DE3445501A1 - Schaltungsanordnung fuer netzgleichrichter - Google Patents

Description

• Schaltung für Gleichrichter mit einem Glättungskondensator
• Netzgleichrichter enthalten im allgemeinen eine Gleichrichterschaltung, z. B. eine Gleichrichterbrücke, die einen pulsierenden Gleichstrom liefert, der mittels eines Kondensators geglättet wird. Die geglättete Gleichspannung kann einer Stabilisierungsschaltung zugeführt werden.
• Eine solche Gleichrichterschaltung hat vor allem den Nachteil, daß die kapazitive Glättung einen kleinen Stromflußwinkel bewirkt. Der Glättungskondensator und der nachfolgende Verbraucher nehmen nämlich erst dann Strom aus dem Gleichrichter auf, wenn die Kondensatorspannung unter den Momentanwert der gleichgerichteten Netzspannung abgesunken ist. Dies bedeutet, daß der Energiebedarf nur während eines im Vergleich zur Periodendauer der Netzspannung kurzen Zeitraumes durch eine große Stromspitze entnommen wird. Dadurch wird die sinusförmige Netzspannung sattelförmig abgeflacht, so daß deren Oberwellengehalt zunimmt und andere Verbraucher beeinflußt werden. Zum Beispiel sind Rechnerstromversorgungen so ausgelegt, daß beim Unterschreiten eines bestimmten Netzspannungspegels der Datenverkehr zur Rechnerperipherie abgebrochen und ein Datenrettprogramm ausgelöst wird. Durch das Abflachen der Netzspannung kann der Überwachungspegel unterschritten werden, so daß ein Rechnerbetrieb nicht mehr möglich ist.
• Der geschilderte Nachteil kann zwar durch Einschalten einer Siebdrossel zwischen Gleichrichter und Glättungskondensator vermieden werden; solche Siebdrosseln sind jedoch, vor allem bei großen Leistungen des Netzgerätes, groß und schwer.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit der das Problem des kleinen Stromflußwinkels ohne Einsatz einer schweren, auf die Netz frequenz abgestimmten Siebdrossel gelöst wird, d. h., die bewirkt, daß bei sinusförmiger Netzspannung auch ein etwa sinusförmiger Strom dem Netz entnommen wird.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
• In einer solchen Schaltung nimmt der Glättungskondensator praktisch vom Nulidurchgang der gleichzurichtenden Wechselspannung an, also während der gesamten Periode, Strom auf. Dazu ist erforderlich, daß das Puls-/Pausen-Verhältnis und/oder die Frequenz, mit dem bzw. der der elektrische Schalter geschaltet wird, sich über die Periode der Wechselspannung entsprechend deren jeweiliger Größe ändert. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung kann höher als die Amplitude der Wechselspannung sein.
• Wird gefordert, daß die Ausgangsspannung konstant ist, kann ferner in Abhängigkeit der Differenz zwischen der Ausgangsspannung und einer Sollspannung die Frequenz und/ oder das Puls-/Pausenverhältnis so eingestellt werden, daß die Differenz gegen Null geht. Die Steuereinrichtung weist dann zwei überlagerte Regelkreise auf, von denen einer für die Form des Eingangsstromes und der andere für die Größe des Eingangsstromes zuständig ist.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung mit zwei überlagerten Regelkreisen für Form und Amplitude des Eingangsstromes besteht darin, daß die Steuereinrichtung einen Multiplizierer enthält, dessen einem Eingang ein der Eingangsspannung proportionales Signal und dessen anderem Eingang die Differenz zwischen Ist- und Sollwert der Kondensatorspannung zugeführt ist und dem ein Pulsdauermodu lator nachgeschaltet ist, mit dessen Ausgangssignal der Schalter angesteuert ist, derart, daß mit zunehmendem Eingangssignal die Einschaltzeit des Schalters verlängert wird. Zweckmäßig wird dabei dem Pulsdauermodulator die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Multiplizierers und einem dessen Eingangsstrom entsprechenden Signal zugeführt. Geeignete Pulsdauermodulatoren sind bekannt, z. B.
