DE3804074A1 - Aktives filter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein aktives Filter insbesondere für ein einen kapazitiven Eingang aufweisenden Leistungswandler wie Netzgerät, Wechselrichter oder Gleichspannungswandler, der seinerseits über ein Spannungs- und Strombegrenzungselement wie Widerstand und Zenerdiode mit einer Energiequelle verbunden ist.

Bei z.B. einem Netzgerät bestimmt ein temperaturabhängiger Ladestrombegrenzungswiderstand den Aufschaltstrom und ein Varistor die maximale Spannungsamplitude. Durch die Strombe­ grenzung beim Einschalten werden Gleichrichterbausteine bzw. Schalter und Sicherungen auf der Seite der Energiequelle geschützt. Es ist daher möglich, Gleichrichterbausteine, Schalter, Sicherungen etc. zu verwenden, deren Nennströme auf die vom Netzgerät zu liefernden Ausgangsnennströme und nicht auf die relativ hohen Ladeströme beim Aufschalten abgestimmt sind. Durch das Spannungsbegrenzungselement werden die Eingangs­ schaltung der Leistungswandler auf verträgliche Werte begrenzt. Angestrebt wird ein geringer Ladestrom. Damit der Wirkungsgrad des Netzgerätes möglichst hoch wird, darf andererseits die bei Nennbetrieb im Ladestrombegrenzungswiderstand umgesetzte Verlustleistung nicht sehr hoch werden. Gleichzeitig reflektiert das Spannungsbegrenzungselement hohe Begrenzungsströme als Antwort auf Transienten, die von der Energiequelle kommen.

Um die beiden Forderungen nach einem geringen Aufschaltstrom und einer möglichst geringen Verlustleistung im eingeschalteten Betrieb des Leistungswandlers -wie Netzgerät- zu erfüllen, können als Ladestrombegrenzungswiderstände temperaturabhängige Widerstände eingesetzt werden, die in aufgeheiztem Zustand einen geringeren Widerstand haben. Hierdurch wird die Verlustleistung der Eingangsstufe reduziert. Es treten jedoch im Netzgerät hohe Temperaturen auf, die vielfach störend sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aktives Filter für insbesondere Leistungswandler derart zur Verfügung zu stellen, daß die Ladeströme beim Aufschalten auf kapazitive Lasten der Leistungswandler auch bei über der Versorgungsnennspannung liegender Eingangsspannung auf einstellbare Werte begrenzt werden, ohne daß für einen möglichst geringen Einfluß der Ladestrombegrenzung auf den Wirkungsgrad des Leistungswand­ lers Bauteile mit relativ hohen Temperaturen im Betrieb des Leistungswandlers eingesetzt werden müssen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Strombegrenzungselement ein Widerstand mit einem hohen Wert ist, daß parallel zu dem Strombegrenzungswiderstand ein einstellbarer Widerstand angeordnet ist, der Stellglied in einem Spannungs- und Stromregelkreis ist mit der Spannung an zumindest einem kapazitiven Element als Spannungsistwertregel­ größe und dem Strom an einem Shunt als Stromistwertregelgröße, und daß zu dem Spannungsregelkreis der Stromregelkreis parallel geschaltet oder unterlagert ist. Dabei kann der Stromregelkreis dem Spannungsregelkreis parallel geschaltet oder unterlagert werden. Diese Anordnung hat zahlreiche Vorteile. Der Ladestrom­ begrenzungswiderstand kann sehr hochohmig ausgebildet werden, so daß der Ladestrom beim Aufschalten der Energiequelle, also Betriebsspannung auf einen gewünschten kleinen Wert begrenzt werden kann. Solange die Spannung am jeweiligen kapazitiven Element wie Kondensator unterhalb des eingestellten Spannungs­ sollwerts liegt, bewirkt der -unterlagerte oder vorzugsweise parallel geschaltete- Stromregelkreis das Fließen eines dem Stromsollwert entsprechenden Stroms im einstellbaren Widerstand. Der Kondensator wird deshalb nicht nur mit dem über den Ladestrombegrenzungswiderstand fließenden Strom aufgeladen, wodurch die Aufladung beschleunigt wird. Durch die Abstimmung zwischen dem Ladestrombegrenzungswiderstand und dem Stromsollwert kann ein gewünschter Stromverlauf erreicht werden. Der Spannungssollwert kann vorzugsweise so hoch eingestellt werden, daß auch beim minimalen Wert des einstellbaren Widerstandes die maximale Nenneingangsspannung nicht ausreicht, damit am Kondensator der Spannungssollwert erreicht wird. Dann hat der einstellbare Widerstand bei der Nennein­ gangsspannung seinen geringsten Wert, wodurch die geringsten Stromwärmeverluste auftreten. Dies wirkt sich günstig auf den Wirkungsgrad des Leistungswandlers wie Netzgerät aus. Steigt die Eingangsspannung über die durch den Spannungssollwert vorgegebene Grenze an, dann verhindert der Regelkreis das Auftreten hoher unerwünschter Spannungen an den kapazitiven Elementen bzw. den nachgeschalteten Stromkreisen. Die Eingangsspannung kann daher z.B. die nach VDE bzw. VG-Richtlinien zulässigen Spitzenspannungen für die definierte Zeit annehmen, ohne daß an den dem Kondensator nachgeschal­ teten Stromkreisen, insbesondere den Halbleitern, unzulässig hohe Spannungen entstehen. Der einstellbare Widerstand begrenzt gleichzeitig zur Spannungsbegrenzung den über den Kondensator und die nachgeschalteten Stromkreise fließenden Strom, der beim Fehlen dieses aktiven Filters bei Transienten auftretenden differentiellen Stromfluß i=C×Δ U/ Δ t hervorruft.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Strombegrenzungs­ widerstand ein Ohm ′scher Widerstand und der einstellbare Widerstand ein Transistor. Der Widerstand des Transistors ist in einem großen Bereich veränderbar. In der Sättigung hat der Transistor einen geringen Widerstand. Da der Transistor bei innerhalb der zulässigen Toleranzen liegender Eingangsspannung und Eingangsstrom in der Sättigung arbeitet, sind die Stromwärmeverluste im eingeschalteten Zustand des Leistungs­ wandlers gering.

