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Kons-tan-tstrom-Speisegerät Die Erfindung bezieht sich auf ein Konstantstrom-Speisegerät
für eine vorzugsweise konstante Belastung, bestehend aus einem Umrichter und einem
zwischen dem Ausgang des Umrichtcrs und der Belastung angeordneten Schaltreg-1er
In geregelten S-tromversorgungsgeraten, die entweder mit konstanter Spannung be-trieben
werden und konstan-ten Strom abgeben sollen oder mit konstantem Strom betrieben
werden und konstante Spannung abgeben sollen, können je nach den an sie gestellten
Foderungen verschiedene Regelprinzipien zur Anwendung gelangen.
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Es sind bereits zahlreiche Schaltungen bekannt, die zur Stabilisierung
einer Versorgungsspannung oder eines Ausgangsstromes Verlustregler oder Schaltregler
-verwenden0 Für die Verwendung eines Verlustreglers sprechen z. B. die Vorteile
eines geringen Aufwandes an Bauteilen und die guten dynamischen Eigenschaften, die
eine schnelle Ausregelung bei Laständerungen ermöglichen. Da Verlustregler innerhalb
ihres Regelbereiches alle Lastschwankungen augenblicklich kompensieren, bleibt in
jedem Zeitpunkt die Eingangsleistung konstant Lastánderungen können daher nicht
auf den Eingangskreis zurückwirken. Nachteilig sind jedoch die sich als Wärme sußernden
Verluste, welche bei einem Konstantstrom-Speisegerät proportional mit der Ausgangsentlastung
ansteigen. Der Verlustregler wird daher vorzugsweise in solchen Fällen eingesetzt
werden, in denen kein großer Regelbereich gefordert wird.
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Beim Schaltregler betragen dagegen die anfallenden Grundverluste auch
innerhalb eines sehr weiten Regelbereiches nur einen vernachlässigbaren Bruchteil
der Ausgangsleistung und bedingen damit einen hohen Wirkungsgrad auch bei einem
hohen Belastungswidestand. Laständerungen wirken bei diesem Regelprinzip auf den
Eingang zurück und -äußern sich dort durch Ausgleichsvorgänge als entsprechende
Spannungsänderungen0 Abgesehen von dem größeren Aufwand an hochwertigen Bauteilen
und schlechteren dynamischen Eigenschaften sind die von den schaltenden Transistoren
verursachten Störspannungen nicht zu vernachlässigen, zu deren Reduzierung zusätzliche
Siebmittel notwendig sind.
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Wird an ein Konstantstrom-Speisegerät die Forderung gestellt, seine
Ausgangsspannung nicht nur bei kleinen (im Nennbe-trieb), sondern auch bei großen
Laständerungen (Ausfall von Verbrauchern) konstant zu halten, dann ist keines der
beiden genann-ten Regelprinzipien ohne erhebliche Nachteile anwendbar. Die genannten
Anforderungen werden z,B, an Umrichter zur Versorgung vonferngespeisten Verstärkern
in Weitverkehrssystemen gestellt, die von einem konstanten Fernspeisegleichstrom
betrieben werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine vorteilhafte Kombination teider
Regeiprinzipien vorgeschlagen, die gemäß der Erfindung dadurch verwirklicht wird,
daß der Schaltregler bzw. die der S-teuerschaltung des Schaltreglers zugeordnete
Meßschaltung als (leistungsfähige) Parallelschaltung ausgebildet und dimensioniert
ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Meßschaltung
im Nennbetrieb des Konstantstrom-Speisegerätes bei abgeschaltetem Schaltregler als
selbständiger Verlus-tregler wirksam. Bei Abweichung der Belastung vom Nennbetrieb
im Sinne einer Verringerung der Belastung liefer
-t die-Meßschaltung
selbs-t-tätig ein Kriterium für die Einschaltung und Steuerung des Schaltreglers.
