DE19515210C2

DE19515210C2 - Switched-mode power supply, in particular a power regenerator

Info

Publication number: DE19515210C2
Application number: DE1995115210
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kalfhaus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-04-28
Filing date: 1995-04-28
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2015-04-29
Also published as: DE19515210A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil, insbesondere Netzregenerator, zur Regene ration einer an einem Eingangskreis anliegenden mit Schwankungen behafteten Eingangs spannung UE eines AC- oder DC-Versorgungsnetzes zur Versorgung einer an einem Aus gangskreis liegenden Last CA, LA mit einem einstellbaren konstanten Ausgangsstrom IA.The invention relates to a switching power supply, in particular a network regenerator, for rain ration of an input connected to an input circuit with fluctuations voltage UE of an AC or DC supply network to supply one at an off load circuit CA, LA with an adjustable constant output current IA.

Ein Schaltnetzteil dieser Art ist aus einem Aufsatz von Lloyd Dixon "High Power Factor Preregulator Using the SEPIC Converter", Unitrode, May 1993, bekannt.A switching power supply of this type is known from an article by Lloyd Dixon "High Power Factor Preregulator Using the SEPIC Converter", Unitrode, May 1993 .

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Versorgungsnetzen der Industrie, Telekomunika tion und Bordnetzen von Fahrzeugen jeglicher Art treten sekundär erzeugte Störungen auf. Dabei müssen Systemanwender, die an diesen Versorgungsnetzen arbeiten, nicht nur Maßnah men gegen natürlich erzeugte Störungen (z. B. Blitzschlag) ergreifen, sondern auch gegen solche, die vom Mitbenutzer des Netzes erzeugt werden.In industrial supply networks known from the prior art, telecommunications tion and vehicle electrical systems of any kind occur secondary generated disturbances. System users working on these supply networks do not just have to take action against naturally generated disturbances (e.g. lightning), but also against those generated by the co-users of the network.

Ein erheblicher Mangel fast aller Versorgungsnetze ist, daß der statische Nenneingangs spannungsbereich, je nach Beschaffenheit des Netzes bzw. der Batterie, Schwankungen von bis zu größer als +/-40% aufweist (EN 50 155) oder auf 12 V (24 V)-Fahrzeugen die Bordnetze bis < 6,5 V (9,5 V) einbrechen. Die Spannungseinbrüche können von den ange schlossenen Elektroniksystemen bzw. Stromversorgungen nicht verkraftet werden, so daß es zu Störungen kommen kann.A significant shortcoming of almost all supply networks is that the static nominal input voltage range, depending on the nature of the network or the battery, fluctuations of up to greater than +/- 40% (EN 50 155) or on 12 V (24 V) vehicles Break on-board electrical systems down to <6.5 V (9.5 V). The voltage drops can vary from the specified closed electronic systems or power supplies can not be coped with, so that it disturbances can occur.

Ein besonderes Problem in diesem Zusammenhang stellt dabei einerseits die sichere Span nungsversorgung für Relais und Schütze und andererseits eine sichere Stromversorgung für stromproportionale Ventile im Hydraulik- und Pneumatikbereich bzw. für Lüfter dar (Ver braucher genannt).The safe chip poses a particular problem in this connection Power supply for relays and contactors and on the other hand a safe power supply for flow-proportional valves in the hydraulic and pneumatic areas or for fans (Ver called user).

Da elektromechanische Schaltelemente wie Relais und Schütze bei Unterschreiten einer minimalen Eingangsspannung aufgrund ihrer physikalischen, magnetischen und mechanischen Grenzen nicht mehr sicher anziehen bzw. angezogen bleiben, führen Schwankungen der Ver sorgungsspannung zu Fehlfunktionen. Aus dem Stand der Technik ist einerseits bekannt, die Versorgungsspannungen mittels Überwachungsschaltungen zu überwachen. In Katastrophen situationen wie z. B. zu tiefe Eingangsspannung durch Lastaufschaltung, lange Leitungswege oder nicht ideale Versorgungsquellen, kann nicht reagiert werden. Andererseits werden aufwendige Neuentwicklungen für Schütze betrieben, um auch bei schwankenden Eingangs spannungen ein sicheres Anziehen des Schützes zu gewährleisten. Dies ist jedoch mit erheblichen Kosten verbunden.Because electromechanical switching elements such as relays and contactors fall below one minimum input voltage due to their physical, magnetic and mechanical Limits no longer attract or remain attracted, lead to fluctuations in the ver supply voltage to malfunctions. On the one hand, it is known from the prior art that Monitor supply voltages using monitoring circuits. In disasters situations such as B. input voltage too low due to load connection, long cable routes or non-ideal sources of supply, cannot respond. On the other hand elaborate new developments operated for contactors, even with fluctuating input voltages to ensure that the contactor is pulled securely. However, this is with considerable costs.

Auch ist gegeben, daß Verbraucher wie Schütze in angezogenem Zustand an Nennspannun gen bzw. Spannungen höher als deren Nennspannungen betrieben werden, wodurch ein erheblicher Leistungsverlust verursacht wird. Auch können die Schütze bei Überspannungen mit Netz zerstört werden bzw. die Lebensdauererwartungen der Schütze kann dadurch sinken. Gewollt oder ungewollt, auf alle Fälle unkontrolliert würde sich Drehzahl und Drehmoment von Lüftern ändern.It is also the case that consumers, like contactors, are drawn up to the nominal voltage gen or voltages are operated higher than their nominal voltages, whereby a significant loss of performance is caused. The contactors can also protect against overvoltages destroyed with the mains or the life expectancy of the contactors may decrease. The speed and torque would be uncontrolled, in any case unintentionally of fans change.

Zur Ansteuerung stromproportionaler Ventile werden nach dem Stand der Technik Servo- oder Regelverstärker eingesetzt, die z. B. aus Netztransformatoren gespeist und linear oder gechoppt auf eine Nennspannung UN geregelt werden. Derartige Lösungen sind jedoch sehr teuer. Ferner ist noch zu erwähnen, daß beim Einsatz von Tief- oder Hochsetzstellern die Ausgangsspannung nicht auf Nennspannung des Netzes eingestellt bzw. geregelt werden kann.According to the prior art, servo or control amplifier used, the z. B. fed from line transformers and linear or chopped to be regulated to a nominal voltage UN. However, such solutions are very expensive. It should also be mentioned that when using buck or step-up converters Output voltage cannot be set or regulated to the nominal voltage of the network can.

Beim Tiefsetzsteller wird bei Defekten des Transistors die Eingangsspannung auf den Ausgang durchgeschaltet. Beim Hochsetzsteller bildet der Ausgangskondensator beim Aufschalten der Eingangsspannung einen dynamischen Kurzschluß und die Schaltung ist nicht kurzschlußgeschützt.In the step-down converter, if the transistor is defective, the input voltage is reduced to Output switched through. The output capacitor of the step-up converter forms the Applying the input voltage a dynamic short circuit and the circuit is not short-circuit protected.

Aus dem zuvor erwähnten Aufsatz von Lloyd Dixon "High Power Factor Preregulator Using the SEPIC Converter", dessen Inhalt als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird, ist ein Schaltnetzteil mit SEPIC-Topologie bekannt, umfassend einen Eingangskreis mit einer ersten Drosselspule D1.1, die über eine erste Verbindungsstelle in Serie mit einem Kon densator CS verbunden ist, der über eine zweite Verbindungsstelle über eine Diode DE mit einem ersten Anschluß des Ausgangskreises verbunden ist, der seinerseits mit einem zweiten Anschluß über eine Verbindungsleitung an einem Eingang des Eingangskreises liegt. Zwi schen der ersten Verbindungstelle und der Verbindungsleitung ist ein Leistungstransistor T und zwischen der zweiten Verbindungsstelle und der Verbindungsleitung ist eine zweite, mit der ersten Drosselspule D1.1 magnetisch gekoppelte Drosselspule D1.2 angeordnet.From the previously mentioned article by Lloyd Dixon "High Power Factor Preregulator Using the SEPIC Converter ", the content of which is considered to be the closest prior art, is known a switching power supply with SEPIC topology, comprising an input circuit with a first choke coil D1.1, which has a con capacitor CS is connected to the via a second connection via a diode DE a first connection of the output circuit is connected, which in turn is connected to a second Connection via a connecting line to an input of the input circuit. Two between the first connection point and the connection line is a power transistor T and between the second connection point and the connection line is a second, with the first inductor D1.1 magnetically coupled inductor D1.2 arranged.

