CN110299852B - 用于供电装置的辅助电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于供电装置的辅助电源，供电装置具有至少一个变压器，其具有初级侧和次级侧。辅助电源提供在供电装置次级侧上的与供电装置运行状态无关的电压供给。辅助电源至少由布置在初级侧的用于产生具有预给定频率的交变电压的频率发生器、布置在次级侧的用于次级侧供给电压的整流器单元和布置在初级侧和次级侧之间的第一和第二电位分离装置组成。第一电位分离装置在初级侧通过例如高欧姆阻抗与频率发生器连接，频率发生器产生的交变电压通过第一电位分离装置可传输。第二电位分离装置与分配给频率发生器的参考电位在初级侧高频耦合并且电容式低欧姆地将次级侧参考电位与初级侧连接。阻抗上的电压降可被考虑用于分析次级侧供给电压。

Description

用于供电装置的辅助电源

技术领域

本发明涉及一种用于供电装置的辅助电源，所述供电装置具有至少一个变压器，所述至少一个变压器具有初级侧和次级侧。由辅助电源提供用于次级侧的与相应的运行状态无关的电压供给。辅助电源在此包括至少一个布置在初级侧的频率发生器、布置在次级侧的用于次级侧的供给电压的整流器单元以及第一和第二电位分离装置，所述第一和第二电位分离装置布置在初级侧和次级侧之间。

背景技术

供电装置通常是独立的设备或组件，其用于用电器、也即设备和/或组件的能量供给。所述用电器在此通常需要与由供电网或供电电流源/电压源提供的电压或电流不同的电压或电流。由供电装置将大多不稳定的、来自于电流源/电压源的直流电压或交变电压转换成通常稳定的并且通常预给定的输出电压。为此，通常使用电压变换器，所述电压变换器具有功率传输器或变压器。作为电压变换器例如使用流量变换器、阻塞变换器或谐振变换器。

借助变压器，将能量从供电装置的初级侧传输到供电装置的次级侧上。供电装置的初级侧在此通常与电网或电流源/电压源连接。在次级侧上通常提供对于相应的用电器所需的输出电压。

在实施为开关电源的供电装置或定时的供电装置的情况下，所传输的瞬时功率值通常直接取决于占空比——也即所应用的开关元件的接通时间与关断时间的比，所述开关元件通常由控制装置来开关。为了相应的控制装置的或整个控制装置的内部供电，因此由供电装置——尤其定时的供电装置使用所谓的辅助电源。

因为总是必须更便宜地生产供电装置，所以例如通常在次级侧上省去辅助电源，因为在次级侧上原本就提供开关电源的输出电压。但是，在供电装置中可能需要的是，设置附加的大多在次级侧的控制电子器件，所述控制电子器件必须独立于开关电源的当前可用的输出电压地被供给能量。此外可能要求，供电装置具有连接可能性，在所述连接可能性中，通过在信号端子上的短路来关断输出电压。在这种情况下也必须确保在开关电源的次级侧上的构件、诸如控制电子器件、控制灯等等的供电。但是，如果开关电源的输出电压不再可供使用——诸如在短路情况下，在远程切断的情况下或者在所谓的待机模式中，则位于变压器的次级侧上的部件只有在使用昂贵的电路的情况下才能够被继续供电。

由目前为止未公开的欧洲专利申请EP 16202606.6已知一种用于具有变压器或初级侧和次级侧的开关电源的辅助电源。由该辅助电源生成用于布置在次级侧的单元的与开关电源的运行状态无关的电压供给并且给直流分离单元加载具有预给定的频率、尤其高频范围内、诸如高的千赫兹或兆赫兹范围内的频率的交变电压，所述交变电压在初级侧由频率发生器产生。该交变电压或交变电流然后可以借助布置在次级侧的整流器单元截取并且被考虑用于布置在次级侧的单元、诸如控制电子器件、控制灯等等的供电。

在由目前为止未公开的文献EP 16202606.6已知的辅助电源中，此外在初级侧上在频率发生器和直流分离单元之间布置有串联电阻，通过所述串联电阻的应用，可以将辅助电源附加地用于信息或信号从次级侧传输到初级侧上。例如可以实施为两个电容器形式的电容式分离单元的直流分离单元通过串联电阻高欧姆地并且逆反地借助由频率发生器产生的高频来控制。如果现在对辅助电源的次级侧输出端例如加载高欧姆的负荷，则这可以在初级侧被识别并且相应地被分析。在此形成的无电位的信号高欧姆地与初级侧耦合。

