CN105048804B - 用于具有高电流需求的小型耗电器的电容器式电源 - Google Patents

用于具有高电流需求的小型耗电器的电容器式电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于具有高电流需求的小型耗电器的电容器电源部分。提出一种用于将电源电压（U）变换成针对控制器（10）的较低运行电压（V1）和针对小型耗电器（8）的供电电压（V2）的电容器电源部分。由电源电容器（31）和齐纳二极管（33）构成的串联电路处于电源电压（U）上，在所述齐纳二极管处分接针对具有允许运行电压的小型耗电器（8）的供电电压（V2）。根据本发明规定，将供电电压（V2）设计为大于小型耗电器（8）的允许运行电压并且通过降压转换器（7）将小型耗电器（8）连接到供电电压（V2）上。在此，降压转换器（7）作为具有可变运行频率的电流源被控制。

Description

用于具有高电流需求的小型耗电器的电容器式电源
技术领域
本发明涉及用于将电源电压变换成针对控制器和小型耗电器的较低供电电压的电容器式电源。
背景技术
电容器式电源构成简单构造的电源部分，以便直接从电源电压导出电子设备所需的运行电压，而不需要变压器或电流隔离。由电源电容器、串联电阻和整流二极管构成的串联电路直接处于电源电压，其中例如通过齐纳二极管－并且优选地平滑电容器－来分接所期望的用于运行控制器和/或小型耗电器的运行电压。在此，应将从电源电压导出的运行电压与小型耗电器的允许运行电压相匹配。
这样的电容器式电源的缺点在于，电源部分的最大输出电流是由电容器式电源的具体构件预先给定的。在电容器式电源中所使用的电源电容器、例如所谓的X2电容器由于其高的电抗而仅允许电源部分的小输出电流，使得例如除了控制器或这一类的微处理器之外在电容器式电源处不能容易地运行具有较高电流需求的附加的小型耗电器。这样的小型耗电器可以是光学显示器、例如LED形式的光学显示器。如果LED的运行电流太低，则该LED不发光或仅仅非常微弱地发光，使得光学显示器尤其是在日光下对于用户而言是几乎不可辨认的。
发明内容
本发明所基于的任务是，改进构成前序部分的类型的电容器式电源，使得为小型耗电器提供供电电压，其中也可以可靠地给具有较大电流消耗的小型耗电器供应该供电电压。
根据本发明，该任务通过根据本发明的用于将电源电压变换成较低的运行电压和供电电压的电容器式电源来解决。
由电容器式电源提供的针对小型耗电器的供电电压被设计为大于小型耗电器的允许运行电压，并且因此不能容易地施加到小型耗电器上。根据本发明，供电电压通过降压转换器连接到小型耗电器上，其中降压转换器由控制器作为具有可变运行频率的电流源来控制。因此，可以以简单的方式来设定小型耗电器的允许运行电流。
本发明的核心在于组合导致所提出的任务的解决的多个特征。首先，从电容器式电源导出的供电电压被提高，被选择为至少明显大于要连接的小型耗电器的允许运行电压。为了现在将小型耗电器连接到－太高的－供电电压上，使用降压转换器，该降压转换器优选地自由振荡。该降压转换器由控制器接通和关断，其中设定这样的运行频率，使得可以可靠地借助于太高的供电电压无损地运行小型耗电器。在此，降压转换器可以作为小型耗电器的电流源由控制器来运行。
根据本发明，运行具有这样的供电电压的电压源，使得由其提供的能量足以给所有所连接的小型耗电器供电。供电电压的提高－即使在电流保持不变的情况下－结果也导致更高的可用的功率（P=U∙I），使得对于所有连接到电压源上的小型耗电器而言能量足够可供用于按规定的运行。各个耗电器的运行电流的提高通过借助于开关电源部分－在该实施例中借助于降压转换器－的转换变为可能。
