuerten Schalter ausgeführten Schaltelement 7 am Wechselspannungseingang des als Brückengleichrichter ausgeführten Gleichrichters 3. Durch ein Kurzschließen am Eingang des Gleichrichters 3 können die Verluste am Gleichrichter 3 noch zusätzlich eliminiert werden. According to the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the circuit 1 according to the invention has a capacitive current limiting device 2, a rectifier 3 designed as a bridge rectifier, and an energy store 4 designed as a storage capacitor. The electrical energy is supplied via this capacitive voltage divider in the energy storage 4, which can then be removed for example via a coupled consumer. In the event of an excess energy occurring at the energy store 4, which is indicated by an increased voltage across the storage capacitor, this overvoltage is dissipated at the overvoltage element 5. If the measuring controller 6 recognizes that more energy is taken from the energy store 4, then the switching element 7 designed as an electronic switch is opened and thus switched to full-wave rectification, whereby more energy from the network enters the energy store 4. If the energy removal goes back, the measuring controller 6 closes the switching element 7 and thus switches to half-wave rectification, as a result of which the energy store 4 is only recharged in half a network period. In particular, there is a continuous switching between half and full wave rectification, which also comes very close to the energy extraction from the public network. In the embodiment of the circuit 1 shown in Fig. 3, the short-circuiting carried out as electronically controlled switch element 7 takes place at the AC voltage input of the rectifier 3 designed as a bridge rectifier. By short-circuiting the input of the rectifier 3, the losses on the rectifier 3 can be additionally eliminated ,
Entsprechend der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Schaltung 1 eine als bedämpfte Spule 8 ausgeführte bedämpfte induktive Komponente, eine kapazitive Strombegrenzung 2, ein als elektronisch gesteuerter Wechselschalter ausgeführtes Schaltelement 7 am Gleichspannungsausgang des als Brückengleichrichter ausgeführten Gleichrichters 3 sowie einen als Speicherkondensator ausgeführten Energiespeicher 4 auf. Durch die Ausführung des Schaltelements 7 als elektronisch gesteuerten Wechselschalter kann die dem Energiespeicher 4 in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen in Serie vorgeschaltete Diode D2 entfallen. Somit kann eine einfachere Schaltung und eine weitere Verringerung von Verlustleistung erreicht werden. Die bedämpfte Spule 8 dient zur Strombegrenzung des Einschaltstromes und zur Filterung transienter Netzspannungsspitzen. Der innere Aufbau des Messreglers 6 ist in Fig. 4 schematisch als Blockschaltbild gezeigt, dieses umfasst dabei die Schaltblöcke für dieAccording to the embodiment shown in FIG. 4, the circuit 1 according to the invention comprises a damped inductive component designed as a damped coil 8, a switching element 7 designed as an electronically controlled changeover switch at the DC output of the rectifier 3 designed as a bridge rectifier, and an energy store configured as a storage capacitor 4 on. Due to the design of the switching element 7 as an electronically controlled changeover switch, the energy storage 4 in the preceding embodiments in series upstream diode D2 omitted. Thus, a simpler circuit and a further reduction of power loss can be achieved. The damped coil 8 is used to limit the current inrush current and to filter transient mains voltage spikes. The internal structure of the measuring controller 6 is shown schematically in FIG. 4 as a block diagram, this includes the switching blocks for the
Versorgungsspannung a, die Referenzspannung b, die Regelspannung c, die Synchronisation d, den Dreieckgenerator e und den Pulsweitenmodulator f. Das vom Messregler 6 über ein pulsweitenmoduliertes Signal angesteuerte Schaltelement 7 kann mit variablen Pulsdauern und Pulsfrequenzen angesteuert werden, wobei es auch möglich ist, innerhalb einer Netzperiode das Schaltelement 7 mehrfach aufeinanderfolgend anzusteuern und dadurch den Gleichrichter 3 am Ausgang kurzuschließen. Man kann von einer Energierückgabesteuerung sprechen, welche darin noch verbessert werden kann, dass innerhalb einer Netzperiode die Entnahme und Rückgabe sechsmal erfolgt, und nicht wie bei den klassischen Gleichrichterschaltungen, die immer im Spannungsscheitelpunkt die Energie aus demSupply voltage a, the reference voltage b, the control voltage c, the synchronization d, the triangle generator e and the pulse width modulator f. The controlled by the measuring controller 6 via a pulse width modulated signal switching element 7 can be controlled with variable pulse durations and pulse frequencies, and it is also possible within a network period, the switching element 7 to control several consecutive times and thereby short-circuit the rectifier 3 at the output. One can speak of an energy return control, which can be improved in that within a network period, the removal and return takes place six times, and not as in the classic rectifier circuits, always in the voltage vertex, the energy from the
