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Sperrumrichter mit Regelung und/oder Begrenzung einer
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Ausaangsgröße Die Erfindung bezieht sich auf einen Sperrumrichter
mit Regelung und/oder Begrenzung einer Ausgangsgröße, mit einem Schalttransistor
im Primärkreis, einem Übertrager und mit einer einen Regelvergleicher enthaltenden
Anordnung zur Steuerung des Tastgrades beim Schalttransistor in Abhängigkeit von
der Ausgangsgröße.
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Ein derartiger Sperrumrichter ist bereits aus der DE-AS 2 461 654
bekannt.
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Da eine galvanisch getrennte Energieübertragung und eine verlustarme
Siebung Bauteile mit phasendrehender Wirkung erfordern, kann es bei einem Sperrumrichter
der eingangs genannten Art Schwierigkeiten bereiten, bei besonders hohen Anforderungen
hinsichtlich kurzer Regel zeiten die erforderliche Stabilität zu gewährleisten.
Insbesondere stellen eine geringe Toleranz und Welligkeit der Ausgangsgröße sowie
kurze Regel zeiten nur schwer kombinierbare Forderungen dar.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sperrumrichter der eingangs
genannten Art derart auszubilden, daß er durch Tastgradänderung an dem im Primärkreis
angeordneten Stelltransistor eine stabile Regelung oder Begrenzung auch bei hohen
Andorderungen an die Regelgeschwindigkeit gewährleistet. Insbesonder soll die geregelte
Ausgangsgröße in einem weiten Arbeitsbereich konstant gehalten werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe gibt es mehrere Möglichkeiten. Ein erster
Lösungsweg besteht gemäß der Erfindung darin, daß der Regelvergleicher mit einem
seiner Eingänge an einem Kondensator liegt, der über einen Widerstand an eine Wicklung
des Ubertragers geführt ist.
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Nach einem zweiten Lösungsweg wird der Sperrumrichter derart ausgebildet,
daß der Regelvergleicher mit einem seiner Eingänge an einem ohmschen Widerstand
liegt, der über eine Induktivität an eine Wicklung des Übertragers geführt ist.
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Falls der Kondensator am Istwert-Eingang angeschlossen ist, wird die
Rechteckspannung dem Kondensator mit einer derartigen Polarität zugeführt, daß die
Kondensatorspannung während der Einschaltzeit des Schalttransistors in der Größe
zunimmt. Falls der Kondensator am Sollwert-Eingang liegt, wird die Rechteckspannung
dem Kondensator mit einer derartigen Polarität zugeführt, daß die Kondensatorspannung
während der Einschaltzeit des Schalttransistors in der Größe abnimmt.
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Die an der Ubertragerwicklung auftretende Rechteckspannung bewirkt
am Kondensator eine Dreieckspannung. Diese Dreieckspannung ist an einen der Eingänge
des Regelvergleichers oder Begrenzers gelegt, wobei sich eine Art Störgrößenaufschaltung
ergibt. Da die Rechteckspannung mit einer erheblich geringeren Phasendrehung verbunden
ist als die Meßspannung, kann die Regelung in Bezug auf die sich aus der Rechteckspannung
und der Meßspannung ergebende Eingangsgröße des Regelvergleichers bzw. begrenzer
für größere Regelgeschwindigkeit bemessen werden als dies für die Meßgröße allein
mdglich wäre.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung enthält der
Regelvergleicher
einen Differenzverstärker mit frequenzunabhängiger Gegenkopplung.
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Diese im Hinblick auf das Regelverhalten vorteilhafte Maßnahme wird
dadurch ermöglicht, daß sich für die aus Dreieckspannung und Meßspannung ergebende
resultierende Spannung eine ausreichend kleine resultierende Phasendrehung ergibt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Sperrumrichter zur
weiteren Erhöhung der Regelgenauigkeit derart ausgebildet, daß der dem einen Regelvergleicher
zugeführte Sollwert durch einen weiteren Regelvergleicher steuerbar ist und daß
die beiden Regelvergleicher derart bemessen sind, daß der eine eine Grobregelung
und der weitere eine Feinregelung bewirkt. Eine Regelung durch die Meßgröße allein
müßte aus Stabilitätsgründen relativ langsam sein. In Verbindung mit der aus der
Ubertragerspannung gewonnenen Dreieckspannung wird die Regelung schneller. Die zusätzliche
Feinregelung ermöglicht es, dabei auch besonders großen Anforderungen an die Regelgenauigkeit
gerecht zu werden.
