DE1947901C3 - Aus einer Konstantstromquelle gespeistes Konstantspannungs-Speisegerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein aus einer Konstantstromquelle gespeistes Konstantspannungs-Speisegerät für eine vorzugsweise konstante Belastung, bestehend aus einem als Konstantstromquelle dienenden Umrichter und einem zwischen dem Ausgang des Umrichters und der Belastung angeordneten Schaltregler.

Es sind bereits zahlreiche Schaltungen bekannt, die zur Stabilisierung einer Versorgungsspannung oder eines Ausgangsstromes Verlustregler oder Schaltregler verwenden. Für die Verwendung eines Verlustreglers sprechen z. B. die Vorteile eine«, geringen Aufwandes an Bauteilen und die guten dynamischen Eigenschaften, die eine schnelle Ausregelung bei Laständerurigen ermöglichen. Da Verlustregler innerhalb ihres Regelbereiches alle Lastschwankungen augenblicklich kompensieren, bleibt in jedem Zeitpunkt die Eingangsleistung konstant. Laständerungen können daher nicht auf den Eingangskreis zurückwirken. Nachteilig sind jedoch die sich als Wärme äußernden Verluste, welche bei einem Konstantstrom-Speisegerät proportional mit der Ausgangsentlastung ansteigen. Der Verlustregler wird daher vorzugsweise in solchen Fällen eingesetzt werden, in denen kein großer Regelbereich gefordert wird.

Beim Schaltregler (vgl. z. B. DT-AS 11 34 743) betragen dagegen die anfallenden Grundverluste auch innerhalb eines sehr weiten Regelbereiches nur einen vernachlässigbaren Bruchteil der Ausgangsleistung und bedingen damit einen hohen Wirkungsgrad auch bei einem hohen Belastungswiderstand. Laständerungen wirken bei diesem Regelprinzip auf den Eingang zurück und äußern sich dort durch Ausgleichsvorgänge als entsprechende Spannungsänderungen. Abgesehen von dem größeren Aufwand an hochwertigen Bauteilen und schlechteren dynamischen Eigenschaften sind die von den schaltenden Transistoren verursachten Störspannungen nicht zu vernachlässigen, zu deren Reduzierung zusätzliche Siebmittel notwendig sind.

Wird an ein Konstantstrom-Speisegerät die Forderung gestellt, seine Ausgangsspannung nicht nur bei kleinen (im Nennbetrieb), sondern auch bei großen Laständerungen (Ausfall von Verbrauchern) konstant zu halten, dann isl keines der beiden genannten Regelprinzipien ohne erhebliche Nacnteile anwendbar. Ausgehend von einem Umrichter, der an seinem Ausgang einen konstanten Strom liefert, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Spannung am Verbraucher im Nennbetrieb und bei großen Laständerungen (Ausfall von Teilen des Verbrauchers) konstant zu halten wobei sowohl gute dynamische Eigenschaften einer solchen Schaltung als auch ein guter Wirkungsgrad gefordert werden. Die genannten Anforderungen werden z. B. am Umrichter zur Versorgung von Fernspeiseverstärkern in Weiterverkehrssystemen gestellt, die mit einem konstanten Fernspeisegleichstrom betrieben werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem aus einer Konstantstromquelle gespeisten Konstantspannungs-Speisegerät der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung vorgeschlagen, den Schaltregler und die der Steuerschaltung des Schaltreglers zugeordnete Meßschaltung am Ausgang als Parallelregelschaltung auszubilden und so zu dimensionieren, daß die Meßschaltung im Nennbefieb des Konstantspannungs-Speisegeräts bei abgeschaltetem Schaltregler als selbständiger Verlustregler im Querzweig wirksam ist und den Schaltregler erst unterhalb eines bestimmten BeIastungsstromes wirksam macht.

Es ist zwar bereits bekannt, Schalt- und Verlustregler so zu kombinieren, daß bei abnehmender Belastung des Schaltreglers ein dem Lastwiderstand parallel geschalteter stetiger Parallelregler, der über einen Differenzverstärker gesteuert wird, die Spannung am Ausgang konstant gehalten wird (US-PS 31 74 094). In dieser Schaltung wird jedoch von einer eingeprägten Spannung ausgegangen, so daß durch Laständerungen entstehende Spannungsänderungen anders als bei konstantstromgespeisten Verbrauchern nur relativ gering sind.

Bei Abweichung der Belastung vom Nennbetrieb im Sinne einer Verringerung der Belastung liefert die Meßschaltung selbsttätig ein Kriterium für die Einschaltung und Steuerung des Schaltreglers.

