DE2250575C3 - Schaltungsanordnung zum verlustarmen Konstantregeln einer Gleichspannung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum veikistarmen Konstantregeln einer Gleichspannung an einer Last, mit einem ersten Zweipunkt-Schaltregler, einer Drossel mit Freihuifdiode und einem ohmschen 4«, Widerstand in Reihenschaltung mit der Last und mit einem den Schaltregler schaltenden Trigger, welcher dun Ii einen Regelvcrstäi kor in Abhängigkeit von einem Soll Istwenvergleah für den Gleichstrom mit Istwerterfassung am ohmschen Widerstand steuerbar ist. s,o

Ls ist eine derartige Sthaltung ohne Drossel und Ftoilaufdniile mit einem einzigen Schaltregler in Hohen-, haltung mit einet I ast bekannt (RCA-Silicon Γονή « ncuits Manual Technical/Series SP-50, IU \ l-i(i S 184), bei der der Schaltregler nach ss Fig. 207 /um Knnstantregeln der Gleichspannung vTiwendi.1 ist und bei der parallel zu der Last ein liiK'hohiMiii.-r Spannungsteiler, an dem der Spannungsisiuen Im Jen Regler erfaßt wird, parallel geschaltet ist. Si hiiliiiiigcn mit einem .ils Schaltregler verwendeten Sihalttransistor bedingen eine relativ niedrige Verlustleistung im Schalltransistor, da der Transistor im Schallbetrieb entweder einen hohen oder einen niedrigen Durchlaßwiderstand hat Ein Transistor-St luilti egler liefert zwar eine konstant geregelte, jedoch 1,ii ht ausreichend geglättete Gleichspannung. Die noch be lohende Welligkeit der Gleichspannung wird bei !■im·!- bekannten Anordnung zum verlustarmen Stabilisieren einer Gleichspannung (vgl. DT-AS 16 16 728) weitgehend beseitigt durch die Reihenschaltung eines Stellreglers und eines SchaUreglers mii der Last sowie dadurch, daß der Stellregler in Abhängigkeit von einem Soll-1 st wertvergleich einer von der stabilisierten Gleichspannung abgeleiteten Spannung mit einer gesonderten Sollspannung gesteuert ist Diese bekannte Anordnung ist mit einer Strombegrenzung versehen, die darin besteht, daß der Schaltregler bei einem BeIastungskurzschluß konstanten Strom anstatt konstante Spannung liefert

Es sind ähnliche Schaltungen mit einem Schalt- und einem Stellregler in Reihenschaltung mit der Belastung in den DT-OS 15 13 420 und 15 88 157 beschrieben, die im wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie die vorangehend erläuterte bekannte Schaltung aufweisen. Die in der DTOS 15 88 157 beschriebene Schaltung enthält noch zusätzlich eine Einrichtung zur Erzielung einer weitgehend linearen Regelcharakteristik.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs beschriebenen Art für ein Konstantregeln einer hochbelasteten Gleichspannung einzurichten, derart, daß das Konstantregeln ebenfalls verlustarm erfolgt und die hochbelastete Gleichspan nung weitgehend geglättet wird u;.d daß damit auch eine /.. B. bei einem Lastkurz.schluß wirksam werdende Strombegrenzung erzielt wird.

Bei den oben beschriebenen bekannten Schaltungen wird bei hoher Belastung die Welligkeit der Gleichspannung und des Laststromes größer als bei getinger Belastung. Damit einher geht eine Erhöhung der Verluste des Stellreglers.

