DE3015610A1

DE3015610A1 - Schaltung zur regelung eines gleichstroms

Info

Publication number: DE3015610A1
Application number: DE19803015610
Authority: DE
Inventors: Ronnie L Carpenter; Frank Cathell
Original assignee: QUALIDYNE SYSTEMS Inc
Current assignee: QUALIDYNE SYSTEMS Inc
Priority date: 1979-04-24
Filing date: 1980-04-23
Publication date: 1980-11-06
Also published as: FR2455382A1; US4270165A; GB2047923B; GB2047923A; FR2455382B3

Description

QUALIDYNE SYSTEMS
Case: 0&λ-003

TER MEER - MÜLLER ■ STEINMEISTER

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Regelung des
Gleichstroms der von jeder einer Mehrzahl von Stromquellen in Parallelspeisung an einen gemeinsamen Gleichstromverbraucher abgegeben wird.

Eine bekannte Gleichstromversorgungseinrichtung für einen Gleichstromverbraucher (im folgenden als "Last" bezeichnet) umfaßt einen von einer Wechselstromquelle gespeisten zweistufigen Umsetzer, also einen Wechsel-/Gleich-/Wechsel-/ Gleichstromwandler. Die erste Wechsel-/Gleichstromum-

wandlung erfolgt mittels eines unmittelbar mit der Wechselstromquelle verbundenen Vollweggleichrichters, an dessen Ausgang über ein Filter eine Gleichspannung abgreifbar ist. Die gefilterte Gleichspannung gelangt auf einen Zerhacker, der Impulse variabler Breite abgibt und im Vergleich zur Wechselstromversorgungsquelle mit einer relativ hohen
Frequenz betrieben wird; beispielsweise liegt die Erregerfrequenz des Zerhackers bei 20 kHz, während die Wechselstromversorgungsquelle üblicherweise eine Frequenz von

50 bzw. 60 Hz aufweist. Der Ausgang des Zerhackers speist einen zweiten Vollweggleichrichter, der über ein Filter und ein entsprechendes Kabel an eine Last angeschlossen ist. Die Spannung an den Ausgangsklemmen des zweiten Vollweggleichrichters bzw. Filters wird außerdem dem Steuereingang eines Reglers für die Pulsbreite des Zerhackers zugeführt. Durch geeignete Regulierung der Breite der vom Zerhacker abgegebenen Impulse lassen sich die Amplituden des Abgabestroms bzw. der Ausgangsspannung des zweiten
Vollweggleichrichters mit nachgeschaltetem Filter regeln.

Der Regler umfaßt ein Paar von möglicherweise über eine längere Verbindungsstrecke angeschlossenenAbtasteingängen die bei direkter Verbindung mit der Last ein Ansprechen des Reglers auf die Lastspannung bewirken, so daß die

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dem Regler von den Ausgangsklemmen des zweiten Vollweggleichrichters mit Filter zur Verfügung gestellte Spannung praktisch nur geringen oder keinen Einfluß auf den Regler hat.

Typische Stromversorgungsquellen dieser Art geben beispielsweise eine Leistung von 500W an die Last ab, so daß bei einer Lastspannung von 5V ein Strom von 100A fließt. Für viele Anwendungszwecke, etwa für große Rechner mit zahlreichen Halbleiterspeichern und einer großen Anzahl von Rechenschaltungen kann die notwendige Leistung nur durch eine Mehrzahl von parallel geschalteten AC/DC-AC/DC-Umsetzern bereitgestellt werden (AC=Wechselstrom, DC= Gleichstrom). Bei modernen Umsetzern dieser Art werden daher mit Bipolartransistoren ausgerüstete Zerhacker verwendet, die jedoch nur eine begrenzte Stromkapazität zur Verfügung stellen können.

Es gibt bereits eine Reihe von schaltergesteuerten Umsetzersystemen dieser Art, die also mit Zerhacken eines zunächst gleichgerichteten Netz-Wechselstroms arbeiten. Solche Umsetzer werden allgemein als Mutter-Tochter-Systeme, Konstantstrom-Parallelsysteme oder Geradeausparallel systeme bezeichnet. Jede dieser bekannten Umsetzungsarten hat wenigstens einen Nachteil.

Bei den Mutter-Tochter-Systemen wird eine Stromquelle oder ein Umsetzer ausgewählt, um die Ausgangsspannung für alle übrigen Quellen zu regeln, die also von der einen als Mutterquelle bezeichneten Stromquelle abhängen. Das Mutter-Tochter-System erfordert relativ komplizierte Verknüpfungsanordnungen für die vom Muttersystem für alle Tochtereinheiten abgeleiteten logischen Signale. Obgleich diese Art der Umsetzung befriedigend arbeitet und die einzelnen Quellen mit etwa gleichen Anteilen Strom an

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die Last liefern, hängt doch die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems ausschließlich am einwandfreien Funktionieren des einen Mutter-Umsetzers. Das gesamte System fällt aus, wenn der Mutter-Umsetzer fehlerhaft arbeitet und es können verheerende Folgen für die Last entstehen, wenn diese beispielsweise ₍ wie oben angegeben, eine Rechenanlage mit zahlreichen Halbleiterspeichern ist.

Bei den Konstantstrom-Parallelsystemen werden Strombegrenzer in den einzelnen Stromquellen oder Umsetzern im Konstantstrombetrieb betätigt. Ist eine bestimmte Quelle überlastet, so wirkt sie als Konstantstromquelle auch dann, wenn die Ausgangsspannung der betreffenden Quelle abfällt. Aus diesem Grund werden die Ausgangsspannungen aller Quellen bis auf eine so eingestellt, daß sie um wenige Millivolt höher liegen als die gewünschten Last-Nennspannungen .

