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EP0530679B1 - Längsregler zur Speisung eines gleichspannungsversorgten Verbrauchers sowie Anwendung - Google Patents

Längsregler zur Speisung eines gleichspannungsversorgten Verbrauchers sowie Anwendung Download PDF

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EP0530679B1
EP0530679B1 EP92114622A EP92114622A EP0530679B1 EP 0530679 B1 EP0530679 B1 EP 0530679B1 EP 92114622 A EP92114622 A EP 92114622A EP 92114622 A EP92114622 A EP 92114622A EP 0530679 B1 EP0530679 B1 EP 0530679B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
series
sensor
series regulator
voltage divider
regulator according
Prior art date
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EP92114622A
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English (en)
French (fr)
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EP0530679A2 (de
EP0530679A3 (en
Inventor
Henning Dipl.-Ing. Scholdei
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bosch Telecom GmbH
Original Assignee
ANT Nachrichtentechnik GmbH
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Publication date
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Publication of EP0530679A2 publication Critical patent/EP0530679A2/de
Publication of EP0530679A3 publication Critical patent/EP0530679A3/de
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/563—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices including two stages of regulation at least one of which is output level responsive, e.g. coarse and fine regulation
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor

Definitions

  • the invention relates to a series regulator for feeding a DC-powered consumer with means for suppressing the AC component on the supply voltage.
  • DE 38 34 880 C2 discloses a control device for suppressing interference signals in the case of a consumer supplied with DC voltage via an actuator. Two control loops are provided there. The total signal consisting of the useful signal and interfering alternating components is compared with a reference signal by means of a first operational amplifier in order to prepare an actuating signal for the actuator. The interference signal is detected by a capacitive sensor and placed in phase opposition at the connection point between the output of the actuator and a resistor leading to the consumer.
  • the output voltage is detected via an ohmic voltage divider and fed to an error amplifier, which generates an actuating signal for the actuator from the error deviation.
  • the AC component of the output voltage is detected by a capacitor and this is also fed to the error amplifier.
  • This series regulator has a separate output smoothing capacitor and is also only suitable for operation with low voltages or potential differences.
  • the object of the invention is to provide a series regulator with which high interference suppression is possible. This object is achieved by the measures of claim 1. Claim 9 shows an advantageous application. The further claims relate to advantageous developments of the series regulator.
  • the invention only requires a control loop. Instability problems, which occur with several coupled control loops, do not exist in the implementation according to the invention.
  • the invention like the arrangement according to DE 38 34 880 C2, permits the regulation of interference signal components which flow past the actuator or the series regulator via parasitic capacitances to ground.
  • FIG. 1 shows a series regulator with an actuator in the form of the field effect transistor V1 for supplying a consumer V from a DC voltage supply source Q.
  • a separate interference voltage source S is shown for a superimposed Störcicspunng, z. B. the AC ripple US of an upstream switching regulator.
  • the connection point of the two voltage sources Q and S is connected to ground via a parasitic capacitance Cp.
  • a current feedback resistor R1 is provided in series with the actuator V1, the connection of which faces away from the actuator leads to the grounded output terminal 1.
  • the first sensor consists of an ohmic voltage divider with resistors R2, R3.
  • An error amplifier N1 is connected with its non-inverting input to the divider tap of the voltage divider R2, R3.
  • a reference voltage Uref is applied to the inverting input.
  • the actuator V1 works together with the error amplifier N1 and the voltage divider R2, R3 as a conventional series regulator. AC ripples can be suppressed only insufficiently or not at all with this conventional series regulator.