Für den Fall einer sinushalbwellenförmigen Eingangsspannung ist in Fig. 5 und 7 des Aufsatzes von Lloyd Dixon ein Regelkreis beschreiben, bestehend aus einem Spannungsregler zur Regelung der Ausgangsspannung, dem ein Rechenglied nachgeschaltet ist, dessen Ausgangsgröße einen Strom-Soll-Wert für einen unterlagerten Stromregelkreis zur Verfügung stellt, mit dem der Eingangsstrom geregelt wird. Dabei wird der Eingangsstrom in dem Zweig des Leistungstransistors als mittlerer Schaltstrom gemessen, der dem Mittelwert des Eingangsstromes entspricht. In einer allgemeinen theoretischen Abhandlung des SEPIC- Schaltnetzteils wird abgeleitet, daß der Mittelwert des Ausgangsstromes dem Mittelwert des Stromes durch die zweite (ausgangsseitige) Drosselspule entspricht.In the case of a sinusoidal half-wave input voltage, a control circuit is described in FIGS . 5 and 7 of the article by Lloyd Dixon, consisting of a voltage regulator for regulating the output voltage, to which a computing element is connected, the output variable of which is a current setpoint value for a subordinate current control circuit Provides with which the input current is regulated. The input current in the branch of the power transistor is measured as the average switching current, which corresponds to the mean value of the input current. In a general theoretical discussion of the SEPIC switching power supply, it is derived that the mean value of the output current corresponds to the mean value of the current through the second (output-side) choke coil.

Dem Aufsatz ist jedoch kein Hinweis dahingehend zu entnehmen, das SEPIC-Schaltnetzteil zur Regenerierung einer in großen Bereichen schwankenden gleichförmigen Eingangsspan nung einzusetzen, wobei ausgangsseitig ein konstanter Ausgangsstrom zur Verfügung steht.However, there is no indication in the article that the SEPIC switched-mode power supply for the regeneration of a uniform input chip fluctuating in large areas use, whereby a constant output current is available on the output side.

Aus der DE 43 09 640 A1 ist eine Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage bekannt. Zur Speisung der Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage ist eine Stromrichteranordnung sowie eine Elek trodenregelungseinrichtung und ein Stromregler vorgesehen. Einem Stromregelkreis ist ein Spannungsregelkreis unterlagen, wobei die Ausgangsspannung des Stromreglers den Sollwert für den Spannungsregler liefen.A DC arc furnace system is known from DE 43 09 640 A1. For feeding the DC arc furnace system is a converter arrangement and an elec trode control device and a current controller provided. A current control loop is a Voltage control loop was subject to, the output voltage of the current regulator the setpoint ran for the voltage regulator.

In der EP 0 388 069 A2 ist ein DC-DC-Wandlerschaltkreis beschrieben. Der Wandler weist im wesentlichen eine leiterförmige Netzstruktur auf wobei die waagerechten Komponenten aus einer Induktivität L1, einer Kapazität C2 und einer die Diode D1, und die senkrechten Komponenten aus einem Transistor S1, einer Induktivität L2 und einer Kapazität C3 gebildet werden. Die Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, daß nur ein mit der Schaltungs masse verbundener Transistor vorgesehen ist, der lediglich ein Kontrollsignal benötigt. Auch benötigt die Schaltungsanordnung keinen Trenntransformator.A DC-DC converter circuit is described in EP 0 388 069 A2. The converter points essentially a ladder-shaped network structure with the horizontal components an inductor L1, a capacitor C2 and a diode D1, and the vertical Components formed from a transistor S1, an inductor L2 and a capacitor C3 become. The circuit arrangement is characterized in that only one with the circuit ground-connected transistor is provided, which only requires a control signal. Also the circuit arrangement does not require an isolating transformer.

In einem Aufsatz von J. Sebastian u. a., "Using SEPIC Topology for . . .", EPE Journal, Vol. 3, No. 2, Juni 1993, Seite 107 bis 115, ist die Verwendung einer SEPIC-Topologie zur Verbes serung des Powerfaktors in Energieversorgungssystemen beschrieben. Bei dieser Schaltungs anordnung wird ein Eingangsstrom kontinuierlich erfaßt und derart gesteuert, daß er einem sinusförmigen Referenzsignal folgt, das der gleichgerichteten Eingangswechselspannung proportional ist. Um eine geregelte Ausgangsspannung zu erreichen, ist ein Rechenglied zur Steuerung der Amplitude des sinusförmigen Referenzsignals in Abhängigkeit von einer am Ausgang gemessenen fehlerverstärkten Spannungsdifferenz vorgesehen.In an essay by J. Sebastian u. a., "Using SEPIC Topology for...", EPE Journal, Vol. 3, No. 2, June 1993, pages 107 to 115, is the use of a SEPIC topology for verbs described the power factor in power supply systems. With this circuit arrangement, an input current is continuously detected and controlled in such a way that it sinusoidal reference signal follows that of the rectified AC input voltage is proportional. In order to achieve a regulated output voltage, a computing element is used Control of the amplitude of the sinusoidal reference signal as a function of an am Output measured error amplified voltage difference provided.

Aus der DE 195 05 417 A1 ist ein Schaltnetzteil, insbesondere PFC bewerteter Tief-/Hoch setzsteller bekannt. Das Schaltnetzteil dient zur Umwandlung einer an einem Eingangskreis anliegenden Eingangsspannung UE in eine an einem mit einer Last CA, LA belasteten Ausgangskreis anliegende geregelte Ausgangsspannung UA. Zur Verbesserung der Netzeigen schaften wird einerseits einem Spannungsregler ein Rechenglied zur PFC-Bewertung nach geschaltet und andererseits eine im Eingangskreis gemessene, dem Ausgangsstrom IA proportionale Gleichgröße als Istwert einem unterlagerten Stromregler zugeführt.DE 195 05 417 A1 describes a switching power supply, in particular a PFC-rated low / high setter known. The switching power supply is used to convert one to an input circuit applied input voltage UE in a loaded with a load CA, LA Output circuit applied regulated output voltage UA. To improve the network On the one hand, a voltage regulator will have a computing element for PFC evaluation switched and on the other hand a measured in the input circuit, the output current IA proportional direct variable as actual value fed to a subordinate current controller.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Schaltnetzteil der zuvor beschriebenen Art dahingehend weiterzubilden, dass der Ausgangsstrom regelbar ist, wobei der Ausgangsstrom selbst im Eingangsstromkreis gemessen wird.The present invention is based on the problem of a switching power supply of the previous type further described type in such a way that the output current can be regulated, wherein the output current itself is measured in the input circuit.

Das Problem der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The problem of the invention is solved by the features of claim 1.

Das Konzept zeichnet sich dadurch aus, daß im Eingangskreis der Schaltung eine zum Strom IS proportionale Gleichgröße gemessen werden kann und im Ausgangskreis der Schaltung ein Spannungsregelkreis liegt, der die Ausgangsspannung regelt und mittels einer Übertragungs strecke die verstärkte Fehlerdifferenz auf den Eingangskreis zurückgemeldet wird. Dadurch wird ermöglicht, daß ein Konzept ohne Potentialtrennung als Netzregenerator benutzt werden kann. Als weiterer Vorteil ist in diesem Zusammenhang zu erwähnen, daß die Stromerfas sung, Spannungsdifferenz und Stellgröße sowie die gesamte Elektronik, Steuerung mit Überwachung und Regelkreis, auf gleichem vorzugsweise Null-Potential liegen.The concept is characterized in that in the input circuit of the circuit one to the current IS proportional constant can be measured and in the output circuit of the circuit Voltage control loop is located, which regulates the output voltage and by means of a transmission stretch the increased error difference is reported back to the input circuit. Thereby enables a concept without potential isolation to be used as a network regenerator can. Another advantage to be mentioned in this context is that the current detection solution, voltage difference and manipulated variable as well as the entire electronics, control with Monitoring and control circuit, preferably at the same zero potential.

