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Die Erfindung betrifft eine Wandlereinrichtung mit einem Spannungswandler und Mitteln zur Lieferung unterschiedlicher Ströme bzw. Spannungen für zumindest zwei verschiedene Verbraucher, z. B. LEDs bzw. LED-Gruppen.
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In der Technik gibt es häufig die Situation, mehrere Verbraucher über angepasste Steuerelektroniken mit elektrischer Energie zu versorgen. Von wachsender Bedeutung sind hier beispielsweise Beleuchtungseinrichtungen, insbesondere mit LEDs (LED – Licht emittierende Diode); vor allem Leuchten von Kraftfahrzeugen werden immer häufiger mit LEDs realisiert, und speziell im Fahrzeugbau besteht dann das Problem, dass mit der Steuerelektronik mehrere, verschiedene Lichter mit verschiedenen elektrischen Kenngrößen, also Spannung bzw. Strom, betrieben werden müssen, wobei erschwerend hinzu kommt, dass die Spannungsversorgung (Bordspannung) in der Regel nicht besonders stabil ist. Außerdem ist zu beachten, dass beispielsweise in einem Fahrzeugscheinwerfer oder in einer Heckleuchte verschiedene Lichtfunktionen auf engsten Raum nebeneinander gegeben sind. Es wäre daher wünschenswert, auch aus Platzgründen mit einer einzelnen, platzsparenden Elektronik das Auslangen zu finden.
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Was die Realisierung von Beleuchtungen mit LED-Lichtern betrifft, so ergibt sich bekanntlich die anzulegende Spannung an einer LED-Leuchte durch den einzustellenden Strom; der Strom bestimmt neben der Helligkeit auch die Lichtfarbe; selbstverständlich hängt die Spannung auch davon ab, ob eine LED vorliegt oder mehrere LEDs in Reihe hintereinander geschaltet sind. Letztlich ist hier somit die Spannung nur das Ergebnis einzustellender Größen.
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Es ist in der Praxis üblich, für jede Lichtfunktion eine eigene Wandlerschaltung einzusetzen, die aus dem instabilen Versorgungsnetz einen stabilen Strom für die LEDs generiert. Dies ist jedoch aufwendig und teuer, wobei überdies auch relativ viel Platz benötigt wird, abgesehen von den relativ hohen Verlusten in derartigen Elektroniken. Es ist auch in diesem Zusammenhang bereits vereinzelt Praxis, mit Hilfe eines Spannungswandlers eine zentrale stabile Spannung zu erzeugen, aus der dann für mehrere LED-Lichter der entsprechende Strom generiert wird. Es wird hier für mehrere Ausgänge nur eine Wandelstufe vorgesehen, bei der dann der Strom auf mehrere Kanäle aufgeteilt wird; hierfür wird eine Steuerung über einen Zeitversatz vorgesehen, sodass immer nur ein Licht für eine kurze Zeitdauer (in Mikrosekundenbereich) eingeschaltet sein kann, oder aber es treten wesentliche Verluste in der Schaltung auf. Dieses bekannte Prinzip ist nur für geringe Ströme verwendbar, wo die Verluste aufgrund der geringen Stromstärke klein sind.
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Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Wandlereinrichtung wie eingangs angegeben vorzuschlagen, die mit einem möglichst geringen schaltungstechnischen Aufwand, bei platzsparender Realisierung, die Versorgung von mehreren, verschiedenen Verbrauchern mit den gewünschten verschiedenen Strömen bzw. Spannungen ermöglicht. Weiters ist hierbei Aufgabe, Schaltverluste in der Wandlereinrichtung zu minimieren und insgesamt eine besonders effiziente Wandlereinrichtung zur Verfügung zu stellen.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung eine Wandlereinrichtung wie eingangs angeführt vor, die dadurch gekennzeichnet ist, dass als Spannungswandler ein Primärwandler mit Resonanzkreis vorgesehen ist, der an einem Ausgang eine variable Spannung abgibt, die Spannungen von < 0 V bis zumindest zur höchsten in der Wandlereinrichtung für die Strom-Abgabe erforderlichen Spannung durchläuft, und dass die Mittel zur Lieferung unterschiedlicher Ströme bzw. Spannungen durch zumindest zwei Sekundärwandler gebildet sind, die Ausgangsspeicher sowie Schaltmittel zum gesteuerten Anschalten ihrer Ausgangsspeicher an den Ausgang des Primärwandlers aufweisen.
