DE1262416B - Schaltungsanordnung zur Speisung einer Last mit einem konstanten Gleichstrom - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES VWWWi- PATENTAMT Int. Cl.:

AUSLEGESCHRIFT

G05f

H02p

Deutsche Kl.: 21c-67/10

Nummer: 1262 416

Aktenzeichen: G 37732 VIII b/21 c

Anmeldetag: 10. Mai 1963

Auslegetag: 7. März 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer Last mit einem konstanten Gleichstrom.

Es ist bereits aus der Zeitschrift »L'Onde Electrique« t. XXXIX, Heft Oktober 1959, S. 795 bis 801, eine derartige Schaltungsanordnung bekannt, bei der ein Wechselstrom über eine Regeldrossel an einen Gleichrichter angeschaltet ist, der mit der Last in Verbindung steht. Bei der bekannten Anordnung steuert die Regelabweichung einen zweistufigen Oszillator in der Frequenz, während die Ausgangsspannung des Oszillators über die genannte frequenzabhängige Regeldrossel dem die Last beaufschlagenden Gleichrichter zugeführt wird. Der Nachteil dieser Schaltungsanordnung besteht darin, daß die Regeldrossel den gesamten an die Last abgegebenen Strom unmittelbar steuern muß, so das sie verhältnismäßig groß ausgebildet sein muß. Die gesamte Schaltungsanordnung stellt also ein mit dem verhältnismäßig hohen Gewicht einer unförmigen Regeldrossel belastetes Gerät dar, das in der Handhabung unpraktisch ist und neben dem großen Gewicht auch einen nicht unerheblichen Platzbedarf beansprucht.

Durch die USA.-Patentschrift 2 991410 ist auch bereits eine Schaltungsanordnung eines impulsbreitengesteuerten Gleichspannungswandlers bekannt, bei der die Steuerung nicht im Leistungskreis, wie bei der oben erläuterten bekannten Schaltungsanordnung, sondern im Steuerkreis, d.h. in einem Vorkreis erfolgt, so daß dadurch der Aufwand für die Bauteile verringert wird.

Die beiden bekannten Schaltungsanordnungen arbeiten mit Frequenz- bzw. Impulsbreitensteuerung, wodurch von Natur aus ein verhältnismäßig hoher theoretischer Wirkungsgrad erzielbar ist.

Wenn jedoch weniger ein hoher Wirkungsgrad, sondern mehr eine hohe Regelverstärkung bei gegenüber den bekannten impulsgesteuerten Schaltungsanordnungen verhältnismäßig geringem Aufwand erzielt werden soll, ist es vorteilhaft, von dem bekannten Prinzip der Amplitudensteuerung Gebrauch zu machen.

Eine auf diesem Prinzip beruhende Schaltungsanordnung zur Speisung einer Last mit einem konstanten Gleichstrom ist durch die USA.-Patentschrift 2 987 664 bekannt. Sie arbeitet mit einem Wechselrichter, einer an dessen Ausgang angeschlossenen Gleichrichterschaltung zum Erzeugen des Speisestromes für die Last und einer Einrichtung zum Steuern des Verstärkers mit einem Wechselstromsteuersignal, dessen Amplitude abhängig vom Wert des erzeugten Gleichstromes ist und das den Wech-Schaltungsanordnung zur Speisung einer Last mit einem konstanten Gleichstrom

Anmelder:

The General Electric Company Limited, London

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke

und Dipl.-Ing. H. Agular, Patentanwälte,

8000 München 27, Pienzenauer Str. 2

Als Erfinder benannt:

John Philip Clarke, Coventry, Warwickshire

(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 11. Mai 1962 (18 231)

selstromverstärker im Sinn einer Konstanthaltung des Gleichstromes beeinflußt. Bei der bekannten Schaltungsanordnung umfaßt die den Wechselstromverstärker steuernde Einrichtung einen Rechteckwellenoszillator, der von einem von der Regelabweichung gesteuerten Gleichspannungsverstärker gespeist wird und eine sich mit seiner Speisespannung ändernde Rechteckwechselspannung als Steuersignal für den Wechselstromverstärker abgibt.

