AT514385B1 - Quadratischer Tiefsetzsteller zur Ansteuerung von Motorwicklungen, Batterien, Kapazitäten oder Leuchtmitteln - Google Patents

Quadratischer Tiefsetzsteller zur Ansteuerung von Motorwicklungen, Batterien, Kapazitäten oder Leuchtmitteln Download PDF

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Abstract

Quadratische Tiefsetzsteller sind besonders dann interessant, wenn die Eingangsspannung (U1) relativ groß im Vergleich zur gewünschten Ausgangsspannung (U2) ist. Normale Tiefsetzer haben eine Spannungsübersetzung, die sich linear zum Tastverhältnis (die Einschaltdauer des aktiven Schalters in Bezug auf die Schaltperiode) verhält. Die hier dargestellten quadratischen Konverter eignen sich neben dem Einsatz zur Ansteuerung von Gleichstrommotoren (wenn bei kleinen Drehzahlen ein hohes Moment (d.h. viel Strom) erforderlich ist), auch zur Ladung von Batterien und Superkapazitäten (besonders als Speichermedium in Solaranlagen mit relativ großer Solargeneratorspannung) und zur Ansteuerung von Leuchtmitteln, wie z.B. eine Serienschaltung von lichtemittierenden Dioden. Die beiden Schalter (S1, S2) werden synchron angesteuert.

Description

Beschreibung
QUADRATISCHER TIEFSETZSTELLER ZUR ANSTEUERUNG VON MOTORWICKLUNGEN, BATTERIEN, KAPAZITÄTEN ODER LEUCHTMITTELN
[0001] Die Erfindung betrifft Tiefsetzsteller, bestehend aus einem aktiven Schalter (S^ mit Ansteuerung, einer ersten (D^, einer Serienschaltung einer zweiten (D2) und einer dritten Diode (D3), einem Kondensator (C), einer Spule (L), an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der positive Pol der Eingangsspannung (Ui), an die Anode der zweiten Diode (D2) ist der negative Pol der Eingangsspannung (Ui) geschaltet, an den Verbindungspunkt zwischen der Kathode der zweiten Diode (D2) und die Anode der dritten Diode (D3) ist der zweite Anschluss des Kondensators (C) geschaltet, an den ersten Anschluss des Kondensators (C) ist der zweite Anschluss der Spule (L), deren erster Anschluss mit der Kathode der dritten Diode (D3) verbunden ist, geschaltet, bzw. Tiefsetzsteller, bestehend aus einem aktiven Schalter (Si) mit Ansteuerung, einer ersten (Di), einer Serienschaltung einer zweiten (D2) und einer dritten Diode (D3), einem Kondensator (C), zwei miteinander magnetisch gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (N1; N2), an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der positive Pol der Eingangsspannung (Ui), an die Anode der zweiten Diode (D2) ist der negative Pol der Eingangsspannung (Ui) geschaltet, an den Verbindungspunkt zwischen der Kathode der zweiten Diode (D2) und der Anode der dritten Diode (D3) ist der zweite Anschluss des Kondensators (C) geschaltet, an den ersten Anschluss des Kondensators (C) ist der zweite Anschluss der zweiten Wicklung (N2) geschaltet, der erste Anschluss der ersten Wicklung (N^ ist mit der Kathode der dritten Diode (D3) verbunden, bzw. Tiefsetzsteller, bestehend aus einem aktiven Schalter (Si) mit Ansteuerung, einer ersten (D^, einer Serienschaltung einer zweiten (D2) und einer dritten Diode (D3), einem Kondensator (C), zwei miteinander magnetisch gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (N^ N2), an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der erste Anschluss der ersten Wicklung (N^ geschaltet, an den Verbindungspunkt zwischen erster (N^ und zweiter Wicklung (N2) ist der positive Pol der Eingangsspannung (U^ geschaltet, an die Anode der zweiten Diode (D2) ist der negative Pol der Eingangsspannung (Ui) geschaltet, an den Verbindungspunkt zwischen der Kathode der zweiten Diode (D2) und der Anode der dritten Diode (D3) ist der zweite Anschluss des Kondensators (C) geschaltet, an den ersten Anschluss des Kondensators (C) ist der zweite Anschluss der zweiten Wicklung (N2) geschaltet, bzw. Tiefsetzsteller, bestehend aus einem aktiven Schalter (Si) mit Ansteuerung, einer ersten (D^, einer Serienschaltung einer zweiten (D2) und einer dritten Diode (D3), einem Kondensator (C), zwei miteinander magnetisch gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (N1; N2), an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der Verbindungspunkt zwischen erster (N^ und zweiter Wicklung (N2) geschaltet, der positive Pol der Eingangsspannung (U^ ist an den ersten Anschluss der ersten Wicklung (N^, an der Anode der zweiten Diode (D2) ist der negative Pol der Eingangsspannung (U^ geschaltet, an den Verbindungspunkt zwischen der Kathode der zweiten Diode (D2) und der Anode der dritten Diode (D3) ist der zweite Anschluss des Kondensators (C) geschaltet, an den ersten Anschluss des Kondensators (C) ist der zweite Anschluss der zweiten Wicklung (N2) geschaltet.
