DE10109024B4

DE10109024B4 - Spannungswandler

Info

Publication number: DE10109024B4
Application number: DE2001109024
Authority: DE
Inventors: Frank Schackmann
Original assignee: Automotive Lighting Reutlingen GmbH
Current assignee: Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Priority date: 2001-02-24
Filing date: 2001-02-24
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2021-02-25
Also published as: FR2821499A1; DE10109024A1

Abstract

Getakteter Spannungswandler mit einem induktiven Element (13), das über einen Schalter (24) mit einer Energiequelle (10) verbindbar ist, mit einer an einem Verbindungspunkt des induktiven Elements (13) mit dem Schalter (24) angeschlossenen Entkopplungsschaltung (14), die in Abhängigkeit von der Spannung am Schalter (24) eine Last (15) abtrennt, mit einem Zeitglied (33) in der Ansteuerung des Schalters (24), das die Ein- oder Ausschaltzeit des Schalters (24) vorgibt, wobei eine einen ersten Kondensator (38) enthaltende kapazitive Kopplungsschaltung (37) vorgesehen ist, die den Verbindungspunkt des induktiven Elements (13) und des Schalters (24) mit dem Zeitglied (33) verbindet und über die am Schalter (24) auftretenden Spannungssprünge (Null, US, UBR) die vom Zeitglied (33) vorgegebene Zeit beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ansteuerung des Schalters (24) ein Komparator (28) vorgesehen ist, der die Spannung (UC) an einem ersten Kondensator (32) des Zeitglieds (33) mit einem Sollwertpegel (UCS,Soll, UCBR,Soll) vergleicht, und dass ein vom Komparator...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Spannungswandler nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Ein solcher Spannungswandler ist aus der US 3 675 158 A bekannt. Weitere Spannungswandler sind aus den Druckschriften DE 34 17 194 C2 , US 5 689 178 A und DE 198 39 703 A1 bekannt.
Aus der DE 44 10 738 A1 ist ein Spannungswandler bekannt geworden, dessen Ansteuersignal von einem Zeitglied bereitgestellt wird, das ein RC-Glied enthält. Das Zeitglied wird beaufschlagt von einem Signal, das ein Maß für den durch einen Schalttransistor fließenden Strom ist. Der Strom wird mittelbar erfasst über die an der Schaltstrecke des Schalttransistors abfallenden Spannung. Eine Entkopplung des Zeitglieds von der übrigen Schaltung während des abgeschalteten Zustands des Schalttransistors erfolgt über eine Diode.
Aus der DE 197 02 654 A1 ist eine Ausgestaltung des in der DE 44 10 738 A1 beschriebenen Spannungswandlers bekannt geworden. Zusätzlich zur Entkopplung des Zeitglieds während des abgeschalteten Zustands des Schalttransistors ist eine weitere Entkopplung mit einer zusätzlichen Diode vorgesehen, die auf der Steuerseite des Schalttransistors angeordnet ist. Die vollständige Entkopplung des Zeitglieds sowohl von der Steuerseite als auch von der zur Stromerfassung herangezogenen Schaltstrecke des Schalttransistors ermöglicht eine einfache Bemessung des Zeitglieds ohne auf unterschiedliche Betriebszustände Rücksicht nehmen zu müssen.
Aus der DE 43 40 991 A1 ist ein weiterer Spannungswandler bekannt geworden, der ebenfalls angesteuert wird in Abhängigkeit vom Strom, der durch einen Schalttransistor fließt. Der Strom wird von einem Shunt erfaßt. Ein vorhandenes Zeitglied beeinflußt die Einschaltdauer oder die Ausschaltdauer des Schalttransistors. Das Zeitglied ist an der Schaltstrecke des Schalttransistors angeschlossen und wird mit der am Schalttransistor auftretenden Spannung betrieben. Das Zeitglied ist als RC-Kombination realisiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Ansteuerung eines Spannungswandlers anzugeben, der eine elektrische Last, die in zwei Betriebszuständen einen unterschiedlichen Strombedarf und einen unterschiedlichen Spannungsbedarf aufweist, jeweils bedarfsgerecht mit Energie versorgt.
Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch enthaltenen Merkmale gelöst.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Spannungswandler enthält ein induktives Element, das über einen Schalter mit einer Spannungsquelle verbindbar ist. An dem Verbindungspunkt des induktiven Elements mit dem Schalter ist eine Entkopplungsschaltung angeschlossen, die in Abhängigkeit von der Spannung am Schalter eine vorgegebene Last abtrennt. In der Ansteuerung des Spannungswandlers ist ein Zeitglied enthalten, das die Einschaltdauer und/oder die Ausschaltdauer des Schalters bestimmt. Erfindungsgemäß ist eine einen Kondensator enthaltende kapazitive Kopplungsschaltung vorgesehen, die den Verbindungspunkt des induktiven Elements mit dem Schalter mit dem Zeitglied verbindet und dadurch über die am Schalter auftretenden Spannungssprünge die vom Zeitglied festgelegte Zeit beeinflußt.
Der erfindungsgemäße Spannungswandler ist mit besonders wenigen elektronischen Bauteilen realisierbar und daher kostengünstig herstellbar.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen sind bei den Typen von getakteten Spannungswandlern anwendbar, bei denen die Spannung an der Schaltstrecke wenigstens eines Schalters sprungförmige Änderungen aufweisen kann. Dies ist insbesondere der Fall bei Sperrwandlerstrukturen, bei denen die Last zumindest zeitweise durch die Entkopplungsschaltung, die besonders einfach mit einer Diode realisiert werden kann, vom Schalter getrennt ist.
Eine einfache Steuerung des erfindungsgemäßen Spannungswandlers ist durch den Einsatz eines Komparators möglich, der die Spannung am Kondensator des RC-Glieds mit einem vorgegebenen Sollwert vergleicht. Das Ausgangssignal des Komparators wird dazu herangezogen, das Zeitglied mit seiner Betriebsspannung zu versorgen. Weiterhin kann das Ausgangssignal des Komparators vorteilhafterweise unmittelbar die Ansteuerung eines als Schalter eingesetzten Schalttransistors übernehmen.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Spannungswandlers ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.
Eine besonders einfache Realisierung des Zeitglieds ist mit einer Widerstands-Kondensator-Kombination (RC-Glied) möglich. Das RC-Glied ist besonders kostengünstig realisierbar und kann mit analogen Signalen beaufschlagt werden.
Eine vorteilhafte Maßnahme sieht vor, dass die wenigstens einen Kondensator enthaltende kapazitive Kopplungsschaltung am Kondensator des RC-Glieds angeschlossen ist. Diese einfache schaltungstechnische Maßnahme ermöglicht einen Ladungstransfer von der kapazitiven Kopplungsschaltung unmittelbar zum Kondensator des RC-Glieds ohne die Zwischenschaltung von Treiberschaltungen wie beispielsweise gesteuerte Stromquellen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht eine Reihenschaltung eines ohmschen Widerstands zum Kondensator der kapazitiven Kopplungsschaltung vor. Der ohmsche Widerstand wirkt als Strombegrenzung und ergibt zusammen mit dem Kondensator der kapazitiven Kopplungsschaltung einerseits und dem Kondensator des Zeitglieds andererseits eine Zeitkonstante, die eine Beeinflussung der Vorgänge während des Auftretens von Schaltflanken ermöglicht.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Zeitglied in der Ansteuerung des erfindungsgemäßen Spannungswandlers unterschiedliche Dauern für den Einschaltzustand und für den Ausschaltzustand des Schalttransistors vorgibt. Mit dieser Maßnahme ist eine weitere Möglichkeit zur Steuerung des Spannungswandlers eröffnet. Die unterschiedlichen Zeitdauern können besonders einfach realisiert werden durch den Einsatz von zwei unterschiedlichen ohmschen Widerständen des RC-Glieds, wobei ein Ladewiderstand in Reihe geschaltet ist mit einer Entkopplungsdiode. Die Entkopplungsdiode sorgt dafür, dass der zweite ohmsche Widerstand nur während beispielsweise des Ladevorgangs des Kondensators des Zeitglieds wirksam ist, nicht dagegen während des Entladevorgangs.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Spannungswandlers sieht vor, dass das induktive Element als Transformator realisiert ist. Der Einsatz eines Transformators ermöglicht die Verwendung eines Schalters, insbesonders eines Schalttransistors, mit einer geringeren zulässigen Betriebsspannung als sie die Last benötigt.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen ermöglichen insbesondere das Betreiben einer elektrischen Last, die variabel ist und zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Betriebsspannungen bzw. Lastströme benötigt. Eine solche Last ist beispielsweise eine Gasentladungslampe. Das Betriebsverhalten der Gasentladungslampe kann wenigstens näherungsweise in zwei Phasen eingeteilt werden. Nach dem Entzünden beginnt die Startphase, gefolgt von der Brennphase. Bei einer Hochdruckgasentladungslampe liegt in der Startphase aufgrund der noch nicht verdampftem Dotierungsstoffe ein kleiner Innerwiderstand vor, der sich in der Brennphase erhöht.
Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spannungswandlers sieht vor, dass der in der kapazitiven Kopplungsschaltung enthaltene Kondensator in Abhängigkeit von beispielsweise zwei Ausgangsspannungsbereichen bemessen ist, derart, dass beim Vorliegen eines ersten Bereichs und einem Auftreten eines Spannungssprungs am Schalter die vom Zeitglied bestimmte Ein- oder Ausschaltzeit nicht beeinflußt wird, dagegen beim Vorliegen des zweiten Ausgangsspannungsbereichs und beim Auftreten des Spannungssprungs die Ein- oder die Ausschaltzeit dagegen beeinflußt. Mit dieser vorteilhaften Bemessung des Kondensators ist eine geeignete Steuerung des Spannungswandlers zum Betreiben der variablen Last ohne zusätzlichen Steuerungs- oder Regelungsaufwand realisierbar.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
Zeichnung
1 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers, 2a–2d zeigen Signalverläufe in Abhängigkeit von der Zeit in einer ersten Betriebsphase einer Last und die 3a–3d zeigen Signalverläufe in Abhängigkeit von der Zeit in einer zweiten Betriebsphase einer Last.
1 zeigt eine Energiequelle 10, die einen ersten Anschluß 11 und einen zweiten Anschluß 12 aufweist. Der erste Anschluß 11 der Energiequelle 10 ist über ein induktives Element 13 und über eine Entkopplungsschaltung 14 mit einer Last 15 verbunden.
Das induktive Element 13 enthält einen Transformator 16, der eine Primärwicklung 17, eine Sekundärwicklung 18, eine Mittenanzapfung 19 sowie eine magnetische Kopplung 20 aufweist. Die Entkopplungsschaltung 14 enthält eine erste Diode 21. Die Last 15 enthält eine Gasentladungslampe 22.
Die Mittenanzapfung 19 des Transformators 16 ist über eine Schaltstrecke 23 eines Schalters 24 mit einer elektrischen Schaltungsmasse 25 verbindbar.
An der elektrischen Schaltungsmasse 25 sind weiterhin die Energiequelle 10 über ihren zweiten Anschluß 12 sowie die Gasentladungslampe 22 der Last 15 angeschlossen.
Ein Steuereingang 26 des Schalters 24 wird von einem Schaltsignal 27 beaufschlagt, das ein Komparator 28 bereitstellt. Der Komparator 28 wird von einer Hilfsenergiequelle 29 mit elektrischer Energie versorgt. Der Komparator 28 vergleicht einen Sollwert 30 mit einem Istwert 31. Der Istwert 31 tritt an einem ersten Kondensator 32 auf, der in einem Zeitglied 33 enthalten ist. Der erste Kondensator 32 ist mit der elektrischen Schaltungsmasse 25 verbunden, an der gleichfalls die Hilfsenergiequelle 29 und der Komparator 28 angeschlossen sind.
Das Schaltsignal 27 des Komparators 28 gelangt weiterhin an einen ersten Widerstand 34 und einen zweiten Widerstand 35 des Zeitglieds 33. Der erste Widerstand 34 ist unmittelbar mit dem ersten Kondensator 32 verbunden. Der zweite Widerstand 35 ist in Reihe mit einer zweiten Diode 36 geschaltet, die am ersten Kondensator 32 angeschlossen ist.