Die Messung der den Strom IS in der Drosselwicklung D1.2 äquivalenten Gleichgröße erfolgt vorteilhaft mittels eines Shunts, der in Reihe mit der Drosselwicklung D1.2 liegt. Der Strom IS und somit die über dem Shunt zu messende Gleichgröße ist proportional zu dem Aus gangsstrom IA. Damit steht eine zum Ausgangsstrom IA proportionale Gleichgröße zur Stromregelung bereit.The measurement of the constant quantity equivalent to the current IS in the choke winding D1.2 takes place advantageously by means of a shunt which is in series with the choke winding D1.2. The current IS and thus the constant to be measured across the shunt is proportional to the out output current IA. This means that there is a constant value proportional to the output current IA Current regulation ready.

Durch den zwischen Eingang und Ausgang liegenden Kondensator CS, dessen Kapazitätswert umgekehrt proportional der Taktfrequenz ist, kann die vorliegende Schaltung aufschalts trombegrenzend gemacht werden, wodurch ein Durchgriff auf den Ausgangskondensator nicht stattfindet bzw. kurzschlußstromgeregelt dieser Kondensator CA aufgeladen wird (CA << CS).Through the capacitor CS between the input and output, its capacitance value the present circuit can be inversely proportional to the clock frequency current limiting can be made, which means that access to the output capacitor is not takes place or short-circuit current controlled this capacitor CA is charged (CA << CS).

Auch ist bei dieser Schaltungstopologie gewährleistet, daß bei Defekt des Transistors T, der Diode DE bzw. des Kondensators CS die Eingangsspannung nicht auf den Ausgang durch geschaltet wird. Das Schaltnetzteil wird demnach als sicherheitsrelevantes Netzteil für den Schutz des Ausgangs eingestuft.This circuit topology also ensures that if the transistor T is defective, the Diode DE or the capacitor CS does not pass the input voltage to the output is switched. The switching power supply is therefore used as a safety-relevant power supply for the Protection of the output classified.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Schaltnetzteil als Netzregenerator für mit Schwan kungen behaftete AC- und DC-Versorgungsnetze und insbesondere zur Strom-/Spannungs versorgung für elektrische Verbraucher wie Relais, Schütze, stromproportionale Ventile und Lüfter verwendet wird. Durch das Schaltnetzteil werden die zuvor genannten Nachteile des Standes der Technik behoben. Insbesondere wird bei extrem schwankenden Eingangsspannun gen eine sichere und stabile Ausgangsspannung zur Verfügung gestellt. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn die Eingangsspannung unterhalb als auch oberhalb der Netznennspannung liegt. Auch ist gewährleistet, daß die Ausgangsspannung auf den Wert der Netznennspannung eingestellt bzw. geregelt werden kann.According to the invention it is provided that the switching power supply as a network regenerator for with swan AC and DC supply networks and especially for current / voltage supply for electrical consumers such as relays, contactors, flow proportional valves and Fan is used. The aforementioned disadvantages of the State of the art fixed. Especially when the input voltage fluctuates extremely provided a safe and stable output voltage. This is especially true even if the input voltage is below and above the nominal network voltage lies. It is also ensured that the output voltage to the value of the nominal network voltage can be set or regulated.

Als besonderer Vorteil ist zu erwähnen, daß die geregelte Ausgangsspannung UA oder der Ausgangsstrom IA in Abhängigkeit von dem Verbraucher einstellbar ist, mit UA = k_U × UAN und IA = k_I × IAN mit k_U, k_I < 0 und bis < 1 vorzugsweise k_U, k_I ≈ 1. Bei dieser Schaltungs variante kann der Ausgang des Schaltnetzteils an die jeweilige Belastung angepaßt werden. Insbesondere bei der Versorgung von Schützen kann somit bei angezogenen Schützen in einen "Sparmodus", d. h. reduzierte Ausgangsspannung z. B. UA = 2/3 UAN, geschaltet werden, um die Leistungsaufnahme der Schütze im angezogenen Zustand zu verringern. Auch besteht dadurch die Möglichkeit, z. B. bei stromproportionalen Ventilen deren Eingangsstrom derart einzustellen, daß ein dem Strom proportionaler Hub gewährleistet ist bzw. bei einem Lüfter die Fördermenge verstellt wird bzw. geregelt wird.It should be mentioned as a particular advantage that the regulated output voltage UA or the output current IA can be set as a function of the consumer, with UA = k _U × UAN and IA = k _I × IAN with k _U , k _I <0 and up to <1 preferably k _U , k _I ≈ 1. With this circuit variant, the output of the switching power supply can be adapted to the respective load. In particular when supplying contactors can thus in a "saving mode", ie reduced output voltage z. B. UA = 2/3 UAN, to reduce the power consumption of the contactors when pulled. There is also the possibility, for. B. in the case of valves proportional to the flow, adjust their input flow in such a way that a stroke proportional to the flow is ensured or, in the case of a fan, the delivery rate is adjusted or regulated.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils ist vorgesehen, daß der k_U-, k_I-Faktor als Sollgröße am Eingang des Regelkreises anliegt und belastungs abhängig einstellbar ist. Dabei kann der k_U-, k_I-Faktor programmierbar sein oder über Schaltkontakte, Widerstandsnetzwerke oder ähnliches einstellbar sein. Sind z. B. sämtliche Schütze angezogen, so kann diese Information über Schließerkontakte der Schütze einer Auswertelogik zugeführt werden, wodurch der k_U-Faktor z. B. auf einen Wert k_U = 2/3 geschaltet wird, wodurch die Ausgangsspannung UA = k_U × UAN = 2/3 × 24 V = 16 V einstellbar ist. Oder der Sollwert wird als analoge Größe 0-10 V bzw. 4-20 mA vor gegeben.In a preferred embodiment of the switched-mode power supply according to the invention, it is provided that the k _U , k _I factor is present as a setpoint at the input of the control circuit and can be set as a function of the load. The k _U , k _I factor can be programmable or can be set via switch contacts, resistor networks or the like. Are z. B. all contactors attracted, this information can be supplied to the contactors of the contactors of an evaluation logic, whereby the k _U factor z. B. is switched to a value k _U = 2/3, whereby the output voltage UA = k _U × UAN = 2/3 × 24 V = 16 V is adjustable. Or the setpoint is given as an analog value of 0-10 V or 4-20 mA.

Werden Verbraucher mit einem eigenen Regelkreis eingesetzt, wie dies bei stromproportiona len Ventilen oder Linearantrieben oder ähnlichen Verbrauchern der Fall sein kann, so wird der k_U, k_I-Faktor als fehlerverstärktes Signal aus einem überlagerten Regelkreis abgebildet. Dieser Betrieb bietet den Vorteil, daß die angeschlossenen Verbraucher optimal angesteuert bzw. geregelt werden können.If consumers are used with their own control loop, as can be the case with flow-proportional valves or linear drives or similar consumers, the k _U , k _I factor is mapped as an error-amplified signal from a superimposed control loop. This operation has the advantage that the connected consumers can be optimally controlled or regulated.

Als besonderer Vorteil ist hervorzuheben, daß das Schaltnetzteil über einen extrem weiten Eingangsspannungsbereich (z. B. 4 : 1 bis < 10 : 1, d. h. 6 V . . . 24 V bis 0 V . . 158 V) verfügt und die Schwankungen der Versorgungsspannung ausregelt. Durch das erfindungsgemäße Schaltnetzteil kann bei jeder beliebigen Eingangsspannung (14,4 V bis 158 V) eine beliebige Ausgangsspannung von < 3 V bis < 60 V ohne Potentialtrennung eingestellt bzw. geregelt werden.It should be emphasized as a particular advantage that the switching power supply has an extremely wide range Input voltage range (e.g. 4: 1 to <10: 1, i.e. 6 V... 24 V to 0 V.. 158 V) and regulates the fluctuations in the supply voltage. By the invention Switching power supply can be used for any input voltage (14.4 V to 158 V) Output voltage from <3 V to <60 V set or regulated without electrical isolation become.

