AT503778A1 - Vorrichtung zum steuern der spannungsversorgung eines verbrauchers, insbesondere einer beleuchtung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Steuern der Spannungsversorgung eines Verbrauchers, insbesondere einer Beleuchtung, mit einem an einer Wechselspannungsquelle anliegenden Spannungswandler, der zwei in Reihe geschaltete elektronische Schaltstufen umfaßt, zwischen denen die Ausgangsspannung über eine Induktivität abgreifbar ist, und mit einer Steuerschaltung, die die Schaltstufen mit einer vorgegebenen, die Frequenz der Wechselspannung mehrfach übersteigenden Taktfrequenz und einem das Übersetzungsverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung des Spannungswandlers bestimmenden Tastverhältnis ansteuert.

Um Verbraucher mit einer Gleichspannung zu versorgen, werden Buck-Konverter eingesetzt, die eine an der Eingangsspannung anliegenden Reihenschaltung eines Halbleiterschalters und einer Diode aufweisen, an der die Ausgangsspannung über \ f f eine Induktivität abgegriffen wird, über die der Laststrom während des geöffneten ' */

Halbleiterschalters fließt. Da der Halbleiterschalter mit Hilfe einer Steuerschaltung im Sinne einer Pulsweitenmodulation angesteuert wird, ergibt sich ein Tiefsetzsteller, bei dem das Tastverhältnis, also das Verhältnis der Puls- zur Periodendauer, das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung bestimmt. Um nicht nur Gleichspannungen, sondern auch Wechselspannungen tiefsetzen zu können, könnten zwei Buck-Konverter für je eine Halbwelle eingesetzt und mit der doppelten Frequenz der Eingangsspannung umgeschaltet werden. Während des Nulldurchganges der Eingangsspannung und - da nicht nur mit ohmschen Verbrauchern gerechnet werden kann - auch des Laststromes ergeben sich allerdings Schwierig- * * ·· ·· ι : ···* · • · · · · • ··· · · t · · · ·· Μ

• · · • · · • · · • · · keiten, und zwar einerseits wegen der Schaltzeiten und anderseits wegen der Spannungs- und Strompolaritäten, weil aufgrund von Meßfehlern im Bereich des Nulldurchganges der Eingangsspannung bzw. des Laststromes der Nulldurchgang und damit die Polarität nicht genau bestimmt werden können.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Steuern der Spannungsversorgung eines Verbrauchers mit einem Spannungswandler anzugeben, der mit Hilfe von Halbleiterschaltern ein möglichst verlustfreies Tiefsetzen der eingangsseitigen Wechselspannung erlaubt, ohne unzulässige Änderungen des Spannungsverlaufs in Kauf nehmen zu müssen, wie dies beispielsweise für die Steuerung von Straßenbeleuchtungen gefordert wird.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Schaltstufen jeweils eine Reihenschaltung zweier je mit einer parallelen Freilaufdiode versehener Halbleiterschalter mit gegensinniger Sperrichtung aufweisen, daß die Steuerschaltung die Halbleiterschalter je für sich in Abhängigkeit einerseits von der Eingangsspannung und anderseits vom Laststrom ansteuert und daß die Halbleiterschalter einer Schaltstufe von der Steuerschaltung unmittelbar oder über ein Nicht-Gatter ansteuerbar sind.

Durch diese Maßnahmen wird zunächst sichergestellt, daß jede Schaltstufe wie ein Halbleiterschalter mit wahlweiser Sperrichtung betrieben werden kann, weil zu diesem Zweck lediglich der Halbleiterschalter mit der gewünschten Sperrichtung mit dem gewünschten Tastverhältnis betätigt und der andere geöffnet zu werden braucht, so daß der geöffnete Halbleiterschalter durch die ihm zugeordnete Freilaufdiode überbrückt wird. Da durch das Schließen eines der beiden Halbleiterschalter und das öffnen des jeweils anderen Halbleiterschalters einer Schaltstufe diese im Sinne einer Diode mit wählbarer Sperrichtung eingesetzt werden kann, kann mit Hilfe einer solchen Schaltung in einfacher Art ein Tiefsetzsteller sowohl für die positive als auch die negative Halbwelle der Eingangsspannung durch eine entsprechende Ansteuerung der Halbleiterschalter über eine Steuerschaltung verwirklicht werden. ·· ·· ·#·» · • · · · · ·· · • · · · ··· * · • · · · · · m ··* *·· ··· 3ή

