DE19515210A1

DE19515210A1 - Schaltnetzteil, insbesondere Netzregenerator

Info

Publication number: DE19515210A1
Application number: DE1995115210
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kalfhaus; Hans Joachim Angenendt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-04-28
Filing date: 1995-04-28
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2015-04-29
Also published as: DE19515210C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil, insbesondere Netzregenerator, zur Regeneration einer an einem Eingangskreis anliegenden mit Schwankungen behafteten Eingangsspannung UE eines AC- oder DC-Versorgungsnetzes in eine an einem mit einer Last CA, LA belasteten Ausgangskreis anliegende einstellbare konstante Aus gangsspannung UA oder einen einstellbaren konstanten Ausgangsstrom IA, mit einem aus Spannungsregler KU und Stromregler M bestehendem Regelkreis.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Versorgungsnetzen der Industrie, Telekommu nikation und Bordnetzen von Fahrzeugen jeglicher Art treten sekundär erzeugte Störun gen auf. Dabei müssen Systemanwender, die an diesen Versorgungsnetzen arbeiten, nicht nur Maßnahmen gegen natürlich erzeugte Störungen (z. B. Blitzschlag) ergreifen, sondern auch gegen solche, die vom Mitbenutzer des Netzes erzeugt werden.

Ein erheblicher Mangel fast aller Versorgungsnetze ist, daß der statische Nenneingangs spannungsbereich, je nach Beschaffenheit des Netzes bzw. der Batterie, Schwankungen von bis zu größer als +/-40% aufweist (EN 50 155) oder auf 12 V (24 V)-Fahrzeugen die Bordnetze bis < 6,5 V (9,5 V) einbrechen. Die Spannungseinbrüche können von den angeschlossenen Elektroniksystemen bzw. Stromversorgungen nicht verkraftet werden, so daß es zu Störungen kommen kann.

Ein besonderes Problem in diesem Zusammenhang stellt dabei einerseits die sichere Spannungsversorgung für Relais und Schütze und andererseits eine sichere Stromver sorgung für stromproportionale Ventile im Hydraulik- und Pneumatikbereich bzw. für Lüfter dar (Verbraucher genannt).

Da elektromechanische Schaltelemente wie Relais und Schütze bei Unterschreiten einer minimalen Eingangsspannung aufgrund ihrer physikalischen, magnetischen und mecha nischen Grenzen nicht mehr sicher anziehen bzw. angezogen bleiben, führen Schwan kungen der Versorgungsspannung zu Fehlfunktionen. Aus dem Stand der Technik ist einerseits bekannt, die Versorgungsspannungen mittels Überwachungsschaltungen zu überwachen. In Katastrophensituationen wie z. B. zu tiefe Eingangsspannung durch Lastaufschaltung, lange Leitungswege oder nicht ideale Versorgungsquellen, kann nicht reagiert werden. Andererseits werden aufwendige Neuentwicklungen für Schütze betrie ben, um auch bei schwankenden Eingangsspannungen ein sicheres Anziehen des Schützes zu gewährleisten. Dies ist jedoch mit erheblichen Kosten verbunden.

Auch ist gegeben, daß Verbraucher wie Schütze in angezogenem Zustand an Nennspan nungen bzw. Spannungen höher als deren Nennspannungen betrieben werden, wodurch ein erheblicher Leistungsverlust verursacht wird. Auch können die Schütze bei Überspannungen im Netz zerstört werden bzw. die Lebensdauererwartungen der Schütze kann dadurch sinken. Gewollt oder ungewollt, auf alle Fälle unkontrolliert würde sich Drehzahl und Drehmoment von Lüftern ändern.

Zur Ansteuerung stromproportionaler Ventile werden nach dem Stand der Technik Servo- oder Regelverstärker eingesetzt, die z. B. aus Netztransformatoren gespeist und linear oder geschoppt auf eine Nennspannung UN geregelt werden. Derartige Lösungen sind jedoch sehr teuer. Ferner ist noch zu erwähnen, daß beim Einsatz von Tief- oder Hochsetzstellern die Ausgangsspannung nicht auf Nennspannung des Netzes eingestellt bzw. geregelt werden kann.

Beim Tiefsetzsteller wird bei Defekten des Transistors die Eingangsspannung auf den Ausgang durchgeschaltet. Beim Hochsetzsteller bildet der Ausgangskondensator beim Aufschalten der Eingangsspannung einen dynamischen Kurzschluß und die Schaltung ist nicht kurzschlußgeschützt.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein einstufiges Schaltnetzteil zur Verfügung zu stellen, das ohne Kostensteigerung die eingangs erwähnten Nachteile beseitigt. Das Schaltnetzteil soll kurzschlußfest sein und einen einfachen Aufbau auf weisen. Das Schaltnetzteil soll bei konstanter Ausgangsspannung extreme Schwankun gen der Eingangsspannung verarbeiten können, wobei die Ausgangsspannung in weiten Bereichen einstellbar ist. Auch sollen die Netzeigenschaften durch Leistungsfaktorver besserung verbessert werden. Des weiteren ist eine Potentialtrennung zwischen Ein gangskreis und Ausgangskreis vorgesehen.

