DD290728A5 - Regelverstaerker fuer ein programmierbares schaltnetzteil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Regelverstaerker fuer ein programmierbares Schaltnetzteil. Mit dem programmierbaren Schaltnetzteil wurde eine bipolare, bis zu kleinsten Ausgangswerten programmierbare Konstantspannungs- bzw. Konstantstrom-Versorgungseinheit geschaffen, die das guenstige Leistung-Volumen und den hohen Wirkungsgrad eines Schaltnetzteiles mit den guten dynamischen Eigenschaften und kleinen Ausgangs-Pulsationswerten eines analogen Reglers vereinigt. Das Prinzip ist auch fuer einen allgemeinen Schaltregler verwendbar. Dabei ist der Spannungsabfall ueber einem Laengs-Stellglied (Emitter-Kollektorstrecke) eines analogen Reglers als Regelgroesze fuer das Schaltnetzteil benutzt, so dasz dieser Wert ueber dem analogen Laengsstellglied konstant auf eine solche Groesze geregelt wird, die zur Gewaehrleistung der Analogkreisregelung minimal noetig ist. Die Regelverstaerker fuer das Laengsstellglied vermeiden durch hochohmige Spannungsteilerbeschaltung an ihren Ausgaengen und eine Umsteuerung ihrer ISET-Eingaenge in Abhaengigkeit eines ON/OFF-Signals unkontrollierte Einschwingvorgaenge des Regelkreises und damit unzulaessig hohe Ausgangspegel. Fig. 1{programmierbar; Schaltnetzteil, bipolar; Konstantspannung; Konstantstrom; Schaltregler; Analogregler; Stellglied; Laengsstellglied; Polwender; Regelverstaerker; Operationsverstaerker; ISET-Eingang; Einschwingvorgang; Ausgangspegel}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendung!gebiet der Erffndunn

Bedingt durch dta Automatisierung, die euch auf allan Gebieten der Elektrotechnik und Elektronik Etnuig halt, gpailetl tum Aufbau von automatlichen Prüfplatzen bzw. Prüfautomaten steigt u.e. der Bedarf an programmierbaren Spannunge- bzw. Strom-Vareorgungselnhelten. Zunehmend wird dabei die kompakte Bauwelse angestrebt, um möglichst kleine Gefaß-Volumen zu erhalten, Reduzierte Lelslungs-Volumen der programmierbaren Spannungs- bzw. Strom-Versorgungsainhelten sind nur erreichbar, wann auch hier die Prinzipien des Schaltregler zur Anwendung kommen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik Programmierbare Spannunfls- bzw. Strom-Versorgungseinheiten als analoge Vollregler oder als Kombination aus einem

100Hi-gepulsten Regler mit Energiespeicher und einem analogen Teilregler sind seit langem allgemein bekannt.

Die analogen Vollregler, unipolar, bipolar oder als Vierquadrantenquelle haben den Nachteil, daß ihre Stellglieder für die

maximale Abgabeleistung iwinglich einer betrlebsspannungibedinglen Lelstungareaerve konzipiert sein müssen (große

Kühlflächen, Lüfter) und daßsla,wieauch die 100Hi-gapulsten kombinierten Systeme,durch Netztransformatoren, Gleichrichter

und Lddekondensatoren mit großen Abmessungen bezüglich der Volumenreduzierung kaum Möglichkeiten bieten. Außerdem arbeitet dar analoge Vollregler mit einem schlechten Wirkun_Bsgrad und das lOOHz-gepulate, kombinierte System im ЙС-Betrfeb mit eehr großen Einstellzeiten.

Bai von Hand steuerbaren Laborstrorr versorgunganist zur Verbesserung das Wirkungsgrades bekannt, entweder bereicheweise

die ungeregelte Speisespannung entsprechend der Höhe der eingestellten Ausgangsspannung umzuschalten oderlmGlelchlauf mit dem Führungsgrußensteller (Or die Ausgangsspannung zu steuern. Durch diese Maßnahme steigt die Verlustleistung Im

Ungsstellgllad, d.h. Ober der Kollaktor-Emitter-Stracke eines verwendeten Leiatungstransistors auch bei maximalem Strom und

heruntergaragolter Spannung nicht über das Maß, das sich aus der Mlndastkollektoremitterspannung zur Gewährleistung der

Regelung und dem Laststram ergibt (DD-WP 201530).