Um die Unsicherheit hinsichtlich der Bestimmung der Polaritäten der Eingangsspannung oder des Laststromes im Bereich ihrer Nulldurchgänge berücksichtigen zu können, werden im Nulldurchgangsbereich jeweils beide Polaritäten zugelassen, indem die Halbleiterschalter der beiden Steuerstufen entsprechend alternierend angesteuert werden. Dies gelingt durch eine unmittelbare Ansteuerung der Halbleiterschalter der einen Schaltstufe und eine Ansteuerung der Halbleiterschalter der anderen Schaltstufe über ein Nicht-Gatter. Aus diesem Grunde ist für die Halbleiterschalter der einen Schaltstufe ein Umschalter vorzusehen, der in Abhängigkeit vom Nulldurchgang der Eingangsspannung bzw. des Laststromes die jeweiligen Halbleiterschalter über ein Nicht-Gatter an die Steuerschaltung legt. Dies bedeutet, daß im Bereich des Nulldurchganges der Eingangsspannung zwei unterschiedlichen Schaltstufen angehörige Halbleiterschalter mit gegensinniger Sperrichtung einerseits unmittelbar und anderseits über das Nicht-Gatter von der Steuerschaltung angesteuert werden müssen, um bei einer vorgegebenen Richtung des Laststromes beide Polaritäten der Eingangsspannung zuzulassen. Im Bereich des Nulldurchganges des Laststromes sind hingegen die Voraussetzungen für beide Polaritäten des Laststromes zu schaffen. Zu diesem Zweck steuert die Steuerschaltung die beiden Halbleiterschalter der einen Schaltstufe unmittelbar und die Halbleiterschalter der anderen Schaltstufe über das Nicht-Gatter gemeinsam an, so daß der Laststrom in der einen Richtung über die eine und in der anderen Richtung über die andere Schaltstufe fließen kann.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern der Spannungsversorgung eines Verbrauchers in einem vereinfachten Blockschaltbild und Fig. 2 den zeitlichen Verlauf einerseits der Eingangsspannung des Spannungswandlers und anderseits des Laststromes.

Die dargestellte Vorrichtung zeigt gemäß der Fig. 1 zwei Schaltstufen 1 und 2 in einer an den Eingangsklemmen 3 anliegenden Reihenschaltung. Die Eingangs- ·· ·· ···· · ·· · • · · · · ······ • ·· ···· · · f 9 • 999 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 A9 9 9 9 99 ·Ι ··· - 4η ·· 999

Spannung ue ist eine Wechselspannung, beispielsweise eines Wechselstromnetzes. Die an den Ausgangsklemmen 4 anliegende Ausgangsspannung uL wird an der Schaltstufe 2 über eine Induktivität 5 abgegriffen. Die Schaltstufen 1 und 2 umfassen jeweils zwei Halbleiterschalter 6 und 7 mit gegensinniger Sperrichtung in einer Reihenschaltung. Diese Halbleiterschalter 6 und 7 sind jeweils durch eine Freilauf-diode 8 überbrückt. Die Halbleiterschalter 6 und 7, beispielsweise MOSFETs oder IGBTs, können über eine Steuerschaltung 9 je für sich im Sinne einer Pulsweitenmodulation angesteuert werden, wobei die Pulsdauer des Pulsgenerators 10 über eine Eingabe- und Anzeigeeinrichtung 11 zur Vorgabe eines bestimmten Tastverhältnisses und damit eines entsprechenden Übersetzungsverhältnisses des Spannungswandlers eingestellt werden kann. Die Pulsfrequenz des Pulsgenerators 10 soll dabei entsprechend über der Frequenz der an den Eingangsklemmen 3 anliegenden Wechselspannung liegen und kann z.B. mindestens der dreifachen Wechselspannungsfrequenz entsprechen. Während die Ansteuerung der Halbleiterschalter 6 und 7 der Schaltstufe 1 über die Steuerschaltung 9 unmittelbar erfolgt, können die Halbleiterschalter 6 und 7 der Schaltstufe 2 wahlweise unmittelbar oder über ein Nicht-Gatter 12 angesteuert werden. Zu diesem Zweck ist jeweils ein elektronischer Umschalter 13 vorgesehen, der von der Steuerschaltung 9 in Abhängigkeit vom Verlauf der Eingangsspannung bzw. des Laststromes beaufschlagt wird.