Am ersten Kondensator 32 des Zeitglieds 33 ist weiterhin eine kapazitive Kopplungsschaltung 37 angeschlossen, die eine Reihenschaltung aus einem zweiten Kondensator 38 und einem dritten Widerstand 39 enthält. Die kapazitive Kopplungsschaltung 37 ist an der Schaltstrecke 23 des Schalters 24 angeschlossen, die mit der Mittenanzapfung 19 des Transformators 16 verbunden ist.
2a zeigt das Schaltsignal 27 in Abhängigkeit von der Zeit t. Das Schaltsignal 27 weist einen Ausschaltpegel U_Aus und einen Einschaltpegel U_Ein auf. Der Einschaltpegel U_Ein liegt zwischen einem ersten und zweiten Zeitpunkt T₁, T₂ vor.
2b zeigt eine Schaltspannung UDS, die an der Schaltstrecke 23 des Schalters 24 auftritt. Der Beginn zum ersten Zeitpunkt T₁ des zeitlichen Verlaufs der Schaltspannung U_DS ist bei einer Spannung angenommen, die der Betriebsspannung U_B der Energiequelle 10 entspricht. Die Schaltspannung UDS ändert sich während des ersten Zeitpunkts T₁ auf den Betrag Null. Zum zweiten Zeitpunkt T₂ springt die Schaltspannung U_DS auf den Pegel einer Startspannung U_S, der von der Last 15 beeinflußt ist, die sich in einem ersten Betriebszustand befindet. Zu einem dritten Zeitpunkt T₃ springt die Schaltspannung U_DS wieder auf den Pegel Null.
2c zeigt einen zeitlichen Verlauf des in der Primärwicklung 17 des Transformators 16 fließenden Stroms I_TR. Der Strom I_TR nimmt zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt T₁, T₂ von einem ersten Startstrompegel I_S1 zu auf einen zweiten Startstrompegel I_S2 und fällt bis zum dritten Zeitpunkt T₃ wieder zurück auf den ersten Startstrompegel I_S1. Der Sprung im Stromverlauf zum zweiten Zeitpunkt T2 wird später erläutert.
2d zeigt die Spannung U_C am ersten Kondensator 32 in Abhängigkeit von der Zeit t. Der Spannungsverlauf beginnt zum ersten Zeitpunkt T1 bei einem ersten Startphasenpegel UCS1 und steigt bis zum zweiten Zeitpunkt T2 auf einen Startphasensollwert U_CS,Soll. Zum zweiten Zeitpunkt T₂ springt die Kondensatorspannung U_C auf eine zweiten Startphasenpegel U_CS2 und nimmt bis zum dritten Zeitpunkt T₃ wieder ab auf den Startphasensollwert U_CS,Soll.
3a zeigt wieder die Schaltspannung 27 mit ihren beiden Pegeln U_Aus, U_Ein in Abhängigkeit von der Zeit t.
3b zeigt wieder die Schaltspannung U_DS an der Schaltstrecke 23 des Schalters 24 in Abhängigkeit von der Zeit t. Die Schaltspannung soll zu einem vierten Zeitpunkt T₄ wieder bei der Betriebsspannung U_B der Energiequelle 10 beginnend auf den Pegel Null zurückfallen. Zum fünften Zeitpunkt T₅ springt die Schaltspannung U_DS auf eine Brennspannung U_BR, die von einem zweiten Betriebszustand der Last 15 beeinflußt ist.
3c zeigt wieder den in der Primärwicklung 17 des Transformators 16 auftretenden Strom I_TR, der zum vierten Zeitpunkt T₄ bei einem ersten Brennstrompegel I_BR1 beginnt, der bei Null liegt und bis zum fünften Zeitpunkt T₅ ansteigt auf einen zweiten Brennstrompegel I_BR2. Bis zum sechsten Zeitpunkt T₆ fällt der Strom I_TR vom zweiten Brennstrompegel I_BR2 wieder auf den ersten Brennstrompegel I_BR1 zurück, der dem Pegel Null entspricht. Der Sprung im Stromverlauf zum fünften Zeitpunkt T5 wird wieder später erläutert.
