DE102004044746A1 - Ohmic characteristic producing circuit for nonlinear load at low voltages, e.g. for railway signaling, has rectifier, power factor controller, and measuring resistance - Google Patents

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Abstract

A circuit to give an ohmic user characteristic for a nonlinear load at low voltage comprises a transformer, rectifier (GR) and choke to give a dc voltage for the load with a power factor controller (PFC) operated by a dc/dc converter through a measuring resistance (Rmt). A circuit to produce an ohmic user characteristic for a nonlinear load at low operating voltage comprises a transformer, rectifier (GR) and smoother to provide a dc voltage for the load with a power factor controller (PFC) comprising a switch transistor (T) and controller and operated by a dc/dc converter or voltage circuit through a measuring resistance (Rmt) and/or the output voltage (Ua) can be switched to the PFC input.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Realisierung einer ohmschen Verbrauchercharakteristik für eine nichtlineare Last bei kleiner Betriebsspannung mit einem Transformator, einem Gleichrichter und Glättungselementen zur Bereitstellung einer Gleichspannung für die Last.The The invention relates to a circuit arrangement for realizing a ohmic load characteristic for a non-linear load low operating voltage with a transformer, a rectifier and smoothing elements to provide a DC voltage for the load.

In signaltechnischen Anlagen der Eisenbahn oder auch in der Medizintechnik werden bevorzugt Kleinspannungen mit einer Eingangsspannung von zirka 4...12 V Wechselspannung zum Betrieb von Signalgebern und anderen Verbrauchern benutzt. Zur galvanischen Trennung des Verbrauchers vom Netz und zur Spannungsanpassung an die Betriebs-Kleinspannung wird typischerweise ein Transformator zwischen Netz und Verbraucher geschaltet. Die Gleichspannung wird mittels einer Gleichrichterschaltung und Glättungselementen wie Kondensatoren und/oder Induktivitäten gewonnen.In Signaling systems of the railway or in medical technology are preferred low voltages with an input voltage of approximately 4 ... 12 V AC voltage for the operation of signalers and others Used by consumers. For galvanic isolation of the consumer from the mains and for voltage adjustment to the operating extra-low voltage typically becomes a transformer between grid and consumer connected. The DC voltage is by means of a rectifier circuit and smoothing elements like capacitors and / or inductors won.

Für signaltechnischen Anlagen können nur geringe Netzrückwirkungen zugelassen werden, was bisher kaum ein Problem bedeutete, da hierfür Glühlampen (Leistungsfaktor = 1) verwendet wurden. Glühlampen unterliegen jedoch einem hohen Verschleiß und müssen in kurzen, regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden, was eine hohe Personalbindung bedeutet. Seit mehreren Jahren gibt es deshalb Bestrebungen, in signaltechnischen Anlagen der Eisenbahn und ähnlichen Anlagen mit Betriebs-Kleinspannung Glühlampen durch Leuchtdioden-Signalgeber zu ersetzen. Leuchtdioden weisen allerdings eine stark nichtli neare Strom-Spannungs-Charakteristik auf, was zu großen Netzrückwirkungen führen würde, würde man keinerlei Maßnahmen zu deren Vermeidung ergreifen. Ohne solche Maßnahmen würden sofort Fehlmeldungen der Überwachungseinrichtungen eintreten. Die Netzrückwirkungen der Gesamtanordnung aus Signalgeber und entsprechendem Regler dürfen nicht über die von Glühlampen hinausgehen, um die Gesamtfunktion der Signalstromkreise nicht durch Störeinflüsse der Last in Verbindung mit großen Leitungslängen hinsichtlich einer Beeinflussung der Überwachungsstromkreise zu gefährden.For signaling Plants can only small network perturbations be admitted, which has hardly been a problem so far, since this incandescent (Power factor = 1) were used. However, incandescent lamps are subject a high level of wear and tear have to exchanged in short, regular intervals become what a high staff commitment means. For many years There are therefore efforts in signaling systems of the railway and similar Systems with low operating voltage lightbulbs to be replaced by light-emitting diode signalers. However, LEDs show a strong non-linear current-voltage characteristic on what too big Network Disturbances to lead would, you would no action to avoid it. Without such measures would immediately false reports of the monitoring equipment enter. The network reactions the overall arrangement of the signal generator and the corresponding controller must not exceed that of lightbulbs Do not go beyond the overall function of the signal circuits Disruption of the Load in conjunction with large Line lengths in terms an influence on the monitoring circuits to endanger.

