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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsfaktorregler,
der die nachfolgenden Elemente umfasst:
- – einen
Gleichrichter zum Empfangen einer AC-Spannung von einer Spannungsquelle
und zum Gleichrichten der genannten AC-Spannung,
- – eine
Schaltstromversorgung zur Steuerung des Stromes in dem Gleichrichter
und
- – eine
Rückkopplungsstrecke
zur Rückkopplung
einer Ausgangsspannung eines Leistungsfaktorreglers zu einem Steuerblock,
wobei dieser Steuerblock eine Bandbreite hat entsprechend der Frequenz
der Spannungsquelle oder größer als
dieselbe. Ein derartiger Leistungsfaktorregler kann auf vorteilhafte
Weise in jedem beliebigen elektronischen Gerät, das den IEC61000-3-2 Anforderungen
entspricht, beispielsweise in einem Fernsehgerät, implementiert werden.
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Zum
Erhalten einer relativ konstanten DC-Ausgangsspannung von einer
schwingenden (normalerweise sinusförmigen) Spannungsquelle, wird
diese Spannung üblicherweise
mit einer Gleichrichterbrücke,
die aus vier Dioden und einem Kondensator besteht, gleichgerichtet.
Eine derartige einfache Lösung
führt zu
einem AC-Leitungseingangsstrom mit einem hohen harmonischen Inhalt,
da ein Spitzenstrom ebenso hoch ist wie die Ladezeit des Kondensators
kurz ist. Dies führt
auch zu unerwünschten
Verlusten in dem Gleichrichter. Deswegen wurden Anstrengungen angestellt
zum Einführen
eines Schaltnetzteils ("switch
mode power supply" (SMPS))
und zum Durchführen
einer geeigneten Steuerung des Schaltnetzteils. Der Eingangsstrom
zu dem Schaltnetzteil kann sinusförmig sein (beispielsweise mit
Hilfe eines Leistungsfaktorreglers), oder trapezförmig (blockförmig). Derartige
Systeme werden heutzutage als Leistungsfaktorregler in verschiedenen
elektronischen Geräten
verwendet.
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Es
dürfte
einleuchten, dass in einem Gleichrichtersystem mit einer AC-Eingangsspannung,
die eine konstante Leistungsladung speist, die Ausgangsspannung
von dem Schaltnetzteil immer eine Welligkeitsspannung mit der doppelten
Frequenz der Spannungsfrequenz haben wird. Wenn die Spannungsregelschleife,
die dazu entworfen ist, die Ausgangsspannung des Leistungsfaktorreglers
bei einer Änderung
der Umstände
auf einem vorbestimmten Pegel zu halten, versuchen wird, die Welligkeit
zu eliminieren, wird die gewünschte Stromform
verzerrt, und in dem Eingangsstrom treten zusätzliche Harmonische auf. Um
diesen Nachteil zu vermeiden kann die Frequenzbandbreite der Steuerschleife
auf einen sehr niedrigen Wert (unterhalb 50 Hz, typischerweise 8–10 Hz)
begrenzt werden, wodurch der Einfluss der AC-Quelle in dem System
eliminiert wird. Mit einer derart niedrigen Bandbreite ist die Welligkeit
in der Ausgangsspannung für
die Steuerschleife "unsichtbar", und folglich werden
durch die Steuerschleife keine Anstrengungen angestellt um die Welligkeit
zu reduzieren. Die niedrige Bandbreite führt aber zu sehr langsamen
Systemcharakteristiken, was zu einer unbefriedigenden Reaktion auf Änderungen
in der Belastungsimpedanz führt.
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Deswegen
ist eine höhere
Bandbreite in der Rückkopplungsschleife
erwünscht,
vorzugsweise höher als
die Frequenz der AC-Quelle, d. h. normalerweise die Netzfrequenz,
beispielsweise 50–60
Hz. Der Nachteil dieser Lösung
ist, wie bereits erwähnt,
dass die Welligkeit auf der Ausgangsspannung in der Rückkopplungsschleife
zurückgekoppelt
wird und verursacht, dass der Eingangsstrom zu dem Schaltnetzteil
von der idealen Wellenform abweicht.
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Es
ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Leistungsfaktorregler
mit hoher Bandbreitenspannungsrückkopplung
zu schaffen, der das oben genannte Problem löst.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird diese und andere Aufgaben gelöst durch
einen Leistungsfaktorregler der eingangs beschriebenen Art, wobei
die Rückkopplungsstrecke
ein Bandpassfilter aufweist, das mit der genannten Ausgangsspannung
verbunden ist, und Mittel zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals auf Basis
der Ausgangsspannung und eines Ausgangssignals von dem genannten
Bandpassfilter, wobei das genannten Rückkopplungssignal Welligkeit
um das Durchlassband des Filters herum reduziert hat.