3d zeigt wieder die Spannung UC am ersten Kondensator 32 des Zeitglieds 33 in Abhängigkeit von der Zeit t. Zum vierten Zeitpunkt T₄ beginnt die Kondensatorspannung U_C bei einem ersten Brennspannungspegel U_BR1 und steigt bis zum fünften Zeitpunkt T₅ an auf einen Brennphasensollwert U_CBR,Soll. Zum Zeitpunkt T₅ springt die Kondensatorspannung U_C auf einen zweiten Brennspannungspegel U_BR2 und fällt bis zum sechsten Zeitpunkt T₆ ab auf einen dritten Brennspannungspegel U_BR3, um dann noch beim sechsten Zeitpunkt T₆ weiter abzufallen auf den ersten Brennspannungspegel U_BR1. Der erfindungsgemäße Spannungswandler arbeitet folgendermaßen:
Die Betriebsspannung U_B der Energiequelle 10 muss zum Betreiben der Last 15 auf geeignete Spannungspegel umgesetzt werden. Eine spezielle Ausgestaltung eines Spannungswandlers ist vorzusehen, wenn die Last 15 variabel ist und in Abhängigkeit von ihrem Betriebszustand einen unterschiedlichen Leistungsbedarf aufweist. Eine besondere Herausforderung liegt vor, wenn in unterschiedlichen Betriebsphasen der Last 15 sich sowohl Strom als auch Spannung ändern.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist als Last 15 die Gasentladungslampe 22 vorgesehen, bei der nach dem Zündvorgang, auf den nicht im einzelnen eingegangen wird, ein erster Betriebszustand folgt, der als Startphase bezeichnet werden soll. Daran anschließend geht die Gasenladungslampe über in einen zweiten Betriebszustand, der als Brennphase bezeichnet werden soll.
Bei einer Hochdruck-Gasentladungslampe, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, können folgende Werte auftreten:
In der Startphase beträgt die Startspannung U_S beispielsweise 28 V bei einem Betriebsstrom von beispielsweise 2,6 A, während in der anschließenden Brennphase die Brennspannung U_BR bei beispielsweise 85 V liegt, wobei der Strom absinkt auf beispielsweise 0,4 A.
Der Spannungswandler ist als getakteter Hochsetzsteller mit einer Sperrwandlerstruktur realisiert. Während des eingeschalteten Zustands der Schaltstrecke 23 des Schalters 24, vorzugsweise ein Schalttransistor, ist das induktive Element 13 mit der Energiequelle 10 verbunden. Der Einschaltzustand liegt zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt T₁, T₂ sowie zwischen dem vierten und fünften Zeitpunkt T₄, T₅ vor. Während der Einschaltzeit wird das induktive Element 13 aufmagnetisiert.
Während des Abschaltzustands, der zwischen dem zweiten und dritten Zeitpunkt T₂, T₃ sowie zwischen dem fünften und sechsten Zeitpunkt T₅, T₆ vorliegt, kommutiert die elektrische Energie über die Entkopplungsschaltung 14 auf die Last 15. Die Entkopplungsschaltung 14 ist als erste Diode 21 realisiert, die dafür sorgt, dass die Last 15 im abgeschalteten Zustand des Schalters 24 vom Schalter 24 entkoppelt ist.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das induktive Element 13 als ein Transformator 16 realisiert, dessen Primärwicklung 17 mit der Energiequelle 10 verbunden ist und die über den Schalter 24 aufmagnetisiert werden kann. Die Sekundärwicklung 10 des Transformators 16 ist bereits einem Lastkreis zuzuordnen, der die Entkopplungsschaltung 14 und die Last 15 enthält. Die in der Primärwicklung 17 während der Einschaltzeit des Schalters 24 gespeicherte magnetische Energie wird während der Ausschaltzeit des Schalters 24 über die Sekundärwicklung 18 der Last 15 als elektrische Energie zur Verfügung gestellt.