Das Problem der Erfindung wird unter anderem dadurch gelöst, daß in dem Eingangs kreis eine erste Drosselspule D1.1 vorgesehen ist, die über eine Verbindungsstelle in Serie mit einem Kondensator CS verbunden ist, der über eine zweite Verbindungsstelle über eine Diode DE mit einer Last CA, LA verbunden ist und daß die Last CA, LA über eine Verbindungsleitung zum Eingang führt, wobei zwischen der ersten Ver bindungsstelle und der Verbindungsleitung ein Leistungstransistor T und zwischen der zweiten Verbindungsstelle und der Verbindungsleitung eine zweite, mit der ersten Drosselspule D1.1 magnetisch gekoppelte Drosselspule D1.2 verschaltet ist und daß dem Stromregler KI eine einem in der zweiten Drosselspule D1.2 gemessenen Strom IS proportionale Gleichgröße als Istwert zuführbar und ein Ausgang des Stromreglers KI oder des Spannungsreglers KU mit einer Steuereinheit verbunden ist, dessen Ausgang GA mit einem Steuereingang G des Leistungstransistors T verbunden ist.

Das Konzept zeichnet sich dadurch aus, daß im Eingangskreis der Schaltung eine zum Strom IS proportionale Gleichgröße gemessen werden kann und im Ausgangskreis der Schaltung ein Spannungsregelkreis liegt, der die Ausgangsspannung regelt und mittels einer Übertragungsstrecke die verstärkte Fehlerdifferenz auf den Eingangskreis zurück gemeldet wird. Dadurch wird ermöglicht, daß ein Konzept ohne Potentialtrennung als Netzregenerator benutzt werden kann. Als weiterer Vorteil ist in diesem Zusammenhang zu erwähnen, daß die Stromerfassung, Spannungsdifferenz und Stellgröße sowie die gesamte Elektronik, Steuerung mit Überwachung und Regelkreis, auf gleichem vor zugsweise Null-Potential liegen.

Als besonderer Vorteil ist hervorzuheben, daß das Schaltnetzteil über einen extrem weiten Eingangsspannungsbereich (z. B. 4 : 1 bis < 10 : 1, d. h. 6 . . . 24 V bis 0 . . . 158 V) verfügt und die Schwankungen der Versorgungsspannung ausregelt. Durch das erfin dungsgemäße Schaltnetzteil kann bei jeder beliebigen Eingangsspannung (14,4 V bis 158 V) eine beliebige Ausgangsspannung von < 3 V bis < 60 V ohne Potentialtrennung eingestellt bzw. geregelt werden.

Durch den zwischen Eingang und Ausgang liegenden Kondensator CS, dessen Kapazi tätswert umgekehrt proportional der Taktfrequenz ist, kann die vorliegende Schaltung aufschaltstrombegrenzend gemacht werden, wodurch ein Durchgriff auf den Ausgangs kondensator nicht stattfindet bzw. kurzschlußstromgeregelt dieser Kondensator CA aufgeladen wird (CA » CS).

Auch ist bei dieser Schaltungstopologie gewährleistet, daß bei Defekt des Transistors T, der Diode DE bzw. des Kondensators CS die Eingangsspannung nicht auf den Ausgang durchgeschaltet wird. Das Schaltnetzteil wird demnach als sicherheitsrelevantes Netzteil für den Schutz des Ausgangs eingestuft.

Die Messung der den Strom IS in der Drosselwicklung D1.2 äquivalenten Gleichgröße erfolgt vorteilhaft mittels eines Shunts, der in Reihe mit der Drosselwicklung D1.2 liegt. Der Strom IS und somit die über dem Shunt zu messende Gleichgröße ist proportional zu dem Ausgangsstrom IA. Damit steht eine zum Ausgangsstrom IA proportionale Gleichgröße zur Stromregelung bereit.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Schaltnetzteil als Netzregenerator für mit Schwankungen behaftete AC- und DC-Versorgungsnetze und insbesondere zur Strom-/ Spannungsversorgung für elektrische Verbraucher wie Relais, Schütze, strompropor tionale Ventile und Lüfter verwendet wird. Durch das Schaltnetzteil werden die zuvor genannten Nachteile des Standes der Technik behoben. Insbesondere wird bei extrem schwankenden Eingangsspannungen eine sichere und stabile Ausgangsspannung zur Verfügung gestellt. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn die Eingangsspannung unterhalb als auch oberhalb der Netznennspannung liegt. Auch ist gewährleistet, daß die Ausgangsspannung auf den Wert der Netznennspannung eingestellt bzw. geregelt werden kann.