Es werden auch Schaltungsanordnungen aus Leuchtdioden und relativ hochohmigen Vorwiderständen verwendet. Dem Vorteil des einfachen und des hohen Leistungsfaktors (nahe 1) steht der Nachteil gegenüber, dass der Wirkungsgrad sehr klein ist. Für Anwendungen, bei denen es auf die Bereitstellung einer hohen elektrischen Leistung ankommt, ist diese Lösung daher nicht anwendbar.It are also circuits of light emitting diodes and relatively high impedance series resistors used. The advantage of the simple and the high power factor (near 1) faces the disadvantage that the efficiency is very small. For Applications where it is on the provision of a high electrical Achievement arrives, is this solution therefore not applicable.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine proportional der Spannung entsprechende Stromaufnahme nichtlinearer Verbraucher aus dem speisenden Netz bei Spannungsversorgung mit einer Kleinspannung zu realisieren, so dass sich eine annähernd ohmsche Verbrauchercharakteristik und somit ein Leistungsfaktor von zirka Eins einstellt. Die Maßnahmen sollen so in das bestehende System von Signalanlagen eingepasst werden können, dass sie nur den Leuchtdioden-Signalgebern vorgeschaltet werden.task The invention is to be proportional to the voltage Current consumption of non-linear loads from the supply network To realize voltage supply with a low voltage, so that an approximate ohmic load characteristic and thus a power factor of about one. The measures should be so in the existing System of signal systems can be fitted so that they only use the light-emitting diodes upstream.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the invention Task solved by the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject the dependent claims.

Danach wird eine übliche, als integrierte Schaltung erhältliche PFC-Controllerschaltung zur Leistungsfaktorregelung angewendet. Zur Erzeugung der Hilfsgleichspannung für den Betrieb des PFC-Reglers wird wahlweise ein Gleichspannungs-Wandler oder eine aus Kondensatoren und Dioden gebildete Spannungsvervielfacherschaltung verwendet.After that becomes a common, available as an integrated circuit PFC controller circuit used for power factor control. For generating the auxiliary DC voltage for the operation of the PFC controller is either a DC-DC converter or one of capacitors and diode formed voltage multiplier circuit used.

Da diese Schaltungen sowie ein eventuelles zusätzliches Netzteil für weitere Hilfsgleichspannungen die geforderte Widerstandscharakteristik des Gerätes beeinflussen, wird der Eingangsstrom dieser Komponenten nach einer bevorzugten Variante über den für die PFC-Regelung erforderlichen Shunt geleitet. Der PFC-Regler kann somit ebenfalls die zusätzliche Strombeeinflussung durch Korrektur des vom PFC-Regler aufgenommenen Stroms berücksichtigen. Da der Strom des PFC-Reglers im Allgemeinen größer als die übrigen Ströme ist, kann die Korrektur problemlos erfolgen.There These circuits and any additional power supply for more Auxiliary DC voltages affect the required resistance characteristic of the device, the input current of these components is a preferred one Variant over the for the PFC control required shunt passed. The PFC controller can thus also the additional Current influenced by correction of the PFC controller Consider electricity. Since the current of the PFC controller is generally larger than the other currents, the correction can be done easily.

Eine zweite, gegebenenfalls auch zusätzliche Möglichkeit besteht in der Abschaltung des Hilfsspannungserzeugers und Mitbenutzung der Ausgangsspannung für den Betrieb des PFC-Reglers nach Hochlauf der gesamten Schaltung. Dies kann zum Beispiel durch eine Diodenumschaltung erfolgen, mit der auf die Ausgangsspannung umgeschaltet wird.A second, possibly additional possibility consists in the shutdown of the auxiliary voltage generator and shared use the output voltage for the operation of the PFC controller after start-up of the entire circuit. This can be done for example by a diode switching, with which is switched to the output voltage.

