AT514268A1 - Loss-free or low-loss power supply - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein verlustfreies bzw. verlustarmes Netzteil (1) für elektronische Schaltungen. Dabei wird elektrische Energie aus dem Öffentlichen Netz über eine kapazitive Strombegrenzung (2) und einem Brückengleichrichter (3) in einen Energiespeicher (4) geliefert, aus welchem die elektrische Energie für eine nachfolgende elektronische Schaltung entnommen werden kann. Eine mögliche last- bzw. bedarfsabhängige Energieentnahme aus dem Energiespeicher (4) wird über einen Messregler (6) ermittelt und damit über das Schaltelement (7) der Eingang des Brückengleichrichters (3) oder diverse Dioden des Brückengleichrichters (3) kurzgeschlossen. Dadurch wird die elektrische Energie, welche in einer Viertelnetzperiode entnommen wurde in der folgenden Viertelnetzperiode ganz oder teilweise wieder an das C)ffentliche Energienetz zurückgeben. Es handelt sich dabei um eine Energierückgabesteuerung. Damit ist das erfindungsgemäße Netzteil (1) auf die Energierückgabe optimiert. Somit wird im Netzteil keine bzw. nur geringe Energie vernichtet, was zu einem verlustfreien bzw. verlustarmen Netzteil führt.The invention relates to a lossless or low-loss power supply (1) for electronic circuits. In this case, electrical energy is supplied from the public grid via a capacitive current limit (2) and a bridge rectifier (3) in an energy store (4), from which the electrical energy for a subsequent electronic circuit can be removed. A possible load or demand-dependent energy removal from the energy store (4) is determined by a measuring controller (6) and thus via the switching element (7) the input of the bridge rectifier (3) or various diodes of the bridge rectifier (3) short-circuited. As a result, the electrical energy taken in a quarter-net period will be wholly or partially returned to the public power grid in the following quarter-wet period. It is an energy return control. Thus, the power supply (1) according to the invention is optimized for the energy return. Thus, no or only low energy is destroyed in the power supply, resulting in a lossless or low-loss power supply.
Description
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Verlustfreies bzw. Verlustarmes NetzteilLoss-free or low-loss power supply
Die Erfindung betrifft ein verlustfreies bzw. verlustarmes Netzteil, welches einen elektrischen Verbraucher, wie z.B. eine elektronische Schaltung, aus dem Öffentlichen Energienetz speist. 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 benötigtThe invention relates to a loss-free or low-loss power supply, which has an electrical load, such as. an electronic circuit powered by the Public Energy Network. In this case, a method is used, which controls the removal of energy from the public grid demand-dependent in load fluctuations, i. returns if 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 Femwartung. 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. Für den Anschluss eines leistungsarmen elektronischen Gerätes an das öffentliche Netz benötigt man daher in Zukunft einen Netzteil mit geringer Eigenleistung, sprich einen „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 2/14 1 ·* ·· ···♦ ·«♦· • . • • · · ♦ • • • ·· • :» · · • ♦ ♦♦ ·· ·' • • · · · • • ···· • • · · · • · • • • • · * · ·· • ··· ein bzw. ausschalten, Fenster öffnen bzw. schließen oder generell sämtliche Ausstattungen in und außerhalb von Gebäuden über elektrische Antriebe verstellen. Verbraucht dieses Steuergerät wenig Leistung, so benötigt das zugehörige Netzteil nur dann einen Trenntransformator (Eigenleistung 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 Spannuhgsteilung führt. Wegen der 90° Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, erzeugt der für diesen Zweck geeignete Netzkondensator 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.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 ongoing 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. For the connection of a low-power electronic device to the public network, therefore, you need in the future a power supply with low own power, that is a "zero-power power supply". Such electronic devices are usually control devices, which if necessary bring the shading electrically in the desired position, lighting 2/14 1 · * ·· ··· ♦ · «♦ · •. •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• • ··· switch on or off, open or close windows or generally adjust all equipment in and outside of buildings via electric drives. If this control unit consumes little power, the associated power supply only needs an isolating transformer (own power 3 to 5 watts), if a galvanic isolation 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. Therein, in principle, two capacitors are connected in series via a rectifier, which leads to a capacitive Spannuhgsteilung. Because of the 90 ° phase shift between current and voltage, the suitable for this purpose mains 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, e.g., VDR or Zener diode, is required, which naturally results in 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 (Netzteil) für verteilte Gebäudebedien- bzw. Steuerungselektronik anzugeben, welche lastabhängig die dem Öffentlichen Netz entnommene elektrische Energie teilweise bzw. völlig wieder zurück gibt und dadurch die Verlustleistung im Netzteil nahezu auf Null reduziert. Man kann somit 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 (power supply) for distributed Gebäudebedien- or control electronics, which load-dependent the public network taken electrical energy partially or completely returns and thus the power loss in the power supply almost reduced to zero. One can thus speak of a "zero-power power supply".
Dies wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Anwendungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. 3/14 2 ·· • • ·· • · ···· • j... • • · • • • • • • · • • • • • • ·«»· • ·· • • · • · • » M • • · · • • ·This is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims. 3/14 2 ·· • • ·· • ····· • j ... • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • »M • • · · • • ·
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 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 Viertelnetzperiode aufgenommene elektrische Energie in der folgenden Viertelnetzperiode wieder 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 vernichtet werden muss.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. This allows load-dependent energy extraction 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 event of a short circuit, the electrical energy received in a quarter-wet period is completely returned to the network in the following quarter-wet period. 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 (e.g., capacitor, battery, ...) must be provided, i. 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 destroyed.
