DE1903508A1 - Strom-Spannungsregler,insbesondere Netzgeraet - Google Patents

Description

Instrumentation Specialties (US TJl 514 - prio 29.10.1968 Company

Lincoln. Nebraslm/¥.St.A . 5966)

Hamburgs 22. Januar I969

S13?oi2!~Spannungsr egl er, 1 nsbe sond ere ₌ Hetzgerät

Die Erfindung besieht sich auf einen Strom-Spannungsreg-» ler _s insbesondere Netzgerät., der sohalterartig arbeitet und eine Eingangfswechselspannung bzw. einen Eingängewechselstrom in eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom am Ausgang uiBwandelt.

Der erfindungsgemUße Regler ist dadurch gekennzeichnete daß ein phasengesteuertes Schalterelement vorgesehen ist, dessen phasengesteuerte Spannung über eine Gleichrichterschaltung dem Ausgangskreis des Reglers zugeführt wird, daß zwischen der Gleichrichterschaltung und dem Ausgangs= kreis eine Nachreglerstufe liegt,und daß die Phasensteuerung durch Rückkopplung vom Ausgangskreia erfolgt. Dieser Regler ermöglicht eine Verbesserung der Stabilität sowie des UberlaetungsVerhaltens gegenüber biuher bekannten Reglern dieser Art.

Die Nachreglerstufe ist mindestens teilweise durch Rückkopplung vom Auegöngskreis steuerbar. Sie besteht vorzugsweise aus einem dynamischen Tiefpass.

Um Überlastungen des Reglers zu vermeiden, und dia Regelung empfindlicher zu machen, kann in einem an den Ausgangs-

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kreis angeschlossenen Rückkopplungskreis ein Vers liegen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der ein Aiinführuriss» beispiel zeigenden Figur näher erläutert.

Die Primärwicklungen der Transformatoren 10 und Ii liegen über den Eingangskieirnnsn 12 und Ij5 an einer W^ehsel= Spannungsquelle, Die Schaltung dient aura Regulieren und Stabilisieren einer konstanten Spannung oder eine» konstanten Stromes an den Ausgangsklemmen 14 und 15. Ein zweipoliger Umschalter 16 kann entweder für den Konstantspannungs- oder Konstantstrombetrieb umgeschaltet werden. Es sei darauf hingewiesen, daß die rait +LV und -LV bezeichneten Klommen an einer üblichen Spannungsquelle, beispielsweise von I5 Volt, liegen und daß an den mit +LV bezeichneten Klemmen +15 Volt über Erde und an den rait -LV bezeichneten Klemmen -15 Volt unter Erde liegen. Die Sekundärwicklung 17 des Transfer» mators 10 ist über einen phasengesteuerten Bidirektional* Thyristor 20 mit einem Gleichrichter 18 verbunden. Ein Ausgang dieses Gleichrichters liegt direkt über dor Leitung 22 an der Ausgangsklemme 15, während der andere Ausgang über den Widerstand 23, den Transistor 24 und den Widerstand 25 mit der Ausgangsklemme 14 verbunden ist. Der Transistor 24 dient als Steuerelement für die Nachreglerstufe, um die Ausgangsstabilität zu verbessern und die WechselSpannungskomponente in der Ausgangsgleichspannung bzw. dem Ausgangsglelchetrom zu verringern.

Befindet eich der Schalter 16 in der Stellung "V", so liefert die Schaltung eine stabilisierte konstante Ausgangegleichspannung, während in der Schalterstellung "I" ein konstanter stabilisierter Gleichstrom geliefert wird. Bei Konstantspannungs-Betrieb erfolgt die Regelung

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durch eine Spannungsrückkopplung Über den Widerstand 27» den Verstärker 28 und den Widerstand 29« der an die Basis des Transistors 30 angeschlossen ist. Diese? Tran» sistor ist ein Teil der Steuerschaltung fUr den schalterartig arbeitenden Vorregler mit dem Thyristor 20 und dem Gleichrichter l8. Die Auegangsspannung kann durch Zuführung einer Verlagerungsspannung vom Potentiometer >2 und dem Spannungsteiler 33, 34 an den Verstärker 28 von Null bis auf den Maximalwert geregelt werden. Beim Konstant« * stronHBetrieb erfolgt eine Rückkopplung mit Hilfe der am Strom durohflossenen Widerstand 25 auftretenden Spannung, die verstärkt und Über den Widerstand 29 dem schalterartig arbeitenden Vorregler zugeführt wird.