  • the second sensor is provided, consisting of the capacitive voltage divider C1, C2 and the capacitor C3, which is connected between the divider tap of the capacitive voltage divider C1, C2 and the non-inverting input of the error amplifier N1.
  • the error amplifier N1 is operated with an almost open gain.
  • the error amplifier N1 thus only evaluates a small fraction of the output voltage detected by the first sensor.
  • the proportion of the second sensor therefore acts by a factor of 100 more on the error amplifier N1 than the proportion of the first sensor.
  • the capacitive voltage divider C1, C2 must not deliver a DC component. Only the voltage divider R1, R2 is responsible for the DC component. However, when the high voltage source is switched on, the capacitor C1 is charged. The discharge of the capacitor C1 takes a relatively long time.
  • the capacitance of the capacitor C3 is selected to be much smaller than the smallest of the capacitors C1, C2, as a result of which the DC component is quickly masked out. This ensures that the series regulator regulates correctly from the start. In contrast to the implementation according to DE 38 34 880 C2, the small capacitance of the capacitor C3 means that no large capacitive current is necessary.
  • the use of the field effect transistor V1 as an actuator in relation to the bipolar transistor according to DE 38 34 880 C2 enables more accurate current detection, since inaccuracies due to flowing base currents are eliminated.
  • the capacitance of the capacitor C3 is preferably chosen to be approximately one power of ten smaller than the smallest of the capacitances of the capacitive voltage divider.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Längsregler zur Speisung eines gleichspannungsversorgten Verbrauchers mit Mittel zur Unterdrückung des Wechselanteils auf der Versorgungsspannung.
  • Aus der DE 38 34 880 C2 ist eine Regeleinrichtung zum Unterdrücken von Störsignalen bei einem über ein Stellglied gleichspannungsversorgten Verbraucher bekannt. Dort sind zwei Regelschleifen vorgesehen. Das Gesamtsignal bestehend aus Nutzsignal und störenden Wechselanteilen wird mittels eines ersten Operationsverstärkers mit einem Referenzsignal verglichen zur Aufbereitung eines Stellsignals für das Stellglied. Über einen kapazitiven Sensor wird das Störsignal erfaßt und gegenphasig an den Verbindungspunkt zwischen Ausgang des Stellgliedes und einem zum Verbraucher führenden Widerstand gelegt.
  • Bei einem Längsregler gemäß US 33 71 269 wird die Ausgangsspannung über einen ohmschen Spannungsteiler erfasst und einem Fehlerverstärker zugeführt, der aus der Fehlerabweichung ein Stellsignal für das Stellglied erzeugt. Über einen Kondensator wird der Wechselanteil der Ausgangsspannung erfasst und dieser ebenfalls dem Fehlerverstärker zugeleitet. Dieser Längsregler weist einen separaten Ausgangsglättungskondensator auf und ist außerdem nur für den Betrieb mit niedrigen Spannungen, bzw. Potentialdifferenzen geeignet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es einen Längsregler anzugeben mit dem eine hohe Störspannungsunterdrückung möglich ist. Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen des Anspruches 1 gelöst. Der Anspruch 9 zeigt eine vorteilhafte Anwendung auf. Die weiteren Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen des Längsreglers.
  • Die Erfindung benötigt nur eine Regelschleife. Instabilitätsprobleme, die bei mehreren gekoppelten Regelkreisen auftreten, sind bei der Realisierung gemäß der Erfindung nicht gegeben. Die Erfindung gestattet ebenso wie die Anordnung gemäß DE 38 34 880 C2 die Ausregelung von Störsignalanteilen, die am Stellglied bzw. dem Längsregler vorbei über parasitäre Kapazitäten nach Masse abfließen.
  • Gegenüber der US 3,371,269 wo nur ein Kondensator für die Erfassung des Wechselanteils der Längsregler-Ausgangs-Spannung vorgesehen ist kann dieser Kondensator nicht zur Glättung der Längsregler-Ausgangsspannung beitragen. Der Längsreglez- gemäß US 3,371,269 ist nicht zur Anwendung für Hochspannungen geeignet.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
    • Figur 1 ein Prinzipschaltbild eines Längsreglers nach der Erfindung,
    • Figur 2 ein Schaltbild eines über einen Hochspannungstransformator betriebenen Längsreglers.
  • In Figur 1 ist ein Längsregler mit einem Stellglied in Form des Feldeffektransistors V1 zur Speisung eines Verbrauchers V von einer Gleichspannungsversorgungsquelle Q aus dargestellt. Für eine überlagerte Störwechselspunng, z. B. den Wechselspannungsripple US eines vorgeschalteten Schaltreglers, ist eine eigene Störspannungsquelle S dargestellt. Der Verbindungspunkt der beiden Spannungsquellen Q und S ist über eine parasitäre Kapazität Cp mit Masse verbunden. In Serie zum Stellglied V1 ist ein Stromgegenkopplungswiderstand R1 vorgesehen, dessen stellgliedabgewandter Anschluß zur geerdeten Ausgangsklemme 1 führt.