Als besonderer Vorteil ist zu erwähnen, daß die geregelte Ausgangsspannung UA oder der Ausgangsstrom IA in Abhängigkeit von dem Verbraucher einstellbar ist, mit UA = k_U × UAN und IA = k_I × IAN mit k_U, k_I < 0 und bis < 1 vorzugsweise k_U, k_I ≈ 1. Bei dieser Schaltungsvariante kann der Ausgang des Schaltnetzteils an die jeweilige Bela stung angepaßt werden. Insbesondere bei der Versorgung von Schützen kann somit bei angezogenen Schützen in einen "Sparmodus", d. h. reduzierte Ausgangsspannung z. B. UA = 2/3 UAN, geschaltet werden, um die Leistungsaufnahme der Schütze im angezo genen Zustand zu verringern. Auch besteht dadurch die Möglichkeit, z. B. bei strom proportionalen Ventilen deren Eingangsstrom derart einzustellen, daß ein dem Strom proportionaler Hub gewährleistet ist bzw. bei einem Lüfter die Fördermenge verstellt wird bzw. geregelt wird.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils ist vor gesehen, daß der k_U-, k_I-Faktor als Sollgröße am Eingang des Regelkreises anliegt und belastungsabhängig einstellbar ist. Dabei kann der k_U-, k_I-Faktor programmierbar sein oder über Schaltkontakte, Widerstandsnetzwerke oder ähnliches einstellbar sein. Sind z;B. sämtliche Schütze angezogen, so kann diese Information über Schließerkontakte der Schütze einer Auswertelogik zugeführt werden, wodurch der k_U-Faktor z. B. auf einen Wert k_U = 2/3 geschaltet wird, wodurch die Ausgangsspannung UA = k_U × UAN = 2/3 × 24 V = 16 V einstellbar ist. Oder der Sollwert wird als analoge Größe 0-10 V bzw. 4-20 mA vorgegeben.

Werden Verbraucher mit einem eigenen Regelkreis eingesetzt, wie dies bei strom proportionalen Ventilen oder Linearantrieben oder ähnlichen Verbrauchern der Fall sein kann, so wird der k_U, k_I-Faktor als fehlerverstärktes Signal aus einem überlagerten Regelkreis abgebildet. Dieser Betrieb bietet den Vorteil, daß die angeschlossenen Verbraucher optimal angesteuert bzw. geregelt werden können.

Die Eingangsspannung UE liegt vorzugsweise in einem Bereich von z. B. 4 V UE 158 V und die Ausgangsspannung UA in einem Bereich von z. B. 0 V < UA 110 V vorzugsweise 12, 24, 48, 60, 110 V. Dadurch wird mit einer einzigen Schaltungskon figuration ein breites Anforderungsprofil abgedeckt. Vorteilhaft ist die Ausgangsspan nung UA im Bereich zwischen UA 0 V ∧ UA UEmax ∧ UA UEmin einstellbar. Auch ist vorgesehen, daß die Ausgangsspannung UA bei IA = konstant sich aus Strom IA und Lastwiderstand LA ergibt. Durch das Schaltungskonzept wird erreicht, daß der Ausgangsstrom IA auch bei hohen Widerstandswerten LA z. B. bei dynamischen Betrachtungen, noch sicher in eine Induktivität getrieben werden kann. Hier wird auch der Vorteil deutlich, daß außer der konstanten und einstellbaren bzw. regelbaren Aus gangsgröße k_U × UAN bzw. k_I × IAN niedrigere und höhere Versorgungsspannungen als die Ausgangsgröße sicher verarbeitet werden können.

Eine weitere vorteilthafte Konfiguration des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils sieht vor, daß dem Spannungsregler KU ein Rechenglied RG′ zur PFC-Bewertung nach geschaltet ist, so daß eine Ausgangsgröße D des Rechengliedes RG′ als Stromsollwert für den nachgeschalteten Stromregler KI zur Verfügung steht. Diese Schaltungsvariante ist insbesondere für den Einsatz des Schaltnetzteils in Niedervolt-AC-Versorgungsnetzen konzipiert. Das Rechenglied ist dabei derart ausgebildet, daß dieses einen Eingang für die eine Sinusform aufweisende Eingangsspannung und einen weiteren Eingang C für den Spitzenwert der Eingangsspannung als Gleichspannungswert UES aufweist, wobei an dem Ausgang ein Signal D = A × B : C mit B : C = UE : UES gleichkonstant ansteht. Damit wird der Regelkreis zu einem Powerfaktor korrigiertem (PFC)-Regel kreis. Vorteilhaft weist das Schaltnetzteil bei AC-Betrieb einen Formfaktor F von nahezu F = 1 auf. Damit wird der Stromflußwinkel in einem vorgeschalteten Gleichrich ter bzw. Transformator ideal verbessert.

Bei konstanter Leistung wird bei sinkender Eingangsspannung UE der Eingangsstrom IE steigen. Da aber der Strom IS über die Eingangsspannung UE konstant bleibt, darf sich die Ausgangsgröße D des Rechengliedes als Soll-Wert für den Strom IS, nicht verändern. Soll die Ausgangsgröße D jedoch konstant sein und die Eingangsgröße A mit der Eingangsspannung UE multipliziert werden, muß die Eingangsspannung UE durch den Spitzenwert der Eingangsspannung als Gleichspannungswert UES bzw. K × UES dividiert werden. Damit wird der Quotient UE/UES konstant. Im Gegensatz zu dem bekannten Stand der Technik wird bei sinkender Eingangsspannung UE die Amplitude des Stroms am Eingang steigen und da beim Stand der Technik der Eingangsstrom IE direkt gemessen wird, muß die Größe D entsprechend steigen. Demnach wird beim Stand der Technik durch das Quadrat der Spannung UES dividiert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Steuerglied zumindest zwei Stromquellen zum Laden und Entlanden eines Kondensator sowie einen Kom perator aufweist, dessen Eingang mit dem Kondensator zur Messung der Kondensator spannung verbunden ist und dessen Ausgang einerseits mit dem Leistungstransistor und andererseits mit Schaltelementen wie Diodentoren verbunden ist, die in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Komparators den Lade- bzw. Entladevorgang zur Bestim mung der Einschalt- bzw. Ausschaltzeiten T-On und T-Off einleiten.

