DE202013009837U1

DE202013009837U1 - Device for passive rectification of multiphase low voltages, in particular center rectification

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Publication number: DE202013009837U1
Application number: DE201320009837
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2023-12-03

Abstract

Mittelpunkt Gleichrichtung, mit einer gleichrichtenden Anordnung, die so ist, dass sie als Reaktion auf die an den Eingängen angelegten Signale als Wechselspannungen, diese gleichrichtet, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustleistung der Mittelpunkt Gleichrichtung so gering ausfällt, dass kleinste Wechselspannungen gleichgerichtet werden können.Midpoint rectification, with a rectifying arrangement which is such that it rectifies the signals as alternating voltages in response to the signals applied to the inputs, characterized in that the power loss of the midpoint rectification is so low that the smallest alternating voltages can be rectified.

Description

Stand der TechnikState of the art

Grundsätzlich steht Wechselspannung für eine direkte Nutzung zur Verfügung. Im allgemeinen zum Betreiben umlaufender, elektrischer Maschinen, aber auch zur Erzeugung von Wärm oder Licht. Wird Energie für die heutige, rechnergestützte Informations- bzw. Steuerungstechnik oder das Speichern von Energie benötigt, ist es notwendig die schwingende Spannung mittels Halbleitertechnik zu polarisieren, sie gleich zu richten.Basically AC voltage is available for direct use. In general for operating rotating electrical machines, but also for generating heat or light. If energy is required for today's computer-aided information or control technology or the storage of energy, it is necessary to polarize the oscillating voltage by means of semiconductor technology, to direct it the same.

In den häufigsten Anwendungen kommen, aufgrund der einfachen Beschaltung der Bauteile, mehrschichtig, dotierte Diodenformen aus dem Element der Nichtmetalle; Silizium (Si) zur Anwendung, Bezeichnet als Gleichrichterdioden.In the most common applications, due to the simple wiring of the components, multi-layered, doped diode shapes come from the element of non-metals; Silicon (Si) for use, referred to as rectifier diodes.

Bei der Dimensionierung von Schaltungen zur Gleichrichtung einer Wechselspannung wird häufig der Durchlasswiderstand (R_f) der Gleichrichterdioden benötigt, welcher sich aus Durchlassspannung (U_F)/Durchlassstrom (I_F) berechnet. In der Regel bestehen Gleichrichter aus einem Netzwerk mit Dioden. Die angelegte Spannung teilt sich in den Strängen des Netzwerkes auf. Ein Teil fällt unerwünscht an pn-Grenzschichten der Gleichrichterdioden ab.When dimensioning circuits for rectifying an AC voltage, the on-resistance (R _f ) of the rectifier diodes is often required, which is calculated from forward voltage (U _F ) / forward current (I _F ). As a rule, rectifiers consist of a network with diodes. The applied voltage splits in the strings of the network. One part undesirably drops at pn-junction layers of the rectifier diodes.

Ist, wie bei der Stromrichtertechnik die angelegte Spannung hoch, kann diese Durchlassspannung der Dioden vernachlässigt werden. Ist dagegen die angelegte Spannung sehr klein, wie häufig in vielen elektronischen Anwendungen, muss die Durchlassspannung berücksichtigt werden. Diese Durchlassspannung beträgt bei Si-Dioden etwa 0,7 V.If, as in power converter technology, the applied voltage is high, this forward voltage of the diodes can be neglected. If, on the other hand, the applied voltage is very small, as is often the case in many electronic applications, the forward voltage must be taken into account. This forward voltage is approximately 0.7 V in the case of Si diodes.

Bisher wird auf Shottky-Dioden ausgewichen, wenn mit herkömmlichen passiven Geometrien, wie etwa der Brücken- oder der Mittelpunkschaltung, eine Gleichrichtung mit geringer Durchlassspannung realisiert werden muss. Diese liegt bei etwa 0,3 V pro Shottkydiode, was dennoch für einige wichtige Anwendungen eine zu hohe Hürde bedeutet, insbesondere bei der Gleichrichtungstechnik bezüglich des ”Energy Harvesting”.Shottky diodes have heretofore been used when low pass voltage rectification must be realized with conventional passive geometries such as bridge or midpoint switching. This is about 0.3 V per shottip diode, which nevertheless means too high a hurdle for some important applications, especially in the case of the "energy harvesting" rectification technique.

