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Die Erfindung bezieht sich auf Wandlerschaltungen zur Umformung von Gleichspannungen in Wechsel-, Glelch- oder Mischspannungen an einer Last mit Hilfe eines spannungskompensierten D-Verstärkers, aufgebaut mit komplementär angesteuerten strombidirektionalen Schaltern (Anti parallelschaltung eines aktiven Halbleiterschalters wie Bipolartransistor, MOSFET, IGBT, GTO, MCT, SIT (h) mit einem passiven Schalter (Diode)) und einem in Reihe geschalteten Filter und einer Kompensationseinrichtung.
Die Betnebsgleichspannung kann je nach Anwendungsfall von einer Batterie, Solarzellen, Brennstoffzellen geliefert werden, oder durch Gleichnchtung aus dem Ein- oder Mehrphasennetz, bzw. durch Gleichrichtung der Ausgangsspannung von Wechsel- oder Drehstromgeneratoren und anschliessender, eventuell auch nur grober Filterung, gewonnen werden
Im D-Verstärker wird mit Hilfe verschiedener Modulationsverfahren z. B. Pulsbreitenmodulation, SigmaDelta Modulation aus dem zu verstärkenden Signal (Um) (bzw. einem digital übermittelten Vorgabewert, der dann direkt weiter verarbeitet werden kann) ein digitales Signal erzeugt, das mit Hilfe einer (Halb- oder Voll- ) Brückenschaltung in der Amplitude verstärkt wird und In einer anschliessenden Filterstufe in das gewünschte, verstärkte Analogsignal umgeformt wird.
Verwiesen sei In diesem Zusammenhang auf den Artikel "Multl-purpose Half-Bridge DC-AC Converter, Hlmmelstoss, FA & K. H. Edelmoser, INTELEC'95, Oct. 29 Nov 1,1995, The Hague, The Netherlands, pp. 684-689". Einen Überblick über verschiedene Modulationsverfahren findet man In dem Artikel "Interpolative Sigma Delta Modulators for High Frequency Power
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Besonders vorteilhaft bei der hier besprochenen Schaltung Ist die Tatsache, dass durch entsprechende Ansteuerung Spannungen beliebiger Form erzeugt werden können. Von praktischer Bedeutung sind dabei besonders Nf Signale wie z B. Sprach- oder Musiksignale. Als Anwendung des Systems sind Beschallungsemnchtungen für Gebäude, Bahnhöfe, Reisezugwaggons, Sportanlgen, Freiluftkonzerte und ähnliches zu nennen. Bel entsprechender Dlmensionierung kann auch HiFi Qualität erreicht werden. Ebenso ist das System geeignet, Sinusspannungen und Trapezspannungen mit vorgebbarer Frequenz zur Ansteuerung von Wechselstrommaschinen zu verstärken und als Treiberstufe für hochwertige Positionierantriebe bzw. Aktuatoren zu dienen. Eine weitere Anwendung kann In der Realisierung von hochqualitativen Netzspannungssimulatoren liegen.
Zu den Entgegenhaltungen, die den nächstgelegenen Stand der Technik darstellen, ist folgendes anzumerken :
In US 5, 117, 198 ist ein D-Verstärker mit Spannungsversorgungsausgleich geoffenbart. Dadurch wird das Problem einer Gleichstromvormagnetisierung des Lautsprechers bekämpft, das durch ungleichmässige Aufladung der Betnebsspannungskondensatoren bei einem Halbbruckenwandler auftritt. Durch Einbeziehen der Spannung an der Last kann dieses Problem auch mit Hilfe einer entsprechenden Regelung überwunden
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geht es jedoch darum, den durch einen Klasse-D Verstärker entstandenen Rippel der Ausgangsspannung bei geringem Filterautwand durch Einprägen einer Kompensationsspannung wesentlich zu verkleinern.
In DE 29 39 365 A1 wird em Leistungsverstärker der Klasse D dargestellt, der komplementäre MOS Transistoren in der Halbbrücke verwendet, eine optische Trennung im Signalpfad hat und durch die glelchgenchtete, geglättete Netzspannung versorgt wird. Auch hier geht es nicht um die Verringerung des Rlppels mit aktiven Massnahmen.
Bel der gegenständlichen Erfindung handelt es sich um eine Regelvorrichtung, die eine Kompensationsspannungsquelle so regelt, dass der durch den D-Verstärker an der Last entstehende Spannungsrippel minimiert wird. Diese Regelvorrichtung für einen spannungskompensierten D-Verstärker zur Verstärkung einer analogen Eingangsspannung oder eines digitalen Vorgabewertes, bestehend aus einer Modulationseinheit (3) zur Analog/Digital Wandlung, damit angesteuerten Brückenschaltungen (1), bestehend aus durch mit Hilfe von komplementär, unter Einbeziehung einer kurzen Verriegelungszeit angesteuerten strombidirektionalen Schaltern, das sind eine Antiparallelschaltung eines aktiven Halbleiterschalters, wie Bipolartransi- stor, MOSFET, IGBT, GTO, MCT, SIT (h) mit einem passiven Schalter (Diode),
zur Verstarkung des digitalen Signals, wobei die dafür erforderliche Energie einer Gleichspannungsquelle (6) entnommen wird, zwei- (oder mehrstufigem) Filter (2) zur Abschwächung der Schaltfrequenz im verstärkten Digitalsignal und einer in Serie mit der Last (5) liegenden Kompensationseinrichtung (4) ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung der Kompensationsquelle (7) mit einem Regler (11), der einen differenzierenden Anteil beinhalten kann, so geregelt wird, dass dem Soll-Ist-Vergleich (13) die Spannung an der Last (5) UOU, über einen Abschwächer (12) auf den Minusemgang zugeführt wird und das zu verstärkende Signal Um einer Filternachbildung (9) und einem anschliessenden Verzögerungsglied (10)
zugeführt wird und dieses so gefilterte und verzögerte Signal als Sollwert Uso" dem Plus-Eingang des Soll-Ist-Vergleichs (13) zugeführt
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wird.