Auch ist vorgesehen, daß eine erste Stromquelle eingangsseitig über einen Widerstand R1 mit dem Stromregler und ausgangsseitig über ein Schaltelement mit dem Kon densator C1 verbunden ist und daß eine zweite Stromquelle über einen Widerstand R2 mit der Eingangsspannung UE verbunden und ausgangsseitig über das Schaltelement S2 zur Aufladung mit dem Kondensator C1 verbunden ist. Dadurch findet eine T-On- Steuerung und eine T-Off-Regelung statt. Dadurch wird prinzipiell über die Eingangs spannung verhindert, daß der Zwischenkreis bzw. die Ausgangsspannung dynamische Schwankungen mit der Eingangsspannung erfährt.

Bei dieser Schaltungskonfiguration wird bei konstanter Last die Ausschaltzeit T-Off konstant sein. Der Kondensator wird dann immer mit der gleichen Zeit entladen. Die Einschaltzeit T-On wird sich umgekehrt proportional der Eingangsspannung UE ein stellen, d. h. je niedriger die Eingangsspannung ist, desto länger wird die Einschaltzeit T-On sein.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines den Zeichnun gen zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines modifizierten Hoch-Tiefsetzstellers mit Potential trennung,

Fig. 2 das Prinzipschaltbild eines modifizierten Hoch-Tiefsetzstellers ohne Potential trennung,

Fig. 3 eine Regelkreisanordnung mit Ansteuereinheit für die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 und Fig. 2,

Fig. 4 eine Variante eines Rechengliedes für den Regelkreis gemäß Fig. 2,

Fig. 5 der Hoch-Tiefsetzsteller als Netzregenerator im Spannungs-Modus und

Fig. 6 der Hoch-Tiefsetzsteller als Netzregenerator im Strom-Modus.

Fig. 1 zeigt ein Schaltnetzteil (10) mit Eingangskreis (12) und Ausgangskreis (14), wobei zur Potentialtrennung zwischen Eingangskreis (12) und Ausgangskreis (14) ein Transformator TR mit einer Primärwicklung T1.1 und einer Sekundärwicklung T1.2 vorgesehen ist. Der Transformator weist das Übersetzungsverhältnis Ü auf.

Eine Eingangsklemme (16) ist über eine Drosselspule D1.1 mit einer ersten Verbin dungsstelle (18) verbunden, von der aus ein Kondensator CS über eine zweite Ver bindungsstelle (20) und eine Diode DE mit ihrem Kathodenanschluß (22) mit dem Eingang der Primärwicklung T1.1 des Transformators TR verbunden ist.

Ein Ausgang (24) der Primärwicklung T1.1 ist über eine Verbindungsleitung (26) mit einer weiteren Eingangsklemme (28) des Eingangskreises (12) verbunden.

Ausgehend von der Verbindungsstelle (18) ist ein Leistungstransistor T mit der Ver bindungsleitung (26) an einer Verbindungsstelle (30) verbunden. Ausgehend von der Verbindungsstelle (20) ist eine zweite Drosselspule D1.2, die mit der ersten Drossel spule D1.1 magnetisch gekoppelt ist, über ein Widerstandselement wie Shunt SE an einer Verbindungsstelle (32) mit der Verbindungsleitung (26) verbunden.

Der Ausgangskreis (14) besteht im wesentlichen aus der Sekundärwicklung T1.2 des Transformators TR, die einerseits über eine Diode DA an einer Verbindungsstelle (34) mit dem Glättungskondensator CA, in diesem Fall mit dem Plus-Pol eines Kondensators verbunden ist. Andererseits ist die Sekundärwicklung T1.2 mit dem Minus-Pol der Last verbunden. Parallel zu dem Glättungskondensator CA kann eine Last LA angeschlossen und die Ausgangsspannung UA abgegriffen werden.

Der Fig. 2 ist ein Schaltnetzteil (110) ohne Potentialtrennung dargestellt, wobei gleiche Elemente mit Bezug zu Fig. 1 mit gleichen Bezeichnungen bzw. Bezugsziffern versehen sind. Bei dem Schaltnetzteil (110) entfällt der Transformator TR, so daß anstelle der Primärwicklung T1.1 mit ihren Anschlußpunkten (22) und (24) nunmehr der Glättungs kondensator CA und die parallel dazu geschaltete Last LA mit ihren Verbindungsstellen (34) und (36) angeschlossen sind.

