DE2559096A1

DE2559096A1 - Stromquelle hoher gleichspannung mit stromstaerkeregelung

Info

Publication number: DE2559096A1
Application number: DE19752559096
Authority: DE
Inventors: Alain Gibert
Original assignee: Societe Nationale des Petroles dAquitaine SA
Current assignee: Societe Nationale des Petroles dAquitaine SA
Priority date: 1975-01-10
Filing date: 1975-12-30
Publication date: 1976-07-15
Also published as: GB1506102A; CH595661A5; LU74140A1; FR2297455B1; DK7276A; NL7600269A; US4106084A; BE837412A; JPS5195266A; ES444185A1; CA1060096A; FR2297455A1; IT1054048B

Description

Priorität vom 10. 1. 1975 Frankreich Nr. 75 00 644

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromquelle hoher Gleichspannung mit Stronstärkeregelung, welche über eine Quelle niedriger Gleichspannung zwischen zwei Ausgangsklemmen einen Gleichstrom hoher Spannung liefert.

Das Problem der Regelung des von einer Energiequelle gelieferten Stroms ist in der Elektronik wohlbekannt, wo raan oft Stromquellen benötigt, die Ströme gleichbleibender Stror;iötärke liefern, selbst πβηη die Belastung schwankt; solche Streriquellen werden auf Grund des gelieferten konstanten Stroms bekanntlich "Stromerzeuger bxv/, -generatoran" genannt,

TJm am Ausgang dieser Stromquellen einen konstanten Strom zu erhalten, werden verschiedene Arten der Regelung auf her— kö-iacilicb.e Art verwendet.

Eine bekannte und besonders interessante Art der Regelung bestellt darin, im Ausgangs Stromkreis eines Generators einen V/iöerstand R so anzuordren, dass er von den zu regelnden Strordurchflossen wird; die hieraus an den Klemroen dieses Widerstandes resultierende Spannung wird abgegriffen und mit eines konstanten Sollwert verglichen. Bei einer idealen Funktionsweise mit konstantem Strom wären diese beiden verglichenen Spannungen gleich urd ihr Unterschied, bzw, der Fehler, 'wäre gleich ITuIl. Da der zu regelnde Strom nicht konstant ist, solange die erwähnte Regelung ausbleibt, schwankt die Spannung an d.en Kleanen von R, und der Vergleich dieser Spannung mit der Sollspannung ergibt eine schwankende Spannungsdifferenz, Fehlerspannung ε genannt. Dieser Fehler ε wird z.B. den Steuereingang einer aktiven Schaltung, z.B. einem an der ..-fiewinmng der Ausgangsleistung beteiligten Transistor, zugeführt; die

Schwankungen von £ um Full, den Idealwert, werden auf diese Weise von der aktiven Schaltung kompensiert; die Spannung an den Klemmen von R, und folglich der diesen durchfliessende Strom, werden damit stabilisiert.

Diese wirksame und relativ einfach zu verwirklichende Regelxmgsart ist praktisch nicht mehr anwendbar, wenn der zu regelnde Stromer seliger solcher Art sein muss, dass er an seinen Ausgangsklemmen eine sehr hone Gleichspannung in der Grössenordnung von etwa mehreren Kilovolt oder gar -zig Kilovolt liefert.

Bei den bisher bekannten. Strorr.srzeugern, die nach diesem Prinzip in der Stromstärke geregelt sind, treten nätalich zwei technisch quasi unlösbare Probleme auf, sobald die Spannung des gelieferten Stroras su hoch wird.

Einerseits τ/irkt öie Fehlerspannung £ dieser Generatoren, wie oben erwähnt, direkt eiuf die Aus gangs spannung ein, z.B. über einen Transistor-Verstärker» Dies ist nur dann möglich, wenn die Spannung nicht au hoch ist. Die zum Einwirken auf die Ausgangsspannung in Frage kommenden aktiven'Schaltungen weisen jedoch nur einige hundert YoIt im Falle von Transistoren auf; Operationsverstärker, die ebenfalls für derartige Generatoren verwendet v/erden, haben gar nur einige -zig Volt.

Andererseits ist der sur Regelung vorgesehene Widerstand R bei solchen Generatoren in den Ausgangsschaltkreis selbst geschaltet und würde, falls die Aus.gangs spannung sehr hoch wäre,-zwischen seinen Klemmen ebenfalls ein sehr hohes Spamiungspotential auf v/eisen. !Cine derart hohe Spannung wäre sehr schwierig auf wirksame V/eise mit einer Sollspannung zu vergleichen, da ein und derselbe absolute 3?ehlerwert, der bei relativ geringer Spannung durchaus spürbar ist, umso weniger ins Gewicht fällt, je höher die Spannung steigt.

