DE4015672A1 - Verfahren zur beeinflussung des anlaufverhaltens eines schaltreglers sowie schaltregler und anwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung ein Verfahren zur Beeinflussung des Anlaufverhaltens eines Schaltreglers, welcher über einen Widerstand an einer Gleichspannungsquelle betrieben wird.

Wenn Schaltregler über einen Widerstand, insbesondere den Leitungswiderstand eines Kommunikationsnetzes betrieben werden, kann der Schaltregler in einen Reglerarbeitspunkt gelangen, aus dem er selbständig nicht mehr herauskommen kann. Dieser Fall tritt beispielsweise dann ein, wenn die Belastung des Schaltreglers so groß wird, daß die Eingangsspannung des Schaltreglers kleiner wird als die minimal notwendige und damit ein Hochlaufen des Schaltreglers nicht mehr möglich ist. Als Speisespannung sei hier jene Spannung definiert, die am leitungsfernen Ende des Schaltreglers beispielsweise zwischen den Klemmen der Amtsbatterie auftritt. Um einen solchen unerwünschten Reglerarbeitspunkt zu vermeiden, ist es prinzipiell möglich, einen Komparator zu verwenden, der eine Freigabe des Schalttransistors nur dann zuläßt, wenn eine Eingangsspannungsschwelle größer als die Hälfte der Speisespannung überschritten wird.

Aus der DE 37 01 395 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltreglers bekannt, bei dem ein derartiger Reglerarbeitspunkt nicht angenommen werden kann, indem der Schaltregler so lange blockiert wird bis sein Eingangskondensator geladen ist. Sollte der Spannungsabfall am Schaltreglerstellglied kleiner als die Eingangsspannung werden, wird der Schaltregler blockiert, bis ein Wiederanlauf möglich ist. Beim Verfahren gemäß der DE 37 01 395A1 wird der Energieaufnahmestrom des Schaltreglers gemessen und bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes das Schaltreglerstellglied abgeschaltet. Aus der DE 35 13 625 A1 ist ebenfalls ein Schaltregler bekannt, der über einen Leitungswiderstand eines Kommunikationsnetzes betrieben wird. Zur Vermeidung unkontrollierter Betriebszustände sind auch dort Schutzmaßnahmen getroffen: Verzögerung des Einsatzes der Regelung des Pulsbreitenmodulators, Begrenzung des Energieaufnahmestroms des Schaltreglers, Pufferung durch einen Energiespeicher am Eingang des Schaltreglers.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es ein Verfahren zur Beeinflussung des Anlaufverhaltens eines Schaltreglers anzugeben, welches insbesondere in einem Fernspeisenetz ein sicheres Anlaufen ohne nachteilige Auswirkung auf die Regelmöglichkeiten gewährleistet. Außerdem soll ein Schaltregler insbesondere zum Durchführen dieses Verfahrens und eine Anwendung aufgezeigt werden. Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die Schritte des Patentanspruchs 1, bezüglich des Schaltreglers durch die Merkmale des Patentanspruchs 3 und bezüglich der Anwendung durch den Patentanspruch 4 gelöst. Der Patentanspruch 2 betrifft eine Weiterbildung des Verfahrens nach Patentanspruch 1.

Durch die Maßnahmen der Erfindung stellen sich folgende Vorteile ein: Beim Anlauf des Schaltreglers ist eine definierte Eingangskennlinie vorgegeben, die unerwünschte Betriebszustände verhindert. Auch bei Kaskadierung von mehreren Schaltreglern in einem Gleichspannungs-Fernspeisesystem ist ein sicherer Anlauf gewährleistet. Es treten keine Arbeitspunkte eines Schaltreglers auf von denen aus ein selbsttätiger Anlauf nicht möglich ist. Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nun näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Schaltreglers mit dem das Verfahren nach der Erfindung ausgeführt werden kann,

Fig. 2 in Kette geschaltete Schaltregler,

Fig. 3 eine Anlaufkennlinie eines Schaltreglers,

Fig. 4 die Ableitung der Steuerimpulse für das Schaltreglerstellglied,

Fig. 5 einen Stromlaufplan zur Steuerung des Stellgliedes eines Schaltreglers gemäß dem Verfahren nach der Erfindung.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird ein Schaltregler SR über einen Widerstand RL, z. B. der ohmsche Widerstand eines Fernspeiseabschnitts, an einer Gleichspannungsquelle QU betrieben.