• aus der Druckschrift der Siemens AG "Technische Mitteilungen aus dem Bereich Bauelemente - Integrierte Schaltnetzteil-Steuerschaltung TDA 4700/TDA 4718".
• Anhand der Zeichnung werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen näher beschrieben und erläutert.
• Die gleichzurichtende Netzspannung Ue ist einem Brückengleichrichter GL1 zugeführt, der eine pulsierende, halbsinusförmige Gleichspannung abgibt. Aus ihr soll eine stabilisierte Gleichspannung UO für eine Last RL gebildet werden. Dem Gleichrichter GL1 sind eine Speicherdrossel DR, eine Diode D und ein üblicher Glättungskondensator C1 nachgeschaltet, dessen Lochspannung gleich der Ausgangsspannung UO ist. In einem Querzweig ist an die Siebdrossel DR ein Transistor TS angeschlossen, der über einen Widerstand R von einer galvanisch getrennten Steuereinheit STE mit einer Frequenz angesteuert wird, die im Vergleich zur Netzfrequenz groß ist. Sie enthält einen Multiplizierer MP, dessen erstem Eingang mittels eines Spannungswandlers SPW und eines Doppelweggleichrichters GL2 eine pulsierende Gleichspannung zugeführt ist, welche die Form des dem Netz entnommenen Stromes, im Ausführungsbeispiel die Sinusform, bestimmt. Dem anderen Eingang des Multiplizierers MP wird von einem Optokoppler OK ein Signal zugeführt, welches die Regelabweichung zwischen der Ausgangsspannung UO und einer Sollspannung angibt. Dieses Signal wird in einer Differenzstufe DF1 gebildet, der einerseits die Spannung am Glättungskondensator C und andererseits eine konstante Spannung, die Sollspannung, zugeführt ist, die mittels einer Zenerdiode Z und eines Potentiometers P1 gebildet wird. Ein Differenzglied DF2 vergleicht das Ausgangssignal des Multiplizierers MP mit einem dem Istwert des Stromes entsprechenden Signal, das mittels eines Stromwandlers STW und eines Doppelweggleichrichters GL3 aus dem Eingangsstrom abgeleitet ist. Die Stromschwankungen, die durch das Schalten des Transistors TS entstehen, werden von einem Siebkondensator C2 ausgefiltert. An das Differenzglied DF2 ist ein Pulsdauermodulator PDM angeschlossen, im Ausführungsbeispiel entsprechend dem in der Siemens-Druckschrift "Technische Mitteilungen aus dem Bereich Bauelemente - Integrierte Schaltnetzteil-Steuerschaltung TDA 4700/TDA 4718" beschriebenen, aufgebau-t ist und der über einen Übertrager TR den Schalttransistor TS ansteuert.
• In einer Stromüberwachungseinheit DSI wird der zulässige Maximalstrom und in einer Spannungsüberwachungseinheit DSU die größte zulässige Ausgangsspannung UO überwacht. Die beiden Einheiten DSI, DSU geben Steuersignale auf den Pulsdauermodulator PDM, derart, daß der Eingangsstrom und die Ausgangsspannung vorgegebene Werte nicht überschreiten. In einem Addierer AD wird der Istwert des Eingang stromes und eine mit einem Potentiometer P2 eingestellte konstante Spannung überlagert und das Summensignal dem Pulsdauermodulator PDM zugeführt, damit auch in der Nähe des Nulldurchganges der Eingangsspannung dem Netz ein sinusförmiger Strom entnommen wird.
• Im folgenden wird die Funktion der beschriebenen Schaltung erläutert. Da die Frequenz, mit der der Transistor TS geschaltet wird, groß ist im Vergleich zur Netzfrequenz Ue, kann die Eingangsspannung während einer Schaltperiode als konstant angenommen werden. Der Transistor TS sei durchgesteuert, so daß durch die Speicherdrossel DR ein etwa linear ansteigender Strom fließt und in der Drossel magne- tische Energie gespeichert wird. Wird der Transistor TS gesperrt, so versucht die Drossel, den bisher fließenden Strom aufrechtzuerhalten, so daß die Spannung an der Diode D ansteigt, bis die Spannung am Glättungskondensator C überschritten ist und die gespeicherte Energie in den Kondensator C bzw. in die Last RL fließt. Bei konstanter Last ist die Ausgangsspannung UO nur vom Momentanwert der Eingangsspannung und der Frequenz sowie dem Puls-/ Pausenverhältnis abhängig, mit denen der Transistor TS geschaltet wird. Durch Verändern des Puls-/Pausenverhältnisses und/oder der Frequenz läßt sich daher die Ausgangsspannung steuern. Der Energietransfer von der Drossel in den Kondensator findet dabei in der Sperrphase des Schalttransistors TS statt.