Netz entnehmen, was zu Spitzenbelastung im öffentlichen Netz führt. Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Schaltung 1 mit einer bedämpften Spule 8, einer kapazitiven Strombegrenzung 2, einem als elektronisch gesteuerten Schalter ausgeführten Schaltelement 7 am Wechselspannungseingang des als Brückengleichrichter ausgeführten Gleichrichters 3 sowie einen als Speicherkondensator ausgeführten Energiespeicher 4 auf. Der innere Aufbau des Messreglers 6 ist schematisch als Blockschaltbild gezeigt. Auch hier können durch ein Kurzschließen am Wechselspannungseingang des Gleichrichters 3 noch zusätzlich die Verluste am Gleichrichter 3 eliminiert werden. In Fig. 6 ist der innere Aufbau des Messreglers 6 schematisch als Blockschaltbild gezeigt, dieses umfasst dabei die Schaltblöcke für die Versorgungsspannung a, die Referenzspannung b, die Regelspannung c, die Synchronisation d, den Dreieckgenerator e und den Pulsweitenmodulator f. Der Pulsweitenmodulator f wird von dem Dreieckgenerator e angesteuert, wobei dies auch netzsynchron erfolgen kann. Remove network, which leads to peak loads in the public network. 5 shows an embodiment of the circuit 1 with a damped coil 8, a capacitive current limit 2, a switching element 7 designed as an electronically controlled switch at the AC voltage input of the rectifier 3 designed as a bridge rectifier, and an energy store 4 designed as a storage capacitor. The internal structure of the measuring controller 6 is shown schematically as a block diagram. Here, too, the losses at the rectifier 3 can be additionally eliminated by short-circuiting the AC voltage input of the rectifier 3. In Fig. 6, the internal structure of the measuring controller 6 is shown schematically as a block diagram, this includes the switching blocks for the supply voltage a, the reference voltage b, the control voltage c, the synchronization d, the triangular generator e and the pulse width modulator f. The pulse width modulator f is controlled by the triangular generator e, wherein this can also be done in a network-synchronous manner.
In Fig. 7 ist ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Netzteils mit einer bedämpften Spule 8, einer kapazitiven Strombegrenzung 2, einem als elektronisch gesteuerten Schalter ausgeführten Schaltelement 7 am Wechselspannungseingang des als Brückengleichrichter ausgeführten Gleichrichters 3, einem als Speicherkondensator ausgeführten Energiespeicher 4, einem Ableitwiderstand 9 und einer Blockdarstellung des Messreglers 6 dargestellt. Der an einem Anschluss mit dem netzseitigen Pol der kapazitiven Strombegrenzung 2 in Verbindung stehende Ableitwiderstand 9 steht dabei an dem anderen Anschluss in Verbindung mit dem Schaltblock der Synchronisation d des Messreglers 6, als auch galvanisch in Verbindung mit dem Gleichspannungsausgang des als Brückengleichrichter ausgeführten Gleichrichters 3, und ist somit im Wesentlichen parallel zu der kapazitiven Strombegrenzung 2 geschaltet. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die kapazitiven Strombegrenzung 2 nach Abtrennen der Verbindung der Schaltung 1 vorn Netz rasch durch den Ableitwiderstand 9 entladen wird. Zudem kann dadurch, dass der netzseitige Pol der kapazitiven Strombegrenzung 2 über den Ableitwiderstand 9 galvanisch in Verbindung mit dem Gleichspannungsausgang des Gleichrichters 3 - und somit auch mit dem Schaltblock der Versorgungsspannung a des Messreglers 6 - steht, der Messregler im Betrieb teilweise über diesen Schaltungszweig versorgt werden. Somit kann die Effizienz der Schaltung weiter gesteigert und auch mehr Energie für den Verbraucher bereitgestellt werden. Im Fall eines als elektronisch gesteuerter Wechselschalter ausgeführten Schaltelements 7 am Gleichspannungsausgang des Gleichrichters 3 (nicht gezeigt) muss selbstverständlich gewährleistet sein, dass nach Abtrennen der Verbindung der Schaltung 1 vom Netz das Schaltelement 7 sich in einer Stellung befindet bzw. in eine Stellung gebracht wird, sodass der Ableitwiderstand 9 im Wesentlichen parallel zu der kapazitiven Strombegrenzung 2 geschaltet ist. In Fig. 7 is a block diagram of the power supply according to the invention with a damped coil 8, a capacitive current limiting 2, designed as an electronically controlled switch element 7 at the AC voltage input of the bridge rectifier rectifier 3, designed as a storage capacitor energy storage 4, a bleeder 9 and a Block representation of the measuring controller 6 shown. The discharge resistor 9, which is connected to the line-side pole of the capacitive current limiting 2, stands at the other terminal in connection with the switching block of the synchronization d of the measuring controller 6, as well as galvanically in connection with the DC output of the rectifier 3, which is designed as a bridge rectifier 3. and is thus connected substantially parallel to the capacitive current limit 2. It can thereby be ensured that the capacitive current limit 2 is rapidly discharged by the bleeder resistor 