AT512994A1 - Vorrichtung zur Hochspannungserzeugung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung zeigt Vorrichtungen zur Erzeugung von Hochspannungen, wie sie z.B. für die Luftreinigung benötigt werden. An den Pluspol der Eingangsspannungsquelle ist eineParallelschaltung einer Spule und eines Kondensators geschaltet, die jeweils zweiten Anschlüsse des Kondensators und der Spule sind an die Anode einer Diode geschaltet, derenKathode mit dem positiven Anschluss eines aktiven Schalters verbunden ist. Der negative Anschluss des aktiven Schalters ist mit dem negativen Pol der Betriebsspannung verbunden. An die Spule ist eine zweite Spule angekoppelt, an deren Ausgang eine Spannungsvervielfacherschaltung angeschlossen ist. Vorteilhaft ist bei dieser Schaltung, dassdie Spannung am Ausgang potentialfrei ist, damit ist man völlig frei, welche Seite der Ausgangsspannung man erdet und somit kann eine positive oder negative Spannung erzeugtwerden. Weiters ist es auch möglich, zwei Sekundärwicklungen oder eine Sekundärwicklung mit Anzapfung zu verwenden.

Description

Vorrichtung zur Hochspannungserzeugung (Ausgliederung von A 638/2011 vom 6.5.2011)

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von höherer Spannung aus einer kleineren Gleichspannung, bestehend aus einer positiven Eingangsklemme und einer negativen Eingangsklemme, zwischen denen die Betriebsspannung angelegt wird, einer positiven Ausgangsklemme und einer negativen Ausgangsklemme, zwischen denen die Ausgangsspannung abgenommen wird, einem Kondensator, mindestens zwei miteinander magnetisch gekoppelten Spulen, einer Diode, einem aktiven Schalter und einer Spannungsvervielfacherschaltung, weiter einem Taktgenerator und einem Zweipunktregler mit Hysterese oder Vorrichtung zur Erzeugung einer höheren Spannung aus einer kleineren Gleichspannung, bestehend aus einer positiven Eingangsklemme und einer negativen Eingangsklemme, zwischen denen die Betriebsspannung angelegt wird, einer positiven Ausgangsklemme und einer negativen Ausgangsklemme, zwischen denen die Ausgangsspannung abgenommen wird, einem Kondensator, einer Spule, einer Diode, einem aktiven Schalter, einem Taktgeber zur Ansteuerung des aktiven Schalters und eines Komparators.

Ausgangspunkt der gegenständlichen Erfindung sind Luftreinigungssysteme. Diese werden im städtischen Bereich immer wichtiger. Diese Vorrichtungen bestehen unter anderem z.B. aus Gebilden mit leitfahigen Teilen, an die hohe Spannung gelegt wird.

Die erforderliche Hochspannung wird nur gering belastet, die Luftreinigungsvorrichtung wirkt kapazitiv, daher muss im Wesentlichen nur die Leistung am Verlustwiderstand gedeckt werden. Natürlich sind die gegenständlichen Hochspannungserzeugungsvorrichtungen auch für andere Anwendungen einsetzbar (z.B. für Sensoren).

Zur Erzeugung der Spannung kann eine mit Netzspannung betriebene Gleichrichterkaskade verwendet werden. Aus Sicherheitsgründen kann zwischen Netzanschluss und Hochspannungskaskade ein Trenntransformator geschaltet werden. Da nur die Verluste der Schaltung und der Ableitstrom von der oder den Elektroden zu decken ist, benötigt man nur einen Typ mit kleiner Scheinleistung. Möchte man aber eine völlig vom elektrischen Netz getrennte Anlage, so empfiehlt sich der Einsatz einer Batterie mit nachfolgender Ladungspumpe. Die Ladungspumpe wird dazu solange mit einer fixen Frequenz und konstantem Tastverhältnis betrieben, bis die Ausgangsspannung den gewünschten Wert überschreitet. Dann wird der Taktgeber gesperrt und die Taktung startet wieder, wenn der Spannungswert einen bestimmten Wert T16 B/fh/20120521 unterschreitet. Dies ist leicht mit einem Komparator mit Hysterese zu bewerkstelligen. Als Ladungspumpen eignen sich grundsätzlich DC/DC Konverter die hochsetzen können. Aus schaltungstechnischen Gründen wird man dazu Konverter bevorzugen, die keinen „high-side“ Treiber benötigen. Steigerung der Ausgangsspannung kann auch durch Konverter mit Transformatoren (Sperrwandler) oder angezapften Spulen erfolgen. Weiters sind Ladungspumpen auch kaskadierbar.

