-
Gleichstromsteller mit lastunabhängiger konstanter Ausgangsspannung.
-
Die Frfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung
der Ausgangsspannung eines an variabler Eingangsspannung liegenden und mit variabler
tast betriebenen Gleichstromstellers.
-
Gleichstromsteller sind Einrichtungen, die ohne Anwendung eines Wechselstrom-Zwischenkreises
die Umformung von Gleichstrom einer gegebenen Spannung und Polarität in Gleichstrom
einer anderen Spannung und/oder Polarität vornehmen.
-
Von den die Bedini ngen eines Gleichstromstellers erfüllenden unterschiedlichen
Prinzipien ist für die Anwendung der Erfindung dasjenige gewählt worden, bei dem
eine Speicherinduktivität mit schneller Schaltfolge von einem vom Fingang abhängigen
Ladekreis in einen auf der Ausgang wirkenden Entladekreis geschaltet wird und bei
der die Einordnung der Speicherinduktivität und der sie schaltenden Glieder so getroffen
ist, daß die Speicherinduktivität, bezogen auf die Energieflußrichtung, in einem
tängszweig liegt und der die die unterschiedliche Stromkreisbildung umschaltenden
Glieder vorgeordnet sind.
-
Schaltende Glieder sind eine von einer Stelleinrichtung direkt beeinflußte
Schaltstrecke und ein von der Schaltstrecke indirekt beeinflußter Gleichrichter.
Der Gleichrichter liegt hierbei in einem vor der Speicherinduktivität befindlichen
Querzweig, die Schaltstrecke weiterhin davor in einem Längszweig. Die Polaritflt
des Gleichrichters ist so, daß ihn eine vom Ringang her wirksame Snannung derart.
Schaltstrecke und Gleichrichter bilden zusammen somit die Funktion eines Umschaltekontaktes.
-
Mit einer derartigen Anordnung läßt sich eine Ausgangsspannung erzielen,
die stets kleiner als die Eingangsspannung ist. Da bei hinreichend großer Stellfrequenz
der während einer Stellperiode die Induktivität durchfließende Strom als konstant
angenommen werden kann, ergibt sich unter dieser Voraussetzung und unter Vernachlässigung
der durch die Fjauelemente verursachten Verluste bei Gleichsetzung der der Speicherinduktivität
zugeführten Energie und der ihr entn ommenen Energie, daß das Übersetzungsverhältnis
der Snannungen nur durch die innerhalb einer Stellperiode wirksame Ladezeit bestimmt
wird. Für die lldhe des die Speicherinduktivität durchfließenden Stromes ist unter
der vorangegangenen vereinfachenden Betrachtung nur die am Ausgang angeschaltete
Last maßgebend.
-
Sollen Jedoch unumgänglich die durch die Bauelemente verursachter
Verluste in die Betrachtung einbezogen werden, dann muß das Finstellverhfiitnis
"Ladezeit zu Entladezeit" zu Gunsten der Ladezeit um das zur Deckung der Verluste
erforderliche Maß verschoben werden. Es ist üblich, diese notwendige Verschiebung
in die Einstellung des eine gegebene Äusgngssnannung erbringenden Stellverhältnisses
direkt einzubeziehen und zwar durch eine vom Ausgang her erfolgende Regelung. Dem
Verlangen nach einer guten Regeldynamik für das beschriebene Gleichstromsteller-Prinzip
kann jedoch nur durch die 13erUcksichtigung zweier gegensätzlicher Forderungen nachgekommen
werden. Zur Vermeidung einer Schwingneigung, bedingt durch den am ausgang angeschalteten
Speicherkondensator, muß die Regelzeitkonstante groß sein, zur Erzielung einer schnellen
Ausregelung bei nlötzlichen Änderungen der Eingangsspannung oder Ausgangslast jedoch
klein. Ein beide Forderungen erffillender Kompromiß befriedigt aber dann nicht,
wenn die zu erwartenden Xnderungen sprunghaft und ihrem Betrag nach groß sind, denn
der zur
Regelung großer Änderungsbeträge erforderliche große lineare
Arbeitsbereich kann durch die auf den Kompromiß ausgerichtete Regelzeitkonstante
ffir schnelle Ausregelungen nicht genutzt werden. Die Wirkung entsnricht einem scheinbar
kleineren Arbeitsbereich.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung zu finden, die die angeführten
Schwierigkeiten in weitestgehendem Maße ausräumt. Sie schlägt deshalb vor, dip Konstanthaltung
einer variabel belasteten Ausgangsspannung für das beschriebene an höherer und variabler
Fingangsanannung liegende Gleichstromstellerprinzip durch eine Schaltungsanordnung
zu erzielen, die so aufgebaut und wirksam ist, daß die Einrichtung, die den innerhalb
einer Stellperiodenzeit notwendigen Schaltwechsel zwischen Ladung und Entladung
der Speicherinduktivität vornimmt, sowohl mit einem am Fingarg als rauch einem am
Ausgang des Gleichstromstellers liegenden Kontrollglied in ständiger Verbindung
steht und ilber diese Verbindungen von beiden unterschiedlichen Kontrollgliedern
entnommene unterschiedliche Stellgrößen zur Einstellung der auf eine konstante Stelleriode
bezogenen Ladezeitspanne iibermittelt werden. Die Einflußnahme dieser Stellgrößen
ist dabei so gehalten, daß die vom Kontrollglied am Eingang her erhaltene erste
StellgrMße eins auf die vorgegebene Ausgangsspannung bezogene, unverzögert wirkende
Grundeinstellung in Anpassung an die variable Eingangsspannung steuert und daß die
vom Kontrollglied am Ausgang her erhaltene zweite Stellgröße die Grundeinstellung
um das Maß, das zur Deckung der durch unterschiedliche Belastung suftretenden unterschiedlichen
inneren Verluste notwendig ist, mit einer die Stellperiodenzeit Ubersteigenden Verzögerung
ausregelt.
