DE102004044746A1 - Schaltungsanordnung zur Realisierung einer ohmschen Verbrauchercharakteristik für eine nichtlineare Last bei kleiner Betriebsspannung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Realisierung einer ohmschen Verbrauchercharakteristik für eine nichtlineare Last bei kleiner Betriebsspannng mit einem Transformator, einem Gleichrichter und Glättungselementen zur Bereitstellung einer Gleichspannung für die Last.
Es ist vorgesehen, dass zwischen Gleichrichter (GR) und Last ein Leistungsfaktor-Regler, bestehend aus einem Schalttransistor (T) und einem PFC-Regler (PFC), geschaltet ist und zur Erzeugung der Hilfsgleichspannung für den Betrieb des PFC-Reglers (PFC) wahlweise ein Gleichspannungswandler (DC-DC) oder eine Spannungsvervielfacherschaltung vorgesehen ist, dessen beziehungsweise deren Eingangsstrom über einen für den Betrieb des PFC-Reglers (PFC) erforderlichen Messwiderstand (R_m1) geleitet ist und/oder die Ausgangsspannung (U_a) nach Hochlauf der gesamten Schaltung auf den Eingang des PFC-Reglers (PFC) umschaltbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Realisierung einer ohmschen Verbrauchercharakteristik für eine nichtlineare Last bei kleiner Betriebsspannung mit einem Transformator, einem Gleichrichter und Glättungselementen zur Bereitstellung einer Gleichspannung für die Last.
• In signaltechnischen Anlagen der Eisenbahn oder auch in der Medizintechnik werden bevorzugt Kleinspannungen mit einer Eingangsspannung von zirka 4...12 V Wechselspannung zum Betrieb von Signalgebern und anderen Verbrauchern benutzt. Zur galvanischen Trennung des Verbrauchers vom Netz und zur Spannungsanpassung an die Betriebs-Kleinspannung wird typischerweise ein Transformator zwischen Netz und Verbraucher geschaltet. Die Gleichspannung wird mittels einer Gleichrichterschaltung und Glättungselementen wie Kondensatoren und/oder Induktivitäten gewonnen.
• Für signaltechnischen Anlagen können nur geringe Netzrückwirkungen zugelassen werden, was bisher kaum ein Problem bedeutete, da hierfür Glühlampen (Leistungsfaktor = 1) verwendet wurden. Glühlampen unterliegen jedoch einem hohen Verschleiß und müssen in kurzen, regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden, was eine hohe Personalbindung bedeutet. Seit mehreren Jahren gibt es deshalb Bestrebungen, in signaltechnischen Anlagen der Eisenbahn und ähnlichen Anlagen mit Betriebs-Kleinspannung Glühlampen durch Leuchtdioden-Signalgeber zu ersetzen. Leuchtdioden weisen allerdings eine stark nichtli neare Strom-Spannungs-Charakteristik auf, was zu großen Netzrückwirkungen führen würde, würde man keinerlei Maßnahmen zu deren Vermeidung ergreifen. Ohne solche Maßnahmen würden sofort Fehlmeldungen der Überwachungseinrichtungen eintreten. Die Netzrückwirkungen der Gesamtanordnung aus Signalgeber und entsprechendem Regler dürfen nicht über die von Glühlampen hinausgehen, um die Gesamtfunktion der Signalstromkreise nicht durch Störeinflüsse der Last in Verbindung mit großen Leitungslängen hinsichtlich einer Beeinflussung der Überwachungsstromkreise zu gefährden.
• Es werden auch Schaltungsanordnungen aus Leuchtdioden und relativ hochohmigen Vorwiderständen verwendet. Dem Vorteil des einfachen und des hohen Leistungsfaktors (nahe 1) steht der Nachteil gegenüber, dass der Wirkungsgrad sehr klein ist. Für Anwendungen, bei denen es auf die Bereitstellung einer hohen elektrischen Leistung ankommt, ist diese Lösung daher nicht anwendbar.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine proportional der Spannung entsprechende Stromaufnahme nichtlinearer Verbraucher aus dem speisenden Netz bei Spannungsversorgung mit einer Kleinspannung zu realisieren, so dass sich eine annähernd ohmsche Verbrauchercharakteristik und somit ein Leistungsfaktor von zirka Eins einstellt. Die Maßnahmen sollen so in das bestehende System von Signalanlagen eingepasst werden können, dass sie nur den Leuchtdioden-Signalgebern vorgeschaltet werden.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Danach wird eine übliche, als integrierte Schaltung erhältliche PFC-Controllerschaltung zur Leistungsfaktorregelung angewendet. Zur Erzeugung der Hilfsgleichspannung für den Betrieb des PFC-Reglers wird wahlweise ein Gleichspannungs-Wandler oder eine aus Kondensatoren und Dioden gebildete Spannungsvervielfacherschaltung verwendet.
