DD294379A5

DD294379A5 - POWER SUPPLY WITH PIEZOCERAMIC COUPLER FOR POTENTIAL SEPARATION

Info

Publication number: DD294379A5
Application number: DD34049190A
Authority: DD
Inventors: Mirko Windisch; Ekkehard Pilz
Original assignee: Technische Hochschule Zittau,De
Priority date: 1990-05-09
Filing date: 1990-05-09
Publication date: 1991-09-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Netzteil vorrangig fuer elektronische Schaltungen mit galvanischer Trennung vom versorgenden Netz. Im Unterschied zu herkoemmlichen Netzteilen mit galvanischer Trennung wird in diesem Netzteil kein Transformator, sondern ein Piezokoppler verwendet. Die Spannungsversorgung des Steuerteils des Netzteiles ist im Unterschied zu einer anderen bekannten Loesung vom Lastzweig getrennt. Der Piezokoppler wird mit Nennspannung betrieben, so dasz ein fuer den Laststrom dimensionierter, entsprechend groszer, die Gesamtzuverlaessigkeit des Systems beeinflussender kapazitiver Vorwiderstand nicht benoetigt wird.{Netzteil; Wirkungsgrad; galvanische Trennung; Informationselektronik; Spannungsversorgung, UEbertrager}The invention relates to a power supply primarily for electronic circuits with galvanic isolation from the supplying network. In contrast to conventional power supplies with galvanic isolation, this transformer does not use a transformer but a piezo coupler. The power supply of the control part of the power supply is in contrast to another known solution separated from the load branch. The piezo coupler is operated at nominal voltage, so that a capacitive series resistor which is dimensioned for the load current and correspondingly large, which influences the overall reliability of the system, is not required. efficiency; galvanic isolation; Information Electronics; Power supply, UEbertrager}

Description

For this 1 page drawing Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung eines Netzteile zur Versorgung von vorrangig elektronischen Baugruppen mit kleiner Spannung und bei geringem Energiebedarf aus dem öffentlichen Netz und gleichzeitiger galvanischer Trennung der Baugruppen von diesem. Das Netzteil sollte vorrangig zur Energieversorgung von Schaltungen mit im wesentlichen konstanten Energiebedarf eingesetzt werden.The invention relates to a circuit arrangement of a power supply for the supply of primarily electronic assemblies with low voltage and low energy consumption from the public network and simultaneous electrical isolation of the modules of this. The power supply should primarily be used to power circuits with a substantially constant energy requirement.

Characteristic of the known state of the art Are known for the supply of electronic circuits with galvanic isolation from the mains power supplies, the one Have transformer for potential separation of secondary side and primary side. Will the transformer directly from the grid

gespeist, stellt er meist ein sehr großes und in der Herstellung aufwendiges Bauelement dar. Bei einem Schaltnetzteil wird derfed, he usually represents a very large and expensive to manufacture in the construction element

Transformer fed with a much higher frequency and can therefore with the same power to be transmitted

wesentlich kleiner und auch leichter sein. Dieser Vorteil kann jedoch nur durch höheren schaltungstechnischen Aufwand erreichtwerden.be much smaller and lighter. However, this advantage can only be achieved by higher circuit complexity.

As electronics evolve, especially through the introduction of CMOs techlk, the electronic ones are becoming increasingly popular Circuits are smaller and require less and less energy. As a result, the power supply is increasingly determining the size and weight of electronic devices. The transformer has

besonders bei kleinen zu übertragenden Leistungen einen geringen Wirkungsgrad. Außerdem ist zur Fertigung vonlow efficiency, especially for small powers to be transmitted. In addition, for the production of

Transformers of whatever size and design a considerable technological effort necessary. In the patent DE 330069 a transformerless power supply is Actuate indicated that for galvanic Separation uses a piezo coupler. The piezo-coupler is excited at one of its resonant frequencies, with the Activation circuit automatically adjusts by current feedback to the resonant frequency. The for the drive circuit

notwendige Versorgungsspannung wird durch einen kapazitiven Vorwiderstand zur Verfügung gestellt. Dieser begrenzt beiakzeptabler Größe des Kondensators den Laststrom und damit die maximal zu übertragende Leistung. Außerdem beeinflußt derzu verwendende Kondensator entscheidend die Zuverlässigkeit des gesamten Systems.necessary supply voltage is provided by a capacitive series resistor. This limits unacceptable size of the capacitor, the load current and thus the maximum power to be transmitted. In addition, the capacitor to be used decisively affects the reliability of the entire system.