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Durch geringfügige Änderung bzw Erweiterung der Meßschaltung des Schaltreglers
wird somit erreicht, daß sich der Regelvorgang in Abhängigkeit vom vorliegenden
Be-triebsfall des Konstantstrom-Speiseeräes selbsttätig jeweils auf das günstigere
Regelprinzip bzw. auf eine Kombination beider Regelprinzipien einstellt. Da die
Schaltreglerfunktion erst beim Überschreiten einer bestimmten Vergrößerung des Belastungswiderstandes
(Entlastungsfall) einsetzt, werden in diesem Betriebszustand zusätzliche Verluste
vermieden, wie sie beim Verlustregler in Form von Wärme am Regelglied auf-treten
würden. Die Vorzüge beider praktisch in einer Regelschaltung verwirklichten Regelsysterne
werden daher voll ausgenutzt, während deren Nachteile sich nicht störend bemerkbar
machen Trotz der Erweiterv.ng des Regelbereiches durch die Schaltreglerfunktion
wird die Ausfallrate des Speisegerätes vorwiegend nur durch die relativ wenigen
Bau-teile der als Verlustregler wirkenden Meßschaltweg bestimmt, da die Schaltreglerfunktion
im Normalfall (unveräderter Belastungswidestand) unterbunden ist.
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Die Schaltung bietet außerdem den Vorteil, daß der Arbeitspunkt im
Nennbetrieb in den Regelbereich des Verlustreglers geleg-t werden kann. Aufgrund
der guten dynamischen Eigenschaften dieses kombinierten Hegelprinzipps ist nur ein
geringer Aufwand an Siebmitteln erforderlich.
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Bei verschiedenen Nennströmen kann der Arbeitspunkt im Normalbetrieb
gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung durch die Wahl eines entsprechenden
Abgriffe an der Sekundärwicklung des Umrichter-Transformators mittels eines Schalters
in den Regelbereich des Verlustreglers verlegt werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Figuren 1 und
2 näher beschrieben.
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Das in Fig. 1 dargestellte Konstantstrom-Speisegerät besteht im wesentlichen
aus einem Konstantstrom-Gerät, z. B.
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Umrichter, U und einem mit Impulsbreitensteuerung arbeienden Schaltregler.
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Der Konstantstrom-Umrichter U kann in herkömmlicher Technik ausgebildet
sein. Er ist daher in seinen Schaltungseinzelheiten nicht dargestellt. Der nach
dem Schaltreglerprinzip arbeitende Regler ist abweichend von der üblichen Form der
Schaltregler so ausgebildet, daß der Schalter Trl im Querzweig, Speicherdrossel
Dr und Freilaufdiode D dagegen im Längszweig angeordnet sind0 Ein Anschlußende des
Schalters Trl liegt am Verbindungspunkt von Speicherdrossel Dr und Freilaufdiode
D. Die übrigen Schaltungsteile des Schaltreglers sind die Meßschaltung an seinem
Ausgang und die von der Meßschaltung gesteuerte Steuerschaltung für den Schal-t-transis-tor
Tr1 im Querzweig. Die Steuerung selbst erfolgt durch Änderung des Tastverhältnisses
einer mittels eines Nilfswechselrichters HW erzeugten rechteckförmigen Wechselspannung,
die der Basis des Schalttransistors zugeführt wird.
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Die Meßschaltung besteht aus dem Spannungsteiler mit den Widers-tänden
R6, R8 und dem Potentiometer R7 zur Sollwerteinstellung, der Phasen- und Vers-tärkerstufe
T3, T4 mit der Zenerdiode Z3 und dem Schaltungsteil mit den in Reihe geschalteten
Bauelementen Tr2, Zl und R5, der zusammen mit dem Meßwiderstand R1 im Längs zweig
der Erzeugung einer Differenzspannung für den Steuerteil des Schaltreglers dient
Der Ausgang der ?hasenumkehrstufe Tr3 ist über die Zenerdiode Z2, welche die Aufgabe
hat, das Gleichspannungspotential für die nächste Stufe herabzusetzen, mit der Basis
des
Transistors Tr2 verbunden.