Fig. 3 zeigt die schematische Darstellung einer Regelkreisanordnung (38) mit einer nachgeschalteten Steuereinheit (40) wie PWM-Schaltkreis. Der Regelkreis besteht aus einem Spannungsregler KU, einem nachgeschalteten Rechenglied RG, RG′ sowie einem dem Rechenglied RG, RG′ nachgeschalteten Stromregler KI. Eingangsseitig weist der Spannungsregler KU einen Vergleicher (42) auf, der die Differenz zwischen der Ausgangsspannung UA als Istgröße und einer Sollspannung U-Soll = k_U × UAN als Sollgröße sowie einem über ein Rückkoppelglied (44) rückgekoppeltes Ausgangssignal bildet. Dieses Differenzsignal wird einem Verstärker (46) zugeführt und verstärkt. Der Ausgang (48) des Spannungsreglers KU ist mit dem Eingang (50), (50′) des Rechen gliedes RG, RG′ verbunden. Ein Ausgang (52), (52′) des Rechengliedes RG, RG′ ist mit einem Vergleicher (54) des Stromregelkreises KI verbunden. Die Ausgangsgröße des Rechengliedes RG, RG′ dient als Stromsollwert für den folgenden Stromregelkreis KI. Der Vergleicher (54) vergleicht den Stromsollwert D des Rechengliedes RG, RG′ mit einer an dem Shunt SE gemessenen und dem Ausgangsstrom IA proportionalen Gleichgröße I_s als Stromistwert und eine über ein Rückkoppelglied (56) anliegende Rückkoppelgröße miteinander. Der Vergleichswert wird einem Verstärker (58) zu geführt, wodurch ausgangsseitig an einem Ausgang (60) eine fehlerverstärkte Stromdif ferenz E aus Stromistwert I_s (Gleichgröße) und Stromsollwert D zur Verfügung steht.

In der dargestellten Ausführungsform ist die Regelkreisanordnung (38) als Spannungs regler mit unterlagertem DC-Stromregelkreis KI ausgeführt. Die Sollspannung U-Soll ist erfindungsgemäß über einen Faktor k_U einstellbar, wobei der Faktor k_U seinerseits entweder programmierbar vorgegeben oder lastabhängig über Schaltkontakte oder Widerstandsnetzwerke oder eine Analoggröße einstellbar ist, oder als verstärkte Fehler differenz eines überlagerten Regelkreises abgeleitet wird.

Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Regelkreisanordnung (38) als Stromregler auszubilden, wobei der Stromregler KI als Eingangsregelkreis dem Rechen glied RG, RG′ vorgeschaltet und der Spannungsregler KU als unterlagerter Regelkreis dem Rechenglied RG, RG′ nachgeschaltet wird. Auch bei dieser Ausführungsform ist ein dem Stromregler zuzuführender Stromsollwert I-Soll = k_I × IAN über einen Faktor k_I einstellbar.

Der Ausgang (60) des Stromreglers KI ist über einen Widerstand R1 mit einer Strom quelle IQ1 wie Stromspiegel verbunden, die ausgangsseitig über ein Schaltelement S1 an einem Verbindungspunkt (62) einerseits mit einem Kondensator C1 und andererseits mit einem Eingang (64) einer Komparatorschaltung (66) verbunden ist. Der Kondensator C1 ist mit seinem noch freien Anschluß mit Masse (68) verbunden.

Des weiteren ist die Steuereinheit (40) über einen Widerstand R2 mit einer zweiten Stromquelle IQ2 verbunden, die aus den Stromspiegeln (70), (72) besteht, und ein Ausgang (74) der Stromquelle IQ2 über ein Schaltelement S2 mit dem Kondensator C1 bzw. dem Eingang (64) der Komparatorschaltung (66) verbunden ist. Ein Ausgang (76) des Komparators (66) ist einerseits mit einem Steuereingang G des Leistungstransistors T und andererseits mit den Steuereingängen der Schaltelemente S1, S2 verbunden.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform des Rechenglieds RG ist für eine DC- Version des Netzteils bestimmt, d. h., daß die Eingangsspannung UE als Gleichspannung zur Verfügung steht (z. B. Batterie-Netz). Liegt die Eingangsspannung UE jedoch in Sinus-Halbwellenform vor, so wird das Rechenglied RG durch eine weitere Version des Rechenglieds RG′ ersetzt.

Fig. 4 zeigt das Rechenglied RG′, das einerseits mit einem Eingang (78) über einen Widerstand R4 mit der Eingangsspannung UE verbunden ist und andererseits mit einem Eingang (80) über einen Widerstand R5 mit dem Spitzenwert der Eingangsspannung als Gleichspannungswert UES verbunden ist. Die Ausgangsgröße D wird dabei wie folgt bestimmt:

D = A × B/C = A × UE/UES

mit A = Fehlerverstärkte Spannungsdifferenz aus Istwert und Soll wert
B = UE = Doppelweggleichgerichtete Eingangsspannung
C = UES = Spitzenwert der Eingangsspannung als Gleichspannungs wert bzw. k × UES
D = A × B/C = Stromsollwert.

Im folgenden soll die Funktion des Schaltnetzteils (10) beispielhaft für gleichgerichtete Eingangsspannungen UE mit Sinushalbwellenform in eingeschwungenem Zustand näher erläutert werden. Bei geschlossenem Transistor T wird durch die Eingangsspannung UE ein Strom IE durch die Drosselspule D1.1 und den Transistor T getrieben. Durch die Drosselspule D1.2 wird der Strom IS entsprechend IA über CS ebenfalls für die Zeit t_on durch den Transistor getrieben. Entsprechend des Übersetzungsverhältnisses des Trans formators TR wird der Primärstrom ITE = IE + IS auf den Ausgangsstrom IDA = IA während der Zeit t_off transformiert.

