DE3308959A1

DE3308959A1 - Schaltregler fuer effektivspannung

Info

Publication number: DE3308959A1
Application number: DE19833308959
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Phys. 3303 Vechelde Kramer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-03-12
Filing date: 1983-03-12
Publication date: 1984-09-13

Description

Dipl.-Fhys. G. Edamer, Falkenring 4-a, 3303 Vechelde Schaltregler für Effektivspannung

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schaltregler, der den Stromfluß von einer Spannungsquelle zu einem Verbraucher mit einer von der Eingangsspannung unabhängigen Effektivspannung beaufschlagt wird.

Der Regler kann insbesondere angewandt werden zur Erzielung einer gleichmäßigen und hohen Lichtausbeute von Glühlampen, wenn diese aus Netzen, Akkumulatoren oder Primärelementen gespeist werden, deren Spannung nicht stbil ist.

Als Spannungsregler standen bisher nur solche Geräte zur Verfügung, die eine konstante Gleichspannung abgeben.(Ausserdem kennt man sogenannte Wechselspannungs-Stabilisatoren, die eine Wechselspannung mit vorgegebenerem^ konstanter Wellenform, z.B. einer Sinusfunktion, erzeugen.) Diese Geräte haben entweder - als einfache Längsregler einen schlechten Wirkungsgrad, oder sie erfordern - als Schaltregler - einen relativ hohen Aufwand an Kondensatoren und Drosseln.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für Lampen und andere Widerstandslasten einen einfachen Regler mit hohem Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen. Dies gelingt durch Ausnutzung der an sich bekannten Tatsache, daß die Erwärmung eines Glühfadens oder allgemein die Leistungsabgabe an einen ohm¹sehen Verbraucher ausschließlich durch den Effektivwert der Spannung bestimmt ist, so daß andere Einzelheiten der Wellenform keinen Einfluß haben. Die Wellenform kann daher so gewählt werden, daß sie sich aus der gegebenen Versorgungsspannung mit möglichst einfachen Mitteln und hohem Wirkungsgrad erzeugen läßt.

Ist die Versorgungsspannung höher als der gewünschte Effektivwert, so genügt hierfür ein einfacher elektronischer

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Schalter, der den Stromfluß periodisch unterbricht und wieder freigibt. Das Ein-Aus-Zeitverhältnis muß nun so gesteuert werden, daß sich am Verbraucher ein vorgegebener von der Versorgungsspannung unabhängiger Effektivwert der Spannung einstellt.

Dies gelingt erfindungsmäßig mit einem selbstschwingenden Multivibrator, dessen grundsätzliche Form im folgenden mit Bezug auf das Blockschaltbild (Abb.1) näher beschrieben wird;

Das direkt am Verbraucher "L" abgegriffene Rückführungssignal wird im Funktionsblock "Qu" quadriert und im Summierer "Su" mit dem Sollwert "Soll²" verglichen. Die Differenz zwischen Soll=: und Istwert des Spannungsquadrats wird einem Integrator "Int" zugeführt, dessen Ausgang über eine Schmitt-schaltung "S-T" das Schaltglied "Sch" steuert. (■"V" Vers orgungs spannung). Bei der sich einstellenden KippSchwingung bleibt das Ausgangssignal des Integrators zwischen den beiden Schaltschwellen der Schmitt-Schaltung, was bedeutet, daß das Zeitmittel seines Eingangssignals verschwindet; (U²-Soll²)=O . Dies entspricht nun genau der gewünschten Beziehung : U_eff»Soll . Die Einzelkomponenten können auf verschiedene Art realisiert sein. Die Quadratbildung läßt sich vorteilhaft mit der bekannten Ausnutzung der exponentiellen Kennlinie von Transistordioden ausführen, was durch den normalerweise unipolaren Betrieb noch vereinfacht wird. Summierer, Integrator und Schmittschaltung sind mit Operationsverstärkern ebenfalls einfach zu realisieren und lassen sich teilweise vorteihaft mit der Quadrierschaltung zusammenfassen. Das Schaltglied wird in vielen Fällen aus einem einfachen Transistorschalter bestehen. Bei Versorgung mit einer Gleichspannung nimmt die Ausgangsspannung die Form einer Rechteckspannung an mit passend sich einstellendem Ein/Aus-Verhältnis. Das Schaltglied kann aber auch einen Transformator beinhalten, sowie Drosseln und Kondensatoren zur Glättung und zur StörStrahlungsverminderung, Die Form der

gewährleistet einen geregelten Effektivwert der Spannung auch für komplizierte Wellenformen.

In der bevorzugten Anwendungsform, bei der der geregelte Effektivwert niedrieger ist als die Versorgungsspannung, wird der Wirkungsgrad des Reglers praktisch ausschließlich durch die Verluste im Schalt trän si st or begrenzt. So hat ein Darlington-Transistorschalter einen Spannungsabfall von ungefähr 1 Volt, was bei einer Vers orgung s spannung von 10 Volt einem Wirkungsgrad von 90 % entspricht. Dieser an sich schon hohe Wirkungsgrad läßt sich weiter steigern durch die Anwendung einer neuartigen Schaltstufe, was insbesondere Vorteile bezüglich der Eigenerwärmung des Reglers bringt· In Abb.2.ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsmäßigen Ausbildung der Schaltstufe d) im Vergleich mit drei herkömmlichen a),b) und c) dargestellt, die alle bipolare Si-Transistoren verwenden.( Feldeffekt-Transistoren sind wegen ihres hohen Preises nicht berücksichtigt.) Die vier dargestellten Schaltstufen unterscheiden sich in der Erzeugung des Basisstroms für den Leistungstransistor.