Die Eingangsspannung UE liegt vorzugsweise in einem Bereich von z. B. 4 V ≦ UE ≦ 158 V und die Ausgangsspannung UA in einem Bereich von z. B. 0 V ≦ UA ≦ 110 V vorzugweise 12, 24, 48, 60, 110 V. Dadurch wird mit einer einzigen Schaltungskonfiguration ein breites Anforderungsprofil abgedeckt. Vorteilhaft ist die Ausgangsspannung UA im Bereich zwi schen UA ≧ 0 V Λ UA ≧ UEmax Λ UA ≦ UEmin einstellbar. Auch ist vorgesehen, daß die Ausgangsspannung UA bei IA = konstant sich aus Strom IA und Lastwiderstand LA ergibt. Durch das Schaltungskonzept wird erreicht, daß der Ausgangsstrom IA auch bei hohen Widerstandswerten LA z. B. bei dynamischen Betrachtungen, noch sicher in eine Induktivität getrieben werden kann. Hier wird auch der Vorteil deutlich, daß außer der konstanten und einstellbaren bzw. regelbaren Ausgangsgröße k_U × UAN bzw. k_I × IAN niedrigere und höhere Versorgungsspannungen als die Ausgangsgröße sicher verarbeitet werden können.The input voltage UE is preferably in a range of z. B. 4 V ≦ UE ≦ 158 V and the output voltage UA in a range of z. B. 0 V ≦ UA ≦ 110 V, preferably 12, 24, 48, 60, 110 V. This covers a wide range of requirements with a single circuit configuration. The output voltage UA can advantageously be set in the range between UA ≧ 0 V Λ UA ≧ UEmax Λ UA ≦ UEmin. It is also provided that the output voltage UA at IA = constant results from current IA and load resistance LA. The circuit concept ensures that the output current IA even at high resistance values LA z. B. in dynamic considerations, can still be driven safely in an inductor. The advantage also becomes clear here that, in addition to the constant and adjustable or controllable output variable k _U × UAN or k _I × IAN, lower and higher supply voltages than the output variable can be safely processed.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Steuerglied zumindest zwei Stromquellen zum Laden und Entlanden eines Kondensator sowie einen Komperator aufweist, dessen Eingang mit dem Kondensator zur Messung der Kondensatorspannung verbunden ist und dessen Ausgang einerseits mit dem Leistungstransistor und andererseits mit Schalt elementen wie Diodentoren verbunden ist, die in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Komparators den Lade- bzw. Entladevorgang zur Bestimmung der Einschalt- bzw. Aus schaltzeiten T-On und T-Off einleiten.According to an advantageous embodiment it is provided that the control member at least two Has current sources for charging and discharging a capacitor and a comparator, whose input is connected to the capacitor for measuring the capacitor voltage and its output on the one hand with the power transistor and on the other hand with switching elements such as diode gates is connected, depending on the output signal of the Comparator the charging or discharging process to determine the switch on or off Initiate switching times T-On and T-Off.

Auch ist vorgesehen, daß eine erste Stromquelle eingangsseitig über einen Widerstand R1 mit dem Stromregler und ausgangsseitig über ein Schaltelement mit dem Kondensator C1 verbunden ist und daß eine zweite Stromquelle über einen Widerstand R2 mit der Eingangs spannung UE verbunden und Ausgangsseitig über das Schaltelement S2 zur Aufladung mit dem Kondensator C1 verbunden ist. Dadurch findet eine T-On-Steuerung und eine T-Off- Regelung statt. Dadurch wird prinzipiell über die Eingangsspannung verhindert, daß der Zwischenkreis bzw. die Ausgangsspannung dynamische Schwankungen mit der Eingangs spannung erfährt.It is also provided that a first current source on the input side via a resistor R1 the current regulator and on the output side via a switching element with the capacitor C1 is connected and that a second current source via a resistor R2 to the input voltage UE connected and on the output side via the switching element S2 for charging the capacitor C1 is connected. As a result, a T-On control and a T-Off Regulation instead. This basically prevents the input voltage from causing the DC link or the output voltage dynamic fluctuations with the input experiences tension.

Bei dieser Schaltungskonfiguration wird bei konstanter Last die Ausschaltzeit T-Off konstant sein. Der Kondensator wird dann immer mit der gleichen Zeit entladen. Die Einschaltzeit T- On wird sich umgekehrt proportional der Eingangsspannung UE einstellen, d. h. je niedriger die Eingangsspannung ist, desto länger wird die Einschaltzeit T-On sein.With this circuit configuration, the switch-off time T-Off becomes constant with a constant load his. The capacitor is then always discharged at the same time. The on time T- On will be set inversely proportional to the input voltage UE, i.e. H. the lower the input voltage is, the longer the switch-on time will be T-On.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines den Zeichnungen zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels. Further details, advantages and features of the invention result not only from the Claims, the features to be extracted from these - individually and / or in combination -, but also from the following description of one of the drawings preferred embodiment.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines modifizierten Hoch-Tiefsetzstellers mit Potential trennung, Fig. 1 shows the principle circuit diagram of a modified separation high-down converter with potential

Fig. 2 das Prinzipschaltbild eines modifizierten Hoch-Tiefsetzstellers ohne Potential trennung, Fig. 2 shows the principle circuit diagram of a modified separation high-down converter without potential,

Fig. 3 eine Regelkreisanordnung mit Ansteuereinheit für die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 und Fig. 2, Fig. 3 shows a control circuit arrangement comprising drive unit for the circuit of Fig. 1 and Fig. 2,

Fig. 4 eine Variante eines Rechengliedes für den Regelkreis gemäß Fig. 2, Fig. 4 shows a variant of a computing element for the control loop of FIG. 2,

Fig. 5 der Hoch-Tiefsetzsteller als Netzregenerator im Spannungs-Modus und Fig. 5 of the buck converter as a line regenerator in voltage mode and

Fig. 6 der Hoch-Tiefsetzsteller als Netzregenerator im Strom-Modus. Fig. 6 of the buck converter as a power regenerator in current mode.

Fig. 1 zeigt ein Schaltnetzteil (10) mit Eingangskreis (12) und Ausgangskreis (14), wobei zur Potentialtrennung zwischen Eingangskreis (12) und Ausgangskreis (14) ein Transformator TR mit einer Primärwicklung T1.1 und einer Sekundänrwicklung T1.2 vorgesehen ist. Der Transformator weist das Übersetzungsverhältnis Ü auf. Fig. 1 shows a switching power supply (10) with the input circuit (12) and the output circuit (14), a transformer TR having a primary winding T1.1 and a Sekundänrwicklung T1.2 is provided for electrical isolation between the input circuit (12) and the output circuit (14) . The transformer has the transmission ratio Ü.

Eine Eingangsklemme (16) ist über eine Drosselspule D1.1 mit einer ersten Verbin dungsstelle (18) verbunden, von der aus ein Kondensator CS über eine zweite Ver bindungsstelle (20) und eine Diode DE mit ihrem Kathodenanschluß (22) mit dem Eingang der Primäwicklung T1.1 des Transformators TR verbunden ist.An input terminal ( 16 ) is connected via a choke coil D1.1 to a first connec tion point ( 18 ), from which a capacitor CS via a second connection point Ver ( 20 ) and a diode DE with its cathode connection ( 22 ) to the input of Primary winding T1.1 of the transformer TR is connected.

Ein Ausgang (24) der Primärwicklung T1.1 ist über eine Verbindunsleitung (26) mit einer weiteren Eingangsklemme (28) des Eingangskreises (12) verbunden. An output ( 24 ) of the primary winding T1.1 is connected via a connecting line ( 26 ) to a further input terminal ( 28 ) of the input circuit ( 12 ).

Ausgehend von der Verbindungsstelle (18) ist ein Leistungstransistor T mit der Ver bindungsleitung (26) an einer Verbindungsstelle (30) verbunden. Ausgehend von der Verbindungsstelle (20) ist eine zweite Drosselspule D1.2, die mit der ersten Drossel spule D1.1 magnetisch gekoppelt ist, über ein Widerstandselement wie Shunt SE an einer Verbindungsstelle (32) mit der Verbindunsleitung (26) verbunden.Starting from the connection point ( 18 ), a power transistor T is connected to the connection line ( 26 ) at a connection point ( 30 ). Starting from the connection point ( 20 ), a second choke coil D1.2, which is magnetically coupled to the first choke coil D1.1, is connected to the connection line ( 26 ) via a resistance element such as shunt SE at a connection point ( 32 ).

