DE4308503A1 - Schaltregler insbesondere zum Betrieb an Verbrauchern mit kapazitivem Anteil - Google Patents
Schaltregler insbesondere zum Betrieb an Verbrauchern mit kapazitivem AnteilInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Schaltregler, insbesondere zum
Betrieb an Verbrauchern mit kapazitivem Anteil, sowie eine
Anordnung bestehend aus einem Schaltregler mit
nachgeschaltetem Sperrwandler-, Flußwandler oder
Gegentaktgleichspannungswandler.
Schaltregler werden oft als Vorregler für nachgeschaltete
Gegentaktgleichspannungswandler benutzt (DE 41 20 147 A1, DE
38 40 385 A1, DE 29 41 009 C2), insbesondere wenn die
Eingangsspannung stark variiert.
Schaltregler, die an Verbrauchern mit hohem kapazitivem Anteil
betrieben werden, müssen während einer Anlaufphase,
insbesondere während der Ladephase der Kapazitäten, einen
hohen Ladestrom bereitstellen und so ausgelegt sein, daß sie
auch für diesen Betriebsfall ein stabiles Regelverhalten
aufweisen.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es einen Schaltregler
anzugeben, der für Verbraucher mit kapazitivem Anteil
einsetzbar ist und ein gutes dynamisches Verhalten
insbesondere bei Lastwechseln aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Ansprüche 2 und 3 betreffen Anordnungen, in denen der
Schaltregler nach Anspruch 1 als Vorregler arbeitet. Die
weiteren Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen auf.
Die Maßnahmen der Erfindung beruhen auf folgenden
Erkenntnissen:
Im Normalbetrieb soll der Schaltregler eine hohe
Regelverstärkung aufweisen, damit er ein gutes dynamisches
Verhalten aufweist, d. h. auf Lastsprünge schnell reagieren
kann. Während einer Anlaufphase, bzw. beim Laden der
Kapazitäten eines Verbrauchers wird die Regelverstärkung des
Schaltreglers zurückgenommen, damit kein instabiles Verhalten
auftritt. Bei dem Schaltregler nach der Erfindung kann die
ausgangsseitige Kapazität des Schaltreglers gegenüber
herkömmlichen Lösungen verringert werden, ohne daß Nachteile
auftreten. Diese Maßnahme beruht auf der Erkenntnis, daß die
im Ausgangskreis/in den Ausgangskreisen eines nachgeschalteten
Sperrwandlers, Flußwandlers bzw.
Gegentaktgleichspannungswandlers befindlichen Kapazitäten,
z. B. ausgangsseitigen Glättungskapazitäten, Streukapazitäten,
zum Ausgang des Vorreglers hin transformiert werden. Eine hohe
Regelverstärkung des Schaltreglers/Vorreglers im Normalbetrieb
kann somit eingestellt werden. Für die Anlaufphase wird die
Regelverstärkung des Schaltreglers/Vorreglers demgegenüber
reduziert, um die Schwingneigung zu vermindern. Diese
Reduzierung der Regelverstärkung in der Anlaufphase stört
nicht, da ein angeschlossener Sperrwandler, Flußwandler bzw.
Gegentaktgleichspannungswandler in diesem Betriebsfall sowieso
noch nicht wirksam ist. Während der Anlaufphase, z. B. eines
Gegentaktwandlers gemäß der deutschen Patentanmeldung P 42 34
769.6, transformieren sich die Ausgangskapazitäten des
Gegentaktwandlers noch nicht zum Ausgang des Vorreglers hin,
da der Gegentaktwandler in diesem Betriebsfall nur mit kurzen
Einschaltimpulsen betrieben wird. In diesem Falle müßte die
ausgangsseitige Kapazität des Vorreglers sehr groß sein, damit
der Vorregler stabil ist. Durch die Maßnahmen der Erfindung
ist es nicht notwendig den ausgangsseitigen Kondensator des
Vorreglers für diesen Betriebsfall zu dimensionieren, d. h. für
die Kapazität einen hohen Wert zu wählen.