-
Mit dieser Anordnung der Schalt- und Funktionsgrupnen und mit dieser
Wirkungszuordnung kann die variable
Fingangaspannung als Regeleinflußgrdße
ausgeschieden werden. ner Ablauf des Regelvorganges wird damit nur noch von einer
Einflußgröße, nämlich der Laständerung, bestimmt. Anders gesehen, wirkt sich die
Anordnung für die Regelung so aus, als wenn eine konstante Fingangsspannung vorliegen
wiirde, Außer der mit dieser Maßnahme erreichten besseren Regelstabilität ergibt
sich hierbei von Vorteil, daß die Urterschreitung einer geforderten Restwelligkeit
für die am Ausgang erhaltene Snannurg mit einer weitaus kleineren Speicherinduktivität
und einer weitaus kleineren Ausgangskapazität erreicht werden kann als für den Fall,
daß auch die vom Eingang her wirksame Änderung auszuregeln wäre. Ist beisnielsweise
die Fingangssnannung mit einer einer Netzfrequenz entstammenden Welligkeit behaftet
und würde dabei keine vom Eingang her erhaltene Steuergröße wirksam sein, dann müßten
zur ausreichenden Aussiebung dieser, bezogen auf die Stellfrequenz weitaus langsameren
Störfrequenz, die Tnduktivität und Kanszität des Gleichstromstellkreiees wesentlich
größer bemessen sein als bei der erfindungsgemaßen Anordnung, die praktisch nur
die durch die Stellfrequenz erhaltene Welligkeit auszusieben hat.
-
Eine erfindungsgemäß besonders günstige Verknfinfung der vom Eingang
und vom Ausgang her erhaltenen Stellgrößen zu einer einzigen auf die Schaltstrecke
des Gleichstromstellers wirkenden neuen Stellgröße läßt sich dadurch erzielen, daß
die vom Eingang her erhaltene Steuergröße den Anstiegwinkel einer Sägezahnanannung
und die vom Ausgang her erhaltene Regelgröße den AnsDrechschwellwert eines von der
Sägezahnspannung beeinflußten Schwellwertschalters verändert. hierbei kann die Vorgabe
einer Soll-Ausgangsspannung durch Einstellung eines Bezugswert es für die Grundeinstellung
der Sägezahnenannung
mittels z.B. der Einstellung eines Ladewiderstandes
für einen die Sägezahnspannung abgebenden Kondensator erfolgen.
-
Fine Weiter bildung erfährt die Erfindung durch TTinzufügung von Schaltmitteln
zur Strombegrenzung derart, daß diese von einem vorgegebenen Maximalwert ab vom
Eingang her eine dritte Stellgrdße liefern und diese Stellgröße losgelöst von der
bis dahin vorhandenen Wirksamkeit der ersten beiden Stellgrdßen so verarbeiten,
daß eine lastabhängige Verkdrzung der Ladezeitspanne erz wird. Das Maß der Verkürzung
und eine damit verbundene Senkung der Ausgangsspannung sind dabei so gehalten, daß
die Belastung tür die Eingangsspannungsquelle und die Belastung für die im Lade-
und Entladekrels liegenden Bauelemente die schädliche Grenze nicht überschreiten
kann. Die durch die dritte Stellgröße herbeigeführte Verkürzung der Ladezeitspanne
wird erreicht entweder durch Vergrößerung des Anstiegwinkels der Sägezahnspannung
oder durch Verkleinerung des Änspreohschwellwertes des von der Sägezahnspannung
angesteuerten Schwellwertschalters oder auch durch beide genannte Maßnahmen gleichzeitig.