0Ie allgemein bekannten Schaltnetzteile bzw. Schaltregler arbeiten bei Festspannungen In einem kleinen Einstellbereich mit einem sehr guten Wirkungsgrad und großen Regelreserven gegenüber EIngangsspannungs-Schwankungen bei kleinem

Leistungs-Volumen. Es wurde bereits mit dem «Programmierbaren Schaltnetzteil" eine bipolare Spannungn- bzw. Strom-Versorgungsetnheit

vorgeschlagen, die bei günstigem Leistungs-Volumen mit hohem Wirkungsgrad arbeitet und deren Ausgangsgrößen

Konstantspannung (CV-Betrleb) bzw. Konstantstrom (CC-Betrieb bis zu kleinsten Werten programmierbar sind. (WP G 05 F/

Dabei wird ein Schallteilnetz oder ein Schaltregler (Arbeitsfrequenz 20 bis 10OkHi) mit einem analogen Teilregler und einem Thyrlstor-Polwender io kombiniert, dan em Ausgang bipolar, bis iu kleinsten Wehen programmierbare Spannung*· biw. Stromgrößen iur Verfügung liehen.

Dai Schallnetnell biw. der Schaltregler übernimmt dabei die Vorreglung, d. h. die Grob-Energle-Entnahme aus dem Betrlebsspannunga-Netz und der analoge Teilregler ermöglicht mit aolnen alternativ Im Eingriff siehenden iwel Spannunns· RegarveratSrkern (bipolarer CV-Betrleb über Fuhlloltungen) und einem Strom-Regelveratärlcer (CC-Betrleb mlltela Internen Meßwldeirtand) die Feinregelung über selnTrsnilrtoi-Stollglled bet günstigen Puliations-Qrbuen. Dabei lit der Spannungsabfall über dem Im Ausgangsitromkrels dei Schaltnetztellea oder des Schaltreiter« angeordneten Stellgliedes der analogen Regelkreise voriugawelse standig auf einen konstanten Wert ausgeregelt und es wird ats Ausgangsgroße des Regelsystems eine Konstentspannung oder die EMK für einen Kanstantatrom erzeugt, die sich aus der Dlfferern der EMK auf dem Energiepuffer des Schaltreglers und dem Spannungsabfall über dem analogen Stellglied und dam Polwender ergibt.

Voraussetzung for die Umsteuerung des Polwenders durch Änderung des Polwenderslgnalpegels und ium Anlegen neuer Programmdatan 1st, daß des programmierbare Schsllnetztell vorher von dessen Controller auf OFF gesteuert wurde. Ebenso muß dleON-Steuerung zeitverzögert zumAnlegenneuerProgramm-Datenund zum Polwendersignal erfolgen. Im OFF-Zustand bei angelegten Programmdaten liegen die Ausgangspeg.el aller flegeiveratarker In der positiven SSttlgung,da keine IST-Grflßen vorhanden sind. Bei der Umsteuerung In denON-Zustand entetehenbelm Einschwingender Regelschleife kunteltlg unzulässig hohe Auegangspegel, bis der entsprechende RegelveretSrker bus dar positiven Sättigung heraus ium Eingriff kommt, well tunachst das Stellglied nach der ON-Stauerung voll durchgesäuert Ist.

Ziel der Erfindung ist eine weitere Ausgestaltung der bereits vorgeschlagenen Lösung bezüglich der OFF/ON-Steuerung der bipolaren Umsteuerung der AusgangepolaritSt und dem Wechsel der Progremmdaten zwecks Vermeidung von unzulässigen EinschwlngvorgBngen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Ausgehend von vorstehender Zielstellung besteht die Aufgabe für das bipolare programmierbare Schaltnetztall eine Regalverstarkeranordnung vonuschlsgen, die bei einer beliebigen OFF/ON-Steuarung, eis euch bei Ausfall einer der beiden Internen Betriebsspannungen ein unkontrolliertes Abweichen bzw. Überschwingen von der programmierten Ausgangsspannung bzw. -strom verhindert.

