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Glelchstromversorgungseinrichtunst
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichstromversorgungseinrichtung
mit einer Gleichspannungsquelle, einer Speicherdrossel und einem den Ladestrom eines
parallel zu den Ausgangsklemmen angeordneten Kondenstators bestimmenden Schaltregler.
Derartige Einrichtungen sind aus der Zeitschrift "Elektronikpraxis", Nr. 12, Dezember
1979, Seiten 23 bis 28 und Nr. 1, Januar 1980, Seiten 23 bis 27 bekannt, wobei der
Schaltregler ein Schaltglied enthält, welches entsprechend dem Tastverhältnis eines
stromgesteuerten Oszillators periodisch betätigt wird. Ein solcher Schaltregler
läßt sich in Verbindung mit einer Speicherdrossel und einem Ausgangskondensator
sowohl zur sogenannten Aufwärts-Regelung verwenden, bei welcher der Mittelwert der
Ausgangsspannung stets größer ist als die speisende Gleichspannung, als auch zur
Abwärts-Regelung, bei welcher die sich einstellende Ausgangsgleichspannung gleich
oder kleiner ist als die Spannung der Gleichspannungsquelle.
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Ein selbsttätiger Übergang von der einen auf die andere Regelungsart
ist bei diesen Gleichstromversorgungseinrichtungen nicht vorgesehen und auch nicht
möglich, da dies eine Umstrukturierung der Gesamtschaltung erfordern wurde.
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Wird zur Versorgung eines Gleichstromverbrauchers eine sich erheblich
ändernde Gleichspannung erforderlich und/oder wird als Gleichstromquelle eine solche
mit stark schwankender Amplitude verwendet, dann wäre ein selbsttätiger Übergang
von AufwErts- zu Abwärts-Regelung und umgekehrt von Vorteil. Diese Aufgabe wird
erfindungsgemäß
durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Man erhält damit eine ohne
weiteres universell einsetzbare Gleichstromversorgungseinrichtung.
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Bei Gleichstromversorgungseinrichtungen mit wechselspannungsgespeisten
Gleichrichter-Brückenschaltungen als Gleichstromquellen, welche zwischen einem Maximalwert
und dem Wert Null pulsierende Gleichspannungen abgeben, ergibt sich mit der Erfindung
noch der zusätzliche Vorteil, daß bei Verbraucherspannungen, welche unterhalb dieses
Maximalwertes liegen, ein Lücken des Gleichstromes und damit verbundene Rückwirkungen
auf das Wechselstromnetz vermieden werden.
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Die Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen soll nachstehend
anhand der Figuren näher erläutert werden.
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Figur 1 zeigt eine schematische uebersicht der erfindungsgemäßen Gleichstromversorgungseinrichtung,
mit welcher ein beliebiger, an die Ausgangsklemmen 1 und 2 angeschlossener Verbraucher
RL mit Gleichstrom aus einer Gleichspannungsquelle versorgt werden soll, die beispielsweise
- wie dargestellt - aus einer mit sinusförmiger Wechselspannung U, gespeisten Gleichrichter-Brückenschaltung
3 besteht. An den mit 4 und 5 bezeichneten Klemmen erscheint also eine zwischen
einem Maximalwert und dem Wert Null pulsierende Gleichspannung U. An den Ausgangsklemmen
1 und 2 ist ein Kondensator 6 angeschlossen, dem eine aus einer Diode 7, einem Gleichstromwandler
8, einer Speicherdrossel 9 und einer zweiten Diode 10 bestehende Reihenschaltung
parallel angeordnet ist* Eine dem die Speicherdrossel durchfließenden Strom entsprechende
Größe i wird in einem Äddierglied 12 mit einem an eine Klemme 17 angelegten Stromsollwert
1* verglichen und die sich daraus ergebende Di££erenz einem Stromregler 11 zugeführt*
Der
Stromregler 11 weist die in seinem Biocksymbol dargestellte
Zweipunktcharakteristik mit ausgeprägtem Hystereseverhalten auf. Die Breite der
Hystereseschleife ist mit B bezeichnet und beim dargestellten Beispiel symmetrisch
zur Ordinatenachse, d.h. symmetrisch zum Wert Null des Eingangssignals e, angenommen
worden. Das Ausgangssignal b des Zweipunkt-Stromreglers ändert sich also jeweils
dann von Null-Signal zu L-Signal, wenn die Beziehung gilt i < I* - B/2 und ändert
sich jeweils dann von L-Signal zu Null-Signal, wenn die Beziehung gilt i > I*
+ B/2.
