DE3627607A1

DE3627607A1 - Speise-schaltung

Info

Publication number: DE3627607A1
Application number: DE19863627607
Authority: DE
Inventors: Michael James Ferguson
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1985-08-23
Filing date: 1986-08-14
Publication date: 1987-02-26
Also published as: GB2179477B; SE8603551L; GB2179477A; SE8603551D0; US4686615A; IT8648393A0; IT1196590B; GB8521183D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Speiseschaltung und insbesondere eine Schaltung zum Zuführen eines Gleichstromes an gepulste Belastungen.

Eine allgemeine Form einer Energieversorgung ist der geschaltete Spannungsregler, in welchem die Ausgangsspannung bestimmt wird durch das Ein-Aus-Verhältnis eines Reihen-Schalters. Eine solche Energieversorgung hat gewöhnlich eine Spannungsquelle, einen Schalttransistor und ein Induktanz/Kapazität-Filter, über den die Last gespeist wird. Eine Diode ist an das Filter geschaltet, um den Strom durch den Induktor aufrecht zu erhalten, wenn der Transistor geöffnet ist.

Solche Speiseschaltungen bewirken eine Steuerung und Regelung mit Hilfe verschiedener Steuer-Schleifen, aber diese sind oft komplex und nicht ausreichend effektiv.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Energieversorgung bzw. eine Speiseschaltung des Verstärkungs-Regler-Types zu schaffen, die eine einfache und efffektivere Steuerung erlaubt.

Nach der Erfindung ist hierzu ein Gleichstrom-Speisekreis vorgesehen, der einen Reihenschalter und einen Induktor hat, die zusammen mit einer Schwungrad-Diode an eine Eingangsspannung gelegt sind, einem Transformator, dessen Primärwicklung an den Induktor und die Diode über ein Brückennetzwerk aus Schaltern gelegt ist, einem Speicherkondensator, der an eine Sekundärwicklung des Transformators über einen Vollwellen-Gleichrichter gelegt ist und der mit der Last verbindbar ist, einer Steuerschaltung zur Steuerung des Betriebs des Reihenschalters und des Brückennetzwerkes aus Schaltern, so daß eine Spannung mit der einen oder der entgegengesetzten Polarität oder ein Kurzschlußkreis an die Primärwicklung des Transformators gelegt werden kann, derart, daß jede Arbeitsperiode der Schalter und des Reihenschalters eine gleiche Ladungsmenge auf den Speicherkondensator überträgt, unabhängig von Veränderungen der Eingangsspannung oder der Ausgangsspannung.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, in der

Fig. 1 schematisch einen bekannten Speisekreis zeigt.

Fig. 2 zeigt die Arbeitsweise des Schaltkreises nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Schaltkreis nach der Erfindung.

Fig. 4 zeigt die Arbeitsweise des Schaltkreises nach Fig. 3.

Fig. 5 zeigt verschiedene Wellenformen, die im Betrieb der Schaltung nach Fig. 3 auftreten.

Fig. 6 zeigt schematisch einen Steuerkreis.

Fig. 7 zeigt die Arbeitsweise des Schaltkreises nach Fig. 6.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schaltung eines bekannten reihengeschalteten Spannungsreglers. Ein Transistorschalter TR ist in Reihe mit einem Induktor L und einem Kondensator C an eine Spannungsquelle V _s gelegt. Eine Schwungraddiode D ist an den reihengeschalteten Induktor L und den Kondensator C gelegt, während die Last LD an den Kondensator C geschaltet ist, wobei die Ausgangsspannung mit V ₀ bezeichnet ist. Eine nicht-gezeigte Timing-Schaltung steuert den Betrieb des Schalters TR und eine Periode seiner Betriebsweise ist in Fig. 2 dargestellt, welche grafisch den Strom I _L zeigt, der durch den Induktor bzw. die Spule L zum Zeitpunkt t fließt. Man sieht, daß wenn der Schalter TR geschlossen ist, der Strom linear von A nach B aufder Kurve während eines Zeitintervalls T ₁ aufgebaut wird. Der Schalter wird dann geöffnet und der Strom in der Spule fällt ab über eine Zeit T ₂ von B aufC. Die Fläche unter der Kurve ABC stellt die Ladungsmenge dar, die während der Periode an die Last abgegeben worden ist, und die zeitliche Steuerung der Arbeitsweise des Schalters TR ist so gewählt, daß der durch die Spule 11 fließende Durchschnittsstrom konstant bleibt.

