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EP0886200B1 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer lastunabhängigen Gleichspannung - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer lastunabhängigen Gleichspannung Download PDF

Info

Publication number
EP0886200B1
EP0886200B1 EP98110544A EP98110544A EP0886200B1 EP 0886200 B1 EP0886200 B1 EP 0886200B1 EP 98110544 A EP98110544 A EP 98110544A EP 98110544 A EP98110544 A EP 98110544A EP 0886200 B1 EP0886200 B1 EP 0886200B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
arrangement
signal
voltage
current
output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP98110544A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0886200A2 (de
EP0886200A3 (de
Inventor
Martin Feldtkeller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP0886200A2 publication Critical patent/EP0886200A2/de
Publication of EP0886200A3 publication Critical patent/EP0886200A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0886200B1 publication Critical patent/EP0886200B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • G05F1/613—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in parallel with the load as final control devices

Definitions

  • a load change occurring at the output terminals is required with constant mains voltage, a change in regulated by the current control arrangement, in particular sinusoidal Current consumption. That leaves the power consumption and thus the power consumption is initially the same when the load changes a change in the output voltage.
  • This change will registered by the voltage measuring arrangement and as a voltage signal via the feedback branch to the current control arrangement fed back, depending on the current consumption there readjust from the load change to the output voltage reached the specified value again.
  • Integration of the voltage signal in the control arrangement of the Feedback branch provided. Usually caused by one large integration time constant become load changes and thus changes in the output voltage are delayed the current control arrangement fed back, the readjustment of the Current change is therefore relatively sluggish.
  • a change in current consumption is also in the event of a change the mains voltage required, which must then be taken into account in particular is when the circuit arrangement in so-called Wide range power supplies are used, which is a constant Output voltage for input voltages between should deliver approx. 90V and 265V.
  • the mains current consumption initially changes proportionally to the voltage change while moving through the circuit arrangement absorbed and output power changes quadratically depending on the voltage change.
  • the Output voltage for example, initially when the mains voltage is reduced from, this change by the voltage measuring arrangement registered and as an integrated voltage signal via the Feedback branch fed back to the current measuring arrangement becomes.
  • the current consumption is both when the load changes and when Change in the mains voltage until the Output voltage set again to the specified value Has.
  • the current consumption is regulated in the current regulating arrangement using a control loop that has a rated Mains voltage signal is supplied, the current consumption proportional to this signal.
  • the rated mains voltage signal is generated by multiplying one at the input terminal of the current control arrangement control signal present with a direct from the line voltage dependent line voltage signal.
  • the mains voltage signal is by the factor rate four to achieve a current draw that twice the original power consumption.
  • the control signal present at the input terminal of the current control arrangement is thus quadratic dependent on the mains voltage, the smaller the mains voltage, the greater the signal is.
  • the aim of the present invention is to provide a circuit arrangement to generate a load-independent DC voltage for To make available, with a readjustment of the output voltage regardless of the load and at least approximately regardless of the mains voltage.
  • the one at the input terminal for different mains voltages applied control signals are still square depending on the respective mains voltage, a change however, these signals occur due to the same load change of the function generator depending on their absolute value.
  • the influence of the mains voltage, from which the value of the control signal depends on those required to readjust the current consumption The time period is considerably reduced.
  • the output signal of the function generator which is fed to the current control arrangement at its input terminal for evaluating the mains voltage signal, is thus exponentially dependent on the signal supplied by the integration arrangement, which in turn depends on the voltage signal. Changes in the voltage signal when the load connected to the output terminals of the circuit arrangements changes have an exponential effect on the control signal applied to the input terminal.
  • the control signals applied to the input terminal for different line voltages are quadratic dependent on the respective line voltage, however, these signals are changed with the same load change due to the function generator with exponential transfer function proportional to its absolute value.
  • the regulation of the mains current consumption takes place in this embodiment independently of the load and the mains voltage.
  • the circuit arrangement is preferably designed so that the base a to which the input signal of the function generator is set in the exponent, the Euler number e is.
  • Such function generators with an exponential to the base e Transmission behavior is simple to realize using a diode or a transistor.
  • a first is provided for the function generator Subtract circuit downstream, which is a constant signal subtracted from the output signal of the function generator.
  • the current control arrangement preferably assigns one in parallel whose input terminals are switched circuit breakers, one Pulse width modulator, a second voltage measuring arrangement, a Current measuring arrangement, a second subtracting arrangement as well a multiplier arrangement.
  • the circuit breaker will depending on an output signal of the pulse width modulator open or closed with an entrance to the Pulse width modulator via the second subtracting arrangement Differential signal is supplied, which is the difference of a signal supplied by the current measuring arrangement and one product signal supplied by the multiplier arrangement.
  • the product signal is generated by means of the multiplier arrangement from an output signal of the second voltage measuring arrangement, that corresponds to the mains voltage signal, and that at the Input terminal of the current control arrangement applied control signal educated.
  • Such a current control arrangement causes one in the presence of a sinusoidal mains voltage essentially sinusoidal mains current consumption, the amplitude of the Mains current consumption by evaluating the mains voltage signal can be varied.