Durch geringfügige Änderung bzw. Erweiterung der Meßschaltung des Schaltreglers wird somit erreicht, daß sich der Regelvorgang in Abhängigkeit vom vorliegenden Betriebsfall .des Konstantstrom-Speisegerätes selbsttätig jeweils auf das günstigere Regelprinzip bzw. auf eine Kombination beider Regelprinzipien einstellt. Da die Schaltreglerfunktion erst beim Überschreiten einer bestimmten Vergrößerung des Belastungswiderstandes (Entlastungsfal.) einsetzt, werden in diesem

Betriebszustand zusätzliche Verluste vermieden, wie sie beim Parallel-Verlustregler in Form von Wärme am Regelglied auftreten würden. Die Vorzüge beider praktisch in einer Regelschaltung verwirklichten Regelsysteme werden daher voll ausgenutzt, während deren Nachteile sich nicht störend bemerkbar machen. Trotz der Erweiterung des Regelbereiches durch die Sclialtrcglerfunktion wird die Ausfallrate des Speisegerätes vorwiegend nur durch die relativ wenigen Bauteile der als Verlusiregler wirkenden Meßschaltung bestimmt, da die Schaltreglcrfunkiion im Normalfall (unveränderter Belastungswiderstand) unterbunden ist.

Die Schaltung bietet außerdem den Vorteil, daß der Arbeitspunkt im Nennbetrieb in dem Regelbereich des Verlustreglers liegt. Aufgrund der guten dynamischen Eigenschaften dieses kombinierten Regelprinzips ist nur ein geringer Aufwand an Siebmitteln erforderlich.

Bei verschiedenen Nennströmen kann der Arbeitspunkt im Normalbetrieb gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung durch die Wahl eines entsprechenden Abgriffes an der Sekundärwicklung des Umrichter-Transformators mittels eines Schalters in den Regelbereich des Verlustreglcrs verlegt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der F i g. I und 2 näher beschrieben.

Das in Fig. I dargestellte Speisegerät besieht im wesentlichen aus einem Konstantstrom-Umrichter U und einem mit Impulsbreilensteuerung arbeitenden Schaltregler.

Der Konstantstrom-Umrichter iikann in herkömmlieher Technik ausgebildet sein. Er ist daher in seinen Schaltungseinzelheiten nicht dargestellt. Der nach dem Schaltreglerprinzip arbeitende Regler ist abweichend von der üblichen Form der Schaltregler so ausgebildet, daß der Schalter TrI im Querzweig, Speicherdrossel Dr und Freilaufdiode D dagegen im Längszweig angeordnet sind. Ein Anschlußende des Schalters Tr 1 liegt am Verbindungspunkt von Speicherdrossel Drund Freilaufdiode D. Die übrigen Schaltungsteile des Schaltreglers sind die Meßschaltung an seinem Ausgang und die von der Meßschaltung gesteuerte Steuerschaltung für den Schalttransistor Tr ί im Querzweig. Die Steuerung selbst erfolgt durch Änderung des Tastverhältnisses einer mittels eines Hilfswechselrichters HW erzeugten rechteckförmigen Wechselspannung, die der Basis des Schalttransistors zugeführt wird.

Die Meßschaltung besteht aus dem Spannungsteiler mit den Widerständen /?6, /?8 und dem Potentiometer Rl zur Sollwerteinstellung, der Phasen- und Verstärkerstufe Tr3, Tr4 mit der Zenerdiode Z 3 und dem Schaltungsteil mit den in Reihe geschalteten Bauelementen Tr 2, Zl und R 5, der zusammen mit dem Meßwiderstand R1 im Längszweig der Erzeugung einer Dil'ferenzspannung für den Steuerteil des Schaltreglers dient. Der Ausgang der Phasenumkehrstufe 7r3 ist über die Zenerdiode Z 2, welche die Aufgabe hat, das Gleichspannungspotential für die nächste Stufe herabzusetzen, mit der Basis des Transistors Tr 2 verbunden.

Für die Wirkungsweise der kombinierten Regelfunktion von Schaltregler und Verlustregler ist es wesentlich, daß der vom Transistor Tr2, der Zenerdiode Zl und dem Widerstand R 5 gebildete Schaltungszweig so dimensioniert wird, daß er zusätzlich die Funktion eines Verlusixeglers übernehmen kann,