Der Ausgangskreis (14) besteht im wesentlichen aus der Sekundärwicklung T1.2 des Transformators TR, die einerseits über eine Diode DA an einer Verbindungsstelle (34) mit dem Glättungskondensator CA, in diesem Fall mit dem Plus-Pol eines Kondensators verbunden ist. Andererseits ist die Sekundärwicklung T1.2 mit dem Minus-Pol der Last verbunden. Parallel zu dem Glättungskondensator CA kann eine Last LA angeschlossen und die Ausgangsspannung UA abgegriffen werden.The output circuit ( 14 ) essentially consists of the secondary winding T1.2 of the transformer TR, which is connected on the one hand via a diode DA at a connection point ( 34 ) to the smoothing capacitor CA, in this case the positive pole of a capacitor. On the other hand, the secondary winding T1.2 is connected to the negative pole of the load. A load LA can be connected in parallel with the smoothing capacitor CA and the output voltage UA can be tapped off.

Der Fig. 2 ist ein Schaltnetzteil (110) ohne Potentialtrennung dargestellt, wobei gleiche Elemente mit Bezug zu Fig. 1 mit gleichen Bezeichnungen bzw. Bezugsziffern versehen sind. Bei dem Schaltnetzteil (110) entfällt der Transformator TR, so daß anstelle der Primärwicklung T1.1 mit ihren Anschlußpunkten (22) und (24) nunmehr der Glättungs kondensator CA und die parallel dazu geschaltete Last LA mit ihren Verbindungsstellen (34) und (36) angeschlossen sind. FIG. 2 shows a switched-mode power supply ( 110 ) without electrical isolation, the same elements with reference to FIG. 1 being provided with the same designations or reference numbers. In the switching power supply ( 110 ) there is no transformer TR, so that instead of the primary winding T1.1 with its connection points ( 22 ) and ( 24 ), the smoothing capacitor CA and the load LA connected in parallel with its connection points ( 34 ) and ( 36 ) are connected.

Fig. 3 zeigt die schematische Darstellung einer Regelkreisanordnung (38) mit einer nachgeschalteten Steuereinheit (40) wie PWM-Schaltkreis. Der Regelkreis besteht aus einem Spannungsregler KU, einem nachgeschalteten Rechenglied RG, RG' sowie einem dem Rechenglied RG, RG' nachgeschalteten Stromregler KI. Eingangsseitig weist der Spannungsregler KU einen Vergleicher (42) auf, der die Differenz zwischen der Ausgangsspannung UA als Istgröße und einer Sollspannung U-Soll = k_U × UAN als Sollgröße sowie einem über ein Rückkoppelglied (44) rückgekoppeltes Ausgangssignal bildet. Dieses Differenzsignal wird einem Verstärker (46) zugeführt und verstärkt. Der Ausgang (48) des Spannungsreglers KU ist mit dem Eingang (50), (50') des Rechen gliedes RG, RG' verbunden. Ein Ausgang (52), (52') des Rechengliedes RG, RG' ist mit einem Vergleicher (54) des Stromregelkreises KI verbunden. Die Ausgangsgröße des Rechengliedes RG, RG' dient als Stromsollwert für den folgenden Stromregelkreis KI. Der Vergleicher (54) vergleicht den Stromsollwert D des Rechengliedes RG, RG' mit einer an dem Shunt SE gemessenen und dem Ausgangsstrom IA proportionalen Gleichgröße I_S als Stromistwert und eine über ein Rückkoppelglied (56) anliegende Rückkoppelgröße miteinander. Der Vergleichswert wird einem Verstärker (58) zu geführt, wodurch ausgangsseitig an einem Ausgang (60) eine fehlerverstärkte Stromdif ferenz E aus Stromistwert I_S (Gleichgröße) und Stromsollwert D zur Verfügung steht. Fig. 3 shows the schematic representation of a control loop arrangement ( 38 ) with a downstream control unit ( 40 ) such as PWM circuit. The control loop consists of a voltage regulator KU, a downstream computing element RG, RG 'and a current regulator KI downstream of the computing element RG, RG'. On the input side, the voltage regulator KU has a comparator ( 42 ) which forms the difference between the output voltage UA as the actual variable and a target voltage U-target = k _U × UAN as the target variable and an output signal fed back via a feedback element ( 44 ). This difference signal is fed to an amplifier ( 46 ) and amplified. The output ( 48 ) of the voltage regulator KU is connected to the input ( 50 ), ( 50 ') of the computing element RG, RG'. An output ( 52 ), ( 52 ') of the computing element RG, RG' is connected to a comparator ( 54 ) of the current control loop KI. The output variable of the computing element RG, RG 'serves as a current setpoint for the following current control loop KI. The comparator ( 54 ) compares the current setpoint D of the computing element RG, RG 'with a direct variable I _S measured at the shunt SE and proportional to the output current IA as the actual current value and a feedback variable applied via a feedback element ( 56 ). The comparison value is fed to an amplifier ( 58 ), so that an error-amplified current difference E from the actual current value I _S (constant value) and current setpoint value D is available at an output ( 60 ) on the output side.

In der dargestellten Ausführungsform ist die Regelkreisanordnung (38) als Spannungs regler mit unterlagertem DC-Stromregelkreis KI ausgeführt. Die Sollspannung U-Soll ist erfindungsgemäß über einen Faktor k_U einstellbar, wobei der Faktor k_U seinerseits entweder programmierbar vorgegeben oder lastabhängig über Schaltkontakte oder Widerstandsnetzwerke oder eine Analoggröße einstellbar ist, oder als verstärkte Fehler differenz eines überlagerten Regelkreises abgeleitet wird.In the illustrated embodiment, the control loop arrangement ( 38 ) is designed as a voltage regulator with a subordinate DC current control loop KI. The target voltage U target is adjustable according to the invention by a factor k _U , the factor k _{U in} turn being either programmable or load-dependent via switch contacts or resistance networks or an analog variable, or being derived as an increased error difference of a superimposed control loop.

Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Regelkreisanordnung (38) als Stromregler auszubilden, wobei der Stromregler KI als Eingangsregelkreis dem Rechen glied RG, RG' vorgeschaltet und der Spannungsregler KU als unterlagerter Regelkreis dem Rechenglied RG, RG' nachgeschaltet wird. Auch bei dieser Ausführungsform ist ein dem Stromregler zuzuführender Stromsollwert I-Soll = k_I × IAN über einen Faktor k_I einstellbar.Alternatively, however, there is also the possibility of designing the control loop arrangement ( 38 ) as a current controller, the current controller KI being connected upstream of the computing element RG, RG 'as the input control loop and the voltage controller KU being connected downstream of the computing element RG, RG' as a lower-level control loop. In this embodiment too, a current setpoint I setpoint = k _I × IAN to be supplied to the current controller can be set by a factor k _I.

Der Ausgang (60) des Stromreglers KI ist über einen Widerstand R1 mit einer Strom quelle IQ1 wie Stromspiegel verbunden, die ausgangsseitig über ein Schaltelement S1 an einem Verbindungspunkt (62) einerseits mit einem Kondensator C1 und andererseits mit einem Eingang (64) einer Komparatorschaltung (66) verbunden ist. Der Kondensator C1 ist mit seinem noch freien Anschluß mit Masse (68) verbunden. The output ( 60 ) of the current regulator KI is connected via a resistor R1 to a current source IQ1 such as current mirrors, which on the output side via a switching element S1 at a connection point ( 62 ) on the one hand with a capacitor C1 and on the other hand with an input ( 64 ) of a comparator circuit ( 66 ) is connected. The capacitor C1 is connected to ground ( 68 ) with its connection still free.