  • the invention further relates to a use of the invention Circuit arrangement in a switching power supply.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a circuit arrangement according to the invention.
  • a first rectifier arrangement GL1 having a bridge rectifier BG is shown with an AC voltage connection EK1, EK2 and output terminals AK1, AK2, to which a current control arrangement SRA is connected.
  • the current control arrangement has an input terminal EK3 for applying a control signal RS supplied by a feedback branch RZ.
  • the current control arrangement SRA also has output terminals AK3, AK4, to which a second rectifier arrangement GL2 is connected.
  • An output voltage U a can be tapped at output terminals AK5, AK6 of the second rectifier arrangement GL2 and is to be kept constant independently of a load R L that can be connected to the output terminals AK5, AK6.
  • a first voltage measuring arrangement MA1 is further connected to the output terminals AK5, AK6 of the second rectifier arrangement GL2 and supplies a voltage signal SS dependent on the output voltage U a to a control arrangement RA in the feedback branch RZ.
  • the current control arrangement SRA shown has a second voltage measuring arrangement which is designed as a resistor R S , which is connected to an output terminal AK1 of the first rectifier arrangement GL1, and from which a mains voltage signal NS can be tapped. Due to the bridge rectifier BG, this mains voltage signal NS depends on the magnitude of the mains voltage U N. After this mains voltage signal NS has been multiplied in a multiplier MUL by the control signal RS, a current signal SI supplied by a current measuring arrangement SMA is subtracted from the evaluated mains voltage signal BNS resulting from the evaluation of the mains voltage signal NS by the control signal RS.
  • the current measuring arrangement SMA has a current sensing resistor R F , on which a voltage drop is produced by means of a current I flowing into or out of the current control arrangement SRA, which drop is determined by means of an operational amplifier OPV and is supplied as a current signal SI to a third subtracting arrangement SUB3 ,
  • An output signal of the third subtraction arrangement SUB3 is present at an input of a pulse width modulator PWM, at whose output control signals AS are present, by means of which a power switch LS connected between the output terminals AK3, AK4 of the current control arrangement SRA is opened or closed.
  • the circuit breaker LS When the circuit breaker LS is closed, the current I flows in the current control arrangement via an inductance L and the circuit breaker; the inductance L takes up energy. When the circuit breaker LS is open, the inductance L delivers energy in the form of current via a diode D to a capacitance C of the second rectifier arrangement GL2.
  • the control signals AS of the pulse width modulator PWM are such that the switch LS is closed the longer the larger a signal present at the input of the pulse width modulator PWM.
  • the current control arrangement SRA shown with a sinusoidal mains voltage U N or a sinusoidal mains voltage signal NS, causes a sinusoidal mains current IN or a sinusoidal current I.
  • the amplitude of the current I is proportional to the amplitude of the rated mains voltage signal BNS supplied by the multiplier arrangement MUL. Halving the mains voltage U N thus halves the mains current consumption or reduces the power delivered to the load R L by a factor of 4. If the mains voltage U N is halved, the original output power is maintained and the output voltage U a is maintained at a predeterminable value, a doubling of the mains current consumption compared to the original mains current consumption is required.
  • the control signal applied to the input terminal EK3 of the current control arrangement SRA must therefore be increased by a factor of 4 compared to the original value. This is as follows:
  • the function generator FG connected downstream of the integrating arrangement IN uses this output signal as the input signal x and uses it to generate an output signal y which is exponentially dependent thereon and which is fed directly to the current regulating arrangement SRA in the example shown as a regulating signal.
  • the control signal RS and thus the current I flowing in the current control arrangement SRA increases until the output voltage U a again reaches a predetermined value at which the voltage signal SS corresponds to the reference signal U 1 , so that the control signal RS is no longer increased , When the mains voltage U N increases, the control signal RS decreases accordingly.
  • the current consumption or the current I flowing in the current control arrangement SRA is readjusted if the load R L changes while the mains voltage U N remains the same. If the control signal RS initially remains constant, the power consumed or output remains constant and the output voltage U A changes. The control signal RS is then readjusted in the manner described until the output voltage U A again reaches a predetermined value.
  • control signal RS is quadratic dependent on the mains voltage U N , while the same load changes independently of the mains voltage U N initially cause the same changes in the output voltage U A.
  • the same load changes also cause the same changes in the output signal supplied by the integrating arrangement IN, while this requires changes in the control signal RS which are dependent on the input voltage U N.
  • the change in the output signal is therefore independent of its absolute value and only dependent on the change in the input signal x. This results in readjustment of the output voltage U A with exponential transmission behavior of the function generator and change in the line voltage U N or change in the load R L independently of the line voltage.
  • a desired exponential function can preferably be carried out by a polynomial function in for the input signals x and the Output signals approximate relevant functional areas become.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a circuit arrangement according to the invention, in which the function generator FG is followed by a third subtracting arrangement SUB3, which subtracts a constant signal U 2 from the output signal y of the function generator FG.
  • SUB3 subtracts a constant signal U 2 from the output signal y of the function generator FG.