Der Vorregler arbeitet wie folgt: die Auegangsspannung des Verstärkers 28 wird zur Erzeugung einer Fhasensteuerung für den Bldirektiohal-Thyristor 20 über den Spannungsteiler 29, 35 einer Steuerschaltung zugeführt, die die Transistoren 30, 36 und 37 und die Vierschicht-Diode enthält« Sinkt die Ausgangsspannung oder der Ausgangs» strom des Gerätes unter den gewünschten Wert ab, 00 wird der Basis des Transistors 30 eine dieser Änderung ent- { sprechende verstärkte Spannung zugeführt· Dadurch wird die Spannung an der Basis des Transistors 30 vergrößert, wodurch dieser stärker leitet und der Stromfluß durch den Transistor und den Widerstand 42 vergrößert wird. Dadurch erfolgt ein schnelleres Laden des Kondensators 43· Durch die Emitterfolgerwirkung ergibt sich etwa dieselbe Spannung am Emitter des Transistors 36· Steigt diese Spannung Über die Durchbruchsspannung der Vierechicht-Diode 38 an, so läßt diese einen Stromimpuls durch, der den Transistor 37 in den leitenden Zustand bringt· Dadurch fließt Strom durch die Primärwicklung

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des Iinpulsübertragers 44. Die in der Sekundärwicklung entstehende Spannung bringt den Thyristor 20 In den leitenden Zustand, den er bis zum Ende einer halben Periode der in der Sekundärwicklung des Transformators 10 entstehenden Wechselspannung beibehält. Die dem Gleichrichter 18 zugeführte wirksame Wechselspannung hängt vom Anschnittwinkel des phasengestsuerten Bi= direktional<=Thyristors 20 ab. Je weiter die Ausgangs« spannung oder der Ausgangsstrom unterhalb des gewünschten Wertes liegt, desto schneller lädt sich der Kondensator 43 auf und desto schneller kommt der Thyristor in den leitenden Zustand. Dadurch wird die wirksame mittlere Wechselspannungf die dem Gleichrichter 18 zugeführt wird, vergrößert, so daß auch dem Ausgangskreis über die Nachreglerstufe eine größere Leistung zugeführt wird. Auf diese Weise erfolgt eine wirksame Steuerung der Ausgangsspannung oder des Ausgangestromes, die trotz auftretender Störungen im wesentlichen konstant gehalten werden.

Die Dioden 45, 46, 47 und der Widerstand 48 bilden eine Rückstellschaltung zur Entladung des Kondensators 4^ auf Null am Ende Jeder halben Wechselspannungsperiode. Die Dioden 45 und 46 leiten und liefern eine Sperrspannung für die Diode 47 während des größten Teils der halben Wechselspannungsperiode· Sinkt die Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators 11 auf Null ab, was am Ende jeder halben Wechselspannungsperiode erfolgt, so hören die Dioden 45 und 46 auf zu leiten und die Ladung des Kondensators 48 wird sehr schnell über die Diode 47 und den Widerstand 48 abgeleitet.

Die Spule 50, die zwischen der Sekundärwicklung des

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Transformators 10 und dem Gleichrichter 18 begrenzt den Strom durch den Gleichrichter in dem Augen« blick, wo der Thyristor 20 au leiten beginnt. Dadurch wird der Wirkungsgrad und die Stabilität der Schaltung verbessert« Die Spule 50 kann ein getrenntes Bauelement sein oder einen Teil der VerlustinduktivltSt des Transformators 10 darstellen» Unter,gewissen Umständen kann auf den Glättungskonrlensator 60 verzichtet werden, wenn die Spule 50 im Ausgangskreis des Gleichrichters 18 statt in seinem Eingangskreis liegt.

Die Nachreglerstufe kann auf verschiedene Weise angeschlossen sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bilden der Transistor 24 und die zugehörigen Schaltelemente im wesentlichen einen dynamischen Tiefpass. Die mittlere Kollektor-Emitterspannung dieses Transistors wird durch die Spannungsteiler 52,53; 54,55 und den Widerstand 56 bestimmt. Die Spannungsteiler erzeugen eine Rückkopplung, die zum Konstanthalten der Kollektor-Emitter sp&nnung benutzt wird, so daß Laständerungen keinen Einfluß haben. Der Widerstand 52 liegt am Kollektor des Transistors 24, und der Spannungsteiler 52,53 1st mit den stronrverstärkenden Transistoren 57 und 58 verbunden. Ein verstärkter Strom fließt vom Emitter des Transistors 58 über den Spannungsteiler 54,55 zur Basis des. Transistors 59« dessen Emitter mit der Basis des Traneistors 24 verbunden ist, so daß eine Steuerung des durch den Transistor 24 fließenden Stroms erfolgt. Diese Rück» kopplungsschaltung stabilisiert die Kollektor-Emitter· spannung des Transistors 24. Die Größe des Widerstandes 56 wird so gewählt, daß die gewünschte mittlere Emitter-Kollektorgleichspannung am Transistor 24 auftritt.