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Uberlegungen im Rahmen der Erfindung haben ferner ergeben, daß - da
für die Grobregelung eine große Regelgeschwindigkeit erzielt wird - die bei der
Feinregelung wirksame Regelgeschwindigkeit ohne weiteres demgegenüber langsamer
sein kann. Zweckmäßigerweise wird daher der weitere Regelvergleicher als Differenzverstärker
mit derart frequenzabhängiger Gegenkopplung ausgebildet, daß sich eine Absenkung
der Verstärkung bei hohen Frequenzen ergibt.
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In vorteilhafter Weise gewährleisten der Frequenzgang des Operationsverstärkers
und die Korrekturwirkung
der Feinregelung, daß an dieser Stelle
die Regelung durch die Meßgröße selbst keinerlei Stabilitätsprobleme mit sich bringt.
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Die gewünschte Korrekturwirkung wird insbesondere dadurch sichergestellt,
daß der Sollwerteingang des ersten Regelvergleichers an einem Abgriff eines an einer
Referenzspannung, insbesondere einer Z-Diode, angeschlossenen Spannungsteilers liegt
und daß der Ausgang des zweiten Regelvergleichers über einen Widerstand an den Abgriff
des Spannungsteilers geführt ist. Dadurch, daß der Sollwert nur korrigiert wird,
ergibt sich für den Feinregler eine Begrenzung des Regelbereiches und ein besonders
günstiges Verhalten bei dynamischen Laständerungen, insbesondere ein vorteilhaftes
Einschaltverhalten.
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In Weiterbildung der Erfindung läßt sich die Genauigkeit der Meßwerterfassung
dadurch weiter erhöhen, daß dem Differenzverstärker einschließlich Gegenkopplung
auf seiten des Istwert-Einganges ein Impedanzwandler vorgeschaltet ist.
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Zweckmäßigerweise liegt bei Stromregelung der Kondensator auf seiten
des Istwert-Einganges des Regelvergleichers und ist über einen weiteren Widerstand
an einen im Laststromkreis liegenden Strommeßwiderstand angeschlossen.
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Am Kondensator liegen in diesem Fall sowohl eine Dreieckspannung,
abgeleitet aus der Rechteckspannung an der Ubertragerwicklung als auch eine Spannung,
die dem Ausgangsstrom proportional ist.
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Dabei ergibt sich eine stabile Regelung des Ausgangsstromes
in
einem weiten Arbeitsbereich. Aufgrund dieser Eigenschaft läßt sich der Sperrumrichter
besonders vorteilhaft als Speiseschaltung zur Fernspeisung von Einrichtungen der
elektrischen Nachrichten-tJbertragungstechnik verwenden.
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Zweckmäßigerweise liegt bei Spannungsregelung der Kondensator auf
seiten des Istwert-Einganges des Regelvergleichers und ist mit wenigstens einem
Teil der Ausgangsspannung beaufschlagt.
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In Weiterbildung der Erfindung wird der Sperrumrichter derart ausgebildet,
daß bei Spannungsregelung der Kondensator auf seiten des Sollwert-Einganges des
Regelvergleichers liegt und daß der Istwert-Eingang des Regelvergleichers mit wenigstens
einem Teil der Ausgangsspannung beaufschlagt ist.
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Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 und Fig. 2 jeweils einen Sperrumrichter mit Regelung
des Ausgangs stromes und Begrenzung der Ausgangsspannung, wobei der Spannungsbegrenzer
und der Stromregler nach Fig. 1 an dieselbe tbertragerwicklung angeschlossen sind
und nach Fig. 2 an verschiedenen Übertragerwicklungen liegen.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Sperrumrichter verläuft der sekundärseitige
Teil 1 des Leistungskreises von der Minusklemme des Ausganges Uber die Drossel 19,
den Kondensator 17, den Strommeßwiderstand 16, den Kondensator 15 und die Drossel
18 zur Plusklemme des Ausganges.