ErflndungegemaB wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß dl« Ragatueratarkar durch Operationsverstärker mit einem ISET-Eingang realisiert sind, der Jeweils Ober einen Widerstand Im OFF-üustand auf positives Betrlebsspsnnungspotentlal gezogen ist, wodurch die OperatlonsverstSrkerausglnga hochohmlg gesteuert sind, wahrend der ISET-Elngang Im ON-Zustand auf negatives Betrlebsspannunsapotenllal oder Mlttenpotenllal liegt, wodurch die OP-VerstBrkerausgänee nlederohmig auf Normalarbeltspunkt gesteuert sind und daß die Ausgange tier OP-Verstarkar an den TellerpunM je eines zwischen der positiven und negativen Betriebsspannung liegenden hochohmigen Spannungsteilers geschaltet sind, die Im OFF-Zustand an den OP-Verstärkerauagange einen negativen Pegel einstellen.

Die nähere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß alia Widerstände zu den ISET-Elngangen auf positiven BetrlebsspannungspoientlalUbereineDiodeund einen Widerstand gezogen sind, wobei der Verbindungepunkt der Widerstände gleichfalls über die Translstorstrecke eines vom ON/OFF-Signei an der Diodenstrecke gesteuerten Optokopplers nach Betrlebsspannungsmlttenpotentlal geschaltet 1st.

Eine unkontrollierte Erzeugung eines Ausgangspegels wird im ON-Zustand bei Ausfall einer der beiden !nieren Betriebsspannungen dadurch vermieden, daß In dem Aktivierungskrela des Stellgliedes die Ausgangstranilstoratrecke eines weiteren Optokopplers eingefügt Ist, dessen Eingangsdiode In Reihe mit einem Wlderstend und einer Z-Dlode, deren Z-Spannung größer als die HHIftederSummenbatriebespannungist,andie positive und negative Betriebsspannung angeschaltet ist.

Ausfuhrunosbeltpiel

Die Figur 1 zeigt ein programmierbares Schaltnetzteil, in dessen Ausgangs-Stromkreis ein analoges Stellglied VT2 mit Treiber VTI, ein Meßwiderstand ΠΝ und ein Thyristor-Polwender PW angeordnet sind. Das Stellglied VT! wird alternativ bei positiven CV-BeuleblndenRegelkrels mit dem RegelverstärkerN4uber den Optokoppler U2und der Diode VD6, bei negativem CV-Betrieb in den Regelkreis mit Regelverstarker N3 über Optokoppler U3 und Diode VD4, bei CC-Betrleb in den RegeIk. ѳів mit RegelverstBrker N2 über Diode VD3 einbezogen, wann die Optokoppleranordnung U durch des ON-Signal aktiviert Ist und damit die Trelbarstrom-EMK(+UBz.B.15V) über Diode VD2anllegt. Bei CV-Betrleb wird die an den Fühlleitungen SLO und SHI anliegende Ist-Größe UA mit der Programmgröße DAC .U" In Abhängigkeit von der Polarität und der Steuercharakteristik (Teilungsverhältnis) mittels den in Brückenschaltung arbeitenden Regelverstarkern N4 bzw. N3 verglichen. Bei CG-Betrieb erfolgt der Vergleich der mittels Meßwiderstand RN gewonnenen Ist-Große mit der Programmgröße DAC .1" durch den Verstärker N2 in Brackenschaltung.