Die Quellen mit den höheren Ausgangsspannungen werden als gleichen Strom liefernde Stromquellen ausgelegt, während jene Quelle mit der niedrigsten Ausgangsspannung zur Spannungsregulierung herangezogen wird. Die Anzahl der Konstantstromquellen hängt also ab von den speziellen Anforderungen der Last. Die Stromquellen sind jedoch nicht in der Lage, exakt die gleichen Ströme an die Last abzugeben. Da keine tatsächliche Stromaufteilung unter den "Konstantstrom¹¹-Quellen erfolgt, entsteht eine ungleichmäßige Lastverteilung für die einzelnen Quellen. Ersichtlicherweise wird dadurch die Betriebszuverlässigkeit insbesondere für jene Einheiten in Frage gestellt, die den größten Stromanteil übernimmt. Konstantstrom-Parallelsysteme liefern im allgemeinen auch eine schlechtere Spannurigsregulierurig als Mutter-Tochter-Systeme und Geradeaus-Parallelsysteme. In einigen Fällen jedoch liegen die Anforderungen an eine gute Spannungs-

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regulierung für die Last über den Möglichkeiten, die bei Konstantstrom-Parallelsystemen möglich sind.

Bei Geradeaus-Parallelsystemen sind die Stromquellen bzw. Umsetzer alle über gleich lange Anschlüsse unmittelbar parallel auf eine gemeinsamen Anschlußpunkt der Last geführt. Für einen einwandfreien Betrieb müssen alle Quellen so eingestellt werden, daß ihre Ausgangsspannungen exakt gleich sind. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es praktisch nahezu unmöglich ist, die Ausgangsspannungen aller Versorgungsquellen über einen relativ großen Belastungs- und Betriebstemperaturbereich genau gleich einzustellen. Geradeaus-Parallelsysteme eignen sich für viele Anwendungszwecke also weniger als die erläuterten Mutter-Tochter-Systeme oder die Konstantstrom-Parallelsysteme .

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu schaffen, mit der sich eine Mehrzahl von parallelgeschalteten Umsetzern regeln läßt, die Gleichstrom an einen gemeinsamen Glexchstromverbraucher abgeben. Insbesondere soll der von jedem Umsetzer an die Last abgegebene Strom bei verschiedenen Belastungszuständen stets gleich sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Um die oben aufgezeigten Schwierigkeiten bei bekannten Stromversorgungseinrichtungen der hier in Rede stehenden Art zu überwinden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen einzigen Regler zu verwenden, der auf die an einer

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Last stehenden Spannung anspricht, welche im Parallelbetrieb mit Gleichstrom von jedem aus einer Mehrzahl von herkömmlichen parallel geschalteten Umsetzern oder Konvertern gespeist wird. Der einzige Regler arbeitet in Verbindung mit einem weiteren Regler in jedem der Umsetzer. Der gemeinsame Regler vergleicht die Gleichspannung an der Last mit einer Bezugsgleichspannung die so eingestellt wird, daß sie einem Einstellpunkt oder Vorgabewert für die Lastspannung gleich ist. Aus dem Vergleich ergibt sich ein Fehlersignal als Maß für die Abweichung der Bezugsspannung von der Last-Gleichspannung. Mit diesem Fehlersignal wird eine variable Gleichspannungsimpedanz gesteuert, die parallel zu den Abtasteingängen der Regler in den einzelnen Umsetzern liegt.

Die Abtasteingangsklemmen eines bestimmten Umsetzers sind also mit den Ausgangsklemmen dieses Umsetzers über eine relativ niedrige Impedanz verbunden. Die Impedanz des gemeinsamen Reglers, der an die Abtasteingänge des Reglers jedes Umsetzers angeschlossen ist, wirkt als variable Impedanz eines Spannungsteilers, welcher an die Ausgänge der betreffenden Stromquelle angeschlossene Impedanzen einschließt, um die einem Eingang eines Komparators innerhalb des Reglers jedes Umsetzers zugeführte Spannung entsprechend einzustellen. Der andere Eingang des Reglers jedes Umsetzers ist mit einer Referenzspannung beaufschlagt. Da Umsetzer üblicher Bauart verwendet werden, enthält jeder eine unterschiedliche Bezugsspannungsquelle und jeder Regler jedes einzelnen Umsetzers bestimmt den von dem betreffenden Umsetzer gelieferten Gleichstrom durch Steuerung der Breite der vom Zerhacker abgegebenen Impulse.

Die Erfindung unterscheidet sich also von den bekannten Systemen durch Verwendung eines einzigen zusätzlichen gemeinsamen Reglers geringer Leistung, der sich mit Vergleichs-

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weise billigen Bauelementen verwirklichenjläßt. Dieser eine Regler erhält ein Fehlersignal zur Steuerung der parallel zu den Abtasteingängen der Umsetzer bekannter Bauart liegenden Impedanz. Die Erfindung vermeidet damit die Notwendigkeit, für einen Mutter-Umsetzer mit einer Wechselstrom/Gleichstrom/Wechselstrom/Gleichstrom-Umsetzung, was, wie oben ausgeführt, wegen der hohen Stromanforderungen leicht zu Betriebsfehlern führt. Jeder der Umsetzer bei der erfindungsgemäßen Anordnung arbeitet in gleicher Weise und spricht auf Änderungen eines einzigen variablen Impedanzelements an, das vom gemeinsamen Regler abhängt, so daß jede der Stromquellen annähernd den gleichen Stromanteil an die Last abgibt. Der gemeinsame Regler wird durch die Lastspannung bestimmt und liefert ein einziges Spannungsfehlersignal, das alle übrigen Umsetzer steuert. Im Gegensatz dazu spricht bei den bekannten Geradeaus-Parallelsystemen der Regler in jeder einzelnen Stromquelle ausschließlich auf die Ausgangsspannung der betreffenden Quelle an. Zeigen die einzelnen Umsetzer mehr oder weniger große 0 Abweichungen oder sind die mit den Ausgangsanschlüssen der einzelnen Umsetzer und der Last verbundenen Kabelstrecken unterschiedlich lang oder bedingen eine unterschiedliche Impedanz, so werden gleichwohl die Anteile des von jedem Umsetzer an die Last abgegebenen Stroms sowie die Spannung etwa gleich.