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Mit dem Ausgangs signal b wird jeweils eines von zwei Schaltgliedern
SGI bzw. SG2 über ein ODER-Gatter 13 bzw.
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ein UND-Gatter 14 betätigt und zwar werden diese Schaltglieder dann
in ihren geschlossenen (leitenden) Zustand überführt, wenn ihre entsprechenden,
mit s7 und s2 bezeichneten Signale L-Signal aufweisen. Bei der dargestellten Stellung
der Schalter SGI und SG2 sind die beiden Signale sl und s2 Null-Signale. Vorzugsweise
handelt es sich bei den beiden Schaltgliedern SGI und SG2 um Halbleiterschalter.
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Die Ausgangsspannung U der Gleichrichter-Brffckenschaltung 3 und die
Ausgangsspannung UA der Gleichstromversorgungseinrichtung werden über geeignete,
nicht weiter dargestellte Meßwertgeber erfaßtund im Eingang eines Komparators 15
miteinander verglichen. Übersteigt der Wert der Spannung U den Betrag der Ausgangsspannung
UA, dann ist das Ausgangs signal des Komparators a ein- Null-Signal, welches das
UND-Gatter 14 sperrt, so daß dessen Ausgangssignal s7 ebenfalls ein Null-Signal
ist und das Schaltglied SGI in seiner geöffneten Stellung hält.
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Ist dagegen die Spannung der Gleichstromquelle U kleiner als die Ausgangsspannung,
dann ist das Ausgangssignal a des Komparators 15 ein L-Signal, welches über das
ODER-Gatter 13 ein Schließen des Schaltgliedes SG2 bewirkt und das UND-Gatter 14
vorbereitet, so daß nunmehr dessen Ausgangssignal dem des Zweipunkt-Stromreglers
11 folgen kann. Prinzipiell ergibt sich mit der dargestellten Anordnung folgende
Wirkungsweise: Der Zweipunkt-Stromregler 11 sucht fUr jeden Zeitpunkt den Mittelwert
des Stromes durch die Speicherdrossel 9 konstant zu halten, indem er immer dann,
wenn dieser Strom um den Betrag B/2 den Wert des Sollwerts I* unterschreitet ein
auf Schließen eines der Schalter SG2 oder SG1 gerichtetes L-Signal ausgibt und ein
auf eine Verminderung des Speicherdrosselstromes gerichteten Null-Signal dann erzeugt,
wenn dieser den Wert des Sollwerts I* um denselben Betrag B/2 überschreitet. Es
erfolgt also ständig eine periodisch intermittierende Betätigung eines der Schaltglieder
SG1 oder SG2 durch das Ausgangssignal b des Stromreglers 11, wobei der Komparator
15 selbsttätig die Entscheidung darüber trifft, ob dieses Ziel im Wege einer Aufwärts-Regelung
(Schalter SG1 periodisch betätigt, Schalter SG2 dauernd geschlossen) oder im Wege
einer Abwärts-Regelung (Schalter SG1 dauernd geöffnet, Schalter SG2 periodisch betätigt)
erfolgt. Bei Aufwärts-Regelung wird in an sich bekannter Weise mit dem Schalter
SG1 die Speicherdrossel 9 intermittierend unmittelbar an die Klemmen 4 und 5 der
Gleichstromquelle 3 gelegt; die Diode 10 verhindert dabei eine Entladung des Kondensators
6 über das zeitweise geschlossene Schaltglied SG1, während bei Abwärts-Regelung
mittels des Schalters SG2 die Reihenschaltung der Speicherdrossel 9, Diode 10 und
Kondensator 6 mit der Gleichstromquelle verbunden ist und die Diode 7 als Freilaufdiode
für den Speicherdrosselstrom im Falle des zeitweise geöffneten Schaltgliedes SG
2 wirkt.