9 after disconnecting the connection of the circuit 1 from the grid. In addition, the fact that the line-side pole of the capacitive current limiting 2 via the bleeder resistor 9 is electrically connected to the DC voltage output of the rectifier 3 - and thus with the switching block of the supply voltage a of the measuring controller 6 -, the measuring controller during operation partially supplied via this circuit branch become. Thus, the Circuit efficiency will be further increased and more energy will be provided to the consumer. In the case of a switching element 7 embodied as an electronically controlled changeover switch at the DC output of the rectifier 3 (not shown), it must of course be ensured that, after disconnecting the circuit 1 from the mains, the switching element 7 is in a position or is brought into a position, so that the bleeder resistor 9 is connected substantially parallel to the capacitive current limit 2.

Claims

Patentansprüche claims
Schaltung (1) zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern, umfassend: Circuit (1) for supplying energy to electrical consumers, comprising:
- einen - vorzugsweise einen Speicherkondensator umfassenden - Energiespeicher (4), der an einem Pol des Gleichspannungsausgangs eines Gleichrichters (3) angeschlossen ist,  an energy store (4), preferably comprising a storage capacitor, which is connected to a pole of the DC output of a rectifier (3),
- einen Seriennetzkondensator (2), der an einem Wechselspannungseingang des Gleichrichters (3) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltelement (7) vorgesehen ist, das über einen Messregler (6) angesteuert ist und das abhängig von der Spannung am Energiespeicher (4) den Wechselspannungseingang (Fig. 3), den Gleichspannungssausgang (Fig. 1 ) oder eine Diode (Fig. 2) des Gleichrichters (3) kurzschließt.  - A series network capacitor (2) which is connected to an AC voltage input of the rectifier (3), characterized in that a switching element (7) is provided, which is controlled by a measuring controller (6) and which depends on the voltage at the energy store (4 3), the DC voltage output (FIG. 1) or a diode (FIG. 2) of the rectifier (3).
Schaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (7) parallel zum Wechselspannungseingang oder zum Gleichspannungsausgang des Gleichrichters (3) liegt. A circuit according to claim 1, characterized in that the switching element (7) is parallel to the AC voltage input or the DC voltage output of the rectifier (3).
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (3) als Brückengleichrichter ausgebildet ist. A circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the rectifier (3) is designed as a bridge rectifier.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (4) über eine Diode (D2) am Pol des Gleichspannungsausgangs des Gleichrichters (3) angeschlossen ist. Circuit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the energy store (4) via a diode (D2) is connected to the pole of the DC voltage output of the rectifier (3).
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (1) als Netzteil für einen elektrischen Verbraucher ausgebildet ist. Circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the circuit (1) is designed as a power supply for an electrical load.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Energieentnahme aus dem Energiespeicher (4), gemessen über den Messregler (6), das Schaltelement (7) so angesteuert wird, dass die aufgenommene elektrische Energie einer Netzviertelperiode in der folgenden Netzviertelperiode wieder an das elektrische Netz zurückgegeben wird, falls diese von einem angeschlossenen Verbraucher nicht aus dem Energiespeicher (4) entnommen wird. 7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Energieentnahme aus dem Energiespeicher (4), gemessen über den Messregler (6), das Schaltelement (7) so angesteuert wird, dass die aufgenommene elektrische Energie ausschließlich in der positiven oder negativen Netzviertelperiode in der folgenden positiven oder negativen Netzviertelperiode wieder an das elektrische Netz zurückgegeben wird, falls diese von einem angeschlossenen Verbraucher nicht aus dem Energiespeicher (4) entnommen wird. Circuit according to one of claims 1 to 5, characterized in that, depending on the energy extraction from the energy store (4), measured via the measuring controller (6), the switching element (7) is driven so that the recorded electrical energy of a Netzviertelperiode in the following Net quarter period is returned to the electrical network, if it is not taken from a connected consumer from the energy storage (4). 7. A circuit according to one of claims 1 to 6, characterized in that, depending on the energy extraction from the energy store (4), measured via the measuring controller (6), the switching element (7) is driven so that the absorbed electrical energy exclusively in the positive or negative Netzviertelperiode in the following positive or negative network quarter period is returned to the electrical network, if it is not taken from a connected consumer from the energy storage (4).