  • the function generator FG has a transistor T, which is connected to a base electrode B with reference potential M, to an emitter electrode E to an input terminal EK and to a collector electrode C via a resistor R to an output terminal AK. Between the collector electrode C and the output terminal AK there is an operational amplifier OPV, which is connected with one input to the collector electrode C and with another input with reference potential M. In this circuit, a voltage U 2 present between the output terminal AK and the reference potential results exponentially to the base e from a voltage U 1 present between the input terminal EK and the reference potential.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer lastunabhängigen Gleichspannung mit folgenden Merkmalen:
  • einer ersten Gleichrichteranordnung mit einem Wechselspannungsanschluß und zwei Ausgangsklemmen;
  • einer an die Ausgangsklemmen der ersten Gleichrichteranordnung angeschlossenen, zwei Ausgangsklemmen aufweisenden Stromregelanordnung zur Regelung der Netzstromaufnahme;
  • einer an die Ausgangsklemmen der Stromregelanordnung angeschlossenen zweiten Gleichrichteranordnung mit Ausgangsklemmen, an denen eine Ausgangsspannung abgreifbar ist;
  • einer an die Ausgangsklemmen der zweiten Gleichrichteranordnung angeschlossenen Spannungsmeßanordnung zum Bereitstellen eines Spannungssignals an einem Ausgang;
  • einem Rückkopplungszweig mit einer eine Integrieranordnung aufweisenden Regelanordnung zur Rückkopplung des Spannungssignals an eine Eingangsklemme der Stromregelanordnung.
Aufgabe derartiger Schaltungsanordnungen, bekannt aus US-A-5 619 405, die insbesondere in Schaltnetzteilen Anwendung finden, ist es, als Ausgangsspannung eine Gleichspannung für an die Ausgangsklemmen anschließbare Verbraucher zur Verfügung zu stellen, wobei die Ausgangsspannung ihren Wert für Laständerungen innerhalb eines vorgebbaren Bereiches beibehalten soll.
Eine an den Ausgangsklemmen auftretende Laständerung erfordert bei gleichbleibender Netzspannung eine Änderung der durch die Stromregelanordnung geregelten, insbesondere sinusförmigen Stromaufnahme. Bleibt die Stromaufnahme und damit die Leistungsaufnahme bei Laständerung zunächst gleich, erfolgt eine Änderung der Ausgangsspannung. Diese Änderung wird durch die Spannungsmeßanordnung registriert und als Spannungssignal über den Rückkopplungszweig an die Stromregelanordnung zurückgekoppelt, um dort die Stromaufnahme abhängig von der Laständerung nachzuregeln bis die Ausgangsspannung wieder den vorgegeben Wert erreicht. Um eine Rückkopplung unvermeidlicher, insbesondere bei Verwendung einfacher zweiter Gleichrichteranordnungen auftretender Schwankungen der Ausgangsspannung um den vorgegebenen Wert zu vermeiden, ist bei derartigen Schaltungsanordnungen üblicherweise eine Integration des Spannungssignals in der Regelanordnung des Rückkopplungszweiges vorgesehen. Bedingt durch eine für gewöhnlich große Integrationszeitkonstante werden Laständerungen und damit Änderungen der Ausgangsspannung verzögert an die Stromregelanordnung zurückgekoppelt, die Nachregelung der Stromänderung erfolgt daher relativ träge.
Eine Änderung der Stromaufnahme ist ebenfalls bei Änderung der Netzspannung erforderlich, die insbesondere dann zu berücksichtigen ist, wenn die Schaltungsanordnung in sogenannten Weitbereichsnetzteilen verwendet wird, die eine gleichbleibende Ausgangsspannung für Eingangsspannungen zwischen ca. 90V und 265V liefern sollen. Ändert sich die Eingangsspannung, so ändert sich die Netzstromaufnahme zunächst proportional zu der Spannungsänderung, während sich die durch die Schaltungsanordnung aufgenommene und abgegebene Leistung quadratisch abhängig von der Spannungsänderung ändert. Wird die Stromaufnahme zunächst nicht nachgeregelt, so sinkt die Ausgangsspannung bspw. bei Verringerung der Netzspannung zunächst ab, wobei diese Änderung durch die Spannungsmeßanordnung registiert und als integriertes Spannungssignal über den Rückkopplungszweig an die Strommeßanordnung zurückgekoppelt wird.
Die Stromaufnahme wird sowohl bei Laständerung als auch bei Änderung des Netzspannung solange nachgeregelt, bis sich die Ausgangsspannung wieder auf den vorgegebenen Wert eingestellt hat.
Die Regelung der Stromaufnahme in der Stromregelanordnung erfolgt unter Verwendung eines Regelkreises, dem ein bewertetes Netzspannungssignal zugeführt wird, wobei sich die Stromaufnahme proportional zu diesem Signal einstellt. Üblicherweise erfolgt die Generierung des bewerteten Netzspannungssignals durch Multiplikation eines an der Eingangsklemme der Stromregelanordnung anliegenden Regelsignals mit einem direkt von der Netzspannung abhängigen Netzspannungssignal.
