DE2502049A1

DE2502049A1 - Circuit for recovering energy stored in inductive load - operates by incorporating secondary load in discharge path in place of discharge resistor

Info

Publication number: DE2502049A1
Application number: DE19752502049
Authority: DE
Inventors: Walter Nicolai
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-01-20
Filing date: 1975-01-20
Publication date: 1976-07-22
Also published as: DE2502049B2

Abstract

The application is to inductive loads (2) which are supplied from a d.c. source (5) by intermittent switching (1). In such operation a discharge, or free wheel, path has to be provided to dissipate the stored energy and prevent damage to the circuit components. Part of this energy is recoverable if a useful load (4) is placed in series with the flywheel diode (3) instead of a discharge resistor. The energy thus saved may then be used for some other purpose. The additional load may take the form of a battery, or a dc/dc or dc/ac transducer, whose output can be stabilised to from an additional power supply independent of the primary supply (5) for some other function.

Description

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Verbesserung der Energieausnutzung einer Gleichspannungsquelle bei der Speisung eines über eine periodisch arbeitende Schaltvorrichtung betriebenen induktiven Stromverbrauchers. Method and circuit arrangement for improving energy efficiency a DC voltage source when feeding a via a periodically operating Switching device operated inductive power consumer.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Energieausnutzung einer primären Gleichspannungsquelle bei der Speisung eines über eine periodisch arbeitende Schaltvorrichtung betriebenen induktiven Stromvrbrauchers mit parallel geschalteter Diode sowie Schaltungsanordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens. The invention relates to a method for improving energy efficiency a primary DC voltage source when feeding one via a periodic working switching device operated inductive power consumer with parallel switched diode and circuit arrangements for performing this method.

Beim jedesmaligen Abschalten der Betriebsgleichspannung eines induktiven Verbrauchers sucht sich die in der Selbstinduktivität des Verbrauchers gespeicherte Energie über das Schaltorgan zu entladen. Die Grösse der gespeicherten Energie ergibt sich bekanntlich aus der Beziehung wobei L die Selbstinduktion und I der Strom ist. Der zeitliche Verlauf der Energieentladung ist im wesentlichen vom Widerstand des geöffneten Schaltorgans abhängig. Der Strom hat nach dem Abschalten zunächst das Bestreben, in voller. Höhe weiterzufliessen. Daher treten am Schaltorgan gleichzeitig ein hoher Strom und eine hohe Spannung auf, wobei letztere sich aus der Summe der Betriebsgleichspannung und der in gleicher Richtung wirkenden Selbstinduktionsspannung zusammensetzt. Dies erfordert eine hinreichend hohe Spannungsfestigkeit des Schaltorgans oder besondere Schutzmassnahmen.Each time the DC operating voltage of an inductive consumer is switched off, the energy stored in the self-inductance of the consumer tries to discharge via the switching element. As is well known, the size of the stored energy results from the relationship where L is the self-induction and I is the current. The time course of the energy discharge is essentially dependent on the resistance of the open switching element. After being switched off, the current initially tries to reach full. Height to continue flowing. Therefore, a high current and a high voltage occur at the same time on the switching element, the latter being composed of the sum of the DC operating voltage and the self-induction voltage acting in the same direction. This requires a sufficiently high dielectric strength of the switching element or special protective measures.

Es ist bekannt, als Schutzmassnahme eine Diode derart parallel zu einer Induktivität zu schalten, dass der Spannungsabfall bei durchgesteuertem Betrieb des Schaltorgans, beispielsweise eines Transistors nicht beeinflusst wird, die Selbstinduktionsspannung aber beim Abschalten direkt oder über einen in Reihe mit der Diode liegenden Widerstand kurzgeschlossen und auf diese Weise abgebaut wird. Durch eine Massnahme der letzteren Art kann zwar das Schaltorgan ausreichend geschützt werden, jedoch wird dabei die in dem induktiven Stromverbraucher gespeicherte Energie, die vorher der Betriebsgleichspannungsquelle, beispielsweise einer Sammlerbatterie entzogen wurde, nutzlos verbraucht, indem sie in Wärme umgesetzt wird. It is known to have a diode in parallel in this way as a protective measure an inductance to switch that the voltage drop in controlled operation of the switching element, for example a transistor, is not influenced, the self-induction voltage but when switching off directly or via a resistor in series with the diode short-circuited and broken down in this way. By a measure of the latter Although the switching element can be adequately protected, the Energy stored in the inductive power consumer, previously the operating DC voltage source, removed from a collector battery, for example, is uselessly consumed by is converted into heat.