Dieses technische Gebiet, aus geringsten Änderungen von Temperatur, Bewegung oder mechanischem Druck, autark, elektrische Energie zu gewinnen und einem Nutzen bereit zu stellen, geraten zunehmend in den technologischen Fokus. Solch gewonnenen Spannungen liegen häufig in der Größenordnung der angegebenen Durchlassspannungen, welches eine effektive Nutzung nicht ermöglicht.This technical field, from the slightest change of temperature, movement or mechanical pressure, self-sufficient, to gain electrical energy and to provide a benefit, increasingly come into the technological focus. Such voltages obtained are often of the order of the specified forward voltages, which does not allow effective use.

Demgegenüber, liegt der eingereichten Erfindung, die Charakteristik zu Grunde, wo durch die Auswahl und Anordnung von Bauteilkomponenten, die Gleichrichtung von sehr geringen, mehrphasigen, Wechselspannungen deutlich unterhalb von 0,3 V möglich ist und die so für längere Akkubetriebszeiten etwa bei Hörgeräten, Herzschrittmachern aber auch für eigenständig laufende Sensoren genutzt werden kann.In contrast, the submitted invention, the characteristic is the basis, where by the selection and arrangement of component components, the rectification of very low, multi-phase, AC voltages well below 0.3 V is possible and thus for longer battery life such as hearing aids, pacemakers but also for independently running sensors can be used.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichrichtung in Mittelpunktschaltung (vgl. 01 u. 05), bei dem zur Erzielung der Spannungsgleichrichtung mindestens zwei pnp Transistoren 01 Verwendung finden. Für den Strom-Spannungsverlauf wird bei der Erläuterung ein ohmscher Widerstand als Verbraucher angenommen, da in diesem Fall keine Phasenverschiebungen in den zeitlichen Verläufen von Strom(i) und Spannung(u) auftreten.The invention relates to a rectification in center circuit (see. 01 u. 05 ), in which to achieve the voltage rectification at least two pnp transistors 01 Find use. For the current-voltage curve, an ohmic resistance is assumed as a consumer in the explanation, since in this case no phase shifts occur in the temporal courses of current (i) and voltage (u).

Beim Aufbau der elektronischen Gleichrichtergeometrie, ist Halbleiterbauteilen mit Germanium-Kristallen der Vorzug vor Siliziumkristallen zu geben. Zwar liegen beide Elemente in der zweiten Hauptgruppe des Periodensystem; beide haben drei Valenzelektronen auf der äußeren Atomschale, doch im Gegensatz zu Silizium hat Germanium vier Elektronenschalen mit der Folge, dass weniger Energie aufgewendet werden muss um die Valenzelektronen aus ihrer Position zu lösen und in der festen Kristallgitterstruktur zu bewegen. Germanium Halbleiterbauteile arbeiten daher schon bei geringeren Spannungen als Siliziumbauteile.In constructing the electronic rectifier geometry, semiconductor devices with germanium crystals are preferable to silicon crystals. Although both elements are in the second main group of the periodic table; both have three valence electrons on the outer atomic shell, but in contrast to silicon, germanium has four electron shells with the consequence that less energy has to be expended to release the valence electrons from their position and move them in the solid crystal lattice structure. Germanium semiconductor devices therefore already work at lower voltages than silicon components.

Die folgende Beschreibung geht vom Nulldurchgang 10 einer zweiphasigen Eingangswechselspannung (vgl. 02) aus:
Erzielt wird die Gleichrichtung 13 (vgl. 03), der angelegten Wechselspannungen 15 aufgrund des wechselseitigen Durchsteuern der verbauten pnp Transistoren 01 durch die negative Halbwelle 12 bezüglich der Mittelpunktanzapfung 02.The following description goes from the zero crossing 10 a two-phase input AC voltage (see. 02 ) out:
The result is the rectification 13 (see. 03 ), the applied AC voltages 15 due to the mutual driving through the built-in pnp transistors 01 through the negative half wave 12 with respect to the center tap 02 ,