In der bekannten Darlington-Schaltung a) paßt sich der Basisstrom gut auch an veränderliche Lastströme an, jedoch muß ein Spannungsabfall von mindestens 0,8 V hingenommen werden, der insbesondere bei niedrieger Versorgungsspannung den Wirkungsgrad beeinträchtigt. In der Anordnung b) fällt am Leistungstransistor nur die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung ab; dafür wird der Basisstrom der Versorgungsspannungsquelle entnommen, so daß zusätzlich zu den Verlusten "des Endtransistors 5 % bis 10% der maximalen geschalteten Leistung in einem Vorwiderstand "R" dissipiert werden. Bei konstantem Lastwiderstand paßt die Schaltung sich gut an veränderliche Versorgungsspannung an. Bei der Anordnung c) sind zwar durch Spannungstransformation die Verluste vermindert, sie paßt sich aber nicht an veränderliche lastströme oder Versorgungsspannungen an. Vielmehr muß sie für den höchsten vorkommenden Last-

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strom und die niedrigste Versorgungsspannung ausgelegt werden. Unter veränderten Bedingungen arbeitet sie verlustreich, Dauer-Einschaltung ist nicht möglich. Die hier als erfindungsmäßig beanspruchte Anordnung d) arbeitet demgegenüber unter allen Bedingungen optimal verlustarm. Der Basisstrom stellt sich entsprechend dem gewählten Windungszahlverhältnis (üblicherw. ca. 1:10) selbstregelnd auf den Last strom ein. Bei Dauereinschaltung verhält sie sich wie eine normale Darlington-Stufe. Da der Transformator nur die sehr geringe echte Basisleistung (Basisstrom*Basis-Emitter-Spg) von ca 1 % der geschalteten Leistung überträgt, spielen seine Verluste nur eine geringe Rolle. Zur besseren Ausnutzung des Kernmaterials kann ein entsprechend hochohmiger Widerstand "R" hinzugeschaltet werden,der eine Ummagnetisierung während der Aus-Phase erzwingt.

Das beschriebene Prinzip der Basisstromerzeugung läßt sich auch für eigengesteuerte Stromrichter anwenden. Ersetzt man den Vorstufentransistor in Abb.2d) durch eine feste elektrische Verbindung, so erhält man den in Abb.3a) dargestellten Stromrichter, der sich durch minimale Durchlaßverluste auszeichnet.(Bei Verwendung üblicher Si-Leistungstransistoren beträgt die maximale Sperrspannung ca 60 Volt) Abb.3b) zeigt eine weitere Variante, die sich ähnlich wie ein fremdgesteuerter Stromrichter, genauer : wie ein abschaltbarer Thyristor (GTO, Gate Turn-Off), verhält. Mit dem beschriebenen Prinzip ist es möglich, die Schalter-Verluste insbesondere in Schaltnetsteilen auf ein bisher nicht erreichbares Maß zu verringern. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn diese wie bei dem zuvor beschriebenen Effektivspannungsregler die einzige Verlustquelle bilden.

Abb.1

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-7 Int. Cl.³: H 02 P t3/32

*" "" Anmeldetag: 12. März 1983

Offenlegungstag: 13. September 1ί

Abb. 2.

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Abb. 3

Claims

Patentansprüche

Λ) Elektronischer Schaltregler zur gesteuerten oder stabilisierten Versorgung ohm'scher Verbraucher, insbesondere Glühlampen, dadurch gekennzeichnet, daß der gewünschte Effektivwert der Spannung am Verbraucher mittels eines Kippschwingungen ausführenden Regelkreises erzeugt wird, dessen grundsätzliche Glieder wie folgt zusammenarbeiten (Abb.1): Die Spannung am Verbraucher "L" wird auf den Eingang eines Quadrierers "Qu" zurückgeführt, dessen Ausgangssignal von einem vorgegebenen Sollwert "Soll^" im Summierer "Su" subtrahiert, die Differenz im Integrator "Int" integriert. Der Ausgang des Integrators steuert eine Schmitt-Schaltung an "S-T",deren Ausgang die Schaltstufe "Sch" treibt, die in ihrem eingeschalteten Zustand bewirkt, daß die Spannung am Verbraucher höher ist als.der gewünschte Effektivwert, und im ausgeschalteten Zustand, daß'-'difese niedriger ist. ·-
2) Verlustarme Schaltstufe zur Anwendung insbesondere in Schaltreglern gemäß Anspruch 1, mit mindestens einem bipolaren Leistungstransistor, dessen Steuerleistung (Basisstrom) einem Transformator entnommen wird; dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung des Transformators vom geschalteten Laststrom durchflossen wird,und daß die Sekundärwicklung den Basisstrom führt, so daß dieser sich selbsttätig auf einen durch das Verhältnis der Windungszahlen vorgegebenen Bruchteil des Laststroms einstellt.