Des weiteren ist die Steuereinheit (40) über einen Widerstand R2 mit einer zweiten Stromquelle IQ2 verbunden, die aus den Stromspiegeln (70), (72) besteht, und ein Ausgang (74) der Stromquelle IQ2 über ein Schaltelement S2 mit dem Kondensator C1 bzw. dem Eingang (64) der Komparatorschaltung (66) verbunden ist. Ein Ausgang (76) des Komparators (66) ist einerseits mit einem Steuereingang G des Leistungstransistors T und andererseits mit den Steuereingängen der Schaltelemente S1, S2 verbunden.Furthermore, the control unit ( 40 ) is connected via a resistor R2 to a second current source IQ2, which consists of the current mirrors ( 70 ), ( 72 ), and an output ( 74 ) of the current source IQ2 via a switching element S2 to the capacitor C1 or the input ( 64 ) of the comparator circuit ( 66 ) is connected. An output ( 76 ) of the comparator ( 66 ) is connected on the one hand to a control input G of the power transistor T and on the other hand to the control inputs of the switching elements S1, S2.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform des Rechenglieds RG ist für eine DC- Version des Netzteils bestimmt, d. h., daß die Eingangsspannung UE als Gleichspannung zur Verfügung steht (z. B. Batterie-Netz). Liegt die Eingangsspannung UE jedoch in Sinus-Halbwellenform vor, so wird das Rechenglied RG durch eine weitere Version des Rechenglieds RG' ersetzt.The embodiment of the computing element RG shown in FIG. 3 is intended for a DC version of the power pack, ie that the input voltage UE is available as a direct voltage (eg battery network). However, if the input voltage UE is in sine half-wave form, the computing element RG is replaced by a further version of the computing element RG '.

Fig. 4 zeigt das Rechenglied RG', das einerseits mit einem Eingang (78) über einen Widerstand R4 mit der Eingangsspannung UE verbunden ist und andererseits mit einem Eingang (80) über einen Widerstand R5 mit dem Spitzenwert der Eingangsspannung als Gleichspannungswert UES verbunden ist. Die Ausgangsgröße D wird dabei wie folgt bestimmt:
Fig. 4 shows the computational element RG ', on the one hand connected to an input (78) via a resistor R4 to the input voltage UE and on the other hand connected to an input (80) via a resistor R5 to the peak value of the input voltage as a DC voltage value UES. The output variable D is determined as follows:

D = A × B/C = A × UE/UES
D = A × B / C = A × UE / UES

mit A = Fehlerverstärkte Spannungsdifferenz aus Istwert und Soll wert
B = UE = Doppelweggleichgereichtete Eingangsspannung
C = UES = Spitzenwert der Eingangsspannung als Gleichspannungs wert bzw. k × UES
D = A × B/C = Stromsollwert with A = error-amplified voltage difference from actual value and setpoint
B = UE = full-wave rectified input voltage
C = UES = peak value of the input voltage as DC voltage value or k × UES
D = A × B / C = current setpoint

Im folgenden soll die Funktion des Schaltnetzteils (10) beispielhaft für gleichgerichtete Eingangsspannungen UE mit Sinushalbwellenform in eingeschwungenem Zustand näher erläutert werden. Bei geschlossenem Transistor T wird durch die Eingangsspannung UE ein Strom IE durch die Drosselspule D1.1 und den Transistor T getrieben. Durch die Drosselspule D1.2 wird der Strom IS entsprechend IA über CS ebenfalls für die Zeit t_on durch den Transistor getrieben. Entsprechend des Übersetzungsverhältnisses des Trans formators TR wird der Primärstrom ITE = IE + IS auf den Ausgangsstrom IDA = IA während der Zeit t_off transformiert.In the following, the function of the switching power supply ( 10 ) will be explained in more detail by way of example for rectified input voltages UE with sinusoidal half-wave form in the steady state. When the transistor T is closed, a current IE is driven through the inductor D1.1 and the transistor T by the input voltage UE. Through the inductor D1.2, the current IS is also driven through the transistor in accordance with IA via CS for the time t _on . According to the transformation ratio of the transformer TR, the primary current ITE = IE + IS is transformed to the output current IDA = IA during the time t _off .

Im eingeschwungenen Zustand wird der Strom IS durch die Drosselspule D1.2 dem Ausgangsstrom IA gleich sein bzw. proportional sein. Bei Öffnen des Transistors werden die Ströme IE und IS durch die Diode DE und die Primärwicklung T1.1 des Transformators TR geleitet. Der Transformator TR wirkt als Stromtrafo und mit dem Übersetzungsverhältnis ü wird in der Sekundärwicklung T1.1 ein um 180° phasenver schobener Strom IDA = IA induziert, der über die Diode DA in die Last bzw. den Kondensator CA fließen kann.In the steady state, the current IS through the inductor D1.2 Output current IA be the same or proportional. When the transistor opens the currents IE and IS through the diode DE and the primary winding T1.1 of Transformer TR directed. The transformer TR acts as a current transformer and with that Gear ratio ü is phase-shifted in the secondary winding T1.1 by 180 ° pushed current IDA = IA induced, the diode DA into the load or Capacitor CA can flow.

Nunmehr besteht die Möglichkeit, im Eingangskreis der Schaltung über den in Reihe mit der Drosselspule D1.2 angeordneten Shunt SE eine dem Strom IS entsprechende DC-Größe zu ermitteln, der als Istgröße für den Stromregler KI der Regelkreisanord nung (38) zur Verfügung steht. Entscheidend ist, daß die DC-Größe dem Ausgangs strom IA entspricht bzw. proportional ist.Now there is the possibility, in the input circuit of the circuit via the shunt SE arranged in series with the choke coil D1.2, to determine a DC variable corresponding to the current IS, which is available as the actual variable for the current regulator KI of the control circuit arrangement ( 38 ). It is crucial that the DC size corresponds to the output current IA or is proportional.

Die Ausgangsspannung UA wird dem Spannungsregler KU als Istgröße zugeführt. Im Ausgang des Spannungsreglers KU liegt eine fehlerverstärkte Spannungsdifferenz A aus Istwert UA und Sollwert UA-Soll an. Bei der beschriebenen Schaltungskonfiguration, also mit Potentialtrennung, sollte die Ausgangsgröße des Spannungsreglers KU über eine potentialtrennende Übertragungsstrecke (nicht dargestellt) wie OPTO-Koppler auf den Eingangskreis, d. h. den Eingang (50) bzw. (50') des Rechenglieds RG' zurückge meldet werden.The output voltage UA is supplied to the voltage regulator KU as an actual variable. An error-amplified voltage difference A consisting of the actual value UA and the setpoint UA setpoint is present in the output of the voltage regulator KU. In the circuit configuration described, i.e. with potential isolation, the output variable of the voltage regulator KU should be reported back to the input circuit, ie the input ( 50 ) or ( 50 ') of the computing element RG' via a potential-isolating transmission path (not shown) such as an OPTO coupler .

Bei konstanter Leistung wird bei sinkender Eingangsspannung UE der Eingangsstrom IE steigen. Da aber der Strom IS über UE konstant bleibt, darf sich die Größe D, als Sollgröße des nachgeschalteten Stromreglers KI, nicht verändern. Soll die Ausgangs größe D des Rechenglieds RG' jedoch konstant sein, muß, da die Eingangsgröße A mit der Wechselgröße UE multipliziert wird, UE durch UES (Spitzenwerte der Eingangs spannung als Gleichspannungswert bzw. K × UES) dividiert werden. Dieser Quotient ist konstant. Somit wird durch Nachschaltung eines einfachen Rechengliedes in den Ausgang des Spannungsreglers KU dieser Kreis zu einem Power-Faktor-korrigierten (PFC) Regelkreis.At constant power, the input current becomes when the input voltage UE drops IE rise. But since the current IS remains constant over UE, the size D, may Do not change the target size of the downstream current controller KI. Should the output size D of the arithmetic element RG 'must be constant, however, since the input variable A with the alternating variable UE is multiplied, UE by UES (peak values of the input voltage as DC voltage value or K × UES) can be divided. This quotient is constant. Thus, by adding a simple arithmetic element in the Output of the voltage regulator KU this circuit to a power factor corrected (PFC) control loop.