• Da diese Schaltungen sowie ein eventuelles zusätzliches Netzteil für weitere Hilfsgleichspannungen die geforderte Widerstandscharakteristik des Gerätes beeinflussen, wird der Eingangsstrom dieser Komponenten nach einer bevorzugten Variante über den für die PFC-Regelung erforderlichen Shunt geleitet. Der PFC-Regler kann somit ebenfalls die zusätzliche Strombeeinflussung durch Korrektur des vom PFC-Regler aufgenommenen Stroms berücksichtigen. Da der Strom des PFC-Reglers im Allgemeinen größer als die übrigen Ströme ist, kann die Korrektur problemlos erfolgen.
• Eine zweite, gegebenenfalls auch zusätzliche Möglichkeit besteht in der Abschaltung des Hilfsspannungserzeugers und Mitbenutzung der Ausgangsspannung für den Betrieb des PFC-Reglers nach Hochlauf der gesamten Schaltung. Dies kann zum Beispiel durch eine Diodenumschaltung erfolgen, mit der auf die Ausgangsspannung umgeschaltet wird.
• Mit einfachen Mitteln kann so eine Leistungsfaktorregelung auch bei Betriebs-Kleinspannungen realisiert werden.
• Ein weiterer Vorteil der Schaltung ist die Möglichkeit der schnellen Bereitstellung einer Versorgungsspannung für weitere Hilfsstromkreise, zum Beispiel für den Betrieb einer Steuerelektronik, mit einer kleineren Versorgungsspannung von beispielsweise 3,3 V.
• Ferner ist ein weiterer Vorteil der Schaltungsanordnung, dass die Ladezeit der PFC-Schaltung genutzt werden kann, um Hilfsstromkreise innerhalb kurzer Zeit (50 ms) in Funktion zu bringen, nämlich bevor die Leuchtdioden-Signalgeber als leistungsstarke Verbraucher zugeschaltet werden.
• Schaltungen zur Leistungsfaktorregelung sind an sich bekannt. Im Bereich von zirka 85...260 V Wechselspannung gibt es bereits zahlreiche, unter dem Begriff "Power Factor Correction (PFC)" bekannte Schaltungen, insbesondere im Zusammenhang mit Weitbereichsnetzteilen, die eine Leistungsfaktorregelung für Gleichstromverbraucher verwirklichen, allerdings arbeiten diese mit Netzspannungen. Eine einfache Umdimensionierung bisher bekannter Schaltungen ist im vorliegenden Fall jedoch nicht möglich, da die zur Verfügung stehenden integrierten Controller-Bausteine eine Betriebsspannung von zirka 10 – 18 V benötigen. Es wurde mit der vorliegenden Schaltungsanordnung ein Weg gefunden, trotzdem diese bewährten Bauelemente verwenden zu können.
• Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden. Die 1 bis 3 zeigen jeweils eine Variante der Erfindung.
• 1 zeigt eine erste Variante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Versorgung eines hier nicht gezeigten nichtlinearen Verbrauchers an einer Ausgangsspannung U_a, die über einen Gleichrichter GR, eine Glättungsdrossel L und einen Glättungskondensator C1 aus einer Eingangs-Kleinspannung U eines Transformators bereit gestellt wird. Zur Leistungsfaktorregelung ist ein Schalttransistor T vorgesehen, der von einem PFC-Regler PFC angesteuert wird und mit dem im ange steuerten Zustand der Eingangsstrom I_e durch die Glättungsdrossel L kurzgeschlossen und der Ladestrom für den Glättungskondensator C1 unterbrochen wird. Der Strom durch den Schalttransistor T wird durch einen Messwiderstand R_m1 erfasst und bildet eine Regelgröße für den Stromregelkreis des PFC-Reglers PFC. Führungsgröße für den Stromregelkreis des PFC-Reglers PFC ist die Eingangsspannung U_e (Ausgangsspannung des Gleichrichters GR). Eine weitere Regelgröße, und zwar für einen Spannungsregler des PFC-Reglers, ist die Ausgangsspannung U_a. Der Stromregelkreis hat die Aufgabe, den Augenblickswert des Eingangsstromes I_e (Drosselstrom) proportional zum Augenblickswert der Eingangsspannung U_e zu halten. Der Spannungsregelkreis regelt dagegen den Effektivwert des Eingangsstromes I_e.