但是，在目前为止未公开的文献EP 16202606.6中描述的辅助电源尤其在信息或信号从次级侧传输到初级侧上的情况下具有相对于诸如电磁兼容性领域中的干扰、在初级侧和次级侧之间的高频波动或相移、在开关电源中的干扰等等（其影响初级侧的信号分析或测量结果）的相对高的敏感性。

为了减小相对于干扰的敏感性，对于信号分析例如可以附加地使用对信号滤波的电容器。但是，这些途径除了在初级侧应用附加的部件之外还导致测量结果中的一定的不准确性。于是必须容忍或者相对耗费地校正这些不准确性。替代地，例如可以在初级侧使用具有高的共模抑制的快速工作的分析设备或测量设备。但是，这同样与附加的耗费并且主要与用于整个开关电源的显著更高的成本相关联。

发明内容

因此，本发明基于以下任务，说明一种一开始所述类型的用于供电装置的辅助电源，通过所述辅助电源以简单的并且节省成本的方式实现相对于现有技术的改进、尤其主要在高频干扰的情况下更低的干扰敏感性。

所述任务通过一开始所述类型的具有独立专利权利要求的特征的辅助电源来解决。本发明的有利的实施方式在从属权利要求中描述。

根据本发明，所述任务的解决方案通过一种用于供电装置的辅助电源实现，所述供电装置具有至少一个变压器，所述至少一个变压器具有初级侧和次级侧。辅助电源在此提供在所述供电装置的次级侧上的与所述供电装置的运行状态无关的电压供给并且至少由布置在初级侧的用于产生具有预给定的频率的交变电压的频率发生器、尤其高频发生器、布置在次级侧的用于次级侧的供给电压或次级侧的供给电流的整流器单元以及布置在初级侧和次级侧之间的第一和第二电位分离装置组成。初级侧和次级侧的由频率发生器产生的交变电压通过所述第一电位分离装置可传输。在此，第一电位分离装置在初级侧通过阻抗与频率发生器连接。第二电位分离装置与频率发生器的参考电位在初级侧高频（hochfrequenzmäßig）耦合。此外，在阻抗上的电压降可被考虑用于分析次级侧的供给电压。

根据本发明提出的解决方案的主要方面在于，生成用于开关电源的次级侧的辅助电源，其中，对于由频率发生器产生的交变电压的传输使用第一电位分离装置。该交变电压由布置在初级侧的频率发生器产生并且例如可以是矩形的、三角形的或正弦形的。在次级侧，交变电压或交变电流然后借助布置在次级侧的整流器单元截取并且例如被考虑用于布置在次级侧的单元、诸如控制电子器件、控制灯等等的供电。

此外，安装在频率发生器和第一电位分离装置之间的阻抗可以用于信息或信号从次级侧传输到供电装置的初级侧上。如果例如以高欧姆的电阻（例如8k欧姆）加载辅助电源的在次级侧的输出端，则辅助电源的输出端上的次级侧供给电压发生改变。

这也具有对初级侧上——例如在第一电位分离装置的输入端上的交变电压的影响。通过在初级侧改变交变电压，可以确定并且相应地借助在初级侧阻抗上的电压降来分析次级供给电压的改变。

借助第二电位分离装置，次级侧的参考电位尽可能低欧姆地与初级侧耦合。根据本发明的辅助电源因此相对于干扰——尤其通过在初级侧和次级侧之间的高频波动引起的干扰——明显更不敏感。对于分析从次级侧传输到初级侧上的信号或信息，因此既不需要借助电容器的滤波，又不需要耗费的和昂贵的测量设备，所述滤波导致不准确性。因为在根据本发明的辅助电源中仅仅使用电位分离装置用于传输，所以根据本发明的电路也可以相对简单并且成本有利地实现。