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Ein Kondensator 61 bildet zusacinen. mit ü&m Spannut gs~ teiler 52, 53 einen Tiefpass, wodurch «sfeehs®lspanriiangs=> Schwankungen ara Kollektor des Transistors 2i sieh nicht auf den Stromfluß vom Kollektor zum Emitter dieses Transistors und damit über den Widerstand 25 auf den Ausgangskrels auswirken können· Man erkennt somit, daß die Transistoren 24, 57, 58 und 59, die Widerstünde 52 - 55 und der Kondensator 61 einen dynamischen Tiefpass bilden,, der Wechselspannungssehwankungen infolge von Helligkeit am Ausgang des Gleichrichters 18 von den Ausgangsklemmen 14 und 15 fern hält.

Der Widerstand 54 liegt vorzugsweise ata Ausgang des Verstärkers 28 und nicht an Masse oder irgendeinem konstanten Potential. Dadurch erhält man eine Rückkopplung vom Ausgangskreis auf den dynamischen Tiefpass., wodurch die Regelgeschwindigkeit bei Störungen im Ausgangskreis vergrößert, die Welligkeit und das Rauschen im Ausgangskreis verringert sowie eine verbesserte Gesamtstabilität erreicht wird. Der Widerstand 67 begrenzt den maxinsalen Strom durch den Transistor 24· Eine Zener-Diode 6? kommt in den leitenden Zustand, wenn die Kollektor-Basisepannung des Transistors 24 einen zu hohen Wert erreicht, wodurch eine Zerstörung des Transistors Infolge fehlerhaften Kurzschluß über den Ausgangskiemnen vermieden wird. Der Widerstand 23 begrenzt in derartigen Fällen den Stromfluß durch den Transietor 24. Der Widerstand 64 dient ζar Verbesserung der Temperaturstabilität dieses Transistors. Über den Ausgangsklemmen liegt ein Kondensator 65, der die Gesamtstabilität verbessert und Spannungsupitzen während des Leitens des Bidirektlonal-Thyristors 20 aufnimmt «

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Es sei darauf hingewiesen, ü&S, die Naehregelung au2h dann arbeitet^, wenn der Kondensator 61 fehlt, da wie dargestellt, der Widerstand 54 mit öem Verstärker verbunden ist. In diesem Fall wird allein durch die Rückkopplung Über den Verstärker die vom Verstärker 18 ausgehende Welligkeit unterdrückt, und die Rückkopplung x^on dsn Spannungsteilern 52, 53 und 54, 55 bestimmt dJ.e mittlere Kollektor»Emitterspannung des Transistors 24. Auf äiese λ Spannungsteiler kann verzichtet werden» wenn dss Nachreg» lereleinent eine beträchtliche Steilheit der Strom»,3pannungskennliriie hat, so daß eine Selbstregelung auftritt» In einem solchen Fall wird die Nachreglerstufe Ie31g» lieh durch die Rückkopplung vom Ausg@ngsk?eis über den Widerstand 54 bestimmt, so daß die Widerstände 55, 52 und 53 sowie die Transistoren 57 und 58 nicht benötigt werden.

Die Zeichnung zeigt ein vereinfachtes Schaltbild, und es 1st dem Fachmann klar, daß weitere Schaltelemente zugefügt werden können, um den Betriebsbereieh zu vergrößern und die Regelbarkeit, die Stabilität und die Uherl.astungs« i festigkeit zu verbessern. Der Gleichrichter 18 kana durch einen gleichrichtenden Spannungsvervielfacher ersefcst werden, wodurch man eine hohe Ausgangsspannung erhält, obwohl das Schalterelement auf einer verhältnismäßig niedrigen Spannung arbeitet. Ferner können als Gleichrichter Schalterelemente, beispielsweise gesteuerte Gleichrichter, ver« wendet werden, wodurch Regelung und Oleichrichtung zusammengefaßt werden und der getrennte Bidirektional«Thyristor nicht benötigt wird·

Die Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels

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s<ste*»ieb@n. Sie ist $<&doQh nk&ht aw.f dieses heschTi\Dkt_s sondern ©s sind weitere &bvmnalwügem imn Kxiuwmms^n rrilglieh, die alle unter die Erfindung fallen.