Das heißt mit anderen Worten: Erfassung der Spannung UA im Ausgangskreis (14), Vergleich mit einer Sollspannung U-Soll, Verstärkung dieser Regeldifferenz, Über tragung mittels Übertragungsstrecke wie OPTO-Koppler auf den Eingang (50') des Rechenglieds RG', Multiplikation dieses Wertes mit der Kurvenform der Eingangs spannung UE, die bei Doppelweggleichrichtung als Sinushalbwelle ansteht und Division durch UES. Die Ausgangsgröße D ist wiederum sinusförmig und dient als Sollwert für den Stromregler KI und wird in den Vergleicher (54) mit der zum Strom IS proportio nalen DC-Größe als Istwert verglichen. Am Ausgang (60) liegt die fehlerverstärkte Stromdifferenz E aus Istwert und Sollwert an, die nun wiederum zur Regelung der Ausschaltzeit T-Off des Leistungstransistors T dient.In other words: detection of the voltage UA in the output circuit ( 14 ), comparison with a target voltage U-target, amplification of this control difference, transmission by means of a transmission link such as an OPTO coupler to the input ( 50 ') of the computing element RG', multiplication thereof Value with the curve shape of the input voltage UE, which is applied as a half-wave rectification in full wave rectification and division by UES. The output variable D is again sinusoidal and serves as the setpoint for the current controller KI and is compared in the comparator ( 54 ) with the DC variable proportional to the current IS as the actual value. The error-amplified current difference E from the actual value and the setpoint is present at the output ( 60 ), which in turn now serves to regulate the switch-off time T-Off of the power transistor T.

Am Ausgang (76) der Steuereinheit (40) liegt ein Steuersignal GA an, durch das der Transistor T gesteuert wird. Gleichzeitig werden mit diesem Steuersignal die Schalt elemente S1, S2, die als Diodentore ausgebildet sein können, gesteuert. Ist das Steuersi gnal GA "high", so wird ein Strom I2' umgekehrt proportional der Eingangsspannung UE einen Kondensator aufladen. Ist das Steuersignal GA "low", wird der Schalter S1 geschlossen sowie der Schalter 52 geöffnet, wodurch gesteuert durch das Signal E (fehlerverstärkte Stromdifferenz aus Istwert und Sollwert) der Kondensator C1 über den Strom I1' geregelt entladen wird.A control signal GA is present at the output ( 76 ) of the control unit ( 40 ), by means of which the transistor T is controlled. At the same time, the switching elements S1, S2, which can be designed as diode gates, are controlled with this control signal. If the control signal GA is "high", a current I2 'will charge a capacitor in inverse proportion to the input voltage UE. If the control signal GA is "low", the switch S1 is closed and the switch 52 is opened, as a result of which the capacitor C1 is discharged in a controlled manner via the current I1 ', controlled by the signal E (error-amplified current difference from the actual value and the setpoint).

Bei konstanter Last wird somit die Ausschaltzeit T-Off konstant sein. Der Kondensator C1 wird immer mit der gleichen Zeit, d. h. in der Zeit T-Off, entladen. Die Einschaltzeit T-On wird sich umgekehrt proportional der Eingangsspannung UE einstellen, d. h. je niedriger die Eingangsspannung UE ist, desto länger wird die Einschaltzeit T-On sein.With a constant load, the switch-off time T-Off will be constant. The condenser C1 is always at the same time, i.e. H. in time T-Off, unloaded. The on time T-On will adjust inversely proportional to the input voltage UE, i. H. ever the lower the input voltage UE, the longer the switch-on time will be T-On.

Die Steuerung der Einschaltzeit T-On wird mittels der Stromquelle IQ2 realisiert, wobei der Eingangsstrom I2 dieser Stromquelle proportional der Eingangsspannung UE ist. Da der Aufladestrom I2' = I2 ist und damit proportional zur Eingangsspannung UE ist, ist die Einschaltzeit T-On umgekehrt proportional zur Eingangsspannung UE. Der Auflade vorgang ereignet sich, während am Ausgang (76) des Komparators das Steuersignal GA auf "high" liegt. Liegt das Steuersignal GA auf dem Wert "low", wird der Aufladestrom I2' abgeschaltet und der Kondensator C1 gesteuert über das Ausgangssignal E des Stromreglers über den Strom I1' entladen.The switch-on time T-On is controlled by means of the current source IQ2, the input current I2 of this current source being proportional to the input voltage UE. Since the charging current I2 '= I2 and is therefore proportional to the input voltage UE, the switch-on time T-On is inversely proportional to the input voltage UE. The charging process occurs while the control signal GA is at "high" at the output ( 76 ) of the comparator. If the control signal GA is at the value "low", the charging current I2 'is switched off and the capacitor C1 is controlled by the output signal E of the current regulator and discharged via the current I1'.

Erfindungsgemäß sollen die beschriebenen Schaltnetzteile (10), (110) als Netzregenera tor REG für mit Schwankungen behaftete AC- und DC-Versorgungsnetze und ins besondere zur Strom- und Spannungsversorgung für elektrische Verbraucher wie Relais, Ventilatoren, Schütze (100) und stromproportionale Ventile (102) eingesetzt werden. Dabei lassen sich prinzipiell zwei Betriebsweisen unterscheiden.According to the invention, the described switched-mode power supplies ( 10 ), ( 110 ) are intended as a REG regenerator for fluctuating AC and DC supply networks and in particular for supplying current and voltage to electrical consumers such as relays, fans, contactors ( 100 ) and valves proportional to current ( 102 ) can be used. In principle, two operating modes can be distinguished.

In Fig. 5 wird der Regenerator REG im Spannungs-Modus betrieben, d. h. die Ausgangs spannung UA soll auf einem konstanten Wert UA = k_U × UAN eingestellt werden. Diese Schaltungsvariante ist insbesondere zur Spannungsversorgung von elektrischen Verbrauchern wie Schützen (100) vorgesehen. Die Ausgangsspannung UA kann dabei über den Faktor k_U beliebig eingestellt werden. Erfindungsgemäß ist der Faktor k_U verbraucherabhängig einstellbar. Sind z. B. sämtliche Schütze, die in Parallelschaltungen an dem Ausgang des Regenerators REG angeschlossen sein können, angezogen, so kann die Ausgangsspannung UA über den k_U-Faktor von z. B. 24 V auf 16 V reduziert werden. In diesem "Sparmodus" wird die Leistungsaufnahme der Schütze verringert. Soll in diesem Zustand ein weiteres Schütz eingeschaltet werden, so wird wiederum über den k_U-Faktor die Spannung UA auf die Verbrauchernennspannung eingestellt, so daß das zusätzliche Schütz sicher anziehen kann. Anschließend wird wieder in den "Sparmodus" zurückgeschaltet.In Fig. 5, the regenerator REG voltage mode is operated, that is, the output voltage UA to be set at a constant value UA = k × _U UAN. This circuit variant is intended in particular for supplying voltage to electrical consumers such as contactors ( 100 ). The output voltage UA can be set as desired using the factor k _U. According to the invention, the factor k _{U can be set} depending on the consumer. Are z. B. all contactors, which can be connected in parallel to the output of the regenerator REG, the output voltage UA via the k _U factor of z. B. 24 V can be reduced to 16 V. In this "economy mode" the power consumption of the contactors is reduced. If a further contactor is to be switched on in this state, the voltage UA is again set to the rated consumer voltage via the k _U factor, so that the additional contactor can pick up safely. Then it switches back to "economy mode".

Fig. 6 zeigt den Regenerator REG im Strom-Modus, wobei der Ausgangsstrom IA = k_I × IAN über die k_I-Faktor in weiten Bereichen einstellbar ist. Diese Schaltungsvariante wird insbesondere zur Ansteuerung von stromproportionalen Ventilen (102) verwendet. Hierbei besteht die Möglichkeit, den Ausgangsstrom IA über den k_I-Faktor derart vor zugeben, daß ein Hub der stromproportionalen Ventile (102) proportional dem Strom gewährleistet ist. Der k_I-Faktor kann programmierbar eingestellt werden, so daß beliebi ge Stromkurven einstellbar sind. Fig. 6 shows the regenerator REG current mode, the output current I = k _I × IAN via the _I k-factor in a wide range is adjustable. This circuit variant is used in particular for controlling valves proportional to the flow ( 102 ). There is the possibility of giving the output current IA via the k _I factor in such a way that a stroke of the flow-proportional valves ( 102 ) proportional to the current is ensured. The k _I factor can be set programmably so that any current curves can be set.