此外有利的是，在初级侧在所述第二电位分离装置之前连接有阻抗用于与所述频率发生器的参考电位耦合。该阻抗也可以实施为短路——也即实施为具有0欧姆的电阻。但是，在初级侧与第二电位分离装置串联布置的、低欧姆的阻抗（例如100欧姆）可以用作防止例如从初级侧到次级侧的高的电压脉冲的保护电阻。

根据本发明的辅助电源的一个符合目的的构型规定，在初级侧布置有分析单元，借助所述分析单元可以分析次级侧的供给电压。由分析单元将初级侧的交变电压的或阻抗上的电压降的变化考虑用于分析，通过所述阻抗，第一电位分离装置与频率发生器连接。由电压降例如可以在初级侧上的已知的阻抗的情况下导出辅助电源的输出端上的电阻。分析在此可以例如以模拟的方式或以数字的方式实现，并且相应的分析结果然后相应地被进一步处理——例如作为用于控制单元的信号，等等。通过这种简单的方式，可以通过在次级侧上的被动信号——诸如布置在根据本发明的辅助电源的输出端上的接触部的断开和闭合——或者通过根据本发明的辅助电源的输出端上的电阻的变化来将信息传输到初级侧。用于在辅助电源的输出端上的次级侧信号的接触部是无电位的并且可以例如置于地电位或其他参考电位上。通过整流器单元因此也可能的是，实现在较长的距离上或在较长的线路上的短路接触，因为仅仅必须开关直流电。

理想地，第一和第二电位分离装置借助电容器来实现。能量因此从初级侧电容式地传输到次级侧上。此外，电容器的应用提供以下优点：可以使用标准部件并且可以以紧凑的结构型式和成本有利地实现辅助电源。出于安全原因，借助其来实现直流分离单元的电容器实施为所谓的Yl-电容器。

根据本发明的辅助电源的一种优选的扩展方案规定，作为电位分离装置使用的电容器的电容值可以从一电容范围内选择。在此，所述电容范围的上边界通过在50赫兹和/或60赫兹的频率下针对人员保护的漏电流来预给定。所述电容范围的下边界可以在通过所述频率发生器预给定的频率下由待传输的电流导出。例如对于作为电位分离装置使用的两个电容器可以选择相同大小的电容值。替代地，例如也可以对于第二电位分离装置使用具有比作为第一电位分离装置使用的电容器的电容值更大的电容值的电容器。用于选择用于电位分离的电容器或其电容值的上边界出于安全原因通过在50赫兹和/或60赫兹的交变电流频率下针对人员保护的漏电流或所谓的接触电流（=以下电流：当人的身体接触电装置或电运行装置时，所述电流流过人的身体）得出，对于所述漏电流或接触电流，例如出于人员保护原因或为了防止触电而通过相应的国际的和/或国家的安全规范来预给定边界值。

此外有利的是，对于以下阻抗可使用高欧姆电阻：所述第一电位分离装置在初级侧通过所述阻抗与所述频率发生器连接。理想地，使用在千欧范围内的阻抗或电阻。可以设置用于第二电位分离装置与频率发生器的参考电位在初级侧的耦合的另外的阻抗可以理想地实施为低欧姆的并且例如位于100欧姆的范围内。

附图说明

下面以示例性的方式根据附图1阐述本发明。图1在此示意性地并且示例性地示出用于供电装置的次级侧的根据本发明的辅助电源的简单实施。

具体实施方式

图1示意性地示出辅助电源V的一种示例性的实施方式，所述辅助电源可应用在供电装置中。出于更好的概览性原因，供电装置自身在图1中未示出。供电装置包括至少一个变压器或具有变压器的变换器电路。通过变压器建立初级侧P和次级侧S之间的直流分离。在此，到电流源或电网的连接通常位于供电装置的初级侧P上。在供电装置的次级侧S上提供用于连接负载或用电器的输出电压。

为了在供电装置的次级侧S上的与所述供电装置的运行状态无关的电压供给，设有辅助电源V。由辅助电源V在次级侧在输出端Al、A2提供供给电流和/或供给电压Uv。所述供给电流或所述供给电压Uv可以例如用于布置在次级侧的单元EL（例如，次级侧的控制电子器件、控制灯、显示器，等等）。此外，借助根据本发明的辅助电源V也可以分析次级侧供给电压Uv或在辅助电源V的输出端Al、A2上的次级侧负载。例如在辅助电源V的输出端Al、A2上可以设置接触部K或负荷或负载电阻，通过其可闭合辅助电源V的输出端Al、A2。

