CH658960A5

CH658960A5 - TRANSFORMERLESS POWER SUPPLY CIRCUIT.

Info

Publication number: CH658960A5
Application number: CH6963/82A
Authority: CH
Inventors: Mathis Halder
Original assignee: Landis & Gyr Ag
Priority date: 1982-11-30
Filing date: 1982-11-30
Publication date: 1986-12-15
Also published as: DE3300669A1; DE3300669C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungsschaltung mit galvanischer Trennung für die Gleichstromspeisung von Kleinverbrauchern, insbesondere von statischen Elektrizitätszählern und statischen Tarifgeräten, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a power supply circuit with galvanic isolation for the direct current supply of small consumers, in particular of static electricity meters and static tariff devices, according to the preamble of claim 1.

Bekannte Stromversorgungsschaltungen dieser Art benötigen zur galvanischen Trennung einen Transformator, der technisch aufwendig ist, verhältnismässig viel wertvolles Kupfer erfordert und auch viel Platz beansprucht. Known power supply circuits of this type require a transformer for electrical isolation, which is technically complex, requires a relatively large amount of valuable copper and also takes up a lot of space.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungsschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die galvanische Trennung ohne einen Transformator erfolgt und die weder einen hohen technischen Aufwand noch einen grossen Raumbedarf erfordert. The invention has for its object to provide a power supply circuit of the type mentioned, in which the galvanic isolation takes place without a transformer and which requires neither a high level of technical complexity nor a large space requirement.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. This object is achieved by the features specified in the characterizing part of patent claim 1.

Bei der Erfindung wird von einem bekannten Piezokoppler (Elektronik 6, 26. 3. 1982, S. 85-90) Gebrauch gemacht, der zur potentialfreien Ansteuerung von Transistoren und Thyristoren entwickelt worden ist. Diesem in der Literatur als Piezo-Zündkoppler bezeichneten Piezokoppler wird durch die Erfindung ein neues Anwendungsgebiet erschlossen, das weit ausserhalb des ihm zugedachten Einsatzgebietes liegt. In the invention, use is made of a known piezo coupler (Electronics 6, March 26, 1982, pp. 85-90) which has been developed for the floating control of transistors and thyristors. This piezo coupler, which is referred to in the literature as a piezo ignition coupler, is opened up by the invention to a new field of application which lies far outside the intended field of application.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Stromversorgungsschaltung, 1 is a circuit diagram of a power supply circuit,

Fig. 2 eine Variante, 2 shows a variant,

Fig. 3 eine perspektivische Prinzipdarstellung eines Zünd-kopples mit mehreren Eingangselektrodenpaaren und Fig. 3 is a perspective schematic diagram of an ignition coupler with several input electrode pairs and

Fig. 4 eine weitere Variante. Fig. 4 shows another variant.

In der Fig. 1 bedeuten 1, 2 Eingangsklemmen für den unmittelbaren Anschluss der Stromversorgungsschaltung an eine Netzspannung. Ein Gleichrichter 3 ist eingangsseitig in Reihe mit einem Impedanzglied 4 an die Eingangsklemmen 1, 2 und ausgangsseitig an einen Glättungskondensator 5 angeschlossen. Im dargestellten Beispiel dient als Impedanzglied 4 ein Kondensator und als Gleichrichter 3 ein Brückengleichrichter. Die Schaltung ist so bemessen, dass der grösste Teil der Netzspannung über dem Impedanzglied 4 abfällt und am Glättungskondensator 5 eine Gleichspannung in der Grössenordnung von 20V entsteht. Anstelle der einphasigen Einspeisung und Gleichrichtung ist auch eine dreiphasige Ausbildung des Eingangskreises ohne weiteres möglich. Parallel zum Glättungskondensator 5 liegt eine Zenerdiode 6, die normalerweise stromlos ist und nur bei einer Überspannung an den Eingangsklemmen 1, 2 oder beim Ausfall eines Bauteils der Schaltungsanordnung die Spannung über dem Glättungskondensator 5 begrenzt. In Fig. 1, 1, 2 mean input terminals for the direct connection of the power supply circuit to a mains voltage. A rectifier 3 is connected on the input side in series with an impedance element 4 to the input terminals 1, 2 and on the output side to a smoothing capacitor 5. In the example shown, a capacitor serves as an impedance element 4 and a bridge rectifier as a rectifier 3. The circuit is dimensioned such that the majority of the mains voltage drops across the impedance element 4 and a DC voltage of the order of magnitude of 20 V is produced at the smoothing capacitor 5. Instead of the single-phase feed and rectification, a three-phase design of the input circuit is also easily possible. Parallel to the smoothing capacitor 5 is a zener diode 6, which is normally de-energized and only limits the voltage across the smoothing capacitor 5 in the event of an overvoltage at the input terminals 1, 2 or in the event of a component of the circuit arrangement failing.