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In dem Diagramm der Figur 2 ist der zeitliche Verlauf der an den Klemmen
4-und 5- der Gleichrichter-3rückenschaltung auftretenden Spannung U und der zwischen
den Klemmen 1 und 2 auftretenden Ausgangs spannung UA gezeigt. Dabei ist eine konstante
Belastung g sowie eine hinreichend große Glättungswirkung des Ausgangskondensators
6 angenommen..Zwischen den Zeitpunkten tl bis t2, t3 bis t4, t5 bis t6 und t7 bis
t8 ist der Betrag der Gleichrichterspannung U jeweils kleiner als der der Ausgangsspannung
UA, so daß das Ausgangssignal Aein L-Signal ist und - wie vorstehend ausgeführt
- der Schaltregler als Aufwärtsregler arbeitet, während in den übrigen Zeitintervallen,
in denen der Betrag der Gleichrichterspannung U die Ausgangsspannung UA übersteigt,
das Ausgangssignal a des Komparators 15 ein Null-Signal aufweist und das Regelzielmit
Abwärts-Regelung verfolgt wird.
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In dem Diagramm der Figur 3 ist der zeitliche Verlauf des von dem
Zweipunkt-Stromregler 11 geregelten Speicherdrosselstromes i dargestellt. Der Stromsollwert
I*, welcher an und für sich von beliebiger Form und Größe sein könnte, ist beim
dargestellten Beispiel von der Gleichspannung U der Gleichrichter-Bruckenschaltung
3 abgeleitet und weist demzufolge einen dieser entsprechenden, pulsierenden Verlauf
auf. Die Schalthysterese des Zweipunkt-Stromreglers 11 sei weiterhin symmetrisch
angenommen. Zunächst sei der Fall betrachtet, daß die Breite B der Schalthysterese
des Zweipunkt-Stromreglers 11 konstant ist (Bereich I der Fig. 3). Der Drosselstrom
i bewegt sich demnach in einem durch die Schalthysteresebreite B bestimmten, symmetrisch
zum Sollwert I* liegenden Toleranzband, indem Jeweils bei Erreichen der oberen Grenze
dieses Toleranzbandes das Ausgangs signal b des Zweipunkt-Stromreglers 11 ein auf
eine Verkleinerung des Drosselstromes gerichteten Null-Signal annimmt und jeweils
bei Erreichen der unteren Grenze dieses
Toleranzbandes der Zweipunktregler
11 ein L-Signal abgibt, welches ein Ansteigen des Speicherdrosselstromes i bewirkt.
Die Frequenz, mit der der Speicherdrosselstrom i auf diese Weise um den Sollwert
I* schwingt, kann zweckmäßigerweise durch entsprechende Dimensionierung der Induktivität
der Speicherdrossel und der Kapazität des Kondensators um mehrere Größenordnungen
höher als die Netzfrequenz festgelegt werden. Da der Speicherdrosselstrom i nicht
negativ werden kann, könnten sich, wie im Bereich I der Figur 3 gezeigt, jeweils
bei verschwindendem Sollwert I* noch kleine Lücken im Verlauf des Stromes i ergeben,
deren maximale Dauer t1 jedoch entsprechend der Frequenz des Speicherdrosselstromes
nur einen minimalen Bruchteil der Netzperiode ausmacht und von der Breite B des
von der Hysterese bedingten Toleranzbandes abhängt. Im mit II bezeichneten Bereich
der Figur 7 sei dagegen vorausgesetzt, daß die Breite B der Hysterese und damit
auch das Toleranzband der Stromregelung proportional mit dem Sollwert I* verändert
wird, insbesondere dann praktisch zu Null wird, wenn der Sollwert I* selbst verschwindet.
In Figur 1 ist diese Variante gestrichelt angedeutet, indem die die Breite des Zweipunkt-Stromreglers
11 bestimmende Größe B proportional, beispielsweise mittels eines Potentiometers
16, mit der Sollwertgröße I* verknüpft ist. Für den Fall der stromproportionalen
Abhängigkeit des Toleranzbandes ergeben sich bei sonst gleicher Wirkungsweise keine
Lücken mehr im Verlauf des Speicherdrosselstromes i und das Toleranzband B kann
beispielsweise zur Reduzierung der Verluste beim Einschalten der Schaltglieder SG1
bzw. SG2 beliebig groß gewählt werden, d.h. im Extrem gleich der doppelten Amplitude
des Sollwertstromes I*. Sowohl in dem Bereich I als auch im Bereich II wird durch
den erfindungsgemäusen Schaltregler bezüglich des Speicherdrossel3tromes i und damit
auch bezüglich des von der Spannungsquelle U gelieferten Stromes ein Verlauf erzwungen,
welcher im
Mittel der Spannungsform der speisenden Spannung folgt
und praktisch keine Lücken aufweist, cle eine unerwünschte Oberwellenbeanspruchung
im speisenden Netz hervorrufen. Als besonderer Vorteil ist auch anzusehen, daß -
unabhängig von den Verhältnissen im Belastungskreis - der vom Netz in die Gleiehrichter-Brückenschaltung
eingespeiste Strom praktisch sinusförmig und in Phase mit der Netzspannung Us ist,
so daß die erfindungsgemäße G1eichstromversorgungseinrichtung stets mit einem Leistungsfaktor
von cosf = 1 betrieben wird.
