AT514268A1 - Verlustfreies bzw. verlustarmes Netzteil - Google Patents

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AT514268A1 ATA352/2013A AT3522013A AT514268A1 AT 514268 A1 AT514268 A1 AT 514268A1 AT 3522013 A AT3522013 A AT 3522013A AT 514268 A1 AT514268 A1 AT 514268A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein verlustfreies bzw. verlustarmes Netzteil (1) für elektronische Schaltungen. Dabei wird elektrische Energie aus dem Öffentlichen Netz über eine kapazitive Strombegrenzung (2) und einem Brückengleichrichter (3) in einen Energiespeicher (4) geliefert, aus welchem die elektrische Energie für eine nachfolgende elektronische Schaltung entnommen werden kann. Eine mögliche last- bzw. bedarfsabhängige Energieentnahme aus dem Energiespeicher (4) wird über einen Messregler (6) ermittelt und damit über das Schaltelement (7) der Eingang des Brückengleichrichters (3) oder diverse Dioden des Brückengleichrichters (3) kurzgeschlossen. Dadurch wird die elektrische Energie, welche in einer Viertelnetzperiode entnommen wurde in der folgenden Viertelnetzperiode ganz oder teilweise wieder an das C)ffentliche Energienetz zurückgeben. Es handelt sich dabei um eine Energierückgabesteuerung. Damit ist das erfindungsgemäße Netzteil (1) auf die Energierückgabe optimiert. Somit wird im Netzteil keine bzw. nur geringe Energie vernichtet, was zu einem verlustfreien bzw. verlustarmen Netzteil führt.

Description

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Verlustfreies bzw. Verlustarmes Netzteil
Die Erfindung betrifft ein verlustfreies bzw. verlustarmes Netzteil, welches einen elektrischen Verbraucher, wie z.B. eine elektronische Schaltung, aus dem Öffentlichen Energienetz speist. Dabei wird eine Methode angewendet, welche bei Belastungsschwankungen die Entnahme der Energie aus dem Öffentlichen Netz bedarfsabhängig regelt, d.h. wieder zurückgibt, falls diese nicht benötigt
Elektronische Schaltungen zur Gebäudeautomation werden in modernen Gebäuden bzw. Häusern zunehmend unentbehrlich, um beispielsweise die Bedienung sämtlicher elektrischer Ausstattung innerhalb und außerhalb von Gebäuden komfortabel steuern zu können. Lokales Bedienen durch Schalten bzw. manuelles Verstellen der jeweiligen Einrichtung ist aufgrund des stetig steigenden Einzugs von modernen Steuerungssystemen auch im Wohnbereich nicht mehr zeitgemäß. Werden jedoch moderne vernetzte Steuerungssysteme für Einrichtungen eingesetzt, so erfordern diese üblicherweise auch einen Anschluss an das Öffentliche Energienetz und zwar sowohl hinsichtlich der ständigen Kommunikation als auch der Femwartung. Insbesondere die hohe Anzahl von verteilten elektronischen Geräten im Gebäude treibt den Energieverbrauch (versteckte Verbraucher) unnötig in die Höhe, dass derartige „intelligente“ Gebäudesteuerungssysteme für Niedrigenergie- bzw. Passivhäuser unattraktiv werden. Für den Anschluss eines leistungsarmen elektronischen Gerätes an das öffentliche Netz benötigt man daher in Zukunft einen Netzteil mit geringer Eigenleistung, sprich einen „Zero-Power-Netzteil“. Bei solchen elektronischen Geräten handelt es sich üblicherweise um Steuerungsgeräte, welche bei Bedarf die Beschattungen elektrisch in die gewünschte Position bringen, Beleuchtungen 2/14 1 ·* ·· ···♦ ·«♦· • . • • · · ♦ • • • ·· • :» · · • ♦ ♦♦ ·· ·' • • · · · • • ···· • • · · · • · • • • • · * · ·· • ··· ein bzw. ausschalten, Fenster öffnen bzw. schließen oder generell sämtliche Ausstattungen in und außerhalb von Gebäuden über elektrische Antriebe verstellen. Verbraucht dieses Steuergerät wenig Leistung, so benötigt das zugehörige