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Bei der vorliegenden Wandlereinrichtung wird somit ein „Resonanz-Konverter”, ein Primärwandler mit Resonanzkreis, vorgesehen, der an seinem Schwingkreis eine Wechselspannung erzeugt. Diese Wechselspannung durchläuft Spannungswerte von beispielsweise Sekundärwandler schalten jeweils den Ausgangsspeicher des zugehörigen Sekundärwandlers zum geeigneten Zeitpunkt an den Ausgang des Primärwandlers an. Der Primärwandler ist selbstverständlich entsprechend zu dimensionieren, damit aus seinem Eingang genügend Energie entnommen wird, und die Sekundärwandler sorgen dafür, 0 V bis zu einer maximalen Spannung, und es können aus einer solchen Wechselspannung alle erforderlichen Spannungen von 0 V bis zur maximalen Spannung abgegriffen werden; für die Sekundärwandler, die als Mittel zur Lieferung der verschiedenen Ströme bzw. Spannungen vorgesehen sind, werden nun Abgriffe für die jeweils erforderlichen Spannungswerte vorgesehen, d. h. die Schaltmittel der dass an ihren Ausgängen jeweils genügend Energie ankommt. Da ein Abgriff der Spannung nur einmal pro Periode der Wechselspannung stattfinden kann, ist für jeden Sekundärwandler ein Ausgangsspeicher vorzusehen, der die benötigte Energie nach dem Aufladen für den Verbraucher zur Verfügung stellt. Hierfür kann jedoch problemlos, anders als bei anderen Konverten, ein geeigneter Kondensator zum Einsatz kommen.
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Durch Aufschalten der Wechselspannung auf den Kondensator (oder allgemein Ausgangsspeicher) bei der aktuellen Spannung am Ausgangsspeicher bzw. Kondensator können Ausgleichsströme vermieden werden, und es ist demgemäß von besonderem Vorteil, wenn die Schaltmittel des jeweiligen Sekundärwandlers dessen Ausgangsspeicher dann an den Primärwandler-Ausgang anschalten, wenn dessen variable Spannung gleich der jeweiligen Sekundärwandler-Ausgangsspannung wird. Andererseits wird vorzugsweise vorgesehen, dass die Schaltmittel des jeweiligen Sekundärwandlers dessen Ausgangsspeicher vom Primärwandler-Ausgang wegschalten, wenn dieser Ausgangsspeicher genügend Energie für die nächste Periodendauer gespeichert hat.
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Die übertragene Leistung eines Resonanzwandlers hängt von seiner Frequenz ab. Da nur einmal pro Periode die Ausgänge aufgeladen werden können, muss zur Erhaltung eines optimalen Strom-/Spannung-Verlaufs am Sekundärwandler-Ausgang eine Mindestfrequenz eingehalten werden; dies bedeutet, dass eine Mindestenergie übertragen wird.
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Vorzugsweise ist der Primärwandler ein Boost-Konverter, um an seinem Ausgang höhere Spannungen zur Verfügung zu stellen, als sie am Eingang vorliegen. Wie erwähnt, ist es ein besonderes Anliegen der vorliegenden Erfindung, eine erhöhte Wirtschaftlichkeit zu erzielen. Bei herkömmlichen Ausbildungen von Wandlern, die eine Wechselspannung erzeugen, wird ein Transformater verwendet, oder aber es werden zumindest zwei Schaltelemente verwendet. Bei beiden Varianten entstehen zusätzliche elektrische Verluste und ergibt sich ein Mehraufwand an Bauteilen. Beim vorliegenden Resonanz-Primärwandler wird bevorzugt ein eigener (parallel) Resonanzkreis, mit einer eigenen Resonanzinduktivität, eingesetzt, wobei letztere erforderlich ist, da kein Transformator vorhanden ist, dessen Streu-Induktivität für die Resonanz zur Verfügung stehen würde. Der Spannungswandler kann insbesondere dann, wenn eine Boost-Topologie erwünscht wird, aus einer Eingangsinduktivität und einem Schalt- bzw. Sperrmittel im Längszweig und (in einem dazwischen angeschlossenen Querzweig) einem Resonanzkreis mit Schaltmittel aufgebaut sein. Als Schaltmittel kann beispielsweise ein Schalttransistor vorgesehen sein, und diesem Schaltmitteln bzw. diesem Schalttransistor ist bevorzugt ein Regler – der Primärregler – zugeordnet.
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Die in dieser Topologie übertragenen Energie hängt wie erwähnt von der Frequenz ab, mit welcher der Schalttransistor oder allgemein das Schaltmittel ein- und ausgeschaltet wird; die maximale Frequenz entspricht der Resonanzfrequenz, die durch die Resonanz-Induktivität und Resonanz-Kapazität definiert ist, und der Primärregler muss hierfür ausgelegt sein. Die Sekundärwandler sind mit einer Mindestfrequenz an ihrem Eingang zu versorgen, um die erforderliche Genauigkeit (z. B. wenig Strom-Rippel) an ihrem Ausgang zu erreichen.
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Demgemäß zeichnet sich eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Wandlereinrichtung dadurch aus, dass der Primärwandler-Ausgang durch einen Schaltungspunkt zwischen einer Eingangsinduktivität und einem zwischen der Eingangsinduktivität und einem Energiespeicher vorgesehenen selektiven Sperrmittel, z. B. einer Diode, gebildet ist. Weiters ist es günstig, wenn der Primärwandler einen ein Schaltmittel, z. B. einen Transistor, in einem Querzweig ansteuernden Primärregler aufweist.