Der Steuerteil des Schaltreglers umfaßt den Hilfswechselrichter HW zur Erzeugung der Taktfrequenz, den Steuerumsetzer StLJ und den Impulsbreitenumsetzer JU die gemeinsam das Meßergebnis (Differenzspannung) in eine Pulsbreitensteuerung der rechteckförmigen Steuerspannung umsetzen, und außerdem den Impulsverstärker JV, der gegebenenfalls mit einem Impulsinverter gekoppelt ist. Die verstärkte Steuerspannung wird vom Ausgang des Impulsverstärkers JV an die Basis des als Schalter arbeitenden Schalttransistors 7r 1 geführt.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung ist davon auszugehen, daß der Schaltregler bei Nennbetrieb des Konstantstrom-Speisegerätes außer Betrieb ist, daß jedoch gleichzeitig die entsprechend bemessene Meßschaltung die Funktion eines Verlustreglers in Parallelregelschaltung ausübt. Durch besondere Maßnahmen wird dem Verlustregler nur ein Teil des gesamten Regelbereiches zugeordnet. Erst nachdem die Regelabweichung durch Ansteigen des Lastwiderstandes RL einen bestimmten Wert erreicht hat, wird auch der Schaltregler wirksam. Der zunächst durch den als Stelltransistor arbeitenden Transistor 7r2 (Ver'ustregler) fließende Strom Jz ist gerade so groß, daß der Ausgangsstrom am Lastwiderstand einen Spannungsabfall von der Größe des Sollwertes ergibt. Dieser Differenzstrom wächst proportional mit zunehmender Entlastung des Ausganges, bis schließlich die Differenzspannung an den Widerständen RMR5 durch Null geht, zunehmend positiv wird und den Schaltregler über den Steuerumsetzer StU in Gang setzt, wenn gleichzeitig der Hilfswechselrichter HW eine rechteckförmige Taktspannung liefert. Der Hilfswechselrichter schwingt nicht bei Nennbetrieb der Schaltung. Seine Eingangsspannung bezieht er im Querzweig der Meßschaltung an der Reihenschaltung von Zenerdioden Zl und Widerstand R 5. Nimmt der Stelltransistor 7>2bei Anstieg des Lastwiderstandes RL einen genügend niederohmigen Wert an, dann kann der Hilfswechselrichter über R5IZ\ bei entsprechend angestiegener Eingangsspannung über die Anschwinghilfe R 2, R 3, R 4 anschwingen. Das Potentiometer /?3 und der Widerstand R 5 werden so aufeinander abgestimmt, daß der Hilfswechselrichter und der Steuerumsetzer gleichzeitig in Funktion treten. Von diesem Betriebszustand ab übernimmt der Schaltregler bei weiterer Entlastung des Ausganges (bzw. bei weiter sinkendem Ausgangsstrom) die Funktion des Reglers. Da der in den Schaltregler fließende Strom im Gegensatz zum Verlustregler in Form von mehr oder weniger breiten Stromimpulsen nahezu verlustlos geschaltet wird, ändert sich die Eingangsleistung proportional mit der Ausgangsleistung.

Die in Fig. 2 dargestellten Kurven lassen den Übergang von der reinen Verlustregelung auf das kombinierte Regelprinzip (Schaltregler/Verlustregler) deutlich erkennen. Die dargestellten Kurven zeigen in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom / im Prinzip den Verlauf von Eingangsspannung bzw. Eingangsleistung a, Ausgangsleistung b, Ausgangsspannung c, Grundverlustleistung der Regelschaltung d, Verlustleistung des Verlustreglers (einschließlich Grundverlustleistung) e und den Wirkungsgrad η. Der Ausgangsstrom bei Nennbetrieb ist durch die senkrechte strichpunktierte Linie gekennzeichnet. Der scharfe Kennlinienknick bei den Kurven a, e und η deuten den Einsatz des Schaltreglers an.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1347 Patentansprüche:

1. Aus einer Konstantstromquelle gespeistes Konstantspannungs-Speisegerät für eine Vorzugsweise konstante Belastung, bestehend aus einem als Konstantstromquelle dienenden Umrichter und einem zwischen dem Ausgang des Umrichters und der Belastung angeordneten Schaltregler, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltreg- ό ler und die der Steuerschaltung des Schaltreglers zugeordnete Meßschaltung am Ausgang als Parallelregelschaltung ausgebildet und so dimensioniert sind, daß die Meßschaltung im Nennbetrieb des Konstantspannungs-Speisegerätes bei abgeschaltetem Schallregler als selbständiger Verlustregltr im Querzweig wirksam ist und den Schaltregler erst unterhalb eines bestimmten Belastungstromes wirksam mach!.

2. Speisegerät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung bei Abweichung der Belastung vom Nennbetrieb im Sinne einer Verringerung der Belastung selbsttätig ein Kriterium für die Einschaltung und Steuerung des Schaltregler liefert.

3. Speisegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung für den Schaltregler aus einem Hilfswechselrichter (HW), einem Steuerumsetzer (SlU) und einem Pulsbreitenumsetzer (IU) zur Steuerung des Tastverhältnisses einer im Hilfswechselrichter erzeugten rechteckförmigen Steuerwechselspannung besteht.

4. Speisegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfswechselrichter (HW)Je eine vom Strom im Verlusiregler abhängige Versorgungs- und Anschwingspannung erhält.

5. Speisegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter-Transformator sekundärseitig mit mehreren umschaltbaren Wicklungsabgriffen versehen ist. 4c