-
Zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen unordnung soll nun ein Ausführungsbeispiel
beschrieben werden.
-
Die zugehörige, das Beispiel verdeutlichende Figur zeigt das für die
Anwendung der Erfindung zugrunde gelegte Prinzip eines mit einer Speicherinduktivität
betriebenen Gleichstromstellers' die erfindungsgemäß an dieses Prinzip angeschlossenen
Schalteinrichtungen bzw. Funktionseinheiten und ein die Bildung der Stellzeitabschntte
kennzeichnendes Diagramm.
-
Zum bekannten reinen (rleichstromsteller-Prinzip gehdren die Einheiten
11, C1, A3, G, L, C2, R2, A21. Ihre Redeutung und Funktionswirksamkeit sind folgende:
A11
= Eingangsspannungsquelle mit Abgabe der variablen Eingangsspannung U1; C1 = Fingangakondensator
zum Abfangen schlagartigen Spannungsänderungen; L n Speicherinduktivität zur innerhalb
einer Stellperiode nahezu konstanten Stromlieferung; A3, G = Schalteinrichtung zur
Durchführung der spannungsumsetzenden Gleichstromeistellung -hierbei sind: A3 eine
mit einem Schaltverhältnis "leitend/nichtleitend" gesteuerte Schaltstrecke beliebiger
Art, G ein vom Schaltzustand der Schaltstrecke AD in der Durchlässigkeit abhängiger
Gleichrichter; C2 = Ausgangskondensator zur Aufnahme der Ausgangsspannung U2; E2
= Grundlastwiderstand; A21 = Ausgangslast beliebiger Art - hier dargestellt durch
einen variablen Widerstand EB.
-
Das mit diesen Einheiten gebildete Schaltungsprinzip liefert eine
Ausgangsspannung U2, die stets kleiner ist als die Eingangsspannung U1. Der die
Snannungen umsetzende Strom wird durch den Ladezustand der Sneicherinduktivitat
L bestimmt. Die Ladung erfolgt während der einstellbaren leitenden 7eit tl der Schaltstrecke
3 3 in einem Stromkreis, der von der Eingangsspannung U1 ausgehend, über die entgegenstehende
Ausgangsspannung U2 verlauft. Der Gleichrichter G ist in diesem Falle geenerrt.
Nach Reendigung des Ladezeitabschnittes, also während des durch die Zeitspanne T-t1
gekennzeichneten nichtleitenden Zustandes der Schaltstrecke A3, fließt der die Speicherinduktivität
durchlaufende Strom über den nun durchlässigen rßleich richter G und den am Ausgang
liegenden Verbraucher RR weiter, Die Kürze der Stellneriode verhindert hierbei ein
merkliches Absinken des Stromes.
-
7um erflndungsFemEßen Tei der an das beschriebene Gleichstromsteller-Prinzip
angeschlossenen Schalteinrichtung gehören die Einheiten A12, A22, B11, B12, B21,
B22, E1, E2, E31, E32, E33, E4, E51, E52.
-
Die Bedeutung dieser Finheiten ist: A12 = Am Eingang liegendes Kontrollglied
zur Lieferung der ersten und dritten Stellgröße -die erste Stellgröße wird durch
die Höhe der Eingangsspannung Ul, die dritte Stellgröße durch den (einen vorgegebenen
wert übersteigenden) Betrag des Durchgangsstromes J bestimmt -; A22 = Am Auegang
liegendes Fontrollglled zur Lieferung der zweiten Stellgröße -Diese Stellgröße wird
durch den (einen vorgegebenen Wert übersteigenden) Betrag der Ausgangsspannung U2
bestimmt -; B11 = Zettgenerator zur Lieferung der konstanten Stellfrequenz 1/T;
B12 = Sägezahngenerator zur Lieferung der Sägezahnspannung UB1; B21 = Schwellwertschalter
mit der Ansprechspannung UB2 - - der Schwellwertschalter wird von der Sägezahbnspannung
UB1 angesteuert, sein Schaltausgang wirkt auf die Schaltstrecke A3.
