DE3528839A1 - Mains connection circuit - Google Patents

Mains connection circuit

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Abstract

In this circuit, a generator 6 controls the nominal voltage Us. To achieve a high efficiency, the generator 6 also controls the direct feed voltage UB in such a manner that the shape and frequency of the direct feed voltage UB is equal to the shape and frequency of the nominal voltage Us. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Netzanschlußschaltung, die zwischen einem Netzanschlußpol und einem Lastwiderstand liegt, wobei eine Speisegleichspannung des Netzes die Leistung zum Betrieb des Lastwiderstands liefert und ein Generator die Form, Frequenz und Höhe der am Lastwiderstand anliegenden Sollspannung steuert.The invention relates to a mains connection circuit, that between a mains connection pole and a load resistor is a supply voltage the power to operate the load resistor supplies and a generator the form, frequency and the level of the target voltage applied to the load resistor controls.

In Luftfahrzeugen beispielsweise arbeitet ein Teil der elektrischen Ausrüstung im Cockpit mit Wechselspannung, da elektrische Wechselfelder einen Kompaß oder ähnliche Einrichtungen nicht stören. Die Gleichspannung soll auch Lastwiderstände, wie beispielsweise die Instrumentenbeleuchtung, speisen, die vorzugsweise mit Wechselspannung versorgt werden, wobei die Amplitude der Wechselspannung einstellbar sein soll, um die Beleuchtung dimmen zu können. Nach dem Stand der Technik ist hierfür ein üblicher Verstärker vorgesehen, dessen Versorgungsspannungsanschluß an der Netzgleichspannung liegt und an dessen Steuereingang ein Generator angeschlossen ist, der Form, Frequenz und Höhe der Sollspannung des Lastwiderstandes steuert. Nachteilig ist dabei, daß am Verstärker hohe Verlustleistungen auftreten, die dann besonders groß sind, wenn die Sollspannung niedrig ist, die Beleuchtung also stark gedimmt ist. Daraus ergibt sich einerseits ein geringer Wirkungsgrad des Verstärkers. Andererseits müssen seine Kühlkörper so ausgelegt sein, daß sie die hohe Verlustleistung abzuführen vermögen. Dies ist ungünstig, da solche Kühlkörper ein großes Volumen und ein beachtliches Gewicht aufweisen, welches vor allem bei Luftfahrzeugen die Nutzlastkapazität senkt und die Betriebskosten erhöht.For example, a part works in aircraft the electrical equipment in the cockpit with AC voltage, because alternating electrical fields a compass or disturb similar facilities. The DC voltage should also be load resistors, such as for example the instrument lighting, dine, which are preferably supplied with AC voltage, the amplitude of the AC voltage being adjustable to be able to dim the lighting. In the prior art, this is a common one Amplifier provided, the supply voltage connection is on and on the mains voltage  whose control input is connected to a generator, the shape, frequency and level of the target voltage of the Load resistance controls. The disadvantage here is that high power losses occur at the amplifier are particularly large when the target voltage is low is, so the lighting is dimmed heavily. Out of it on the one hand, the efficiency of the Amplifier. On the other hand, its heat sinks must be like this be designed to dissipate the high power loss capital. This is inconvenient because of such heat sinks a large volume and a considerable weight have, which especially in aircraft Reduces payload capacity and increases operating costs.

In Halbleiter-Schaltungstechnik / U. Tietze, CH. Schenk, 5. Auflage, Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 1980, Seite 390 ff ist ein Schaltnetzteil mit hohem Wirkungsgrad beschrieben. Dieses arbeitet mit einem Schalttransistor, der mit einer hohen Schaltfrequenz getaktet wird. Dem Schalttransistor ist als Siebgleid ein LC-Filter zur verlustlosen Glättung der Ausgangsgleichspannung nachgeschaltet. Die Ausgleichsgleichspannung wird mit einer Referenz- Gleichspannung verglichen. Dementsprechend wird das Tastverhältnis des Schalttransistors eingestellt. Wird ein solches Schaltnetzteil dem Versorgungsspannungsanschluß eines Verstärkers vorgeschaltet, dessen Steuereingang die Sollspannung bestimmt, dann entstehen in diesem trotz dem an sich verlustarmen Schaltnetzteils wieder die genannten Verluste. In semiconductor circuit technology / U. Tietze, CH. Schenk, 5th edition, Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 1980, page 390 ff is a switching power supply described with high efficiency. This works with a switching transistor that has a high Switching frequency is clocked. The switching transistor is an LC filter for lossless use as a filter Subsequent smoothing of the DC output voltage. The DC compensation voltage is compared with a reference DC voltage compared. Accordingly, it will Duty cycle of the switching transistor set. Such a switching power supply becomes the supply voltage connection upstream of an amplifier, whose control input determines the target voltage, then arise in this despite the low loss per se Switching power supply again the losses mentioned.  