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Das
Bandpassfilter funktioniert zum Selektieren von Spannungsschwingungen
um das Durchlassband herum und dieses Ausgangssignal wird danach
verwendet zum Bilden einer im Wesentlichen welligkeitsfreien Steuerrückkopplung.
Dadurch, dass die Welligkeitsreduktion mit Hilfe eines Bandpassfilters
vorgeformt wird, kann die Eliminierung der Welligkeit ohne Aufopferung
der Bandbreite der Steuerschleife durchgeführt werden, wodurch eine schnelle
Reaktion auf plötzliche Änderungen
in der Belastung ermöglicht
wird.
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Durch
Eliminierung der Welligkeit in der Spannungsrrückkopplungsschleife verschwendet
der Leistungsfaktorregler keine Energie an einem Versuch, diese
Welligkeit zu steuern, was durch die AC-Quelle inhärent vorhanden
ist.
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Ein
Leistungsfaktorregler nach der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise
in LCD-Monitoren verwendet werden, die eine Eingangsleistung größer als
75 W erfordern.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
umfassen die Mittel zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals einen Subtrahierer,
von dem eine erste Eingangsklemme mit der genannten Ausgangsspannung
verbunden ist, und von der eine zweite Eingangsklemme mit dem Ausgangssignal
des genannten Bandpassfilters verbunden ist, zum Erzeugen eines
Rückkopplungssignals
entsprechend der Differenz zwischen der genannten Ausgangsspannung
und dem genannten Filterausgangssignal.
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Nach
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
ist das Bandpassfilter ein invertierendes Filter und die Mittel
zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals
umfassen einen Addierer, von dem eine erste Eingangsklemme mit der
genannten Ausgangsspannung verbunden ist, und von der eine zweite
Eingangsklemme mit dem genannten Ausgangssignal des Bandpassfilters
verbunden ist, zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals entsprechend
der Summe der genannten Ausgangsspannung und des genannten Filterausgangssignals.
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Das
Bandpassfilter hat vorzugsweise eine Mittenfrequenz (wo) im Wesentlichen
gleich der doppelten Speisespannungsfrequenz. Dies sorgt für eine effiziente
Eliminierung der Welligkeit, herrührend aus der AC-Quelle.
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Nach
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
besteht das Bandpassfilter aus zwei einzelnen Bandpassfiltern mit
verschiedenen Durchlassbändern,
die zueinander parallel geschaltet sind und deren Ausgänge zusammen
addiert werden. Dies ist vorteilhaft in Leistungsfaktorreglern,
die über
große
Marktgebiete verteilt werden, einschließlich Länder mit verschiedenen Netzfrequenzen.
Vorzugsweise liegt das eine Durchlassband in dem Intervall 90–110 Hz,
und das andere Durchlassband liegt in dem Intervall 110–130 Hz,
damit auf effiziente Weise Welligkeit, herrührend aus 50 Hz oder 60 Hz
Netzfrequenzen, selektiert werden können.
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Der
Schaltnetzteil kann beispielsweise einen Impulsbreitenmodulator
aufweisen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden
Fall näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Leistungsfaktorreglers nach der vorliegenden
Erfindung,
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2 ein
detailliertes Schaltbild des Leistungsfaktorreglers nach 1,
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3 ein
Blockschaltbild eines möglichen
Filterentwurfs nach der vorliegenden Erfindung,
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4 ein
Diagramm der Eingangsströme
und Ausgangsspannungen.
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Der
Leistungsfaktorregler 1 aus 1 umfasst
einen Gleichrichter 2, einen Schaltnetzteil (SMPS) 3, mit
beispielsweise einem Impulsbreitenmodulator, und eine Rückkopplungsstrecke 4.
Der Gleichrichter 2 empfängt eine AC-Spannung (VAC) von einer Quelle 5, vorzugsweise
aus dem Versorgungsnetz, und liefert einen DC-Strom (IL)
zu einer Last 6. Der Schaltnetzteil 3 steuert
den Strom durch den Gleichrichter, wodurch der harmonische Inhalt
des Stromes abnimmt. Der Schaltnetzteil 3 empfängt ein
Spannungssteuersignal (Vc) aus der Rückkopplungsstrecke 4.
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2 zeigt
detailliert ein Beispiel eines Leistungsfaktorreglers 1 mit
einer Gleichrichterbrücke 2 mit vier
Dioden und einer Spule 8, und einen Schaltnetzteil 3 mit
einem Steuerblock 7. Wie aus 2 ersichtlich treibt
der Steuerblock 7 ein Schaltelement 9 an, das
in Reihe mit der Spule 8 verbunden ist, und empfängt einen
Messwert des Stromes ifeed über den
Stromfühlwiderstand
R1. Weiterhin liefert eine Rückkopplungsstrecke 4 Spannungsrückkopplung
zu dem Steuerblock 7.
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Nach
der vorliegenden Erfindung umfasst die Rückkopplungsstrecke 4 ein
Bandpassfilter 10, und einen Subtrahierer 11.