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Um Verluste möglichst gering zu halten, ist es hierbei weiters vorteilhaft, wenn der Primärregler das Schaltmittel öffnet, wenn der Strom durch das Schaltmittel ein Minimum aufweist, vorzugsweise aber nur dann, wenn der Strom durch das Schaltmittel positiv ist.
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Andererseits ist es auch vorteilhaft, wenn der Primärregler das Schaltmittel öffnet, wenn der Strom durch das Schaltmittel einen positiven Nulldurchgang durchläuft. Wenn der Stromverlauf von positiv zu negativ wäre, wird hingegen bevorzugt nicht geschaltet, da der negative Strom über die Parasitär-Diode des Schalttransistors mit vergleichsweise hohen Verlusten fließen würde. Der erstgenannte Fall, mit dem Schalten beim Strom-Minimum, wenn der Strom positiv ist, können ebenfalls die Verluste klein gehalten werden. Eine derartige Situation kann sich beispielsweise in der Praxis im Betrieb ergeben, wenn der Resonanzstrom aufgrund eines überlagerten Eingangsstroms und eines nicht auszuschließenden kurzzeitigen Unverhältnisses der beiden Ströme bezüglich Amplitude keinen Nulldurchgang erreicht. Der Minimum-Strom kann durch den Spannungsabfall am Schaltmittel bzw. Transistor oder durch eine Strommessvorrichtung, etwa einen Shunt, erfasst und vom Primärregler über das Messsignal festgestellt werden. Zumeist ist es jedoch vorteilhafter, hierfür den positiven Nulldurchgang der primären Ausgangsspannung heranzuziehen, da diese Spannung größer und daher einfacher zu messen ist.
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Wenn nur Spannungen unterhalb der Versorgungsspannung zu erzeugen sind, kann vorgesehen werden, dass der Energiespeicher des Primärwandlers mit dem Primärwandler-Eingang verbunden wird. Hierfür wird zweckmäßig eine schaltbare Verbindung vom Energiespeicher zum Eingang des Primärwandlers vorgesehen, um so ein Buck-Konverter-Verhalten herbeizuführen, wobei diese Funktion auch nur vorübergehend vorgesehen wird, wenn nämlich der Schalter in der Verbindung eingeschaltet wird.
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Wie erwähnt wird das Schaltmittel im jeweiligen Sekundärwandler geschlossen, wenn die Spannungen am Eingang und am Ausgang (eigentlich am Ausgangsspeicher) des Sekundärwandlers gleich sind. Durch die weiter steigende Spannung am Eingang wird dann der Ausgangsspeicher solange aufgeladen, bis genügend Energie im Ausgangsspeicher vorhanden ist. Dazu dient beispielsweise bevorzugt ein Sekundärregler in jedem Sekundärwandler, der den Zustand der ausreichenden Energie über seinen Regel-Algorithmus feststellt. Hierfür kann beispielsweise als Regelgröße die Spannung (über an sich bekannte Spannungs-Messmittel) am Sekundärwandler-Ausgang herangezogen werden, es ist aber auch denkbar, den Strom hierfür heranzuziehen, der aus dem Ausgangsspeicher in den Ausgang fließt. Dieser Strom kann beispielsweise mit Hilfe eines Shunt-Widerstands oder eines induktiven Stromgebers, allgemein eines Strom-Sensor- mittels erfasst werden. Der Strom erreicht sein Maximum, wenn der Sekundärregler entscheidet, das Schaltelement zu öffnen. Schließlich ist auch eine Leistungsregelung denkbar, wobei dann dem Sekundärregler sowohl die Ausgangsspannung als auch der Strom zur Verfügung gestellt werden. Vorgegeben wird in all den vorgenannten Fällen dem Sekundärregler ein Sollwert über ein entsprechendes Stellglied, etwa einen an sich vorhandenen Mikrocontroller oder eine andere geeignete Schaltung.
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Um für ein kurzzeitiges An- und Ausschalten des Ausgangs des Sekundärwandlers nicht immer den Ausgangsspeicher entladen zu müssen, ist es auch von Vorteil, wenn der Sekundärwandler Trennmittel, z. B. einen Schalttransistor, zum Trennen des Sekundärwandler-Ausgangs vom Ausgangsspeicher aufweist. Vorteilhaft für diese Ausführungsform mit dem Trennmittel zum Trennen des Sekundärwandler-Ausgang vom Ausgangsspeicher ist auch, dass die Regelparameter für den Sekundärwandler-Ausgang erhalten bleiben, auch wenn dieser Ausgang abgeschaltet ist.