Diese nach dem Amplitudenmodulationsprinzip arbeitende Schaltung, auf die sich auch die vorliegende Erfindung bezieht, hat naturgemäß den Nachteil, daß der Wirkungsgrad vom Aussteuerungszustand des Wechselstromverstärkers abhängig ist. Es gibt jedoch Fällen, bei denen es auf die Erzielung eines hohen Wirkungsgrades nicht unbedingt ankommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer Last mit einem konstanten Gleichstrom zu schaffen, die gegenüber den bekannten Anordnungen eine einfachere Steuerschaltung bei hoher Regelverstärkung aufweist. Die Erfindung geht aus von der vorstehend genannten bekannten Anordnung und löst die Aufgabe dadurch, daß die den Wechselstromverstärker steuernde Einrichtung einen frequenzsteuerbaren Oszillator, dessen Steuereingang von einer von dem erzeugten Gleichstrom abhängigen Größe gesteuert wird, und eine Filteranordnung umfaßt, die zwischen dem Oszillator und dem Wechselstromverstärker angeordnet ist und deren Durchlaßdämpfung sich im Frequenzbe-

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reich des Oszillators als Funktion der Frequenz ein- auch die Amplitude des Ausgangssignals des Wechseldeutig ändert. Eine derartige Filteranordnung weist in Stromverstärkers 5 und damit der Wert des durch die Verbindung mit einem frequenzsteuerbaren Oszillator Leitungen 7 und 10 fließenden Stromes von der Freeine hohe Verstärkung auf, so daß die steuernde Ein- quenz der von dem Oszillator 3 erzeugten Rechteckrichtung mit wenig Bauteilen bei hoher Verstärkung 5 schwingung ab.

realisierbar ist. Der frequenzsteuerbare Oszillator Weicht der in der Leitung 7 fließende Strom von

braucht nur einen geringen Frequenzregelbereich auf- dem Sollwert ab, so weicht auch das dem Steuerver-

zuweisen, so daß er von einfacher Konstruktion sein stärker 12 zugeleitete Steuersignal von seinem dem

kann. Sollwert zugeordneten Normalwert ab, und die da-

Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist die io durch verursachte Veränderung des Ausgangssignals

Filteranordnung ein Tiefpaßfilter. des Steuerverstärkers 12 bewirkt eine Frequenzver-

Statt dessen kann jedoch auch ein Hochpaßfilter Schiebung der Schwingfrequenz des Oszillators 3 in

verwendet sein. einem solchen Sinn, daß der Abweichung des Istwertes

Vorzugsweise ist der Oszillator ein Multivibrator. in der Leitung 7 von dem Sollwert entgegengewirkt

Dies bewirkt, daß der Wechselstromverstärker mit 15 wird.

Rechtecksignalen angesteuert wird, so daß der Wir- Die Kennlinie der Filteranordnung 4 ist so gewählt, kungsgrad gegenüber einer Ansteuerung mit Sinus- daß die dem Sollwert entsprechende Frequenz des Signalen zunimmt. Oszillators 3 in der Mitte des Flankenbereichs der Bei einer Zusammenschaltung von zwei Schaltungs- Filteranordnung liegt, so daß bei einer Frequenzändeanordnungen in der Weise, daß deren Gleichstrom- 20 rung von +100 Hz die Durchlaßdämpfung der Filterausgänge in Serie geschaltet sind, ist es vorteilhaft, anordnung sich linear und damit eindeutig mit der daß die Oszillatoren für voneinander verschiedene Frequenz ändert.

Frequenzbereiche dimensioniert sind. Dadurch wird Wie aus den F i g. 2 und 3 zu entnehmen ist, umeine mögliche Verkuppelung der beiden Schaltungs- faßt der als Multivibrator ausgebildete Oszillator zwei anordnungen vermieden. 25 Transistoren 13 und 14, deren Kollektor- und Basis-Die Erfindung ist im folgenden an Hand schemati- elektroden in üblicher Weise durch die Kondensatoren scher Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel er- 15 und 16 über Kreuz miteinander verbunden sind, gänzend beschrieben. Die Basiselektroden 13 und 14 sind über Widerstände F i g. 1 ist ein Blockschaltbild von zwei Schaltungs- 17 und 18 mit einem Punkt 19 verbunden, dessen anordnungen nach der Erfindung, deren Gleichstrom- 30 Potential in weiter unten erläuterter Weise beeinflußt ausgänge in Serie geschaltet sind; wird.

F i g. 2 und 3 nebeneinandergelegt sind ein Strom- Parallel zu den Eingangsklemmen 23 und 24 einer laufplan einer der beiden Schaltungsanordnungen als Tiefpaßfilter ausgebildeten Filteranordnung ist nach F i g. 1. mittels der Leitungen 21 und 22 ein Widerstand 20 Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung umfaßt zwei 35 geschaltet. Die Ausgangsklemmen 25 und 26 des Tief-Schaltungsanordnungen 1 und 2 nach der Erfindung, paßfilters 4 sind mit der Primärwicklung 27 eines von denen jede als eine einen im wesentlichen kon- Transformators 28 verbunden, dessen Sekundärwickstanten Strom erzeugende Quelle wirkt. Da beide lung 29 in den Eingangskreis des Wechselstromver-Schaltungsanordnungen einander im wesentlichen stärkers 5 geschaltet ist. Dieser weist eine Transistorgleich sind, ist im folgenden nur die Schaltungsanord- 40 verstärkerstufe 30 auf, die als Treiber und Phasennung 1 beschrieben. umkehrstufe für eine Gegentaktverstärkerstufe 31

Diese umfaßt einen als Multivibrator ausgebildeten dient.