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Claims (1)

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A η ,,S₁ ρ, y ü

1· StronHSpannungsregler, insbesondere Netzgerät, der schalterartig arbeitet und eine Eingaiigswechselspannung bzw. einen Eingangswechselstrom in eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom ara Aiisgimg- uaR*andelt, dadurch gekennzeichnet, daß ein phasengesteuertes Schalterel«ment(20) vorgesehen ist, dessen phasengesteuerte Spannung über eine Glelehrichtersehaltung (18) dem Ausgangekreis des Reglers zugeführt wird, daß zwischen der Gleiehriehterschaltung(l8) und dem Ausgangskreis eine Nachreglerstufe (24,57,58,59) Hegt, und daß die Phasenateuerung durch Rückkopplung vom Ausgangskreis erfolgt,

2, Regler nach Anspruch I₀ dadurch gekennzeichnet, daß die Nachreglerstufe (24,57,58,59) mindestens teilweise durch Rückkopplung vom Auegangskreis steuerbar let.

3· Regler nach Anspruch 1 oüqt* 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachreglerstufe (24,57,58*59) als dynamischer Tiefpass arbeitet«

4. Regle? nach Anspruch 1 biß 3, dadurcfe gekennzeichnet, daß die Steuerung der Hachreglerstufe (£4,57,58,59) teilweise durch Rückkopplung vom Yerbliiilyiigspunkt von Gleiclirlehterschaltung (18) ηηύ Nachreglerstufe (24, 57,58,59) erfolgt·

5» Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glelenrichtorschaltung (18) über

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das aus einem Bidirektion&X-Thys'Isteip (20) bestehende phasengesteuerte Sehaltereleissnt mit der Sekundärwicklung (17) eines Transformers (10) verbunden ist» dessen Primärwicklung die Siiigßiagsiieehselspsnnung su° geführt wird.

6. Regler nach einem der Anspruch© 1 bis 5₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspsmmmg bsi», de? Ausg&ngsstrom regelbar sind.

7· Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daS in einem an den Ausgangskreis angeschlossenen RUckkopplungsia^is (27,28^29) ein Verstärker (28) liegt,

8. Regler nach einem der Ansprüche 3 him I₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Nachragleretisf© iushi»ere mi ainera dynamischen Tiefpass au^amsüeng^sehaltete Transistoren (24,57,58,59) enthält.

9· Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 8» dadurch gekennzeichnet, daß eine Steners@1ialtung für die Phasen·=· steuerung vorgesehen ist, die ©inen ersten Transistor (30), dessen Basis mit dem Ausgang a@s Verstärkers (28) und dessen Emitter laifc dera negativen Pol (-LV) verbunden ist, einen zweiten frasisistcsr (36), dessen Basis mit dem Kollektor des es^BB&ers Transistors (30) und dessen Kollektor mit deffi £@gativen Pol (-X.V) einer Spannungsqiielle verbunrlea &st₉ sowie einen dritten Transistor (37) @ntMlt, deß #ia iberferagei* voTge» sehen 1st, dessen Primärwicklung swieeften dem Kollektor dee dritten Transistors (37) wad deis negativen Pol (-LV) der Spannungsquelle lieg& und dessen Sekundär-

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wicklung an die Steuerelektrode des Thyristors (20) angeschlossen ist, daß ein® Vieroefeieht-Diocie (28) zwischen dem Emitter des zweiten Transistors 06} und der Basis des dritten !Transistors (y() liegt» und daß ein Kondensator (43) mit eines Pol an i.er Basis des zweiten Transistors (j36) und mit dem anae~ res Pol am Emitter des dritten Transistors (37) liegt*

10. Regler nach Anspruch 9, dadurch g€ksmisei©hne-t_f daß eine Rückstellschaltung (11,45»46»47»48) aar Lsdung des Kondensators (4j) am End© Jeder halbsn Period® der dem Transfonaator (10) zugeführt en Wechselspannung vorgesehen ist, die ©inen zweiten Transformator (11) enthält, dessen Frimärwicklung EtLt der Primärwicklung des Transformators (lo) verbunden ist imd dessen Sekundärwicklung mit einer MIttelansapfunß an einem Pol des Kondensators angeschlosisen ist, daB zwei Dioden (45π46) gleichsinnig an die Enden der Sekundärwicklung des zweiten Transforinators (11) angeschlossen sind und über einen Widerstand (48) mit dem positiven Pol (+LV) der SpamiungsquelXe verbunden sind,und daß eine den beiden Dioden (43,46) entgegengerichtet geschaltete Diode (4?) zwischen dem anderen Pol* des Kondensators (43) und dem Widerstand (48) liegt.

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