Soll bspw. bei gleicher Last die an den Ausgangsklemmen anliegende Ausgangsspannung und damit die abgegebene Leistung bei einer Halbierung der Netzspannung beibehalten werden, so ist eine Verdoppelung der ursprünglichen Stromaufnahme erforderlich, d. h. das Netzspannungssignal ist mit dem Faktor vier zu bewerten, um eine Stromaufnahme zu erreichen, die doppelt so groß wie die ursprüngliche Stromaufnahme ist. Das an der Eingangsklemme der Stromregelanordnung anliegende Regelsignal ist somit quadratisch von der Netzspannung abhängig, wobei das Signal umso größer ist, je kleiner die Netzspannung ist.
Gleiche Laständerungen an den Ausgangsklemmen der Stromregelanordnung bewirken gleiche Spannungsänderungen des Ausgangssignals, während an der Eingangsklemme eine Signaländerung erforderlich ist, die von der Netzspannung abhängt. Eine Änderung des an der Eingangsklemme anliegenden Signals muß proportional zu der Laständerung erfolgen, d. h. das Regelsignal muß sich halbieren, wenn bspw. die Last halbiert wird. Da der Signalhub des Spannungssignals lediglich lastabhängig, der Signalhub des an der Eingangsklemme der Stromregelanordnung anliegenden Regelsignals jedoch von der Netzspannung abhängig sind, benötigt eine Nachregelung der Ausgangsspannung bei gleicher Laständerung am Ausgang unterschiedlich lange für unterschiedliche Netzspannungen. So verneunfacht sich die für die Ausregelung benötigte Zeitdauer bei Reduzierung der Eingangsspannung um ein Drittel bei gleicher Laständerung.
Um dieses Problem zu umgehen, wird bei einer bekannten derartiges Schaltungsanordnung bei Bildung des bewerteten Netzspannungssignals der quadratische Mittelwert der Netzspannung berücksichtigt, wobei die Mittelung mittels eines mehrpoligen Tiefpaßfilters erfolgt, was sehr aufwendig ist.
Bei einer anderen bekannten Schaltungsanordnung ist ein Umschalter vorgesehen, der eine zusätzliche Bewertung des Netzspannungssignals im Verhältnis 1:4 durchführt, wobei diese Bewertung lediglich für zwei verschiedene Eingangsspannungen, üblicherweise 120V und 240V exakt ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer lastunabhängigen Gleichspannung zur Verfügung zu stellen, bei der eine Nachregelung der Ausgangsspannung unabhängig von der Last und wenigstens annäherungsweise unabhängig von der Netzspannung erfolgt.
Dieses Ziel wird durch eine eingangs genannte Schaltungsanordnung erreicht, die folgendes zusätzliches Merkmal aufweist:
  • einen der Regelanordnung in dem Rückkopplungszweig nachgeschalteten Funktionsgenerator, der ein von einem Eingangssignal gemäß einer Funktion y=f(x) abhängiges Ausgangssignal erzeugt, wobei die Ableitung der Funktion f(x) von dem Eingangssignal abhängig ist und wobei die Ableitung wenigstens abschnittsweise mit wachsendem Eingangssignal zunimmt.
    • Das Ausgangssignal des Funktionsgenerators, das der Stromregelanordnung an deren Eingangsklemme zur Bewertung des Netzspannungssignals zugeführt wird, ist gemäß y=f(x) abhängig von einem von der Integrationsanordnung gelieferten Signal, welches wiederum von dem Spannungssignal abhängt. Aufgrund der wenigstens abschnittsweise zunehmenden Steigung der Funktion f(x) bewirken gleiche Änderungen des Eingangssignals absolut gesehen umso größere Änderungen des Ausganggsignal, je größer der Wert des Ausgangssignals ist. Änderungen des Spannungssignals bei Änderung der an den Ausgangsklemmen der Schaltungsanordnungen angeschlossenen Last wirken sich damit abhängig von dem Wert des an der Eingangsklemme anliegenden Signals auf dieses an der Eingangsklemme anliegende Signal aus. Die an der Eingangsklemme für unterschiedliche Netzspannungen anliegenden Regelsignale sind zwar weiterhin quadratisch von der jeweiligen Netzspannung abhängig, eine Änderung dieser Signale bei gleicher Laständerung erfolgt jedoch aufgrund des Funktionsgenerators abhängig von deren Absolutwert. Der Einfluß der Netzspannung, von der der Wert des Regelsignals abhängt, auf die zur Nachregelung der Stromaufnahme benötigten Zeitdauer ist damit erheblich reduziert.
