Schaltungsanordnung zur Spannungsregulierung an einem von einer Stromversorgungseinrichtung räumlich getrennten Verbraucher

Abstract

 Bei einer Schaltungsanordnung zur Spannungsregulierung an einem von einer Stromversorgungseinrichtung räumlich ge­trennten Verbraucher wird die Spannung an den über eine Zuleitung mit der Stromversorgungseinrichtung (SV) verbun­denen Verbraucher mit Fühlern abgegriffen und in den von einem Regelverstärker (RV) durchgeführten Regelvorgang einbezogen.
Die Schaltungsanordnung weist einen PI-Regler (3) auf, der das dynamische Verhalten der Anordnung mitbestimmt und bleibende Regelabweichungen bei Laststromsprüngen vermeidet.
Die Schaltungsanordnung eignet sich insbesondere zur Stromversorgung von Verbrauchern mit dynamischen Eigen­schaften, die ebenso wie dynamische Eigenschaften der Zu­leitungen weitgehend kompensiert werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregulierung an einem von einer Stromversorgungs­einrichtung räumlich getrennten Verbraucher, wobei die Spannung an dem über eine Zuleitung mit der Stromversor­gungseinrichtung verbundenen Verbraucher mit Fühlern ab­gegriffen und in den von einem Regelverstärker durchge­führten Regelvorgang einbezogen wird.

[0002] Stromversorgung und Verbraucher sind in der Regel räum­lich getrennt. Der Spannungsabfall auf den Verbindungs­leitungen zwischen Stromversorgung und Verbraucher sowie gegebenenfalls an Kontaktwiderständen kann dazu führen, daß die Spannung am Verbraucher den von der Stromversor­gung erzeugten Spannungswert nicht erreicht und eine zu­lässige Toleranz unterschreitet. Es ist bekannt, zum Aus­gleich des Spannungsabfalls auf den Verbindungsleitungen und an Kontaktwiderständen die Spannung möglichst nahe am Verbraucher mittels Sensor-Anschlüssen zu messen, den ge­messenen Spannungswert sowie eine Referenzspannung dem Regelverstärker zuzuführen und die Differenz aus Referenz­spannung und gemessener Spannung zur Regelung der Span­nung am Verbraucher zu verwenden (Tietze/Schenk, Halblei­terschaltungstechnik, 5. Auflage 1980, Berlin, Heidel­berg, New York 1980, S. 380). Dynamische Eigenschaften des Verbrauchers und deren Verbindungsleitungen können bei zeitlichen Änderungen des Laststroms in der bekannten Schaltungsanordnung zu Instabilitäten des Regelkreises und somit zu erheblichen Funktionsstörungen führen.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schal­tungsanordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß zeitliche Änderungen des Laststroms die Funktionsfähigkeit der Schaltungsanordnung nicht be­einträchtigen.

[0004] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß Differenzbildungsglieder den Spannungsabfall sowohl auf einem ersten Teil der Zuleitung ermitteln, der zwischen einem ersten Ausgang der Stromversorgungseinrichtung und dem Verbraucher angeordnet ist und einen ersten komplexen Leitungswiderstand aufweist, als auch auf einem zweiten Teil der Zuleitung der zwischen dem Verbraucher und einem zweiten Ausgang der Stromversorgungseinrichtung angeord­net ist und einen zweiten komplexen Leitungswiderstand aufweist, daß ein Summationsglied eine Summenspannung aus beiden Spannungsabfallwerten und einer Bezugsspannung bildet, die der Sollverbraucherspannung entspricht, und daß dem Regelverstärker an seinem nicht invertierenden Eingang die Summenspannung und an seinem invertierenden Eingang die Ausgangsspannung der Stromversorgungseinrich­tung zugeführt wird.

[0005] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann beispiels­weise der zweite Ausgang der Stromversorgungseinrichtung an Stromversorgungsmasse gelegt und der Spannungsabfall­wert auf dem zweiten Teil der Zuleitung ohne Zwischen­schaltung des Differenzbildungsgliedes unmittelbar dem Summationsglied zugeführt werden.