Anhand der Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der
Erfindung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Schaltreglers nach der
Erfindung, der als Vorregler für einen
Gegentaktgleichspannungswandler dient,
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild eines Schaltreglers nach der
Erfindung,
Fig. 3 den Frequenzgang der Verstärkung des Schaltreglers mit
einem Verbraucher, der einen kapazitiven Anteil aufweist, und
Fig. 4 Signalverläufe zur Aufbereitung von Steuerpulsen
Fig. 1 zeigt als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung
einen Schaltregler SR, der als PID-Regler aufgebaut ist, und
dem ein Gegentaktgleichspannungswandler GW nachgeschaltet ist.
Das Stellglied des Schaltreglers SR besteht aus dem Schalter
S1, beispielsweise einem Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor.
Die Eingangsgleichspannungsquelle QE des Schaltreglers ist
über das Stellglied S1 mit der Glättungsinduktivität GI des
Schaltreglers SR verbunden. Die Freilaufdiode DF ist zwischen
Massepotential der Eingangsgleichspannungsquelle und die
Verbindung des Schalters S1 mit der Glättungsinduktivität GI
geschaltet. Am Schaltreglerausgang - Klemmen 1, 2 - befindet
sich der Kondensator CA. An diesem Kondensator CA fällt die
Ausgangsspannung US des Schalterreglers ab, die die
Eingangsspannung für den nachgeschalteten
Gegentaktgleichspannungswandler GW bildet. Der Schaltregler SR
arbeitet demnach als Vorregler für den
Gegentaktgleichspannungswandler GW.
Die Ausgangsspannung US wird über einen Sensor erfaßt und
einem Fehlerverstärker FV zugeleitet. Der Sensor kann
beispielsweise aus einem oder mehreren Meßwiderständen
und/oder Meßwandler bestehen. Im ausgeführten Beispiel besteht
er aus einem Widerstands-Spannungsteiler R2, R3.
Der Ausgang des Sensors - hier Mittelabgriff des
Spannungsteilers R2, R3 - ist über einen Widerstand R1 mit dem
Fehlersignaleingang des Fehlerverstärkers FV verbunden. Der
Widerstand R1 ist erfindungsgemäß für mindestens einen
vorgegebenen Betriebsfall des nachgeschalteten Verbrauchers -
hier Gegentaktgleichspannungswandler GW - niederohmig
überbrückbar. Zu dieser niederohmigen Überbrückung ist
beispielsweise, wie dargestellt, ein elektronischer Schalter
F1 in Form eines MOS-Feldeffekttransistors geeignet, der über
die Steuerschaltung ST aktivierbar ist. Der Fehlerverstärker
FV vergleicht ein von der Schaltregler-Ausgangsspannung US
abgeleitetes Signal mit der Referenzspannung Ur und gibt in
Abhängigkeit dieses Vergleiches ein Fehlersignal an den
Pulsbreitenmodulator PBM oder alternativ hierzu an einen
Pulsfrequenzmodulator ab, der die Steuerpulse für das
Stellglied S1 liefert. Der Pulsbreitenmodulator PBM erhält als
weitere Steuersignale ein periodisches Sägezahnsignal SZ und
ein Pulssignal PS. Die Aufbereitung des Sägezahnsignals und
des Pulssignals sowie gegebenenfalls Zusatzsignalen, z. B.
eines eingangsstromproportionalen Signals, mit Optimierung des
Regelverhaltens sind der EP 355 333 B1 entnehmbar.
Wenn der Schalter F1 geöffnet ist, ist die Regelverstärkung in
der Regelschleife des Schaltreglers SR gegenüber dem normalen
Betriebszustand - Schalter F1 geschlossen - herabgesetzt.