Es wurde festgestellt, dass die Energieverluste, die auf diese Weise beispielsweise beim Betrieb einer elektromagnetisch angetriebenen Schwingankerpumpe auftreten, etwa 30 bis 40 % betragen. Das ist in sehr häufigen Fällen, wie z.B. bei elektrischen Geräten, die in Kraftfahrzeugen aus der Fahrzeugbatterie gespeist werden sollen, oder bei tragbaren Batteriegeräten wie Muttermilch-Brustpumpen mit elektronischem Induktions -Schwingankermotor, Blutdruckmessgeräten u.dgl. ein bisher nicht beachteter Nachteil.It was found that the energy is lost in this way for example when operating an electromagnetically driven oscillating armature pump occur, about 30 to 40%. This is very common, such as in the case of electrical devices that are fed from the vehicle battery in motor vehicles or with portable battery devices such as breast milk breast pumps electronic induction - oscillating armature motor, blood pressure monitors and the like, a disadvantage that has not been considered so far.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Energieausnutzung der primären Gleichspannungsquelle bei der Speisung von über eine periodisch arbeitende Schalt vorrichtung betriebenen induktiven Stronverbrauchern mit parallel geschalteter Diode zu verbessern. The invention is based on the task of utilizing the energy primary DC voltage source when feeding via a periodically operating Switching device operated inductive power consumers with parallel connected Improve diode.

Nach dem Verfahren gemäss der Erfindung geschieht dies dadurch, dass die in der Selbstinduktivität des Stromverbrauchers gespeicherte Energie, die sich beim Abschaltvorgang über die Diode entlädt, im Diodenstromkreis abgegriffen und nutzbringend verwertet wird. According to the method according to the invention, this is done in that the energy stored in the self-inductance of the electricity consumer, which is discharges via the diode during the shutdown process, tapped in the diode circuit and is utilized profitably.

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht erfindungsgemäss darin, dass eine im Diodenstromkreis angeordnete Sekundärlast zur Aufnahme der sich entladenden Energie aus der Selbstinduktivität des Stromverbrauchers vorgesehen ist, die durch ein Schaltungselement gebildet ist, das entweder zur Bereitstellung einer einen weiteren nutzbringenden Stromverbraucher speisenden Spannung dient oder selbst ein weiterer nutzbringender Stromverbraucher ist. There is a circuit arrangement for carrying out this method according to the invention in that a secondary load arranged in the diode circuit for Absorption of the discharged energy from the self-inductance of the power consumer is provided, which is formed by a circuit element that is either to provide another useful power consumer is used or is itself another beneficial electricity consumer.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Schaltschema zur Veranschaulichung des Grundprinzips der Erfindung, Fig. 2 eine Schaltungsanordnung mit einer zusätzlichen Sammlerbatterie als Sekundärlast, Fig. 3 eine Schaltungsanordnung mit einem Gleichspannungswandler als Sekundärlast, Fig. 4 eine Schaltungsanordnung mit einem die primäre Gleichspannungsquelle durch Parallelschaltung seiner Ausgangsklemmen zu letztere unterstützenden Gleichspannungswandler, zu dessen Eingangsklemmen gegebenenfalls eine zweite, im Pufferbetrieb arbeitende Sammlerbatterie parallel geschaltet sein kann. In the following the invention is exemplified with reference to the drawings explained in more detail. Show it 1 shows a circuit diagram for illustration of the basic principle of the invention, Fig. 2 shows a circuit arrangement with an additional Collector battery as secondary load, FIG. 3 shows a circuit arrangement with a DC voltage converter as a secondary load, Fig. 4 shows a circuit arrangement with a primary DC voltage source by connecting its output terminals in parallel to the latter supporting DC voltage converter, to its input terminals, if necessary, a second one working in buffer mode Collector battery can be connected in parallel.