Ermöglicht wird dies dadurch, dass die beiden angeschlossenen Hauptstränge 03 jeweils in zwei Stränge 04 aufgeteilt werden. Die Knotenpunkte 05 bilden in diesem Fall die n-dotierten Germanium-Kristalle, die Kathoden der Germanium Spizendioden 06 und die p-dotierten Germanium-Kristallschichten sowie die Emitteranschlüsse der pnp Germaniumtransistoren 01. Die Stränge 04 in denen die Germanium Spitzendioden 06 Bestandteil sind, werden über kreuz auf die jeweils andere n-dotierte Germanium-Kristallschicht des pnp Germaniumtransistors, den Basisanschlüss 07, geführt.This is made possible by the fact that the two main lines connected 03 each in two strands 04 be split. The nodes 05 form in this case the n-doped germanium crystals, the cathodes of germanium spike diodes 06 and the p-type germanium crystal layers and the emitter terminals of the pnp germanium transistors 01 , The strands 04 in which the germanium tip diodes 06 Component, cross over to the other n-doped germanium crystal layer of the pnp germanium transistor, the Basisanschlüss 07 , guided.

Um an den oben genannten Knotenpunkten 05 die auftretenden Potentialunterschiede für die Gleichrichtung (vgl. 03) nutzen zu können, ist die Mittelpunktanzapfung 02 als gemeinsamen Bezugspunkt, über einen weiteren Knotenpunkt 08 auf die p-dotierten Germanium-Kristallschichten der Kollektoren beider pnp Germaniumtransistoren 01 geführt.To get to the above nodes 05 the potential differences for the rectification (cf. 03 ) is the center tap 02 as a common reference point, via another node 08 to the p-doped germanium crystal layers of the collectors of both pnp germanium transistors 01 guided.

Die an den beiden Hauptsträngen 03 angelegte Wechselspannungen sind naturgemäß gegeneinander um 180° phasenverschoben, (vgl. 02) mit der Konsequenz, dass die negative Halbwelle 12 des einen Hauptstranges 03a die am Knotenpunkt 05a anliegende Germaniumspitzendiode 06a aufgrund der Einbaurichtung, leitend werden lässt.The at the two main strands 03 applied alternating voltages are naturally out of phase with each other by 180 °, (see. 02 ) with the consequence that the negative half wave 12 of the one main strand 03a the at the junction 05a adjoining germanium tip diode 06a due to the installation direction, can be conductive.

Es wird die ansonsten hochohmige n-dotierte Germanium-Kristallschicht der anliegenden Basis 07b des pnp Germaniumtransistors 01b mit positiven Majoritätsträgern aus den beiden angrenzenden p-dotierten Germanium Kristallschichten in einen niederohmigen Zustand gebracht. Im gleichen Maße, wie die negative Spannung abnimmt, erhöht sich die positive Spannung 11 an dem anderen Hauptstrang 03b und Knotenpunkt 05b, also auch am dort anliegenden p-dotierten Emitteranschluss, des selben pnp Germaniumtransistors 01b, so kommt es zu einem Elektronenfluss über die Kollektor-Emitterstrecke. Solange der eine pnp Germaniumtransistor 01b durchgesteuert ist, bleibt gezwungenermaßen der andere pnp Germaniumtransistor 01a gesperrt. Die an dem Hauptstrang 03b mit positiven Potential, anliegende, n-dotierte Halbleiter-Kristallschicht der Basis 07a erweitert die np-Grenzschichten innerhalb der Halbleiter Gitterstruktur, was die Kollektor-Emitterstrecke des pnp Germaniumtransistors 01a sehr hochohmig werden lässt. Die Folge des oben beschriebenen Ablaufes bewirkt eine pulsierende Gleichrichtung mit geringerer Verlustleistung als bei herkömmlicher Gleichrichtung mittels zweischichtiger Gleichrichterdioden wie Halbleiter- oder Metall-Halbleiterdioden.It becomes the otherwise high-resistance n-doped germanium crystal layer of the adjacent base 07b of the pnp germanium transistor 01b brought with positive majority carriers from the two adjacent p-doped germanium crystal layers in a low-resistance state. As the negative voltage decreases, the positive voltage increases 11 on the other main strand 03b and node 05b , So also at the applied there p-type emitter terminal, the same pnp germanium transistor 01b , so there is an electron flow over the collector-emitter path. As long as the one pnp germanium transistor 01b is forced, the other pnp germanium transistor remains forced 01a blocked. The on the main strand 03b with positive potential, applied, n-doped semiconductor crystal layer of the base 07a extends the np interfaces within the semiconductor grid structure, which is the collector-emitter path of the pnp germanium transistor 01a can be very high impedance. The consequence of the sequence described above causes a pulsating rectification with lower power loss than in conventional rectification by means of two-layer rectifier diodes such as semiconductor or metal-semiconductor diodes.