[0006] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird dem Regelverstärker ein PI-Regler vorgeschaltet.

[0007] Die Erfindung zeichnet sich durch den Vorteil der hohen technischen Zuverlässigkeit und der universellen Einsetz­barkeit unabhängig von dynamischen Eigenschaften des Ver­brauchers und der Verbindungszuleitungen zwischen Strom­versorgungseinrichtung und Verbraucher aus.

[0008] Als vorteilhaft erweist sich auch, daß der Spannungsab­fall auf beiden Zuleitungsteilen mit Hilfe nur eines ein­zigen Differenzbildungsgliedes ermittelt wird.

[0009] Der dem Regelverstärker vorgeschaltete PI-Regler führt in vorteilhafter Weise zu einem guten dynamischen Verhalten der Schaltungsanordnung und vermeidet dabei bleibende Re­gelabweichungen bei Laststromsprüngen.

[0010] Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher er­läutert. Dabei zeigt

FIG 1 ein Prinzipschaltbild der Schaltungsanordnung ge­mäß der Erfindung,

FIG 2 ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach FIG 1.

[0011] An eine Stromversorgungseinrichtung SV ist über eine Zu­leitung L ein Verbraucher V angeschlossen. Dieser Ver­braucher V weist, wie die Parallelschaltung aus einem Verbraucherwiderstand RV und einer Verbraucherkapazität CV andeutet, ein frequenzabhängiges Verhalten auf. Ver­braucher mit frequenzabhängigem Verhalten treten bei ei­ner Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsfälle auf, so beispielsweise in Kommunikations- und Datenverarbeitungs­systemen.

[0012] Auch die beiden Teile der Zuleitung L weisen ein frequenz­abhängiges Verhalten auf, das durch die komplexen Zulei­ tungswiderstände ZL1 und ZL2 mit ohmschen, induktiven und kapazitiven Komponenten bestimmt wird.

[0013] Die in FIG 1 dargestellte Stromversorgungseinrichtung be­steht aus zwei Differenzbildungsgliedern D1 und D2, einem, beiden Differenzbildungsgliedern D1, D2 nachgeschalteten Summationsglied S1, einem, dem Summationsglied S1 nachge­schalteten Regelverstärker RV und einem Stellglied SG.

[0014] An jeweils einem Eingang der Differenzbildungsglieder D1, D2 wird die Ausgangsspannung U_a+, U_a- der Stromversor­gungseinrichtung SV abgegeben. An dem jeweils anderen Eingang wird den Differenzbildungsgliedern D1, D2 die un­mittelbar am Verbraucher V mittels Fühler abgegriffene Spannung S₊, S_- zugeführt. Die Differenzbildungsglieder D1, D2 ermitteln in dieser Weise den Spannungsabfall, der sich infolge eines ersten komplexen Zuleitungswiderstan­des ZL1 sowie infolge eines zweiten komplexen Widerstan­des ZL2 auf ersten bzw. zweiten Teil der Zuleitung L auf­tritt. Der hier als erster Teil bezeichnete Zuleitungs­teil verbindet einen ersten Ausgang der Stromversorgungs­einrichtung SV, der eine Spannung U_a+ liefert, mit dem Verbraucher V, während der zweite Zuleitungsteil den Ver­braucher V mit einem zweiten Ausgang der Stromversorgungs­einrichtung SV verbindet, der eine Spannung U_a- liefert.

[0015] Ohmsche, induktive und kapazitive Komponenten der Fühler­leitung von den Differenzbildungsgliedern D1, D2 unmit­telbar an den Verbraucher können vernachlässigt werden, wenn, wie hier unterstellt, über die Zuleitung L wesent­lich höhere Ströme fließen als in der Fühlerleitung.