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Die Sekundärwicklung 22 ist über den Gleichrichter 13 an den Kondensator
15, die Sekundärwicklung 23 über die Diode 14 an den Kondensator 17 geführt. Die
Dioden 13 und 14 sind so gepolt, daß sie leitend sind, während der Schalttransistor
12 gesperrt ist.
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Ist der Spannungsbegrenzer 8 nicht erforderlich, kann die Wicklung
22 mit Diode 13 und Kondensator 15 durch die Brücke b ersetzt werden, die den Strommeßwiderstand
16 mit der Drossel 18 bzw. dem Lastwiderstand 20 verbindet.
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Der Stromregler 5 enthält den Operationsverstärker 51, dessen Ausgang
über den Widerstand 50 an den Minuseingang geführt ist. Der Verbindungspunkt von
Sekundärwicklung 23 und Strommeßwiderstand 16 ist über den Widerstand 56 und den
dazu in Serie liegenden Kondensator 58 an Bezugspotential O V geführt. Der Verbindungspunkt
zwischen Widerstand 56 und Kondensator 58 ist über den Widerstand 57 an den Minuseingang
des des Operationsverstärkers 51 geführt und über den Widerstand 55 mit der Wicklung
23 verbunden.
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Das Wicklungsende der Sekundärwicklung 22 ist an Bezugspotential 0
V gelegt. Bei der Sekundärwicklung 23 ist der Anfang über den Widerstand 56 und
das Ende über den Widerstand 55 an den Kondensator 58 geführt.
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Der Spannungsbegrenzer 8 enthält den Operationsverstärker 81, dessen
Ausgang über den Widerstand 80 an den Minuseingang geführt ist. An der Hilfsspannung
UH liegt die Serienschaltung am Widerstand 83 und Z-Diode 84, wobei die Z-Diode
an den Pluseingang des Operationsverstärkers 81 geführt ist.
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Das Ende der Wicklung 23 ist über den Widerstand 85 und den dazu in
Serie liegenden Kondensator 88 an Bezugspotential 0 V geführt. Der Verbindungspunkt
zwischen Widerstand 85 und Kondensator 88 ist über den Widerstand 87 an den Minuseingang
des Operationsverstärkers 81 geführt. Außerdem ist der. Verbindungspunkt des Kondensators
15 mit der Drossel 18 über den Widerstand 86 und den dazu in Serie liegenden Widerstand
89 an Bezugspotential O V geführt, wobei parallel zum Widerstand 81 die Z-Diode
1001 liegt. Der Verbindungspunkt der Widerstände 86, 89 ist mit dem spannungsfihrenden
Anschluß des Kondensators 88 verbunden.
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Der Führungsregler 7 enthält den Operationsverstärker 71, dessen Ausgang
über den Widerstand 70 an den Minuseingang geführt ist. Prallel zum Widerstand 70
liegt die Reihenschaltung aus dem Kondensator 72 und dem Widerstand 73. Der Anfang
der Wicklung 23 ist über den aus den Widerständen 78 und 79 bestehenden Spannungsteiler
an Bezugspotential O V geführt. Der Abgriff dieses Spannungsteilers ist über den
Widerstand 77 an den Minuseingang des Operationsverstärkers 71 gelegt. Der Pluseingang
des Operationsverstärkers 71 liegt an der Z-Diode 76, die über den Widerstand 75
an die Hilfsspannung UH gelegt ist.
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Bei allen Wicklungen können Anfänge und Enden der Wicklungen zugleich
miteinander vertauscht werden.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Sperrumrichter besteht der Leistungskreis
primärseitig aus dem Eingangskondensator 11 (stellvertretend für den Eingangstiefpaß),
aus dem Leistungsschalttransistor 12 und aus dem Speichertransformator 2, dessen
Ferritkern einen Luftspalt aufweist. Sekundärseitig sind wegen der Symmetrie und
der
Spannungsaufteilung zwei Wicklungen 22, 23 mit den Gleichrichtern 13, 14, den Siebkondensatoren
15, 17 und den Siebdrosseln 18, 19 angeordnet. Die sekundären Teilkreise sind über
den Strommeßwiderstand 16, der die Kondensatoren 15 und 17 miteinander verbindet,
in Reihe geschaltet.