Der Lastkreis ist vereinfacht dargestellt. In einer realisierten Schaltung werden zur Zwischenspeicherung der elektrischen Energie kapazitive Elemente nach der Entkopplungsschaltung 14 benötigt. Die Gasentladungslampe 22 wird in einer realisierten Schaltung vorzugsweise über eine hier nicht näher gezeigten Wechselrichterschaltung betrieben, welche eine vorliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung geeigneter Frequenz zum Betreiben der Gasentladungslampe 22 umwandelt.
Der als Schalter 24 eingesetzte Schalttransistor ist vorzugsweise ein MOS-Feldeffekttransistor, der gegenüber einem Bipolartransistor eine geringere Steuerleistung benötigt.
Das Schaltsignal 27 stellt der Komparator 28 an einer nicht näher gezeigten Endstufe bereit, wobei die Energie aus der Hilfsenergiequelle 29 bezogen wird. Der Komparator 28 vergleicht den vorgegebenen Sollwert 30 mit dem Istwert 31, der der Kondensatorspannung U_C entspricht.
Bei den in den 2a–2d und 3a–3d gezeigten Signalverläufen in Abhängigkeit jeweils von der Zeit t ist davon ausgegangen, dass zwischen dem ersten und dritten Zeitpunkt T₁, T₃ bzw. dem vierten und sechsten Zeitpunkt T₄, T₆ ein vollständiger Betriebszyklus vorliegt. Aufgrund der kontinuierlich ineinandergreifenden Vorgänge ist in den 2b und 3b ein willkürlicher Start zu den Zeitpunkten T₁ bzw. T₄ angenommen, bei dem die Schaltspannung U_DS an der Schaltstrecke 23 des Schalttransistors 24 einen Pegel aufweist, der der Betriebsspannung U_B der Energiequelle 10 entspricht.
Die Energiequelle 10 ist beispielsweise eine Batterie, insbesondere eine Kraftfahrzeugbatterie, aus der die Energie zum Betreiben der Last, insbesondere der in der Last 15 enthaltenen Gasentladungslampe 22 bezogen wird.
Die Signalverläufe der 2a–2d liegen bei dem ersten Betriebszustand vor, bei dem die Gasentladungslampe 22 in der Startphase ist. Zum ersten Zeitpunkt T₁ springt demnach die Schaltspannung U_DS aufgrund des Schaltsignals 27 auf wenigstens näherungsweise den Pegel Null. Die tatsächlich erreichte Schaltspannung U_DS hängt vom Durchlaßwiderstand der Schaltstrecke 23 sowie dem im Transistor 24 fließenden Strom ab. Aufgrund der Verbindung des Mittenabgriffs 19 mit der elektrischen Schaltungsmasse 25 fließt in der Primärwicklung 17 der Strom I_TR, der zum ersten Zeitpunkt T₁, beginnend beim ersten Startstrompegel I_S1, ansteigt.
Aufgrund des auf Einschaltpegel U_Ein liegenden Schaltsignals 27 des Komparators 28 wird der erste Kondensator 32 des Zeitglieds 33 einerseits über den ersten Widerstand 34 und andererseits über die Reihenschaltung aus dem zweiten Widerstand 35 und der zweiten Diode 36 geladen. Die sich ergebende Zeitkonstante des die Widerstände 34, 35 und den ersten Kondensator 32 bildenden RC-Glieds führt zu einem exponentiellen Verlauf der Kondensatorspannung U_C, wobei die Kondensatorspannung U_C ansteigt bis zum Startphasensollwert U_CS,Soll, auf den der Sollwert 30 während der Startphase der Gasentladungslampe 22 festgelegt ist.
Beim Erreichen des Startphasensollwerts U_CS,Soll zum zweiten Zeitpunkt T₂ springt die Schaltspannung 27 vom Einschaltpegel U_Ein auf den Ausschaltpegel U_Aus und schaltet den Schalter 24 ab. Die Schaltspannung U_DS der Schaltstrecke 23 springt gleichzeitig auf die Startspannung U_S, die von der Gasentladungslampe 23 beeinflußt ist. Nach dem ersten Zeitpunkt T₂ ist die Entkopplung der Last 15 von der Schaltstrecke 23 über die Entkopplungsschaltung 14 aufgehoben, so dass die Spannung an der Last 15, vermindert gegebenenfalls um die Durchlaß-Spannung der in der Entkopplungsschaltung 14 eingesetzten ersten Diode 21, am induktiven Element 13 auftritt.