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Charakteristisch für die vorliegende Wandlereinrichtung ist, dass diese mit nur einer (Haupt)Induktivität auskommt, und dass insbesondere der Sekundärwandler frei von einer (Speicher-)Induktivität ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert. In den Zeichnungen zeigen im Einzelnen:
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1 ein ganz schematisches Schaltbild einer Wandlereinrichtung mit Spannungswandler und Strom- bzw. Spannungs-Liefermitteln für mehrere Verbraucher, z. B. LED-Lichter;
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2 in einem Blockschaltbild eine Ausführungsform einen solchen Wandlereinrichtung gemäß der Erfindung mit einem Primärwandler und mehreren Sekundärwandlern, je einem Sekundärwandler für einen Verbraucher;
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die 3 und 4 schematische. Diagramme der Ausgangsspannung des Primärwandlers dieser Wandlereinrichtung zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Wandlereinrichtung gemäß 2;
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5 ein detailliertes Schaltbild des Primärwandlers der Wandlereinrichtung gemäß 2;
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6 in einem Diagramm den Verlauf des Stroms durch die Eingangsinduktivität des Primärwandlers gemäß 5;
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7A in einem Frequenzspektrum-Diagramm Oberwellen des Stroms durch die Eingangsinduktivität des Primärwandlers gemäß 5, wobei ersichtlich ist, dass die zweiten und dritten Oberwellen gerade noch sichtbar sind, darüber liegende Oberwellen jedoch nicht mehr messbar sind;
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7B zum Vergleich das Spektrum eines Eingangsstroms bei einem herkömmlichen Wandler, mit Eingangsfilter, wobei wesentlich mehr (höhere) Oberwellen vorhanden sind;
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die 8A und 8B zwei Strom-Spannungs-Diagramme zur Veranschaulichung der Zeitpunkte des Schaltens der Schaltmittel im Primärwandler, um Verluste soweit wie möglich zu vermeiden;
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9 beispielhaft ein detaillierteres Schaltbild eines der Sekundärwandler gemäß 2;
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die 9A und 9B zwei Beispiele für die Schaltmittel der Sekundärwandler; und
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10 in einem Strom-Spannungs-Diagramm die Verhältnisse beim An- und Abschalten des Ausgangsspeichers des Sekundärwandlers.
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In 1 ist das Prinzip einer Wandlereinrichtung 1 wie durch die Erfindung betroffen veranschaulicht. Ein Spannungswandler 2 wird mit seinem Eingang 3 an eine nicht näher veranschaulichte Versorgungsspannung Uin, beispielsweise das Spannungsversorgungssystem eines Fahrzeugs, angeschlossen. Weiters sind Mittel 4 vorgesehen, um verschiedene Ströme und/oder Spannungen an verschiedene Verbraucher 5.1 ... 5n zu liefern. Diese Verbraucher, kurz 5.i, mit i = 1, ... n, (wobei n im Extremfall auch gleich 2 sein kann) sind beispielsweise LED-Lichter eines Kraftfahrzeugs, wobei bekanntlich verschiedene LED-Lichter (z. B. Bremslicht, Rücklicht etc.) in einer Beleuchtungseinheit zusammengefasst sein können. Der Strom durch die LEDs ist dabei für die Helligkeit und die Farbe verantwortlich. Die Verbraucher 5.i können an sich einzelne LEDs sein oder aber Gruppen von LEDs, insbesondere Reihenschaltungen von LEDs, wobei die Anzahl der LEDs von Verbraucher zu Verbraucher verschieden sein können. Dementsprechend sind in der Regel verschiedene Spannungen, aber auch verschiedene Ströme an den Ausgängen der Mittel 4 erforderlich.
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Gemäß 2 weist die Wandlereinrichtung 1 einen Spannungswandler, nachfolgend Primärwandler 2 genannt, auf, der wie nachstehend anhand der 5 noch näher erläutert werden wird, ein Resonanz-Wandler ist, und an dessen Ausgang 6 mehrere Sekundärwandler 7.1, .... 7.n, nachstehend wieder kurz 7.i, mit i = 1 ... n, angeschlossen sind. Für jeden in 2 nicht gezeigten Verbraucher 5.i liegt ein Sekundärwandler 7.i vor, wobei der jeweilige Verbraucher 5.i gemäß 1 am jeweiligen Ausgang 8.i (bzw. 8.1 ... und 8.n) angeschlossen ist. Derartige gesonderte Sekundärwandler 7.i sind vorgesehen, da für jeden Verbraucher, beispielsweise LED-Lichter, je nach Anzahl der LEDs, als Produkt des Stroms und der Anzahl der LEDs, eine andere Spannung erforderlich ist bzw. ein angepasster Strom zur Verfügung zu stellen ist. Hierfür wird aus der nicht stabilen Spannungsversorgung Uin am Eingang 3 des Primärwandlers 2 eine Wechselspannung U6 am Ausgang 6 des Primärwandlers 2 erzeugt, die während einer Periode alle erforderlichen Spannungen für die LED-Lichter, also Verbraucher 5.i, durchläuft. Am Ausgang 6 des Primärwandlers 2 liegt somit eine Wechselspannung U6 vor, und wenn diese Wechselspannung U6, die aus der Eingangsspannung Uin hergeleitet wird, den Wert der jeweiligen Ausgangsspannung, z. B. U1, U2 oder Un, eines Sekundärwandlers 7.i erreicht, wird ein dort vorhandener Ausgangsspeicher 9, wie schematisch in 2 in den Sekundärwandlern 7.1 angegeben, zugeschaltet; danach wird er soweit mit elektrischer Energie geladen, bis die erforderliche Energie für die jeweilige Periode am Sekundärwandler-Ausgang 8.i zur Verfügung steht, wobei dann die Spannung U6 vom Ausgangsspeicher 9 wieder weggeschaltet wird.