Parallel zum Glättungskondensator 5 liegt ferner der Eingang eines Zerhackers 7, der einen Eingangsanschluss 8, einen Ausgangsanschluss 9 und einen dem Eingang und dem Ausgang gemeinsamen Anschluss 10 aufweist. Der Ausgang des Zerhackers 7 ist an die beiden Eingangselektroden 11, 12 eines Piezokopplers 13 angeschlossen. Die beiden Ausgangselektroden 14, 15 des Piezokopplers 13 sind über einen Gleichrichter 16, vorzugsweise einen Brückengleichrichter, auf einem Glättungskondensator 17 geschaltet. Ein Spannungsstabilisator, der im dargestellten Beispiel aus einem niederohmigen Widerstand 18 und einer mit diesem in Reihe geschalteten Zenerdiode 19 besteht, ist eingangsseitig mit den beiden Anschlüssen des Glät-tungskondensators 17 und ausgangsseitig mit Ausgangsklemmen 20, 21 der Stromversorgungsschaltung verbunden. Parallel to the smoothing capacitor 5 is also the input of a chopper 7, which has an input connection 8, an output connection 9 and a connection 10 common to the input and the output. The output of the chopper 7 is connected to the two input electrodes 11, 12 of a piezo coupler 13. The two output electrodes 14, 15 of the piezo coupler 13 are connected to a smoothing capacitor 17 via a rectifier 16, preferably a bridge rectifier. A voltage stabilizer, which in the example shown consists of a low-resistance resistor 18 and a Zener diode 19 connected in series therewith, is connected on the input side to the two connections of the smoothing capacitor 17 and on the output side to output terminals 20, 21 of the power supply circuit.

Der Zerhacker 7 besteht im dargestellten Beispiel aus einem integrierten Schaltkreis 22 mit zwei Invertern 23, 24, aus zwei Widerständen 25, 26 und einem Kondensator 27. Der Schaltkreis 22 ist von der über dem Glättungskondensator 5 abfallenden Gleichspannung gespeist. Die Inverter 23, 24 sind unter Ausnutzung der Eingangsimpedanz des Piezokopplers 13 rückgekoppelt. Die Zerhacker-Frequenz stellt sich selbsttätig auf die Resonanzfrequenz des Piezokopplers 13 ein. In the example shown, the chopper 7 consists of an integrated circuit 22 with two inverters 23, 24, two resistors 25, 26 and a capacitor 27. The circuit 22 is fed by the direct voltage dropping across the smoothing capacitor 5. The inverters 23, 24 are fed back using the input impedance of the piezo coupler 13. The chopper frequency adjusts itself automatically to the resonance frequency of the piezo coupler 13.

Die beschriebene Stromversorgungsschaltung arbeitet wie folgt: The described power supply circuit works as follows:

Die an die Eingangsklemmen 1, 2 angelegte Netzwechselspannung wird durch einen Spannungsteiler, der aus dem Impedanzglied 4 und der an den Gleichrichter 3 angeschlossen Last besteht, auf einen niedrigen Wert geteilt, gleichgerichtet und geglättet. Die so entstehende Gleichspannung wird durch den Zerhacker 7 in eine rechteckförmige Pulsspannung mit einem Impuls-Pausen-Verhältnis von etwa 1:1 umgeformt, wobei die Zerhacker-Frequenz wenigstens annähernd gleich gross ist wie die Resonanzfrequenz des Piezokopplers 13 und in der Grössenordnung von 90 kHz liegt. Der Piezokoppler 13 überträgt diese Wechselspannung unter galvanischer Trennung annähernd im Verhältnis 1:1. Anschliessend wird die Wechselspannung wieder gleichgerichtet, geglättet und stabilisiert. An den Ausgangsklemmen 20, 21 steht eine Gleichspannung von z.B. 5, 10 oder 15 Volt zur Speisung von Kleinverbrauchern, vorzugsweise von statischen Elektrizitätszählern und statischen Tarifgeräten, zur Verfügung. Die Kopplung über den Piezokoppler 13 ist lose, d.h. bei Leerlauf und bei Kurzschluss an seinem Ausgang 14, The mains AC voltage applied to the input terminals 1, 2 is divided, rectified and smoothed by a voltage divider, which consists of the impedance element 4 and the load connected to the rectifier 3, to a low value. The resulting DC voltage is converted by the chopper 7 into a rectangular pulse voltage with a pulse-pause ratio of approximately 1: 1, the chopper frequency being at least approximately the same size as the resonance frequency of the piezo coupler 13 and of the order of 90 kHz lies. The piezo coupler 13 transmits this AC voltage approximately 1: 1 with galvanic isolation. The AC voltage is then rectified, smoothed and stabilized again. At the output terminals 20, 21 there is a DC voltage of e.g. 5, 10 or 15 volts are available for supplying small consumers, preferably static electricity meters and static tariff devices. The coupling via the piezo coupler 13 is loose, i.e. at idle and in the event of a short circuit at its output 14,