In den US-PSen 30 01 082 und 40 39 925 sind parallel geschaltete Umsetzer beschrieben, die einen gemeinsamen Gleichspannungsverbraucher speisen. Die in beiden Patentschriften beschriebenen Systeme entsprechen jedoch nicht dem heutigen Stand von Konvertern oder Umsetzern mit eingebautem Regler für den an eine Parallellast abzugebenden Strom. So wird beispielsweise bei der Anordnung nach US-PS 40 39 925 die

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Lastspannung gegen eine Bezugsspannung verglichen, um ein entsprechendes Korrektursignal zu gewinnen. Dieses Signal wird parallel und direkt zur Steuerung der Impulsbreite eines Zerhackers in einem DC/AC/DC-Umsetzer verwendet. Da es sich um einen DC/AC/DC-Umsetzer und nicht um einen AC/ DC/AC/Dd-Umsetzer handelt, müssen die einzelnen Zerhacker synchronisiert sein. Es lassen sich al'so auf dem Markt erhältliche Baugruppen mit Einzelregler für den Zerhacker in jedem Umsetzer nicht verwenden. Bei den derzeit verfügbaren AC/DC/AC/DC-Umsetzern ist es nicht erforderlich, die Zerhacker in den parallelen Umsetzern miteinander zu synchronisieren aufgrund der Trennung durch den jeweiligen Vollweggleichrichter mit Filter zwischen der Wechselstrom-Versorgungsquelle und dem Eingang des Zerhackers. Bei DC/AC/DC-Systemen jedoch kann leicht eine niederfrequente Schwingung als Folge von Kopplungen zwischen den einzelnen Zerhackern entstehen. Diese niederfrequente Schwingung kann über die Filter als Wechselstromkomponente auf die Last gelangen. Durch die relativ stark abblockende Impedanz des unmittelbar mit der Wechselstromversorgungsquelle verbundenen VoIlweggleichrichters wird dieses Problem bei den oben erwähnten handelsüblichen Umsetzereinrichtungen vermieden.

Bei der in der US-PS 30 01 082 beschriebenen Umsetzeranordnung liefert ein gemeinsamer Regler eine Fehlerspannung in Abhängigkeit von der Lastspannung und in bezug auf eine einzige Referenz. Diese Fehlerspannung steuert die Impejdanz eines zwischen dem Ausgang eines Filters nach einem Vollweggleichrichter und der Last liegenden Reglers. Die genannte US-PS offenbart nicht die Verwendung eines gemeinsamen variablen Impedanzelements, das auf die Lastspannung anspricht und eine Mehrzahl von einzelnen Reglern in den parallelen Umsetzern steuert, wobei die Regler in den Umsetzern alle

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unmittelbar auf die Ausgangsspannung des betreffenden Umsetzers ansprechen.

Allgemein gesprochen, regelt die erfindungsgemäße Schaltung den durch jeden einer Mehrzahl von parallelen Umsetzern bzw. Stromquellen P-| ... P, ... P an einen gemeinsamen Gleichstromverbraucher gelieferten Stromanteil im wesentlichen auf gleiche Werte auch der Gleichspannung ein. (Mit dem variablen Index k an der Stromquellenbezeichnung P, ist eine ganze Zahl im Zahlenbereich von 1 bis η gemeint, wobei η > 1 gilt.) Die Stromquelle P, umfaßt mit der Last verbundene Ausgangsklemmen. Ein in der Stromquelle P, enthaltener Regler für die von dieser Quelle an die Last abgegebene Gleichstromamplitude enthält Abtast-Eingangsklemmen, an denen eine Eingangs-Gleichspannung für den Regler abgreifbar ist. Zwischen den Leistungs-Ausgangsklemmen der Stromquelle P, liegt eine Gleichstrom-Impedanz in Reihe. Ein erster Komparator im Regler der Quelle P, wird einerseits durch eine erste Bezugsspannung und andererseits durch eine Spannung gespeist, die an den Abtasteingangsklemmen des Reglers der Quelle P, abgreifbar ist. Den ersten Komparator im Regler der Quelle P, beaufschlagt außerdem ein erstes Fehlersignal, dessen Größe ein Maß für die Abweichung der ersten Bezugsspannung von der Spannung über den Abtastklemmen der Quelle P, darstellt. Die Größe oder Amplitude des durch die Quelle P, an die Last-gelieferten Gleichstroms wird in Abhängigkeit vom ersten durch den Regler der Quelle P-, gelieferten Fehlersignal geregelt. Ein Regler dieser Art ist Teil eines bekannten Umsetzers der hier inrede stehenden Art, der von einer Wechselspannungsquelle gespeist wird und selbst den Strom für einen Gleichstromverbraucher liefert.