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Zur Steuerung des Leistungsschalttransistors 12 enthält die Steuerschaltung
25 in bekannter Weise einen Taktgeber, eine Hilfsspannungsquelle, einen Analog-Digital-Umsetzer
und eine Treiberschaltung. Die galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgangskreis,
die leistungskreisseitig im Speichertransformator 2 liegt, wird steuerkreisseitig
von kleinen Transformatoren vorgenommen.
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Der zu regelnde Ausgangsgleichstrom erzeugt im Meßwiderstand 16 eine
Spannung, die Uber die Widerstände 56, 57 am Operationsverstärker 51 liegt und in
ihm mit der am Widerstand 64 liegenden Referenzspannung verglichen wird. Die Referenzspannung
wird durch den aus den Widerständen 63 und 64 bestehenden Spannungsteiler von der
Zenerspannung der Z-Diode 62 abgeleitet. Der Meßspannung Um wird eine Dreieckspannung
am Kondensator 58 überlagert, die über den Widerstand 55 von der Rechteckwechselspannung
an der Wicklung 23 abgeleitet wird.
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ueber die an der Wicklung 23 liegende Rechteck-Wechselspannung kommt
ein Mischeinfluß von Eingangs- und Ausgangsspannung auf den Regler. Während der
einen Halbschwingung der Rechteckwechselspannung ist die Diode 14 gesperrt und die
Wechselspannung ist der Eingangsspannung proportional. Während der anderen Halbperiode
ist die Diode 14 leitend, und die Rechteckwechselspan-
unterscheidet
sich in der Amplitude nur durch die Schwellenspannung der Diode 14 von der Ausgangsspannung.
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Der Widerstand 55 ist so angeschlossen, daß die Meßspannung Um durch
den Einfluß der Dreieckspannung während der Einschaltzeit des Transistors 12 steigt.
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Der Verstärker 51 ist mit einem ohmschen Widerstand 50 zur Gegenkopplung
versehen, um eine nicht zu große, aber verzögerungsfreie Verstärkung zu erzielen.
Der Ausgang des Verstärkers 51 ist mit der Mitte des aus den Widerständen 52, 54
bestehenden Spannungsteilers verbunden, der von der Hilfsspannung UH gespeist wird.
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Die Spannung am Widerstand 54, die Regelabweichung, wird dem Analog-Digital-Umsetzer
4, der den Komparator 41 enthält, durch Vergleich mit der Rampenspannung am Kondensator
45 in das Abschaltsignal umgesetzt. Der Kondensator 45 ist über den Widerstand 43
und die zur Entkopplung dienende Diode 42 an die Wicklung 23 angeschlossen. Die
Dreieckspannung wird über den Transistor 44 während der Sperrzeit des Transistors
12 zu Null gemacht.
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Zwischen den Knotenpunkt der Widerstände 55, 56 und des Kondensators
58 einerseits und den Vorwiderstand 58 andererseits wird vorteilhaft ein in der
Figur nicht dargestellter weiterer Operationsverstärker als Impedanzwandler geschaltet,
damit die Genauigkeit der Meßwerterfassung gesteigert wird.
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Der Sperrumrichter arbeitet stabil und relativ schnell.
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Um die Genauigkeit der Regelgröße "Ausgangsstrom" weiter zu verbessern,
ist der Führungsregler 7 mit dem Operationsverstärker 71 vorgesehen.
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Die Gegenkopplungsbeschaltung des Operationsverstärkers 71 ist mit
dem Widerstand 77, dem Widerstand 70, dem Widerstand 73 und dem Kondensator 72 so
gewählt, daß sich bei kleinen Frequenzen eine hohe Verstärkung, für hohe Frequenzen
Jedoch eine geringe Verstärkung ergibt. Der Ausgangswiderstand 65 ist so bemessen,
daß der Operationsverstärker 31 nur eine kleine Veränderung der Referenzspannung
am Widerstand 64, d.h. die noch notwendige Korrektur, vornehmen kann. Den Eingängen
des Operationsverstärkers 71 werden die Spannung am Strommeßwiderstand 16 über den
aus den Widerständen 78 und 79 bestehenden Spannungsteiler und die Zenerspannung
der Z-Diode 76 zugeführt.