In der Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf des Laststromes it_ in Beziehung zum Verlauf der Eingangsspannung uE gesetzt, und zwar für eine induktive Last, bei der der Strom ii_ der Spannung ul nacheilt. Die in der Fig. 1 dargestellten Bezugspfeile für die Spannungen uE, uL und den Strom ii_ entsprechen den positiven Werten gemäß der Fig. 2. Für die Ansteuerung der Schaltstufen 1 und 2 über die Steuerschaltung 9 sind die unterschiedlichen Polaritäten der Eingangsspannung uE einerseits und des Laststromes iL anderseits zu berücksichtigen. Aus diesem Grunde wird die Steuerschaltung 9 sowohl mit der an den Eingangsklemmen 3 anliegenden Eingangsspannung uE als auch mit dem Ausgangssignal eines Stromgebers 14 beaufschlagt. Entsprechend der Darstellung der Fig. 2 ergeben sich in einem Periodenabschnitt a eine positive Eingangsspannung uE und ein positiver Laststrom ii_, in einem Periodenabschnitt b eine negative Eingangsspannung uE bei einem positiven Laststrom ··

·· ft fttt • · · t · • ·· ·Φ#· 9 9 · · · • t t t · ft ·· ··· iLl in einem Periodenabschnitt c sowohl eine negative Eingangsspannung ue als auch ein negativer Laststrom i|_ und in einem Periodenabschnitt d eine positive Eingangsspannung ue und ein negativer Laststrom ii_.

Damit die Polaritäten entsprechend dem Periodenabschnitt a berücksichtigt werden, ist der Halbleiterschalter 6 der Schaltstufe 1 im eingestellten Tastverhältnis anzusteuern und der Halbleiterschalter 7 zu öffnen, der somit durch seine Freilaufdiode 8 überbrückt wird. Der Halbleiterschalter 6 der Schaltstufe 2 ist ebenfalls zu öffnen, so daß seine Freilaufdiode 8 wirksam wird, während der Halbleiterschalter 7 geschlossen bleiben muß. Dies bedeutet, daß der in diesem Periodenabschnitt a positive Halbwellenabschnitt der Eingangsspannung ue gemäß dem eingestellten Tastverhältnis tiefgesetzt wird, so daß an den Ausgangsklemmen 4 eine dem Tastverhältnis entsprechend niedrigere Spannung abgegriffen werden kann, die aufgrund ihrer Glättung durch die Induktivität 5 einen mit der Eingangsspannung Ue übereinstimmenden zeitlichen Verlauf aufweist. Für die Polaritätsverhältnisse im Periodenabschnitt b ist der Halbleiterschalter 7 der Schaltstufe 2 im Tastverhältnis über die Steuerschaltung 9 anzusteuern, und zwar bei geöffnetem Halbleiterschalter 6. Die Schaltstufe 1 muß in diesem Fall als entsprechend gepolte Diode wirksam werden, was ein Schließen des Halbleiterschalters 6 und ein Öffnen des Halbleiterschalters 7 bedingt.

Im Periodenabschnitt c nehmen sowohl die Eingangsspannung ue als auch der Laststrom i|_ negative Werte an, was eine Ansteuerung des Halbleiterschalters 7 der Steuerstufe 1 im jeweiligen Tastverhältnis bedingt, während der zugehörige Halbleiterschalter 6 geöffnet bleiben muß. Die Schaltstufe 2 muß im Sinne einer entsprechend gepolten Diode geschaltet werden, was ein öffnen des Halbleiterschalters 7 und ein Schließen des Halbleiterschalters 6 voraussetzt.

Im Periodenabschnitt d steht eine positive Eingangsspannung Ue einem negativen Laststrom iL gegenüber. Dies bedeutet, daß der Halbleiterschaiter 6 der Schaltstufe 2 im gewählten Tastverhältnis über die Steuerschaltung 9 anzusteuern ist, und zwar ·-&

·· ·· ··· • · · · t • · · · ··· • I « · t # · · ·· ·· ··· bei geöffnetem Halbleiterschalter 7. Die Diodenwirkung der Schaltstufe 1 wird für diesen Fall durch das öffnen des Halbleiterschalters 6 und das Schließen des Halbleiterschalters 7 erreicht.