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Netzanschlußschaltung der eingangs genannten Art anzugeben, die bei allen für den Lastwiderstand am Generator einstellbaren Sollspannungsverläufen mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitet.The object of the invention is a network connection circuit of the type mentioned at the outset all adjustable for the load resistance on the generator Target voltage curves with a high Efficiency works.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einer Netzanschlußschaltung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Generator auch die Speisegleichspannung steuert und zwar so, daß die Form und Frequenz der Speisegleichspannung gleich der Form und Frequenz der Sollspannung ist und die Speisegleichspannung jeweils nur wenig höher als die Sollspannung ist. Dadurch ist ein hoher Wirkungsgrad gewährleistet. Insbesondere erniedrigt sich der Wirkungsgrad nicht dann wesentlich, wenn der Lastwiderstand mit einer Sollspannung betrieben wird, deren Amplitude unter der maximalen Amplitude liegt, wie dies beispielsweise beim Dimmen von Beleuchtungskörpern der Fall ist.According to the invention, the above object is for a mains connection circuit of the type mentioned above solved that the generator also the DC supply voltage controls so that the shape and frequency the DC supply voltage equal to the shape and frequency is the target voltage and the DC supply voltage only slightly higher than the target voltage is. This ensures high efficiency. In particular, the efficiency does not decrease then essential if the load resistance with a Target voltage is operated, the amplitude below the maximum amplitude, such as this when dimming lighting fixtures is.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:Advantageous refinements of the invention result arising from the subclaims and the following Description of exemplary embodiments. In the drawing demonstrate:

Fig. 1 eine Netzanschlußschaltung mit Schaltnetzteil und Verstärker, Fig. 1 is a power supply circuit and a switching power supply and amplifier,

Fig. 2 ein Spannungsdiagramm der Schaltung nach Fig. 1, Fig. 2 shows a voltage diagram of the circuit of Fig. 1,

Fig. 3 eine Schaltung entsprechend Fig. 1 zur Erzeugung positiver und negativer Halbwellen, Fig. 3 shows a circuit 1 according to Fig. For generating positive and negative half waves,

Fig. 4 eine Netzanschlußschaltung mit Schaltnetzteil und Übertrager und Fig. 4 shows a network connection circuit with switching power supply and transformer and

Fig. 5 eine Schaltung entsprechend Fig. 1 als Frequenzumrichter. Fig. 5 shows a circuit corresponding to Fig. 1 as a frequency converter.

Ein Schaltnetzteil 1 weist einen Transistor T 1 auf, dem ein Siebglied aus einer Spule L 1 und einem Kondensator C 1 nachgeschaltet ist. Außerdem ist eine Diode D 1 vorgesehen, die die Spule L 1 beim Sperren des Transistors T 1 auf Masse legt. Der Transistor T 1 wird von einem Regler 2 getaktet, der mit einer Schaltfrequenz von beispielweise 60 kHz arbeitet. Am Eingang des Schaltnetzteils 1 liegt eine Speisegleichspannung U B . Der Ausgang 3 des Schaltnetzteils 1 liegt am einen Eingang des Reglers 2.A switched-mode power supply 1 has a transistor T 1 , which is followed by a filter element comprising a coil L 1 and a capacitor C 1 . In addition, a diode D 1 is provided, which defines the coil L 1 in the blocking of the transistor T 1 to ground. The transistor T 1 is clocked by a controller 2 , which operates at a switching frequency of 60 kHz, for example. A DC supply voltage U B is present at the input of the switching power supply 1 . The output 3 of the switching power supply 1 is at an input of the controller 2 .