Als Eingangsspannung UE des Schaltreglers steht nicht die volle Quellenspannung der Gleichspannungsquelle QU zur Verfügung, sondern die um den Spannungsabfall am Widerstand RL verminderte Spannung. Die Eingangsspannung UE liegt an der Serienschaltung bestehend aus der Primärwicklung W1 der Schaltregler- Induktivität LS und dem Schaltreglerstellglied, hier als Feldeffekttransistor F1 ausgebildet. Parallel zu dieser Serienschaltung liegt ein Kondensator CE. Die Sekundärwicklung W2 der Schaltregler-Induktivität LS ist in üblicher Weise mit einem Gleichrichter GR und einem ausgangsseitigen Glättungskondensator CA beschaltet, an welchem die Ausgangsspannung UA des Schaltreglers abnehmbar ist. Die Steuerung des Feldeffekttransistors F1 erfolgt beim Ausführungsbeispiel über eine Steuerschaltung PBM, die einen Pulsbreitenmodulator enthält und in üblicher Weise (vgl. beispielsweise Valvo Techn. Informationen für die Industrie 76 10 27, Schaltnetzteile mit Transistoren der Reihe BUX 80, Oktober 1976; Siemens Components 18, Heft 2, 1980, Seite 82 bis 88) aufgebaut ist. Im Normalbetrieb wird die Pulsbreite der Steuerimpulse für den Feldeffekttransistor F1 in Abhängigkeit der Höhe der Ausgangsspannung UA verändert. Hierzu ist zur Überwachung der Ausgangsspannung UA ein Regelverstärker RV im Ausgangskreis des Schaltreglers vorgesehen. Über einen Optokoppler OK wird das Ausgangssignal des Regelverstärkers RV zum Pulsbreitenmodulator PBM übertragen. Zur Beeinflussung des Anlaufverhaltens des Schaltreglers ist ein Fehlerverstärker OP1 vorgesehen, dessen Ausgang mit einem weiteren Steuereingang der Steuerschaltung PBM verbunden ist. Dieser Fehlerverstärker OP1 ist eingangsseitig folgendermaßen beschaltet:

• - der erste Eingang ist einerseits über einen ersten Widerstand R1 mit einer Referenzspannungsquelle QR und andererseits über einen zweiten Widerstand R2 mit einer gesteuerten Stromquelle QI verbunden,
• - der zweite Eingang ist über den aus den Widerständen R3 und R4 bestehenden Spannungsteiler mit der Eingangsspannung UE beaufschlagt.

Der zweite Eingang des Fehlerverstärkers OP1 ist somit mit einer Differenzspannung U_ref, beaufschlagt, die aus der Differenz der an der Referenzspannungsquelle QR anstehenden Referenzspannung U_ref und einer Hilfsspannung UH besteht. Die Hilfsspannung UH entspricht dem Spannungsabfall am Widerstand R1 : UH = R1×IQ, wobei IQ den von der Stromquelle QI getriebenen Strom darstellt. Die Stromquelle QI wird in Abhähgigkeit der augenblicklichen Höhe des Energieaufnahmestromes IE des Schaltreglers gesteuert.

Zur Erfassung des Energieaufnahmestromes IE ist hierzu ein Stromsensor SI vorgesehen, z. B. ein Stromwandler oder ein Strommeßwiderstand, der mit dem Steuereingang der Stromquelle QI verbunden ist. Die Hilfsspannung UH und der Energieaufnahmestrom IE sind durch diese Beschaltung zueinander proportional. Der Proportionalitätsfaktor wird so gewählt wie die Steigung jener Kennlinie, die sich aus einer Mehrzahl von in Kette geschalteten und gleich aufgebauten Schaltreglern SR1, SR2,....SRn ergibt, die von der Gleichspannungsquelle QU gemeinsam gespeist werden und jeweils durch einen Leitungswiderstand R voneinander getrennt sind (Fig. 2). Die Arbeitspunkte AP der Schaltregler liegen knapp über dieser Kennlinie (Fig. 3).

Die Eingangskennlinie eines Schaltreglers nach der Erfindung setzt sich gemäß Fig. 3 aus folgenden Stücken zusammen:

• I. im Bereich 0 UE U_max ist der Energieaufnahmestrom IE = 0,
• II. im Bereich U_max < UE < U_min gilt: UE = U_max-K · IE,Dieses Kennlinienstück wird durch die Beziehung:U_ref′, - R1 · IQnachgebildet. Der Proportionalitätsfaktor K ist, wie der Vergleich zeigt, durch den Widerstand R1 vorgebbar.
• III. UE = U_min.
  Die Spannung U_min entspricht z. B. der halben Quellenspannung der Gleichspannungsquelle QU. Die Spannung U_max ist die maximal auftretende Spannung am Eingang eines Schaltreglers.

Je nach Belastung geht die Schaltregler-Kennlinie nach dem Anlaufvorgang von der Anlaufkennlinie ausgehend in eine der in Fig. 3 dargestellten Leistungshyperbeln über.