Mit einfachen Mitteln kann so eine Leistungsfaktorregelung auch bei Betriebs-Kleinspannungen realisiert werden.With Simple means can be such a power factor control even at Low operating voltages can be realized.

Ein weiterer Vorteil der Schaltung ist die Möglichkeit der schnellen Bereitstellung einer Versorgungsspannung für weitere Hilfsstromkreise, zum Beispiel für den Betrieb einer Steuerelektronik, mit einer kleineren Versorgungsspannung von beispielsweise 3,3 V.One Another advantage of the circuit is the possibility of fast deployment a supply voltage for further auxiliary circuits, for example for the operation of control electronics, with a smaller supply voltage of, for example, 3.3 V.

Ferner ist ein weiterer Vorteil der Schaltungsanordnung, dass die Ladezeit der PFC-Schaltung genutzt werden kann, um Hilfsstromkreise innerhalb kurzer Zeit (50 ms) in Funktion zu bringen, nämlich bevor die Leuchtdioden-Signalgeber als leistungsstarke Verbraucher zugeschaltet werden.Furthermore, a further advantage of the circuit arrangement is that the charging time of the PFC circuit can be used to supply auxiliary circuits within short time (50 ms) to bring into operation, namely before the LEDs are switched on as a powerful consumer.

Schaltungen zur Leistungsfaktorregelung sind an sich bekannt. Im Bereich von zirka 85...260 V Wechselspannung gibt es bereits zahlreiche, unter dem Begriff "Power Factor Correction (PFC)" bekannte Schaltungen, insbesondere im Zusammenhang mit Weitbereichsnetzteilen, die eine Leistungsfaktorregelung für Gleichstromverbraucher verwirklichen, allerdings arbeiten diese mit Netzspannungen. Eine einfache Umdimensionierung bisher bekannter Schaltungen ist im vorliegenden Fall jedoch nicht möglich, da die zur Verfügung stehenden integrierten Controller-Bausteine eine Betriebsspannung von zirka 10 – 18 V benötigen. Es wurde mit der vorliegenden Schaltungsanordnung ein Weg gefunden, trotzdem diese bewährten Bauelemente verwenden zu können.circuits for power factor control are known per se. In the range of Around 85 ... 260 V AC there are already numerous, under the Term "Power Factor Correction (PFC) "known Circuits, in particular in connection with wide-range power supplies, which realize a power factor control for DC consumers, However, these work with mains voltages. A simple resizing previously known circuits is not possible in the present case, since the available standing integrated controller blocks an operating voltage from about 10 - 18 V need. It was found with the present circuit a way despite this proven To be able to use components.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden. Die 1 bis 3 zeigen jeweils eine Variante der Erfindung.The invention will be explained in more detail with reference to embodiments. The 1 to 3 each show a variant of the invention.

1 zeigt eine erste Variante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Versorgung eines hier nicht gezeigten nichtlinearen Verbrauchers an einer Ausgangsspannung Ua, die über einen Gleichrichter GR, eine Glättungsdrossel L und einen Glättungskondensator C1 aus einer Eingangs-Kleinspannung U eines Transformators bereit gestellt wird. Zur Leistungsfaktorregelung ist ein Schalttransistor T vorgesehen, der von einem PFC-Regler PFC angesteuert wird und mit dem im ange steuerten Zustand der Eingangsstrom Ie durch die Glättungsdrossel L kurzgeschlossen und der Ladestrom für den Glättungskondensator C1 unterbrochen wird. Der Strom durch den Schalttransistor T wird durch einen Messwiderstand Rm1 erfasst und bildet eine Regelgröße für den Stromregelkreis des PFC-Reglers PFC. Führungsgröße für den Stromregelkreis des PFC-Reglers PFC ist die Eingangsspannung Ue (Ausgangsspannung des Gleichrichters GR). Eine weitere Regelgröße, und zwar für einen Spannungsregler des PFC-Reglers, ist die Ausgangsspannung Ua. Der Stromregelkreis hat die Aufgabe, den Augenblickswert des Eingangsstromes Ie (Drosselstrom) proportional zum Augenblickswert der Eingangsspannung Ue zu halten. Der Spannungsregelkreis regelt dagegen den Effektivwert des Eingangsstromes Ie. 1 shows a first variant of the circuit arrangement according to the invention for supplying a non-linear consumer not shown here to an output voltage U a , which is provided via a rectifier GR, a smoothing inductor L and a smoothing capacitor C1 from an input low voltage U of a transformer. For power factor control, a switching transistor T is provided, which is controlled by a PFC controller PFC and shorted to the in the controlled state of the input current I e through the smoothing inductor L and the charging current for the smoothing capacitor C1 is interrupted. The current through the switching transistor T is detected by a measuring resistor R m1 and forms a controlled variable for the current control loop of the PFC controller PFC. The reference variable for the current control loop of the PFC controller PFC is the input voltage U e (output voltage of the rectifier GR). Another controlled variable, for a voltage regulator of the PFC controller, is the output voltage U a . The current control circuit has the task of keeping the instantaneous value of the input current I e (inductor current) proportional to the instantaneous value of the input voltage U e . In contrast, the voltage control circuit regulates the effective value of the input current I e .