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Der Primärwandler 2 hat demgemäß dafür zu sorgen, dass vom Eingang 3 genügend Energie entnommen wird, wobei die Energie verteilt den n Sekundärwandlern 7.i zur Verfügung gestellt wird, damit an deren Ausgängen 8.i ausreichend Energie ankommt.
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Dieses Prinzip des Abgreifens der jeweils erforderlichen Spannung U1 etc. ist nur ganz schematisch in 3 veranschaulicht, wobei dort auch eine idealisierte Wechselspannung U6 als Ausgangsspannung U6 des Primärwandlers gezeigt ist. Diese Ausgangsspannung U6 verläuft bis zu einem Maximalwert Umax, und in dem Bereich von 0 bis Umax werden je nach Bedarf von den Sekundärwandlern 7.i Spannungen, beispielsweise U1 vom Sekundärwandler 7.1, U2 von einem Sekundärwandler 7.2 oder Un vom Sekundärwandler 7.n abgegriffen, und zwar immer dann, wenn die Spannung U6 den Wert der Spannung am jeweiligen Ausgangsspeicher 9 erreicht.
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Der Ausgangsspeicher 9 ist bevorzugt ein Kondensator. Beim Anschalten der Wechselspannung auf den Kondensator bei der aktuellen Kondensatorspannung werden Ausgleichströme vermieden.
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In 4 ist zur Vervollständigung das periodische Anschalten der Wechselspannung U6 bei einem Wert U1 an den Kondensator bzw. allgemein Ausgangsspeicher 9 des ersten Sekundärwandlers 7.1 veranschaulicht.
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Wenn die erforderlichen Spannungen der Verbraucher 5.i an den Ausgängen 8.i über der Eingangsspannung U3 liegen können, ist es notwendig, dass der Primärwandler 2 eine Topologie aufweist, welche eine Hochsetzung der Spannung ermöglicht. Bevorzugt ist daher der Primärwandler 2 in allen Fällen ein Boost-Konverter.
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Jeder Sekundärwandler 7.i hat folgende Eigenschaften: Er schaltet wie erwähnt seinen Ausgangsspeicher 9 dann dem Ausgang 6 des Primärwandlers 2 auf, wenn dort die Spannung U6 gerade an dem Punkt vorbeiläuft, die an seinem Ausgang 8.i bzw. Ausgangsspeicher 9 anliegt; vergl. 3 und 4. Weiters muss er seinen. Ausgangsspeicher 9 dann vom Ausgang 6 des Primärwandlers 2 wegschalten, wenn der Ausgangsspeicher 9 genügend Energie für seinen Ausgang 8.i über die Dauer der nächsten Periode hat, vergl. die Perioden in 4.
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Die Sekundärwandler 7.i können mit wenigen Schaltelementen und einem Sekundärregler aufgebaut werden, wobei der Sekundärregler die Schaltelemente bedient, wie dies nachstehend anhand der 9 noch näher erläutert werden wird. Daher ist für den Ausgang prinzipiell keine weitere Induktivität erforderlich, die einzige wesentliche Induktivität oder Hauptinduktivität befindet sich im Primärwandler 2, wie nunmehr anhand der 5 näher erläutert werden soll.
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Gemäß 5 weist der Primärwandler 2 eine Eingangs-Induktivität oder Spule 10 sowie in Reihe damit ein selektives Schalt- oder Sperrmittel 11, vorzugsweise aus Kostengründen in Form einer Diode, auf, wobei an letzteres ein Energiespeicher 12 angeschaltet ist. Zwischen der Induktivität 10 und dem Sperrmittel 11 ist ein Schaltmittel 13, vorzugsweise in Form eines Schalttransistors, insbesondere Feldeffekttransistors, vorgesehen. Insoweit entspricht der Primärwandler 2 in seinem Aufbau einem an sich bekannten Boost-Konverter. Überdies ist im Querzweig zum Schaltmittel 13 eine Resonanz-Induktivität 14 vorgesehen, die zusammen mit einem dazu parallel geschalteten Resonanz-Kondensator 15 einen Resonanzkreis 16 bildet. Insofern ist der Spannungswandler (Boost-Wandler) als resonanter Wandler 2 ausgebildet. Dabei liegt der Ausgang 6 am Verbindungspunkt zwischen Eingangs-Induktivität 10, Resonanz-Induktivität 14, Resonanz-Kondensator 15 und Schalt- bzw. Sperrmittel 11, also vor der „Gleichrichtung” durch das Sperrmittel 11, und nicht wie sonst üblich danach, nämlich am Ausgangsspeicher 12.