In Fig. 1 ist 1 das Schaltorgan, beispielsweise ein Transistor. 2 der induktive Stromverbraucher, 3 eine zu diesem parallel geschaltete Diode und 4 eine Sekundärlast. Die Sekundärlast kann eine ohm'sche, kapazitive oder induktive Last oder eine Kombination beliebiger Art solcher Lasten sein. Die Polung der mit der Sekundärlast 4 in Reihe angeordneten Diode 3 ist so eingerichtet, dass der Spannungsabfall an dem induktivem Stromverbraucher 2 im eingeschalteten bzw. durchgesteuerten Zustand der Schaltvorrichtung 1 nicht beeinflusst wird. Beim Abschalten der Schaltvorrichtung 1 fliesst infolge der Entladung der in der Selbstinduktivität des Stromverbrauchers 2 gespeicherten Energie im Diodenstromkreis ein Gleichstrom in Durchlassrichtung der Diode. Dieser Gleichstrom ruft an den Eingangsklemmen der Sekundärlast 4 eine Potentialdifferenz hervor, deren Grösse vom inneren Widerstand der Sekundärlast abhängig ist. Die Leistungsaufnahme der Sekundärlast 4 im Ausschaltzustand der Schaltvorrichtung 1 lässt sich aus den elektrischen Daten der Sekundärlast ohne weiteres berechnen. Die von der Sekundärlast 4 aufgenommene Energie kann nun entweder zwecks späterer Verwendung gespeichert, in der Sekundärlast unmittelbar nutzbar gemacht oder an andere Verbraucher weitergegeben werden. In Fig. 1, 1 is the switching element, for example a transistor. 2 the inductive power consumer, 3 a diode connected in parallel to this and 4 a secondary load. The secondary load can be ohmic, capacitive or inductive Load or a combination of any kind of such loads. The polarity of the the secondary load 4 in series diode 3 is set up so that the voltage drop at the inductive power consumer 2 in the switched on or controlled state the switching device 1 is not influenced. When switching off the switching device 1 flows as a result of the discharge in the self-inductance of the Power consumer 2 stored energy in the diode circuit a direct current in Forward direction of the diode. This direct current gets to the input terminals of the Secondary load 4 produces a potential difference, the size of which depends on the internal resistance depends on the secondary load. The power consumption of the secondary load 4 in the switched-off state the switching device 1 can be from the electrical data of the secondary load without calculate further. The energy absorbed by the secondary load 4 can now either stored for later use, immediately usable in the secondary load made or passed on to other consumers.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist eine Sammlerbatterie 6 als Sekundärlast in Reihe mit der Diode 3 parallel zu der inaktiven von dem Stromverbraucher 2 gebildeten Last angeordnet. Ein Schalttransisor 10, in diesem Falle ein NPN-Transistor, dient als Schaltvorrichtung. Die Sammlerbatterie 6 wird jedesmal geladen, wenn der Transistor 10 gesperrt ist und dadurch die Abschaltung bewirkt, Nur während dieses Abschaltzustandes fliesst der Entladungsstrom der induktiven Last 2 im Diodenstromkreis. In the circuit arrangement according to FIG. 2, there is a collector battery 6 as a secondary load in series with the diode 3 in parallel with the inactive one of the electricity consumer 2 formed load arranged. A switching transistor 10, in this case an NPN transistor, serves as a switching device. The accumulator battery 6 is charged every time the Transistor 10 is blocked and thereby causes the shutdown, only during this In the switched-off state, the discharge current of the inductive load 2 flows in the diode circuit.

