DE19831498A1

DE19831498A1 - Gegengekoppelter Verstärker

Info

Publication number: DE19831498A1
Application number: DE19831498A
Authority: DE
Inventors: Adolf Nathan
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1998-07-14
Publication date: 1999-02-04

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem gegegengekoppelten PI- Verhalten aufweisenden Regelverstärker mit einem Fehler signaleingang und einem Referenzeingang.

Gegengekoppelte Regelverstärker, insbesondere als Bestandteil von Schaltreglern weisen meist PI-Verhalten auf. Das PI-Verhalten wird am einfachsten durch einen Gegenkopplungszweig in Form eines Serien-RC-Gliedes erreicht (Wüstehube, Schaltnetzteile, Expert Verlag Grafenau, 1979, Seiten 391-392).

Werden solche Regelverstärker zusammen mit Schutzeinrichtungen eingesetzt, deren Ansprechschwellen sehr nahe an den Nennbetriebspegeln liegen, sind schnelle Nenngrößenregler notwendig. Diese weisen jedoch über dem gesamten Lastbereich Stabilitätsprobleme auf.

Vorteile der Erfindung

Mit den Maßnahmen der Erfindung sind gegengekoppelte Regelverstärker mit PI-Verhalten realisierbar, die im Kleinsignalverhalten aus Stabilitätsgründen langsam sein können, im Großsignalverhalten aber schnell sind und nur geringes Überschwingverhalten zeigen. Auch ist der Einsatz bei relativ hohen Spannungen, z. B. bei Fernspeiseeinrichtungen, im Gegensatz zu bekannten RCD- Beschaltungen möglich, die insbesondere beim Kondensator bei hohen Spannungen zu unakzeptablen Größen führen.

Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen:

Bei der Auslegung eines Reglers, insbesondere für die Ausgangsspannung eines Schaltreglers, ist es insbesondere aus Stabilitätsgründen erforderlich, den Regelverstärker sehr langsam auszulegen; das heißt, die Integrationszeit des RC-Gliedes groß zu wählen. Gleichzeitig darf aber auch kein großer Überschwinger beim Hochlaufen der Ausgangsspannung auf den Nennwert entstehen. Dieser Überschwinger entsteht dadurch, daß der Regler zunächst am "Anschlag" ist und nicht beliebig schnell aus diesem gesättigten Zustand in den Arbeitspunkt schalten kann. Das Übersteuern in die andere Richtung führt dann zum Überschwinger. In diesem Falle steht die Forderung nach einem störungsunempfindlichen Regler, der sehr langsam im Ausregelverhalten ist, gegen die Forderung nach maximaler Ausgangsspannung, die nahe am Nominalwert des Reglers liegt, weil sonst eine Schutzeinrichtung beim Hochfahren der Spannung unerlaubt ansprechen würde. Letzteres Problem könnte nur mit einem schnellen Regler gelöst werden. Beide vorgenannten Forderungen erfüllt der erfindungsgemäße Regler.

Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Reglers für die Verwendung in einem Schaltregler,

Fig. 2 zeigt das Hochlaufen der Ausgangsspannung eines Schaltreglers ohne erfindungsgemäßen Maßnahmen und

Fig. 3 zeigt das Hochlaufen der Ausgangsspannung eines Schaltreglers mit erfindungsgemäßer Überschwingerbegrenzung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt einen Schaltregler in Form eines Sperrwandlers mit dem Transformator 6 zur Trennung des Primär- und Sekundärkreises. Das Stellglied in Form des Feldeffekttransistors 7 liegt in Serie zur Primärwicklung des Transformators 6. Im Sekundärkreis ist nach Gleichrichtung und Glättung die Last 8 dargestellt. Über der Last 8 ist ein Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 81 und 82 vorgesehen. Über den Spannungsteiler 81, 82 wird die Ausgangsspannung Ua des Schaltreglers erfaßt, um bei Abweichungen von einem Referenzwert nachgeregelt zu werden. Der Spannungsteilerabgriff ist zum Fehlersignaleingang 2 des als Operationsverstärker ausgebildeten Regelverstärkers 1 geführt. Der Referenzeingang 3 ist über den Widerstand 31 an eine Referenzspannungsquelle 32 geschaltet. Im Gegenkopplungszweig des Regelverstärkers 1 befindet sich ein Serien-RC-Glied 41, 42. Der Verbindungspunkt 4 des Serien- RC-Gliedes wird als Signalauskopplung benutzt, die mit dem Referenzeingang 3 des Regelverstärker in Wirkverbindung steht und so die Referenzspannung am Referenzeingang beeinflußt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist diese Wirkverbindung über die Serienschaltung einer Diode 5 und einem Widerstand 51 realisiert. Die Polung der Diode 5 bestimmt, bei welcher Flanke am Ausgang des Regelverstärkers eine Überschwingerbegrenzung aktiviert sein soll. Die punktiert eingezeichnete Diode anderer Polung kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein. Der Ausgang des Regelverstärkers 1 führt zum Eingang eines Pulsbreiten- oder Pulsfrequenzmodulators 9, welcher über den Steuereingang des Stellgliedes 7 den Regelkreis schließt.

