DE19940275A1

DE19940275A1 - Geregelte Stromquelle

Info

Publication number: DE19940275A1
Application number: DE1999140275
Authority: DE
Inventors: Michael Naber
Original assignee: Insta Elektro GmbH and Co KG
Current assignee: INSTA ELEKTRO GMBH, 58511 LUEDENSCHEID, DE
Priority date: 1999-08-26
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2001-03-08

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zur Stromregelung und Spannungsbegrenzung von verschiedenen Lasten über einen Lastbereich vom Leerlauf bis zur Maximallast beschrieben. Das Wesentliche der Erfindung liegt darin, daß sie zu ihrer Durchführung einen Widerstand (R1), einen Optokoppler (OK1), eine Diodenflußstrecke (D3), ein spannungsbegrenzendes Bauteil (D2) sowie eine Regeleinheit, die einen steuerbaren Halbleiterschalter beinhaltet, aufweist (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Strom- und Spannungsregelung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, in Schaltnetzteilen eine Regelung zur Stabilisierung der Ausgangsspannung zu integrieren. Ebenso wird in den meisten Schaltnetzteilen der maximal auftretende Laststrom begrenzt um die angeschlossene Last und auch das Schaltnetzteil nicht zu überlasten. Dabei wird aber nur die Spannung im Lastkreis über einen Regelkreis konstant gehalten (siehe Fachbuch "Schaltnetzteile in der Praxis" Seite 231 ff ISBN 3-8023-0727-5 1. Auflage 1986 von Otmar Kilgenstein erschienen im Vogel Verlag). Der Strom wird im Primärkreis erfaßt und führt bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes zur Abschaltung der Halbleiterschalter im Primärkreis. Aufgrund schlechter Kopplung zwischen Primär- und Sekundärkreis kann es dabei zu unzulässig hohen Strömen im Lastkreis kommen. Schaltnetzteile mit Stromregelung gehören ebenfalls zum Stand der Technik. Diese auf dem Markt befindlichen Geräte besitzen eine feste Last z. B. Lichterketten, welcher ein festgelegter Strom eingeprägt wird. Eine exakte Erfassung der Spannung und des Stromes im Sekundärkreis war bislang nur mit einer aufwendigen Regelung über zwei separate Regelschleifen (eine zur Spannungs- und eine zur Stromregelung) möglich. Für wechselnde Lasten an einer Stromquelle benötigt man, im Gegensatz zur Spannungsstabilisierung und maximalen Strombegrenzung an einer Spannungsquelle, eine Stabilisierung des Laststromes und eine Begrenzung der an der Last entstehenden Spannung. Dabei soll die Regelung einen möglichst großen Lastbereich abdecken (Leerlauf bis Maximallast). Die Stromquelle soll mit mehreren in Reihe geschalteten Lasten betrieben werden, durch welche ein definierter Strom gespeist wird. Insbesondere in der Beleuchtungstechnik (Lichterketten) macht diese Anordnung von Lasten Sinn. Damit sich die durch den Stromfluß einstellenden Spannungen nicht zu gefährlichen hohen Berührungsspannungen addieren, muß im Sinne einschlägiger Sicherheitsnormen die an der Last entstehende Spannung auf ein Höchstmaß begrenzt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung mit einer optimalen Stromregelung und Spannungsbegrenzung im Sekundärkreis eines Transformators für einen Lastbereich vom Leerlauf bis zur Maximallast bereitzustellen, die dies mit minimalem schaltungstechnischen Aufwand realisiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine Stromquelle einen konstanten Laststrom bei wechselnden Lasten bereitstellt und statt zwei separater Regelkreise für die Regelung des Laststromes und der Lastspannung nur einen Regelkreis mit zwei Regelgrößen, nämlich der Stromregelung und der Spannungsbegrenzung im Lastkreis bei minimalem Bauteileaufwand realisiert. Trotz des geringen Aufwandes an Bauteilen ist eine sehr exakte Regelung möglich. Die Verluste im Regelkreis sind ebenfalls geringer als bei einer Regelung über zwei Regelkreise.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1: Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Stromregelung und Spannungsbegrenzung;

Fig. 2: Ein zweites Ausführungsbeispiel ohne galvanische Trennung des Ausgangs zur Stromregelung und Spannungsbegrenzung;

Fig. 3: Ein drittes Ausführungsbeispiel zur Stromregelung mit einstellbarem Sekundärstrom und Spannungsbegrenzung.

