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Die Erfindung betrifft einen Umsetzer einer Wechselspannung in eine Gleichspannung nach dem Oberbegriff des Anspruchs.
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Die Erfindung gehört zur elektronischen Technik einer DC/AC-Wandlung und kann eine breite Anwendung in vielfältigen Sekundärspannungsquellen finden. Das voraus-sichtliche Anwendungsgebiet sind LED-Beleuchtungsgeräte mit einer Netzversorgung. Möglich ist auch eine Nutzung der Erfindung in Hochleistungswandlern und in Wandlern mit einer pulsierenden Ausgangsspannung.
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Der Stand der Technik einer Wandlung der normalfrequenten Wechselspannung ist mit der Bekanntheit einer technischen Lösung charakterisiert, die in der Gleichrichtung einer Netzspannung, in der Glättung mit einem filtrierenden Hochspannungskondensator und einer weiteren Umgestaltung mit Hilfe eines induktiven Reaktors besteht. Der vor einem Hochspannungsschlüsselelement auf eine Frequenz geschaltete Reaktor hat eine Frequenz, die viel größer ist als die Frequenz eines Versorgungsnetzes. Ein Beispiel einer solchen Lösung ist das Patent der
USA 5 661 645 , 26.08.1997, Power supply for light emitting diode array, Hochstein. Zu den Merkmalen, die mit den Merkmalen der Erfindung übereinstimmen, gehören das Vorhandensein eines Gleichrichters für die Netzspannung sowie das Vorhandensein eines Hochspannungskraftschlüsselelements. Die Mängel solcher Einrichtungen folgen erstens aus den Eigenschaften eines Gleichrichters, der mit einem bemerkbaren Anteil einer reaktiven Komponente in voller Macht charakterisiert ist (d. h. einem niedrigen Wert des Leistungskoeffizienten), die aus dem Netz infolge einer Ladung von Abflachkondensatoren abgenommen wird. Zweitens können solche Einrichtungen nicht einfach und billig in der Konstruktion sein, da die Hochspannungskondensatoren einer großen Kapazität, mächtiger und schnellwirkender Hochspannungsschlüssel und induktiver Reaktoren mit qualitativen Kernen bedürfen und eine Isolierung vorhanden sein muss. Außerdem stellen solche Einrichtungen bei ihrer Massenanwendung eine bestimmte Bedrohung der Umwelt (Verschmutzung) mit einer elektromagnetischen Ausstrahlung dar, die mit der Arbeit eines Schlüsselhochspannungselements auf einer hohen Frequenz und mit dem Vorhandensein eines induktiven Reaktors verbunden ist.
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Der nächstkommende Stand der Technik ist im Patent der
USA 6 577 072 B2 , 10.06.2003, Power supply and LED lamp device, Saito et al beschrieben. In dieser Lösung ist ein Umsetzer einer Wechselspannung in eine Gleichspannung beschrieben, der einen an das einphasige Wechselstromnetz angeschlossenen Gleichrichter, eine Steuereinheit sowie eine konsequente aus N Kondensatoren bestehende (wo N mehr oder gleich 2 ist) Kette aufweist. Die Kette ist an den Ausgang eines Gleichrichters angeschlossen und weist Sammel- und Stromverteilungsknoten für eine Belastung auf, die mit der angegebenen konsequenten Kette aus N Kondensatoren so verbunden sind, dass die angegebenen Kondensatoren vom Gleichrichter in konsequenter Weise geladen und in der Kette von einer Belastung in paralleler Weise entladen werden.
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Mängel dieser Einrichtung sind ein niedriger Wert des Leistungskoeffizienten sowie eine Komplexität der Konstruktion. Die beschriebene Einrichtung weist eine Menge von schaltenden Hochspannungstransistoren auf, die die Rolle eines Schlüssels und von Sammel- und Stromverteilungsknoten für eine Belastung übernehmen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den Leistungskoeffizienten des Umsetzers zu vergrößern und die Konstruktion des Umsetzers zu vereinfachen.