-
Die Durchschaltzeit des Schwellwertschalters entspricht der Ladezeitsnanne
t1 -; B22 = Schalteinheit zur Finstellung des Ansprechschwellwertes für den Schwellwertachalter
B21 - die Beeinflussung dieser Einheit erfolgt durch die zweite und dritte Stellgröße
-; = Schalteiheit zur Vorgabe der Soll-Ausgangsspannung U2 - die Vorgabe erfolgt
durch
Einstellung eines Bezugzanstiegswinkels #0 der Sägehnspannung
UB1 (Bezugswert ist der mittlere Wert der Eingangsspannung U1) -; E2 - Schalteinheit
zur Umsetzung der ersten Stellgroße in eine Änderung des Anstiegwinkels der Sägezahnspannung
UB1 - die Änderungsrichtung des Anstiegwinkels #0 ist gleichlaufend mit der Änderungsrichtung
der Fingangsspannung U1 -;
Schalteinheit zur Umsetzung der dritten Stellgröße in eine Änderung des Pnstiegswinkels
# der Sägezahnspannung UB1 und/oder der Ansprechschwellspannung UB2 - die dritte
Stellgröße tritt von einem vorgegebenen Maximalstrom Jmax ab auf von diesem Wert
ab wirkt sie, bezogen auf ihre Änderungsrichtung so, daß eine gleichlaufende Änderung
des Anst,(ieg winkels # der Sägezahnspannung UB1 und / oder eine gegenläufige 1nderung
der Ansnrechschwellspannung UB2 erfolgt. Das Maß der Änderung ist so gehalten, daß
die im Gleichstromstellkreis liegenden Bauelemente A3, L, G und die Fingangsanannungaquelle
A12 keine unzulnssige Belastung erfahren -E4 = Zusammenfassung der einzelnen Pinstellkomnonenten
zur Bildung eines resultierenden Anstiegwinkels # der Sägezahnspannung UB1; E51
= Verzögerungsglied für das Wirksamwerden der zweiten Stellgröße; E52 n Schalteinheit
zur Umsetzung der zweiten, von der Ausgangsspannung U2 abhängigen Stellgröße in
eine Änderung des Ansprechschwellwertes UB2 - eine Änderung des einen vorgegebenen
Betrag der Ausgangsspannung U2 übersteigenden Wertes hat eine gegenläufige
Änderung
des Ansprechswellwertes UB2 zur Folge -.
-
Das Zusammenwirken aller Baueinheiten sei nun anhand des zur Figur
gehörenden Diagrammes beschrieben.
-
Das Diagramm zeigt in Überschneidung den Ablauf der vom Sägezahngenerator
B12 gelieferten Sägezahnspannung UB1 (mit einem von der zusammenfassenden Stelleinheit
F4 bestimmten Anstiegwinkel # ) und die in einer Stellreriodenzeit T wirksame Ansprechschwellspannung
UB2 des Schwellwertschalters 1321.
-
Der durch die Überschneidung vom Anfangawert t=O bis zum Überschneidungsenschnitt
gebildete Zeitabschnitt tl entsnricht dem Ladezeitabschnitt fitr die im Gleichstromstellkreis
liegende Speicherinduktivität L. Während dieses Zeitabschnittes ist die Schaltatrecke
A3 leitend.
-
Eine zum Ausgleich der Anderung der Eingangespannung oder der Änderurg
der Ausgangslast notwendige Änderung dieses Zeitabschnittes a ti läßt sich, wie
ersichtlich, entweder durch Änderung des Anstiegwinkels # oder durch änderung der
Ansprechschwellspannung UB2 oder durch aufeinander abgestimmte Änderung sowohl des
Anstiegwinkels als auch der Ansprechschwellsnannung zu erzielen. In der Schaltung
vird von allen drei Möglichkeiten Gebrauch gemacht. Der Einfuß der einzelnen Änderung
ist aus den in das Diagramm hineingeschriebenen zwei Folgerungen ersichtlich. Frfolpt
eine Vergrößerung des Anstiegwinkels 9 dann verkleinert sich die TJadezeitspanne
t1 - erfolgt eine Vergrößerung der Ansprechschwellspannung UB2, dann vergrößert
sich auch die Ladezeitananne t1. In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kommt
die zur Konstanthaltung der Ausgangsspannung U2 notwendige Einflußnahme der einzelnen
Stellgrößen, bezogen auf ihr Auftreten, zeitunterschiedlich zur Wirkung. Die zur
Steuerung des
Ausgleiches der Eingangsspannungsänderung vorhandene
erste Stellgröße und die eine Strombegrenzung herbeiführende dritte Stellgröße wirken
über die zugehörigen Umsetzeinrichtungen 1)2 und E31 zeitgerechtl die zur Berücksichtigung
der taständerung vorhandene zweite Stellgröße dagegen wirkt über die zugehörige
Umsetzeinrichtung E52 infolge des im gleichen Stromkreis liegenden Zeitgliedes F51
zeitverschoben.
-
Durch den infolge der Strnierung erreichten schnellen Ausgleich der
vom Eingang herkommenden Spannungsänderung und durch die einem T?stmsttelwert mit
vorgegebener Trägheit folgende Regelung wird fftr die gesamte Arordnung ein weitaus
besseres dynamische Verhalten erreicht als es mit einer beide Einflußgrößen "Eingangsspannung
und Ausgargslast" berücksichtigenden Regelurg möglich wäre.