[0016] Die von den Differenzbildungsgliedern D1 und D2 gebilde­ten Spannungsabfallwerte werden dem Summationsglied S1 zugeführt. Dem Summationsglied S1 wird ferner durch eine Gleichspannungsquelle U_Ref der Wert der Sollverbraucher­spannung zugeführt. Die vom Summationsglied S1 gebildete Summenspannung stellt die Sollspannung für den Regelver­stärker RV dar, die seinem nichtinvertierenden Eingang zugeführt wird, während seinem invertierenden Eingang die Ausgangsspannung Ua+ der Stromversorgungseinrichtung sV zugeführt wird. Mit der vom Regelverstärker RV gebildeten Differenzspannung erfolgt über das Stellglied SG die Rege­lung der Ausgangsspannung U_a+. Das Stellglied SG kann als sogenannter Linearregler, als Eintaktdurchfluß-, Drossel- oder als Sperrwandler ausgebildet sein.

[0017] Die getrennte Ermittlung des Spannungsabfalls auf beiden Teilen der Zuleitung erlaubt die Spannungsregulierung an Verbrauchern mit unterschiedlichem, frequenzabhängigem Verhalten, weitgehend unabhängig von geometrischen Abmes­sungen der Zuleitung und der daraus resultierenden kom­plexen Zuleitungswiderstände.

[0018] Die Berücksichtigung des Spannungsabfalls am Widerstand ZL2 der Zuleitung L vereinfacht sich, wenn der die Span­nung U_a- führende Ausgang der Stromversorgungseinrichtung SV an Masse gelegt wird.

[0019] FIG 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanord­nung nach FIG 1. Die Schaltungsanordnung weist einen Dif­ferenzverstärker 1, einen Summationsverstärker 2, einen PI-Regler 3, einen Regelverstärker RV sowie ein Stell­glied SG auf. Der Ausgang U_a- der Stromversorgungsein­richtung ist wie in FIG 1 an Masse gelegt. Hierdurch er­übrigt sich das in FIG 1 dargestellte Differenzbildungs­glied D2.

[0020] Dem Differenzverstärker 1 wird an seinem nichtinvertie­renden Eingang über einen Widerstand R die Ausgangsspan­ nung U_a+ zugeführt, an seinen invertierenden Eingang über einen Widerstand R die am Verbraucher V abgegriffene Spannung S+. Die Beschaltung des Differenzverstärkers er­folgt in bekannter Weise und ist hier mit Widerständen R und R_M1 schematisch angedeutet. Über einen weiteren Wider­stand R ist der Ausgang des Differenzverstärkers 1 an den invertierenden Eingang eines Summationsverstärkers 2 an­geschlossen. Dieser Summationsverstärker 2 entspricht von seiner Funktion dem Summationsglied S1 in FIG 1. An den invertierenden Eingang des Summationsverstärkers 2 ist über einen Widerstand R die am Verbraucher V abgegriffene Spannung S_- sowie über einen weiteren Widerstand R die Bezugsspannung U_Ref angeschlossen. Der Widerstand R_M2 zwischen nichtinvertierendem Eingang des Summationsver­stärkers 2 und Masse dient wie auch die Widerstände R_M1 und R_M3 der Kompensation der Offset-Ströme in den Opera­tionsverstärken 1, 2 und 3.

[0021] Mit dem dem Regelverstärker RV nachgeschalteten PI-Regler 3 lassen sich unterschiedliche Regler-Charakteristika realisieren. Insbesondere bewirkt er ein gutes dynami­sches Verhalten der Stromversorgungseinrichtung und ver­meidet dabei bleibende Regelabweichungen nach Laststrom­sprüngen. Der PI-Regler 3 ist in bekannter Weise beschal­tet: Der invertierende Eingang des Reglers weist einen Widerstand R auf und ist im vorliegenden Fall über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand R und einer, das frequenzmäßige Verhalten der Stromversorgungseinrichtung SV mitbestimmenden Serienschaltung eines Kondensators C1 und eines Widerstandes R1 mit dem Ausgang verbunden. Zwi­schen dem nichtinvertierenden Eingang des Reglers und Masse liegt der Widerstand R_M3. Der dem PI-Regler 3 nach­geschaltete Regelverstärker RV ist eingangsseitig an sei­nem nichtinvertierenden Eingang mit dem Ausgang des PI-­Reglers verbunden; dem invertierenden Eingang des Regel­ verstärkers RV wird die Ausgangsspannung U_a+ zugeführt. Der Regelverstärker RV führt auf das Stellglied SG ent­sprechend FIG 1.