  • Über den Ausgangsklemmen 1 und 2 liegen zwei Sensoren für die Ausgangsspannung. Der erste Sensor besteht aus einem ohmschen Spannungsteiler mit den Widerständen R2, R3. Ein Fehlerverstärker N1 ist bezüglich seines nichtinvertierenden Eingangs mit dem Teilerabgriff des Spannungsteilers R2, R3 verbunden. Der invertierende Eingang ist mit einer Referenzspannung Uref beaufschlagt. Das Stellglied V1 wirkt zusammen mit dem Fehlerverstärker N1 und dem Spannungsteiler R2, R3 als herkömmlicher Längsregler. Wechselspannungsripple können mit diesem herkömmlichen Längsregler jedoch nur unzureichend oder überhaupt nicht unterdrückt werden. Zur Erfassung des Wechselspannungsripples am Verbraucher V ist der zweite Sensor vorgesehen, bestehend aus dem kapazitiven Spannungsteiler C1, C2 und dem Kondensator C3, der zwischen den Teilerabgriff des kapazitiven Spannungsteiler C1, C2 und den nichtinvertierenden Eingang des Fehlerverstärkers N1 geschaltet ist. Der Fehlerverstärker N1 wird mit nahezu offener Verstärkung betrieben. Das Teilerverhältnis des Spannungsteilers wird vorzugsweise folgendermaßen gewählt: R2 : R3 = 1 : 1000. Somit wertet der Fehlerverstärker N1 nur einen geringen Bruchteil der mit dem ersten Sensor erfaßten Ausgangsspannung aus. Das Teilerverhältnis für den kapazitiven Spannungsteiler wird vorzugsweise zu C1 : C2 = 10 : 1 gewählt. Der Anteil des zweiten Sensors wirkt dadurch um den Faktor 100 stärker auf den Fehlerverstärker N1 ein als der Anteil des ersten Sensors. Während der Verstärkungsfaktor für Gleichspannungssignale etwa bei 1 liegt, wird der Wechselanteil um den Faktor 100 verstärkt. Der kapazitive Spannungsteiler C1, C2 darf keinen Gleichanteil liefern. Für den Gleichanteil ist nur der Spannungsteiler R1, R2 zuständig. Beim Einschalten der Hochspannungsquelle wird der Kondensator C1 aber aufgeladen. Die Entladung des Kondensators C1 dauert relativ lange. Die Kapazität des Kondensators C3 wird sehr viel kleiner als der kleinste der Kondensatoren C1, C2 gewählt, wodurch der Gleichanteil schnell ausgeblendet wird. Damit wird erreicht, daß der Längsregler von Anfang an richtig regelt. Durch die geringe Kapazität des Kondensators C3 ist im Gegensatz zur Realisierung gemäß DE 38 34 880 C2 kein großer kapazitiver Strom notwendig. Der Einsatz des Feldeffekttransistors V1 als Stellglied gegenüber dem Bipolartransistor gemäß DE 38 34 880 C2 ermöglicht eine genauere Stromerfassung, da Ungenauigkeiten durch fließende Basisströme entfallen.
  • Vorzugsweise wird die Kapazität des Kondensators C3 etwa um eine Zehnerpotenz kleiner gewählt als die kleinste der Kapazitäten des kapazitiven Spannungsteilers. Vorzugsweise werden unter Beachtung vorstehend genannter Voraussetzungen die Bauelemente der Sensoren wie folgt gewählt: C1 = 100 nF, C2 = 10 nF, C3 = 1 nF und R2 = 100 kOhm; R3 = 100 MOhm.
  • Figur 2 zeigt eine Anwendung des Längsreglers nach der Erfindung als Helixregler einer Wanderfeldröhre, der über einen Hochspannungstransformator Tr mit Vervielfacherstufen betrieben wird. Der Potentialunterschied am Verbraucher reicht hier von Uh = 0V (Helixspannung) bis Uk = - 6000 V (Kathodenspannung). Zusätzlich bzw. in Abwandlung zur Beschaltung gemäß Figur 1 sind noch folgende Bauelemente vorgesehen:
    • ein Kondensator C4 zur Aufhebung der Wechselspannungsgegenkopplung durch den Widerstand R1;
    • eine Schutzbeschaltung durch zwei Zenerdioden ZD1 und ZD2parallel zum Längsregler, die für eine Spannungsbegrenzung am Längsreglerstellglied auf maximal 400 V sorgt;
    • jeweils einen ohmschen Widerstand R4, R5 in Serie zu den Kondensatoren C1, C2 des kapazitiven Spannungsteilers unter Beibehaltung des Teilerverhältnisses, z.B. R4 = 5,6 Ohm, R5 = 56 Ohm. Der Widerstand R5 begrenzt den Strom durch den Kondensator C2 im Fehlerfall auf etwa 100 A;
    • eine Beschaltung des Kondensators C1 bzw. auch des Widerstandes R4 durch antiparallel liegende Dioden D1, D2; diese Dioden verhindern ein unnötiges Hochladen des Kondensators C1 beim Einschalten;
    • einer Beschaltung des Fehlerverstärkers N1 in der Weise, daß das Potential am nichtinvertierenden Eingang 0V beträgt, realisiert durch Anbindung des invertierenden Eingang über einen Widerstand R6 an ausgangsseitiges Massepotential und Einkoppeln der Referenzspannung Uref in Serie zum Widerstand R2 über eine mit einer Hilfsspannung UH, die durch eine Referenzdiode ZS3 stabilisiert wird, wobei gegebenenfalls parallel zur Referenzdiode ZD3 ein Kondensator geschaltet werden kann.