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Gemäß der Erfindung ist ein zweiter Komparator vorgesehen, der einerseits durch die an der Last abgreifbare Gleichspannung und andererseits durch eine zweite Bezugsspannung beaufschlagt wird und ein zweites Fehlersignal abgibt als Maß für die Abweichung der zweiten Bezugsspannung von der Lastspannung. In Abhängigkeit von der Amplitude des zweiten Fehlersignals wird die Größe einer veränderbaren Gleichstromimpedanz gesteuert. Diese veränderbare Impedanz weist parallel zu den Abtasteingangsklemmen der einzelnen Regler in den Stromquellen P₁ ... P_k ... P geschaltete Anschlußklemmen auf. Daher wird die an den Abtasteingängen der Regler in den Umsetzern P, auftretende Spannung in Abhängigkeit vom Strom verändert, der von den Lastanschlußklemmen der Stromquelle P, zu den Abtastanschlüssen des Reglers dieser Stromquelle fließt und die variable Impedanz bewirkt, daß der durch die Quelle P, an die Last abgegebene Strom für alle Stromquellen P. ... P₁ ... P etwa gleich wird.

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Die Erfindung bietet als ersten Vorteil die Möglichkeit, 0 eine Mehrzahl von herkömmlichen AC/DC-zu AC/DC-Umsetzern, von denen jeder einen Zerhacker mit steuerbarer Breite der abgegebenen Impulse aufweist, im Parallelbetrieb zur Speisung eines gemeinsamen Gleichstromverbrauchers einzusetzen bei einwandfreier Regelung der Stromanteile, die von jedem Umsetzer an den Verbraucher abgegeben werden.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß ein einziger, die Abweichungstoleranzen festlegender Schaltkreis für alle im Parallelbetrieb betriebenen Konverter benutzt wird und nicht für jeden einzelnen Umsetzer erforderlich ist. Bei herkömmlichen Schaltungen dieser Art wurden Toleranzschaltkreise beispielsweise zur schrittweisen

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Veränderung relativ kleiner Abweichungen der Ausgangsspannung für jeden Umsetzer vorgesehen. Im Parallelbetrieb mehrerer Systeme war es dann im allgemeinen jedoch notwendig, die Toleranzschaltkreise individuell für jeden Umsetzer einzustellen. Dies erfordert jedoch eine beträchtliche Einstellzeit und gibt Anlaß zu Betriebsfehlern, wenn der richtige Pegel schrittweise in laufender Annäherung bei vielen Stufen eingestellt werden muß.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung nur eines einzigen gemeinsamen Reglers für den Toleranzschaltkreis entfällt die individuelle Einstellung für die einzelnen Konverter. Es ist damit außerdem möglich, bei der Herstellung der einzelnen Konverter diese Einstellschaltkreise einzusparen, wenn bekannt ist, daß die einzelnen Konverter in Verbindung mit dem bei der Erfindung vorgesehenen Regler betrieben werden.

Die erfin dangsgemäße Schaltung zeichnet sich durch den weiteren Vorteil aus, daß die Stromanforderungen eines bestimmten Gleichstromverbrauchers auch dann noch einwandfrei erfüllt werden können, wenn einige der im Parallelbetrieb angeschlossenen Umsetzer ausfallen. Dieser wird ermöglicht durch das erfindungsgemäße Regelsystem. 25

Mit der Erfindung ist es weiterhin möglich, die einzelnen Stromanteile der in gleicher Weise betriebenen Umsetzer etwa gleich einzustellen bei einem hohen Grad an Spannungsregelung. Die einzelnen Umsetzer können innerhalb bestimmter Grenzen unterschiedliche Kennwerte aufweisen, insbesondere können die Anschlußstrecken zwischen dem Lastausgang eines bestimmten Umsetzer-Bausteins und dem Gleichstromverbraucher unterschiedliche Länge aufweisen. Weiterhin sind die ein-

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zelnen Stromquellen in ihrer Arbeitsweise relativ unabhängig voneinander und es entsteht keine gegenseitige Beeinflussung.

Als Vorteil wird es weiterhin angesehen, daß die Strombegrenzung und der überspannungsschutz für jede einzelne Quelle gewährleistet ist ohne Störungen des im Verbund arbeitenden Systems.

Die erfindungsgemäße Schaltung läßt sich bei vergleichsweise niedrigen Kosten und niedrigem Eigenverbrauch an Energie betreiben. Teure Hochspannungsteile oder dergleichen werden nicht benötigt.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung teilweise in Blockschaltbilddarstellung und teilweise in diskreter Einzel-

elementdarsteilung; und
Fig. 2 das Schaltbild des gemeinsamen Reglers und

eines Teils eines individuellen Umsetzerreglers bei der Systemanordnung nach Fig. 1. 25

Es wird zunächst Bezug genommen auf das Schaltbild der Fig. 1:

Eine Wechselstromquelle 11 speist einen Gleichstromverbraucher 12 (Last) über drei parallele AC/DC- und AC/DC-Umsetzer 21, 22 und 23. Die Wechselstromquelle 11 ist beispielsweise das Netz mit 220 Volt, 50 Hz bzw. 110 Volt, 60 Hz, und die Last 12 ist ein Rechner, der bei einer Spannung von

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5 Volt einen Stromanschlußwert von 200 bis 300 Ampdre benötigt. Jeder der Umsetzer 21 bis 23 ist im wesentlichen gleich aufgebaut und liefert beispielsweise bei 5 Volt Spannung einen Strom von 100 Ampere an die Last 12. Um die Beschreibung zu vereinfachen, werden die Baugruppen des Umsetzers 21 im Detail betrachtet; die entsprechenden Baugruppen in den Umsetzern 21, 22 und 23 sind mit Bezugshinweisen im Hunderterbereich von 100, 200 bzw. 300 angegeben.