Aufgrund des Vorhandenseins der Sekundärwicklung 18 wird die Spannung in Abhängigkeit von dem Windungszahlenverhältnis der Primär- und Sekundärwicklung 17, 18 an der Schaltstrecke 23 reduziert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht die in den 2b und in 3b gezeigte Startspannung U_S bzw. Brennspannung U_BR der Spannung an der Gasentladungslampe 22, geteilt durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators 16. Mit dieser Maßnahme kann ein Schalter 24 mit einer geringeren zulässigen Spannungsfestigkeit eingesetzt werden als ohne Transformator 16.
Das Abschalten des Schalters 24 zum zweiten Zeitpunkt T₂ führt weiterhin dazu, dass der Strom I_TR von der Primärwicklung 17 auf die Sekundärwicklung 18 des Transformators 16 aufgrund seiner magnetischen Kopplung 20 kommutiert. Zum zweiten Zeitpunkt T₂ ist der Strom I_TR auf den zweiten Startphasenpegel I_S2 angestiegen. Zwischen dem zweiten und dritten Zeitpunkt T₂, T₃ fließt der Strom durch die Sekundärwicklung 18 über die Entkopplungsschaltung 14 zur Last 15.
Die in den 2c und 3c zum zweiten bzw. zum fünften Zeitpunkt T2, T5 auftretenden Stromsprünge entstehen aufgrund des Übersetzungsverhältnisses des Transformators 16. Der Strom springt zum zweiten Zeitpunkt T₂ ausgehend vom zweiten Startstrompegel I_S2, auf einen niedrigeren Pegel, der sich ergibt aus dem zweiten Startstrompegel I_S2 geteilt durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators 16. Entsprechend springt zum fünften Zeitpunkt T5 ausgehend vom zweiten Brennstrompegel IBR2, auf einen niedrigeren Pegel, der sich ergibt aus dem zweiten Brennstrompegel IBR2 geteilt durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators 16. Der Stromsprung steht nicht im Widerspruch dazu, dass sich der Strom in einem induktiven Element nicht sprungförmig ändern kann. Der Strom ändert sich sprungförmig in einem ersten und einem zweiten Teilbereich des induktiven Elements 13, wobei aber der magnetische Fluß im induktiven Element 13 keine sprungförmige Änderung aufweist. Wird anstelle der Transformators 13 eine Drossel eingesetzt, so entfallen die Stromsprünge.
Der Sprung der Schaltspannung U_DS zum zweiten Zeitpunkt T₂ auf die Startspannung U_S wird von der kapazitiven Kopplungsschaltung 37 auf den ersten Kondensator 32 des Zeitglieds 33 mitgekoppelt. Als Folge springt zum zweiten Zeitpunkt T₂ die Kondensatorspannung U_C vom bis dahin erreichten Startphasen-Sollwert U_CS,Soll auf den zweiten Startphasenpegel U_CS2.
Das Schaltsignal 27 weist mit dem zweiten Zeitpunkt T₂ den Ausschaltpegel U_Aus auf. In der Folge wird der erste Kondensator 32 des Zeitglieds 33 über den ersten Widerstand 34 des Zeitglieds 33 und der nicht näher bezeichneten Ausgangsstufe des Komparators 28 entladen. Aufgrund der Entkopplungswirkung der zweiten Diode 36 ist der zweite Widerstand 35 des Zeitglieds 33 beim Entladevorgang nicht beteiligt. Die Reihenschaltung aus dem zweiten Widerstand 35 und der zweiten Diode 36 zum ersten Widerstand 34 ermöglicht die Vorgabe von unterschiedlichen Zeitkonstanten für den Lade- bzw. den Entladevorgang des zweiten Kondensators 32.