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Die Wicklung 22 und der Gleichrichter 13 sind nur für höhere Ausgangsspannung
Ua und/oder für eine Symmetrierung vorgesehen. Sie können entfallen, ebenso die
Drossel 18. In diesem Fall wird der Meßwiderstand 16 über die Brücke b direkt an
den Ausgang geführt.
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Der Sperrumrichter hat vorzugsweise eine Arbeitsfrequenz oberhalb
des Hörbereichees. Er eignet sich insbesondere zur verlustarmen Umwandlung von Batteriespannungen
in geregelte Gleichspannungen oder Gleichströme bei weitem Eingangsspannungs- und
-lastbereich. Zugleich bewirkt er eine galvanische Trennung von Ein-und Ausgang.
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Der Sperrumrichter dient vorzugsweise zum Umrichten einer der üblichen
Batteriespannungen, z.B. 20 ... 33 V, 36 ... 60 V, 50 ... 75 V, in eine wesentlich
höhere Gleichspannung bei konstantem Gleichstrom, und läßt sich insbesondere zur
Fernspeisung von Leitungsverstärkern in Kabelübertragungsstrecken vorteilhaft anwenden.
Bei Leistungen über etwa 20 W hilft die
konstante Arbeitsfrequenz
an Aufwand sparen. Der Wirkungsgrad ist in einem weiten Lastbereich nahezu konstant.
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Der beschriebene Sperrumrichter für konstanten Ausgangsstrom arbeitet
stabil, obwohl drei phasendrehende Blindwiderstände wirkungsmäßigin Reihe geschaltet
sind, nämlich die Querinduktivität des Speichertransformators 2, die Siebkapazität
15, 17 und die Induktivität der Siebdrosseln 18, 19.
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Der Sperrumrichter hat insbesondere den Vorteil, daß sich bei sehr
gutem Wirkungsgrad trotz der damit zusammenhängenden geringen Dämpfung eine besonders
kleine Toleranz des Ausgangsgleichstromes erreichen läßt.
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Zur Begrenzung der Leistungsabgabe ist ein Spannungsbegrenzer 8 für
die Ausgangsspannung vorgesehen. Sie besteht aus dem Operationsverstärker 81, der
über seinen Ausgang den Stromregler 5 gegebenenfalls ablöst und dann den Tastgrad
des Schalttransistors 12 bestimmt. Der Sollwert wird durch die Z-Diode 84 über den
Widerstand 83 aus der Hilfsspannung + UH gebildet und dem + Eingang von 81 zugeführt.
Dem Istwertteiler aus den Widerständen 86 und 89, die an der Spannung des Kondensators
15, d.h. an der halben Ausgangsspannung liegen, ist an seinem Mittelpunkt eine kleine
Dreieckspannung verlagert. Diese wird mit Hilfe des Widerstandes 85 aus der Wicklung
23 am Kondensator 88 gewonnen und steigt während der-Einschaltzeit des Transistors
12 an. Diese Wechselspannungsüberlagerung trägt bei linearer Verstärkungsminderung
von Operationsverstärker 81 durch die Widerstände 80 und 87 zu eistabilen,verzögerungsfreien
Regelung bei.
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Fig. 2 zeigt einen Sperrumrichter, bei dem der Spannungsbegrenzer
9 an eine Hilfswicklung 22' des Ubertragers 2' angeschlossen ist. Der sekundäre
Teil 1 des Leistungskreises stimmt weitgehend mit der Variante nach Fig. 1 überein,
bei der die Brücke a eingelegt ist und die Bauteile 13 und 15 fehlen, allerdings
mit der Maßgabe, daß der Wicklungssinn der Sekundärwicklung 23 und die Polung des
Gleichrichters 14 sowie des Kondensators 17 umgekehrt werden.