Dieser Betriebszustand liegt beispielsweise dann vor, wenn
sich der Gegentaktgleichspannungswandler GW in einer
Anlaufphase befindet; d. h. die Einschaltimpulse für seine
Gegentaktschalter S2 und S3, die ebenfalls von der
Steuerschaltung ST aufbereitet werden, sind noch relativ kurz
und seine ausgangsseitigen Kondensatoren C1 und C2 in den
Gegentaktausgängen sind noch nicht geladen. In diesem Falle
transformieren sich die Kapazitäten der Kondensatoren C1 und
C2 noch nicht mit dem Übersetzungsverhältnis des
Transformators Tr des Gegentaktgleichspannungswandlers GW zum
Ausgang des Vorreglers/Schaltreglers SR hin. Um in diesem
Falle den Vorregler stabil zu halten, müßte am Ausgang des
Vorreglers eine hohe Kapazität wirksam sein, die den Nachteil
hätte, daß das dynamische Verhalten der Gesamtanordnung
(Schaltregler SR) und Gegentaktgleichspannungswandler GW);
d. h. die Reaktion z. B. auf Lastsprünge, zu träge wäre. Hohe,
bzw. zusätzliche Kapazitäten beanspruchen Platz und Gewicht,
was beim Einsatz für Satelliten nachteilig ist. Um diesen
Nachteil zu vermeiden, wird bei der Erfindung bewußt ein
anderer Weg gewählt. Die ausgangsseitige Kapazität CA des
Schaltreglers SR wird bewußt geringer bemessen, als es für die
Anlaufphase erforderlich wäre, und um dennoch ein stabiles
Verhalten zu erreichen, wird die Regelverstärkung in der
Regelschleife des Schaltreglers herabgesetzt.
Nach Beendigung der Anlaufphase des
Gegentaktgleichspannungswandlers GW wird der Schalter F1
geschlossen. Die Kapazitäten C1 und C2 werden nun zum Ausgang
des Vorreglers/Schaltreglers SR hin transformiert, so daß die
dort wirksame Kapazität hoch genug ist, um auch bei erhöhter
Regelverstärkung im Regelkreis des Vorreglers Stabilität zu
erreichen.
Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des Schaltreglers nach Fig.
1. Die Eingangsspannung Ui wird über ein PID-Glied geführt.
Die Ausgangsspannung U1 des PID-Gliedes steuert eine
Stromquelle, die den Strom I=γU1 für den Verbraucher, hier
durch den Widerstand RL und die Kapazität CL symbolisiert,
liefert. Der Frequenzgang der Verstärkung V (ω) ist in Fig. 3
für eine Anlaufphase dargestellt. Die Kurve I zeigt, daß bei
kleiner ausgangsseitiger Kapazität die Verstärkung zu groß ist
und damit instabiles Verhalten auftritt. Die Kurve II zeigt
die Übertragungsfunktion bei großer ausgangsseitiger
Kapazität. Die Kurve III stellt den Frequenzgang der
Verstärkung bei Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung
dar.
Zur Aufbereitung der Steuerpulse für den Schalter F1 können
die Schaltsignale für die Schalter S2, S3 des
Gegentaktgleichspannungswandlers GW herangezogen werden, z. B.
die Einschaltflanke des Schaltsignals SC für den Schalter S2
(Fig. 4). Mit dieser Einschaltflanke zum Zeitpunkt t1 wird ein
Monoflop MF getriggert, dessen Haltezeit z. B. 25 ms
(entspricht t2-t1) beträgt. Diese Haltezeit ist etwas größer
gewählt als die Anlaufzeit des
Gegentaktgleichspannungswandlers GW. Die Gatespannung UG für
den MOS-Feldeffekttransistor F1 ist in Fig. 4 ebenfalls
dargestellt.
Damit beim Schalten dieses MOS-Feldeffekttransistors F1 die
Regelschleife nicht gestört wird, erfolgt das Einschalten
dieses MOS-Feldeffekttransistors F1 über einen sehr
hochohmigen Gatewiderstand R4. Die Gate-Source-Kapazität wird
so relativ langsam geladen, wohingegen das Abschalten des MOS-
Feldeffekttransistors F1 über einen relativ niederohmigen
Widerstand R5 erfolgt (siehe Verläufe der Gatespannung UG in
Fig. 4).
Der Schaltregler SR kann natürlich auch als Vorregler für
einen Sperrwandler oder Flußwandler dienen. Hier können die
Ausgangskapazitäten in den Ausgangskreisen ebenso
transformiert werden und dazu ausgenutzt werden, daß eine hohe
Regelverstärkung in der Regelschleife bei kleinem
ausgangsseitigen Kondensator CA erreichbar ist.