Netzteil nur dann einen Trenntransformator (Eigenleistung 3 bis 5 Watt), wenn eine galvanische Trennung aus Sicherheitsgründen erforderlich ist. Wenn nicht, genügt meistens ein kapazitives Netzteil, welches Stand der Technik und somit schon am Markt erhältlich ist. Darin sind im Prinzip zwei Kondensatoren über einen Gleichrichter in Reihe geschaltet, was zu einer kapazitiven Spannuhgsteilung führt. Wegen der 90° Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, erzeugt der für diesen Zweck geeignete Netzkondensator keine Verlustleistung, nur Blindleistung. Jedoch wird mit jeder Halbwelle der Kondensator nach dem Gleichrichter nachgeladen, was die Spannung an diesem stetig ansteigen lässt, wenn keine elektrische Energie dem Kondensator entnommen wird. Daher ist eine Spannungsbegrenzung, z.B.: VDR oder Z-Diode, erforderlich, was naturgemäß zu Verlusten in Form von Wärme führt. Somit handelt es sich dabei um einen verlustbehafteten Netzteil.
Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine verlustfreie bzw. verlustarme Energieversorgung (Netzteil) für verteilte Gebäudebedien- bzw. Steuerungselektronik anzugeben, welche lastabhängig die dem Öffentlichen Netz entnommene elektrische Energie teilweise bzw. völlig wieder zurück gibt und dadurch die Verlustleistung im Netzteil nahezu auf Null reduziert. Man kann somit von einem „Zero-Power-Netzteil“ sprechen.
Dies wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Anwendungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. 3/14 2 ·· • • ·· • · ···· • j... • • · • • • • • • · • • • • • • ·«»· • ·· • • · • · • » M • • · · • • ·
Der Stand der Technik beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Speicherkondensator über das Öffentliche Netz durch einen kapazitiven Vorwiderstand über einen Brückengleichrichter aufzuladen. Dabei wird die Spannungshöhe am Speicherkondensator durch ein Überspannungselement begrenzt, wodurch elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird, was zu Verlusten im Netzteil führt.
Um diese Verluste im Netzteil gering zu halten, muss dafür gesorgt werden, dass die dem Netz entnommene Energie wieder dem Netz zurückgegeben wird, falls diese nicht benötigt wird. Dadurch ist eine lastabhängige Energieentnahme von 0 bis 100% möglich. Dazu müssen die beiden Dioden-Pfade des Brückengleichrichters jeweils für die positive als auch für die negative Halbwelle über einen Schalter kurzgeschlossen werden. Im Falle eines Kurzschlusses wird die in einer Viertelnetzperiode aufgenommene elektrische Energie in der folgenden Viertelnetzperiode wieder vollständig an das Netz zurückgegeben. Erfolgt das Kurzschließen zwischen den beiden Wechselspannungsanschlüssen des Brückengleichrichters, so sind die Gleichrichterverluste auch noch eliminiert. Für den Fall, dass nur zwei Belastungsfälle vorliegen (Standby und Aktiv), muss für eine ausgeglichene Energiebilanz im Energiespeicher (z.B.: Kondensator, Akku, ...) gesorgt werden, d.h. die zugeführte elektrische Energie muss gleich der entnommenen sein. Da elektronische Steuerungssysteme sich zumeist im Standby befinden, kann der Netzteil für diese Standby-Energie ausgelegt werden. Dennoch muss je nach Bedarf für kurze Zeiten die Steuerung Aktivitäten vornehmen. Für diese Aktivität wird kurzzeitig mehr elektrische Energie für die elektronische Schaltung benötigt. Bei bereits am Markt erhältlichen kapazitiven Netzteilen wird diese kurzzeitige höhere Energieentnahme als Grundlage für die Leistungsbilanz herangezogen, wobei die meiste Zeit (Standby) dann die verbleibende „Überschussenergie“ im Netzteil vernichtet werden muss.