Da aufgrund von Meßfehlern im Bereich des Nulldurchganges sowohl der Eingangsspannung ue als auch des Laststromes il die jeweilige Polarität nicht genau festgestellt werden kann, wird im Bereich des Nulldurchganges berücksichtigt, daß beide Polaritäten auftreten können. Für den Fall des Nulldurchganges der Eingangsspannung ue werden in einem Periodenabschnitt e beide Schaltstufen 1 und 2 getastet. Während der Halbleiterschalter 6 der Schaltstufe 1 bei geöffnetem Halbleiterschalter 7 unmittelbar angesteuert wird, erfolgt die Ansteuerung des Halbleiterschalters 7 der Schaltstufe 2 bei geöffnetem Halbleiterschalter 6 über das Nicht-Gatter 12 abwechselnd zum Halbleiterschalter 6 der Schaltstufe 1. Zu diesem Zweck ist der Umschalter 13 für den Halbleiterschalter 7 der Schaltstufe 2 über die Steuerschaltung 9 entsprechend zu beaufschlagen. Für den Nulldurchgang der Eingangsspannung ue im Periodenabschnitt f ergeben sich grundsätzlich ähnliche Verhältnisse, doch muß die negative Polarität des Laststromes iL berücksichtigt werden. Dies bedeutet, daß der Halbleiterschalter 7 der Schaltstufe 1 bei geöffnetem Halbleiterschalte 6 im gewählten Tastverhältnis angesteuert wird, während der Halbleiterschalter 6 der Schaltstufe 2 bei geöffnetem Halbleiterschalter 7 über das Nicht-Gatter 12 getaktet wird.

Im Bereich des Periodenabschnittes g, der den Nulldurchgang des Laststromes iL umfaßt, ist ein Stromfluß in beiden Richtungen zuzulassen. Zu diesem Zweck werden die beiden Halbleiterhalter 6 und 7 der Schaltstufen 1 und 2 gemeinsam angesteuert, wobei die Ansteuerung der Halbleiterschalter 6 und 7 der Schaltstufe 2 abwechselnd zur Ansteuerung der Schaltstufe 1 erfolgen muß, was eine Beaufschlagung der Halbleiterschalter 6 und 7 der Schaltstufe 2 über die zugehörigen Nicht-Gatter 12 bedingt. Diese Ansteuerung der Schaltstufen 1 und 2 gilt auch für den Periodenabschnitt h, der den Nulldurchgang des Laststromes iL bei einer positiven Eingangsspannung ue beinhaltet.

Patentanwaltsanwärter Dipl.-Ing. Winfried Hellmich (Ausweis Nummer: 415) In Vertretung gemäß §26(1) PanwG

Claims (3)

1. Patentanwalt Dipl.-Ing. Helmut Hübscher Spittelwiese 7, A-4020 Linz (34 481) II Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Steuern der Spannungsversorgung eines Verbrauchers, insbesondere einer Beleuchtung, mit einem an einer Wechselspannungsquelle anliegenden Spannungswandler, der zwei in Reihe geschaltete elektronische Schaltstufen umfaßt, zwischen denen die Ausgangsspannung über eine Induktivität abgreifbar ist, und mit einer Steuerschaltung, die die Schaltstufen mit einer vorgegebenen, die Frequenz der Wechselspannung mehrfach übersteigenden Taktfrequenz und einem das Übersetzungsverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung des Spannungswandlers bestimmenden Tastverhältnis ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstufen (1, 2) jeweils eine Reihenschaltung zweier je mit einer parallelen Freilaufdiode (8) versehener Halbleiterschalter (6, 7) mit gegensinniger Sperrichtung aulweisen, daß die Steuerschaltung (9) die Halbleiterschalter (6, 7) je für sich in Abhängigkeit einerseits von der Eingangsspannung (uE) und anderseits vom Laststrom (iL) ansteuert und daß die Halbleiterschalter (6, 7) einer Schaltstufe (2) von der Steuerschaltung (9) unmittelbar oder über ein Nicht-Gatter (12) ansteuerbar sind.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Nulldurchganges des Laststromes (ii_) die Steuerschaltung (9) die beiden Halbleiterschalter (6, 7) der einen Schaltstufe (1) unmittelbar und die Halbleiterschalter (6, 7) der anderen Schaltstufe (2) über das Nicht-Gatter (12) gemeinsam ansteuert.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Nulldurchganges der Eingangsspannung (uE) zwei unterschiedlichen Schaltstufen(1, 2) angehörige Halbleiterschalter (6, 7) mit gegensinniger Sperrichtung einerseits unmittelbar und anderseits über das Nicht-Gatter (12) von der Steuerschaltung (9) ansteuerbar sind. Linz, am 15. Mai 2006 Siegfried Plöbst Robert Renner

   Patentanwaltsanwärter DipL*lng. Winfried Hellmich (Ausweis Nummer: 415) ki Vertretung gemftB §26(1) PanwQ