在相应于供电装置的初级侧P（也即，辅助电源V的该侧连接到相应的电流源上或电网上）的初级侧P上，辅助电源V具有频率发生器FG，由该频率发生器产生具有预给定的频率的交变电压。频率发生器FG尤其可以实施为高频率发生器，以便生成在高的kHz-范围内的或MHz-范围内的交变电压。交变电压在此可以是矩形的、三角形的或正弦形的。由频率发生器产生的交变电压可以通过布置在初级侧P和次级侧S之间的第一电位分离装置TC1传输。第一电位分离装置TC1在初级侧通过阻抗R1与频率发生器FG连接。阻抗R1可以例如实施为高欧姆电阻（例如在千欧姆范围内的电阻）。频率发生器FG的频率例如可设定成，使得第一电位分离装置TC1具有阻抗最小值。

此外，根据本发明的辅助电源V具有第二电位分离装置TC2，所述第二电位分离装置如第一电位分离装置TC1那样布置在辅助电源V的初级侧P和次级侧S之间。第二电位分离装置TC2与频率发生器FG的初级侧参考电位Pp高频耦合并且将次级侧参考电位Ps与辅助电源V的初级侧P连接。为此，例如第二电位分离装置TC2可以通过低欧姆的阻抗R2（例如具有约100欧姆的电阻值）或借助短路（也即直接地或借助0欧姆的阻抗R2）与频率发生器FG的参考电位Pp耦合。

通过第一和第二电位分离装置，辅助电源V的初级侧P与辅助电源V的次级侧S分离，所述辅助电源的次级侧相应于供电装置的次级侧或输出侧。第一和第二电位分离装置TC1、TC2是直流分离装置并且实施为电容器TC1、TC2。电容器TC1、TC2的电容值可从一电容范围内选择，所述电容范围的上边界出于安全原因通过在50赫兹和/或60赫兹的频率下针对人员保护的漏电流来预给定。电容范围的下边界可以在通过频率发生器（FG）预给定的频率下由待传输的电流导出。两个电容器TC1、TC2的电容可以例如相同大小地选择，或者，对于第二电位分离装置TC2的电容比对于第一电位分离装置TC1的电容选择更大的值。

此外，出于安全原因（例如为了可以由用户安全地断开或闭合输出端Al、A2上的接触部K），电容器TC1、TC2例如实施为所谓的Yl-电容器。Yl-电容器具有（例如根据相应的IEC-规范）增强的绝缘或可校验的提高的电和机械安全性并且因此允许应用在与电流源或电网连接的初级侧P与次级侧S之间。

在次级侧，第一电位分离装置TC1与整流器单元GL——其例如由两个二极管组成——连接。借助整流器单元GL，在次级侧提供供给电流或供给电压Uv。供给电压Uv可以例如在供电装置或辅助电源V的次级侧S上在整流器单元GL的输出端上在连接端A1、A2上截取。在连接端A1、A2上可截取的供给电压Uv与开关电源的相应的运行状态无关。

例如次级侧装置EL（例如控制逻辑器件、控制灯，等等）可以连接到所述连接端Al、A2上。替代地，连接端Al、A2可以借助接触部K短接或以负荷或负载电阻加载。连接端Al、A2在此是无电位的——也即它们可以置于任意的、次级侧参考电位Ps上。第二电位分离装置TC2在次级侧与该次级侧参考电位Ps连接，由此，通过第二电位分离装置TC2使初级侧P低欧姆地电容式地与次级侧参考电位Ps耦合。

可选地，在辅助电源V的次级侧S上还可以设置滤波装置F，所述滤波装置例如由电容器C和电阻RF组成。在此，滤波装置F在输出侧安装到整流器单元GL上，以便例如对借助整流器单元GL产生的供给电压Uv进行平滑。

在初级侧P上，布置在第一电位分离装置TC1和频率发生器FG之间的阻抗R1上的电压降可以被考虑用于分析次级侧的供给电压Uv或者辅助电源V的输出端Al、A2上的次级侧负载。此外，辅助电源V在初级侧P上包括分析单元AW，所述分析单元连接到在第一电位分离装置TC1和频率发生器FG或阻抗R1之间的连接L上。