Gemäß der Erfindung ist zum Konstantregeln einer mit hohem Laststrom belasteten Gleichspannung entsprechend der vorangehend dargelegten Aufgabe ein zweiter Zweipunkt Schallregler über eine für den Lastsirom durchlässige Diode einem Kondensator und einem hochohmigen Spannungsteiler sowie auch der Last parallel geschaltet, ferner ist ein diesen Schaltregler schaltender Trigger ich einen Regelverstärker in Abhängigkeit von einem Soll-Istwertvergleich für die Gleichspannung an der Last mit Istwerterfassung am Spannungsteiler gesteuert, und os ist unabhängig davon der erste Zweipunkt-Schaitregler jeweils zum Konstdiitregeln des Gleichstromes in der Drossel und zur Begrenzung des Laststrumes verwendet.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erlindung sind die Regelverstärker für die /.weipiinkt-Schaltreglu mit je einem Differenzeingang für einen Soll Isiwertveigleich ausgeführt, und es sind die Istwerte des Belastungsstromes und der lastseitigen Gleichspannung jeweils über einen Tiefpaß dem Differenzeingang des zugeordneten Regelverstarkers zugeführt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt das nachstehend beschrieben wird. Die Zeichnung zeigt die Grundsih.iltung gemäß der Erfindung. Hs --ind zwei Sv h.ilttiansistoren als Schaltregler 1 und 2 \erwendci mittels welcher eine ungeregelte Betriebspleithspanniiii-: /' I selbst dann mil einem vorgegebenen Sollwert i'-·// konstant geregelt werden kann und als Gleichspannung 1/2 geringer Welligkeit an einer um Ausg.mg der Schaltung angeschlossenen Last 3 /iir Verfügung st ;ht, wenn diese Last einen großen Liststrom aufnimmt. Hin erster Schaltregler 1 ist mit einer Drossel 12 und mit der Last ί sowie auch mit einem ohmschen Meßwiderstand 13 in Reihe geschaltet, und es ist in diesel- Reihenschaltung zwischen der Drossel 12 und der I ast 3 eine für den

Laststrom durchlässige Diode 21 angeordnet Zwischen dem negativen Pol der ungeregelten Betriebsgleichspannung U1 und der Verbindung des Schaltreglers 1 mit der Drossel 12 ist eine durch die Spannung U\ gesperrte Diode 11 mit der Funktion einer Freilaufdiode geschaltet Der Schaltregler 1 wird mittels eines Schmitt-Triggers 14 geschaltet, welcher durch einen Regelverstärker 15 mit Differenzeingang in Abhängigkeit von einem für den in der Drossel 12 fließenden Gleichstrom vorgenommenen Soll-Istwertvergleich, der am Differenzeingang des Regelverstärkers vorgenommen wird, gesteuert ist. Es wird der Istwert des Drosselstromes an dem ohmschen Meßwiderstand 13 erfaßt und über ein Tiefpaßfilier 16 dem Vergleichseingang des Differenzeinganges als Spannung zugeführt und ein durch eine konstante Gleichspannung vorgegebener Sollwert für den Drosselstrom dem Bezugseingang des Differenzeinganges direkt zugeführt. Ein zweiter Schaltregler 2 ist über die Diode 21 der Last 3 sowie ferner einem Speicherkondensator 22 und einem hochohmigen Spannungsteiler 23 parallel geschaltet. Der zweite Schaltregler wird ebenfalls mittels eines Schmitt-Triggers 24 geschaltet, welcher durch einen Regelverstärker 25 mit Differenzeingang in Abhängigkeit von einem an diesem Differenzeingang für die konstant zu regelnde Gleichspannung V2 vorgenommenen Soll-Istwertvergleich gesteuert ist. Hierbei wird der Istwert der Spannung U 2 an dem hochohmigen Spannungsteiler 23 erfaßt und über ein Tiefpaßfilter 26 dem Vergleichseingang des Differenzeinganges zugeführt, und es wird ein durch eine konstante Gleichspannung vorgegebener Sollwert (Λ.;/ für LJ2 dem Bezugseingang des Differenzeinganges direkt zugeführt. Es wird nachfolgend nun die Wirkungsweise der Schaltung erläutert.