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

658 960 658 960

15 ist an seinem Eingang 11, 12 das gleiche Ersatzschaltbild gültig. Der Eingangsstrom der Stromversorgungsschaltung ist daher von der an diese angeschlossenen Last unabhängig. 15, the same equivalent circuit diagram is valid at its input 11, 12. The input current of the power supply circuit is therefore independent of the load connected to it.

Zur Erhöhung der verfügbaren Ausgangsleistung zwischen dem Zerhacker 7 und dem Gleichrichter 16 ein weiterer Piezokoppler angeordnet werden. Gemäss der Fig. 2 wird ein solcher zusätzlicher Piezokoppler 13' vorteilhaft im Gegentaktbetrieb angesteuert. Dabei sind die Eingangselektroden 11 und 11' der Piezokoppler 13 und 13' mit dem Ausgangsanschluss 9 des Zerhackers 7 verbunden. Die Eingangselektrode 12 des Piezokopplers 13 ist an den Anschluss 10 (Bezugspotential) und die Eingangselektrode 12' des Piezokopplers 13' an den Anschluss 8 (positives Potential) geschaltet. Die Ausgangselektroden 14 und 14' sowie 15 und 15' sind jeweils miteinander und mit einem Anschluss des Gleichrichters 16 verbunden. Die Gegentaktan-steuerung ergibt einen besseren Übertragungswirkungsgrad als die Parallelschaltung zweier Piezokoppler. A further piezo coupler can be arranged between the chopper 7 and the rectifier 16 in order to increase the available output power. 2, such an additional piezo coupler 13 'is advantageously actuated in push-pull mode. The input electrodes 11 and 11 'of the piezo couplers 13 and 13' are connected to the output terminal 9 of the chopper 7. The input electrode 12 of the piezo coupler 13 is connected to the connection 10 (reference potential) and the input electrode 12 'of the piezo coupler 13' is connected to the connection 8 (positive potential). The output electrodes 14 and 14 'and 15 and 15' are each connected to one another and to a connection of the rectifier 16. Push-pull control results in better transmission efficiency than connecting two piezo couplers in parallel.

Um eine Spannungsuntersetzung zu erzielen, können die Eingangselektrodenpaare 11, 12 und 11', 12' der beiden Piezokoppler 13, 13' in Reihe und die Ausgangselektrodenpaare 14, 15 und 14', 15' parallel geschaltet werden. In order to achieve a voltage reduction, the input electrode pairs 11, 12 and 11 ', 12' of the two piezo couplers 13, 13 'can be connected in series and the output electrode pairs 14, 15 and 14', 15 'in parallel.

Zum gleichen Zweck kann ein einziger, gemäss der Fig. 3 modifizierter Piezokoppler 28 verwendet werden, der mehrere Eingangselektrodenpaare 29, 30 bzw. 31, 32 bzw. 33, 34 und ein einziges Ausgangselektrodenpaar 35, 36 aufweist. Dabei sind die Eingangselektrodenpaare elektrisch in Reihe geschaltet, d.h. die erste obere Elektrode 29 ist mit dem Ausgangsanschluss 9 des Zerhackers 7, die erste untere Elektrode 30 mit der zweiten oberen Elektrode 31, die zweite untere Elektrode 32 mit 5 der dritten oberen Elektrode 33 und die dritte untere Elektrode 34 mit dem Anschluss 10 des Zerhackers 7 verbunden. For the same purpose, a single piezocoupler 28 modified according to FIG. 3 can be used, which has a plurality of pairs of input electrodes 29, 30 or 31, 32 or 33, 34 and a single pair of output electrodes 35, 36. The input electrode pairs are electrically connected in series, i.e. the first upper electrode 29 is with the output terminal 9 of the chopper 7, the first lower electrode 30 with the second upper electrode 31, the second lower electrode 32 with 5 the third upper electrode 33 and the third lower electrode 34 with the terminal 10 of the chopper 7 connected.