Die erforderliche Polung der Diode parallel zur induktiven Last ergibt sich aus dem jeweiligen Anwendungsfall. Wird beispielsweise ein PNP-Transistor als Schalt vorrichtung verwendet, dann soll die Diodenkathode direkt oder indirekt, beispielsweise unter Zwischenschaltung der Sekundärlast, am Kollektor des PNP-Transistors liegen. Bei einem NPN-Transistor als Schaltvorrichtung wird die Diodenanode direkt oder indirekt, d.h. beispielsweise unter Zwischenschaltung der Sekundärlast, mit dem Kollektor des NPN-Transistors verbunden. Die durch die Diodenpolung festgelegte Stromflussrichtung im Diodenstromkreis parallel zur induktiven Last bestimmt sinngemäss auch die Eingangspolarität der in diesen Stromkreis angeordneten Sekundärlasten. Das gilt mit Ausnahme der Verwendung eines Induktionsmotors als Sekundärlast, bei dem in der Regel eine Polung ohne erhebliche Bedeutung ist. The required polarity of the diode parallel to the inductive load results from the respective application. For example, if a PNP transistor is used as a Switching device used, then the diode cathode should be direct or indirectly, for example with the interposition of the secondary load, on the collector of the PNP transistor. With an NPN transistor as the switching device the diode anode directly or indirectly, i.e. for example with the interposition the secondary load, connected to the collector of the NPN transistor. The through the Diode polarity defined current flow direction in the diode circuit parallel to the inductive Load also determines the input polarity of those arranged in this circuit Secondary loads. With the exception of the use of an induction motor, this applies as Secondary load, for which polarity is usually of no great importance.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung als weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem ein Gleichspannungswandler 8 als Sekundärlast im Diodenstromkreis angeordnet ist. Mit 7 ist der (fiktive) Ersatzwiderstand des Gleichspannungswandlers bezeichnet. 9 sind die Ausgangsklemmen des Gleichspannungswandlers 8, in diesem Falle eines DC/DC-Gleichspannungswandlers, an denen eine von der Eingangsgleichspannung des Gleichspannungswandlers und damit auch vom Stromkreis der primären Gleichspannungsquelle elektrisch völlig getrennte Gleichspannung entnehmbar ist. Soweit erforderlich, können an sich bekannte Massnahmen zur Glättung und Stabilisierung der Eingangsspannung durch Kondensatoren, Zenerdioden, Stabilisatoren u.dgl. zusätzlich vorgesehen werden. Fig. 3 shows a circuit arrangement as a further embodiment, in which a DC voltage converter 8 is arranged as a secondary load in the diode circuit is. The (fictitious) equivalent resistance of the DC-DC converter is denoted by 7. 9 are the output terminals of the DC / DC converter 8, in this case one DC / DC-DC voltage converters to which one of the input DC voltage of the DC voltage converter and thus also from the circuit of the primary DC voltage source electrically completely separate DC voltage can be taken. As far as necessary, can take measures known per se for smoothing and stabilizing the input voltage can also be provided by capacitors, zener diodes, stabilizers and the like.

Anstelle eines DC/DC-Gleichspannungswandlers kann auch ein DC/AC-Gleichspannungswandler als Sekundärlast angeordnet werden. Instead of a DC / DC-DC voltage converter, a DC / AC-DC voltage converter can also be used be arranged as a secondary load.

Fig. 4 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung als Ausführungsbeispiel, bei welcher der DC/DC-Gleichspannungswandler 8 mit seinen Ausgangsklemmen 9 parallel zu der primären Gleichspannungsquelle 5 mit dem Stromkreis des induktiven Verb rauchers 2 und der hier als Transistor 10 ausgebildeten Schaltvorrichtung verbunden ist. Die Verbindung erfolgt hier durch Parallelschaltung der an den Klemmen 9 auftretenden sekundären Gleichspannung zur Gleichspannungsquelle 5, so dass letztere durch die sekundäre Gleichspannung unterstützt wird. Fig. 4 shows a further circuit arrangement as an embodiment, in which the DC / DC-DC voltage converter 8 with its output terminals 9 in parallel to the primary DC voltage source 5 with the circuit of the inductive verb smoker 2 and the switching device, designed here as a transistor 10, is connected. The connection is made here by connecting the terminals 9 in parallel secondary DC voltage to the DC voltage source 5, so that the latter through the secondary DC voltage is supported.