尤其是降压转换器作为针对小型耗电器被匹配的恒流源运行，也就是说，电流被设定到小型耗电器的适宜的允许运行电流。为此，流过小型耗电器的电流以简单的方式被检测和分析。适宜地，流过小型耗电器的电流被检测并且通过比较器与参考电流比较。在超过参考电流的情况下，比较器将断开布置在小型耗电器的电路中的电子开关；在低于参考电流的情况下，闭合开关。因此根据所检测的实际流动的电流，由比较器断开和闭合小型耗电器的电路中的电子开关，使得出现与小型耗电器的允许运行电流相对应的平均电流。降压转换器与比较器组合作为一种调节回路被切换。
由于电容器式电源被用于运行控制器，因此可以利用存在于控制器中的比较器来切换降压转换器。用于运行小型耗电器的电子费用因此可以被保持为低的。
为了衰减所出现的电流变化，在小型耗电器的电路中布置有线圈。该线圈与小型耗电器电气串联。
为了检测小型耗电器的电路中的电流，适宜地设置用于电流测量的分流电阻。分流电阻的电势通过比较器与参考电压比较，该参考电压与小型耗电器的允许运行电流成比例。
降压转换器可以作为由控制器控制的用于接通或关断小型耗电器的开关来运行。由于为了调节运行电流总归接通和关断降压转换器，因此也可以通过设定参考值（例如参考值零）来进行小型耗电器的持久切断。因此不需要用于小型耗电器的附加开关。
小型耗电器适宜地是光学显示器、尤其是LED。LED利用恒定电流来运行，由此可以简单地设定每个所期望的亮度。通过比较器，LED不仅可以被切换为持久发光，而且可以闪烁地运行。为了闪烁，例如可以延迟比较器的用于接通电子开关的输出信号。
与电源电容器串联地在第二齐纳二极管处分接针对控制器的运行电压，其中该运行电压与控制器的结构形式、尤其是控制器的允许运行电压相匹配。
附图说明
本发明的另外的特征从权利要求书、说明书和附图中得出，在附图中示出了随后详细描述的本发明的实施例。
图1示出用于运行电驱动电动机的电路的示意图，
图2以示意图示出电容器式电源的电路原理图，
图3以示意图示出由比较器控制的用于运行光学显示器的降压转换器的电路原理图。
具体实施方式
图1中所示的电驱动电动机1是所谓的通用电动机、优选地单相串联电动机。电驱动电动机1与功率输出级2串联，该功率输出级包含用于使通用电动机开始使用的开关元件、如三端双向交流开关（Triac's）等等。由电驱动电动机1和功率输出级2构成的串联电路处于电源电压U。
功率输出级2的电子开关元件、在该实施例中三端双向交流开关由控制装置3来运行，该控制装置为了触发三端双向交流开关而外加负的触发电流。触发功率输出级2的三端双向交流开关的时间顺序由控制器10、例如由微处理器来监视。
一方面为了提供控制器10的运行电压并且另一方面为了提供用于功率输出级2的三端双向交流开关的控制装置3的供电电压，设置有电容器式电源4。电容器式电源4为被设置为微处理器的控制器10提供－尤其是正的－运行电压V1，并且为功率输出级2的控制装置3提供－尤其是负的－供电电压V2。
在图2中以原理构造示出了这样的电容器式电源4。该电容器式电源主要由电源电容器31和齐纳二极管32的串联电路构成，该串联电路施加在形成交变电压的电源电压U上。与电源电容器31串联地补充有欧姆负载电阻30以及针对电源电压U的半波的整流二极管34。与齐纳二极管32并联的是电容器35。根据整流二极管34、齐纳二极管32和电容器35的布置，并行地设置有另一电支路，该电支路由与第一整流二极管34反并联的整流二极管36构成，该整流二极管经由另一齐纳二极管33和与齐纳二极管33并联的电容器37经由电源电容器31处于电源电压U。
电容器35和37优选地是电解质电容器或陶瓷电容器，并且既用于平滑电压V1或V2，又用于存储用于桥接截止半波的能量。在电容器35处分接正运行电压V1；在电容器37处分接负供电电压V2。齐纳二极管32和33是根据所期望的电压V1或V2设计的。在该实施例中，齐纳二极管32具有高度为运行电压V1、例如5伏的击穿电压。在该实施例中，齐纳二极管33具有高度为供电电压V2、例如16伏的击穿电压。
运行电压V1是正电压V；供电电压V2是负电压-V。