An den Ausgang 3 des Schaltnetzteils 1 ist ein Versorgungsspannungsanschluß 4 eines Verstärkers 5 angeschlossen, der von einem Generator 6 gesteuert ist. Der Generator 6 ist auch mit dem Regler 2 verbunden. Am Ausgang des Verstärkers 5 liegen ein oder mehrere Lastwiderstände R L . Der Generator 6 erzeugt eine sinusförmige, dreieckförmige oder trapezförmige Steuerspannung, deren Amplitude einstellbar ist. Die Frequenz der Steuerspannung des Generators 6 liegt beispielsweise unter 1000 Hz. Sie ist jedenfalls kleiner als die Schaltfrequenz des Schaltnetzteils 1. Mittels des Generators 6 läßt sich die am Lastwiderstand R L anstehende Sollspannung U S einstellen.A supply voltage connection 4 of an amplifier 5 , which is controlled by a generator 6, is connected to the output 3 of the switching power supply 1 . The generator 6 is also connected to the controller 2 . At the output of the amplifier 5 there are one or more load resistors R L. The generator 6 generates a sinusoidal, triangular or trapezoidal control voltage, the amplitude of which is adjustable. The frequency of the control voltage of the generator 6 is, for example, below 1000 Hz. In any case, it is lower than the switching frequency of the switching power supply 1 . The setpoint voltage U S present at the load resistor R L can be set by means of the generator 6 .

In Fig. 2 sind die Verläufe der am Widerstand R L abfallenden Sollspannung U S und der am Versorgungsspannungsanschluß 4 anstehenden Versorgungsspannung U V dargestellt. Ist der Generator 6 beispielsweise so eingestellt, daß der Sollspannungsverlauf U SI erzeugt wird, dann tritt am Versorgungsspannungsanschluß 4 der Spannungsverlauf U VI auf, da der Generator 6 auch das Schaltnetzteil 1 steuert. Ist der Generator 6 beispielsweise auf eine niedrige Amplitude so eingestellt, daß am Lastwiderstand R L die Sollspannung U SII auftritt, stellt sich die Versorgungsspannung U VII ein. Die Versorgungsspannung U V gleicht also in Form und Frequenz der Sollspannung U S bzw. der Steuerspannung des Generators 6. Die Versorgungsspannung U V ist immer um den gleichen Betrag höher als die Sollspannung U S , wobei bei negativen Sollspannungen die Versorgungsspannung U V entsprechend negativer ist. Die Verluste des Verstärkers 5 entsprechen der zwischen den Linien U SI , U SII , U VI und U VII liegenden Fläche. Wie Fig. 2 deutlich zu entnehmen, sind diese Verluste wesentlich kleiner, als wenn am Versorgungsspannungsanschluß 4 eine konstante Versorgungsspannung U VLE , anläge. Die Verluste entsprächen dann der Fläche zwischen den Linien U SI , U SII und U VLE . Darüber hinaus sind die auftretenden Verluste bei den unterschiedlichen Generatoreinstellungen auch wesentlich konstanter als wenn dieser mit der Spannung U VLE , betrieben würde. Die Verluste des Schaltnetzteils 1 selbst sind gering. Es wird also insgesamt ein hoher Wirkungsgrad erreicht. Wegen der geringen Verluste können auch Kühlkörper des Verstärkers 5 klein ausgelegt werden, was eine bedeutende Gewichtsersparnis darstellt.In FIG. 2, the waveforms of the voltage drop across the resistor R L nominal voltage U S and present at the supply voltage terminal 4 supply voltage U V are shown. If the generator 6 is set, for example, so that the target voltage profile U SI is generated, then the voltage profile U VI occurs at the supply voltage connection 4 , since the generator 6 also controls the switching power supply 1 . If the generator 6 is set, for example, to a low amplitude such that the set voltage U SII occurs at the load resistor R L , the supply voltage U VII is set . The supply voltage U V thus has the same shape and frequency as the set voltage U S or the control voltage of the generator 6 . The supply voltage U V is always the same amount higher than the target voltage U S , the supply voltage U V being correspondingly more negative in the case of negative target voltages. The losses of the amplifier 5 correspond to the area lying between the lines U SI , U SII , U VI and U VII . As can be clearly seen in FIG. 2, these losses are substantially smaller than if a constant supply voltage U VLE were present at the supply voltage connection 4 . The losses would then correspond to the area between the lines U SI , U SII and U VLE . In addition, the losses that occur with the different generator settings are also much more constant than if the latter were operated with the voltage U VLE . The losses of the switching power supply 1 itself are low. Overall, a high degree of efficiency is achieved. Because of the low losses, the heat sink of the amplifier 5 can also be designed to be small, which represents a significant weight saving.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist eine Schaltung dargestellt, bei der am Lastwiderstand R L positive und negative Halbwellen erzeugt werden können. Es ist hier zusätzlich zum Schaltnetzteil 1, das mit den positiven Halbwellen des Generators 6 gesteuert wird, ein Schaltnetzteil 1′ vorgesehen, das mit den negativen Halbwellen des Generators 6 gesteuert wird.In the embodiment according Fig. 3 shows a circuit, can be generated in the positive at the load resistor R L and negative half-waves. It is here in addition to the switching power supply 1 , which is controlled with the positive half-waves of the generator 6 , a switching power supply 1 'is provided, which is controlled with the negative half-waves of the generator 6 .