[0002] Quadratische Tiefsetzsteller sind besonders dann interessant, wenn die Eingangsspannung relativ groß im Vergleich zur gewünschten Ausgangsspannung ist. Normale Tiefsetzer haben eine Spannungsübersetzung, die sich linear zum Tastverhältnis (die Einschaltdauer des aktiven Schalters in Bezug auf die Schaltperiode) verhält. Kleine Ausgangsspannungen bedeuten daher kleine Tastverhältnisse und dies führt zu schlechterer Ausnutzung der Bauteile und zu schlechterem Wirkungsgrad. Eine Abhilfe ist dann das Kaskadieren von Konvertern, die jeweils in einem relativ günstigen Arbeitspunkt arbeiten. Hier wird eine Abwandlung eines quadratischen Konverters gezeigt, der sich neben dem Einsatz zur Ansteuerung von Gleichstrommotoren (wenn bei kleinen Drehzahlen ein hohes Moment (d.h. viel Strom) erforderlich ist), auch zur Ladung von Batterien und Superkapazitäten eignet (besonders als Speichermedium in Solaranlagen mit relativ großer Solargeneratorspannung). Auch die Ansteuerung von Leuchtmitteln, wie z.B. eine Serienschaltung von lichtemittierenden Dioden, kann durch diesen Konverter bewerkstelligt werden.
[0003] Die Grundschaltung nach Fig. 1 wird zur Funktionsbeschreibung herangezogen; dabei sei als Last eine Batterie über eine Serieninduktivität angeschlossen. Leitet der aktive Schalter (Si), so wird die Differenz zwischen Eingangsspannung (Ui) und der Spannung am Kondensator (C) an die Spule (L) gelegt. Der Strom durch sie steigt. Gleichzeitig wird an die Serieninduktivität der Batterie die Differenz zwischen der Spannung am Kondensator (C) und der Spannung der Batterie gezwungen. Auch in dieser Spule steigt der Strom. Wird der aktive Schalter (Si) abgeschaltet, so kommutiert der Strom der Spule (L) in die dritte Diode (D3), der Strom in der Spule (L) sinkt, gleichzeitig wird der Kondensator (C) nachgeladen. Ebenso kommutiert der Strom der Serieninduktivität der Batterie in die erste Diode (D^; auch dieser Strom nimmt ab. Im eingeschwungenen Zustand ist die Spannung an den Spulen im Mittel null, d.h. die positive und die negative Spannungszeitfläche an der Spule muss gleich groß sein. Für ideale Bauelemente, dem Mittelwert der Spannung am Kondensator (C) Uc, dem Tastverhältnis d und kontinuierlichem Betrieb kann man daher für die Spule (L) schreiben [0004]
[0005] Ebenso gilt für die Serieninduktivität der Batterie, mit der Spannung der Batterie U2 [0006]
[0007] Daraus ergibt sich der quadratische Zusammenhang der Spannungen zu [0008]
[0009] Um die Verluste zu reduzieren ist es sinnvoll, die zweite Diode (D2) durch einen aktiven Schalter (S2), der synchron mit dem aktiven Schalter (Si) getaktet wird, zu überbrücken. Ebenfalls wird man, zur Vermeidung von Überspannungen an den Schaltern bedingt durch die Zuleitungsinduktivität zwischen der Eingangsspannung (z.B. der Solargenerator) und dem Konverter, einen Kondensator auf kürzestem Wege parallel zum Eingang schalten. Wird eine Batterie als Last verwendet, wird ein Kondensator parallel zu dieser geschaltet, damit die Wechselstromkomponente des Stroms durch die Serieninduktivität nicht über die Batterie fließt, diese erwärmt und so zu rascheren Alterung führt. Ebenfalls kann ein Kondensator parallel zum Leuchtmittel vorgesehen werden.