Wenn die Eingangsspeisespannung V _s aus irgendeinem Grund reduziert wird, so wird der Anstieg des ersten Teils der Wellenform reduziert, wie bei AB′ in Fig. 2 gezeigt ist. Jedoch der Anstieg des anderen Teils der Wellenform B′C bleibt derselbe wie zuvor, womit sich eine Änderung sowohl bei der Ladungsmenge, die während der Periode übertragen wird, und beim Durchschnittsstrom, der durch die Spule fließt, ergibt. Die übertragene Ladungsmenge wird um einen Anteil reduziert, der durch die gestrichelte Fläche in Fig. 2 gegeben ist.

Fig. 3 zeigt einen Schaltkreis einer Ausführungsform der Erfindung, wobei man sieht, daß der Kondensator C und die Last LD nach Fig. 1 ersetzt worden sind durch vier Schalter TR 2 bis TR 5, die in Form einer Brücke geschaltet sind. In einer Diagonale der Brücke liegt die Primärwicklung eines Transformators TX. Die Sekundärwicklung des Transformators ist über eine Vollwellen-Gleichrichterbrücke DB an den Speicherkondensator C und die Last LD gelegt.

Die Arbeitsweise des Reihenschalters TR 1 und des Schalternetzwerkes TR 2 bis TR 5 wird gesteuert durch eine Steuerschaltung, die im Detail noch beschrieben wird. Diese Schaltung betätigt die Schalter in der Weise, daß eine Spulenstrom- Wellenform erzeugt wird, wie in Fig. 4 dargestellt. Aus dieser Figur ergibt sich, daß die Folge symmetrisch um den Mittelpunkt ist, wobei das Zeitintervall T ₂ von Fig. 2 nunmehr aufgespalten ist in zwei gleiche Teile auf jeder Seite des Intervalls T ₁. Wie zuvor ist T ₁ die Periode, während der der Schalter TR 1 geschlossen ist und T ₂ ist die Periode während der er geöffnet ist. Ebenso wie zuvor, ist die während einer Periode übertragene Ladungsmenge dargestellt durch die Fläche unter der Kurve ABCD.

Eine Änderung der Eingangsspannung V _s verändert den Anstieg des Teils BC der Kurve um ihren Mittelpunkt. Als Folge hiervon bleibt die Fläche unter der Kurve AB′C′D dieselbe wie zuvor. Die Steuerschaltung wird daher so ausgelegt, daß der Schalter TR 1 betätigt wird, um die Intervalle T ₁ und T ₂ zu variieren, um dieses Ergebnis zu erzeugen.

Die allgemeine Arbeitsfolge des Steuerkreises wird mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben. Diese zeigt verschiedene Steuer- und Ausgangswellenformen, die in der Arbeitsfolge benutzt werden, hauptsächlich die Steuer-Wellenform der Schalter TR 1 bis TR 5. Der Schaltkreis liefert hauptsächlich eine feste Periodenzeit, innerhalb welcher eine von dem Speicherkondensator C nach Fig. 3 abgezogene Ladung ersetzt werden muß. Die Periode oder der Zyklus umfaßt eine Periode an Tot-Zeit, deren Dauer mit den Lastbedingungen variieren kann. Wie Fig. 5 zeigt, ist die Zeit, über welche der Schalter TR 1 geschlossen ist, mit T ₁ bezeichnet, während die Gesamtperiodenzeit T besteht aus der aktiven Zeit (T ₁ + T ₂) und der Tot-Zeit T ₃. Während der Tot-Zeit sind alle vier Schalter TR 2 bis TR 5 im Netzwerk geschlossen. Hierdurch wird verhindert, daß irgendeine Spannung an der Primärwicklung des Transformators TX entsteht. Zum Zeitpunkt t ₀ werden die Schalter TR 3 und TR 5 geöffnet, so daß ein Strom von der Spule L durch die Schalter TR 2 und TR 4 und die Primärwicklung des Transformators fließen kann. Zu einem späteren Zeitpunkt t ₁, der durch die Steuerschaltung bestimmt wird, wie noch beschrieben wird, wird der Schalter TR 1 geschlossen, so daß ein Strom von der Versorgungsquelle her durch die Spule L und die geschlossenen Schalter TR 2 und TR 4 fließen kann. Zum Zeitpunkt t ₂ werden die Schalter TR 2 und TR 4 geöffnet, während die Schalter TR 3 und TR 5 geschlossen werden. Dies führt zu einer Umkehr des Stromes durch die Primärwicklung des Transformators. Die Steuerschaltung öffnet den Schalter TR 1 zum Zeitpunkt t ₃ während zu einem späteren Zeitpunkt t ₄ die Schalter TR 2 und TR 4 geschlossen werden. Dies führt zu einem Kurzschluß an der Primärwicklung des Transformators TX, wodurch die Spannung an der Primärwicklung auf Null reduziert wird. Der Strom fließt weiterhin von der Spule L durch die Schwungrad-Diode D.