Oas Schalbietzteil arbeitet nach den bekannten Prinzipien bei 2OkHz mit dem Pulsbreitenmodulator-Schaltkreis N1IB2ffl», wobei der Leistungsübertrager TI und der Steuertransformaior T2 die Trennung vom Netzpotential raalinleren. Indem der an der Kollektor-Emitter-Strecke des Stellgliedes gebildete Spannungsabfall über Widerstand R1 dem RegelverstSrkar im Schaltkreis N1 zugerührt und dort mit einer internen Referenzgröße ca. 3,6V verglichen wird, erzeugt das Schaltnetzteil durch die Wirkung des mit dem RegelverstHrker im Schaltkreis N1 gekoppalten Pulsdauermodulators an seinem

Energiepuder C3, unabhängig von de. Progremmeroßa, immer eine die Kollektor-Emltter-Spannung de· Steilgliedea VT2 In

etwa um 3,ev überatelgende Spannung. Die Steilheit dieser Regelung wird durch Widerstand R2 beatlmmt, die Beruhigung durch Kondenaator CI realisiert und der Eingang dot Regelverstftrkers durch Z-Dlode VD1 geschützt.

Durch dta Kaakattlerung dee Schaltneuteiles mit den analogen Regelkreisen wird aomlt erreicht, daß die Spannung·· Ausgangsgröße des Systems als Konstantspannung bei «-Betrieb oder als EMK für den Konstantstram bei CC-Betrleb Immer

als Dlffereni iwl»chen der Spannung über dem Energiepuffer C 2 und Kollektor-Emitter-Spannung des Stellgliedes als auch dem

SpannungtabflUen über dan Polwenderthyristoren gebildet wird. Alle Pulaalionen, mit denen die Spannung über den Energiepuffer C 3 noch behaftet lit, werden dabei elemlniert. Die Verlustleistung des Stellgliedes bleibt durch die Kollektor-Emitter-Spannung von ce. 3,6V in Grenzen, bei Lohen Auagangsspannungen arbeitet daa System engenihen mit dem Wirkungsgrad des Schaltneiztellea.

0Ie Steuereinheit STE realisiert abhängig vom Signal MSB .u" (high/low) die Auagangapolung mittels Polwender FW und wählt

Ütaei die Aktivierung der Optokoppler U2;U3den Jeweilig wirksamen Regelveratarker N4; N 3 entsprechend der PoMtStaus.

Voraussetzung Юг die Umatouaruno, dea Patwondars PW durch Änderung des Slgnatpegala MSB „U" und zum Anlegen neuer

Programmdaten let, daß das programmierbare Schaltnatztell vorher von denen Controller auf OFF gesteuert wurde (ca. 600ms). Ebenso muß die ON-Steuerung zeitverzögert ium Anlegen neuer Programm-Daten und ium MSB .U" erfolgen (ca, 500ms). Flg.2ielgtdle nähere Ausgestaltung der Optokoppleranordnung U aowle die Beschallung der Auegange und derlSET-ElngSnge

der OP-Veratlrker N2; N3; N4, dta In Flg.1 aus Übersichtsgründen nur angedeutet wurden. Damit im OFF-Zu.land bei angelegten Programmdaten die Ausgangspegel der Regelverstarker N2; N3; N4 nicht in die positive Sättigung kommen, wenn keine IST-Gt6uen vothanden »Ind, weiden dl« tSET-ElngBnge d« OP-VetsUkkei üb« Wtdeiatande RB; R9; R10 auf positives

Potential gezogen. Dadurch werden die Ausginge der OP-Verslftrker hochohmlg, so daß sie durch hochohmlge Widerstände R1?blsR17euf einen Pegel unterhalb QND gehalten werden können. Bei der Umsteuerung in den ON-Zustand wird über die Ausgangsstrecke dee Optokopplers U 6 der Spelaepunkt der ISET-Elngange auf GND gezogen, so daß die ISET-EIngänge Strom liehen und die OP- Verstarkerausglnge nlederohmlg Im normalen Arbeltspunkt arbeiten. Dadurch entstehen beim Einschwingen der Ftegelachleife

keine unzulässig hohe Auagangapegel, da dei entsprechende Regvlvmtaikei ausgang aus einer negativen ungesättigten Vage heraus turn Eingriff kommt, ao daß das Stellglied (VT2lerat nach derON-Steuerung geregelt, ohne Überschwingen aufgesteuert wird. Die Widerstände R12 bis R17 sind so hochohmlg dimensioniert, daß sie die Regelstellheit dee Regelkreises nicht beeinflussen.