[0010] Die Figuren stellen verschiedene Ausformungen der Vorrichtung vor. Die aktiven Schalter sind beispielhaft mit MOSFET gezeichnet. Fig. 1 stellt die Grundstruktur dar. Es gibt nur einen aktiven Schalter (S1), der gegen Masse angesteuert wird. Damit ist kein Highside Treiber und keine Potentialtrennung in der Ansteuerung erforderlich. Fig. 2 zeigt beispielhaft mögliche Lasten des Tiefsetzstellers und zwar von links nach rechts: eine Gleichstrommaschine, eine Batterie, eine Serienschaltung von Leuchtdioden. Bei den letzten zwei Varianten ist eine Spule in Serie zu schalten. Fig. 3 und Fig. 4 zeigen die Verwendung von gekoppelten Spulen, wobei einmal an die Anzapfung (bzw. an den Verbindungspunkt der beiden Wicklungen) die Kathode der dritten Diode (D3), das andere Mal der positive Pol der Eingangsspannung (Ü^ geschaltet ist. Der Grundkonverter erzeugt eine mittlere Spannung Ü2 an der ersten Diode (D^ (diese entspricht der Ausgangsspannung des Tiefsetzstellers) von [0011]
[0012] Für Fig. 3 ergibt sich bei beliebigen Windungszahlen der Wicklungen N2 und N2 [0013]
[0014] Wählt man gleiche Windungszahlen (und führt die Wicklungen bifilar aus um eine gute Kopplung zu erhalten), so ergibt sich die einfache Beziehung [0015]
[0016] Für Fig. 4 ergibt sich bei beliebigen Windungszahlen der Wicklungen Ni und N2 [0017]
[0018] Wählt man gleiche Windungszahlen, so ergibt sich die einfache Beziehung [0019]
[0020] In Fig. 5 bilden die gekoppelten Spulen (N1, N2) einen Spartransformator, es ergibt sich bei beliebigen Windungszahlen der Wicklungen Ni und N2 [0021]
[0022] Wählt man gleiche Windungszahlen, so ergibt sich die einfache Beziehung [0023]
[0024] In Fig. 6 ist die zweite Diode (D2) durch einen aktiven Schalter (S2) ersetzt (oder überbrückt; die Bodydiode des MOSFET ersetzt die Diode) und mit dem gleichen Steuersignal wie der aktive Schalter (S^ angesteuert. Diese Variante des Tiefsetzstellers ist die interessanteste. Sie lässt sich auch auf die Varianten mit den gekoppelten Spulen bzw. auf die Variante mit dem Spartrafo anwenden. Fig. 7 schließlich zeigt die Erweiterung, bei der alle Dioden durch aktive Schalter überbrückt sind. Dabei müssen die beiden unteren Transistoren gleichzeitig angesteuert werden und nach Abschalten der unteren aktiven Schalter die beiden oberen aktiven Schalter eingeschaltet werden. Daher sind zwei Halbbrückentreiber eine gute Lösung für die Ansteuerung. Durch die parallel liegenden Dioden gibt es immer einen Strompfad, auch wenn die Ansteuerung fehlerhaft ist.