Oszillator 3, dessen Ausgang über einen Tiefpaßfil- Der Ausgang der Gegentaktverstärkerstufe 31 weist ter 4 mit einem Wechselstromverstärker 5 verbunden einen Ausgangstransformator 33 auf, dessen Sekunist. Das Ausgangssignal des Wechselstromverstärkers 5 45 därwicklung 32 an einen Brückengleichrichter 34 anwird einer Gleichrichterschaltung 6 zugeführt, die geschlossen ist, dessen Ausgangsklemmen mit einem auch ein Glättungsnetzwerk umfaßt. Die positive Aus- Glättungskondensator 35 verbunden sind. Von diegangsleitung 7 der Gleichrichterschaltung 6 ist mit der sem Glättungskondensator führt die Leitung 10 an negativen Ausgangsleitung 8 der Schaltungsanord- die Ausgangsklemme 11, während das andere Ende nung 2 verbunden und ferner über einen Widerstand 9 50 des Glättungskondensators über einen Festwiderstand geerdet. Die negative Ausgangsleitung 10 der Gleich- 37 mit der Ausgangsleitung 7 und über einen einstellrichterschaltung 6 ist mit einer Anschlußklemme 11 baren Widerstand 38 mit einem zweiten Glättungsverbunden. kondensator 36 verbunden ist. Der einstellbare Wider-Ferner ist ein Steuerverstärker 12 vorgesehen, des- stand 38 ist über die Leitungen 40 und 41 mit dem sen Eingang von einem Steuersignal beeinflußt wird, 55 Eingang des Steuerverstärkers 12 verbunden. An die das von der Größe des in der Leitung 7 fließenden Verbindungsstelle des einstellbaren Widerstandes 38 Stromes abhängt. Der Ausgang des Steuerverstärkers und des zweiten Glättungskondensators 36 ist ein 12 ist mit dem Steuereingang des Oszillators 3 ver- zweiter einstellbarer Widerstand 39 angeschlossen, bunden, um dessen Frequenz zu beeinflussen. dessen anderes Ende an den Pluspol gelegt ist. Par-Im Betrieb erzeugt der Oszillator 3 eine Rechteck- 60 allel zu dem zweiten einstellbaren Widerstand 39 liegt schwingung, die normalerweise eine Frequenz von der Eingang einer Warn- oder Weckereinrichtung 42. etwa 5 kHz aufweist, welche durch den Steuerverstär- Der Steuerverstärker 12 umfaßt einen Transistor 43 ker um etwa 100 Hz nach beiden Seiten verändert in Emitterschaltung, dessen Kollektor über einen werden kann. Die Filteranordnung 4 weist die Eigen- Widerstand 44 mit der Basis eines Transistors 45 verschaft auf, daß die Amplitude^ des dem Wechselstrom- 65 bunden ist, der ebenfalls in Emitterschaltung betrieverstärker 5 zugeleiteten Steuersignals in dem Fre- ben ist. Der Emitter des Transistors 45 ist mit der quenzvariationsbereich des Oszillators von der Fre- Verbindungsstelle 19 in dem Multivibrator 3 verquenz des Schwingungssignals abhängt. Daher hängt bunden.

Die Leitung 41 ist an dem Verbindungspunkt zwischen einem Widerstand 47 und einer Zenerdiode 48 angeschlossen, welche zusammen mit einer Diode 49 in Reihe geschaltet sind und parallel zu einer zweiten Zenerdiode 50 liegen. Die Verbindungsstelle 46 wird daher auf einem im wesentlichen konstanten negativen Potential in bezug auf die positive Speiseleitung 51 gehalten. Die Leitung 40 ist an die Basis des Transistors 43 angeschlossen. Die von der Stromquelle 53 abgehende positive Speiseleitung 51 und negative Speiseleitung 52 sind gegen Erde isoliert, so daß der Steuerverstärker 12, der Multivibrator 3 und die Filterordnung 4 ein Potential gegenüber Erde aufweisen, das von dem Potential der Leitung 41 bestimmt wird.