    Vorteilhafterweise ist der Funktionsgenerator so gewählt, daß er das Ausgangssignal wenigstens annäherungsweise gemäß y=c·abx aus dem Eingangssignal erzeugt. Das Ausgangssignal des Funktionsgenerators, das der Stromregelanordnung an deren Eingangsklemme zur Bewertung des Netzspannungssignals zugeführt wird, ist damit exponentiell abhängig von dem von der Integrationsanordnung gelieferten Signal, welches wiederum von dem Spannungssignal abhängt. Änderungen des Spannungssignals bei Änderung der an den Ausgangsklemmen der Schaltungsanordnungen angeschlossenen Last wirken sich damit exponentiell auf das an der Eingangsklemme anliegende Regelsignal aus. Die an der Eingangsklemme für unterschiedliche Netzspannungen anliegenden Regelsignale sind quadratisch von der jeweiligen Netzspannung abhängig, eine Änderung dieser Signale bei gleicher Laständerung erfolgt jedoch aufgrund des Funktionsgenerators mit exponentieller Übertragungsfunktion proportional zu deren Absolutwert. Die Regelung der Netzstromaufnahme erfolgt damit bei dieser Ausführungsform unabhängig von der Last und der Netzspannung.
    Je nach zu regelndem Lastbereich besteht die Möglichkeit, die Exponentialfunktion in dem benötigten Abschnitt durch eine rationale Funktion y=f(x)=xn, mit n vorzugsweise größer 2, oder durch eine beliebige andere Polynomfunktion anzunähern.
    Die Schaltungsanordnung ist vorzugsweise so gestaltet, daß die Basis a zu welcher das Eingangssignal des Funktionsgenerators in den Exponenten gesetzt ist, die Eulersche Zahl e ist. Derartige Funktionsgeneratoren mit einem zur Basis e exponentiellen Übertragungsverhalten sind auf einfache Weise unter Verwendung einer Diode oder eines Transistors zu realisieren.
    Weiterhin ist vorgesehen, dem Funktionsgenerator eine erste Subtrahierschaltung nachzuschalten, die ein konstantes Signal von dem Ausgangssignal des Funktionsgenerators subtrahiert. Bei Leerlauf der Schaltungsanordnung, d. h. Entfernen der Last an deren Ausgangsklemmen, muß der Strom in der Stromregelanordnung bei Vernachlässigung von Verlusten in der Schaltungsanordnung auf null zurückgeregelt werden. Dies erfordert ein Signal null an der Eingangsklemme der Stromregelanordnung. Ein Ausgangssignal null ist mit einem Funktionsgenerator, der ein exponentielles Übertragungsverhalten aufweist, nicht zu realisieren, da dies theoretisch ein Eingangssignal vom Wert minus unendlich erfordert. Durch Subtraktion eines konstanten Signals von dem Ausgangssignal des Funktionsgenerators ist ein Wert null an der Eingangsklemme der Stromregelanordnung bei einem endlichen Eingangssignal des Funktionsgenerators erreichbar.
    Vorzugsweise weist die Stromregelanordnung einen parallel zu deren Eingangsklemmen geschalteten Leistungsschalter, einen Impulsweitenmodulator, eine zweite Spannungsmeßanordnung, eine Strommeßanordnung, eine zweite Subtrahieranordnung sowie eine Multiplizieranordnung auf. Der Leistungsschalter wird hierbei abhängig von einem Ausgangssignal des Pulsweitenmodulators geöffnet oder geschlossen wobei einem Eingang des Pulsweitenmodulators über die zweite Subtrahieranordnung ein Differenzsignal zugeführt ist, das sich aus der Differenz eines von der Strommeßanordnung gelieferten Signals und eines von der Multiplizieranordnung gelieferten Produktsignals ergibt. Das Produktsignal wird mittels der Multiplizieranordnung aus einem Ausgangssignal der zweiten Spannungsmeßanordnung, das dem Netzspannungssignal entspricht, und dem an der Eingangsklemme der Stromregelanordnung anliegenden Regelsignal gebildet. Eine derartige Stromregelanodnung bewirkt eine bei Vorliegen einer sinusförmigen Netzspannung im wesentlichen sinusförmige Netzstromaufnahme, wobei die Amplitude der Netzstromaufnahme durch Bewertung des Netzspannungssignals variiert werden kann.
    Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in einem Schaltnetzteil.
    Die Erfindung wird nachfolgend mittels Ausführungsbeispielen anhand von Schaltbildern näher erläutert. Es zeigen:
    Figur 1
    eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
    Figur 2
    eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
    Figur 3
    beispielhafte Realisierung eines Funktionsgenerators mit exponentiellem Übertragungsverhalten.
    Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Dargestellt ist eine einen Brükkengleichrichter BG aufweisende erste Gleichrichteranordnung GL1 mit einem Wechselspannungsanschluß EK1, EK2 und Ausgangsklemmen AK1, AK2, an die eine Stromregelanordnung SRA angeschlossen ist. Die Stromregelanordnung besitzt eine Eingangsklemme EK3 zum Anlegen eines von einem Rückkopplungszweig RZ gelieferten Regelsignals RS. Die Stromregelanordnung SRA verfügt weiterhin über Ausgangsklemmen AK3, AK4, an denen eine zweite Gleichrichteranordnung GL2 angeschlossen ist. An Ausgangsklemmen AK5, AK6 der zweiten Gleichrichteranordnung GL2 ist eine Ausgangsspannung Ua abgreifbar, die unabhängig von einer an die Ausgangsklemmen AK5, AK6 anschließbaren Last RL konstant gehalten werden soll.