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Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung geht von einem Umsetzer einer Wechselspannung in eine Gleichspannung aus, der einen an das einphasige Wechselstromnetz angeschlossenen Gleichrichter, eine Steuereinheit sowie eine konsequente aus N Kondensatoren bestehende (wo N mehr oder gleich 2 ist) Kette, die an den Ausgang des Gleichrichters angeschlossen ist sowie Sammel- und Stromverteilungsknoten für eine Belastung aufweist, die mit der angegebenen konsequenten Kette aus N Kondensatoren so verbunden sind, dass die angegebenen Kondensatoren vom Gleichrichter in konsequenter Weise geladen und in der Kette von einer Belastung in paralleler Weise entladen werden. Nach der Erfindung ist zusätzlich ein elektronischer Schlüssel eingeführt, der von den Signalen der Steuereinheit in Betrieb setzbar ist und der einen Stromdurchfluss für eine Belastung vom Stromsammelknoten bis zum Stromverteilungsknoten zu einem Zeitpunkt gewährleistet, bei dem die Amplitude der gleichgerichteten Spannung weniger als der Aufgabewert ist, und die Sammel- und Stromverteilungsknoten für eine Belastung in Form von Diodenkämmen ausgebildet sind und dass dabei in die konsequente Kette zusätzlich N Strombegrenzungsresistoren und N – 1 oder N Dioden aufgenommen sind.
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Man muss bemerken, dass der technische Effekt, der in einer Vergrößerung des Leistungskoeffizienten besteht, unerwartet für eine Realisierung von eigentümlichen Merkmalen der Erfindung ist. Bei der erfinderischen Aufgabenlösung waren die angegebenen Merkmale in erster Linie auf eine Realisierung eines einfachen Schaltbildes der konsequenten Kette von Kondensatoren eines Ladungstransfers (charge pump) gerichtet. Jedoch ergab es sich, dass die Gesamtheit dieser Merkmale auch eine Vergrößerung des Leistungskoeffizienten gewährleistet.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein elektrisches Grundschaltbild des Umsetzers,
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2 die Spannungs- und Stromkurven des Gleichrichters, die die Arbeit der Einrichtung im Normalregime (a) und bei der Kompensation einer Blindleistung (b) illustrieren,
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3 Varianten von Diodenkämmen der Sammel- und Stromverteilungsknoten einer Belastung – konsequente Kämme (a), parallele Kämme (b), kombinierte Kämme (c),
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4 konstruktive Varianten einer Realisierung des Gleichrichters – Einweggleichrichter (a), Brücken-Zweiweggleichrichter (b), mit der Strombegrenzung (c), mit Schutzelementen an dem Eingang (d),
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5 schaltungstechnische Lösungen zur praktischen Realisierung des elektronischen Schlüssels und der Anschlussarten einer Belastung – mit dem Anschluss einer Belastung an die Kette einer Stromverteilung (a), mit dem Anschluss einer Belastung an die Kette einer Stromsammlung (b), mit dem Schlüssel auf einem Feld-MIH–Transistor (Metall-Isolator-Halbleiter) (c), auf einem Thyristor (d), auf einem optischen Thyristor (e) und
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6 ein elektrisches Grundschaltbild, das eine der Elementarvarianten einer Realisierung der Erfindung illustriert.
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Die Einrichtung (1) funktioniert auf folgende Weise. Der Gleichrichter 1 konvertiert die Wechselspannung eines Speisenetzes, zum Beispiel einer sinusförmigen Form mit der Frequenz 50 Gz, in Halbwellen mit einer Polarität. Auf dem Gebiet der Steigerung einer Halbwelle der gleichgerichteten Spannung geschieht eine Ladung der Kondensatoren der konsequenten Kette 3 ungefähr bis zu einer Spannung U1 = √/2·U0/N, wobei U0 der effektive Wert der Netzspannung und N die Zahl der Kondensatoren ist. Die übrigen Elemente befinden sich im ausgeschalteten passiven Zustand: der elektronische Schlüssel 7, dank der Abwesenheit eines öffnenden Steuersignals von der Steuereinheit 2, und die Diodenkämme 4 und 5, dank der Einwirkung der verschließenden gleichgerichteten Spannung der dafür rückgängigen Polarität. Auf dem sinkenden Gebiet einer Halbwelle bleibt alles ohne Veränderungen bis zu einer bestimmten Schwelle. Im Betrieb ohne Kompensation der Blindleistung ist diese Schwelle niedriger als ein mittlerer Spannungswert der Belastung 6 gewählt, und im Betrieb mit der Kompensation ist dieser Spannungswert höher als der Durchschnittswert. Nach dem Abfall einer Größe der gleichgerichteten Spannung bis zum Wert der