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Dies ist z.B. dann von großer Bedeutung, wenn die erfindungsgemäße
Gleichstromversorgungseinrichtung als Vorschaltgerät für Leuchtstoff-Lampen in großem
Ausmaß eingesetzt werden soll.
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Würde der Stromsollwert I* nicht wie im Beispiel der Figur 3 dargestellt,
mit der Gleichspannung U pulsieren, sondern konstant vorgegeben werden, dann würden
sich auf der Wechselstromseite der Gleichrichter-Brückenschaltung 3 balkenförmige
Stromverläufe wechselnder Polarität ergeben, welche ebenfalls in Phase mit der Netzspannung
wären und keine Lücken aufweisen.
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Figur 4 zeigt eine Möglichkeit zur Realisierung der beim Diagramm
der Figur 3, Bereich II angenommenen stromproportionalen Breite B der Schalthysterese
des Zweipunkt-Stromreglers 11. Dieser besteht aus einem Komparator 19, dessen Ausgangsignal
b dann ein L-Signal ist, wenn die Summe der an seinem mit + gekennzeichneten Eingang
anliegenden Spannungen größer ist als die Summe der an seinem mit - bezeichneten
Eingang anliegenden Spannungen. Mit einem Schaltglied SG3 wird eine an einem Potentiometer
16 abgegriffene, dem Sollwert I* proportionale Spannung p . I* entweder auf-den
mit -bezeichneten oder auf den mit + bezeichneten Eingang des Verstärkers 19 geschaltet.
Das Schaltglied SG3 ist in der Stellung gezeichnet, in welcher das Ausgangssignal
b
des Verstärkers 19 ein Null-Signal ist und wird demzufolge den
mit + bezeichneten Eingang des Verstärkers 19 dann mit dem Abgriff des Potentiometers
16 verbinden, wenn die Beziehung gilt i < 1* (1 - p) und von dort dann jeweils
wieder in die dargestellte Stellung zurückkehren, wenn die Beziehung gilt i ? 1*
(1 + wobei p < 1 ist. Selbstverständlich kann das Schaltglied SG3 in an sich
bekannter Weise ebenfalls als elektronischer Schalter ausgebildet sein.
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Die bisher beschriebene Gleichstromversorgungseinrichtung wirkt wie
eine Stromquelle, welche an den Ausgangsklemmen 1 und 2 einen durch den vorgegebenen
Sollwert I* bestimmten Laststrom iL erzwingt. Entsprechend den Verhältnissen im
Belastungskreis stellt sich dann die Ausgangsspannung UA ein. Wenn ein sich betriebsmäßig
ändernder Lastwiderstand RL, insbesondere ein recht großer Wert desselben oder gar
Leerlauf zu erwarten ist, so sind Maßnahmen zur Begrenzung der Ausgangsspannung
UA zweckmäßig. Hierfür zeigt Figur 5 ein AusfUhrungsbeispiel. Die Ausgangsspannung
UA und eine vorgebbare Begrenzungsspannung UB werden im Eingang eines Komparators
20 verglichen. Das Ausgangssignal c des Komparators 20 betätigt ein Schaltglied
SG4 und setzt damit den Wert des Sollwertes I* auf Null, wenn die Ausgangsspannung
UA die Begrenzungsspannung U3 übersteigt, während für den Fall, daß das Ausgangssignal
c des Komparators 20 ein Null-Signal ist (gezeichnete Stellung), der der Spannung
U proportionale Wert k . U der Klemme 17, d.h. dem Sollwerteingang des Stromreglers
11 zugeführt wird.