• Wie schon erwähnt, dient die Regelabweichung der Ausgangsspannung dem Multiplizierer MP als Multiplikator für den Stromsollwert. Dieser Multiplikator erfüllt hierbei die Aufgabe der Stromsollwert-Anhebung oder -Absenkung. Im eingeschwungenen Zustand sind Betrag und Form vom Stromsoll- und -istwert etwa gleich. Wird die Last RL am Ausgang vergrößert, so fließt ein höherer Eingangsstrom. Bei unverändertem Puls-/Pausenverhältnis und damit auch Energieinhalt der Drossel DR kann der erhöhte Energiebedarf nicht mehr gedeckt werden. Als Folge hiervon wird der bis dahin sinusförmige Eingangsstrom durch eine erhöhte Ladestromspitze verzerrt. Ferner sinkt die Ausgangsspannung ab. Diese Abweichung der Ausgangsspannung vom Sollwert wird verstärkt und hebt mittels des Multiplizierers MP den Stromsollwert an. Das Puls-/Pausenverhältnis wird damit so verändert, daß mehr Energie in der Speicherdrossel DR gespeichert wird. Der Strom wird wieder sinusförmig. Wird dagegen die Ausgangslast verringert, so steigt die Ausgangsspannung über den Sollwert und senkt dadurch den Stromsollwert ab.
• Die Ausgangsspannungserfassung weist die Besonderheit auf, daß der Ausgangsspannungsistwert primärseitig erfaßt wird und mit einem ebenfalls auf der Primärseite erzeugten Sollwert verglichen wird. Diese Regelabweichung wird nach hoher Verstärkung über den Optokoppler OK zur Steuereinheit STE übertragen. Über den Multiplizierer MP und den Pulsdauermodulator PDM wird der Regelkreis geschlossen.
• Damit wird erreicht, daß Übertragungsfehler des Optokapplers über den geschlossenen Regelkreis ausgeregelt werden.
• Würde man den Ausgangsspannungsistwert direkt über den Optokoppler übertragen, so würden sich die unvermeidlichen Nichtlinearitäten der Optokopplerübertragungskenn linie direkt als nicht ausregelbarer Meßfehler auf die Regelung auswirken und damit die Regelgüte verschlechtern.
• In der bisher beschriebenen Schaltung weisen handelsübliche Pulsdauermodulatoren den Nachteil auf 7 daß in der Nähe des Nulldurchgangs der Netzspannung ein Puls-/Pausenverhältnis eingestellt wird, das nicht zu einer solchen Spannungsüberhöhung ausreicht, daß über die Diode D der Kondensator C geladen wird. Es wird daher der Stromistwert einem sogenannten Vorsteuereingang des Pulsdauermodulators PDM zugeführt. Solche Vorsteuereingänge dienen dazu, die Übertragungskennlinie des Pulsdauermodulators durch Verändern der Rampensteilheit des in Pulsdauermodulatoren enthaltenen Rampengenerators zu verändern. Im Ausführungsbeispiel wird dem Vorsteuereingang eine Spannung zugeführt, die bewirkt, daß im Netzspannungsnulldurchgang die maximale Impulsbreite erzeugt wird. Hierzu wird der Stromistwert dem Vorsteuereingang zugeführt. Eine diesem überlagerte Gleichspannung, die mit dem Potentiometer P2 eingestellt wird, dient der Voreinstellung eines maximnlen Puls-/Pausenverhältnisses. Ohne diese Maßnahme würde der Schalttransistor bei Stromwerten nahe Null dauernd eingeschaltet bleiben, so daß er zerstört werden könnte. Mit der Verwendung des Stromistwertes zum Erzeugen der Vorsteuerspannung wird ein besseres Regelverhalten beim Ein- schalten und auch im Betrieb erzielt. Anstelle des Stromistwertes könnte auch der Stromsollwert verwendet werden, jedoch tritt dann bei bestimmten Betriebsverhältnissen im Bereich des Netzspannungsnulldurchganges ein Stromeinbruch auf.