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind an die Spule L 1 Spulen L 2 und L 3 induktiv angekoppelt. Die Spule L 2 weist eine Mittelerdung auf. Über Gleichrichterdioden D 2 und D 3 ist die Last R L angeschlossen, der Siebkondensatoren C 2 und C 3 parallelliegen. Die Spule L 3 ist über eine Gleichrichterdiode D 4 und einen Widerstand R 1 an den Regler 2 angeschlossen. Außerdem ist ein Siebkondensator C 4 und ein Parallelwiderstand R 2 vorgesehen. Zwischen dem Generator 6 und dem anderen Eingang des Reglers liegt ein Widerstand R 3. Auch diese Schaltung arbeitet mit hohem Wirkungsgrad. Der Generator 6 steuert über das Schaltnetzteil 1 die Speisegleichspannung U B . Deren Form und Frequenz wird damit gleich der Form und Frequenz der Sollspannung U S am Lastwiderstand R L .In the embodiment of Fig. 4 1 coils L 2 and L 3 inductively coupled to the coil L. The coil L 2 has a middle ground. The load R L is connected via rectifier diodes D 2 and D 3 , and the filter capacitors C 2 and C 3 are connected in parallel. The coil L 3 is connected to the controller 2 via a rectifier diode D 4 and a resistor R 1 . In addition, a filter capacitor C 4 and a parallel resistor R 2 are provided. A resistor R 3 lies between the generator 6 and the other input of the controller. This circuit also works with high efficiency. The generator 6 controls the DC supply voltage U B via the switching power supply 1 . Their shape and frequency thus become the same as the shape and frequency of the target voltage U S across the load resistor R L.

Der Generator 6 erzeugt eine analoge Spannung. Er kann jedoch auch digitale Impulsfolgen erzeugen, deren Hüllkurve der gewünschten analogen Sollspannung entspricht.The generator 6 generates an analog voltage. However, it can also generate digital pulse sequences, the envelope of which corresponds to the desired analog target voltage.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 gleicht im wesentlichen dem der Fig. 1. Es ist jedoch dem Schaltnetzteil 1 ein Gleichrichter 7 vorgeschaltet, der an einer Wechselspannung U W liegt. Beispielsweise kann dieses Netz das 400 Hz-Netz eines Luftfahrzeugs sein. Entsprechend der am Generator 6 eingestellten Frequenz von beispielsweise 1000 Hz, mit der der Lastwiderstand R L betrieben wird, erfolgt damit eine Frequenzumrichtung von 400 Hz auf 1000 Hz. Wie beschrieben, wird auch hier ein hoher Wirkungsgrad erreicht.The embodiment of FIG. 5 is essentially the same as that of FIG. 1. However, a rectifier 7 is connected upstream of the switched-mode power supply 1 and is connected to an alternating voltage U W. For example, this network can be the 400 Hz network of an aircraft. Corresponding to the frequency set at generator 6 , for example 1000 Hz, with which the load resistor R L is operated, frequency conversion from 400 Hz to 1000 Hz takes place. As described, a high degree of efficiency is also achieved here.