Um nun insbesondere keine „Überschussenergie“ entstehen zu lassen, wird der Brückengleichrichter speziell betrieben, das heißt entweder in der Halb- oder in 4/14 3 der Vollwellengleichrichtung, wobei in der Vollwellengleichrichtung in beiden Halbwellen Energie aus dem Netz in den Energiespeicher geliefert wird. Die Umschaltung zwischen Halb- und Vollwellengleichrichtung erfolgt über ein Schaltelement, welches bedarfsabhängig eine Diode des Brückengleichrichters in der negativen Halbwelle kurzschließt. Die Energieentnahme aus dem Netzteil wird überwacht und dabei das Sehaltelement so angesteuert, dass der Übergang zwischen den beiden Gleichrichterprinzipen kontinuierlich erfolgt. Mit dieser Methode ist eine lastabhängige Energieentnahme zwischen 50 und 100% möglich, wodurch die Verlustleistung im Netzteil reduziert wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die Entwicklung eines einfachen Integrierten Schaltkreises (IC), da für diesen Aufbau keine elektronischen Spezialkompönenten benötigt werden. Darüber hinaus kann durch den einfachen und erprobten Prozess sämtlicher Digitalschaltungen ein IC entworfen werden, welcher dann für den Bau von „Green Elektronik“ zur Verfügung gestellt werden kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigen jeweils schematisch,
Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Netzteils mit lastabhängiger Energieentnahme von 0 bis 100%.
Fig. 2 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Netzteils mit lastäbhängiger Energieentnahme von 50 bis 100%. 5/14 4 ·· M ··«· ···· • • • · · · · ·' • ·· 4: ·, .· ♦ · ··· • · • • · · · • ···♦ • • · · · · · ·· ·· ·*.* ·. ··· : • ·«·
Entsprechend der Fig. 1, weist das erfindungsgemäße Netzteil 1 eine kapazitive Strombegrenzung 2, einen Brückengleichrichter 3, sowie einen Energiespeicher 4 auf. Die Elektrische Energie wird über diesen kapazitiven Spannungsteiler in den Energiespeicher 4 geliefert, welche dann über einen angekoppelten Verbraucher entnommen werden kann. Für den Fall, dass wenig bis keine Energie dem Energiespeicher 4 entnommen wird, kann über den Messregler 6 das Schaltelement 7 entsprechend lange den Brückengleichrichter 3 am Ausgang kurzschließen. Somit wird die in der vorherigen Viertelnetzperiode entnommene elektrische Energie in der folgenden Viertelnetzperiode wieder vollständig ah das Netz zurückgegeben. Wird tatsächlich elektrische Energie benötigt, so öffnet über den Messregler 6 bedarfsabhängig das Schaltelement 7 und der Brückengleichrichter 3 liefert wieder Energie in den Energiespeicher 4. In dieser Variante nimmt das Überspannungselement 5 eine reine Schutzfunktion ein und es wird darin keine Verlustleistung entstehen.
Mit dieser beschriebenen Methode wird bedarfsabhängig die dem Öffentlichen Netz entnommene elektrische Energie wieder zurückgegeben. Erfolgt das Kurzschließen mit dem Schaltelement 7 am Eingang des Brückengleichrichters 3, so werden die Verluste am Brückengleichrichter 3 noch zusätzlich eliminiert. Man kann von einer Energierückgabesteuerung sprechen, welche darin noch verbessert werden kann, dass innerhalb einer Netzperiode die Entnahme und Rückgabe sechsmal erfolgt, und nicht wie bei den klassischen Gleichrichterschaltungen, die immer im Spannungsscheitelpunkt die Energie aus dem Netz entnehmen, was zu Spitzenbelastung im Öffentlichen Netz führt.