aufgegebenen Schwelle bildet die Steuereinheit 2 ein Aufschlusssignal für den elektronischen Schlüssel 7. Ab diesem Zeitpunkt fängt der Strom an, in die Belastung 6 (die zum Beispiel ein Resistor R und ein Abflachkondensator sein können) von N der parallel eingeschalteten Kondensatoren C1–CN der konsequenten Kette 3 eingepumpt zu werden, plus der Strom, der von der Restspannung auf dem Ausgang des Gleichrichters 1 zum jetzigen Zeitpunkt bedingt ist. Der letzte Strom hängt von einem Strombegrenzungselement des Gleichrichters oder von seinem inneren Widerstand ab. Die Bestimmung der Dioden VD1–VDN, eine konsequente Kette der Kondensatoren zum Zeitpunkt ihrer Entladung auszukuppeln, lässt zu, sie in der parallelen Weise umzustecken. Der Summenstrom des Gleichrichters ist auf den Schaubildern der 2 für den Betrieb mit der Kompensation und ohne Kompensation gezeigt. Die Strombegrenzungsresistoren R1–RN erfüllen nicht die Funktion eines Ballastes für die Belastung im gewöhnlichen Sinne dieses Terminus in der Elektrotechnik. Diese Resistoren mit einem verhältnismäßig kleinen Widerstand beschränken nur auf einem annehmbaren Niveau die Schaltströme, und darin besteht ihre Hauptbestimmung. Die angegebenen Ströme entstehen in den Kondensatoren C1–CN bei der Nutzung zusammen mit der Belastung eines Abflachkondensators einer größeren Kapazität sowie bei den Schaltstörungen seitens des Netzes (Kontaktprellen bei der Einschaltung). Das Strombegrenzungselement des Gleichrichters verringert diese Ströme zusätzlich und dient als prophylaktisches Mittel gegen eine spontane Einschaltung des elektronischen Schlüssels wegen des Effekts dU/dt infolge derselben Schaltstörungen des Netzes, aber auch dann, wenn kein Ballast für die Belastung vorhanden ist.
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Die Funktion eines Ballastes, der den Strom für eine Belastung beschränkt, erfüllen die Kondensatoren C1–CN selbst, die mit der Netzfrequenz bei der Einweggleichrichtung (oder mit der verdoppelten Netzfrequenz bei der Zweiweggleichrichtung) mit Hilfe des elektronischen Schlüssels 7 eine elektrische Ladung in die Belastung 6 verlegen. Die Entladung der angegebenen Kondensatoren geschieht schnell genug. Sie wird auf ihrem erlöschenden Gebiet vom elektronischen Schlüssel 7 unterbrochen, der von der Steuereinheit 2 zum Überschreitungsmoment von einem Spannungswert der nächsten Halbwelle der Abgabespannung des Gleichrichters 1 der aufgegebenen Schwelle für den Fall der Zweiweggleichrichtung ausgeschaltet wird oder zu jedem anderen Moment der nächsten inaktiven Halbwelle für einen Fall der Einweggleichrichtung. Weiter wird die Arbeit des Umsetzers zyklisch wiederholt.
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Für die Illustration einer praktischen Verwirklichung der Erfindung sind in der 3 Varianten einer Realisierung der Diodenkämme 4, 5 der Sammel- und Stromverteilungsknoten einer Belastung 6 dargestellt. in der 3(a) sind konsequente Kämme dargestellt. in einer solchen Einschaltung werden an alle Dioden der Kämme identische und minimale Anforderungen bezüglich der Größe der zulässigen Rückspannung UA = √/2·U0/N, gestellt, wobei U0 der Effektivwert einer Netzspannung und N die Zahl der Kondensatoren ist, obwohl in einem solchen Schema die Spannungsverluste an den Dioden maximal sind, da die Entladung jedes Kondensators durch die Kette mindestens aus N – 1 der konsequent eingeschalteten Dioden verwirklicht ist. Ein solches Schema ist für Einrichtungen mit einer Kleinleistung und in einer Integralerfüllung bevorzugt. In der 3(b) sind parallele Kämme dargestellt. in diesem Fall werden an einige Dioden der Kämme maximale Anforderungen bezüglich der Größe der zulässigen Rückspannung UA = √/2·U0 gestellt, wobei U0 der Effektivwert einer Netzspannung ist. In einem solchen Schema sind die Spannungsverluste an den Dioden minimal, da die Entladung jedes Kondensators durch die Kette aus nicht mehr als zwei konsequent eingeschalteten Dioden verwirklicht ist. Ein solches Schema ist für hochleistungsfähige Einrichtungen bevorzugt. in der 3(c) ist eine Variante mit kombinierten Kämmen dargestellt. Solche Kämme können aus spezifischen technologischen Gründen verwendet werden. Die Dioden 4 und 5 der Kämme der Sammel- und Stromverteilungsknoten einer Belastung 6 können als Stabilisatoren für eine Erhöhung der Zuverlässigkeit des Umsetzers verwendet sein. In diesem Fall werden der Abhang oder die wesentliche Verkleinerung der Kapazität eines der Kondensatoren C1–CN der konsequenten Kette 3 nicht zur katastrophalen Absage des Umsetzers führen.