Claims (9)

  1. Längsregler zur Speisung eines gleichspannungsversorgten Verbrauchers mit Mitteln zur Unterdrückung des Wechselanteils auf der Versorgungsspannung bestehend aus folgenden Baugruppen:
    - einem Fehlerverstärker (N1) zur Steuerung des Längsregler-Stellgliedes (V1),
    - einem ersten Sensor (R2, R3) über welchen einem Vergleichseingang des Fehlerverstärkers (N1) ein Bruchteil der Längsregler-Ausgangsspannung (Uh) zuführbar ist,
    gekennzeichnet durch:
    - einen zweiten Sensor mit einem kapazitiven Spannungsteiler (C1, C2, C3) über welchen dem Vergleichseingang des Fehlerverstärkers (N1) ebenfalls ein Bruchteil nur vom Wechselanteil der Längsregler-Ausgangsspannung (Uh) zuführbar ist, wobei die beiden Sensoren so bemessen sind, daß der Anteil des zweiten Sensors (C1, C2, C3) in weitaus höherem Maße auf den Fehlerverstärker (N1) wirkt als der Anteil des ersten Sensors (R2, R3).
  2. Längsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Sensor (R2, R3) aus einem Spannungsteiler mit ohmschen Widerständen besteht mit einem Teilverhältnis von vorzugsweise 1 : 1000.
  3. Längsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor (C1, C2, C3) aus einem kapazitiven Spannungsteiler (C1, C2) und einem Kondensator (C3) zwischen Spannungsteilerabgriff und seinem Ausgang besteht.
  4. Längsregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilerverhältnis des kapazitiven Spannungsteiler (C1, C2) vorzugsweise 1 : 10 gewählt ist.
  5. Längsregler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators (C3) zwischen Spannungsteilerabgriff und Sensorausgang etwa um eine Zehnerpotenz kleiner gewählt ist als die kleinste der Kapazitäten des kapazitiven Spannungsteilers (C1, C2).
  6. Längsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Stromgegenkopplungswiderstand (R1) in Serie zum Längsregler-Stellglied (V1).
  7. Längsregler nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine wechselstrommäßige Überbrückung (C4) des Stromgegenkopplungswiderstandes (R1).
  8. Längsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Beschaltung des dem Stellglied (V1) am nächsten liegenden Teilpfad des zweiten Sensors (C1) mit antiparallel liegenden Dioden (D1, D2).
  9. Anwendung des Längsreglers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Helixregler eines Wanderfeldröhrenverstärkers.
EP92114622A 1991-09-04 1992-08-27 Längsregler zur Speisung eines gleichspannungsversorgten Verbrauchers sowie Anwendung Expired - Lifetime EP0530679B1 (de)

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EP0530679A2 EP0530679A2 (de) 1993-03-10
EP0530679A3 EP0530679A3 (en) 1993-07-14
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