Der Wert des Ladestrombegrenzungswiderstands entspricht vorzugsweise dem Quotienten aus maximal zulässiger statischer Nenneingangsspannung und dem bei dieser Nenneingangsspannung fließenden Leerlaufstroms zum Leistungswandler.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist mit der kapazitiven Last ein Schaltregler für die Erzeugung einer geregelten Gleich­ spannung verbunden, der einen Transformator enthält, der mit einer Hilfswicklung zur Erzeugung der Betriebsspannung für die Regelverstärker im Regelkreis des aktiven Filters versehen ist. Der Schaltregler, der einen üblichen Aufbau haben kann, tritt erst bei einer gewissen Mindestspannung an der kapazitiven Last in Funktion. Dies bedeutet, daß aktive Filter bzw. dessen Regelkreis erst beim Arbeiten des Schaltreglers mit Betriebs­ spannung versorgt werden. In der ersten Zeit unmittelbar nach dem Anlegen der Nenneingangsspannung wie z.B. einer Netzwechselspannung bzw. Batteriespannung, bestimmt daher der Ladestrombegrenzungswiderstand den Aufladestrom des kapazitiven Elements wie Kondensator alleine. Erst wenn die Regelverstärker ihre Betriebsspannung erhalten haben, tritt der einstellbare Widerstand, d.h. der Transistor in Funktion.

In einer weiteren besonders hervorzuhebenden Ausführungsform kann das aktive Filter insbesondere bei autarkem Betrieb durch eine eigene Spannungsversorgung, die ihrerseits aus der Nenneingangsspannung gewonnen wird, versorgt werden. Bei autarkem Betrieb kann der Strombegrenzungswiderstand entfallen und mittels z.B. eines ferngesteuerten Ausschaltsignals kann das aktive Filter inaktiv geschaltet werden, um Leerlaufströme aus der Energiequelle bei dennoch bestehender Betriebsbereitschaft zu unterbinden.

Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß die Spannungsistwertregelgröße (Stromistwertgröße) und ein Spannungssollwertgeber (Stromsollwertgeber) an Vergleichs­ einrichtungen angeschlossen sind, denen Regelverstärker nachgeschaltet sind, deren Ausgänge die Steuerelektrode des Transistors speisen. Der Spannungsistwert wird an dem kapazitiven Element und der Stromistwert am Shunt gemessen.

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 in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Die Erfindung wird an Hand eines Leistungswandlers in Form eines Netzgerätes beschrieben, ohne daß hierdurch eine Einschränkung erfolgen soll.

Ein Netzgerät zur Erzeugung einer Gleichspannung enthält einen Gleichrichter (1), z.B. einen Doppelweggleichrichter, der mit seinen Wechselspannungseingängen (2), (3) von der Netzwechsel­ spannung gespeist wird. Der Gleichrichter (1) ist mit den Gleichspannungsausgängen (4), (5) jeweils an einen Ladestrom­ begrenzungswiderstand (6) und an die Drain-Elektrode eines Feldeffekttransistors (7) angeschlossen, der mit seiner Drain-Source-Strecke in Reihe zu einem kapazitiven Element (10) gelegt ist, das mit dem Gleichspannungsausgang (5) des Gleichrichters (1) verbunden ist. Parallel zu dem kapazitiven Element (10) ist eine Schaltstufe bestehend aus dem als Feldeffekttransistor ausgebildeten Schalttransistor (7) und dem Transformator (9) geschaltet, wobei das kapazitive Element (10) insbesondere zur Glättung und Energiespeicherung der gleichge­ richteten Netzwechselspannung verwendet wird. An die Sekundär­ wicklung (11) des Transformators (9) ist ein weiterer, nicht näher dargestellter Gleichrichter nebst Glättungseinrichtungen angeschlossen, der eine Last speist. Die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors (7) ist mit einer Steuer- und Regelschaltung (12) verbunden, die den Feldeffekttransistor (7) impulsdauer­ moduliert betätigt, um am Ausgang des Netzgerätes eine geregelte Gleichspannung zu erzeugen. Die Steuer- und Regelschaltung (12) bildet mit dem Transformator (9), dem Gleichrichter auf der Sekundärseite des Transformators (9) sowie mit den Glättungs­ mitteln und einem Spannungsistwertgeber einen Schaltregler.

Parallel zum Ladestrombegrenzungswiderstand (6) ist als einstellbarer Widerstand ein Transistor (13), vorzugsweise ein Feldeffekttransistor, in Reihe mit einem Stromfühler (einem Shunt) (14) angeordnet. Die Steuerelektrode des Transistors (13) ist mit dem Ausgang eines Regelverstärkers (15) verbunden, dessen Eingang an eine Vergleichseinrichtung (16) angeschlossen ist, die mit dem Stromfühler (14) und über einen Widerstand (17) mit dem Ausgang eines anderen Regelverstärkers (18) verbunden ist.

Weiterhin ist an die Vergleichseinrichtung (16) eine Spannungs­ begrenzungseinrichtung (19), z.B. Zener-Diode (19) ange­ schlossen. Der Regelverstärker (18) ist an seinem Eingang mit einer Vergleichseinrichtung (26) verbunden, an die ein Spannungssollwertgeber (20), z.B. eine Zener-Diode, und über einen Widerstand (21) die eine Elektrode (Bezugspunkt (32)) des kapazitiven Elements (10) angeschlossen ist.

Der Transformator (9) enthält eine Hilfswicklung (22), die in Reihe mit einer Diode (23) angeordnet ist, die einen Kondensator (24) speist, an dem die Betriebsspannung für die Regelverstärker (15), (18) abgegriffen wird. Der Kondensator (24) ist parallel zur Reihenschaltung der Hilfswicklung (22) und der Diode (23) angeordnet, und steht mit einer Elektrode mit dem Shunt (14) (Bezugszeichen (30)) und dem kapazitiven Element (10) (Bezugszeichen 31)) in Verbindung (Potential in dem Punkten (30) und (31) ist gleich).