Die beiden Schaltregler I und 2 arbeiten bei der vorbeschriebenen Schaltung wie Zweipunkt-Schaltregler. Dabei erhält im quasistationären Betrieb der Schaltung der Gleichstrom in der Drossel 12 durch die Schalttätigkeit des Schaltreglers 1 einen nahezu säge/ahnförmigen Verlauf, der um einen Mittelwert des Gleichstromes schwankt, welcher durch den am Differenzeingang des Regelverstärkers 15 anstehenden Sollwert vorgegeben wird. Die Schwankungsamplituden dieses Stromes sind durch die Schalthysterese des Schmitt-Triggers 14 bestimmt und hiervon abhängig sowie auch von der Induktivität der Drossel 12 abhängig sind die Schalt/eitpunkte des Schaltreglers 1. Die Schaltzeitpunkte sind weiterhin noch beeinflußt durch das Tiefpaßfilter 16, das eine Glättung des am Widerstand 13 erfaßten Istwertes bewirkt und Störimpulse, die durch parasitäre Reaktanzen entstehen können, vom Fingang des Verstärkers 15 fernhält. Die Schaltfrequenz wie auch das Einschaltverhältnis des Schaltreglers ! stellen sich im Zweipunkt-Schaltbetrieb selbständig ein und sind im übrigen jeweils durch die vorangehend aufgezeigten Einflüsse bestimmt. Die Welligkeit des Gleichstromes in der Drossel nimmt bei gegebener Spannung Ul ab, je größer die Induktivität L der Drossel 12, je höher die Schaltfrequenz, je kleiner im Laststromkreis der ohmsche Widerstand und je geringer die Hysterese des Triggers 14 ist. Ferner hängt die Schaltfrequenz davon ab, ob der Schaltregler 2 jeweils geöffnet oder geschlossen ist, denn im letzteren Fall führt die Drossel auch den Strom, der über den Schaltregler 2 fließt.

Bei Voraussetzung einer geringen Welligkeit des Drosselstromes / mit dreieckförmigen Stromverlauf läßt sich die Einschaltzeit ft und die Ausschaltzeit t-\ des Schaltreglers 1 bei den vier möglichen Schaltzuständen der Schaltregler 1 und 2 einfach darstellen durch die folgenden Beziehungen. Dabei ist berücksichtigt, daß während der Ausschaitzeit der Drosselstrom über die Diode 11 weiterfließen kann. Es sei Δ I < I= hull und 1/2 = konst., R = ohmscher Widerstand der Drossel 12, dann gilt bei geschlossenem Schaltregler 2

L-I/

'' Vl IR

und

sonach

/, + r_x
und

ι κ, + /,ι -

IR

i/I

L-I/
IR '

~ Einschaltvcrhallnis

IR(VX IR) LM-VX

Schaltfrcquen/:

bei ueölTneiem Schaltregler 2

und

sonach

und

L-I/
l.'l t/2 - IR

Ll/
12 IR

V 2 IR
(I 2IR

ItI Vl - IR)[L 2 IR) I. I/ · ((VI - 2 IR)

---= Schal 1-IVcqucn/.

Aus der Formel für die Einschaltzeit t'i. ist zu ersehen, daß bei verschwindendem Nenner t'i: sehr groß wird, der Drosselstrom I(t)also stationär wird. Das kann aber vermieden werden und somit die Wirkverluste in der Drossel klein gehalten werden, wenn deren ohmscher Widerstand R klein und die Spannungsdifferenz U1 — U 2 entsprechend klein ist.

Beim Konstantregeln des Gleichstromes in der Drossel 12 wird entsprechend der Laststrom konstant geregelt, und es werden die durch den Schaltregler 1 verursachten Schaltspannungsimpulse von der Drossel 12 aufgenommen, so daß die an die Last durchgeschaltete Gleichspannung eine Welligkeit aufweist. Mit Hilfe des Schaltreglers 2 und des Kondensators 22 kann diese Welligkeit verlustarm verringert werden und dabei die Lastspannung IJ 2 auf einem vorgegebenen Sollwert Usoii konstant geregelt werden. In den Zeitpunkten, da sich die wellige Gleichspannung und die Spannung des Kondensators 22 auf einen minimalen Wert verringert hat, wird der Schaltregler 2 in den Öffnungszustand gesteuert. Es fließt dann ein nahezu konstanter Strom über den Schaltregler I₁ die Drossel 12 und die Diode 21 in den Kondensator 22, wodurch die Spannung am Kondensator zunimmt. Hat die Spannung am Kondensator einen maximalen Wert erreicht, wird der

Schaltregler 2 wieder in den Schließzustand gesteuert, und es fließt dann ein Entladestrom aus dem Kondensator über die Last 3. Der Schaltregler 2 wird von einem Schmitt-Trigger 24 geschaltet, welcher durch einen Regelverstärker 25 mit Differenzeingang in s Abhängigkeit von dem Soll-lstwertvergleich für die Lastspannung U2 gesteuert ist. Dieser Soll-lstwertvergleich wird am Differenzeingang des Verstärkers 25 vorgenommen mittels einer Sollspannung Usoii, wobei der Istwert der Lastspannung an dem Spannungsteiler 23 erfaßt wird und über ein Tiefpaßfilter 26 dem Vergleichseingang des Verstärkers 25 zugeführt ist.