Der Umsetzer 21 besteht im wesentlichen aus einem Vollweggleichrichter mit Tiefpaß 101, der direkt mit der Wechselstromquelle 11 verbunden ist. Die Gleichrichter/ Filtereinheit 101 liefert eine Doppelweg-gleichgerichtete Gleichspannung von beispielsweise 150 Volt an einen Zerhacker 102, der ausgangsseitig eine relativ hohe Frequenz, beispielsweise 20 kHz abgibt. Die Pulsbreite und die Folgefrequenz, nicht jedoch die Amplitude der Ausgangsimpulse des Zerhackers 102 werden in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Reglers 103 geregelt. Der Impulsausgang des Zerhackers 102 speist einen Vollweg-Gleichrichter mit Filter 104. Diese Baueinheit gibt an ihrem Ausgang bei einer Spannung von etwa 5 Volt einen Strom von bis zu 100 Ampere ab. Die Amplitude des von der Gleichrichter/ Filtereinheit 104 gelieferten Stroms wird über die Folgefrequenz der Impulse am Ausgang des Zerhackers 102 bestimmt. Der Regler 103 umfaßt Eingangsklemmen 105 und 106, die direkt mit den Ausgangsklemmen der Gleichrichter/ Filtereinheit 104 verbunden sind, um die Regelung der 0 Amplitude des dem Zerhacker 102 durch den Regler zugeführten Steuersignals zu unterstützen. Der Regler 103 weist außerdem Abtasteingangsklemmen 107 bzw. 108 auf, die einerseits durch einen bestimmten Gleichspannungspegel· und

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andererseits durch Massepotential beaufschlagt sind.

Die Ausgangsanschlüsse der umsetzer 21 , 22 bzw. 23 am Ausgang der Gleichrichter/Filtereinheit 104, 204 bzw. 304 sind über Kabel 109, 209, bzw. 3 09 an die gemeinsame Last 12 angeschlossen. Die Kabel können unterschiedliche Längen aufweisen, so daß sich Impedanzunterschiede von bis zu 5:1 ergeben. Beispielsweise können die Impedanzen der Kabel 109, 209 bzw. 309 im Bereich von 0,005 bis 0,0025 Ohm schwanken. Die Enden der von den Umsetzern 21, 22 bzw. 23 wegführenden Kabel 109, 209 bzw. 3 09 sind direkt mit der +5 Volt-bzw. der Masseklemme 31 bzw. 32 der Last 12 verbunden.

Der Regler 103 spricht auf die an den Eingangsklemmen 105 bis 108 anliegenden Spannungswerte an und liefert ein Steuereingangssignal an einen Puls-Breitenmodulator im Zerhacker 102. Im Prinzip vergleicht der Regler 103 die an den Abtasteingängen 107 und 108 anliegende Spannung mit einer Bezugs- oder Referenzspannung. Der Regler 103 wird mit einem relativ niedrigen Strom durch die logischen Spannungspegel des logischen Schaltkreises im Puls-Breitenmodulator des Zerhackers 102 gespeist. Typischerweise wird der Regler 103 bei einer Spannung von 12 bis 20 Volt betrieben und sein Strombedarf liegt im Milliamperebereich und wird durch den Ausgangsanschluß 111 des Zerhackers 102 geliefert. Der Strom wird über den Anschluß 111 an einen Operationsverstärker 112 und eine dazu parallel liegende Shunt-Zener-Diode 113 abgegeben, die eine Regelgleichspannung von 6,5 Volt liefert. Die Zenerdiode 113 ist durch ein Potentiometer 114 überbrückt, an dessen Abgriff 115 eine Bezugsspannung auftritt, die geringfügig niedriger liegt als die gewünschte Spannung zwischen den Lastklemmen 31 und 32. Beträgt die

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gewünschte Lastspannung z.B. 5 Volt, so wird der Abgriff 115 so eingestellt, daß die Spannung zur Masseklemme 108 4,75 Volt beträgt.

Die Bezugsspannung am Abgriff 115 beaufschlagt den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 112, der als Komparator und Differenzverstärker arbeitet. Das auf Masse liegende Ende des Potentiometers 114 und die Zener-Diode 113 sind mit dem Eingang 106 des Niederspannungs/ Gleichrichterfilters 104 über einen Widerstand 116 verbunden, der typischerweise einen Wert von 15 bis 75 Ohm aufweist. Bei einer realisierten Ausführungsform der Erfindung hatte der Widerstand 116 einen Wert von 27 Ohm. Der nichtinvertierende(+) Eingang des Operationsverstärkers 112 wird durch die Spannung an der Klemme 105 und ein Signal an der Klemme 107 beaufschlagt. Insbesondere ist die Klemme 105 mit der Klemme 107 über einen Widerstand 117 verbunden, der bei der erwähnten realisierten Ausführungsform der Erfindung ebenfalls einen Wert von 2 7 Ohm aufwies. Der gemeinsame Verbindungspunkt zwischen der Klemme 107 und dem Widerstand 117 ist an den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 112 über einen strombegrenzenden Einangswiderstand 118 angeschlossen, der typischerweise einen Wert von 2 Kiloohm aufweist. Der Operationsverstärker 112 bildet die Differenz zwischen den an seinem invertierenden bzw. seinem nichtinvertierenden Eingang liegenden Signalen als Fehlersignal, das den Pulsbreiten-Steuereingang des Zerhackers 102 beaufschlagt .