Im Weiteren wird eine interessante Alternative zur Erzeugung der hohen Gleichspannung beschrieben. An den Pluspol der Eingangsspannungsquelle ist eine Parallelschaltung einer Spule und eines Kondensators geschaltet, die jeweils zweiten Anschlüsse des Kondensators und der Spule sind an die Anode einer Diode geschaltet, deren Kathode mit dem positiven Anschluss eines aktiven Schalters (z.B. Kollektor eines Bipolartransistors oder Drain eines Unipolartransistors) verbunden ist. Der negative Anschluss des aktiven Schalters (z.B. Emitor eines Bipolartransistors oder Source eines Unipolartransistors) ist mit dem negativen Pol der Betriebsspannung verbunden. An die Spule ist eine zweite Spule angekoppelt, an deren Ausgang eine Spannungsverdoppelungsschaltung oder eine Spannungsvervielfacher-schaltung angeschlossen ist. Die so entstehende Hochspannung wird an die Vorrichtung zur Luftreinigung angeschlossen. Die Funktion ist einfach. Der aktive Schalter wird kurz eingeschaltet, der Kondensator lädt sich abrupt und gleichzeitig steigt der Strom in der Spule an. Wird der Transistor abgeschaltet, so beginnt der Schwingkreis mit der Eigenfrequenz des Schwingkreises zu schwingen. Die Amplitude der Schwingung kann dabei, entsprechend der Güte, ein Vielfaches der Betriebsspannung betragen. Durch die transformatorische Kopplung der ersten und der zweiten Spule wird diese Schwingung an die zweite Spule übertragen (und kann durch das Windungsverhältnis der Spulen beeinflusst werden). Die angeschaltete Spannungsmultiplizierstufe (Spannungsvervielfacherkaskade) fuhrt zu einer weiteren Steigerung der Spannung, die dann als Gleichspannung zur Verfügung steht. Durch den Verlust sinkt die Schwingungsamplitude und nach etwa zehn Schwingungen wird der aktive Schalter von neuem kurz eingeschaltet. Dabei ist es sinnvoll, den Schaltvorgang dann zu setzen, wenn die Spannung am Kondensator etwa gleich der Versorgungsspannung ist, um den plötzlichen Ladevorgang des Kondensators zu vermeiden. Vorteilhaft ist bei dieser Schaltung, dass die Spannung am Ausgang potentialfrei ist, damit ist man völlig frei, welche Seite der Ausgangsspannung man erdet und somit kann eine positive oder negative Spannung erzeugt werden. Weiters ist es auch möglich, zwei Sekundärwicklungen oder eine Sekundärwicklung mit Anzapfung zu verwenden. 2 TI6 B/fh/20120521

Die Hochspannung kann neben bekannten Methoden erfindungsgemäß auch dadurch erzeugt werden, dass an die positive Eingangsklemme der erste Anschluss der ersten Spule und der erste Anschluss des Kondensators geschaltet ist und an die jeweils zweiten Anschlüsse die Anode der Diode geschaltet ist, deren Kathode mit dem positiven Anschluss des aktiven Schalters verbunden ist und dessen negativer Anschluss an die negative Eingangsklemme geschaltet ist; und an die zweite Spule die Spannungsvervielfacherschaltung angeschlossen ist, deren Ausgang mit der ersten und der zweiten Ausgangsklemme verbunden ist bzw. bei mehreren Sekundärwicklungen entsprechend weitere Vervielfacherschaltungen und mit diesen verbunden weitere Ausgangsklemmen geschaltet sind, wobei der Taktgenerator mit einer konstanten Schaltfrequenz, die wesentlich geringer als die Eigenfrequenz des aus Kondensator und erster Spule gebildeten Schwingkreis ist, mit einer konstanten Impulszeit arbeitet. Die Steuerung erfolgt einfach mit einem Zweipunktregler mit Hysterese, der über einen Spannungsteiler die Spannung am Ausgang überwacht, der, solange die Spannung kleiner als ein bestimmter Wert ist, den aktiven Schalter taktet, dann abschaltet und sobald der Spannungswert einen unteren Schwellwert unterschreitet wieder den Taktgeber frei gibt Die zweite Lösung erfolgt so, dass die positive Eingangsklemme mit der Spule, der zweite Anschluss der Spule mit dem positiven Eingang des aktiven Schalters und der Anode der Diode verbunden ist und der negative Anschluss des aktiven Schalters mit der negativen Eingangsklemme verbunden ist, die Kathode der Diode an den Kondensator und die positive Ausgangsklemme geschaltet ist, der zweite Anschluss des Kondensators an den ersten Anschluss der Spule geschaltet ist, wobei der Taktgenerator mit einer konstanten Schaltfrequenz und einer konstanten Impulszeit arbeitet und mit einem Zweipunktregler mit Hysterese, der über einen Spannungsteiler die Spannung am Kondensator überwacht, der, solange die Spannung kleiner als ein bestimmter Wert ist, taktet, dann abschaltet und sobald der Spannungswert einen unteren Schwellwert unterschreitet wieder den Taktgeber frei gibt. Zur ersten Schaltung sei noch angeführt, dass der aktive Schalter im stationären Betrieb nur dann für eine vorgegebene Zeit eingeschaltet wird, wenn die Spannung am Kondensator ungefähr die Betriebsspannung erreicht. Dadurch werden Ladepulse am Kondensator vermieden. Schaltungstechnisch ist das über eine Ansteuerung oder Freigabe über einen Komparator realisierbar. 3 TI 6 B/fh/20120521