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In 4 sind verschiedene Aspekte einer praktischen Realisierung des Gleichrichters 1 dargestellt. In 4(a) ist ein Einweggleichrichter dargestellt, der aus einer Diode besteht. In 4(b) ist ein Brücken-Zweiweggleichrichter dargestellt, der aus vier Dioden besteht. In 4(c) ist ein Einweggleichrichter mit einer Strombegrenzung dargestellt. Als Begrenzer kann ein auf dem Schema dargestellter Resistor R oder jede andere bekannte Lösung mit ähnlicher Bestimmung verwendet werden. In 4(d) ist ein Einweggleichrichter mit Schutzelementen an dem Eingang mit einer Schmelzsicherung F und einem Varistor RU dargestellt. Alle aufgezählten Lösungen können in verschiedenen Kombinationen sowie in Kombinationen mit anderen bekannten Lösungen aus dem Gebiet der einphasigen Gleichrichter verwendet werden. Der Gleichrichter kann zusätzlich mit einer Phasenabtrennung gesteuert sein, das heißt, die Steuersignale der Steuereinheit 2 lassen einen bestimmten Teil der gleichgerichteten Halbwellen der Spannung durch. Eine solche Lösung verbessert auch den Leistungskoeffizienten.
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In 5 sind schaltungstechnische Lösungen zur praktischen Realisierung des elektronischen Schlüssels 7 und der Anschlussarten für eine Belastung 6 dargestellt. In 5(a) ist ein Anschluss der Belastung 6 an den Stromverteilungsknoten 5 dargestellt und des einpoligen elektronischen Schlüssels 7 an den Stromsammelknoten 4 der Belastung 6. Eine solche Lösung ist nur bei einer Einweggleichrichtung möglich, und in diesem Fall soll es in der konsequenten Kette 3 N der Dioden geben. Die Diode VDN ist in einer besonderen Bezeichnung innerhalb der konsequenten Kette 3 dargestellt. in 5(b) ist ein Anschluss der Belastung 6 durch den einpoligen elektronischen Schlüssel 7 an den Stromsammelknoten 4 und des Stromverteilungsknotens 5 der Belastung an die Sammelschiene dargestellt. Eine solche Lösung ist sowohl bei der Einweg- als auch bei der Zweiweggleichrichtung möglich. Als elektronischer Schlüssel 7 ist die Nutzung von vielfältigen elektronischen Komponenten möglich. Zum Beispiel ist in 5(c) für die Nutzung als einpoliger elektronischer Schlüssel 7 ein Kraft-Hochspannungs-MIH-Transistor dargestellt. In 5(d) ist die Nutzung eines Thyristors als der einpolige elektronische Schlüssel 7 dargestellt. Eine solche Lösung ist für mächtige und/oder Hochspannungsanwendungen zweckmäßig. Möglich sind die Anschlussarten der Belastung 6 und ohne ihre Anpassung und des elektronischen Schlüssels 7 an einem der Ausgabebusse des Gleichrichters 1. Zum Beispiel ist in 5(e) die Nutzung eines optischen Thyristors als einpoliger elektronischer Schlüssel 7 dargestellt. Dieses Schema illustriert eine Anschlussart der Belastung 6 ohne Abflachkondensator für die Speisung mit einem Impulsstrom einer Polarität. Der elektronische Schlüssel 7 kann auch zweipolig sein, wie es in 1 vorgeführt ist. Als Belastung 6 des Umsetzers kann eine zweite Stufe verwendet sein, die nach dem Schema des beschriebenen Umsetzers ausgebildet ist. Dabei kann die Rolle des Gleichrichters in der zweiten Stufe der elektronische Schlüssel der ersten Stufe erfüllen. Eine solche Lösung lässt zu, die gerätetechnischen Aufwände bei großen Koeffizienten der Spannungsumgestaltung zu minimieren.