0 Die soweit beschriebene Schaltungsanordnung ist bekannt und vielfältig benutzt. Im allgemeinen kann eine beliebige Anzahl solcher Umsetzer parallel betrieben werden und die dargestellte Anzahl von drei Umsetzern ist lediglich als

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Beispiel zu verstehen. Ganz allgemein können beispielsweis η umsetzer P-j ... P, ... P_n verwendet werden, die vorzugsweise einen jeweils gleichen Strom bei gleicher Spannung an die Last 12 abgeben.

Entsprechend der Erfindung ist ein gemeinsamer Regler 35 vorhanden, der von der Spannung an -den Lastanschlüssen 31 und 32 gespeist wird und ein Steuersignal für eine variable Impedanz 36 liefert, welche die Eingangsklemmen 107, 207 bzw. 307 der Regler 103, 203 bzw. 303 überbrückt. Der Regler 35 vergleicht die Spannung zwischen den Lastklemmen 31 und 32 mit einer Bezugs-Gleichspannung, die auf den gleichen Wert eingestellt wird wie die gewünschte Spannung an den Lastanschlüssen 31 und 32. Der Regler 35 vergleicht die Bezugsspannung mit der Spannung an der Last und liefert ein Fehlersignal· zur Regulierung der Größe der veränderbaren Widerstandsimpedanz 36. Der Regler 35 wird durch die Spannung an den logischen Ausgangsanschlüssen 111, 211 bzw. 311 der Zerhacker 102, 202 bzw. 302 gespeist. Die Spannungen auf den Anschlüssen 111, 211, bzw. 311 werden in einem ODER-Glied 37 verknüpft, zu welchem die Dioden 38, 39 und 40 gehören. Die Anoden der Dioden 38, 39 bzw. 40 sind mit den Anschlüssen 111, 211 bzw. 311 verbunden, während die Kathoden an einen gemeinsamen Verbindungspunkt 42 angeschlossen sind, der über eine Leitung 43 mit dem Versorgungseingang des gemeinsamen Reglers 35 verbunden ist. Fällt eine der Stromquellen 21, 22 oder 23 aus, so bleibt die Stromversorgung für den Regler 35 gleichwohl sichergestellt.

Das variable Widerstandsimpedanzelement 36 stellt eine gemeinsame Last für die Klemmen 107 und 108, 207 und bzw. 307 und 308 für die Regler 103, 203 bzw. 303 dar. Wie dargestellt, ist ein Ende des variablen Widerstandsimpedanz-

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elements 36 mit Masse verbunden und dementsprechend auch die Klemmen 108, 2 08 und 3 08. Das andere Ende des variablen Impedanzelements 3 6 ist über Trenndioden 45, 46 bzw.

47 mit den entsprechenden Klemmen 107, 207 bzw. 307 verbunden. Die Kathoden der Dioden 45, 46 und 47 sind über Widerstände 48, 49 bzw. 5 0 an das variable Impedanzelement 36 angeschlossen. Der Wert der veränderbaren Widerstände

48 bis 50 wird in Abhängigkeit von der Länge der Kabel 109,209 bzw. 309 eingestellt, um die durch jeden der Umsetzer 21, 22 bzw. 23 an die Last 12 gelieferten Stromanteile ungefähr gleich einzustellen. Die Anoden der Dioden 45, 46 und 47 sind mit Filterkondensatoren 52, 53 bzw. 54 und mit den Eingangsklemmen 107, 207 bzw. 307 der Regler 103, 203 bzw. 3 03 verbunden. Bei einer typischen Ausführungsform lassen sich die veränderbaren Widerstände 48, 49 und 50 auf einen Maximalwert von 75 Ohm einstellen, um die Unterschiede in den Längen der Kabel 109, 2 09 bzw. 3 09 zu kompensieren.

Die Fig. 2 zeigt den gemeinsamen Regler 34 und das 0 variable Widerstandsimpedanzelement 3 6 sowie die mit diesen Baugruppen unmittelbar verbundenen Schaltkreise in weiteren Einzelheiten. Der gemeinsame Regler 35 enthält einen Operationsverstärker 55 mit einem Stromversorgungsanschluß 56, der mit einer Gleichspannung von der Klemme 42 über die Leitung 43 beaufschlagt ist. Der Verstärker 55 besitzt einen invertierenden Eingang 57, der über einen Eingangswiderstand 58 mit der Lastklemme 31 verbunden ist. Der Verstärker 55 besitzt außerdem eine Signalausgangsklemme und eine Stromversorgungsausgangsklemme 61, an der eine Gleichspannung von beispielsweise 2,7 Volt abgreifbar ist. Die Klemme 61 liegt über ein Potentiometer 62 in Reihe mit einem Widerstand 6 3 auf -lasse. Der Abgriff 6 4 des Potentiometers 62 ist über einen Filterkondensator 65 überbrückt