Object of the invention

Ziel der Erfindung Ist es, eine Stromversorgungsschaltung für Baugruppen mit geringer Spannung und geringem Leistungsbedarf zu schaffen, die zur galvanischen Trennung von Primär· und Sekundärseite keinen Transformator benötigt. Sie soll, Im Gegensatz zu der Patentschrift DE 330069, keinen den Laststrom begrenzenden und die Zuverlässigkeit des Systems in starkem Maße beeinflussenden kapazitiven Vorwiderstand besitzen.OBJECT OF THE INVENTION It is to provide a power supply circuit for modules with low voltage and low power consumption, which does not require a transformer for the galvanic separation of primary and secondary side. It should, in contrast to the patent DE 330069, have no limiting the load current and the reliability of the system to a large extent affecting capacitive series resistor.

-2- 294 379 Darlegung des Wesens der Erfindung-2- 294 379 Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungsschaltung zu schaffen, die keinen Transformator enthält und trotzdem die galvanische Trennung von Eingangs- und Ausgangskreis ermöglicht und ebenfalls keinen den Laststrom beeinflussenden Kondensator besitzt.The invention has for its object to provide a power supply circuit that contains no transformer and still allows the galvanic isolation of input and output circuit and also has no load current influencing capacitor.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur galvanischen Trennung ein piezokeramischer Koppler vorwendet wird, der mindectens ein Eingangselektrodenpaar und mindestens ein Ausgangselektrodenpaar besitzt, wobei die Elektrodenpaare derart gestaltet sind, daß ein Spannungsübersetzungsverhältnis von bedeutend kleiner 1 bis etwa 1 erreicht wird. Dadurch wird erreicht, daß einerseits dio geforderte galvanische Trennung von Primär· und Sekundärkreis gewährleistet ist und andererseits auf der Primärseite mit einem hohen Spannungsniveau gearbeitet werden kann sowie sekundärseitig die geforderte Kleinspannung vorhanden ist, welche noch entsprechend den Erfordernissen gleichgerichtet und geglättet werden muß. Da die Keramik direkt durch die Netzspannung angesteuert wird, kann ein kapazitiver Vorwiderstand entfallen. Um einen hohen Wirkungsgrad zu ermöglichen, wird der Piezokoppler mit seiner Resonanzfrequenz durch ein Schaltglied periodisch vom Netz getrennt, wobei eine Induktivität für das Ausschwingen der Piezokeramik sorgt. Zur Frequenzregelung wird entweder ein Spannungssignal an mindestens einer zusätzlichen, auf dem Piezokoppler angebrachten Elektrode oder der Stromfluß am Piezokoppler bzw. der Induktivität ausgewertet. Um große Verluste in der Auswerte- und Ansteuerschaltung zu vermeiden, wird diese mit einer kleinen Spannung betrieben, die Ober einen kapazitiven Vorwiderstand und Graetzbrücke mit nachfolgender Glättung gewonnen werden kann. Dieser Schaltungsteil liegt im Gegensatz zu anderen bekannten Schaltungen nicht im Lastzweig der Schaltung. Der Leistungsbedarf dieses Steuerteils Ist gering, so daß ein kapazitiver Vorwiderstand mit kleiner Kapazität genügt. Damit verringert sich das Volumen des Netzteils. Steuerteil und Lastteil der Schaltung besitzen einen gemeinsamen Massepunkt.According to the invention, this object is achieved in that a piezoceramic coupler is used for galvanic separation, the mindectens an input electrode pair and at least one output electrode pair, wherein the electrode pairs are designed such that a voltage conversion ratio of significantly less than 1 to about 1 is achieved. This ensures that on the one hand dio required galvanic separation of primary and secondary circuit is ensured and on the other hand can be operated on the primary side with a high voltage level and the secondary side, the required low voltage is present, which must be rectified and smoothed according to the requirements. Since the ceramic is controlled directly by the mains voltage, a capacitive series resistor can be omitted. In order to enable high efficiency, the piezoelectric coupler is periodically separated from the network by its resonant frequency by a switching element, wherein an inductance ensures the decay of the piezoceramic. For frequency control, either a voltage signal at at least one additional, attached to the piezoelectric coupler electrode or the current flow at the piezoelectric coupler or the inductance is evaluated. In order to avoid large losses in the evaluation and control circuit, this is operated with a small voltage, which can be obtained above a capacitive series resistor and Graetz bridge with subsequent smoothing. This circuit part is not in contrast to other known circuits in the load branch of the circuit. The power requirement of this control part is low, so that a capacitive series resistor with a small capacity is sufficient. This reduces the volume of the power supply. Control part and load part of the circuit have a common ground point.