由结构形式决定地，利用如图2中示意性示出的电容器式电源只能在相应电压源处提供有限的输出电流、例如大约10mA的输出电流。
如果利用这样的电容器式电源4除了控制器10的电压供应之外还应当控制光学显示器5（图1）、例如LED 6，则电容器式电源4迅速达到其功率极限。因此，为了运行LED 6在3伏时需要大约20mA，使得电容器式电源4只能不充分地满足小型耗电器8、在该实施例中LED6的能量供应，因为在3伏时所提供的功率仅仅为30mW，但是对于LED 6的按规定的运行而言需要60mW。
根据本发明现在规定，电压源利用这样的供电电压V2来运行，使得由该电压源提供的能量足以给一个或甚至多个所连接的小型耗电器8充分地供应能量。通过提高供电电压V2－即使在电流保持不变的情况下－结果也提供更高的可用的功率P=U∙I，使得针对一个或所有连接到供电电压V2的电压源上的小型耗电器而言，能量充分可供用于按规定的运行。因为供电电压V2可能高于小型耗电器8的允许运行电压，因此小型耗电器8通过降压转换器7连接到电压源上。通过借助于开关电源部分－在本实施例中借助于降压转换器7－转换电压，可以与小型耗电器8相匹配地设定运行电流，该运行电流可以高于来自电容器式电源4可能的例如10mA的供电电流。所连接的小型耗电器因此也可以利用高于10mA的运行电流来运行。多个小型耗电器8通过各一个降压转换器7连接到电压源V2上，使得针对每个耗电器可以设定相匹配的运行电流。
在所示实施例中规定：在电容器式电源4中将负供电电压V2的齐纳二极管33设计为使得提供如下的供电电压：该供电电压例如比小型耗电器的允许运行电压更高、优选地为其多倍、即在本实施例中为对于LED 6的运行所允许的运行电压的多倍。供电电压V2例如可以被选择为小型耗电器的允许运行电压的3倍至5倍、即在所示出的实施例中为光学显示器5的LED 6的允许运行电压的3至5倍。为了在不允许地高的供电电压V2时能够实现光学显示器5或LED 6的运行，设置有降压转换器7，该降压转换器优选地作为小型耗电器8的电流源被控制。在图1中以框图示出了降压转换器7。降压转换器7－优选地设置在降压转换器7中的开关－通过控制线9由控制器10来控制；通过反馈线11，向控制器10通知在降压转换器7中流动的电流I。供电电压V2通过降压转换器7被接入小型耗电器8，在该实施例中，利用供电电压V2来运行光学显示器5的LED 6。
在图3中示意性地再现了降压转换器7。小型耗电器、在该实施例中光学显示器5的LED 6通过线圈12和电子开关S连接到负供电电压V2上；通过分流电阻13，LED 6接地地20。与LED 6分别并联有缓冲电容器16和齐纳二极管14。齐纳二极管14的击穿电压例如是根据LED 6的允许运行电压来选择的；齐纳二极管14的击穿电压适宜地稍微处于LED 6的允许运行电压之下。在线圈12与电子开关S之间设置有空转二极管40，该空转二极管在流动方向上接地，也即是说，空转二极管40的阴极与地连接。
降压转换器7通过控制线9和反馈线11与优选地存在于控制器10中或微处理器中的比较器15连接。控制线9形成比较器15的输出端；反馈线11处于比较器15的第一输入端17处。参考电压Vref优选地通过开关19连接到比较器15的第二输入端18上。开关19适宜地是控制器10的软件开关。
通过反馈线11，向比较器15输送分流电阻13上的电压电势；分流电阻13上的电压电势与通过LED 6的运行电流I成比例。