[0025] Die Aufgabe einen quadratischen Tiefsetzsteller zur Ansteuerung von Motorwicklungen, Batterien, Kondensatoren oder Leuchtmitteln zu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass an den ersten Anschluss des Kondensators (C) die Kathode der ersten Diode (Di) geschaltet ist, an die Anode der ersten Diode (Di) der positive Anschluss des aktiven Schalters (Si) und an den negativen Anschluss des aktiven Schalters (Si) die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist, oder dass an den Verbindungspunkt zwischen erster (Ν^ und zweiter Wicklung (N2) die Kathode der ersten Diode (D^ geschaltet ist, an die Anode der ersten Diode (D^ der positive Anschluss des aktiven Schalters (Si) und an den negativen Anschluss des aktiven Schalters (Si) die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist, oder dass an den ersten Anschluss des Kondensators (C) die Kathode der ersten Diode (D^ geschaltet ist, an die Anode der ersten Diode (D^ der positive Anschluss des aktiven Schalters (Si) und an den negativen Anschluss des aktiven Schalters (Si) die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist, oder dass an den ersten Anschluss des Kondensators (C) die Kathode der ersten Diode (D^ geschaltet ist, an die Anode der ersten Diode (D^ der positive Anschluss des aktiven Schalters (Si) und an den negativen Anschluss des aktiven Schalters (Si) die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist.
[0026] Parallel zur ersten Diode ist die Wicklung einer elektrischen Maschine oder eine Serienschaltung einer Spule mit einer Batterie, oder eine Serienschaltung einer Spule mit einem Kondensator oder eine Serienschaltung einer Spule mit Leuchtmitteln geschaltet.
[0027] Die zweite Diode (D2) kann durch einen weiteren aktiven Schalter überbrückt werden, der mit dem gleichen Ansteuersignal wie der aktive Schalter (S^ angesteuert wird. Weiters gilt, dass alle Dioden durch aktive Schalter überbrückt werden können und dass der aktive Schalter (Si) und der Schalter, der die erste Diode (D^ überbrückt und der Schalter, der die zweite Diode (D2) und der Schalter, der die dritte Diode (D3) überbrückt, jeweils durch gleich angesteuerte Halbbrückentreiber angesteuert werden. Aus schaltungstechnischen Gründen kann es sinnvoll sein, dass parallel zu den Anschlüssen für die Eingangsspannung (Ui) ein oder mehre- re Kondensator/en geschaltet ist/sind und/oder dass parallel zu der als Last verwendeten Batterie oder dem Leuchtmittel ein oder mehrere Kondensator/en geschaltet ist/sind.

Claims (9)

  1. Patentansprüche
    1. Tiefsetzsteller, bestehend aus einem aktiven Schalter (Si) mit Ansteuerung, einer ersten (D^, einer Serienschaltung einer zweiten (D2) und einer dritten Diode (D3), einem Kondensator (C), einer Spule (L), an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der positive Pol der Eingangsspannung (Ui), an die Anode der zweiten Diode (D2) ist der negative Pol der Eingangsspannung (Ui) geschaltet, an den Verbindungspunkt zwischen der Kathode der zweiten Diode (D2) und die Anode der dritten Diode (D3) ist der zweite Anschluss des Kondensators (C) geschaltet, an den ersten Anschluss des Kondensators (C) ist der zweite Anschluss der Spule (L), deren erster Anschluss mit der Kathode der dritten Diode (D3) verbunden ist, geschaltet, dadurch gekennzeichnet, dass an den ersten Anschluss des Kondensators (C) die Kathode der ersten Diode (D^ geschaltet ist, an die Anode der ersten Diode (D^ der positive Anschluss des aktiven Schalters (Si) und an den negativen Anschluss des aktiven Schalters (S^ die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist.
  2. 2. Tiefsetzsteller, bestehend aus einem aktiven Schalter (Si) mit Ansteuerung, einer ersten (D1), einer Serienschaltung einer zweiten (D2) und einer dritten Diode (D3), einem Kondensator (C), zwei miteinander magnetisch gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (N1; N2), an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der positive Pol der Eingangsspannung (Ui), an die Anode der zweiten Diode (D2) ist der negative Pol der Eingangsspannung (Ui) geschaltet, an den Verbindungspunkt zwischen der Kathode der zweiten Diode (D2) und der Anode der dritten Diode (D3) ist der zweite Anschluss des Kondensators (C) geschaltet, an den ersten Anschluss des Kondensators (C) ist der zweite Anschluss der zweiten Wicklung (N2) geschaltet, der erste Anschluss der ersten Wicklung (Nh) ist mit der Kathode der dritten Diode (D3) verbunden, dadurch gekennzeichnet, dass an den Verbindungspunkt zwischen erster (Ni) und zweiter Wicklung (N2) die Kathode der ersten Diode (D^ geschaltet ist, an die Anode der ersten Diode (D^ der positive Anschluss des aktiven Schalters (S^ und an den negativen Anschluss des aktiven Schalters (S^ die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist.