Entsprechend der Fig. 2, weist das erfindungsgemäße Netzteil 1 eine kapazitive Strombegrenzung 2, einen Brückengleichrichter 3, sowie einen Energiespeicher 4 auf. Die elektrische Energie wird über diesen kapazitiven Spannungsteiler in den Energiespeicher 4 geliefert, welche dann beispielsweise über einen angekoppelten Verbraucher entnommen werden kann. Für den Fall des 6/14 5 • · ·· ···© ···· · • · • · • • · • • · • · • • · e · · « • · • • ··· • · • · • · • · ·· ··' ·· ··· · •
Auftretens einer Überschussenergie am Energiespeicher 4 wird diese am Überspannungselement 5 vernichtet. Erkennt der Messregler 6 dass mehr Energie aus dem Energiespeicher 4 entnommen wird, so wird das Schaltelement 7 geöffnet und somit auf Vollwellengleichrichtung umgeschaltet, wodurch mehr Energie aus dem Netz in den Energiespeicher 4 gelangt. Geht die Energieentnahme zurück, so schließt der Messregler 6 das Schaltelement 7 und stellt somit auf Halbwellengleichrichtung um, wodurch der Energiespeicher 4 nur mehr in einer halben Netzperiode nachgeladen wird. Insbesondere erfolgt eine kontinuierliche Umschaltung zwischen Halb- und Vollwellengleichrichtung, was der Energieentnahme aus dem öffentlichen Netz auch sehr entgegen kommt. ***** 7/14 6

Claims (7)

  1. Patentansprüche 1. Netzteil (1) für die Spannungsversorgung einer elektronischen Schaltung, bestehend aus - einer kapazitiven Strombegrenzung (2), - einem Brückengieichrichter (3), - einem Energiespeicher (4), - einem Schaltelement (7), dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (7) den Ausgang des Brückengleichrichters (3) last- bzw. bedarfsabhängig kurzschließt.
  2. 2. Netzteil (1) für die Spannungsversorgung einer elektronischen Schaltung, bestehend aus - einer kapazitiven Strombegrenzung (2), - einem Brückengleichrichter (3), - einem Energiespeicher (4), - einem Überspannungselement (5), - einem Schaltelement (7), dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (7) eine Diode des Brückengleichrichters (3) last*· bzw. bedarfsabhängig kurzschiießt und so zwischen Halb- und Vollwellengleichrichtung umschaltei
  3. 3. Netzteil nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, ·· ··'··' ·.·'··: · ·· ··'··' ·.·'··: · ·« • · · · • · · · • · · · • · · · ·· »· ···'. . ·; . • ··· . · · ··· • «- · *· · • · · · ·· ··· t dass abhängig von der Energieentnahme aus dem Energiespeicher (4) gemessen über den Messregler (6) das Schaltelement (7) so angesteuert wird, dass die aufgenommene elektrische Energie einer Viertelnetzperiode in der folgenden Viertelnetzperiode ganz öder teilweise wieder an das Elektrische Netz zurückgegeben wird.
  4. 4. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (7) den Eingang des Brückengleichrichters (3) last- bzw. bedarfsabhängig kurzschließt, um so die Verluste am Gleichrichter zu eliminieren.
  5. 5. Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme und Rückgabe der elektrischen Energie mehrmals in der Netzperiode erfolgt, um Spitzenbelastungen im Netz zu unterbinden.
  6. 6. Netzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass über den Messregier (6) die minimale bzw. maximale Energieentnahme aus dem Energiespeicher (4) erkannt wird und dadurch der Gleichrichter über das Schaltelement (7) netzsynchron zwischen Halb- und VollWeliengleichrichtung umschaltet.
  7. 7, Netzteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass last- bzw. bedarfsabhängig eine kontinuierliche Umschaltung zwischen Halb- und Vollwellengleiehrichtung erfolgt. 9/14 8
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