    An den Ausgangsklemmen AK5, AK6 der zweiten Gleichrichteranordnung GL2 ist weiterhin eine erste Spannungsmeßanordnung MA1 angeschlossen, welche ein von der Ausgangsspannung Ua abhängiges Spannungssignal SS an eine Regelanordnung RA in dem Rückkopplungszweig RZ liefert. Der Regelanordnung RA ist in dem Rückkopplungszweig RZ ein Funktionsgenerator nachgeschaltet, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Ausgangssignal y abhängig von einem Eingangssignal x gemäß y = c·abx liefert. Dieses Ausgangssignal y ist in dem dargestellten Beispiel der Eingangsklemme EK3 der Stromregelanordnung SRA direkt als Regelsignal RS zugeführt.
    Die dargestellte Stromregelanordnung SRA verfügt über eine zweite Spannungsmeßanordnung, die als Widerstand RS ausgebildet ist, der mit einer Ausgangsklemme AK1 der ersten Gleichrichteranordnung GL1 verbunden ist, und an welchem ein Netzspannungssignal NS abgreifbar ist. Dieses Netzspannungssignal NS ist aufgrund des Brückengleichrichters BG vom Betrag der Netzspannung UN abhängig. Nach Multiplikation dieses Netzspannungssignals NS in einem Multiplizierer MUL mit dem Regelsignal RS erfolgt eine Subtraktion eines von einer Strommeßanordnung SMA gelieferten Stromsignals SI von dem sich aus der Bewertung des Netzspannungssignals NS mit dem Regelsignal RS ergebenden bewerteten Netzspannungssignals BNS. Die Strommeßanordnung SMA weist in dem dargestellten Beispiel einen Stromfühlwiderstand RF auf, an welchem mittels eines in die Stromregelanordnung SRA hineinfließenden bzw. hinausfließenden Stromes I ein Spannungsabfall hervorgerufen wird, der mittels eines Operationsverstärkers OPV ermittelt und als Stromsignal SI an eine dritte Subtrahieranordnung SUB3 geliefert wird. Ein Ausgangssignal der dritten Subtrahieranordnung SUB3 liegt an einem Eingang eines Pulsweitenmodulators PWM an, an dessen Ausgang Ansteuersignale AS anliegen, mittels welcher ein zwischen den Ausgangsklemmen AK3, AK4 der Stromregelanordnung SRA verschalteter Leistungsschalter LS geöffnet oder geschlossen ist. Bei geschlossenem Leistungsschalter LS fließt der Strom I in der Stromregelanordnung über eine Induktivität L und den Leistungsschalter; die Induktivität L nimmt hierbei Energie auf. Bei geöffnetem Leistungsschalter LS gibt die Induktivität L Energie in Form von Strom über eine Diode D an eine Kapazität C der zweiten Gleichrichteranordnung GL2 ab. Die Ansteuersignale AS des Pulsweitenmodulators PWM sind so, daß der Schalter LS umso länger geschlossen ist, je größer ein am Eingang des Pulsweitenmodulators PWM anliegendes Signal ist.
    Die dargestellte Stromregelanordnung SRA bewirkt bei sinusförmiger Netzspannung UN bzw. sinusbetragförmigem Netzspannungssignal NS eine sinusförmige Netzstromaufnahme IN bzw. einen sinusbetragförmigen Strom I. Die Amplitude des Stromes I ist proportional zur Amplitude des von der Multiplizieranordnung MUL gelieferten bewerteten Netzspannungssignals BNS. Eine Halbierung der Netzspannung UN bewirkt damit eine Halbierung der Netzstromaufnahme bzw. eine Reduktion der an die Last RL abgegebene Leistung um den Faktor 4. Bei Halbierung der Netzspannung UN ist zur Beibehaltung der ursprünlgich abgegebenen Leistung und damit zur Aufrechterhaltung der Ausgangsspannung Ua auf einem vorgebbaren Wert, eine Verdoppelung der Netzstromaufnahme gegenüber der ursprünglichen Netzstromaufnahme erforderlich. Das an der Eingangsklemme EK3 der Stromregelanordnung SRA anliegende Regelsignal ist daher um einen Faktor 4 gegenüber dem ursprünglichen Wert zu erhöhen. Dies ergibt sich wie folgt:
    Bei Reduktion der Netzspannung UN reduziert sich die Netzstromaufnahme bzw. der in der Stromregelanordnung SRA fließende Strom I proportional. Ändert sich das Regelsignal RS zunächst nicht, so sinkt die an die Last RL abgegebene Leistung ab, damit sinkt auch die Ausgangsspannung UA. Ein von der Ausgangsspannung mittels eines ersten und zweiten Widerstandes R1, R2 in der ersten Spannungsmeßanordnung MA1 gebildetes Spannungssignal SS wird in der Regelanordnung RA des Rückkopplungszweiges RZ von einem Referenzsignal U1 subtrahiert und nachfolgend in einer Integrieranordnung IN aufintegriert. Sinkt die Ausgangsspannung UA aufgrund einer Verringerung der abgegebenen Leistung, so sinkt auch das Spannungssignal SS und ein von der zweiten Subtrahieranordnung SUB2 geliefertes Ausgangssignal steigt, damit steigt auch ein von der Integrieranordnung IN geliefertes Ausgangssignal. Der der Integrieranordnung IN nachgeschaltete Funktionsgenerator FG verwendet dieses Ausgangssignal als Eingangssignal x und erzeugt daraus ein davon exponentiell abhängiges Ausgangssignal y, welches der Stromregelanordnung SRA in dem dargestellten Beispiel direkt als Regelsignal zugeführt wird. Das Regelsignal RS und damit der in der Stromregelanordnung SRA fließende Strom I erhöht sich so lange, bis die Ausgangsspannung Ua wieder einen vorgegebenen Wert erreicht, bei welchem das Spannungssignal SS dem Referenzsignal U1 entspricht, so daß das Regelsignal RS nicht mehr weiter erhöht wird. Bei Erhöhung der Netzspannung UN verringert sich das Regelsignal RS entsprechend.