Der Ladestrombegrenzungswiderstand (6) ist hochohmig ausgebildet. Er begrenzt den Einschalt- bzw. Aufschaltstrom der beim Anlegen der ihren maximal zulässigen Überspannungswert aufweisenden Netzwechselspannung. Er steht auf einem Wert, der so groß wie der im Leerlauf des Netzgerätes in den Kondensator fließenden Stromes ist. Durch die Aufladung des kapazitiven Elements (10) baut sich eine Spannung auf, die eine Grenze erreicht, ab der die Steuer- und Regelschaltung (12) jeweils in Funktion tritt, wobei der Schaltregler mittels des Feldeffekt­ transistors (7) zu arbeiten beginnt. Hierdurch werden auch die Regelverstärker (15), (18) über die Hilfswicklung (22), die Diode (23) und der Kondensator (24) mit Betriebsspannung versorgt.

Der Sollwert der Spannung an der Vergleichseinrichtung (26) entspricht der maximalen Nenneingangsspannung. Wenn der Regelverstärker (18) Betriebsspannung erhält, tritt an der Vergleichseinrichtung (26) daher eine hohe Regelabweichung auf, durch die der Regelverstärker (18) eine hohe Ausgangsgleich­ spannung erzeugt, die beispielsweise mittels des Widerstandes (17) und der Zenerdiode (19) so eingestellt wird, daß sie als Führungsgröße einem zulässigen Stromwert entspricht. Diese dem maximal zulässigen Stromwert entsprechende Spannung bewirkt über die Vergleichseinrichtung (16) und den Regelverstärker (15), daß der Transistor (13) aufgesteuert wird und den maximal zulässigen Stromsollwert in das kapazitive Element (10) und die nachgeschalteten Stromkreise geregelt einspeist. Dabei hat der Transistor (13) einen dem Stromsollwert entsprechenden Widerstand. Über den hochohmigen Ladestrombegrenzungswider­ stand (6) fließt bei arbeitendem Transistor (13) ein vernach­ lässigbar kleiner Strom.

Der Widerstand (21), der Spannungssollwertgeber (20), die Vergleichseinrichtung (28), der Regelverstärker (18), der Widerstand (17), die Zener-Diode (19), die Vergleichseinrichtung (16) und der Regelverstärker (15) sind Bestandteile des zuvor beschriebenen Regelkreises, der als Stellglied den Transistor (13) enthält und als Regelgröße die am Kondensator (10) abfallende Spannung bzw. den über den Shunt (14) fließenden Strom beeinflußt. Dieser Regelkreis (Bezugszeichen (28)) enthält einen Stromregelkreis (33) mit dem Transistor (13) als Stellglied, dem Stromfühler (14) als Stromistwertgeber, dem Regelverstärker (15) und der Vergleichseinrichtung (16) sowie einen Spannungs­ regelkreis (34) mit dem Spannungsfühler (21) als Spannungsist­ wertgeber, dem Regelverstärker (18) und der Vergleichseinrich­ tung (26). Der Strom- und Spannungsregelkreis (33) bzw. (34) können mit ihrem jeweiligen Ausgang auch direkt (parallel) auf das Stellglied (13) einwirken und nicht wie dargestellt.

Bei einer dynamischen Eingangsspannungserhöhung würde der in das kapazitive Element (10) und die nachgeschalteten Stromkreise fließende Strom ohne den Stromregelkreis (33) unbegrenzt ansteigen. lnfolge des Stromregelkreises (33) erhält jedoch der Transistor (13) bei ansteigender Eingangsspannung weniger Steuerstrom, wodurch sein Widerstand erhöht wird, d.h. der Stromsollwert bleibt erhalten, da der Spannungsistwert niedriger als der Spannungssollwert bleibt. Das heißt, daß der Spannungs­ regelkreis (34) nicht aktiv wird.

Bei noch weiter, noch über den eingestellten Spannungssollwert steigender Spannung am Eingang wird die am kapazitiven Element (10) abfallende Spannung geregelt, d.h. die nachge­ schalteten Stromkreise erhalten keine in gleicher Weise über die Eingangsspannung ansteigende Gleichspannung. Der Spannungs­ regelkreis (34) begrenzt die Spannung am kapazitiven Element (10) daher auf einen systemverträglichen Wert. Hohe Eingangs­ spannungen bewirken deshalb Spannungsabfälle am Strombegren­ zungswiderstand (6) und an dem diesem parallel geschalteten einstellbaren Widerstand (13). Daher kann das Netzgerät auch bei dynamischer Überspannung eine geregelte Ausgangsspannung durch gesicherte Funktionalität erzeugen.