为了在次级侧S上生成供给电流或供给电压Uv，由频率发生器FG产生具有预给定的频率的交变电压。通常生成具有高的频率（例如100kHz、1MHz，等等）的交变电压。由频率发生器FG产生的交变电压从第一电位分离装置TC1传输到次级侧S上并且可以借助整流器单元GL截取。如果现在辅助电源V的或整流器单元GL的输出端Al、A2例如以装置EL或负载电阻加载或通过接触部K闭合，则在初级侧P上，在布置在频率发生器FG和第一电位分离装置TC之间的阻抗R1上的交变电压或电压降也相应地变化。该变化可以借助分析单元AW来探测和分析。

初级侧的电压降的分析或在辅助电源V的输出端Al、A2上的负载的导出可以以模拟的方式或以数字的方式实现。借助分析单元AW确定的结果然后可以相应地被进一步处理。以此方式，可以将在次级侧S上的被动信号——诸如辅助电源V的输出端Al、A2上的接触部K的断开和/或闭合或者辅助电源V的输出端Al、A2上的电阻EL的变化——作为信息传输到辅助电源V的初级侧P上。

在使用接触部K用于辅助电源HV的输出端Al、A2上的次级侧信号的情况下，该接触部K是无电位的并且可以例如置于次级侧参考电位Ps上。由次级侧S传输到初级侧P上的信息（例如接触部K的断开和/或闭合）可以例如用于供电装置的接通和关断。

Claims (8)

1.一种用于供电装置的辅助电源，所述供电装置具有至少一个变压器，所述至少一个变压器具有初级侧（P）和次级侧（S），其中，所述辅助电源提供在所述供电装置的次级侧（S）上的与所述供电装置的运行状态无关的供给电压（Uv），所述辅助电源（V）由以下组成：

- 布置在初级侧的用于产生具有预给定的频率的交变电压的频率发生器（FG）；

- 布置在次级侧的用于次级侧的供给电压（Uv）的整流器单元（GL）；以及

第一和第二电位分离装置（TC1，TC2），其布置在初级侧（P）和次级侧（S）之间；

其特征在于，所述第一电位分离装置（TC1）在初级侧通过第一阻抗（R1）与所述频率发生器（FG）连接，由所述频率发生器（FG）产生的交变电压能够通过所述第一电位分离装置传输；

所述第二电位分离装置（TC2）与分配给所述频率发生器（FG）的参考电位（Pp）在初级侧高频耦合，并且，在所述第一阻抗（R1）上的电压降能够被考虑用于分析次级侧的供给电压（Uv）。

2.根据权利要求1所述的辅助电源，其特征在于，在初级侧在所述第二电位分离装置（TC2）之前连接有第二阻抗（R2）用于与所述频率发生器（FG）的参考电位耦合。

3.根据权利要求1所述的辅助电源，其特征在于，所述辅助电源（V）在初级侧还具有用于分析次级侧的供给电压（Uv）的分析单元（AW）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的辅助电源，其特征在于，所述第一和第二电位分离装置（TC1，TC2）能够借助电容器实现。

5.根据权利要求4所述的辅助电源，其特征在于，所述电容器（TC1，TC2）实施为所谓的Yl-电容器。

6.根据权利要求4所述的辅助电源，其特征在于，所述电容器（TC1，TC2）的电容值能够从一电容范围内选择，其中，所述电容范围的上边界通过在50赫兹和/或60赫兹的频率下针对人员保护的漏电流来预给定，所述电容范围的下边界能够在通过所述频率发生器（FG）预给定的频率下由待传输的电流导出。

7.根据权利要求4所述的辅助电源，其特征在于，对于以下第一阻抗（R1）可使用在千欧范围内的电阻：所述第一电位分离装置（TC1）在初级侧通过所述第一阻抗与所述频率发生器（FG）连接。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的辅助电源，其特征在于，对于以下第一阻抗（R1）可使用在千欧范围内的电阻：所述第一电位分离装置（TC1）在初级侧通过所述第一阻抗与所述频率发生器（FG）连接。

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