AusführungsbelsplelAusführungsbelsplel

Die Erfindung soll anhand des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Gemäß Figur 1 besteht das Netzteil mit piezokeramischem Koppler zur Potentialtrennung aus einem durch die Bauteile 1,2,5 und 6 gebildeten Leistungsteil, einem mit 3 bezeichneten Steuerteil und der Stromversorgung 4 für diesen Steuerteil. Die Eingangsklemmen 7 und 8 sind mit dem speisenden Netz verbunden. An die Eingangsklemmen des Netzteiles wird mit den Klemmen 11 und 12 die separate Stromversorgung 4 für das Steuerteil 3 angeschlossen. Die separate Stromversorgung 4 besteht zweckmäßigerweise aus kapazitivem Vorwiderstand und Graetzbrücke mit nachgeschaltetem Glättungekondensator, An die Ausgangsklemmen 13 und 14 sind die Klemmen 15 und 16 des Steuerteiles 3 angeschlossen. Die Baugruppe 4 bildet an der Klemme 13 den internen Massepunkt des Netzteiles. Der Lastteil der Schaltung ist einerseits on die Eingangsklemme 7 geschalten, andererseits über den Internen Massepunkt und die separate Stromversorgung 4 zwischen den Klemmen 13 und 12 liegende Ventil an die andere Eingangsklemme 8 angeschlossen, so daß die am Leistungsteil anliegende Spannung gleichgerichtet ist. Zwischen den Klemmen 7 und 13 ist ein Kondensator 5 zur vollständigen oder teilweisen Glättung angeordnet. Parallel zu diesem Kondensator 6 ist der eigentliche Koppler mit dessen Eingangselektroden 21 und 22 parallel zu der Induktivität 6 und beide in Reihe mit dem Schaltglied 2 geschalten, so daß bei öffnen des Schaltgliedes 2 der Koppler 1 und die Induktivität 6 nur noch einseitig mit dem Netz verbunden sind. Der Steuereingang 19 des Schaltgliedes 2 ist an den Ausgang 18 des Steuerteiles 3 angeschlossen. Der Eingang 17 des Steuerteiles 3 ist mit der Rückkopplungselektrode 25 des Piezokopplere 1 verbunden. An den Klemmen 23 und 24 des Piezükopplers 1 steht die transformierte und vom Eingang getrennte Wechselspannung zur Verfügung.The invention will be explained with reference to the embodiment shown in Figure 1. According to Figure 1, the power supply with piezoceramic coupler for electrical isolation of a formed by the components 1,2,5 and 6 power section, a designated 3 control part and the power supply 4 for this control part. The input terminals 7 and 8 are connected to the feeding network. To the input terminals of the power supply is connected to the terminals 11 and 12, the separate power supply 4 for the control part 3. The separate power supply 4 is suitably made of capacitive series resistor and Graetz bridge with downstream smoothing capacitor, to the output terminals 13 and 14, the terminals 15 and 16 of the control part 3 are connected. The module 4 forms at the terminal 13, the internal ground point of the power supply. The load part of the circuit is switched on the one hand on the input terminal 7, on the other hand via the internal ground point and the separate power supply 4 between the terminals 13 and 12 lying valve connected to the other input terminal 8, so that the voltage applied to the power part is rectified. Between the terminals 7 and 13, a capacitor 5 is arranged for complete or partial smoothing. Parallel to this capacitor 6, the actual coupler with its input electrodes 21 and 22 connected in parallel to the inductor 6 and both in series with the switching element 2, so that when opening the switching element 2, the coupler 1 and the inductor 6 only one-sided with the network are connected. The control input 19 of the switching element 2 is connected to the output 18 of the control part 3. The input 17 of the control part 3 is connected to the feedback electrode 25 of the piezo coupler 1. At the terminals 23 and 24 of the piezo coupler 1, the transformed and isolated from the input AC voltage is available.

Claims

1. power supply with piezoceramic coupler for electrical isolation for connection to Netzwechselspannimg for supplying a low-voltage consumer with low power consumption, characterized in that the input electrodes (21) and (22) of the Koppol used for voltage transformation (1) with the parallel inductance (6) via the Switching member (2) directly to the by the capacitance (5) and between the terminals (12) and (13) lying part of the assembly (4) rectified and wholly or partially smoothed AC line voltage is connected, wherein the control part (3) the voltage at at least one feedback electrode (25) of the coupler (1) evaluates, the switching element (2) is actuated and powered by a separate power supply (4) and the entire circuit has a common internal ground point.

2. power supply with piezoceramic coupler for potential separation according to claim!, Characterized in that parallel to the inductor (6) in series with the terminals (21) and (22) of the coupler (1) an additional inductance is switched.

3. power supply with piezoceramic coupler for potential separation according to claim 1, characterized in that the control part (3) via a Meßimpedanz the current flow through the inductance (6) or the primary part (21) - (22) of the coupler (1) is supplied.

4. power supply with piezoceramic coupler for potential separation according to claim 1, characterized in that for rectifying the voltage applied to the capacitance (5), a separate flow control valve is used; which is connected between Eingangsskiemme (7) and the load part of the circuit (element 1,2,5,6).