  3. 3. Tiefsetzsteller, bestehend aus einem aktiven Schalter (S^ mit Ansteuerung, einer ersten (D^, einer Serienschaltung einer zweiten (D2) und einer dritten Diode (D3), einem Kondensator (C), zwei miteinander magnetisch gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (Nh, N2), an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der erste Anschluss der ersten Wicklung (Nh) geschaltet, an den Verbindungspunkt zwischen erster (Nh) und zweiter Wicklung (N2) ist der positive Pol der Eingangsspannung (Ui) geschaltet, an die Anode der zweiten Diode (D2) ist der negative Pol der Eingangsspannung (Ui) geschaltet, an den Verbindungspunkt zwischen der Kathode der zweiten Diode (D2) und der Anode der dritten Diode (D3) ist der zweite Anschluss des Kondensators (C) geschaltet, an den ersten Anschluss des Kondensators (C) ist der zweite Anschluss der zweiten Wicklung (N2) geschaltet, dadurch gekennzeichnet, dass an den ersten Anschluss des Kondensators (C) die Kathode der ersten Diode (D^ geschaltet ist, an die Anode der ersten Diode (D^ der positive Anschluss des aktiven Schalters (Si) und an den negativen Anschluss des aktiven Schalters (S1) die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist.
  4. 4. Tiefsetzsteller, bestehend aus einem aktiven Schalter (S^ mit Ansteuerung, einer ersten (D^, einer Serienschaltung einer zweiten (D2) und einer dritten Diode (D3), einem Kondensator (C), zwei miteinander magnetisch gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (N1; N2), an die Kathode der dritten Diode (D3) ist der Verbindungspunkt zwischen erster (Nh) und zweiter Wicklung (N2) geschaltet, der positive Pol der Eingangsspannung (Ui) ist an den ersten Anschluss der ersten Wicklung (Nh), an der Anode der zweiten Diode (D2) ist der negative Pol der Eingangsspannung (Ui) geschaltet, an den Verbindungspunkt zwischen der Kathode der zweiten Diode (D2) und der Anode der dritten Diode (D3) ist der zweite Anschluss des Kondensators (C) geschaltet, an den ersten Anschluss des Kondensators (C) ist der zweite Anschluss der zweiten Wicklung (N2) geschaltet, dadurch gekennzeichnet, dass an den ersten Anschluss des Kondensators (C) die Kathode der ersten Diode (D^ geschaltet ist, an die Anode der ersten Diode (D^ der positive Anschluss des aktiven Schalters (Si) und an den negativen Anschluss des aktiven Schalters (Si) die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist.
  5. 5. Tiefsetzsteller gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Diode (D2) durch einen weiteren aktiven Schalter überbrückt wird, der mit dem gleichen Ansteuersignal wie der aktive Schalter (Si) angesteuert wird.
  6. 6. Tiefsetzsteller gemäß Anspruch 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Dioden durch aktive Schalter überbrückt werden und dass der aktive Schalter (S^ und der Schalter, der die erste Diode (D^ überbrückt und der Schalter, der die zweite Diode (D2) und der Schalter, der die dritte Diode (D3) überbrückt, jeweils durch gleich angesteuerte Halbbrückentreiber angesteuert werden.
  7. 7. Tiefsetzsteller gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Anschlüssen für die Eingangsspannung (Ui) ein oder mehrere Kondensator/en geschaltet ist/sind.
  8. 8. Tiefsetzsteller gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur ersten Diode die Wicklung einer elektrischen Maschine oder eine Serienschaltung einer Spule mit einer Batterie, oder eine Serienschaltung einer Spule mit einem Kondensator oder eine Serienschaltung einer Spule mit Leuchtmitteln geschaltet ist.
  9. 9. Tiefsetzsteller gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der als Last verwendeten Batterie oder dem Leuchtmittel ein oder mehrere Kondensator/en geschaltet ist/sind.
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