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Die Komponenten 10, 11 und 12 können wie bei einem herkömmlichen Wandler dimensioniert sein, wobei die Eingangs-Induktivität 10 beispielsweise einen Wert von 3 μH haben kann, und wobei für den Schalttransistor 13 ein Widerstand von 20 mΩ angesetzt werden kann. Als Sperrmittel 11 könnte beispielsweise eine Schottky-Diode mit 5 A bis 8 A Stromtragfähigkeit eingesetzt werden, und als Ausgangsspeicher 12 kann ein Kondensator mit 50 μF dienen.
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Die Komponenten des Resonanzkreises 16 sind wesentlich kleiner dimensioniert, wobei die Resonanzspule 14 beispielsweise eine Induktivität von 330 nH und der Resonanz-Kondensator eine Kapazität von 150 nF aufweisen kann.
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Von Vorteil ist, dass aufgrund des Resonanzkreises 16 kaum Oberwellen im Strom vom Eingang 3 her auftreten, sodass die Oberwellenbelastung der Eingangs-Induktivität 10 praktisch entfällt. In 6 ist beispielhaft ein Strom I10 durch die Eingangs-Induktivität 10 veranschaulicht, wobei eine mehr oder weniger gute Sinusform vorliegt. Es kann daher beim vorliegenden Primärwandler 2 auf das sonst notwendige Eingangsfilter verzichtet werden, was trotz der Resonanzkreisbauteile – die eben sehr klein dimensioniert sein können – eine Einsparung erbringt.
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In 7A ist beispielhaft ein Frequenzspektrum des Stroms I10 durch die Eingangs-Induktivität 10 veranschaulicht, wobei sich ergibt, dass die zweite und dritte Oberwelle gerade noch sichtbar sind, höhere Oberwellen jedoch nicht mehr messbar sind.
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Im Vergleich dazu ist ein Beispiel eines Frequenzspektrums des Eingangsstroms Iin für einen herkömmlichen Wandler mit Eingangsfilter in 7B gezeigt, wobei auch z. B. die neunte Oberwelle noch gut erkennbar ist. (Die Oberwellen sind in 7A und 7B mit „1” bis „3” bzw. „1” bis „9” bezeichnet, wobei „8” aus Platzgründen in 7B ausgelassen wurde.)
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Für beide Abbildungen, 7A wie 7B, ist ein Frequenzbereich von 100 kHz bis 3 MHz herangezogen worden.
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Bei der vorliegenden Ausbildung liegt somit in der Induktivität 10 ein wesentlich geringerer Verlustanteil aus den Oberwellen vor, verglichen mit der herkömmlichen Lösung, wobei gilt, dass der Widerstand der Induktivität 10 für Oberwellen wesentlich höher ist als für Grundwellen.
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Die Funktion des Primärwandlers 2 gemäß 5 wird von einem Primärregler 17 gesteuert. Dieser Primärregler 17 muss berücksichtigen, dass die beim vorliegenden Primärwandler 2 übertragene Energie von der Frequenz abhängt, mit welcher der Schalttransistor 13 ein- und ausgeschaltet wird, wobei die maximale Frequenz der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises 16 entspricht. Für die Sekundärwandler 7.i ist dabei eine Mindest-Frequenz an ihrem Eingang, dem Ausgang 6 des Primärwandlers, erforderlich, um die gewünschte Genauigkeit (maximales Ausmaß von „Rippeln”) am jeweiligen Ausgang 8.i zu erreichen.
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Der Primärregler 17 ist mit seinem Ausgang mit dem Schaltertransistor 13 verbunden, um diesen wie erwähnt ein- und auszuschalten. Mit zwei Eingängen 18, 19 ist der Primärregler 17 an die Drain- und Source-Elektrode des Schalttransistors 13 angeschlossen, wobei überdies ein. Widerstand 20 als Strom-Messwiderstand vorgesehen sein kann.
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Der Primärwandler 2 arbeitet dann möglichst effizient, wenn im Schalttransistor 13 minimale Verluste auftreten. Das kann dadurch erreicht werden, dass der Primärregler 17 den Schalttransistor 13 dann ausschaltet, wenn der Strom von negativ auf positiv ansteigt und einen Nulldurchgang hat, wobei im Nulldurchgang geschaltet wird, siehe Pfeil in 8A: In 8A sind die Spannung U6 am Ausgang des Primärwandlers 2, der Strom I10 durch die Eingangsinduktivität sowie der Strom I13 durch den Schalttransistor 13 veranschaulicht. Der andere Nulldurchgang, nämlich von positiv zu negativ, sollte bevorzugt nicht zum Schalten gewählt werden, da dann der negative Strom über die (in 5 nicht veranschaulichte) Parasitärdiode des Schalttransistors 13 fließen würde, was entsprechende Verluste bedeuten würde.