Diese vorangegangenen Erörterungen zur Funktionsweise der Gleichrichtung sind eine prinzipielle Funktionsweise und lassen sich auf weitere mehrphasig erzeugte Wechselspannungen mit Mittelpunktanzapfungen anwenden (vgl. 04 und 05). In diesen Ausführungsbeispielen sind die drei Phaseneingänge 14 für die gleichzurichtenden Spannungen markiert, ebenso der gemeinsame Ausgang 15 sowie dessen Bezugspunkt 16, welcher mit dem Sternpunkt als Mittelpunkt der Generatorwicklungen verbunden sind. Das Einsatzgebiet liegt unter andrem in miniaturisierten, rotierenden Dreiphasengeneratoren, was die Gewinnung von elektrischer Energie in einem unteren Grenzbereich von Spannungen ermöglicht, welcher bisher nur für aktive, aufwendige, Gleichrichtertechniken, also mit zusätzlich benötigter elektrischen Energie, zugänglich sind.These previous discussions on the mode of operation of the rectification are a basic mode of operation and can be applied to further multiphase AC voltages with center taps (cf. 04 and 05 ). In these embodiments, the three phase inputs are 14 marked for the voltages to be rectified, as well as the common output 15 as well as its reference point 16 , which are connected to the neutral point as the center of the generator windings. The field of application is among others in miniaturized, rotating three-phase generators, which allows the recovery of electrical energy in a lower limit of voltages, which were previously only accessible to active, complex, rectifier techniques, ie with additionally required electrical energy.

In den Zeichnungen ist gezeigt;In the drawings is shown;

01 als Ausführungsbeispiel, der Erfindungsgegenstand, die Gleichrichtung schematisch in einer Schaltplangeometrie zur Einphasengleichrichtung. 01 as an embodiment, the subject invention, the rectification schematically in a Schaltplangeometrie for single-phase rectification.

02 eine Messkurve als Ausführungsbeispiel; ein Zweiphasenwechselspannung-Eingangssignal. 02 a measurement curve as an exemplary embodiment; a two-phase AC input signal.

03 eine Messkurve als Ausführungsbeispiel; ein gleichgerichtetes Ausgangssignal. 03 a measurement curve as an exemplary embodiment; a rectified output signal.

04 das Gleichrichterverfahren als schematische Schaltplangeometrie zur Dreihasengleichrichtung. 04 the rectifier method as schematic Schaltplangeometrie for three-phase rectification.

05 eine Messkurve als Ausführungsbeispiel; Dreiphasenwechselspannung-Eingangssignale mit dem gleichgerichteten Ausgangssignal. 05 a measurement curve as an exemplary embodiment; Three-phase AC input signals with the rectified output signal.

Claims

Mid-point rectification, with a rectifying arrangement, which is such that in response to the signals applied to the inputs as AC voltages rectifies them, characterized in that the power loss of the center rectification is so small that even the smallest AC voltages can be rectified.

Marking according to claim 1, characterized in that the center rectification is driven by a plurality of inputs, that it is a plurality of bipolar transistors and comprises a plurality of diodes.

Marking according to claim 2, characterized in that the transistors are of the pnp type; that both emitters receive in parallel an input signal that the diodes cross-pass the input signal of the transistors to the base of the other transistor; that the collectors are merged into one point and represent the output of the rectifying arrangement

Marking according to claim 1, characterized in that the input signals are synchronized, mutually phase-shifted; that the cathodes of the diodes are connected poled on the input side and the transistors are made conductive by the negative half-cycle of the input alternating voltages.

Marking according to claim 1, characterized in that the center rectification is operated on the input side combined with a generator, that the center rectification is operated with a transformer with synchronous secondary outputs, that the reference point is a center tap.