DE3519116C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen pulsbreitengeregelten Gleichspannungswandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Wandler ist z. B. aus der DE-OS 33 10 774 bekannt.

Bei diesem bekannten Wandler werden der Eingangsstrom oder die Ausgangsspannung auf einen Sollwert stabilisiert, indem einer Regelschaltung Eingangsspannung, Eingangsstrom und Ausgangsspannung zugeführt werden. Die Regelschaltung verändert in geeigneter Weise das zyklische Schaltverhältnis eines Unterbrechers, der in Reihe oder parallel zur Last angeordnet ist.

Während ein solcher Wandler offenbar darauf ausgerichtet ist, möglichst wenig Rückwirkungen auf das speisende Netz aufgrund der Schaltvorgänge des Unterbrechers zu erzeugen, ist es Aufgabe der Erfindung, einen Wandler gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, dessen Ausgangsspannung besonders stabil gegenüber Netzspannungsschwankungen sein soll.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vor dem Hintergrund bekannter Wandler mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen bekannte Wandler.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Wandler.

Der bekannte Wandler gemäß Fig. 1 besitzt einen Eingang mit zwei Klemmen AB, an den eine Gleichspannungsquelle mit einer Ausgangsspannung V 1 angeschlossen ist. An zwei Ausgangsklemmen MN wird eine nicht dargestellte Last angeschlossen. Wenn die Spannung V 1 an die Klemmen A und B angelegt wird und die Last am Ausgang liegt, erscheint eine Spannung zwischen den Klemmen M und N.

Die Klemmen B und N liegen an Masse. Die Klemmen A und M sind über eine Serienschaltung eines elektronischen Schaltelements 9 und einer Induktivität L miteinander verbunden. Eine Diode D liegt einerseits am Verbindungspunkt des Schaltelements 9 und der Induktivität L und andererseits an Masse. Ein Kondensator C liegt zwischen den Klemmen M und N. Die Induktivität L und der Kondensator C bilden ein Ausgangsfilter des Wandlers, um die Spannung V 2 zu glätten. Die Diode D ermöglicht einen Stromfluß durch die Induktivität L, wenn das Schaltelement 9 geöffnet ist.

Ein Spannungskomparator 10 vergleicht die Spannung V 2 mit einer Festspannung Vr. Der Ausgang des Komparators 10 liegt über ein Korrekturfilter 11, gefolgt von einem Verstärker 12, am ersten Eingang eines weiteren Spannungskomparators 6 und liefert diesem eine Spannung Vc. Das Korrekturfilter 11 ist im allgemeinen abhängig von der Ausgangslast des Wandlers und des Frequenzbandes dimensioniert, in dem Störungen unterdrückt werden sollen. Der Komparator 6 empfängt an seinem zweiten Eingang ein Sägezahnsignal einer Periode P von einem Sägezahngenerator 70. Der Ausgang des Komparators 6 ist an einen Steuereingang des Schaltelements 9 angeschlossen. Der Komparator 6 bewirkt die Öffnung des Schaltelements 9, wenn die steigende Flanke des Sägezahnsignals die Spannung Vc übersteigt. So wird während eines Regelungszyklus einer durch die Periode des Sägezahns bestimmten Zyklusdauer T das Schaltelement 9 während einer Dauer t 1 = k′ · Vc geschlossen, wobei t 1 höchstens gleich T ist und k′ eine durch die Steigung der Sägezahnflanke vorgegebene Konstante ist.

Der Wandler nach Fig. 1 liefert eine Spannung V 2, die ohne Berücksichtigung der Verluste in den verschiedenen Elementen des Schaltkreises der folgenden Beziehung gehorcht:

Setzt man t 1 = k′ · Vc, dann ergibt sich

Diese Gleichung zeigt, daß bei einer plötzlichen Veränderung von V 1 aufgrund einer Störung der Wert von Vc sehr schnell dementsprechend geändert werden muß, um die Störung nicht auf die Ausgangsspannung V 2 durchschlagen zu lassen. Das bedingt eine sehr große Durchlaßbandbreite der Regelschleife 10, 11, 12, 6, 9, L, D, C, was aber schwer realisierbar ist.

Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines bekannten Wandlers. Diese Wandler unterscheidet sich im wesentlichen von dem vorhergehenden durch ein Ampèremeter 2, das zwischen die Eingangsklemme A und das Schaltelement 9 eingefügt ist, dessen Ausgangsspannung zum Komparator 6 führt, und durch eine Kippstufe 8, die vom Komparator 6 auf Null gestellt wird, von einem Taktgeber 7 eingeschaltet wird und den Unterbrecher 9 steuert. Wenn zu Beginn eines Betriebszyklus des Schaltelement 9 geschlossen ist, dann steigt der im Ampèremeter 2 gemessene Strom I 1 aufgrund der Induktivität L stetig an. Wenn dann zum Zeitpunkt t 1 (t 1 < T) der Meßwert I _max für den Strom I 1 dem Wert von Vc entspricht (I _max = k′′ · Vc; k′′ ist ein Proportionalitätsfaktor, der einem Leitwert entspricht), dann setzt der Komparator 6 die Kippstufe 8 auf Null zurück, so daß das Schaltelement 9 bis zum Beginn des nächstfolgenden Zyklus geöffnet wird.

Der Leistungswandler nach Fig. 2 liefert an seinem Ausgang eine Energie E, die von V 1, von I _max und von t 1 abhängt:

E = f(V 1, I _max , t 1)

Wenn V 1 plötzlich aufgrund einer Störung ansteigt, dann nimmt auch E zu und V 2 wird somit gestört, es sei denn, t 1 wird rasch verkleinert, was eine plötzliche Verringerung von Vc erforderlich macht. Um dies zu erreichen, muß wie im Fall der Fig. 1 die Durchlaßbandbreite der Regelschleife 10, 11, 12, 6, 8, 9, L, D, C sehr groß sein. Dies führt wieder zu den erwähnten Problemen.

Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Wandlers gemäß der Erfindung, in dem die Steuerung keine Spannungssteuerung wie im Falle der Fig. 1 und keine Stromsteuerung wie im Fall der Fig. 2 ist, sondern eine Energiesteuerung. Die Steuerung besteht darin, daß die Energie an einer beliebigen Stelle des direkten Weges zwischen dem Eingang AB und dem Ausgang MN gemessen wird, wobei diese Messung mit jedem Betriebszyklus neu beginnt und es ermöglicht, die Verbindung vom Eingang zum Ausgang zu unterbrechen, sobald der gemessene Wert einen gegebenen Wert erreicht.

Fig. 3 entspricht Fig. 2 mit Ausnahme der Verbindung zwischen dem Ampèremeter 2 und dem Komparator 6. In dieser Verbindung ist ein Multiplizierer 3 eingefügt, der die Ausgangsspannung des Ampèremeters 2 mit der Ausgangsspannung eines die Spannung an den Klemmen AB messenden Voltmeters 1 multipliziert. Die Ausgangsspannung dieses Multiplizierers 3 gelangt über ein Integrierglied 4 und über ein Rechenglied zum Ziehen der Quadratwurzel an einen Eingang des Komparators 6. In der Schaltung gemäß Fig. 3 steuert die Kippstufe 8 nicht nur das Schaltelement 9, sondern auch die Nullsetzung des Integriergliedes 4.

Der Taktgeber 7 liefert schmale Impulse einer Frequenz von 60 kHz. Der Multiplizierer 3 liefert an das Integrierglied 4 ein für das Produkt aus Strom und Spannung am Eingang des Wandlers repräsentatives Signal. Dieses wird im Integrierglied 4 in ein Signal umgewandelt, das ein Maß für die Energie zwischen dem Beginn eines durch einen Impuls des Taktgebers gesteuerten Betriebszyklus und dem Zeitpunkt ist, an dem die Kippstufe 8 das Öffnen des Schaltelements 9 bewirkt. Dieses Öffnen des Schaltelements 9 geschieht zu dem Zeitpunkt, an dem die Energiemenge, die im Wattmeter 1 bis 3 und im Intergrierglied 4 erfaßt wird, den Wert des vom Verstärker 12 gelieferten Signals übersteigt, oder, genauer gesagt, dem Zeitpunkt, an dem die Quadratwurzel des Werts dieser Energie den Wert Vc überschreitet. In diesem Moment wird die Kippstufe 8 auf Null gesetzt, wodurch das Schaltelement 9 geöffnet und der Integrator 4 in den Anfangszustand gebracht wird. Die Übertragung von Energie zwischen dem Eingang AB und dem Ausgang MN wird dann bis zum Beginn des nächsten Betriebszyklus unterbrochen.

Wenn eine Störung am Eingang AB auftritt, dann wird die von dieser Störung gebildete Energie sofort von den Bauelementen 1 bis 5 und damit vom Komparator 6 berücksichtigt, ohne daß es notwendig ist, das vom Verstärker 12 gelieferte Signal Vc schnell zu modifizieren. Dadurch wird die Regelschleife aus den Bauelementen 10, 11, 12, 6, 8, 9, L, C, D stark vereinfacht.