Ziel der Erfindung ist es daher, eine Stromquelle sehr hoher Gleichspannung mit Stromstärkeregelung zu schaffen, die auf Grund einer originellen lösung des Regelkreises einen konstanten Strom bei schwankender Belastung liefert.

Dieses Ziel wird durch eine Stromquelle der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäss dadurch -erreicht, dass die aus

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dem Vergleich zwischen einer konstanten Vergleichsspannung und einer an den Klemmen eines Widerstandes R, der von einem dem zu regulierenden Strom proportionalen Strom durchflossen ist, abgegriffenen Spannung resultierende Fehlerspannung £. auf die Amplitude eines von einem Oszillator erzeugten, alternierenden Signals derart einwirkt, dass die Änderungen der Amplitude des vom Oszillator gelieferten Signals die Amplitude der zwischen den beiäen Ausgangsklemmen gelieferten Hochspannung variieren lässt.

Auf Grund dieser neuen und originellen Gegenkopplung wirkt somit das Fehlersignal auf ein Signal verhältnismäösig geringer Amplitude ein, nämlich auf das Steuersignal für die Oszillatorschwingungen, und nicht auf ein Signal mit hoher Spannung, das Ausgangssignal.

Each einen weiteren Merkmal der Erfindung ist der Widerstand R, der zur Erstellung der mit der Sollspannung zu vergleichenden Spannung dient, nicht direkt in den Ausgangsstromkreis hoher Spannung geschaltet, sondern in den Stromkreis der Sekundärwicklung eines Transforraators, dessen J'rinär wicklung die Induktanz L des Schwingungskreises des Oszillators darstellt, und dessen Sekundärwicklung mit einem Spannungsvervielfacher verbunden ist, v/elcher eine Gleichrichter- und Filterschaltung speist, die den stronistärkegeregelten AusgangsStromkreis hoher Spannung darstellt.

Andere I.Ierkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung hervor, in der:

Fig. 1 eine vereinfachte, schematische Gesamtdarstellung einer erfindungsgemässen Stromquelle hoher Gleichspannung mit Stromstärkeregelung gibt, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Erfindung nach Fig. 1 ist, die näher auf ein Ausführungsbeispiel der Gegenkopplungsechaltung und des von dieser beeinflussten Oszillators eingeht.

Fig. 1 zeigt die verschiedenen Bestandteile einer erfindungs· gemässen Stromquelle mit Stromstärkeregelung, die mit einer

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niedrigen Gleichspannung gespeist wird, z.B. - 24 Volt.

Die sehr hohe Gleichspannung T„ erscheint zwischen zwei Ausgangsklemmen 1 und 2, deren eine das Bezugspotential des gesaraten Schaltkreises bsw. das Erdpotential darstellt. Die Spannung V~ erhält man über einen Oszillator 3, der zwischen Klemmen A und B eine V/'echselspannung von z.B. 100 kHz liefert. Dieser Oszillator, auf den die Beschreibung von Pig. 2 näher eingeht, ist auf die Primärwicklungfeines Transformators 6 geschaltet, dessen Sekundärwicklung 5 zwischen den Klemmen C und D eine "Wechselspannung ν liefert. Die Amplitude der vom Oszillator gelieferten Spannung, und damit auch die Amplitude der Spannung ν sind, v,^rie nachfolgend beschrieben, von der Amplitude eines an die Steuerkle.;;me 7 des Oszillators geführten Steuersignals abhängig.

Die zwischen den Klemmen C und D herrschende Spannung ν wird nun auf die Eingangsklemmen eines Spannungsvervielfachers 8 herkömmlicher Art gegeben. Der Spannungsvervielfacher erzeugt an seinen Ausgang zwischen den Klemmen E und P eine Yfechselspannung Y = k.v, wobei k der liultiplikationskoeffizient des Spannungsvervielfachers 8 ist. Diese Spannung Y, deren Amplitude, wie die von v, vom auf den Eingang 7 des Oszillators 3 gegebenen Steuersignal abhängt, wird in einer Einrichtung bekannter Art, die z.B. eine Diode und einen Kondensator 10 umfasst, gleichgerichtet und gefiltert, und liefert die sehr hohe Spannung zwischen den Klemmen 1 und 2.