Fig. 5 zeigt ferner den Stromfluß durch die Spule L, der aus den obenbeschriebenen Schaltoperationen resultiert. Wenn alle vier Schalter TR 2 bis TR 5 während der Tot-Zeit T ₃ geschlossen sind, bleibt der Strom im wesentlichen konstant. Wenn die Schalter TR 3 und TR 5 geöffnet werden, wird die in der Spule gespeicherte Energie verbraucht zur Erzeugung eines Stromes in der Primärwicklung des Transformators TX, wobei der Strom abfällt, wenn die Energie verbraucht ist. Wenn jedoch der Schalter TR 1 zum Zeitpunkt t ₁ geschlossen ist, wird von der Energiequelle Energie zugeführt und der durch die Spule fließende Strom steigt an, da dem Speicherkondensator C Energie zugeführt wird. Am Ende der Zeitperiode T ₁, wenn der Schalter TR 1 geöffnet wird, verbraucht der von der Spule durch den Transformator fließende Strom wiederum einen Teil der in der Spule gespeicherten Energie, wodurch der Strom abfällt. Zum Zeitpunkt t ₄ ist die Primärwicklung des Transformators kurzgeschlossen, was zu einem stetigen Stromfluß von der Spule führt.

Die obige Folge wird kontinuierlich solange wiederholt, wie die Schaltung in Betrieb ist. Der Spulenstrom fällt nie auf Null unter keinen Bedingungen.

Wie oben erwähnt, werden die Steuerungswellenformen durch einen Steuerkreis erzeugt. Die Schalter TR 2 bis TR 5 folgen einer festen Sequenz, die sich nicht mit den Last- oder Speisebedingungen ändert, das Timing des Schalters TR 1 ist jedoch von diesen Bedingungen abhängig. Fig. 6 zeigt ein schematisches Diagramm einer Steuerschaltung, die die erforderliche Steuerung für den Schalter TR 1 bewirkt. Der dargestellte Steuerkreis hat als Eingänge die Speisespannung V _s und ferner Spannungen, welche die Wechselspannungs- und die Gleichspannungskomponenten der Ausgangsspannung V ₀ darstellen, welche an die Last gelegt ist. Diese letzteren Spannungen werden erhalten aus dem Schaltkreis nach Fig. 3, die Wechselspannungskomponente V _0a wird erhalten an einem Widerstands-Kapazitäts-Spannungsteiler R 1 C 1, während die Gleichspannungskomponente V _0d an einem Spannungsteiler R 2 R 3 erhalten wird.

Die Spannungen V _0a und V _0d werden an Eingänge eines Verstärkers A 1 gelegt und der Ausgang des Verstärkers A 1 wird einer Bezugsspannung V _R hinzuaddiert. Diese Summe wird in einem Integrator A 2 integriert und an einen Summierverstärker A 3 gelegt. Die Speisespannung V _s wird an einen Verstärker A 4 gelegt und ein Signal proportional zu dieser Spannung wird ebenfalls an den Summierverstärker A 3 gegeben, um ein Fehlersignal V _e zu erzeugen.

Das der Speisespannung V _s proportionale Signal wird ferner an einen Sägezahngenerator in Form eines Verstärkers A 5 und an einen Integrator A 6 mit Doppel-Anstieg (dual-slope) gelegt. Eine Komparator A 7 vergleicht das Fehlersignal V _e mit dem Ausgang des Sägezahngenerators und erzeugt ein Signal zur Betätigung des Schalters TR 1.

Der Sägezahngenerator erzeugt eine Spannung, wie in Fig. 5 dargestellt, welche linear zunimmt mit einer Rate proportional zur Speisespannung V _s über eine Zeit T ₂/2 von t ₀ bis t ₂, und die dann linear abnimmt mit derselben Rate über eine weitere Zeit T ₂/2 von t ₂ bis t ₄. Der Komparator A 7 schaltet den Schalter TR 1 ein, wenn die Sägezahnspannung auf die Bezugsspannung V _e ansteigt und er schaltet TR 1 wieder ab, wenn diese Spannung unter V _e fällt.