Der Gegenkopplungszweig kann auch anders ausgestaltet sein, um dem Regelverstärker PI-Verhalten zu geben. Wichtig ist nur, daß ein Pol des Rückkopplungskondensators am Ausgang des Regelverstärkers 1 angeschlossen ist und eine Signalauskopplung vorgesehen ist, die mit dem Referenzeingang 3 des Regelverstärkers 1 in Wirkverbindung steht und den Arbeitspunkt des Regelverstärkers in Abhängigkeit des Großsignalverhaltens, z. B. einem Spannungssprung, so verändern kann, daß keine Überschwinger auftreten, die Schutzeinrichtungen, deren Ansprechwert nahe am Nominalwert des Reglers liegen, unerlaubt ansprechen lassen.

Mit den Maßnahmen der Erfindung kann der Kondensator 42 des RC-Gliedes nicht zu schnell geladen werden. Es findet eine dynamische dU/dI-Begrenzung statt. Dabei findet Mitkopplung statt, die die gewünschte Wirkrichtung des Regelverstärkers verstärkt, d. h. in Fig. 1 wird das Stellglied 7 sofort ausgeschaltet und damit der Überschwinger am Ausgang vermieden. Der Regelverstärker 1 wird unter Umständen durch mehrmaliges Anhalten (Austasten) des Stellgliedes 7 an seinen Arbeitspunkt herangeführt.

Die erfindungsgemäße Beschaltung des Regelverstärkers 1 ist auch vorteilhaft für die in Fig. 1 dargestellte Ausgestaltung mit einer Schutzeinrichtung 10 für eine überhöhte Ausgangsspannung und/oder überhöhten Ausgangsstrom. Wenn in diesem Fall die Richtung der Diode 5 umgedreht wird (gestrichelt), greift die Schutzeinrichtung mit Verzögerung ein und bricht sofort ab, wenn die Regelgröße nicht mehr im Ansprechbereich ist, d. h. hier wird die positive Flanke des Regelverstärkers mitgekoppelt.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Hochlaufen der Ausgangsspannung Ua eines Schaltreglers wird der Ansprechwert US der Schutz einrichtung 10, der knapp über dem Nennwert UN liegt, durch Überschwinger erreicht und die Schutzeinrichtung 10, die direkt auf das Stellglied 7 wirkt, schaltet dieses sofort ab.

Beim Hochlaufen der Ausgangsspannung gemäß Fig. 3 mit erfindungsgemäßer Überschwingerbegrenzung wird der Ansprechwert US der Schutzeinrichtung 10 nicht erreicht.

Beim gezeigten Ausführungsbeispiel arbeitet der Regelverstärker 1 wie auch die Schutzeinrichtung 10 auf die gleiche Bezugsgröße, nämlich auf die Höhe der Ausgangsspannung Ua des Schaltreglers. Natürlich kann als Bezugsgröße auch der Ausgangsstrom oder die Kombination aus Ausgangsspannung und Ausgangsstrom (Leistungsauswertung) benutzt werden.

Die Erfindung kann außer bei Schaltreglern auch bei anderen Reglern eingesetzt werden, wo Überschwinger verhindert werden müssen, ohne die sonstigen Regeleigenschaften ungünstig zu beeinflussen.

Falls der Regelhub des Reglers um den Arbeitspunkt im Nennbetrieb die Diodenschwelle überschreitet, dann kann z. B. eine Zenerdiode 52 in Reihe mit der Diode 5 geschaltet werden.

Claims

1. Gegengekoppelter PI-Verhalten aufweisender Regelverstärker (1) mit einem Fehlersignaleingang (2) und einem Referenzeingang (3), dadurch gekennzeichnet, daß im Gegenkopplungszweig eine Signalauskopplung (4) vorgesehen ist, die mit dem Referenzeingang (3), insbesondere zur Überschwingerbegrenzung, in Wirkverbindung steht.

2. Regelverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungszweig aus einem Serien-RC-Glied (41, 42) besteht und daß der Verbindungspunkt (4) des Serien-RC- Gliedes mit dem Referenzeingang (3) in Wirkverbindung steht.

3. Regelverstärker nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt (4) über eine Diode (5) zum Referenzeingang (3) des Regelverstärkers (1) geführt ist, wobei die Polung der Diode (5) bestimmt, bei welcher Flanke am Ausgang des Regelverstärkers (1) die Überschwingerbegrenzung aktivierbar ist.

4. Verwendung des Regelverstärkers nach einem der Ansprüche 1-3 für einen Schaltregler, insbesondere am Eingang seines Pulsbreiten- oder Pulsfrequenzmodulators (9) 5. Verwendung des Regelverstärkers nach einem der Ansprüche 1-3 für einen Schaltregler mit einer Schutzeinrichtung (10) für eine überhöhte Ausgangsspannung und/oder überhöhten Ausgangsstrom, insbesondere für den Fall, daß Regelverstärker (1) und Schutzeinrichtung (10) auf die gleiche Bezugsgröße arbeiten.