Fig. 1 zeigt die Schaltungsanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels zur Stromregelung und Spannungsbegrenzung. Die an den Eingangsklemmen anliegende Wechselspannung U_IN wird gleichgerichtet und geglättet. Bei der Eingangsspannung handelt es sich beispielsweise um die in Europa übliche Netzspannung 230 V/50 Hz. Gleichrichtung und Glättung können entfallen, wenn es sich bei der Eingangsspannung um eine Gleichspannung handelt. Die Regeleinheit taktet die Primärwicklung des Transformators TR1. Während der Leitendphase des Halbleiterschalters wird Energie in der Primärwicklung gespeichert. In der Sperrphase der Regeleinheit wird diese gespeicherte Energie über die Sekundärklemmen abgegeben. Dabei wird über die Diode D1 der Kondensator C2 aufgeladen. Ohne angeschlossene Last steigt die Spannung am Kondensator C2 auf die Zener-Spannung der Z-Diode D2 plus Flußspannung der Optokoppler-LED OK1 an. Sobald diese Spannung erreicht ist, steuert der Optokoppler OK1 durch und schließt den Steuereingang der Regeleinheit gegen Masse. Die Regeleinheit besteht aus einem Oszillator und einem Halbleiterschalter und ist auch als integrierte Schaltung erhältlich. Dadurch wird das Takten der Primärwicklung unterdrückt, bis die Spannung über dem Kondensator C2 unter die Zener-Spannung der Z-Diode D2 plus Flußspannung der Optokoppler-LED OK1 abgesunken ist und der Optokoppler OK1 somit den Steuereingang der Regeleinheit wieder freigibt. Die maximale Ausgangsspannung U_OUT wird dadurch auf die Zener-Spannung der Z-Diode D2 plus Flußspannung der Optokoppler- LED OK1 begrenzt. Bei einer angeschlossenen Last fließt der Laststrom durch den Widerstand R1. Sobald sich ein Spannungsabfall am Widerstand R1 von der Flußspannung der Schottky-Diode D3 plus Flußspannung der Optokoppler-LED OK1 einstellt, steuert der Optokoppler OK1 durch und schließt den Steuereingang der Regeleinheit gegen Masse. Dadurch wird ebenfalls das Takten der Primärwicklung unterdrückt, bis der Spannungsabfall am Widerstand R1 unter die Flußspannungen von Schottky-Diode D3 und Optokoppler-LED OK1 abgesunken ist und der Optokoppler OK1 den Steuereingang der Regeleinheit wieder freigibt. Der Spannungsabfall über dem Widerstand R1 und somit auch der Laststrom wird dadurch konstant gehalten.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in Form eines Abwärtswandlers zur Stromregelung und Spannungsbegrenzung. Die an den Eingangsklemmen anliegende Wechselspannung U_IN wird gleichgerichtet und geglättet. Die am Kondensator C1 anliegende Gleichspannung wird mittels Mosfet T1 von der Regeleinheit getaktet. Im Gegensatz zur Schaltung nach Fig. 1 wurde statt des Optokopplers OK1 ein Transistor T2 als Rückkoppelstrecke eingesetzt. Die Regelung des Laststromes und die Spannungsbegrenzung funktioniert wie unter Fig. 1 beschrieben.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung zur Stromregelung und Spannungsbegrenzung. Die an den Eingangsklemmen anliegende Wechselspannung U_IN wird gleichgerichtet und geglättet. Die Regeleinheit taktet die Primärwicklung des Transformators TR1. Während der Leitendphase des Halbleiterschalters der Regeleinheit wird Energie in der Primärwicklung gespeichert. In der Sperrphase der Regeleinheit wird diese gespeicherte Energie über die Sekundärklemmen von TR1 abgegeben. Dabei wird über die Diode D1 der Kondensator