Entsprechend können die Steuerpulse für den Schalter F1 auch
von den Einschalt- oder Ausschaltpulsen für den Sperrwandler
oder Flußwandler abgeleitet werden. Wird einer von mehreren
Ausgängen des Sperrwandlers, Gegentaktgleichspannungswandlers
oder Flußwandlers abgeschaltet, so kann der Schalter F1
hochohmig geschaltet werden, weil in diesem Falle die
transformierte Kapazität der/des verbleibenden
Ausgänge/Ausgangs nicht mehr ausreicht, um Stabilität zu
erreichen, oder es kann, zur Verminderung der Regelverstärkung
für diesen Fall, nur ein Teil des Widerstandes R1 überbrückt
werden oder ein Widerstand anderer Größe zwischen Sensor und
Fehlerverstärker FV geschaltet werden.
Claims (7)
1. Schaltregler (SR), insbesondere zum Betrieb an Verbrauchern
mit kapazitivem Anteil, mit folgenden Merkmalen:
- - die ausgangsseitige Kapazität (CA) des Schaltreglers ist geringer bemessen als es der für die Betriebsfälle eines nachgeschalteten Verbrauchers (GW) notwendigen Kapazität entspricht,
- - die Steuerschaltung (ST) des Schaltreglers (SR) weist Mittel (R1, F1) auf zur Herabsetzung der Regelverstärkung des Schaltreglers für mindestens einen vorgegebenen Betriebsfall des nachgeschalteten Verbrauchers (GW).
2. Anordnung bestehend aus einem Schaltregler (SR) nach
Anspruch 1 und einem Sperrwandler oder Flußwandler mit einem
oder mehreren Ausgangskreisen als nachgeschaltetem
Verbraucher.
3. Anordnung bestehend aus einem Schaltregler nach Anspruch 1
und einem Gegentaktgleichspannungswandler (GW) als
nachgeschaltetem Verbraucher.
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerschaltung (ST) des Schaltreglers (SR) so
ausgebildet ist, daß seine Regelverstärkung während einer
Anlauf- oder Belastungsänderungsphase des Sperrwandlers,
Flußwandlers bzw. Gegentaktgleichspannungswandlers (GW)
herabsetzbar ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuerschaltung (ST) zur Aufbereitung des Stellsignals für das
Schaltregler-Stellglied (S1) einen Fehlerverstärker (FV) und
einen Sensor (R2, R3) zur Erfassung der Schaltregler-
Ausgangsspannung (US) aufweist, wobei der Fehlersignaleingang
des Fehlerverstärkers (FV) mit dem Sensor (R2, R3) über einen
Widerstand (R1) verbunden ist, der außerhalb einer Anlauf-
oder Belastungsänderungsphase des Sperrwandlers (SW) bzw.
Gegentaktgleichspannungswandlers (GW) mittels eines
elektronischen Schalters (F1) niederohmig überbrückbar ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
elektronische Schalter (F1) über die Schaltpulse für den
Sperrwandler (SW) bzw. die Schaltpulse für den Flußwandler
oder Gegentaktgleichspannungswandler (GW) triggerbar ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß als elektronischer Schalter (F1) ein
Feldeffekttransistor vorgesehen ist, der über einen
hochohmigen Gatewiderstand (R4) langsam einschaltbar ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934308503 DE4308503A1 (de) | 1993-03-18 | 1993-03-18 | Schaltregler insbesondere zum Betrieb an Verbrauchern mit kapazitivem Anteil |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934308503 DE4308503A1 (de) | 1993-03-18 | 1993-03-18 | Schaltregler insbesondere zum Betrieb an Verbrauchern mit kapazitivem Anteil |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4308503A1 true DE4308503A1 (de) | 1994-09-22 |
Family
ID=6483046
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19934308503 Withdrawn DE4308503A1 (de) | 1993-03-18 | 1993-03-18 | Schaltregler insbesondere zum Betrieb an Verbrauchern mit kapazitivem Anteil |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4308503A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1630936A3 (de) * | 2004-08-26 | 2006-03-08 | Favess Co., Ltd. | Aufwährtswandler und elektrische Servolenkungsvorrichtung |
-
1993
- 1993-03-18 DE DE19934308503 patent/DE4308503A1/de not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1630936A3 (de) * | 2004-08-26 | 2006-03-08 | Favess Co., Ltd. | Aufwährtswandler und elektrische Servolenkungsvorrichtung |
US7583069B2 (en) | 2004-08-26 | 2009-09-01 | Jtekt Corporation | Booster |
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