Die Eingangsklemme 12 des Filters 10 ist mit der
Ausgangspannung Vo verbunden und das Ausgangssignal
(Vb) ist mit der negativen Eingangsklemme 13 des
Subtrahierers 11 verbunden. Die positive Eingangsklemme 14 des
Subtrahierers ist unmittelbar mit der Ausgangsspannung Vo verbunden. Das Ausgangssignal des Subtrahierers
(Vc), das dem Steuerblock 7 zugeführt wird,
ist folglich gleich der Ausgangsspannung Vo minus
dem Ausgangssignal Vb des Filters.
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Das
Bandpassfilter
10 kann in der einfachsten Form die nachfolgende Übertragungsfunktion
haben:
wobei
k
0 die maximale Verstärkung des Filters ist,
w
0 die gewünschte
Mittenfrequenz des Bandpassfilters ist, derart gewählt, dass
dies der doppelten AV-Eingangsfrequenz entspricht (die normalerweise
50 oder 60 Hz ist),
Q ein Qualitätsfaktor ist, der die Breite
des Filters beeinflusst (je höher
Q, umso schmaler das Filter), und
s die komplexe Frequenz ist.
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Die
Toleranz der Elemente in dem Filter und die Anforderungen an die
Stabilität
der Steuerschleife, begrenzen den Wert von Q und beim Testen wurde
ein Wert von etwa 5 gewählt.
Wie erwähnt,
ist die gewünschte
Mittenfrequenz des Bandpassfilters abhängig von der Frequenz in dem
Versorgungsnetz, und da diese Frequenz in verschieden Teilen der
Welt verschieden ist, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt,
ein Filter zu entwickeln, das seine Funktion für Netzfrequenzen gleich 50
Hz sowie 60 Hz erfüllt,
d. h. Eliminierung von Welligkeit mit einer Frequenz von 100 Hz
oder 120 Hz. Ein derartiger Filterentwurf ist in 3 dargestellt.
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Das
Filter 10 umfasst in diesem Fall zwei verschiedene Bandpassfilter 21 und 22,
je mit einem Standard-Bandpassentwurf entsprechend der oben stehenden
Formel 1, aber mit verschiedenen Bandpass-Mittenfrequenzen ω0,1 und ω0,2. Zum Hervorrufen eines Bandpasseffektes
mit den gewünschten
Charakteristiken soll ω0,1 um 94 Hz herum und ω0,2 um
126 Hz liegen.
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Ein
alternativer Entwurf der Steuerschleife ist ein Phasenverschiebungsfilter
zu implementieren, und das Ausgangssignal Vb des
Filters zu dem Ausgangssignal Vo zu addieren
statt es davon zu subtrahieren. In diesem Fall, wenn ein Doppelfilter
nach 3 verwendet wird, soll man darauf achten, dass
die Phasenverschiebung des Filters in der Nähe von 180 Grad liegt, damit
die invertierende Qualität
des Filters beibehalten wird.
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In
Tests führte
ein Filter, bestehend aus zwei invertierenden Bandpassfiltern mit ω0,1 = 94,4 und ω0,2 = 126,5
zu einem Ausgangssignal vom Filter etwa gleich 1/6 von 100 Hz Welligkeit
sowie 120 Hz Welligkeit.
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4 ist
ein Diagramm mit Kurven, die Eingangsströme (31, 32)
und Ausgangsspannungen (33, 34), gemessen mit
und ohne die Rückkopplungsstrecke
nach der vorliegenden Erfindung darstellen. Wie aus 4 ersichtlich
ist die Ausgangsspannung im Wesentlichen ungeändert, wobei die 100 Hz Welligkeit
beibehalten wird. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung zeigt sich,
wenn die Eingangsströme
näher betrachtet
werden. Ohne das Bandpassfilter wird die trapezartige Form des Eingangsstromes
durch eine Welligkeit verzerrt, deutlich sichtbar zwischen den Punkten
A und B auf der Kurve 31. Mit dem Bandpassfilter wird der
Eingangsstrom andererseits weniger verzerrt, was zu einem viel stabileren
Eingangsstrom zwischen den Punkten A und B in der Kurve 32 führt.
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Die
oben stehende Beschreibung ist nicht gemeint, den Rahmen der beiliegenden
Patentansprüche zu
beschränken,
sondern vielmehr als Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform.
Dem Fachmann dürften verschiedene
Abwandlungen von dieser Ausführungsformen
einfallen, beispielsweise mit anderen Filterentwürfen. Der erfinderische Konzept,
deutlich aus den Ansprüchen,
ist die Verwendung einer bandpassgefilterten Ausgangsspannung zum
Reduzieren oder zum Eliminieren der Welligkeit in dem Rückkopplungssignal.
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1
- 6
- Last
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2
- 7
- Steuerung
- 6
- Last