Der Regenerator REG, der das Schaltnetzteil (10) bzw. (110) aufweist, kann zur Regeneration eines AC- oder DC-Versorgungsnetzes mit extrem schwankender Ein gangsspannung UE eingesetzt werden. Als besonderer Vorteil ist der extrem weite Eingangsspannungsbereich am AC- und DC-Netz zu erwähnen, beispielsweise 18 VDC/30 VAC bis einschließlich 264 VAC/360 VDC ohne Umschaltung und theoretisch bei idealen Schaltelementen T und DE/DA in Fig. 1 und 2 bis 0 V Eingangsspannung.The regenerator REG, which has the switching power supply ( 10 ) or ( 110 ), can be used to regenerate an AC or DC supply network with an extremely fluctuating input voltage UE. A special advantage is the extremely wide input voltage range on the AC and DC network, for example 18 VDC / 30 VAC up to and including 264 VAC / 360 VDC without switching and theoretically with ideal switching elements T and DE / DA in Fig. 1 and 2 to 0 V input voltage.

Der Regenerator verfügt im DC-Betrieb über einen weiten Eingangs-Spannungsbereich (4 : 1 bis 10 : 1, d. h. 4-38 V, 14,4-158 V). In der DC-Version kann der Regenerator REG bei jeder beliebigen Eingangsspannung UE vorzugsweise im Bereich von 6,5 V ≦ UE ≦ 158 V eine beliebige Ausgangsspannung UA im Bereich zwischen 0 V ≦ UA ≦ 110 V (ohne oder mit Potentialtrennung) eingestellt werden. The regenerator has a wide input voltage range in DC operation (4: 1 to 10: 1, i.e. 4-38 V, 14.4-158 V). The regenerator can be used in the DC version REG with any input voltage UE preferably in the range of 6.5 V ≦ UE ≦ 158 V any output voltage UA in the range between 0 V ≦ UA ≦ 110 V (without or with electrical isolation) can be set.

Aufgrund der genannten Eigenschaften wird ein sehr zuverlässiges und sicheres Schalt netzteil zur Verfügung gestellt. Insbesondere ergeben sich dadurch Anwendungsgebiete in Bordnetzen für Bahnen und Flugzeuge sowie in Versorgungsnetzen für sicherheits relevante Verbraucher im Kraftwerksbereich insbesondere bei Kernkraftwerken.Due to the properties mentioned, a very reliable and safe shift power supply provided. In particular, this results in areas of application in on-board networks for trains and planes as well as in supply networks for security relevant consumers in the power plant sector, particularly in the case of nuclear power plants.

Die zuvor wiedergegebene Beschreibung der Schaltungen und der Regelkreise sind rein beispielhaft, ohne daß hierdurch eine Einschränkung der erfindungsgemäßen Lehre erfolgt. Vielmehr erstreckt sich diese auch auf Varianten und Ausgestaltungen, in denen die Erfindung realisierbar ist. Auch ist das den Erläuterungen zugrundeliegende Regel verfahren Gegenstand der Erfindung.The previously described description of the circuits and the control loops are pure exemplary, without thereby restricting the teaching of the invention he follows. Rather, it also extends to variants and configurations in which the invention can be implemented. This is also the rule on which the explanations are based process object of the invention.

Claims

1. Switched-mode power supply, in particular network regenerator Switched-mode power supply ( 10 ), in particular network regenerator, for the regeneration of an input voltage UE of an AC or DC supply network present at an input circuit ( 12 ) with fluctuations for supplying a load CA, LA lying on an output circuit ( 14 ) with an adjustable constant output current IA,
wherein the input circuit ( 12 ) has a first choke coil D1.1, which is connected in series via a first connection point ( 18 ) to a capacitor CS, which is connected via a second connection point ( 20 ) via a diode DE to a first connection ( 22 ) of the output circuit ( 14 ), which in turn is connected to a second connection ( 24 ) via a connecting line ( 26 ) at an input ( 28 ) of the input circuit ( 12 ) and
wherein a power transistor T is arranged between the first connection point ( 18 ) and the connection line ( 26 ) and a second inductance coil D1.2 magnetically coupled to the first choke coil D1.1 is arranged between the second connection point ( 20 ) and the connection line ( 26 ),
wherein the switching power supply ( 10 ) has a control circuit ( 38 ) with a voltage regulator KU and a current regulator KI and a control unit ( 40 ),
wherein the current controller KI is designed as an input control loop, which is followed by the voltage controller KU as a lower-level control loop,
wherein the current regulator KI is supplied with a constant value proportional to a current IS measured in the second inductor D1.2 and
wherein an output ( 60 ) of the voltage regulator KU is connected to a control unit ( 40 ) whose output GA is connected to a control input G of the power transistor T.

2. switching power supply according to claim 1, characterized, that the DC size proportional to the current IS or equal size on one in series is measured with the choke coil D1.2 lying transmitter SE like shunt and is proportional to the output current IA.

3. switching power supply according to claim 1 or 2, characterized, that the switching power supply as a power regenerator for fluctuating AC and DC supply networks and in particular for the current and voltage supply for electrical consumers such as relays, contactors, current-proportional valves and fans is used.

4. Switching power supply according to at least one of the preceding claims, characterized in that the regulated output current IA is adjustable as a function of the consumer, with IA = k _I × IAN with k _I <0 to vorzugsweise 1, preferably k _I ≈ 1.

5. Switched-mode power supply according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ki factor is present as the setpoint at the input of the control circuit ( 38 ) and the load can be set in a manner dependent on the load.

6. switching power supply according to at least one of the preceding claims, characterized, that the ki factor is programmable or via switch contacts, resistance networks or the like is adjustable.

7. Switching power supply according to at least one of the preceding claims, characterized in that the k _I factor is mapped as an error-amplified signal from a superimposed control loop.

8. switching power supply according to at least one of the preceding claims, characterized, that the input voltage UE in the range of z. B. 4 V ≦ UE ≦ 158 V and the Output voltage UA in the range of z. B. 0 V ≦ UA ≦ 110 V, preferably 12, 24, 48, 60, 110 V.

9. switching power supply according to at least one of the preceding claims, characterized, that the output voltage UA in the range between UA ≧ 0 V Λ UA ≦ UEmin Λ UA ≧ UEmax is adjustable.

10. Switching power supply according to at least one of the preceding claims, characterized in that the switching power supply ( 10 ), ( 110 ) to a low-voltage AC supply network with an input voltages UE in the range of z. B. 0 V ≦ UE ≦ 24 V is connected.

11. Switching power supply according to one or more of the preceding claims, characterized in that the load CA, LA is connected via a transformer T to the input circuit ( 12 ), the load CA, LA via a diode DA with a secondary winding T1.2 of the transformer T is connected and a primary winding T1.1 of the transformer T lies between the diode DE and the connecting line ( 26 ).

12. Switching power supply according to one or more of the preceding claims, characterized in that the switching power supply ( 10 ), ( 110 ) and the control circuit arrangement ( 38 ) have a common potential, preferably zero potential.

13. Switched-mode power supply according to at least one of the preceding claims, characterized in that the control element ( 40 ) has at least two current sources IQ1, IQ2, such as current mirrors for charging and discharging a capacitor C1 and a comparator ( 66 ), the input ( 64 ) of which the capacitor C1 for measuring the capacitor voltage is connected, the output ( 76 ) of which is connected on the one hand to the power transistor T and on the other hand to switching elements S1, S2 such as diode gates which, depending on an output signal GA from the comparator ( 66 ), the charging or Initiate the discharge process to determine the switch-on and switch-off times T-On and T-Off.

14. Switched-mode power supply according to at least one of the preceding claims, characterized in that the current source IQ2 is connected via a resistor R ₂ to the input voltage UE and is connected on the output side to the capacitor via the switching element S2 for charging the capacitor.

15. switching power supply according to at least one of the preceding claims, characterized, that the switch-on time T-On is inversely proportional to the input voltage UE.

16. Switched-mode power supply according to at least one of the preceding claims, characterized, that the circuit regenerates from a minimum input voltage UE ≈ 0 V.