Im eingeschwungenen Zustand wird der Strom IS durch die Drosselspule D1.2 dem Ausgangsstrom IA gleich sein bzw. proportional sein. Bei Öffnen des Transistors werden die Ströme IE und IS durch die Diode DE und die Primärwicklung T1.1 des Transformators TR geleitet. Der Transformator TR wirkt als Stromtrafo und mit dem Übersetzungsverhältnis ü wird in der Sekundärwicklung T1.1 ein um 180° phasenver schobener Strom IDA = IA induziert, der über die Diode DA in die Last bzw. den Kondensator CA fließen kann.

Nunmehr besteht die Möglichkeit, im Eingangskreis der Schaltung über den in Reihe mit der Drosselspule D1.2 angeordneten Shunt SE eine dem Strom IS entsprechende DC-Größe zu ermitteln, der als Istgröße für den Stromregler KI der Regelkreisanord nung (38) zur Verfügung steht. Entscheidend ist, daß die DC-Größe dem Ausgangs strom IA entspricht bzw. proportional ist.

Die Ausgangsspannung UA wird dem Spannungsregler KU als Istgröße zugeführt. Im Ausgang des Spannungsreglers KU liegt eine fehlerverstärkte Spannungsdifferenz A aus Istwert UA und Sollwert UA-Soll an. Bei der beschriebenen Schaltungskonfiguration, also mit Potentialtrennung, sollte die Ausgangsgröße des Spannungsreglers KU über eine potentialtrennende Übertragungsstrecke (nicht dargestellt) wie OPTO-Koppler auf den Eingangskreis, d. h. den Eingang (50) bzw. (50′) des Rechenglieds RG′ zurückge meldet werden.

Bei konstanter Leistung wird bei sinkender Eingangsspannung UE der Eingangsstrom IE steigen. Da aber der Strom IS über UE konstant bleibt, darf sich die Größe D, als Sollgröße des nachgeschalteten Stromreglers KI, nicht verändern. Soll die Ausgangs größe D des Rechenglieds RG′ jedoch konstant sein, muß, da die Eingangsgröße A mit der Wechselgröße UE multipliziert wird, UE durch UES (Spitzenwerte der Eingangs spannung als Gleichspannungswert bzw. K × UES) dividiert werden. Dieser Quotient ist konstant. Somit wird durch Nachschaltung eines einfachen Rechengliedes in den Ausgang des Spannungsreglers KU dieser Kreis zu einem Power-Faktor-korrigierten (PFC) Regelkreis.

Das heißt mit anderen Worten: Erfassung der Spannung UA im Ausgangskreis (14), Vergleich mit einer Sollspannung U-Soll, Verstärkung dieser Regeldifferenz, Über tragung mittels Übertragungsstrecke wie OPTO-Koppler auf den Eingang (50′) des Rechenglieds RG′, Multiplikation dieses Wertes mit der Kurvenform der Eingangs spannung UE, die bei Doppelweggleichrichtung als Sinushalbwelle ansteht und Division durch UES. Die Ausgangsgröße D ist wiederum sinusförmig und dient als Sollwert für den Stromregler KI und wird in den Vergleicher (54) mit der zum Strom IS proportio nalen DC-Größe als Istwert verglichen. Am Ausgang (60) liegt die fehlerverstärkte Stromdifferenz E aus Istwert und Sollwert an, die nun wiederum zur Regelung der Ausschaltzeit T-Off des Leistungstransistors T dient.

Am Ausgang (76) der Steuereinheit (40) liegt ein Steuersignal GA an, durch das der Transistor T gesteuert wird. Gleichzeitig werden mit diesem Steuersignal die Schalt elemente S1, S2, die als Diodentore ausgebildet sein können, gesteuert. Ist das Steuersi gnal GA "high", so wird ein Strom I2′ umgekehrt proportional der Eingangsspannung UE einen Kondensator aufladen. Ist das Steuersignal GA "low", wird der Schalter S1 geschlossen sowie der Schalter S2 geöffnet, wodurch gesteuert durch das Signal E (fehlerverstärkte Stromdifferenz aus Istwert und Sollwert) der Kondensator C1 über den Strom I1′ geregelt entladen wird.

Bei konstanter Last wird somit die Ausschaltzeit T-Off konstant sein. Der Kondensator C1 wird immer mit der gleichen Zeit, d. h. in der Zeit T-Off, entladen. Die Einschaltzeit T-On wird sich umgekehrt proportional der Eingangsspannung UE einstellen, d. h. je niedriger die Eingangsspannung UE ist, desto länger wird die Einschaltzeit T-On sein.

Die Steuerung der Einschaltzeit T-On wird mittels der Stromquelle IQ2 realisiert, wobei der Eingangsstrom I2 dieser Stromquelle proportional der Eingangsspannung UE ist. Da der Aufladestrom I2′ = I2 ist und damit proportional zur Eingangsspannung UE ist, ist die Einschaltzeit T-On umgekehrt proportional zur Eingangsspannung UE. Der Auflade vorgang ereignet sich, während am Ausgang (76) des Komparators das Steuersignal GA auf "high" liegt. Liegt das Steuersignal GA auf dem Wert "low", wird der Aufladestrom I2′ abgeschaltet und der Kondensator C1 gesteuert über das Ausgangssignal E des Stromreglers über den Strom I1′ entladen.