Claims (6)

1. Netzanschlußschaltung, die zwischen einem Netzanschlußpol und einem Lastwiderstand liegt, wobei eine Speiesegleichspannung des Netzes die Leistung zum Betrieb des Lastwiderstandes liefert und ein Generator die Form, Frequenz und Höhe der am Lastwiderstand anliegenden Sollspannung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (6) auch die Speisegleichspannung (U B ) steuert, und zwar so, daß die Form und Frequenz der Speisegleichspannung (U B ) gleich der Form und Frequnez der Sollspannung (U S ) ist und die Speisegleichspannung (U B ) jeweils nur wenig höher als die Sollspannung (U S ) ist.1. Mains connection circuit, which lies between a mains connection pole and a load resistor, with a DC supply voltage of the network supplying the power for operating the load resistor and a generator controlling the shape, frequency and level of the target voltage applied to the load resistor, characterized in that the generator ( 6 ) also controls the DC supply voltage ( U B ) in such a way that the shape and frequency of the DC supply voltage ( U B ) is the same as the shape and frequency of the target voltage ( U S ) and the DC supply voltage ( U B ) is only slightly higher than the target voltage ( U S ) is. 2. Netzanschlußschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisegleichspannung (U B ) um einen etwa gleichbleibenden Betrag höher als die Sollspannung (U S ) ist.2. Power supply circuit according to claim 1, characterized in that the DC supply voltage ( U B ) is higher than the target voltage ( U S ) by an approximately constant amount. 3. Netzanschlußschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltnetzteil (1) dem Versorgungsspannungsanschluß (4) eines Verstärkers (5) vorgeschaltet ist, an dessen Steuerspannungsanschluß der Generator (6) liegt, daß die Frequenz des Generators (6) kleiner als die Schaltfrequenz des Schaltnetzteils (1) ist und daß der Generator (6) das Schaltnetzteil (1) steuert, so daß die Versorgungsspannung (U V ) des Verstärkers 5 in Form und Frequenz der Sollspannung (U S ) gleich ist und um einen etwa gleichbleibenden Betrag höher als die Sollspannung (U S ) ist.3. Power supply circuit according to claim 1 or 2, characterized in that a switching power supply ( 1 ) is connected upstream of the supply voltage connection ( 4 ) of an amplifier ( 5 ), at the control voltage connection of the generator ( 6 ) that the frequency of the generator ( 6 ) is lower than the switching frequency of the switching power supply ( 1 ) and that the generator ( 6 ) controls the switching power supply ( 1 ), so that the supply voltage ( U V ) of the amplifier 5 in the form and frequency of the target voltage ( U S ) is the same and by about constant amount is higher than the target voltage ( U S ). 4. Netzanschlußschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schaltnetzteil (1) ein Gleichrichter (7) vorgeschaltet ist, der aus einer Netzwechselspannung (U W ) die Speisegleichspannung (U B ) bildet.4. Power supply circuit according to claim 3, characterized in that the switching power supply ( 1 ) is connected upstream of a rectifier ( 7 ) which forms the DC supply voltage ( U B ) from an AC mains voltage ( U W ). 5. Netzanschlußschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung positiver und negativer Halbwellen am Lastwiderstand (R L ) zwei Schaltnetzteile (1, 1′) vorgesehen sind, die beide vom Generator (6) gesteuert sind.5. Power supply circuit according to claim 3 or 4, characterized in that for generating positive and negative half-waves at the load resistor ( R L ) two switching power supplies ( 1 , 1 ' ) are provided, both of which are controlled by the generator ( 6 ). 6. Netzanschlußschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltnetzteil (1) vorgesehen ist, an dessen Spule (L 1) eine sekundärseitige Spule (L 2) induktiv angekoppelt ist, an die der Lastwiderstand (R L ) angeschlossen ist.6. Power supply circuit according to claim 1 or 2, characterized in that a switching power supply ( 1 ) is provided, on the coil ( L 1 ) a secondary-side coil ( L 2 ) is inductively coupled, to which the load resistor ( R L ) is connected.
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