Der Widerstand R11 taugt Im OFF-Zustand den Reststrom des nicht durchgesteuerten Optokopplers US ab. Eine unkontrollierte Erzeugung eines falschen Ausgangspegela wird im ON-ZuBtand bei Ausfall einer der beiden Internen Betriebsspannungen +UB; -DB vermieden durch Anordnung des Optokopplers U 4 In Reihe ium Optokoppler U1 und dem Widerstand R6 Im Grundstromaktlvterungskrels des Stellgliedes VTI; VT2. Der Optokoppler U4 wird von der Summenspannung 2*UB über eine Z-Diode, deren Z-Spsnnung größer ala die Hfllfte der Summenspannung ist, und dem WlderstandRISdurchgeateuert. Fällt elneder beiden Betriebsspannungen aus, fehlt der Eingangsetrom Im Optokoppler U4 und

der Grundatromaktlvlerungskrele wird unterbrochen, was ium Sperren dea Stellgliedes VT1; VTZ führt. Der Widerstand R4 stellt eine Vorlast dar, um für den Leerlauf des Systems die Größe der Speicherdrosae. Lt in Grenzen iu halten.

Über Widerstand R3 und Diode VD6 wird den CV-Regelkrelsen, von der positiven Internen Betriebsspannung +UB Iz.B. 15V)

angetrieben, eine Gegenspannung aufgeprägt, um die Regelung kleiner UA-Größan zu verstellern.

Die Widerstände R6 und R7 realisioren eine lose Kopplung der Fühlleitungen mit den zugeordneten Lastleitungen, um das Hochregeln der Auegangsspannung weit Ober den Programmwert bei nicht angeschlossenen Fühlleitungen zu unterbinden.

Claims (3)

1. Regelverstärkeranordnung für ein programmierbares Scheltnetzteil oder programmierbaren Schaltregler, kaskadiert mit analogen alternierend arbeitenden KonstantBpannungs- bzw. Konstantstromregelkrelsen, die unter Konetantspannungsbetrieb die an Fühlleitungen anliegende Ist-Größe oder unter KonstanlstrombeUteb die mtttels Meftwtd&rstand gewonnene Strominformation mit den Programmgrößen vergleicht und das Stellglied steuert, gekennzeichnet dadurch, daß die Regolverstärker (N 2; N 3; N 4) durch Operationsverstärker mit einem ISET-Eingang realisiert sind, der jeweils übt r einen Widerstand (R8; R9; R10) Im OFF-Zustand auf positives Betriebsspannungspotential i+UB) gezogen ist, während der ISET-Eingang im ON-Zustand euf negatives Betrlebsspannunospotentlal (-UB) oder Mlttenpotentiel (GND) liegt, und daß die Ausgange der OP-Verstärker (N 2; N3; N4) an den Teilerpunkt Je eines zwischen der positiven und negativen Betriebsspannung liegenden hochohmlgen Spannungsteilers (R12;,,., R17) geschaltet sind, die Im OFF-Zustand an den OP-VerstärkerausgÖngen einen negativen Pegel einstellen.

2. Regelverstärkeranordnung für ein programmierbares Schaltnetzteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß alte Widerstände (R8; R 9; R10) zu don ISET-Eingängen über eine Diode und einen Widerstand (R 11) an positives Betriebsspannungspotential (+UB) gezogen sind, wobei der Verbindungspunkt der Widerstände gleichfalls über die Trensistorstrecke eines vom ON/OFF-Slgnal an der Diodenstrecke gesteuerten Optokopplers (U 5) nach Betriebsspannungen!Ittenpotentlal (GND) geschaltet Ist.

3. Regelveratärkeranordnung für ein programmierbares Schaltnetzteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß In dem Grundsttomaktivlerungekrete (R6; U1; VD2) des Stellgliedes (VT 1; VT2) die Ausgangstransistorstrecke eines weiteren Optokopplers (U 4) eingefügt Ist, dessen Eingangsdiode In Reihe mit einem Widerstand (R 18) und einer Z-Dlode (VD7), deren Z-Spannung größer als die Hälfte der Summenbetriebsspannung (2"UB) ist, an die positive (+UB) und negative (-UB) Betriebespannung angescheitet ist.