Die Stromstärkeregelung der Quelle des auf diese Weise.erzeugten GIeichspannungssignals Υ~ wird, wie im folgenden besehrieben, dadurch erzielt, dass man die dem Oszillator 3 zugeführte Spannung variieren lässt.

Ein ?/iderstand R, der von einem dem zu regelnden Strom proportionalen Strom I durchflossen wird, d.h. dem Strom, der von der Stromquelle an ein Belastungsglied zwischen den Ausgangsklemmen 1 und 2 geliefert wird, ist zwischen den Punkt F des Ausgangs des Spannungsvervielfachers 8 und Erde geschaltet. Die in 3? vom den Widerstand R durchfliessenden Strom I erzeiigte Spannung V_R wird an die Eingangsklemme eines Operationsverstärkers

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11 herkömmlicher Art gelegt. Die andere Eingangsklenaae dieses Verstärkers 11 empfängt bei H die Vergleichsspannimg V₇ von einer Zenerdiode 12, die von der !Tiedrigspannung - 24 Volt über einen Vorspannwiderstand 13 entsprechend vorgespannt ist. Der Ausgang G dieses Verstärkers liefert eine Spannung £ , die Fehlerspannung:

Diese Fehler spannung £ , deren Schwankungen die Schwankungen des zu regelnden Strons entsprechend wiedergeben, wird an die Basis eines Ballasttransistors 14 geführt, dessen r.ollektor in K an die ITiedrigspannungsouelle angeschlossen ist, und dessen Emitter in L mit der Steuerklenae 7 der Amplitude cias Oszillators 3 verbunden ist. Die an der Basis anliegendeSpannung, also die Fehlerspannung C, steuert die Emitterspannung des Transistors 14 und lässt auf diese V/eise die dem Oszillator 3 zugeführte Spannung variieren.

Damit vtiriiert Vr,, wenn der zv. regelnde Btrom se3jwankt; die Fehlerspannung β stellt diese Schwankungen im Verhältnis zum Festwert Y„ dar und lässt die Schwingungsweite der Amplitude des Oszillators 3 variieren; diese wiederum ergibt Änderungen von v, von V, und folglich von V„, welche die Schwankungen der zu regelnden Stromstärke kompensieren und zur Stabilisierung von Vn beitragen.

V/ie bereits erwähnt, vermögen die erfindungsgemäss geregelten Stromquellen sehr hohe Spannungowerte V_n zu liefern, da die Fehlerspannung £ nicht direkt auf die Ausgangsspannung V_n einwirkt, sondern auf die Speisespannung des Oszillators, d.h. auf eine Hiedrigspannung.

Die Fig. 2, in der dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 dieselben Elemente bezeichnen, zeigt.eine detaillierte Darstellung verschiedener Elemente. Die Funktionsweise der gesagten Anordnung ist selbstverständlich die bereits beschriebene.

Der Oszillator 3 ist ein IC-Oszillator, dessen Induktanz L die Primärwicklung 4 des Transformators ist. Der LC-Resonanzkreis dient als Belastungseleuent für den Kollektor einer sog. Darlington-Anordnung herkömmlicher Art. Die Basis 21 des Tran-

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sistors am Eingang der Darlington-AnOrdnung wird von einer aus einem einzelnen Transistor 22 bestehenden Vorverstärker-Phasenschieber-Stufe mit nicht entkoppeltem Emitter-Widerstand angesteuert.

Die Schwingungen erzeugende Rückkopplung erhält man einfach durch einen zwischen die Basis des Transistors 22 und den Kollektor des zweiten Transistors der Darlington-Anordnung 20 geschalteten Kondensator 25*

Der Oszillator 3 arbeitet mit fester Frequenz, z.B. 100 kHz. Die Schwingungsweite der an den Klemmen der Induktanz 4 auftretenden Schwingungen ergibt sich als Funktion der Speisespannung aes Oszillators; dessen Spannung wiederum ist in 7 vom Transistor 14 gesteuert, der seinerseits die vom Operationsverstärker 11 ermittelte Fehlerspannung ε empfängt. Dieser Verstärker wirkt dank einem Rö-Koppelglied mit einem hochohaigen Widerstand 24 und einem schwachen Kondensator 25 mit hohem Verstärkungsfaktor.

Die Fehlerspannung £ wird an die Basis des Transistors 14, angelegt, und zwar über eine Schutzdiode 25 und einen niedrigohraigen Widerstand, der zur Begrenzung des Ausgangsstroms des Verstärkers 11 bestimmt ist.