• Schalttransistor T und Glättungsdrossel sind durch eine Diode D1 entkoppelt. Von einem Gleichspannungswandler DC-DC wird eine Hilfsgleichspannung in der erforderlichen Höhe für den Betrieb des PFC-Reglers PFC bereitgestellt.
• Da der Gleichspannungswandler DC-DC die Widerstandscharakteristik der Schaltung beeinflusst, wird sein Strom über den Messwiderstand R_m1 geleitet. Der PFC-Regler PFC regelt dann den Leistungsfaktor für den Gesamtstrom der Schaltung aus.
• Die Spannung am Gleichrichter GR (Eingangsspannung U_e) kann abgenommen und an einen weiteren Gleichspannungswandler geführt werden, um eine weitere Hilfsspannung für andere Hilfsstromkreise bereit zu stellen.
• 2 zeigt eine zweite Variante der Schaltung, bei der nach dem Hochlauf eine Umschaltung der Hilfsspannungsversorgung für den PFC-Regler PFC vom Gleichspannungswandler DC-DC auf die Ausgangsspannung U_a erfolgt. Voraussetzung ist, dass die Ausgangsspannung U_a eine für den Betrieb des Gleichspannungswandlers DC-DC geeignete Höhe aufweist. Hierzu ist eine Diode D2 zwischen den Glättungskondensator C1 und dem Ausgang des Gleichspannungswandlers DC-DC geschaltet. Wird die Ausgangsspannung U_a größer als die Ausgangsgleichspannung des Gleichspannungswandlers DC-DC, so wird die Diode D2 leitend und übernimmt die Hilfsspannungsversorgung. Für einen weiteren Gleichspannungswandler übernimmt eine Diode D3 zusammen mit einer Entkopplungsdiode D4 diese Funktion. Die Regelgröße für den Stromregler des PFC-Reglers PFC wird bei dieser Variante an einem Messwiderstand R_m2 abgenommen.
• 3 zeigt einen PFC-Regler im Zusammenhang mit einer Spannungsvervielfacherschaltung zur Bereitstellung der Hilfsgleichspannung. Die Spannungsvervielfacherschaltung besteht aus den Dioden D5, D6 und den Kondensatoren C2, C3. Auch hier erfolgt die Umschaltung der Hilfsspannungsversorgung auf die Ausgangsspannung U_a über eine Diode D2 nach dem Hochlauf der Schaltung.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Realisierung einer ohmschen Verbrauchercharakteristik für eine nichtlineare Last bei kleiner Betriebsspannung mit einem Transformator, einem Gleichrichter und Glättungselementen zur Bereitstellung einer Gleichspannung für die Last, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gleichrichter (GR) und Last ein Leistungsfaktor-Regler, bestehend aus einem Schalttransistor (T) und einem PFC-Regler (PFC), geschaltet ist und zur Erzeugung der Hilfsgleichspannung für den Betrieb des PFC-Reglers (PFC) wahlweise ein Gleichspannungswandler (DC-DC) oder eine Spannungsvervielfacherschaltung vorgesehen ist, dessen beziehungsweise deren Eingangsstrom über einen für den Betrieb des PFC-Reglers (PFC) erforderlichen Messwiderstand (R_m1) geleitet ist und/oder die Ausgangsspannung (U_a) nach Hochlauf der gesamten Schaltung auf den Eingang des PFC-Reglers (PFC) umschaltbar ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsvervielfacherschaltung aus Kondensatoren (C2, C3) und Dioden (D5, D6) gebildet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer weiteren Hilfsgleichspannung ein weiterer Gleichspannungswandler zwischen einen Gleichrichterausgangspol und den Messwiderstand (R_m1) geschaltet ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer weiteren Hilfsgleichspannung ein weiterer Gleichspannungswandler an den Gleichrichterausgang geschaltet und auf die Ausgangsspannung (U_a) der Schaltung umschaltbar ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der Hilfsgleichspannung für den PFC-Regler (PFC) und/oder der weiteren Hilfsgleichspannung auf die Ausgangsspannung (U_a) der Schaltung über Dioden (D2; D3, D4) erfolgt.