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Für die Wirkungsweise der kombinierten Regelfunkt-ionen von Schaltregler
und Verlustregler ist es wesentlich, daß der vom Transistor Tr2, der Zenerdiode
Z1 und dem Widerstand R5 gebildete Schaltungszweig so dimensioniert wird, daß er
zusätzlich die Funktion eines Verlustreglers übernehmen kann Der Steuerteil des
Schaltreglers umfaßt den Hilfswechselrichter HW zur Erzeugung der Taktfrequenz,
den Steuerumsetzer StU und den Impulsbreitenumsetzer JU, die gemeinsam das Meßergebnis
(Differenzspannung) in eine Pulsbreitensteuerung der rechteckförmigen Steuerspannung
umsetzen, und außerdem den Impulsverstärker JV, der gegebenenfalls mit einem Impulsinverter
gekoppelt ist. Die verstärkte Steuerspannung wird vom Ausgang des Impulsverstärkers
JV an die Basis des als Schalter arbeitenden Schalttransistors Trl geführt.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung ist davon auszugehen,
daß der Schaltregler bei Nennbetrieb des Konstan-tstrom-Speisegerätes außer Betrieb
ist, daß jedoch gleichzeitig die entsprechend bemessene Meßschaltung die Punktion
eines Verlustreglers in Parallelregelschaltung ausübt. Durch besondere Maßnahmen
wird dem Verlustregler nur ein Teil des gesamten Regelbereiches zugeordnet. Erst
nachdem die Regelabweichung durch Ansteigen des Lastwidersandes RL einen bestimmten
Wert erreicht hat, wird auch der Schaltregler wirksam0 Der zunächst durch den als
Stelltransistor arbeitenden Transistor Tr2 (Verlustregler) fließende Strom Jz ist
gerade so groß, daß der Ausgangsstrom am Lastwiderstand einen Spannungsabfall von
der Größe des Sollwertes ergibt. Dieser Differenzstrom wächst proportional mit zunehmender
Entlastung des Ausganges, bis schließlich
die Differenzspannung
an den Widerständen R1/R5 durch Null geht, zunehmend positiv wird und den Schaltregler
über den Steuerumsetzer StU in Gang setzt, wenn gleichzeitig der Hilfswechselrichter
HW eine rechteckförmige Taktspannung liefert Der Hilfswechselrichter schwingt nicht
bei Nennbetrieb der Schaltung. Seine Bingangsspannung bezieh-t er Hilfswechselrichter
im Querzweig der Meßschaltung an der Reihenschaltung von Zenerdiode Z1 und Widerstand
R5. Nimmt der Stelltransistor Tr2 bei Anstieg des Las-triders-tandes RL einen genügend
niederohmigen Wert an, dann kann der Hilfswechselrichter bei entsprechend angestiegener
Eingangsspannung über die Anschwinghilfe R2, R3, R4 anschwingen. Das Po-tentiome-ter
R3 und der Widers-tand R5 werden so aufeinander abgestimmt, daß der Hilfswechselrichtcr
und der S-teuerumsetzer gleichzeitig in Fu-nktion treten Von diesem Betriebszustand
ab übernimmt der Schaltregler bei weiterer Entlastung des Ausganges (bzw.
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bei weiter sinkendem Ausgangsstrom) die Funktion des Reglers. Da der
in den Schal-tregler fließende Strom im Gegensatz zum Verlustregler in Form von
mehr oder weniger brei--ten Stromimpulsen nahezu verlustlos geschaltet wird, ändert
sich die Eingangsleistung proportional mit der Ausgangsleistung.
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Die in Fig.2 dargestellten Kurven lassen den Übergang von der reinen
Verlustregelung auf das kombinierte Regeiprinzip (Schal-tregler/Verlustregler) deutlich
erkennen. Die dargestellten Kurven zeigen in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom o im
Prinzip den Verlauf von Eingangs spannung bzw.
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Eingangsleistung a, Ausgangsleistung b-, Ausgangsspannung c, Grundverlustleisung
der Regelschaltung a, Verlustleistung des V erlustreglers einschließlich Grundverlustleistung
e und den Wirkungsgrad; @. Der Ausgangsstrom bei Nennbetrieb ist durch die senkrechte
strichpunktierte Linie gekennzeichnet. Der scharfe Kennlinienknick bei den Kurven
a, e
und @ deuten den Einsatz des Schaltreglers an.
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7 Patentansprüche 2 Figuren