Bei Verwendung zweier Piezokoppler 13, 13', die eingangsseitig in Reihe oder parallel geschaltet sind, ist es auch möglich, gemäss der Fig. 4 ihre Ausgangselektrodenpaare 14, 15 und io 14', 15' in Reihe mit den Eingangsklemmen des Gleichrichters 16 zu verbinden, so dass sich die Ausgangsspannungen der beiden Piezokoppler 13, 13' addieren. Dabei können zwei in Reihe geschaltete Glättungskondensatoren 37, 38 an die Ausgangsklemmen des Gleichrichters 16 angeschlossen und der Verbin-15 dungspunkt der beiden Glättungskondensatoren 37, 38 mit dem Verbindungspunkt der beiden Ausgangselektroden 14, 14' der Piezokoppler 13, 13' sowie mit dem Bezugspotential der Stromversorgungsschaltung verbunden werden. Über dem Glättungskondensator 37 kann dann eine gegenüber dem Bezugspotential 20 positive und über dem Glättungskondensator 38 eine negative Speisespannung abgegriffen werden. When using two piezo couplers 13, 13 ', which are connected in series or in parallel on the input side, it is also possible, according to FIG. 4, to connect their output electrode pairs 14, 15 and io 14', 15 'in series with the input terminals of the rectifier 16 , so that the output voltages of the two piezo couplers 13, 13 'add up. Two smoothing capacitors 37, 38 connected in series can be connected to the output terminals of the rectifier 16 and the connection point of the two smoothing capacitors 37, 38 with the connection point of the two output electrodes 14, 14 'of the piezo couplers 13, 13' and with the reference potential of the Power supply circuit can be connected. A supply voltage that is positive with respect to the reference potential 20 and a negative supply supply via the smoothing capacitor 38 can then be tapped via the smoothing capacitor 37.

Die beschriebene Stromversorgungsschaltung benötigt keinen Transformator, ist einfach und erfordert infolge der sehr geringen Bauhöhe des Piezokopplers und der geringen Anzahl elek-25 trischer und elektronischer Bauteile wenig Raum. The power supply circuit described does not require a transformer, is simple and requires little space due to the very low height of the piezo coupler and the small number of electrical and electronic components.

v v

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1.Transformerless power supply circuit with galvanic isolation for the direct current supply of small consumers, in particular of static electricity meters and static tariff devices, with at least two input terminals for connection to a single-phase or multi-phase mains voltage, at least one rectifier, a smoothing element, a voltage stabilizer and two to the Voltage stabilizer connected output terminals, characterized in that the rectifier (3) is connected on the input side in series with an impedance element (4) to the input terminals (1; 2) and on the output side to the smoothing element (5), that the smoothing element (5) is connected to a chopper (7) is connected that the output (9) of the chopper (7) is connected to the input electrodes (11; 12; 11 ', 12'; 29 to 34) of a piezo coupler (13; 13 '; 28) and that Output electrodes (14; 15; 14 '; 15'; 35; 36) of the piezo coupler (13; 13 '; 28) via a further rectifier he (16) and a further smoothing element (17) are connected to the voltage stabilizer (18, 19).

2. Power supply circuit according to claim 1, characterized by at least one further, between the chopper (7) and the further rectifier (16) connected piezo coupler (13 ').

2nd

PATENT CLAIMS

3. Power supply circuit according to claim 2, characterized in that the piezo couplers (13; 13 ') can be controlled by the chopper (7) in push-pull mode.

4. Power supply circuit according to claim 2, characterized in that the input electrode pairs (11, 12; 11 ', 12') of the piezo coupler (13; 13 ') in series and the output electrode pairs (14, 14'; 15, 15 ') connected in parallel are.

5. Power supply circuit according to claim 1, characterized in that the piezo coupler (28) has at least two input electrode pairs (29, 30 or 31, 32 or 33, 34) connected in series.

6. Power supply circuit according to claim 2 or 3, characterized in that the output electrode pairs (14, 14 '; 15, 15') of the piezo coupler (13; 13 ') are connected in series.

7. Power supply circuit according to one of claims 1 to 6, characterized in that the impedance element (4) is a capacitor.