Im Betrieb ist die Spannung zwischen der Basis des Transistors 43 und der Speiseleitung 51 im Steuerverstärker 12 gleich der Summe der Spannungen, die an der Zenerdiode 48, der Diode 49 und dem Widerstand 38 abfallen, welch letzterer mit der Ausgangsleitung 7 in Reihe geschaltet ist. Bei normalen Betriebsbedingungen gelangt daher an die Basis des Transistors 43 eine in bezug auf die Speiseleitung 51 negative Vorspannung, die sich erhöht, wenn die am Widerstand 38 abfallende Spannung absinkt.

Die negative Vorspannung an der Basis des Transistors 43 bestimmt die an der Basis des Transistors 45 anliegende Vorspannung und damit das Potential an der Verbindungsstelle 19. Dieses beeinflußt wiederum das Ausmaß der Entladung der Kondensatoren 15 und 16 des Multivibrators 3 und damit die Schwingfrequenz desselben.

Sinkt der der Last zugeführte Strom unter den Sollwert ab, so nimmt auch die am Widerstand 38 abfallende Spannung ab, so daß die an der Basis des Transistors 43 liegende Vorspannung negativer wird. Dadurch wird das an der Verbindungsstelle 19 liegende Potential positiver in bezug auf die Speiseleitung 51, so daß die Kondensatoren 15 und 16 sich langsamer entladen und die Schwingfrequenz des Multivibrators 3 daher abnimmt. Infolge der Durchlaßkurve des Tiefpaßfilters 4 nimmt die Amplitude des zu dem Wechselstromverstärker 5 geleiteten Steuersignale bei einer Verringerung der Frequenz zu, so daß auch das Ausgangssignal des Verstärkers 5 und damit der Strom in dem Lastkreis im Sinn einer Wiederherstellung des Sollwertes vergrößert wird.

Bei einer Vergrößerung des Stromes im Lastkreis liegen die Verhältnisse umgekehrt.

Die in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung 2 weicht von der Schaltungsanordnung 1 nur insofern ab, als die verwendete mittlere Schwingfrequenz etwa 5,5 kHz beträgt und das zugeordnete Tiefpaßfilter 54 an diese Frequenz angepaßt ist. Es werden verschiedene Arbeitsfrequenzen verwendet, um eine mögliche Verkuppelung der beiden Schaltungsanordnungen 1 und 2 miteinander zu vermeiden, die zu niederfrequenten Schwebungen führen würde, welche sich an dem Gleichstromausgang der Schaltung nur schwer ausfiltern lassen.

Die Ausgangsleitungen der Schaltungsanordnungen 1 und 2 sind in Serie geschaltet, so daß die Ausgangsklemmen 11 und 55 gegen Erde eine negative bzw. positive Spannung führen. Parallel zu dem Ausgang der Schaltungsanordnung 2 liegt ein an die Leitung 8 und die Ausgangsleitung 55 angeschlossener Nebenschlußwiderstand 56 zur Schwächung der Ausgangsleistung.

Die beiden Schaltungsanordnungen lassen sich natürlich auch unabhängig voneinander betreiben.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Speisung einer Last mit einem konstanten Gleichstrom, mit einem Wechselstromverstärker, einer an dessen Ausgang angeschlossenen Gleichrichterschaltung zum Erzeugen des Speisestromes für die Last und einer Einrichtung zum Steuern des Verstärkers mit einem Wechselstromsteuersignal, dessen Amplitude abhängig von dem Wert des erzeugten Gleichstromes ist und das den Wechselstromverstärker im Sinn einer Konstanthaltung des Gleichstromes beeinflußt, dadurchgekennzeichnet, daß die den Wechselstromverstärker (5) steuernde Einrichtung einen frequenzsteuerbaren Oszillator (3), dessen Steuereingang von einer von dem erzeugten Gleichstrom abhängigen Größe gesteuert wird, und eine Filteranordnung (4) umfaßt, die zwischen dem Oszillator (3) und dem Wechselstromverstärker (5) angeordnet ist und deren Durchlaßdämpfung sich im Frequenzbereich des Oszillators (3) als Funktion der Frequenz eindeutig ändert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filteranordnung (4) ein Tiefpaßfilter ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filteranordnung ein Hochpaßfilter ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (3) ein Multivibrator ist.

5. Anordnung mit zwei Schaltungsanordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, deren Gleichstromausgänge in Serie geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoren für voneinander verschiedene Frequenzbereiche dimensioniert sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 987 664, 2 991410;
Zeitschrift »L'Onde Electrique«, t. XXXIX, Oktober 1959, S. 795 bis 801;
Zeitschrift »Elektronik«, 1960, S. 25.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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