Erfindungsgemäß sollen die beschriebenen Schaltnetzteile (10), (110) als Netzregenera tor REG für mit Schwankungen behaftete AC- und DC-Versorgungsnetze und ins besondere zur Strom- und Spannungsversorgung für elektrische Verbraucher wie Relais, Ventilatoren, Schütze (100) und stromproportionale Ventile (102) eingesetzt werden. Dabei lassen sich prinzipiell zwei Betriebsweisen unterscheiden.

In Fig. 5 wird der Regenerator REG im Spannungs-Modus betrieben, d. h. die Ausgangs spannung UA soll auf einem konstanten Wert UA = k_U × UAN eingestellt werden. Diese Schaltungsvariante ist insbesondere zur Spannungsversorgung von elektrischen Verbrauchern wie Schützen (100) vorgesehen. Die Ausgangsspannung UA kann dabei über den Faktor k_U beliebig eingestellt werden. Erfindungsgemäß ist der Faktor k_U verbraucherabhängig einstellbar. Sind z. B. sämtliche Schütze, die in Parallelschaltungen an dem Ausgang des Regenerators REG angeschlossen sein können, angezogen, so kann die Ausgangsspannung UA über den k_U-Faktor von z. B. 24 V auf 16 V reduziert werden. In diesem "Sparmodus" wird die Leistungsaufnahme der Schütze verringert. Soll in diesem Zustand ein weiteres Schütz eingeschaltet werden, so wird wiederum über den k_U-Faktor die Spannung UA auf die Verbrauchernennspannung eingestellt, so daß das zusätzliche Schütz sicher anziehen kann. Anschließend wird wieder in den Sparmodus zurückgeschaltet.

Fig. 6 zeigt den Regenerator REG im Strom-Modus, wobei der Ausgangsstrom IA = k_I × IAN über die k_I-Faktor in weiten Bereichen einstellbar ist. Diese Schaltungsvariante wird insbesondere zur Ansteuerung von stromproportionalen Ventilen (102) verwendet. Hierbei besteht die Möglichkeit, den Ausgangsstrom IA über den k_I-Faktor derart vor zugeben, daß ein Hub der stromproportionalen Ventile (102) proportional dem Strom gewährleistet ist. Der k_I-Faktor kann programmierbar eingestellt werden, so daß beliebi ge Stromkurven einstellbar sind.

Der Regenerator REG, der das Schaltnetzteil (10) bzw. (110) aufweist, kann zur Regeneration eines AC- oder DC-Versorgungsnetzes mit extrem schwankender Ein gangsspannung UE eingesetzt werden. Als besonderer Vorteil ist der extrem weite Eingangsspannungsbereich am AC- und DC-Netz zu erwähnen, beispielsweise 18 VDC/30 VAC bis einschließlich 264 VAC/360 VDC ohne Umschaltung und theoretisch bei idealen Schaltelementen T und DE/DA in Fig. 1 und 2 bis 0 V Eingangsspannung.

Der Regenerator verfügt im DC-Betrieb über einen weiten Eingangs-Spannungsbereich (4 : 1 bis 10 : 1, d. h. 4-38 V, 14,4-158 V). In der DC-Version kann der Regenerator REG bei jeder beliebigen Eingangsspannung UE vorzugsweise im Bereich von 6,5 V UE 158 V eine beliebige Ausgangsspannung UA im Bereich zwischen 0 V UA 110 V (ohne oder mit Potentialtrennung) eingestellt werden.

Aufgrund der genannten Eigenschaften wird ein sehr zuverlässiges und sicheres Schalt netzteil zur Verfügung gestellt. Insbesondere ergeben sich dadurch Anwendungsgebiete in Bordnetzen für Bahnen und Flugzeuge sowie in Versorgungsnetzen für sicherheits relevante Verbraucher im Kraftwerksbereich insbesondere bei Kernkraftwerken.

Die zuvor wiedergegebene Beschreibung der Schaltungen und der Regelkreise sind rein beispielhaft, ohne daß hierdurch eine Einschränkung der erfindungsgemäßen Lehre erfolgt. Vielmehr erstreckt sich diese auch auf Varianten und Ausgestaltungen, in denen die Erfindung realisierbar ist. Auch ist das den Erläuterungen zugrundeliegende Regel verfahren Gegenstand der Erfindung.

Claims

1. Schaltnetzteil (10), insbesondere Netzregenerator, zur Regeneration einer an einem Eingangskreis (12) anliegenden mit Schwankungen behafteten Eingangs spannung UE eines AC- oder DC-Versorgungsnetzes in eine an einem mit einer Last CA, LA belasteten Ausgangskreis (14) anliegende einstellbare konstante Ausgangsspannung UA oder einen einstellbaren konstanten Ausgangsstrom IA, mit einem aus Spannungsregler KU und Stromregler KI bestehenden Regelkreis, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis (12) eine erste Drosselspule D1.1 aufweist, die über eine erste Verbindungsstelle (18) in Serie mit einem Kondensator CS verbunden ist, der über eine zweite Verbindungsstelle (20) über eine Diode DE mit einer Last CA, LA verbunden ist und daß die Last CA, LA über eine Verbindungsleitung (26) zum Eingang führt, wobei zwischen der ersten Verbindungsstelle (18) und der Verbindungsleitung (26) ein Leistungstransistor T und zwischen der zweiten Verbindungsstelle (20) und der Verbindungsleitung (26) eine zweite, mit der ersten Drosselspule D1.1 magnetisch gekoppelte Drosselspule D1.2 verschaltet ist und daß dem Stromregler KI eine einem in der zweiten Drosselspule D1.2 gemessenen Strom IS proportionale Gleichgröße als Istwert zuführbar und ein Ausgang (60) des Stromreglers KI oder des Spannungsreglers KU mit einer Steuereinheit (40) verbunden ist, dessen Ausgang GA mit einem Steuereingang G des Leistungstransistors T verbunden ist.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Strom IS proportionale DC-Größe bzw. Gleichgröße an einem in Reihe mit der Drosselspule D1.2 liegenden Meßumformer SE wie Shunt meßbar ist und proportional zu dem Ausgangsstrom IA ist.