Parallel zum kapazitiven Element (10) ist zweckmäßigerweise eine Spannungsbegrenzungsschaltung (27) angeordnet, deren Ansprechschwelle höher als der an der Vergleichseinrichtung (26) anstehende Spannungssollwert (20) ist. Diese Spannungsbe­ grenzungsschaltung (27) kann bei sehr hohen Eingangs­ spannungen und dem daraus resultierenden Strom über den Widerstand (6) bei statisch anliegender zu hoher Eingangs­ spannung und speziell im Leerlauf des Gerätes das kapazitive Element schützen. Es ist günstig, wenn der Wert des Ladestrombegrenzungswiderstandes dem Quotienten aus der Differenz der maximal zulässigen statischen Überspannung und dem Spannungssollwert am kapazitiven Element (10) und dem Leerlaufstrom des Leistungswandlers entspricht.

Claims (10)

1. Aktives Filter insbesondere für einen einen kapazitiven Eingang aufweisenden Leistungswandler wie Netzgerät, Wechselrichter oder Gleichspannungswandler, der seinerseits über ein Spannungs- und Strombegrenzungselement wie Widerstand oder Zenerdiode mit einer Energiequelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Strombegrenzungselement ein Widerstand (6) mit einem hohen Wert ist, daß parallel zum Strombegrenzungs­ widerstand (6) ein einstellbarer Widerstand angeordnet ist, der Stellglied in einem Spannungs- und Stromregelkreis (33, 34; 28) ist mit der Spannung an zumindest einem kapazitiven Element (10) als Spannungsistwertregelgröße und dem Strom an einem Shunt (14) als Stromistwertregelgröße, und daß dem Spannungsregelkreis (34) der Stromregelkreis (33) parallel geschaltet oder unterlagert ist.

2. Aktives Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare Widerstand ein Transistor (13) ist.

3. Aktives Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten der Nenneingangsspannung über den Sollwert (20) der Istwert (21) auf den Sollwert (20) begrenzt ist.

4. Aktives Filter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Ladestrombegrenzungswiderstands (6) vorzugsweise dem Quotienten aus maximal zulässiger statischer Nenneingangsspannung und dem bei dieser Nenneingangsspannung fließenden Leerlaufstrom zum Leistungswandler entspricht.

5. Aktives Filter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem kapazitivem Element wie Kondensator (10) ein Schaltregler für die Erzeugung einer geregelten Gleich­ spannung verbunden ist, der einen Transformator (9) enthält, der mit einer Hilfswicklung (22) zur Erzeugung der Betriebsspannung für die Strom- und Spannungsregelkreise (33, 34) im Regelkreis (28) versehen ist.

6. Aktives Filter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das kapazitive Element (10) und ein Spannungssollwert­ geber (20) an eine Vergleichseinrichtung (26) angeschlossen sind, der ein Regelverstärker (18) nachgeschaltet ist, an den eine zusätzliche mit einem Stromistwertgeber verbundene Vergleichseinrichtung (16) angeschlossen ist, der ein weiterer Regelverstärker (15) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang die Steuerelektrode des Transistors (13) speist, der in Reihe mit einem Stromfühler (14) angeordnet ist, an dem der Stromist­ wert verfügbar ist.

7. Aktives Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die über den Regelverstärker (18) verstärkte Differenz zwischen Spannungssollwert (20) und Spannungsistwert (21) direkt auf das Stellglied (13) aufschaltbar ist.

8. Aktives Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter autark durch eine Spannungsversorgung betreibbar ist, die aus der Nenneingangsspannung gewonnen wird.

9. Aktives Filter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei autarkem Betrieb der Strombegrenzungswiderstand (6) entfällt.

10. Aktives Filter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter mittels eines vorzugsweise ferngesteuerten Schaltsignals inaktiv schaltbar ist.