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Anstelle der in Figur 5 gezeigten, dem Stromregler 11 Uberlagerten-Spannungsbegrenzung
kann auch, wie in Figur 6 dargestellt, dem Stromregler eine stetige Spannungsregelung
überlagert werden. Hierzu wird eine vorgebbare Sollwertspannung U* mit der Ausgangs
spannung UA verglichen und einem PI-Regler 21 zugeführt. Das Ausgangssignal des
Pl-Reglers 21 wird in einem Multiplizierer 22 mit einer der Spannung U proportionalen
Größe moduliert und dient als der Klemme 17 zugeführtes Sollwertsignal I*. Überschreitet
die Ausgangsspannung UA den Wert der Sollwertspannung U*, dann wird der Stromsollwert
I* entsprechend reduziert. Da ein negativer Stromsollwert nicht vorgegeben werden
kann, ist es zweckmäßig, das Ausgangssignal des Spannungsreglers 21, wie angedeutet,
durch eine einseitige Begrenzung auf den Wert Null zu begrenzen, um ihn zur schnelleren
Abgabe positiver Ausgangssignale nach zuvor länger andauerndem negativem Eingangssignal
zu ertüchtigen.
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Figur 7 zeigt eine aufwandsarme Variante zur Realisierung der Kombination
der in den Figuren 1 und 5 dargestellten Komponenten einer erfindungsgemäßen Gleichstromversorgungseinrichtung.
Die entsprechenden Bezugszeichen für gleichwirkende Elemente sind beibehalten worden.
Die beiden Schaltglieder SG1 und SG2 sind als Transistorschalter ausgeführt, deren
Emitter miteinander verbunden und über ein aus einem Kondensator 23 und einem Widerstand
24 bestehendes Verzögerungsglied mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle 3 verbunden,
welcher als Bezugspotential für die elektronische Ansteuerschaltung der Schaltglieder
SG1 und SG2 verwendet ist. Da der betriebsmäßige Spannungsabfall am Widerstand 23
recht klein gehalten werden kann, liegen die Schaltstrecken der Schaltglieder SG1
und SG2 einseitig praktisch auf dem Bezugspotential und können daher ohne Schwierigkeiten
von der Ansteuerschaltung betätigt werden. Die Zeitkonstante des Verzögerungsgliedes
23, 24
ist der sich unter Berücksichtigung des Kondensators 6 ergebenden
Zeitkonstanten des Lastkreises angepaßt und gestattet, auf einfache und für viele
Anwendungsfälle ausreichende Weise bei der Betriebsart Abwärts-Regelung den Strom
durch die Speicherdrossel für die Zeitintervalle nachzubilden, in denen beide Schaltglieder
SG1 und SG2 sich in ihren gespe:rrten Zustand befinden und der Drosselstrom über
die Freilaufdiode 7 fließt. Dadurch kann ein Gleichstromwandler eingespart werden.
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Die an dem Verzögerungsglied 23, 24 abfallende Spannung ist der Klemme
18 zugeführt und wirkt als Istwert für den Stromregler 11, welcher eine der Klemme
17 zugeführte, der Gleichspannung der Brückengleichrichterschaltung 3 proportionale
Spannung als Sollwert erhält.
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Die zur Regelung des Drosselstromes in einem Toleranzband erforderliche
Schalthysterese ist beim Stromregler 11 durch eine mittels einer Diode 25 nur einseitig
wirkende Mitkopplung seines Verstärkers realisiert. Ein im Mitkoppelkreis weiterhin
noch angeordneter Widerstand wird vorteilhafterweise veränderbar ausgeführt und
gestattet damit eine Veränderung der Breite B der Schalthysterese. Eine der Spannung
zwischen den Ausgangsklemmen 1 und 2 proportionale Spannung UA wird mittels eines
Differenzverstärkers 27 gewonnen und den Komparatoren 15 und 20 zugeführt, welche
an ihren Ausgängen die bereits erwähnten Ausgangssignale a und c erzeugen. Der Komparator
20 setzt die an der Klemme 17 wirksame Sollwertgröße des Zweipunkt-Stromreglers
11 dann auf den Wert Null, wenn die Ausgangsspannung UA den Wert der dem mit + bezeichneten
Eingang des Komparators 20 zugeführten Begrenzungsspannung U3 bersteigt.
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7 Figuren 9 Patentansprüche