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Es kann zu Situationen kommen, in denen es keinen derartigen Strom-Nulldurchgang gibt, vergl. 8B, beispielsweise bei einem Last- oder Spannungssprung oder beim Hochfahren der Wandlereinrichtung. In diesen Sonderfällen wird zweckmäßig im Stromminimum geschaltet, vergl. 8B, wobei auch hier die Schaltverluste minimiert werden können.
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Dieses Stromminimum kann zwar ebenfalls durch den Spannungsabfall am Transistor 13 (siehe die Anschlüsse 18, 19) oder mit Hilfe eines Strommess-Widerstands, nämlich des Widerstands 20, vom Primärregler 17 erfasst werden, vorteilhafter ist es aber hier, anstatt dessen den gleichzeitigen positiven Nulldurchgang der Ausgangsspannung U6 des Primärwandlers 2 heranzuziehen, da diese Ausgangsspannung U6 um Dimensionen größer ist, verglichen mit dem Strom, und daher einfacher gemessen werden kann. Diese Messung ist konkret in 5 der besseren Übersicht wegen nicht näher veranschaulicht, aber an sich herkömmlich, und es ist am Primärregler 17 ein Eingang U6 für die gemessene Ausgangsspannung U6 schematisch veranschaulicht.
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Wenn keine Spannungs-Hochsetzung erforderlich ist, vielmehr nur Ausgangsspannungen U6 unterhalb der Versorgungsspannung Uin zu erzeugen sind, kann der Energiespeicher 12 im Primärwandler 2 mit dem Eingag 3 zusammengeschlossen werden, siehe die Verbindung 21 in 5. Um hier jedoch für allfällige andere Betriebssituationen flexibel zu sein, wird in dieser Verbindung 21 bevorzugt ein Schaltelement 22 angeordnet.
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In 9 ist eine beispielhafte Ausführung eines Sekundärwandlers veranschaulicht, der hier der einfachheitshalber mit 7, ohne Zusatzpunkt i, bezeichnet ist, ebenso wie sein Ausgang 8. Der Eingang dieses Sekundärwandlers 7 ist mit dem Ausgang 6 des Primärwandlers 2 mit 5 verbunden. Weiters ist in 9 ersichtlich, dass der Ausgangsspeicher 9, ein entsprechend dimensionierter Kondensator, nicht direkt mit dem Ausgang 8 verbunden ist, sondern, dass inzwischen nachstehend näher erläuterte Komponenten liegen.
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Zwischen dem Eingang 6 und dem Ausgangsspeicher 9 liegt ein Schaltelement 23, das von einem Sekundärregler 24 betätigt wird.
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Auch beim Sekundärwandler 7 wird angestrebt, möglichst geringe Verluste zu erhalten, was u. a. dadurch erreicht wird, dass Ausgleichsströme vermieden werden. Wie bereits vorstehend angeführt, ist hierfür vor allem angestrebt, dass der Ausgangsspeicher bzw. Kondensator 9 dann aufgeladen wird, d. h. an die Eingangsspannung U6 angeschaltet wird, wenn diese Eingangsspannung U6 gleich der Ausgangsspannung bzw. der Spannung U9 (s. 10) am Ausgangsspeicher 9 ist, wobei wie erwähnt die Eingangsspannung U6 zum Einschaltzeitpunkt im Steigen sein soll.
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Der Schaltelement 23 besteht gemäß 9A vorzugsweise aus einer Diode 24 und einem Schalttransistor 25, oder aber gegebenenfalls, gemäß 9B im Hinblick auf Verlustleistungs-Gesichtspunkte aus zwei in Reihe angeordneten Transistoren 26, 27, die entgegengesetzt gepolt sind, wie aus den Richtungen der Parasitär-Dioden erkennbar ist.
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Da die Aufgabe des Sekundärreglers 7 darin besteht, einen Strom am Ausgang 8 einzuprägen, ist ein Strom-Sensormittel 28 zwischen dem Ausgangsspeicher 9 und dem Ausgang 8 vorgesehen, wobei der Sekundärregler 24 einen entsprechendes Strom-Messsignal „I28” zugeführt erhält, um Information über den aus dem Energiespeicher 9 in den Ausgang 8 fließenden Strom zu erhalten.
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Als Beispiele für derartige Strom-Sensormittel 28 (wie auch 20 in 5) sind außer einem Shunt-Widerstand auch induktive Fühler, Hall-Effekt-Sensoren und dergl. Sensormittel zu nennen.