Ausserdem kann bei einer Schaltungsanordnung nach dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4, wie dargestellt, eine Sammlerbatterie 6 parallel zu den Eingangsklemmen des Gleichspannungswandlers 8 im Diodenstromkreis angeordnet sein, so dass diese Batterie zusammen mit dem Gleichspannungswandler die Sekundärlast bildet und diese beiden Schaltungselemente im "Pufferbetrieb arbeiten. Die Batterie 6 wird durch den im Diodenstromkreis fliessenden Gleichstrom geladen und speist gleichzeitig den Gleichspannungswandler 8. Die an dessen Ausgangsklemmen 9 auftretende Gleichspannung verbessert bei einer solchen Schaltung - mit oder ohne die zusätzliche Gleichspannungsbatterie 6 - unmittelbar den Wirkungsgrad des Primärstromkreises mit dem elektronischen Schalter bzw. Schaltverstärker 10 und dem induktiven Stromverbraucher 2. In addition, in a circuit arrangement according to the exemplary embodiment 4, as shown, a collector battery 6 in parallel with the input terminals of the DC voltage converter 8 be arranged in the diode circuit, so that this Battery together with the DC voltage converter forms the secondary load and this both circuit elements work in "buffer mode. The battery 6 is through charges and feeds the direct current flowing in the diode circuit at the same time the DC voltage converter 8. The DC voltage occurring at its output terminals 9 improved with such a circuit - with or without the additional DC voltage battery 6 - directly the efficiency of the primary circuit with the electronic switch or switching amplifier 10 and the inductive power consumer 2.

Die Möglichkeiten zur Anwendung und Ausführung der Erfindung beschränken sich nicht auf die hier im einzelnen beschriebenen und dargestellten Beispiele. So kann es beispielsweise auch vorteilhaft sein, bei einer Schaltungsanordnung nach Fig. 2 oder nach Fig. 4 austauschbare Sammlerbatterien 5 und 6 anzuwenden und gegebenenfalls Umschalter vorzusehen, mit deren Hilfe durch Umschaltung die Funktionen beider Sammlerbatterien vertauschbar sind. Limit the possibilities for using and carrying out the invention does not refer to the examples described and illustrated in detail here. For example, it can also be advantageous to follow a circuit arrangement Fig. 2 or according to Fig. 4 to use exchangeable collector batteries 5 and 6 and if necessary Provide changeover switch, with the help of which the functions of both collector batteries by switching are interchangeable.

Anstelle einer Sammlerbatterie kann als Betriebs-Gleichspannungsquelle aber auch eine Brennstoffzellen-Batterie verwendet werden, beispielsweise eine solche, die auf Wasserstoff-Sauerstoffbasis arbeitet. Dann kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung durch Erzeugung der erforderlichen chemischen Stoffe in einer als Sekundärlast angeordneten Elektrolyseapparatur und Zuführung der gewonnenen Stoffe zu der Brennstoffzellen-Batterie ebenfalls Energie rückgewonnen und damit der Wirkungskreis der gesamten Anordnung verbessert werden. Instead of a collector battery it can be used as an operating DC voltage source but also a fuel cell battery can be used, for example one which works on a hydrogen-oxygen basis. Then can after another suggestion of the invention by producing the necessary chemical substances in one as Secondary load arranged electrolysis equipment and supply of the extracted substances Energy is also recovered to the fuel cell battery and thus the sphere of activity the entire arrangement can be improved.

Claims

P a t e n t a n s p r u C h e

1. Process for improving the energy efficiency of a primary DC voltage source when fed via a periodically operating switching device operated inductive power consumer with parallel connected diode, thereby characterized that the stored in the self-inductance of the power consumer Energy that is discharged via the diode during the shutdown process in the diode circuit is tapped and used usefully,

2. Circuit arrangement for implementation of the method according to claim 1, characterized in that one in the diode circuit arranged secondary load to absorb the discharged energy from the self-inductance of the power consumer is provided by at least one circuit element is formed, either to provide a further beneficial Power consumer feeding voltage is used or even another useful one Is electricity consumer.

3. Circuit arrangement according to claim 2 »characterized in that a collector battery is arranged as a secondary load.

4. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that a DC / DC converter (DC / DC or DC / AC Converter) as secondary load is arranged.

5. Circuit arrangement according to one of claims 2-4, characterized in that that a collector battery and a DC / DC converter in parallel the Form secondary load.

6. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the output terminals of a DC / DC-DC voltage converter forming the secondary load are connected in parallel to the terminals of the primary DC voltage source.

7. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the secondary load is a collector battery that forms the primary DC voltage source Includes replaceable collector battery.

8. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that a fuel cell battery forms the primary DC voltage source, and the Secondary load contains an electrolysis apparatus, which is used for the generation of purposes Energy recovery of the fuel cell battery is used to feed materials.