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und an eine Klemme 66 des Verstärkers 55 zur Zuführung einer Bezugs-Gleichspannung angeschlossen. Der Abgriff 6 4 wird so eingestellt, daß die die Klemme 66 beaufschlagende Spannung genau der gewünschten Einstellspannung für die Lastanschlüsse 31 und 32 entspricht. Der Verstärker 55 spricht auf die Spannungen an den Klemmen 31 und 66 an und liefert am Ausgangsignal 59 ein Fehlersignal, das der Differenz zwischen den Spannungen am Anschluß 31 und am Abgriff 64 entspricht. Der Verstärker 55 besitzt eine weitere Ausgangsklemme 67, die intern mit dem Ausgang 59 über eine Zener-Diode verbunden ist, so daß die Spannung am Anschluß 67 jener am Anschluß 59 folgt, jedoch um einen vorgegebenen Spannungspegel versetzt ist. Beträgt die Spannung am Anschluß 59 beispielsweise 0 Volt, so liegt der Pegel der Spannung am Anschluß 67 bei + 3 Volt. Für den Verstärker 55 kann typischerweise ein als Gleichstrom-Operationsverstärker verwendbarer integrierter Baustein des Typs LM 723 d.c, verwendet werden. Die Gleichspannung am Anschluß 5 9 steuert die veränderbare Impedanz 36 über einen Widerstands-Spannungsteiler mit Widerständen 68 und 69, die zwischen dem Anschluß 59 und Masse in Serie geschaltet sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die variable Widerstandsimpedanz 36 durch einen bipolaren NPN-Transistor 71 gebildet, dessen Basiselektrode am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 68 und 69 liegt. Die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors 71 wirkt als variables Widerstandsimpedanzelement, wobei der Emitter direkt auf Masse liegt und der Kollektor parallel zu den variablen Widerständen 48 bis 5 0 angeschlossen ist. Die variable Emitter-Kollektor-Impedanz des Transistors 71 bildet damit eine variable Belastung für die Klemmen 107 und 108, 207 und 208 bzw. 307 und 308.

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Die veränderbare Belastung zwischen den Klemmen 107 und 108 durch die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors 71 als auch durch die Serienschaltung der Diode 45 und des Widerstands 48 wirkt als Spannungsteilung für die Spannungen zwischen den Ausgangsklemmen oder Anschlüssen 105 und 106, die über Widerstände 117 und 116 mit den Klemmen 107 und 108 verbunden sind. Die veränderbare Impedanz zwischen den Anschlüssen 107 und 108 bewirkt eine veränderbare Spannung zwischen diesen Anschlüssen, die zwischen dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 112 und Masse liegt. Die den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 112 beaufschlagende variable Spannung wird gegen die Referenzspannung am Abgriff 115 verglichen, so daß der Verstärker 112 ein Fehlersignal abgibt, das die Pulsbreite und die Folgefrequenz der vom Zerhacker 107 abgegebenen Impulse steuert. Wie die Fig. 2 zeigt, ist der Differenzverstärker 112 in der Praxis ein Operationsverstärker mit einem Rückkopplungswiderstand 121 zwischen dem Verstärkerausgang und dem invertierenden Eingang. Zusätzlich liegt eine Zener-Diode 113 zwischen der Versorgungs-Gleichspannung auf der Leitung 111 über einen Strombegrenzerwiderstand 122. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Regler 35 eine gemeinsame Toleranzeinstellschaltung für jeden der Umsetzer 21 bis 23 enthält.

Diese gemeinsame Einstellung ermöglicht es, daß die allen Umsetzern zuzuführende Spannung in positiver oder negativer Richtung schrittweise relativ zur normalen nominalen Ausgangsspannung jedes Umsetzers eingestellt werden kann. Üblicherweise kann die Ausgangsspannung der Umsetzer 21, 22 und 23 durch die Toleranzschaltung im Regler 35 in einem Bereich von +_ 5 % verändert werden. Mit der Toleranzeinstellschaltung läßt sich also die Bezugsspannung im ge-

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meinsamen Regler 35 selektiv erhöhen oder erniedrigen im Vergleich zur Spannung über den Lastklemmen 31 und 32. Anstelle einer unmittelbaren Erhöhung oder Erniedrigung der Bezugsspannung kann auch der Pegel der Eingangsspannung von den Klemmen 31 und 32 zum Regler 35 schrittweise in positiver oder negativer Richtung verändert werden, um eine schrittweise Erhöhung oder Erniedrigung*der Ausgangsspannungen der Umsetzer 21, 22 und 23 zu bewirken.

Um dies zu erreichen, wird die den invertierenden Eingang 57 des Operationsverstärkers 55 in Fig. 2 beaufschlagende Spannung schrittweise erhöht oder erniedrigt. Um die Ausgangsspannung der Umsetzer 21, 22 bzw. 23 zu erhöhen, wird die Spannung an der Klemme 57 dadurch erniedrigt, daß diese Klemme über einen Widerstand 71 wahlweise an Masse gelegt wird, und zwar mittels eines Umschalters 73, welcher über einen veränderbaren Widerstand 72 die Reihenschaltung des Widerstands 71 nach Masse bewirkt. Ein Ende des Widerstands 72 liegt auf Masse und der Wert dieses Widerstands wird so eingestellt, daß ein gewünschter Grad an negativer Toleranzverschiebung erreicht wird. Für eine positive Toleranzverschiebung wird die Klemme 57 an die Reihenschaltung des Widerstands 71 und eines veränderbaren Widerstands 74 über den Umschalter 73 angeschlossen. Eine Klemme des Widerstands 74 ist mit der an der Klemme 61 des Operationsverstärkers 55 liegenden positiven Gleichspannung beaufschlagt. Der Wert des Widerstands 74 wird auf einen für eine positive Toleranzverschiebung gewünschten Betrag eingestellt. Wird keine Toleranzverschiebung gewünscht, so wird der Umschalter 73 auf eine neutrale Position zwischen den veränderbaren Widerständen 72 und 74 eingestellt, so daß die Klemme 57 keinen Nebenstromweg besitzt. In jedem Fall jedoch

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ist die Klemme 5 7 mit dem Ausgang 6 7 des Operationsverstärkers 55 über eine Serienschaltung verbunden, die einen Kondensator 76 und einen Widerstand 77 umfaßt, die zur Stabilisierung des Operationsverstärkers gegen eine wechselstromabhängige Verstärkung wirken.