Die Schalt-Wellenformen der Schalter TR 2 und TR 5 werden durch einen einfachen Timing-Schaltkreis TC erzeugt, der ferner ein Synchronisier-Signal für den Sägezahngenerator erzeugt, um eine Synchronisation zwischen allen Schaltern beizubehalten.

Fig. 7 zeigt die Wirkung von Änderungen der Speisespannung V _s. Die Kurve a) in Fig. 7 ist die Spulen-Strom/Zeit-Kurve und sie zeigt in ausgezogenen Linien dieselbe Kurve ABCD wie in Fig. 6. Ebenso sind unter b) die Ausgangskurve des Sägezahngenerators und unter c) die Steuerkurve für den Schalter TR 1 gezeigt. Die Zeit T ₁ ist die Zeit, über welche der Schalter TR 1 während einer Arbeitsperiode geschlossen ist.

Die gestrichelte Linie in Fig. 7 a) zeigt die Wirkung einer Zunahme der Speisespannung V _s auf den Spulenstrom, und die Kurven d) bis e) zeigen den Grund hierfür. Ein Vergleich zwischen den Kurven b) und d) zeigt, daß eine Zunahme in V _s zu einer Zunahme im Anstieg der Seiten des Sägezahngeneratorausganges führt und ebenso zu einer Zunahme der Fehlerspannung V _e, die durch die Steuerschaltung nach Fig. 5 erzeugt wird. Als Folge hiervon wird das Steuersignal für den Schalter TR 1 über eine kürzere Zeit T ₁ erzeugt, wie in Fig. 7 e) dargestellt ist. Der Spulenstrom folgt nunmehr der Kurve AB′C′D. Wie bereits beschrieben, bleibt jedoch die Ladungsmenge, die auf den Speicherkondensator während der Periode übertragen wird, unverändert.

Wenn die zu versorgende Last eine gepulste Last ist, wie z. B. ein Radar-Sender, so kann der Impuls benutzt werden, um die Arbeit der Schalter zu synchronisieren. Veränderungen der Impuls-Rate werden durch Veränderungen der Tot-Zeit T ₃ in der Arbeitsperiode angepaßt.

Die Erfindung ermöglicht somit einen Betrieb mit fester und variabler Frequenz, wobei eine feste Ladungs-Übertragung auf die Last aufrechterhalten wird bei einem fixierten stetigen Strom. Ferner ermöglicht die Vorwärtskopplung der Eingangs-Speisespannung V _s die Korrektur von Fehlern aufgrund von Speisespannungs- Veränderungen ohne daß eine übermäßige Verstärkung oder Bandbreite in der Steuerschleife erforderlich ist.

Claims

1. Gleichstrom-Speiseschaltung mit einem Reihenschalter und einer Spule, die zusammen mit einer Schwungraddiode an eine Eingangs-Speisespannung gelegt sind, einem Transformator mit einer Primärwicklung, die an die Spule und an die Diode über ein Brückennetzwerk aus Schaltern gelegt ist, und einem Speicherkondensator, der an eine Sekundärwicklung des Transformators über einen Vollwellen-Gleichrichter gelegt ist und mit der Last verbindbar ist, gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung zur Steuerung der Arbeit des Reihenschalters und des Netzwerkes aus Schaltern, so daß eine Spannung mit der einen oder der entgegengesetzten Polarität oder ein Kurzschluß an die Primärwicklung des Transformators legbar ist, und daß in jeder Arbeitsperiode des Schaltnetzwerkes und des Reihenschalters eine gleiche Ladungsmenge an den Speicherkondensator übertragen wird, unabhängig von Veränderungen der Eingangs- oder der Ausgangsspannung.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis einen ersten Schaltkreis aufweist zur Erzeugung einer Dreieckspannungs- Wellenform mit positiven und negativen Gradienten proportional zur Höhe der Speisespannung, sowie einen zweiten Schaltkreis, der auf die Wechselspannungs- und die Gleichspannungskomponenten der an die Last gelegten Ausgangsspannung anspricht, um eine Bezugs-Fehlerspannung zu erzeugen, und daß der Reihenschalter geschlossen wird, wenn die Dreieck- Spannung die Bezugs-Fehlerspannung übersteigt und daß er geöffnet wird, wenn die Dreieck-Spannung unter der Bezugs-Fehlerspannung liegt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter des Schalternetzwerkes in einer vorgegebenen festen Sequenz durch den Steuerkreis betätigt werden, und daß die Tätigkeit des ersten Schaltkreises mit der vorgegebenen festen Sequenz synchronisiert ist.