3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltnetzteil als Netzregenerator für mit Schwankungen behaftete AC- und DC-Versorgungsnetze und insbesondere zur Strom- und Spannungsver sorgung für elektrische Verbraucher wie Relais, Schütze, stromproportionale Ventile und Lüfter verwendet wird.

4. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geregelte Ausgangsspannung UA oder der geregelte Ausgangsstrom IA in Abhängigkeit von dem Verbraucher einstellbar ist, mit UA = k_U × UAN und IA = k_I × IAN mit k_U, k_I < 0 bis 1 vorzugsweise k_U, k_I ≈ 1.

5. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der k_U, k_I-Faktor als Sollgröße am Eingang des Regelkreises (38) anliegt und belastungsabhängig einstellbar ist.

6. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der k_U, k_I-Faktor programmierbar oder über Schaltkontakte, Widerstands netzwerke oder ähnliches einstellbar ist.

7. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der k_U, k_I-Faktor als fehlerverstärktes Signal aus einem überlagerten Regel kreis abgebildet ist.

8. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung UE im Bereich von z. B. 4 V UE 158 V und die Ausgangsspannung UA im Bereich von z. B. 0 V UA 110 V vorzugsweise 12, 24, 48, 60, 110 V liegt.

9. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung UA im Bereich zwischen UA 0 V ∧ UA UEmin ∧ UA UAmax einstellbar ist.

10. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung UA bei IA = konstant sich aus Strom IA und Lastwi derstand LA ergibt.

11. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spannungsregler KU ein Rechenglied RG′ zur PFC-Bewertung nachge schaltet ist, so daß eine Ausgangsgröße D des Rechengliedes RG als Stromsoll wert I für den nachgeschalteten Stromregler KI zur Verfügung steht.

12. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenglied RG′ einen Eingang B für die eine Sinusform aufweisende Eingangsspannung UE und einen weiteren Eingang C für den Spitzenwert der Eingangsspannung als Gleichspannungswert UES aufweist, wobei an dem Ausgang (52) ein Signal D=A × B/CmitB/C = UE/UES = konstantansteht.

13. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltnetzteil (10), (110) bei AC-Betrieb einen Formfaktor F von annähernd F = 1 aufweist.

14. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltnetzteil (10), (110) ein Niedervolt-AC-Versorgungsnetz mit Eingangsspannungen UE im Bereich von z. B. 0 V UE 24 V eingesetzt wird.

15. Schaltnetzeil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Last CA, LA über einen Transformator T, mit Primärwicklung T1.1 und Sekundärwicklung T1.2, mit dem Eingangskreis (12) verbunden ist, wobei die Last CA, LA über eine Diode DA mit der Sekundärwicklung T1.2 des Trans formators verbunden ist und die Primärwicklung T1.1 zwischen der Diode DE und der Verbindungsleitung (26) liegt.

16. Schaltnetzeil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler KU über ein potentialtrennendes Übertragungsele ment wie OPTO-Koppler mit dem Rechenglied RG, RG′ verbunden ist.

17. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltnetzteil (10), (110) und die Regelkreisanordnung (38) ein gemein sames Potential vorzugsweise Null-Potential aufweisen.

18. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (40) zumindest zwei Stromquellen IQ1, IQ2, wie Strom spiegel zum Laden und Entladen eines Kondensators C1 sowie einen Komparator (66) aufweist, dessen Eingang (64) mit dem Kondensator C1 zur Messung der Kondensatorspannung verbunden ist, wobei dessen Ausgang (76) einerseits mit dem Leistungstransistor T und andererseits mit Schaltelementen S1, S2 wie Diodentoren verbunden ist, die in Abhängigkeit eines Ausgangssignals GA des Komparators (66) den Lade- bzw. Entladevorgang zur Bestimmung der Ein- bzw. Ausschaltzeiten T-On- bzw. T-Off einleiten.

19. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschaltzeit T-Off durch die Ausgangsgröße E = I1 des Stromreglers KI regelbar ist.

20. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle IQ1 eingangsseitig über einen Widerstand R₁ mit dem Stromregler KI und ausgangsseitig über das Schaltelement S1 mit dem Kon densator C1 verbunden ist.

21. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle IQ2 über einen Widerstand R₂ mit der Eingangsspannung UE verbunden ist und ausgangsseitig über das Schaltelement S2 zum Aufladen des Kondensators mit diesem verbunden ist.

22. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltzeit T-On umgekehrt proportional der Eingangsspannung UE ist.

23. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung ab einer minimalen Eingangsspannung UE = 0 V regeneriert.