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Claims

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1

Case: 083-003 23. April 1980

QUALIDYNE SYSTEMS, INC.

2256 Main Street, Chula Vista, Ca. 92001,

U. S. A.

Schaltung zur Regelung eines Gleichstroms

Priorität: 24. April 1979, U.S.A., Ser.Nr. 32 857

PATENTANS PRÜCHE

M J Schaltung zur Regelung eines Gleichstroms, der in im wesentlichen gleich großen Stromanteilen von jeder einer Mehrzahl von parallelen Stromquellen P.., ... P^, ... P_n an einen gemeinsamen Gleichstromverbraucher (Last) abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede der

Stromquellen P, folgende Merkmale aufweist: κ

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(1) die Gleichstrom-Leistungsausgangsklemmen sind mit der Last (12) verbunden;

(2) ein Regler (z.B. 21) für dietüber die Leistungsausgangsklemmen gelieferte Gleichstromamplitude umfaßt

- Abtasteingänge (107, 108), über die eine Eingangs-Gleichspannung für den Regler abgegeben wird,

- ein Impedanzanpassungselement ist in Reihe zu den Leistungsausgangsklemmen der Stromquelle P, geschaltet,

- eine erste Bezugsgleichspannungsquelle (113),

- ein erster Komparator (112) vergleicht die erste Bezugsgleichspannung und die über die Abtasteingänge gelieferte Spannung zur Erzeugung eines ersten Fehlersignals, dessen Größe ein Maß für die Abweichung der miteinander zu vergleichenden Spannungen ist,

- eine durch das erste Fehlersignal gespeiste überwachungsschaltung zur Einstellung der Amplitude des durch die Stromquelle P, an die Last abgegebenen Gleichstroms;

(3) die überwachungsschaltung enthält

- eine zweite Bezugsgleichspannungsquelle,

- einen zweiten Komparator (55), der die über der

Last (12) abgreifbare Gleichspannung und die Spannung der zweiten Bezugsgleichspannungsquelle vergleicht und ein der Abweichung zwischen den zu vergleichenden Spannungen entsprechendes zweites Fehlersignal liefert,

- eine auf Änderungen der Amplitude des zweiten Fehlersignals ansprechende variable Gleichstromimpedanz (36) liegt parallel zu den Abtasteingängen des Reglers der Stromquellen P₁ ..., P, ... P , so daß an den Abtasteingängen des Reglers für die Stromquelle P_k in Abhängigkeit vom über diese Abtasteingänge und die variable Impedanz

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fließenden Strom jeweils eine Spannung erzeugt wird, die für die Stromquelle P, einen Abgabestrom erzwingt, der für alle Stromquellen

P etwa gleich groß ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Impedanz einen Transistor (71) aufweist,, an dessenS teuer elektrode das zweite Fehlersignal zuführbar ist und der zwischen einem Paar von Transistorausgangsklemmen eine variable Impedanz darstellt, die in Reihe zu den Abtasteingangsklemmen des Reglers der Stromquelle P, liegt.
3. Schaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet

durch

η Sperrdioden D₁,... D, , ι κ.

D , wobei

eine jeweilige Diode D, in Serie zu den zugeordneten

Abtasteingangsklemmen des Reglers für die zugeordnete Stromquelle P, und den Ausgangsanschlüssen der variablen Impedanz liegt und für den über die Abtasteingänge des Reglers der betreffenden Stromquelle P, fließenden Strom in Durchlaßrichtung dagegen für den von den Abtasteingängen der Regler für die anderen Stromquellen P₁,... P über die Ausgänge der variablen Impedanz fließenden Strom in Sperrichtung gepolt ist.
4. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Bezugsspannung auf einen für die Last gewünschten Spannungswert einstellbar ist und daß die erste Bezugsspannung auf einen Wert eingestellt wird, der unter dem der zweiten Bezugsspannung liegt.
5. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schaltungsgruppe zur schrittweisen Einstellung des

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Effektivwerts der zweiten Bezugsleichspannung. .
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Effektivwert der durch die zweite Bezugsspannungsquelle abgegebenen Spannung in positiver und negativer Richtung schrittweise veränderbar ist.
7. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch - eine Einrichtung zur Änderung des im zweiten Komparator von den Lastanschlußklemmen zugeführten Gleichspannungspegels.
8. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung

zur Gleichspannungspegeländerung eine mit den Lastklemmen über einen variablen Widerstand verbundene Bezugsspannungsquelle aufweist.
9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Bezugsspannungsquelle Massepotential ist.
10. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Bezugsspannungsquelle ein von Masse verschiedenes Potentiel liefert.
11. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der jede der Stromquelle von einer gemeinsamen Wechselstromquelle gespeist ist, dadurch gekennzeichnet , daß jede der Stromquellen P. folgende Baugruppen aufweist:

- einen eingangsseitig mit der Wechselstromquelle verbundenen Gleichrichter (101, 201, 301), der ausgangsseitig eine Gleichspannung abgibt,

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- einen Zerhacker (102, 202, 302), welcher die gelieferte Gleichspannung mit einer Frequenz zerhackt, die wesentlich höher liegt als die Frequenz der Wechselstromquelle, und daß

die Überwachungsschaltung zur Einstellung der Amplitude des von der jeweiligen Stromquelle P, gelieferten Stroms eine Baugruppe zur Veränderung der Breite der vom Zerhacker gelieferten Impulse und einen mit diesen Impulsen gespeisten Gleichrichter enthält, der die an den Ausgangsklemmen der Gleichstromquelle P stehende Gleichspannung

Jc

abgibt.

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