• 9 Patentansprüche 1 Figur

Claims (9)

1. Patentansprüche ./Regelschaltung für Gleichrichter mit einem Glättungsondensator, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß zwischen den Gleichrichter (GL1) und den Glättungskondensator (C1) eine Speicherdrossel (DR) und eine Diode (D) in Reihe geschaltet sind, daß in Reihe zur Speicherdrossel (DR) und parallel zur Reihenschaltung aus Diode (D) und Glättungskondensator (C1) ein Schalter (TS) liegt, der von einer Steuereinrichtung (STE) periodisch mit einer im Vergleich zur Frequenz der gleichzurichtenden Spannung hohen Frequenz ein- und ausgeschaltet wird, wobei beim Ausschalten infolge der Stromänderung eine Spannungserhöhung erfolgt, die eine Ladung des Glättungskondensators (C1) über die Diode (D1) bewirkt, und daß die Steuereinrichtung (STE) die Frequenz und/oder das Puls-/Pausenverhältnis der den Schalter (TS) steuernden Impulse in Abhängigkeit der Eingangsspannung so einstellt, daß der mittlere Strom durch die Speicherdrossel proportional zur Eingangsspannung ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Steuereinrichtung (STE) die Frequenz und/oder das Puls-/Pausenverhältnis so einstellt, daß die Ladespannung des Kondensators (C1) konstant bleibt.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Steuereinrichtung (STE) einen Multiplizierer (MP) enthält, dessen einem Eingang ein der Eingangsspannung (Ue) proportionales Signal und dem anderen Eingang die Differenz zwischen Soll- und Istwert der Ausgangsspannung zugeführt ist und dem ein Pulsdauermodulator (PDM) nachgeschaltet ist, mit dessen Ausgangssignal der Schalter (TS) angesteuert ist, derart, daß mit zunehmendem Eingangssignal die Einschaltzeit des Schalters (TS) verlängert wird.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Pulsdauermodulator die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Multiplizierers (MP) und einem dem Eingangsstrom entsprechenden Signal zugeführt ist.
5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Differenz zwischen der Ausgangsspannung und einer Sollspannung über einen Optokoppler (OK) der Steuereinheit (STE) zugeführt ist.
6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Eingangsstrom in einer Stromüberwachungseinheit (DIS) auf einen Grenzwert überwacht wird und daß bei Erreichen des Grenzwertes die Überwachungseinheit (DIS) bewirkt, daß das Puls-/Pausenverhältnis und/oder die Frequenz der dem Schalter (TS) zugeführten Steuerimpulse so eingestellt wird, daß der Grenzwert des Stromes nicht überschritten wird.
7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Differenz zwischen Soll- und Istwert der Ausgangsspannung einer Spannungsüberwachungseinheit (DSU) zugeführt ist, die, wenn die Differenz einen Grenzwert erreicht, ein Ausgangssignal abgibt, das bewirkt, daß das Puls-/Pausenverhältnis und/oder die Frequenz der dem Schalter zugeführten Steuerimpulse so eingestellt wird, daß die Spannungsdifferenz den Grenzwert nicht überschreitet.
8. 8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Puls-/Pausenverhältnis der dem Schalter (TS) zugeführten Steuerimpulse auf einen Maximalwert begrenzt ist.
9. 9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Pulsdauermodulator (PDM) eine aus dem Strom-Ist- oder dem Strom-Sollwert abgeleitete Vorsteuerspannung zugeführt ist, die im Bereich des Nulldurchganges des dem Netz entnommenen Stromes die Einschaltdauer des dem Transistor (TS) zugeführten Steuerimpulses verlängert.