[0022] FIG 1 und FIG 2 zeigen, daß bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung dem Regelverstärker RV als Istwert die zu regelnde Ausgangsspannung U_a+ der Stromversor­gungseinrichtung SV und als Sollwert diejenige variable Spannung zugeführt wird, die den Spannungsabfall auf den Zuleitungen L abhängig von der Größe des Laststroms sowie die konstante Spannung U_Ref umfaßt. Dieser Sollwert ist unabhängig von der Regelcharakteristik der Stromversor­gungseinrichtung SV.

[0023] Das gute dynamische Verhalten der Schaltungsanordnung entsteht aus der Einführung eines unterlagerten Regel­kreises, dessen innerer Regler hier vom Regelverstärker RV und dessen äußerer Regler vom PI-Regler 3 gebildet wird, wobei die am Verbraucher gemessene Spannung S₊, S_- zusätzlich rückgeführt wird. Störungen innerhalb des un­terlagerten Regelkreises werden so eliminiert, ohne daß sie sich auf die eigentliche Regelgröße Ua₊, Ua_- auswir­ken können.

[0024] Die Stromversorgungseinrichtung SV läßt sich auch ohne Fernfühlung betreiben. Hierzu ist jeweils der Anschluß S₊ mit dem Anschluß U_a+ und der Anschluß S_- mit dem Anschluß U_a- kurzzuschließen.

Bezugszeichenliste

[0025] 

SV Stromversorgungseinrichtung

SG Stellglied

RV Regelverstärker

D1 Erstes Differenzbildungsglied

1 Differenzverstärker

R, RM1 Widerstände im Differenzverstärker

D2 Zweites Differenzbildungsglied

S1 Summationsglied

2 Summationsverstärker

3 PI-Regler

R, R_M2, R_M3 Widerstände in S 1

R1 PI-Reglerwiderstand

C1 PI-Reglerkapazität

U_Ref Bezugsspannung

U_a+, U_a- Ausgangsspannung von SV

L Zuleitung

ZL1, ZL2 Leitungswiderstände

V Verbraucher

S₊, S_- Spannung an V

RV Verbraucherwiderstand

CV Verbraucherkapazität

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Spannungsregulierung an einem von einer Stromversorgungseinrichtung räumlich getrennten Verbraucher, wobei die Spannung an dem über eine Zulei­tung mit der Stromversorgungseinrichtung verbundenen Ver­braucher mit Fühlern abgegriffen und in den von einem Re­gelverstärker durchgeführten Regelvorgang einbezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß Differenzbildungsglieder (D1, D2) den Spannungsabfall sowohl auf einem ersten Teil der Zuleitung (L) ermitteln, der zwischen einem ersten Ausgang der Stromversorgungs­einrichtung (SV) und dem Verbraucher (V) angeordnet ist und einen ersten komplexen Leitungswiderstand (ZL1) auf­weist, als auch auf einem zweiten Teil der Zuleitung (L), der zwischen dem Verbraucher (V) und einem zweiten Aus­gang der Stromversorgungseinrichtung (SV) angeordnet ist und einen zweiten komplexen Leitungswiderstand (ZL2) auf­weist, daß ein Summationsglied (S1) eine Summenspannung aus beiden Spannungsabfallwerten und einer Bezugsspannung (U_Ref) bildet, die der Sollverbraucherspannung ent­spricht, und daß dem Regelverstärker (RV) an seinem nicht invertierenden Eingang die Summenspannung und an seinem invertierenden Eingang die Ausgangsspannung (U_a+) der Stromversorgungseinrichtung (SV) zugeführt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ausgang der Stromversorgungseinrichtung (SV) an Masse gelegt wird und der Spannungsabfallwert auf dem zweiten Teil der Zulei­tung (L) ohne Zwischenschaltung des Differenzbildungs­gliedes (D2) unmittelbar dem Summationsglied (S1) zuge­führt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­durch gekennzeichnet, daß dem Regel­verstärker (RV) ein PI-Regler (3) vorgeschaltet wird.

Zeichnung