Claims (5)

1. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Erzeugung einer höheren Spannung aus einer kleineren Gleichspannung, bestehend aus einer positiven Eingangsklemme und einer negativen Eingangsklemme, zwischen denen die Betriebsspannung angelegt wird, einer positiven Ausgangsklemme und einer negativen Ausgangsklemme, zwischen denen die Ausgangsspannung abgenommen wird, einem Kondensator, mindestens zwei miteinander magnetisch gekoppelten Spulen, einer Diode, einem aktiven Schalter und einer Spannungsvervielfacherschaltung, weiter einem Taktgenerator und einem Zweipunktregler mit Hysterese dadurch gekennzeichnet, dass an die positive Eingangsklemme der erste Anschluss der ersten Spule und der erste Anschluss des Kondensators geschaltet ist und an die jeweils zweiten Anschlüsse die Anode der Diode geschaltet ist, deren Kathode mit dem positiven Anschluss des aktiven Schalters verbunden ist und dessen negativer Anschluss an die negative Eingangsklemme geschaltet ist; und an die zweite Spule die Spannungsvervielfacherschaltung angeschlossen ist, deren Ausgang mit der ersten und der zweiten Ausgangsklemme verbunden ist bzw. bei mehreren Sekundärwicklungen entsprechend weitere Vervielfacherschaltungen und mit diesen verbunden weitere Ausgangsklemmen geschaltet sind, wobei der Taktgenerator mit einer konstanten Schaltfrequenz, die wesentlich geringer als die Eigenftequenz des aus Kondensator und erster Spule gebildeten Schwingkreis ist, mit einer konstanten Impulszeit arbeitet
2. 2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Schalter im stationären Betrieb nur dann für eine vorgegebene Zeit eingeschaltet wird, wenn die Spannung am Kondensator ungefähr die Betriebsspannung erreicht.
3. 3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Freigabe der Taktung des aktiven Schalters mit einem Zweipunktregler mit Hysterese erfolgt, der über einen Spannungsteiler die Spannung am Ausgang überwacht, der, solange die Spannung kleiner als ein bestimmter Wert ist, taktet, dann abschaltet und sobald der Spannungswert einen unteren Schwellwert unterschreitet wieder den Taktgeber frei gibt.
4. 4. Vorrichtung zur Erzeugung einer höheren Spannung aus einer kleineren Gleichspannung, bestehend aus einer positiven Eingangsklemme und einer negativen Eingangsklemme, zwischen denen die Betriebsspannung angelegt wird, einer positiven Ausgangsklemme und einer negativen Ausgangsklemme, zwischen denen 4 T16 B/fh/20120521 die Ausgangsspannung abgenommen wird, einem Kondensator, einer Spule, einer Diode, einem aktiven Schalter, einem Taktgeber zur Ansteuerung des aktiven Schalters und eines Komparators dadurch gekennzeichnet, dass die positive Eingangsklemme mit der Spule, der zweite Anschluss der Spule mit dem positiven Eingang des aktiven Schalters und der Anode der Diode verbunden ist und der negative Anschluss des aktiven Schalters mit der negativen Eingangsklemme verbunden ist, die Kathode, der Diode an den Kondensator und die positive Ausgangsklemme geschaltet ist, der zweite Anschluss des Kondensators an den ersten Anschluss der Spule geschaltet ist, wobei der Taktgenerator mit einer konstanten Schaltfrequenz und einer konstanten Impulszeit arbeitet und mit einem Zweipunktregler mit Hysterese, der über einen Spannungsteiler die Spannung am Kondensator überwacht, der, solange die Spannung kleiner als ein bestimmter Wert ist, taktet, dann abschaltet und sobald der Spannungswert einen unteren Schwellwert unterschreitet wieder den Taktgeber frei gibt.
5. 5 T16 B/fh/20120521