Um nun insbesondere keine „Überschussenergie“ entstehen zu lassen, wird der Brückengleichrichter speziell betrieben, das heißt entweder in der Halb- oder in 4/14 3 der Vollwellengleichrichtung, wobei in der Vollwellengleichrichtung in beiden Halbwellen Energie aus dem Netz in den Energiespeicher geliefert wird. Die Umschaltung zwischen 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 Sehaltelement so angesteuert, dass der Übergang zwischen den beiden Gleichrichterprinzipen kontinuierlich erfolgt. Mit dieser Methode ist eine lastabhängige Energieentnahme zwischen 50 und 100% möglich, wodurch die Verlustleistung im Netzteil reduziert wird.In order to give rise in particular no "excess energy", the bridge rectifier is operated specifically, that is either in the half or in 4/14 3 of the full wave rectification, being supplied in the full wave rectification in both half-waves energy from the network in the energy storage. The switching between 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 and thereby the Sehaltelement so controlled that the transition between the two rectifier principles is carried out continuously. With this method, a load-dependent energy extraction between 50 and 100% is possible, 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 Spezialkompönenten 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 special electronic components are required for this structure. In addition, the simple and proven process of all digital circuits can be used to design an IC, which can then be used to build Green Electronics.
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,Showing each schematically
Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Netzteils mit lastabhängiger Energieentnahme von 0 bis 100%.Fig. 1 is a block diagram of the power supply according to the invention with load-dependent energy extraction from 0 to 100%.
Fig. 2 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Netzteils mit lastäbhängiger Energieentnahme von 50 bis 100%. 5/14 4 ·· M ··«· ···· • • • · · · · ·' • ·· 4: ·, .· ♦ · ··· • · • • · · · • ···♦ • • · · · · · ·· ·· ·*.* ·. ··· : • ·«·Fig. 2 is a block diagram of the power supply according to the invention with lastäbhängiger energy extraction of 50 to 100%. 5/14 4 ···················································································································································································································· • • · · · · · · · · · · · · ·. ···: • · «·
Entsprechend der Fig. 1, weist das erfindungsgemäße Netzteil 1 eine kapazitive Strombegrenzung 2, einen Brückengleichrichter 3, sowie einen 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 dem Energiespeicher 4 entnommen wird, kann über den Messregler 6 das Schaltelement 7 entsprechend lange den Brückengleichrichter 3 am Ausgang kurzschließen. Somit wird die in der vorherigen Viertelnetzperiode entnommene elektrische Energie in der folgenden Viertelnetzperiode wieder vollständig ah das Netz zurückgegeben. Wird tatsächlich elektrische Energie benötigt, so öffnet über den Messregler 6 bedarfsabhängig das Schaltelement 7 und der Brückengleichrichter 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.According to FIG. 1, the power supply 1 according to the invention has a capacitive current limit 2, a bridge rectifier 3, and an energy store 4. The electrical energy is supplied 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 removed from the energy storage 4, the switching element 7 can short-circuit the bridge rectifier 3 at the output via the measuring controller 6 for a correspondingly long time. Thus, the electrical energy extracted in the previous quarter-network period is completely returned to the network in the following quarter-network period. If electrical energy is actually required, the switching element 7 opens on the measuring controller 6 as required, and the bridge 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 dissipation will occur therein.
Mit dieser beschriebenen Methode wird bedarfsabhängig die dem Öffentlichen Netz entnommene elektrische Energie wieder zurückgegeben. Erfolgt das Kurzschließen mit dem Schaltelement 7 am Eingang des Brückengleichrichters 3, so werden die Verluste am Brückengleichrichter 3 noch zusätzlich eliminiert. 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 dem Netz entnehmen, was zu Spitzenbelastung im Öffentlichen Netz führt.With this described method, the electrical energy taken from the public grid is returned as required. If the short-circuiting with the switching element 7 at the input of the bridge rectifier 3, the losses of the bridge rectifier 3 are additionally eliminated. 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 that always take the energy at the voltage peak from the network, resulting in peak load in the public network leads.
Entsprechend der Fig. 2, weist das erfindungsgemäße Netzteil 1 eine kapazitive Strombegrenzung 2, einen Brückengleichrichter 3, sowie einen 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 6/14 5 • · ·· ···© ···· · • · • · • • · • • · • · • • · e · · « • · • • ··· • · • · • · • · ·· ··' ·· ··· · •According to FIG. 2, the power supply 1 according to the invention has a capacitive current limit 2, a bridge rectifier 3, and an energy store 4. 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 case of 6/14 5 • · ····· © ···· · • • • • • • • • • • • • • • • • • • • · · · · ··················· •
Auftretens einer Überschussenergie am Energiespeicher 4 wird diese am Überspannungselement 5 vernichtet. Erkennt der Messregler 6 dass mehr Energie aus dem Energiespeicher 4 entnommen wird, so wird das 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. ***** 7/14 6Occurrence of excess energy at the energy storage 4, this is destroyed at the overvoltage element 5. Detects the measuring controller 6 that more energy is removed from the energy storage 4, the switching element 7 is opened and thus switched to full wave rectification, whereby more energy from the network enters the energy storage 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. ***** 7/14 6
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- 2014-04-25 WO PCT/AT2014/000082 patent/WO2014172724A1/en active Application Filing
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