Bei Voraussetzung einer geringen Welligkeit der Spannung U = U 2 werden die Ladezeit ft und die Entladezeit U- des Kondensators 22 durch die folgenden ι s Beziehungen angegeben. Es seien

Δ U < U = Ό2 = lK.li und / = konst., C = Kapazität und /i = Ladestrom des Kondensators 22,
dann gilt bei geschlossenem Schaltregler 2

bei geöffnetem Schaltregler 2

If.

If

Bei verschwindendem Nenner, d. h. wenn /ι -> /geht.

wird ii sehr groß. Hierbei geht die Schaltung in die Strombegrenzung, und es wird U = U2 = /· R, der Strom wird dann durch den Widerstand R und weitere vernachlässigte Widerstände des Laststromkreises begrenzt.

Durch die beschriebene Schaltung insgesamt wird einmal erreicht, daß die Schwankungen des Gleichstromes in der Drossel 12 — wie schon obenerwähnt — um so kleiner werden, je größer die Induktivität der Drossel und je kleiner die Hysteresis des Triggers 14 ist. d. h. je höher die Schaltfrequenz des Schaltreglers 1 ist. Zum anderen wird eine um so geringere Welligkeit der Spannung am Kondensator 22 und somit der Lastspannung erreicht, je größer die Kapazität des Kondensators 22 und je geringer die Hysteresis des Triggers 24 ist, d. h. je höher auch die Schaltfrequenz des Schaltreglers 2 wird, die sich unter den vorgenannten Bedingungen entsprechend ergibt.

Bei einer am Ausgang der Schaltung auftretenden Überspannung reagiert die Schaltung vorteilhaft in der Weise, daß der Schaltregler 2 augenblicklich in den Schließzustand gesteuert wird, wobei der Schaltregler 1 unverändert bleiben kann. Andererseits hat die Schaltung gemäß der Erfindung den Vorteil, daß sie auch — wie bereits gesagt — kurzschlußfest ist. So wird bei einem Kurzschluß am Ausgang der Schaltung der Schaltregler 1 sofort auf ein maximal mögliches Einschaltverhältnis gesteuert, wobei sich die Schallfrequenz frei einstellen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnuniien

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   L Schaltungsanordnung zum verlustarmen Konstantregeln einer Gleichspannung an einer Last mit einem ersten Zweipunkt-Schaitregler, einer Drossel mit einer Freilaufdiode und einem ohmschen Widerstand in Reihenschaltung mit der Last und mit einem' den Schaltregler schaltenden Trigger, welcher durch einen Regelverstärker in Abhängigkeit von einem Soll-Istwertvergleich für den Gleichstrom in der Drossel mit Istwerterfassung am ohmschen Widerstand steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Konstantregeln einer mit hohem .Lastsirom belasteten Gleichspgjinung ein zweiter Zweipunkt-Schaitregler (2) über eine für den Laststrom durchlässige Diode (21) einem Kondensator (22) und einem hochohmigen Spannungsteiler

   (23) sowie auch der Last (3) parallel geschaltet ist daß ein diesen Schaltregler (2) schaltender Trigger

   (24) durch einen Regelverstärker (25) in Abhängigkeit von einem Soll-Istwertvergleich für die Gleichspannung an der Last mit Istwerterfassung am Spannungsteiler (23) gesteuert ist und daß unabhängig davon der erste Zweipunkt-Schaitregler (1) jeweils zum Konstantregeln des Gleichstromes in der Drossel (12) und zur Begrenzung des Laststromes verwendet ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelverstärker (15, 25) für _J0 die Zweipunkt-Schaitregler (1, 2) mit je einem Differenzeingang für den Soll-lstwertvergleich ausgefühit sind und daß die Istwerte des Belastungsstromes und der lastseitigen Gleichspannung jeweils über einen Tiefpaß (16 bzw. 26) dem Differenzeingang des zugeordneten Regelverstärkers zugeführt sind.