Wie die Fig. 4 zeigt, werden die Steuerimpulse bezüglich ihrer Impulslängen te (Einschaltung als Schaltreglerstellgliedes) im Gegensatz zu den Impulslängen ta (Ausschaltung des Schaltreglerstellgliedes) im Falle 1:

UE < U_ref′, verkleinert

und im Falle 2:

UE < U_ref′, vergrößert.

Ein Unterschreiten der durch die Kennlinienstücke I bis III vorgegebenen Linie ist somit ausgeschlossen - undefinierte und unerwünschte Betriebszustände können somit nicht auftreten.

In Fig. 5 ist ein Stromlaufplan zur Steuerung des Schaltreglerstellgliedes F1 dargestellt. Der Stromsensor SI für den Eingangsstrom IE besteht aus dem Stromwandler SW. Der vom Stromwandler erfaßte Eingangsstrom IE wird integriert (R5, C1) und der aus dem Operationsverstärker Op2 und dem Feldeffekttransistor F2 gebildeten Stromquelle QI als Steuersignal zugeführt. Als Steuerschaltung PBM mit integriertem Pulsbreitenmodulator ist hier der Baustein 3843 von Unitrode verwendet. Die Referenzspannung U_ref am Pin 8 dieses Bausteins ist erst dann verfügbar, wenn die Versorgungsspannung UV, zugeführt am Pin 7, einen Schwellwert überschritten hat. Für einen langsamen Anlauf ist hier eine zusätzliche Beschaltung vorgesehen, bestehend aus den Feldeffekttransistoren F3 und F4 und dem Bipolartransistors T1. Wenn die Referenzspannung U_ref erscheint, wird der Feldeffekttransistor F3 leitend. Dies führt zum Sperren des Feldeffekttransistors F4. Über den nun freigegebenen Bipolartransistor T1, der über Pin1 auf den Pulsbreitenmodulator einwirkt, wird letzterer freigegeben und die Steuerung erfolgt nun über das Ausgangssignal des Optokopplers OK und das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers OP1.

Claims (4)

1. Verfahren zur Beeinflussung des Anlaufverhaltens eines Schaltreglers, welcher über einen Widerstand (RL) an einer Gleichspannungsquelle (QU) betrieben wird mit folgenden Schritten:

• - Erfassen eines Signals proportional zur Eingangsspannung (UE) des Schaltreglers,
• - Erfassen eines Signals proportional zum Energieaufnahmestrom (IE) des Schaltreglers,
• - Steuern einer Stromquelle (QI) in Abhängigkeit des Energieaufnahmestroms (IE),
• - Beaufschlagen eines auf die Steuerschaltung (PBM) des Schaltreglerstellgliedes (F1) wirkenden Fehlerverstärkers (OP1) mit dem eingangsspannungsproportionalen Signal des Schaltreglers einerseits und einer Differenzspannung (U_ref′) andererseits, die aus der Differenz einer vorgegebenen Referenzspannung (U_ref) und einer Hilfsspannung (UH) gebildet wird, wobei die Hilfspannung (UH) jeweils proportional zur augenblicklichen Höhe des von der Stromquelle (QI) getriebenen Stromes (IQ) gewählt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung (UH) und der Energieaufnahmestrom (IE) des Schaltreglers proportional zueinander gewählt werden und daß der Proportionalitätsfaktor so gewählt wird, wie die Steigung jener Kennlinie, die sich aus den Arbeitspunkten einer Mehrzahl von in Kette geschalteten und gleich aufgebauten Schaltreglern (SR1, SR2,....SRn) ergibt, die von der Gleichspannungsquelle (QU) gemeinsam gespeist werden und jeweils durch einen Leitungswiderstand (R) voneinander getrennt sind.

3. Schaltregler, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen:

• - einem Stromsensor (SI) zur Messung des Energieaufnahmestroms (IE) des Schaltreglers,
• - einem Spannungssensor (R3, R4) zum Erfassen der Eingangsspannung (UE) des Schaltreglers,
• - einer gesteuerten Stromquelle (QI), deren Steuereingang an den Stromsensor (SI) angeschlossen ist,
• - einer Referenzspannungsquelle (QR),
• - einem Fehlerverstärker (OP1), dessen erster Eingang sowohl über einen ersten Widerstand (R1) mit der Referenzspannungsquelle (QR) als auch über einen zweiten Widerstand (R2) mit der Stromquelle (QI) verbunden ist und dessen zweiter Eingang an den Spannungssensor (R3, R4) angeschlossen ist,
• - einer Steuerschaltung (PBM) über welche der Ausgang des Fehlerverstärkers (OP1) mit dem Stelleingang des Schaltreglerstellgliedes (F1) verbunden ist.

4. Anwendung mehrerer nach Anspruch 3 aufgebauter und in Kette geschalteter Schaltregler in einem Fernspeisesystem.