Die Ausgangsstufe besteht aus einer Sekundärwicklung 5 eines spannungserhöhenden Transformators 6, der den vor die G-leichrichter-Filterschaltung 9, 10 geschalteten Spannungsvervielfacher 8 ansteuert.

Der zur Regelung der Stromstärke dienende Widerstand R besteht aus einem zwischen eine Klemme der Sekundärwicklung 5 des Transformators 6 und Erde geschalteten Potentiometer, wobei eine Kapazität hohen Wertes zu diesem Potentiometer parallelgeschaltet ist. Der Läufer des Potentiometers stellt . den Punkt F der Fig. 1 dar und ist mit einem der beiden Eingänge des Operationsverstärkers 11 verbunden.

Der Vorteil eines Potentiometers bes-teht darin, dass der Wert des zu regelnden Stroms durch die Lauferstellung bestimmt werden kann. -

Weiter ist hervorzuheben, dass bei einer derartigen erfin-Stromquelle ,« Stro_mstärk_ere_Sel™_{e atlf Gruna} 609829/0236

der Tatsache, dass die hochgespannte Sekundärwicklung des
Transfortnators 6 von der Gleichspannung der ITiedrigspannungsquelle isoliert ist, das "untere Ende" dieser Sekundärwicklung nicht an !lasse gelegt zu werden "braucht, ohne dass daraus Nachteile entstehen. Dank dieser Anordnung ist es r.iöglich, den Regelwiderstand ("bzw. das Potentiometer) R in die Erdleitung einzugliedern. .Die an einem der beiden Eingänge
des Verstärkers 11 anliegende Spannung V„ kann daher sehr
niedrig gehalten werden, was, wie bereits erwähnt, ein weiterer Vorteil einer solchen Stromquelle ist.

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Claims

Patentansprüche

Stromquelle hoher Gleichspannung mit Stromstärkeregelung, welche ü"ber eine Quelle niedriger Gleichspannung zwischen zwei Ausgangsklemmen einen Gleichstrom hoher Spannung liefert, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Vergleich zwischen einer konstanten Vergleichsspannung und einer an den Klemmen eines Widerstandes R, der von einem dem zu regulierenden Strom proportionalen Strom durchflossen ist, abgegriffenen Spannung resultierende Fehlerspannung S auf die Amplitude eines von einem Oszillator erzeugten, alternierenden Signals derart einwirkt, dass die Änderungen der Amplitude des vom Oszillator gelieferten Signals die Amplitude der zwischen den beiden Ausgangsklemmen gelieferten Hochspannung variieren lässt.

2, Stromquelle mit Stromstärkeregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das alternierende, vom Oszillator gelieferte Signal über einen. Aufwärtstransformator, dessen Primärwicklung die Induktanz L eines LC-Resonanzkreises des Oszillators darstellt und dessen Sekundärwicklung an ihrem "unteren Ende" über den zur Stromstärkeregelung dienenden Widerstand R an die Hasse der Schaltanordnung gelegt ist, einer Ausgangsstufe zugeführt ist, die mindestens eine Gleichrichter- und Filterschaltung umfasst und an deren Ausgang sich die beiden Ausgangsklemmen befinden.

3. Stromquelle mit Stromstärkeregelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerspannung ein Operationsverstärker liefert, dessen einer Eingang die an den Klemmen des zur Stromstärkeregelung dienenden Widerstandes R herrschende Spannung Vj, empfängt, an dessen anderem Eingang die von einer Zenerdiode abgegebene, konstante Vergleichsspannung Vr, anliegt, und dessen Ausgang die Fehler spannung

• ε = V_Z-V_R liefert.

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4. Stromquelle mit Stromstärkeregelung nach Anspruch 3, dadurch ■gekennzeichnet, dass die von Operationsverstärker ermittelte Fehler spannung £ der Basis eines Ballasttransistors zv.geführt ist, dessen Kollektor an die -»ufille niedriger Gleichspannung der Stromquelle an^esehD-Ossen ist, und dessen Emitter dem Ossiilator 3 eine Speisespannung in Abhängigkeit von der Fehlerspannung 6 anführt.

5. Stromquelle mit Stror-istärkeregelun» nach Anspruch 2 oder J, dadurch gekennzeichnet, dass der sur Stroristärkeregelimg dienende '."!der stand R variier bar ist.

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