连接到第二输入端18上的参考电压Vref例如对应于应通过降压转换器7输送给LED6的最大允许运行电流I。如果第一输入端17上的电势小于通过闭合的开关19接入第二输入端19的参考电压Vref，则比较器15被连通并且操作开关S，使得高的负供电电压V2被接入到LED 6上。在此，一方面给缓冲电容器16充电并且－如果达到了允许运行电压－通过变为导通的齐纳二极管14来防止缓冲电容器16上的进一步电压升高。流过LED 6的电流I升高，直到在分流电阻13上分接出的电压达到预先给定的参考电压 Vref的大小；接着比较器15断开开关S，以便抑制进一步的电流升高。电流I在开关S断开的情况下变得更小，由此施加在输入端17上的电压电势下降到低于参考电压Vref，使得比较器15再次连通并且开关S闭合。由此得到自由振荡的降压转换器7，利用该降压转换器，光学显示器、如LED 6或其它小型耗电器8也可以以所需运行电流来运行，而不超过电容器式电源4的允许输出电流。
因为参考电压Vref通过由控制器10控制的开关19被接入，因此通过断开和闭合开关19可以实现LED 6的接通和关断，而不附加地需要机械开关。
如果由控制器10预先给定降压转换器4的运行频率，则可以任意设定LED 6的亮度并且甚至实施LED 6的闪烁。除此之外，通过根据本发明的电路提供如下的可能性，即借助于供电电压V2运行、例如间歇性地运行多于仅仅一个的小型耗电器。通过预先给定参考电压Vref，也可以任意设定LED 6的亮度。

Claims (12)

1.一种用于将电源电压（U）变换成较低的运行电压（V1）和供电电压（V2）的电容器式电源，
其中所述电容器式电源（4）由如下串联电路组成，该串联电路由至少一个电源电容器（31）和齐纳二极管（33）构成，并且
所述电源电压（U）施加在由所述电源电容器（31）和所述齐纳二极管（33）构成的所述串联电路上，
其中所述电容器式电源（4）为控制器（10）提供所述较低的运行电压（V1），
并且所述电容器式电源为小型耗电器（8）提供所述供电电压（V2），
所述小型耗电器（8）具有允许运行电压，
并且在所述齐纳二极管（33）处分接针对所述小型耗电器（8）的所述供电电压（V2），
其特征在于，
在所述齐纳二极管（33）处分接的针对所述小型耗电器（8）的所述供电电压（V2）大于所述小型耗电器（8）的允许运行电压，
所述小型耗电器（8）通过降压转换器（7）连接到所述供电电压（V2）上，
并且所述降压转换器（7）作为具有可变运行频率的电流源被控制。
2.根据权利要求1所述的电容器式电源，
其特征在于，所述降压转换器（7）作为针对所述小型耗电器（8）被匹配的恒流源被控制。
3.根据权利要求1所述的电容器式电源，
其特征在于，流过所述小型耗电器（7）的电流（I）被检测并且通过比较器（15）与参考值（Vref）比较，并且所述比较器（15）根据所检测的电流（I）断开和闭合所述小型耗电器（8）的电路中的开关（S）。
4.根据权利要求3所述的电容器式电源，
其特征在于，所述比较器（15）布置在所述控制器（10）中。
5.根据权利要求1所述的电容器式电源，
其特征在于，在所述小型耗电器（8）的电路中布置有用于衰减电流（I）的线圈（12）。
6.根据权利要求1所述的电容器式电源，
其特征在于，在所述小型耗电器（8）的电路中布置有用于电流测量的分流电阻（13）。
7.根据权利要求1所述的电容器式电源，
其特征在于，所述降压转换器（7）作为由所述控制器（10）控制的用于接通或关断所述小型耗电器（8）的开关来运行。
8.根据权利要求1所述的电容器式电源，
其特征在于，所述小型耗电器（8）是光学显示器（5）。
9.根据权利要求8所述的电容器式电源，
其特征在于，所述光学显示器（5）是LED（6）。
10.根据权利要求1所述的电容器式电源，
其特征在于，与所述电源电容器（31）串联地在第二齐纳二极管（32）处分接针对所述控制器（10）的运行电压（V1）。
11.根据权利要求1所述的电容器式电源，
其特征在于，所述供电电压（V2）为所述小型耗电器（8）的允许运行电压的多倍。
12.根据权利要求11所述的电容器式电源，
其特征在于，所述供电电压（V2）为所述允许运行电压的3至5倍。
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