Die Bilder zeigen allgemein das Prinzip des spannungskompensierten D-Verstärkers ausgeführt als Halbbrücke (Fig. 1) oder Vollbrücke (Fig. 2), Fig. 3 zeigt ein Modell eines unkompenslerten D-Verstärkers, Fig. 4 stellt den Kompensator bestehend aus Kompensation- quelle und zugehörigen Regler dar und schliesslich stellt Fig. 5 die Regeleinrichtung im Detail dar.
Die Erfindung bezieht sich auf Wandierschaltungen (Fig. 1, Fig. 2) zur Umformung von Gleichspannung- gen (6) in Wechsel-, Gleich- oder Mischspannungen an einer Last (5) mit Hilfe eines spannungskompensierten D-Verstärkers, aufgebaut mit komplementär angesteuerten strombidirektionalen Schaltern und einem in Reihe geschalteten Filter (2) und einer Kompensationseinrichtung (4) zur Kompensation des entstehenden Rlppels an der Last. Zur Erläuterung wie ein D-Verstärker aufgebaut sein kann dient die Fig. 3, wo zum besseren Verständnis auch Bauteilwerte angeführt sind.
Figur 4 und Figur 5 zeigen den Aufbau des gegenständlichen Systems. Das zu verstärkende Signal (U, n) wird neben der Modulationseinheit (3) zur Erzeugung des digitalen Signals einer Filternachbildung (9)
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(1)Sollwert (Uso") wird mit dem reduzierten Spannungssignal (UL"t) der Last (Uout) als Istwert verglichen (Abschwächer (12)) und einem Regler (11) zugeführt Ein D-Anteil im Regler Ist In dieser Anwendung für die Funktion des Kompensators (4) wesentlich, ebenso ist die Verwendung der Filternachbildung (9), sowie die Laufzeitkompensation (10) für die Funktion massgeblich. Der Regler (11) steuert dann die Kompensationsspannungsquelle (7). die Kompensationsquelle (7) kann z.
B. mit einer analogen komplementären Gegentaktendstufe, durch einen Analogverstärker, dessen Ausgangsspannung mit Hilfe eines Transformators eingekoppelt wird, bzw. durch einen entsprechend hochdynamisch gestalteten weiteren D-Verstärker oder Schaltnetzteil (zur Erhöhung der Dynamik auch bidirektional) realisten sein. Als besonders vorteilhaft ist die Tatsache anzusehen, dass die von der Kompensationsquelle (7) aufzubringende Leistung nur einige Prozent der Gesamtleistung beträgt. Dies führt zu einem entsprechend hohen Wirkungsgrad der Gesamtanordnung.
Bei der praktischen Realisierung kann sowohl der Modulatorteil (3), als auch der Regler (8) für die Kompensationsspannungsquelle (bestehend aus Fitternachbildung (9), Zeitverzögerung (10), Soll-lst-Vergleich (13) und Regler (11)) digital mit einem Signalprozessor erzeugt werden. Ebenso kann die Optimierung des Reglers bzw. die Bestimmung der optimalen Verzögerungszeit bei der ersten Inbetriebnahme mit einer bestimmten Last mit Hilfe des Prozessors durchgeführt werden, bzw. mit Hilfe einer Adaption während des Betriebes selbsttätig optimiert werden.
Die Schaltfrequenz wird dem Anwendungszweck entsprechend gewählt, wobei eine höhere Frequenz eine Verringerung des Ausgangsspannungsrippels und daher eine geringere Kompensatonsspannung (kleinere Leistung, die vom analogen Verstärk8ffljl aufgebracht werden muss) mit sich bnngt und auch in Hinblick auf die Dimensionierung des Ausgangefilters (Drosseln und Kondensatoren) zweckmässig ist.
Bezugsbezeichnungsaufstellung 1 Leistungs-Brückenschaltung
2 Filter
3 Modulationseinheit
4 Kompensationseinrichtung
5 Last
6 Gleichspannungsversorgung, Betriebsgleichspannung
7 Kompensationsspannungsquelle
8 Regeleinrichtung
9 Filternachbildung 10 Verzögerungselement
11 Regler
12 Abschwächer
13 Soll-Ist-Vergleich
Um zu verstärkendes Signal Upon sollwert
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