    In gleicher Weise wird die Stromaufnahme bzw. der in der Stromregelanordnung SRA fließende Strom I nachgeregelt, wenn sich bei gleichbleibender Netzspannung UN die Last RL ändert. Bleibt hierbei das Regelsignal RS zunächst konstant, so bleibt auch die aufgenommene bzw. abgegebene Leistung konstant und die Ausgangsspannung UA ändert sich. Daraufhin wird in der beschriebenen Weise das Regelsignal RS so lange nachgeregelt, bis die Ausgangsspannung UA wieder einen vorgegebenen Wert erreicht.
    Wie bereits erwähnt, ist das Regelsignal RS quadratisch von der Netzspannung UN abhängig, während gleiche Laständerungen unabhängig von der Netzspannung UN zunächst gleiche Änderungen der Ausgangsspannung UA hervorrufen. Damit bewirken gleiche Laständerungen auch gleiche Änderungen des von der Integrieranordnung IN gelieferten Ausgangssignals, während hierdurch Änderungen des Regelsignals RS bewirkt werden müssen, welche abhängig von der Eingangsspannung UN sind. Aufgrund des exponentiellen Verhaltens des Funktionsgenerators FG wirken sich lineare Änderungen des Eingangssignals x proportional auf Änderungen des Ausgangssignals y aus. Dies läßt sich anschaulich anhand der folgenden Gleichung erläutern, wonach y = c·abx ist. Ändert sich das Eingangssignal x um den Wert Δx, so ergibt sich das neue Ausgangssignal y1 zu: y1 = c·abxabΔx.
    Die Änderung des Ausgangssignals ist damit unabhängig von dessen Absolutwert und nur abhängig von der Änderung des Eingangssignals x. Damit erfolgt eine Nachregelung der Ausgangsspannung UA bei exponentiellem Übertragungsverhalten des Funktionsgenerators und Änderung der Netzspannung UN bzw. Änderung der Last RL unabhängig von der Netzspannung.
    Eine gewünschte Exponentialfunktion kann vorzugsweise durch eine Polynomfunktion in für die Eingangssignale x und die Ausgangssignale y relevanten Funktionsbereichen angenähert werden.
    Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei welcher dem Funktionsgenerator FG eine dritte Substrahieranordnung SUB3 nachgeschaltet ist, welche von dem Ausgangssignal y des Funktionsgenerators FG ein konstantes Signal U2 subtrahiert. Hierdurch kann für endliche Eingangssignale x ein Regelsignal null erreicht werden, welches bei Leerlauf der Schaltungsanordnung erforderlich ist.
    In Fig. 3 ist beispielhaft eine Schaltung für einen Funktionsgenerator FG mit exponentiellem Übertragungsverhalten dargstellt. Der Funktionsgenerator FG weist einen Transistor T auf, der mit einer Basiselektrode B mit Bezugspotential M, mit einer Emitterelektrode E an eine Eingangsklemme EK und mit einer Kollektorelektrode C über einen Widerstand R an eine Ausgangsklemme AK angeschlossen ist. Zwischen der Kollektorelektrode C und der Ausgangsklemme AK befindet sich ein Operationsverstärker OPV, der mit einem Eingang mit der Kollektorelektrode C und mit einem anderen Eingang mit Bezugspotential M verbunden ist. Eine an zwischen der Ausgangsklemme AK und Bezugspotential anliegende Spannung U2 ergibt sich bei dieser Schaltung exponentiell zur Basis e aus einer zwischen der Eingangsklemme EK und Bezugspotential anliegenden Spannung U1.