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Der Sekundärregler 24 schließt wie erwähnt das Schaltelement 23 dann, wenn die Spannungen am Eingang 6 und am Ausgang 8 bzw. eigentlich am Energiespeicher 9 gleich sind. Dann wird durch die steigende Spannung U6 am Eingang 6 der Energiespeicher, d. h. der Kondensator 9, solange aufgeladen, bis der Sekundärregler 24 im Zusammenhang mit seinem Regelalgorithmus feststellt, dass genügend Energie im Kondensator 9 gespeichert ist. Für diese Feststellung kann z. B. der Strom I28 dienen, der aus dem Speicher-Kondensator 9 zum Ausgang 8 fließt. Der Strom I28, der mit Hilfe des Strom-Sensormittels 28 erfasst wird, erreicht ein Maximum, wenn der Sekundärregler 7 entscheidet, das Schaltelement 23 zu öffnen, wobei hiermit der Energiefluss vom Eingang 6 zum Ausgangsspeicher, d. h. Kondensator 9, unterbunden wird. Hierzu ist 9 schematisch ein Komparator 29 gezeigt, dem die Spannungen in Eingang 6 bzw. am Ausgang 8 zugeführt werden, und dessen Ausgang an ein Schaltsignalelement 30 gelegt ist, um bei Gleichheit ein Einschalt-Signal zu bewirken, welches über einen Multiplizierer bzw. ein UND-Gatter 31 an das Schaltelement 23 angelegt wird. Andererseits wird einem weiteren Komparator 32 ein Signal des Strom-Sensormittels 28 zugeführt. Dieses Strom-Signal wird mit einem von einem Sollwertgeber 33 zugeführten Sollwertsignal 34 verglichen, und bei Gleichheit wird dann ein Aus-Schaltsignal erzeugt und das Schaltelement 23 geöffnet, vgl. auch 10.
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Wenn auf eine Spannung geregelt werden soll, kann direkt die Spannung am Ausgang 8 für die Regelung herangezogen werden, wie dies ebenfalls am oberen Eingang des Komparators 32 als Alternative angedeutet ist.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Produkt aus Strom I28 und Spannung U8, also die Ausgangsleistung P = I28 × U8, zu erfassen, wenn eine Leistungsregelung für den Sekundärregler 24 vorgesehen ist. In den beiden letztgenannten Fällen ist das Sollwertgeber bzw. das Stellglied 33, etwa ein Mikrocontroller oder eine andere geeignete Schaltung, entsprechend vorzusehen, um den gewünschten Sollwert zur Verfügung zu stellen.
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In 10 ist in einem Diagramm dieses Ein- und Ausschalten des Schaltelements 23 in Verbindung mit dem Verlauf der Eingangsspannung U6, der Ausgangsspannung U9 bzw. U8 sowie dem Istwert 35 am anderen Eingang des Komparators 32 (also der Stromwert I28, gemessen vom Sensormittel 28, oder die Ausgangsspannung U8 bzw. U9 oder aber das Produkt P von Strom mal Spannung) gezeigt. Weiters sind die Schaltsignale „ON” und „OFF” für das Schaltelement 23 mit Pfeilen angedeutet.
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Wie weiters das in 9 veranschaulicht, ist auch vorgesehen, ein kurzzeitiges Ein- und Ausschalten über ein Steuersignal 36 zu ermöglichen, das von einem Steuerelement 37 abgegeben wird, wie etwa einem Mikrocontroller, einem Schalter oder einem beliebigen anderen Signalgenerator; um dabei den Ausgangsspeicher 9 nicht entladen zu müssen, ist ein eigener Schalter, z. B. Schalttransistor, als Trennmittel 38 am Ausgang 8 vorgesehen. Von Vorteil ist bei einer derartigen Ausführung mit Schalter 38, dass die Regelparameter für den Ausgang 8 erhalten bleiben, auch wenn dieser Ausgang 8 abgeschaltet ist.
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Wenn die Erfindung vorstehend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert wurde, so sind doch selbstverständlich weitere Abwandlungen und Modifikationen im Rahmen der Erfindung möglich. So können als Strom-Sensormittel 20 bzw. 28 nicht nur ein Shunt-Widerstand ein induktiver Stromgeber oder ein Hall-Effekt-Sensor vorgesehen werden, sondern auch andere Elemente, wie PTC oder NTC-Widerstände etc., die über einen thermischen Effekt oder aber über einen elektromechanischen oder thermomechanischen Effekt Rückschlüsse auf die Stromstärke ziehen lassen. Als Schalt- oder Sperrmittel 11 kann außer einer Diode oder Schottky-Diode, wie bereits erwähnt, auch ein Schalter, wie ein Schalttransistor, eingesetzt werden. Weiters ist es nicht unbedingt erforderlich, den Primärwandler 2 wie gezeigt als Boost-Konverter zu konfigurieren, wenn von vorneherein sicher ist, dass niemals höhere Ausgangsspannungen, verglichen mit der Eingangsspannung am Eingang 3 (also der Versorgungsspannung), erforderlich sind.