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In 6 ist ein elektrisches Grundschaltbild dargestellt, das eine Elementarvariante einer praktischen Realisierung der Erfindung illustriert. Der Gleichrichter 1 ist mit der Diode VD19, einem Strombegrenzungsresistor R8 und einer Schmelzsicherung F geschützt. Der elektronische Schlüssel 7 ist mit dem Transistor VT1 erfüllt. Das Stabilitron VD21 ist für den Schutz eines Verschlusses vor dem Durchschlag vorbestimmt, und der Resistor R10 gewährleistet das Schließen des Schlüssels 7 in Abwesenheit eines Steuersignals. Die Steuereinheit 2 ist mit dem Transistor VT2 realisiert. Für seinen Start ist beim Einschluss der Startresistor R12 verwendet. Die Analyse eines Spannungsniveaus des Netzes verwirklicht sich durch den Resistor R9. Die Diode VD20 gewährleistet einen Schutz des Emitter-pn-Übergangs des Transistors VT2 vom Durchschlag mit der Rückspannung. Das Steuersignal für den elektronischen Schlüssel 7 ist mit dem Resistor R11 gebildet. Durch den Auskoppelkondensator C8 tritt dieses Steuersignal auf den Verschluss des Transistors VT1.
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Die konsequente Kette 3 sowie die Diodenkämme der Strom-Sammlung und Verteilung der Belastung 4, 5 sind mit den Elementen C1–C7, R1–R7, VD1–VD18 realisiert. Die Belastung 6 ist durch konsequent eingeschaltete Leuchtdioden mit weißer Farbe des Leuchtens VD23–VD29 dargestellt, die von einem Elektrolytkondensator mit einer großen Kapazität C9 parallel geschaltet sind. Das Stabilitron VD22 ist für einen Belastungsschutz bei einem Spannungsüberschuss in den Notbetrieben vorbestimmt. In 6 sind einfachheitshalber die Löschzellen der Leuchtdioden bei der Ausschaltung und andere Hilfselemente nicht dargestellt. Bei der gleichen Kapazität jedes der sieben Kondensatoren C1–C7 mit 1 Mikrofarad beträgt der Aufnahmestrom vom Netz 1,5 MA, bei der Netzspannung von 220 Volt. Dabei bildet sich ein Belastungsstrom von 6,5 MA bei einer Belastungsspannung von 20 Volt. Der Wirkungsgrad beträgt ca. 40%.
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Der konstruktiv betrachtete Umsetzer kann in unterschiedlichsten Ausgestaltungen je nach der Ausgangsleistung und der Netzspannung ausgeführt sein. Insbesondere kann für mikromächtige Anwendungen, solche wie Stromzeigelampen und flexible LED-Lineale mit einer Speisung vom Wechselstromnetz 220 Volt, die angegebene Einrichtung nach der SMD-Technologie einer oberflächlichen Montage auf eine flexible Unterlage oder auf eine harte Druckplatte aufgebracht sein. Es ist eine volle oder eine Teilherstellung des Umsetzers in Form eines integrierten Schaltkreises möglich. In einzelnen Fällen können als Strombegrenzungsresistoren R1–RN ein hoher innerer Widerstand der Dioden oder der Kondensatoren einer speziellen Konstruktion verwendet werden, was das technische Wesen und den Anspruch nicht verändert.
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Der betrachtete Umsetzer weist nur zwei grundsätzlich notwendige Hochspannungs-Elemente, den Gleichrichter 1 und den elektronischen Schlüssel 7, auf. Hohe Anforderungen bezüglich der Schnelligkeit sind nicht gestellt. Die übrigen Elemente können Niederspannungselemente sein. Die Einfachheit und die geringen Anforderungen an die Elemente lassen es zu, den Realisierungswert des Umsetzers bei der Massenherstellung sehr niedrig zu halten, das heißt, in einigen Fällen ist eine reale und umweltfreundlichere Alternative zu den Transformatoren und den hochfrequenten Impulstiefsetzstellern geschaffen.
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Sofort nach der Abschaltung vom Netz weist diese Einrichtung bei der entsprechenden Auswahl der Zahl von Kondensatoren keine gefährlichen Spannungsquellen mehr auf. Außerdem weist die Einrichtung keine induktiven Reaktoren auf und funktioniert mit niedriger Frequenz, was das Niveau der elektromagnetischen Ausstrahlungen minimal hält.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5661645 [0003]
- US 6577072 B2 [0004]