    Bezugszeichenliste
    GL1
    erste Gleichrichteranordnung
    SRA
    Stromregelanordnung
    GL2
    zweite Gleichrichteranordnung
    MA1
    erste Spannungsmeßanordnung
    RZ
    Rückkopplungszweig
    RA
    Regelanordnung
    EK1, EK2
    Wechselspannungsanschluß
    AK1 - AK6
    Ausgangsklemmen
    BG
    Brückengleichrichter
    R1,R2,RS
    Widerstände
    RF
    Stromfühlwiderstand
    L
    Induktivität
    C
    Kapazität
    D
    Diode
    LS
    Leistungsschalter
    SMA
    Strommeßanordnung
    OPV
    Operationsverstärker
    SUB1-SUB3
    Subtrahieranordnungen
    UN
    Netzspannung
    Ua
    Ausgangsspannung
    U1, U2
    Referenzsignale
    FG
    Funktionsgenerator
    PWM
    Pulsweitenmodulator
    RL
    Last
    EK3
    Eingangsklemme der Stromregelanordnung
    NS
    Netzspannungssignal
    RS
    Regelsignal
    AS
    Ansteuersignal
    SS
    Spannungssignal
    I
    Strom in der Stromregelanordnung
    x
    Eingangssignal des Funktionsgenerators
    y
    Ausgangssignal des Funktionsgenerators
    IN
    Integrieranordnung
    SI
    Stromsignal
    MUL
    Multiplizieranordnung

    Claims (10)

    1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer lastunabhängigen Gleichspannung mit folgenden Merkmalen:
      einer ersten Gleichrichteranordnung (GL1) mit einem Wechselspannungsanschluß (EK1, EK2) und zwei Ausgangsklemmen (AK1, AK2);
      einer an die Ausgangsklemmen (AK1, AK2) der ersten Gleichrichteranordnung (GL1) angeschlossenen, zwei Ausgangsklemmen (AK3, AK4) aufweisenden Stromregelanordnung (SRA) zur Regelung der Netzstromaufnahme;
      einer an die Ausgangsklemmen (AK3, AK4) der Stromregelanordnung (SRA) angeschlossenen zweiten Gleichrichteranordnung (GL2) mit Ausgangsklemmen (AK5, AK6), an denen eine Ausgangsspannung (Ua) abgreifbar ist;
      einer an die Ausgangsklemmen der zweiten Gleichrichteranordnung angeschlossenen Spannungsmeßanordnung (MA) zum Bereitstellen eines Spannungssignals (SS) an einem Ausgang;
      einem Rückkopplungszweig (RZ) mit einem eine Integrieranordnung (IN) aufweisenden Regelanordnug (RA) zur Rückkopplung des Spannungssignals (SS) an eine Eingangsklemme (EK) der Stromregelanordnung (SRA);
      gekennzeichnet durch folgendes weiteres Merkmal:
      einen der Regelanordnung (RA) in dem Rückkopplungszweig nachgeschalteten Funktionsgenerator (FG), der ein von einem Eingangssignal (x) gemäß einer Funktion y=f(x) abhängiges Ausgangssignal (y) erzeugt, wobei die Ableitung der Funktion f(x) von dem Eingangssignal (x) abhängig ist und wobei die Ableitung wenigstens abschnittsweise mit wachsendem Eingangssignal (x) zunimmt.
    2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (FG) das Ausgangssignal (y) wenigstens annäherungsweise gemäß y=f(x)=c·abx oder y=f(x)c·xn, wobei a, b, c und n Konstanten sind, erzeugt.
    3. Schaltungsanordnung, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß a die Eulersche Zahl e ist.
    4. Schaltungsanordnung, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß n>2 ist.
    5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Funktionsgenerator (FG) eine erste Subtrahierschaltung (SUB1) zur Subtraktion eines konstanten Signals von dem Ausgangssignal (y) nachgeschaltet ist.
    6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (FG) eine Diode oder einen Transistor aufweist.
    7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrieranordnung (IN) eine zweite Subtrahieranordnung (SUB2) in der Regelanordnung (RA) vorgeschaltet ist, welche das Spannungssignal (SS) von einem Referenzsignal subtrahiert.
    8. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromregelanordnung (SRA) einen parallel zu deren Ausgangsklemmen (AK3, AK4) geschalteten Leistungsschalter (LS), einen Pulsweitenmodulator (PWM), eine zweite Spannungsmeßanordnung, eine Strommeßanordnung (SMA), eine dritte Subtrahieranordnung (SUB3) sowie eine Multiplizieranordnung (MUL) aufweist, wobei der Leistungsschalter (LS) abhängig von einem Ausgangssignal des Pulsweitenmodulators (PWM) geöffnet oder geschlossen ist und wobei einem Eingang des Pulsweitenmodulators (PWM) über die dritte Subtrahieranordnung (SUB3) ein Differenzsignal zugeführt ist, das sich aus der Differenz eines von der Strommeßanordnung (SMA) gelieferten Signals und eines von der Multiplizieranordnung (MUL) gelieferten Produktsignals ergibt, wobei das Produktsignal mittels der Multiplizieranordnung (MUL) aus einem Ausgangssignal der zweiten Spannungsmeßanordnung, und einem an der Eingangsklemme (EK3) der Stromregelanordnung (SRA) anliegenden Signal gebildet ist.
    9. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gleichrichteranordnung (GL1) einen Brückengleichrichter aufweist.
    10. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Schaltnetzteil.
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