C2 aufgeladen. Ohne angeschlossene Last steigt die Spannung am Kondensator C2 auf die Zener-Spannung der Z- Diode D2 plus Basis-Emitterspannung des Transistors T2. Sobald diese Spannung erreicht ist, fließt durch die Z-Diode D2 und der Basis-Emitter Strecke des Transistors T2 ein Strom. Der Transistor T2 schließt so die Primärwicklung des Wandlers TR2 an die Sekundärspannung des Kondensators C2. Der sich einstellende Stromfluß in der Primärwicklung des Wandlers TR2 induziert in der Sekundärwicklung des Wandlers TR2 eine Spannung welche den Transistor T1 durchsteuert. Dieser schließt den Steuereingang der Regeleinheit gegen Masse. Die Regeleinheit besteht aus einem Oszillator und einem Halbleiterschalter und ist auch als integrierte Schaltung erhältlich. Dadurch wird das Takten der Primärwicklung unterdrückt, bis der Transistor T1 den Steuereingang der Regeleinheit wieder freigibt. Die maximale Ausgangsspannung U_OUT wird dadurch auf die Zener-Spannung der Z-Diode D2 begrenzt. Bei einer angeschlossenen Last fließt der Laststrom durch das Potentiometer R1. Sobald sich ein Spannungsabfall an R1 von der Flußspannung der Schottky-Diode D3 plus Z- Diodenspannung D4 plus Basis-Emitterspannung von T2 einstellt, fließt durch die Basis- Emitter-Strecke von T2 ein Strom. Der Transistor T2 schließt so die Primärwicklung des Wandlers TR2 an die Sekundärspannung des Kondensators C2. Der sich einstellende Stromfluß in der Primärwicklung des Wandlers TR2 induziert in der Sekundärwicklung des Wandlers TR2 eine Spannung. Beim erreichen der Basis-Emitterspannung des Transistors T1 auf der Sekundärseite des Wandlers TR2 schaltet der Transistor T1 durch und schließt den Steuereingang der Regeleinheit gegen Masse. Dadurch wird ebenfalls das Takten der Primärwicklung von TR1 unterdrückt, bis der Transistor T1 den Steuereingang der Regeleinheit wieder freigibt. Der Spannungsabfall über dem Potentiometer R1 und somit auch der Laststrom wird dadurch konstant gehalten.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Stromregelung und Spannungsbegrenzung von verschiedenen Lasten über einen Lastbereich vom Leerlauf bis zur Maximallast, dadurch gekennzeichnet, daß sie zu ihrer Durchführung einen Widerstand (R1), einen Optokoppler (OK1), eine Diodenflußstrecke (D3), ein spannungsbegrenzendes Bauteil (D2) sowie eine Regeleinheit, die einen steuerbaren Halbleiterschalter beinhaltet, aufweist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herabsetzung der Flußspannung für die Diode (D3) eine Schottky-Diode eingesetzt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des geregelten Laststromes zwischen der Diode des Optokopplers (OK1) und der Diodenstrecke (D3) eine spannungsbegrenzende Z-Diode (D4) angeordnet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer unerwünschten galvanischen Trennung zwischen Primär- und Sekundärseite anstelle des Optokopplers (OK1) ein Transistor (T2) angeordnet ist (Fig. 2).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines Optokopplers (OK1) zwei Transistoren (T1, T2) und ein Wandler (TR2) angeordnet ist (Fig. 3).

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung eines zu regelnden Sekundärstroms anstelle eines Widerstands (R1) Fig. 1 ein Potentiometer (R1) Fig. 3 angeordnet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit ein integrierter Baustein (IC) ist.