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Der Stromregler 5 und der Spannungsregler 9 sind ausgangsseitig an
den Analog/Digitalwandler 4 geführt.
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Insbesondere sind dabei die Ausgänge zweier Operationsverstärker mit
offenem Kollektorausgang unmittelbar parallel geschaltet.
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Der Spannungsbegrenzer 9 enthält den Operationsverstärker 91, dessen
Ausgang über den Widerstand 90 an den Minuseingang geführt ist. Die Steuereinrichtung
25' liefert eine Hilfsspannung UH. An dieser Hilfsspannung UH liegt aus dem Widerstand
98 und der Z-Diode 97 bestehende Serienschaltung. Der Abgriff ist über den Widerstand
101 an den Pluseingang des Operationsverstärkers 91 geführt, der über den Widerstand
93 an Bezugspotential O V liegt. Parallel zum Widerstand 93 liegt der Kondensator
98.
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Der übertrager 2' hat eine Ausgangswicklung 23 und eine Hilfswicklung
22'. An die Ausgangswicklung 23 sind der Gleichrichter 14 und der Ladekondensator
17 angeschlossen. Der ausgangsseitige Teil 1 des Leistungskreises verläuft von der
Plusklemme über die Drossel 19, den Kondensator 17, den Strommeßwiderstand 16 zur
Minusklemme.
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Die Hilfswicklung 22' ist so an den Strommeßwiderstand 16 angeschlossen,
daß der Strommeßwiderstand 16 zwischen den beiden Wicklungen 22' und 23 angeordnet
ist. Der Verbindungspunkt zwischen Strommeßwiderstand 16 und Hilfswicklung 22' ist
an einen Eingang des Stromreglers 5 geführt. Der andere Eingang des Stromreglers
liegt an Bezugspotential O V. An dieses Bezugspotential 0 V, das am Ausgang der
Steuereinrichtung 25' liegt, ist der Verbindungspunkt des Strommeßwiderstandes 16
mit der Sekundärwicklung 23 angeschlossen.
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Der Verbindungspunkt der Drossel 19 mit dem Kondensator 17 ist über
den aus den Widerständen 96 und 99 bestehenden Spannungsteiler an Bezugspotential
gefuhrt.
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Der Abgriff dieses Spannungsteilers ist über den Widerstand 97 an
den Minuseingang des Operationsverstärkers 91 gelegt. Parallel zum Widerstand 99
liegt die zur Spannungsbegrenzung dienende Z-Diode 100.
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Die Hilfswicklung 22' ist mit dem dem Strommeßwiderstand 16 abgewandten
Ende über den Widerstand 95 an den Pluseingang des Operationsverstärkers 91 geführt.
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Eine weitere Variante mit einer Konstantstromregelung und Spannungsbegrenzung
bei einem Sperrumrichter ist in Fig. 2 dargestellt. Der Leistungskreis entspricht
weitgehend dem in Fig. 1 gezeigten, besitzt jedoch sekundärseitig neben der für
die Energieübertragung vorgesehenen einzigen Transformatorwicklung 23 eine Hilfswicklung
22'.
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Zur Spannungsbegrenzung löst der Operationsverstärker 91 den Stromregeler
5 ab und bestimmt über den Analog/ Digitalwander 4 den Tastgrad des Schalttransistors
12
für konstante Ausgangsspannung. Zur Verbesserung der Stabilität
des Regelkreises wird eine kleine Dreieckspannung dem Sollwert am + -Eingang des
Operationsverstärkers 91 überlagert. Diese Dreieckspannung wird aus der Hilfswicklung
22' Uber den Widerstand 95 am Kondensator 98, der über den Widerstand 101 an der
Referenzdiode 97 angeschlossen ist, gewonnen. Der durch den Widerstandsteiler 96,
99 von der Ausgangsspannung abgeleitete Istwert wird über den Widerstand 92 dem
Minuseingang des Operationsverstärkers 91 zugeführt.
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Die lineare Verstärkungsminderung des Operationsverstärkers 91 durch
die Widerstände 90, 93 führt zum verzögerungsfreien Ansprechen der Spannungsbegrenzung.
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10 Patentansprüche 2 Figuren