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme und Rückgabe der elektrischen Energie mehrmals in der Netzperiode erfolgt, um Spitzenbelastungen im Netz zu unterbinden. Circuit according to one of claims 1 to 7, characterized in that the removal and return of the electrical energy takes place several times in the network period to prevent peak loads in the network.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass über den Messregler (6) die minimale bzw. maximale Energieentnahme aus dem Energiespeicher (4) erkannt wird und dadurch der Gleichrichter über das Schaltelement (7) zwischen Halb- und Vollwellengleichrichtung umschaltet. Circuit according to one of claims 1 to 8, characterized in that via the measuring controller (6), the minimum or maximum energy extraction from the energy storage (4) is detected and thereby the rectifier via the switching element (7) switches between half and full wave rectification.
10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass last- bzw. bedarfsabhängig eine kontinuierliche Umschaltung zwischen Halb- und Vollwellengleichrichtung erfolgt. 10. A circuit according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the load or demand-dependent continuous switching between half and full wave rectification takes place.
1 1 . Schaltung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (7) mindestens einen elektronischen Schalter aufweist. 1 1. Circuit according to claim 1 to 10, characterized in that the switching element (7) has at least one electronic switch.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Strombegrenzung des Einschaltstromes und zur Filterung transienter Netzspannungsspitzen eine bedämpfte induktive Komponente, vorzugsweise eine Spule (8), vorgesehen ist. Circuit according to one of Claims 1 to 11, characterized in that a damped inductive component, preferably a coil (8), is provided to limit the inrush current and to filter transient mains voltage peaks.
13. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Messregler (6) aufgebaut aus Versorgungsspannung (a), Referenzspannung (b), Regelspannung (c), Synchronisation (d), Dreieckgenerator (e) und Pulsweitenmodulator (f) das Schaltelement (7) ansteuert. 4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Messregler (6) das Schaltelement (7) über ein pulsweitenmoduliertes Signal ansteuert. 13. A circuit according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the measuring controller (6) constructed of supply voltage (a), reference voltage (b), control voltage (c), synchronization (d), triangular generator (s) and pulse width modulator (f ) controls the switching element (7). 4. A circuit according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the measuring controller (6) controls the switching element (7) via a pulse width modulated signal.
15. Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Messregler (6) zur Ansteuerung des Pulsweitenmodulators (f) ein von dem Dreieckgenerator (e) generiertes Signal mit einer Frequenz, welche ein Vielfaches der Netzfrequenz - vorzugsweise 300Hz - ist, verwendet. 15. A circuit according to claim 13, characterized in that the measuring controller (6) for controlling the pulse width modulator (f) one of the triangular generator (e) generated signal having a frequency which is a multiple of the mains frequency - preferably 300Hz - used.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ableitwiderstand (9) an einem Anschluss mit dem netzseitigen Pol des Seriennetzkondensators (2) in Verbindung steht und an dem anderen Anschluss mit einem Pol des Gleichspannungsausgangs eines Gleichrichters (3) galvanisch in Verbindung steht. Circuit according to one of Claims 1 to 15, characterized in that a bleeder resistor (9) is connected at one connection to the line-side pole of the series-network capacitor (2) and galvanically connected to the other connection to one pole of the DC output of a rectifier (3) Connection stands.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Messregler (6) vom netzseitigen Pol des Seriennetzkondensators (2), vorzugsweise über eine Leitung mit mindestens einem Widerstand (R2), mit Energie versorgt ist. Circuit according to one of Claims 1 to 16, characterized in that the measuring controller (6) is supplied with energy from the line-side pole of the series-network capacitor (2), preferably via a line having at least one resistor (R2).
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