Schalttransistor T und Glättungsdrossel sind durch eine Diode D1 entkoppelt. Von einem Gleichspannungswandler DC-DC wird eine Hilfsgleichspannung in der erforderlichen Höhe für den Betrieb des PFC-Reglers PFC bereitgestellt.switching transistor T and smoothing choke are decoupled by a diode D1. From a DC-DC converter DC-DC becomes an auxiliary DC voltage in the required height for operation provided by the PFC controller PFC.

Da der Gleichspannungswandler DC-DC die Widerstandscharakteristik der Schaltung beeinflusst, wird sein Strom über den Messwiderstand Rm1 geleitet. Der PFC-Regler PFC regelt dann den Leistungsfaktor für den Gesamtstrom der Schaltung aus.Since the DC-DC converter DC-DC affects the resistance characteristic of the circuit, its current is passed through the measuring resistor R m1 . The PFC controller PFC then regulates the power factor for the total current of the circuit.

Die Spannung am Gleichrichter GR (Eingangsspannung Ue) kann abgenommen und an einen weiteren Gleichspannungswandler geführt werden, um eine weitere Hilfsspannung für andere Hilfsstromkreise bereit zu stellen.The voltage at the rectifier GR (input voltage U e ) can be removed and fed to another DC-DC converter to provide another auxiliary voltage for other auxiliary circuits.

2 zeigt eine zweite Variante der Schaltung, bei der nach dem Hochlauf eine Umschaltung der Hilfsspannungsversorgung für den PFC-Regler PFC vom Gleichspannungswandler DC-DC auf die Ausgangsspannung Ua erfolgt. Voraussetzung ist, dass die Ausgangsspannung Ua eine für den Betrieb des Gleichspannungswandlers DC-DC geeignete Höhe aufweist. Hierzu ist eine Diode D2 zwischen den Glättungskondensator C1 und dem Ausgang des Gleichspannungswandlers DC-DC geschaltet. Wird die Ausgangsspannung Ua größer als die Ausgangsgleichspannung des Gleichspannungswandlers DC-DC, so wird die Diode D2 leitend und übernimmt die Hilfsspannungsversorgung. Für einen weiteren Gleichspannungswandler übernimmt eine Diode D3 zusammen mit einer Entkopplungsdiode D4 diese Funktion. Die Regelgröße für den Stromregler des PFC-Reglers PFC wird bei dieser Variante an einem Messwiderstand Rm2 abgenommen. 2 shows a second variant of the circuit, in which after the startup, a switching of the auxiliary power supply for the PFC controller PFC from the DC-DC converter DC-DC to the output voltage U a . The prerequisite is that the output voltage U a has a suitable for the operation of the DC-DC converter DC-DC height. For this purpose, a diode D2 is connected between the smoothing capacitor C1 and the output of the DC-DC converter DC-DC. If the output voltage U a is greater than the DC output voltage of the DC-DC converter DC-DC, then the diode D2 becomes conductive and takes over the auxiliary voltage supply. For a further DC-DC converter, a diode D3 together with a decoupling diode D4 assumes this function. The control variable for the current controller of the PFC controller PFC is taken from a measuring resistor R m2 in this variant.