Wenn es nur auf die Energieregelung mit einer guten Störunterdrückung zwischen Eingang und Ausgang ankommt, dann kann das Schaltbild gemäß Fig. 3 durch Wegfall der Bauteile 10, 11, 12 vereinfacht werden, wobei dann der Komparator 6 an seinem ersten Eingang eine Festspannung Vc zugeführt erhält.

Mit dem Schaltbild nach Fig. 3 ist es möglich, eine Dämpfung von Störungen zwischen dem Eingang AB und dem Ausgang MN von 40 dB mit einer Zyklusfrequenz von 60 kHz und einer Grenzfrequenz der Regelschleife (Bauteile 10, 11, 12, 6, 8) von 80 Hz zu erreichen. Im Vergleich dazu erzielt man mit einem Wandler gemäß Fig. 1, dessen Zyklusfrequenz 100 kHz beträgt und dessen Regelschleife eine Grenzfrequenz von 30 kHz besitzt, nur eine Stördämpfung zwischen Eingang und Ausgang von 30 dB.

Das Ausgangssignal des Integrierglieds 4 aus Fig. 3 kann direkt an den zweiten Eingang des Komparators 6 geführt werden. Der Vorteil des Rechenglieds zum Ziehen der Quadratwurzel 5 liegt darin, daß der Verstärkungsgrad Vc/V 2 des die Bauteile 1 bis 9, L, D, C und die Ausgangslast enthaltenden Schaltkreises weniger stark schwankt, als wenn dieses Rechenglied 5 nicht vorhanden wäre.

Im Rahmen der Erfindung kann das Rechenglied 5 aus Fig. 3 durch irgendeinen anderen Schaltkreis ersetzt werden, dessen Ausgangssignal eine monotone Funktion des Eingangssignals ist.

Im Rahmen der Erfindung könnte die Schaltung gemäß Fig. 3 auch in anderer Weise verändert werden. So kann die Energiemessung an jedem beliebigen Punkt der direkten Verbindung zwischen dem Eingang AB und dem Ausgang MN erfolgen, z. B. nach dem Schaltelement 9 oder hinter der Induktivität L. Weiter kann das durch die Bauelemente 1 bis 3 gebildete Wattmeter auch beispielsweise durch ein integriertes Wattmeter gemäß dem Halleffekt ersetzt werden. Schließlich könnte der Unterbrecher 9 auch nicht nur abhängig von der gelieferten Energie oder der Quadratwurzel daraus gesteuert werden, sondern auch abhängig vom Produkt zweier Werte, von denen der eine ein Maß für die Energie ist und der andere beispielsweise die folgende Form besitzt:

Hierbei bilden H und K Konstante, und |I 2| stellt den Absolutwert des Stroms in der Last dar, die an die Ausgangsklemmen des Wandlers angeschlossen ist.

Claims (5)

1. Pulsbreitengeregelter Gleichspannungswandler konstanter Frequenz, bei dem Eingangsstrom und -spannung erfaßt und einer Steuer- und Regelschaltung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuer- und Regelschaltung ein zu Beginn jeder Schaltperiode auf Null gesetzter Meßkreis (1-5) ein die dem Wandler während einer Schaltperiode zugeführte Eingangsenergie repräsentierendes Meßsignal erzeugt, welches mittels eines Komparators (6) mit einem Fehlersignal verglichen wird, wobei das Vergleichsergebnis den Zeitpunkt der Sperrung des Schaltelements (9) des Wandlers bestimmt.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal aus der Ausgangsspannung durch Vergleich mit einem Sollsignal in einem weiteren Komparator (10) gewonnen wird.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine bistabile Kippstufe (8) aufweist, deren erster Eingang mit Taktsignalen beaufschlagt wird, die zu Beginn jedes Betriebszyklus auftreten, während der andere Eingang am Ausgang des Komparators (6) liegt, wobei der Ausgang der Kippstufe an einen Steuereingang des Schaltelements (9) des Wandlers führt.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkreis ein Wattmeter (1 bis 3) sowie einen diesem nachgeschalteten Integrierkreis (4) aufweist und daß der Nullsetzungseingang dieses Kreises an den Ausgang der bistabilen Kippstufe (8) angeschlossen ist, während ein Ausgang dieses Kreises zum Komparator (6) führt.

5. Wandler nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkreis (1 bis 5) einen Transformationskreis (5) enthält, der ausgangsseitig ein Signal liefert, dessen Wert eine monotone Funktion eines Wertes des an seinen Eingang angelegten Signals ist, wobei der Ausgang dieses Transformationskreises den Ausgang des Meßkreises bildet.