3 zeigt einen PFC-Regler im Zusammenhang mit einer Spannungsvervielfacherschaltung zur Bereitstellung der Hilfsgleichspannung. Die Spannungsvervielfacherschaltung besteht aus den Dioden D5, D6 und den Kondensatoren C2, C3. Auch hier erfolgt die Umschaltung der Hilfsspannungsversorgung auf die Ausgangsspannung Ua über eine Diode D2 nach dem Hochlauf der Schaltung. 3 shows a PFC controller in the context of a voltage multiplier circuit for providing the auxiliary DC voltage. The voltage multiplier circuit consists of the diodes D5, D6 and the capacitors C2, C3. Again, the switching of the auxiliary voltage supply to the output voltage U a via a diode D2 after the startup of the circuit.

Claims (5)

Schaltungsanordnung zur Realisierung einer ohmschen Verbrauchercharakteristik für eine nichtlineare Last bei kleiner Betriebsspannung mit einem Transformator, einem Gleichrichter und Glättungselementen zur Bereitstellung einer Gleichspannung für die Last, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gleichrichter (GR) und Last ein Leistungsfaktor-Regler, bestehend aus einem Schalttransistor (T) und einem PFC-Regler (PFC), geschaltet ist und zur Erzeugung der Hilfsgleichspannung für den Betrieb des PFC-Reglers (PFC) wahlweise ein Gleichspannungswandler (DC-DC) oder eine Spannungsvervielfacherschaltung vorgesehen ist, dessen beziehungsweise deren Eingangsstrom über einen für den Betrieb des PFC-Reglers (PFC) erforderlichen Messwiderstand (Rm1) geleitet ist und/oder die Ausgangsspannung (Ua) nach Hochlauf der gesamten Schaltung auf den Eingang des PFC-Reglers (PFC) umschaltbar ist.Circuit arrangement for realizing an ohmic load characteristic for a non-linear load at low operating voltage with a transformer, a rectifier and smoothing elements for providing a DC voltage for the load, characterized in that between rectifier (GR) and load, a power factor controller consisting of a switching transistor ( T) and a PFC controller (PFC), and to generate the auxiliary DC voltage for the operation of the PFC controller (PFC) optionally a DC-DC converter (DC-DC) or a Spannungsvervielfacherschaltung is provided, whose or their input current via a for the Operation of the PFC controller (PFC) required Resistance (R m1 ) is passed and / or the output voltage (U a ) after startup of the entire circuit to the input of the PFC controller (PFC) is switchable. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsvervielfacherschaltung aus Kondensatoren (C2, C3) und Dioden (D5, D6) gebildet ist.Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that the voltage multiplier circuit consists of capacitors (C2, C3) and diodes (D5, D6) is formed. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer weiteren Hilfsgleichspannung ein weiterer Gleichspannungswandler zwischen einen Gleichrichterausgangspol und den Messwiderstand (Rm1) geschaltet ist.Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that for generating a further auxiliary DC voltage, a further DC-DC converter between a rectifier output terminal and the measuring resistor (R m1 ) is connected. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer weiteren Hilfsgleichspannung ein weiterer Gleichspannungswandler an den Gleichrichterausgang geschaltet und auf die Ausgangsspannung (Ua) der Schaltung umschaltbar ist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that for generating a further auxiliary DC voltage, a further DC-DC converter is connected to the rectifier output and to the output voltage (U a ) of the circuit can be switched. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der Hilfsgleichspannung für den PFC-Regler (PFC) und/oder der weiteren Hilfsgleichspannung auf die Ausgangsspannung (Ua) der Schaltung über Dioden (D2; D3, D4) erfolgt.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the switching of the auxiliary DC voltage for the PFC controller (PFC) and / or the further auxiliary DC voltage to the output voltage (U a ) of the circuit via diodes (D2, D3, D4).
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US6150771A (en) * 1997-06-11 2000-11-21 Precision Solar Controls Inc. Circuit for interfacing between a conventional traffic signal conflict monitor and light emitting diodes replacing a conventional incandescent bulb in the signal

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Dieter Kind: Einführung in die Hochspannungs- Versuchstechnik, 2.Aufl., Vieweg & Sohn Verlags- gesellschaft, Braunschweig 1972/1978
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