Nach dem zweiten Zeitpunkt T₂ fällt die Kondensatorspannung U_C, ausgehend vom zweiten Startphasenpegel U_CS2 so lange ab, bis die Kondensatorspannung U_C, d. h. der Istwert 31 zum dritten Zeitpunkt T₃ wieder mit dem Sollwert 30 übereinstimmt. Zum dritten Zeitpunkt T₃ schaltet daraufhin der Komparator 28 wieder vom Ausschaltpegel U_Aus um auf den Einschaltpegel U_Ein. Die Schaltspannung U_DS springt von der Startspannung U_S zum dritten Zeitpunkt T₃ zurück auf den Pegel von wenigstens näherungsweise Null. Der Sprung der Schaltspannung U_DS an der Schaltstrecke 23 wird von der kapazitiven Kopplungsschaltung 37 wieder unmittelbar auf den zweiten Kondensator 32 des Zeitglieds 33 mitgekoppelt. In der Folge springt die Kondensatorspannung U_C zum dritten Zeitpunkt T₃ vom bis dahin erreichten Startphasen-Sollwert U_CS,Soll zurück auf den ersten Startphasenpegel U_CS1 und ein neuer Zyklus beginnt.
Während des vorliegenden ersten Betriebszustands der Gasentladungslampe 22, der der Startphase entsprechen soll, fällt der Strom I_TR gemäss 2c zwischen dem zweiten und dritten Zeitpunkt T₂, T₃ vom zweiten Startstrompegel I_S2 zurück auf den ersten Startstrompegel I_S1, der größer als Null ist. Der sich einstellende Betrieb des erfindungsgemäßen Spannungswandlers wird während der Startphase der Gasentladungslampe aufgrund des Stromverlaufs im Schalter 24 als Trapezbetrieb bezeichnet.
Die in den 3a–3d gezeigten Signalverläufe in Abhängigkeit von der Zeit t liegen dagegen in der zweiten Betriebsphase der Gasentladungslampe 22 vor, die dem Brennbetrieb entsprechen soll. Ein erster Unterschied betrifft die Schaltspannung U_DS, die gemäss 3b, die während der Ausschaltpegel U_Aus des Schaltsignals 27 vorliegt, ausgehend von wenigstens näherungsweise vorliegendem Nullpegel auf die Brennspannung U_BR zum fünften Zeitpunkt T₅ springt. Für die weiteren Betrachtungen ist unterstellt, dass die Brennspannung U_BR höher ist als die Startspannung U_S. Zu berücksichtigen ist, daß die tatsächlichen Spannungen an der Last 15 bei Einsatz eines Transformators 16 als induktives Element 13 um das Überstzungsverhältnis geändert am Schalter 24 auftreten.
Die gegenüber der Startspannung U_S höhere Brennspannung U_BR führt zu einem entsprechend höheren Spannungssprung an der Schaltstrecke 23 des Schalters 24, der über die kapazitive Kopplung 37 auf den zweiten Kondensator 32 des Zeitglieds 33 mitgekoppelt wird.
In 3d ist die Kondensatorspannung U_C während des zweiten Betriebszustands der Last 15 gezeigt, wobei gegenüber dem Startphasen-Sollwert U_CS,Soll eine Änderung auf den Brennphasen-Sollwert U_CBR,Soll vorgesehen ist. Die Kondensatorspannung U_C erreicht zum fünften Zeitpunkt T₅, ausgehend vom ersten Brennspannungspegel U_BR1 den Brennphasen-Sollwert U_CBR,Soll, woraufhin der Komparator 28 das Schaltsignal 27 vom Einschaltpegel U_Ein ändert auf den Ausschaltpegel U_Aus. Ausgehend vom Brennphasen-Sollwert U_CBR,Soll springt die Kondensatorspannung U_C auf den zweiten Brennspannungspegel U_BR2. Der nach dem fünften Zeitpunkt T₅ beginnende Entladevorgang des zweiten Kondensators 32 des Zeitglieds 33 führt zu einem Abfall der Kondensatorspannung U_C vom zweiten Brennspannungspegel U_BR2 bis zum dritten Brennspannungspegel U_BR3, der oberhalb des Brennphasen-Sollwerts U_CBR,Soll liegt.
Im zweiten Betriebszustand der Last 15, der den 3a–3d zugeordnet ist, wird unterstellt, dass sich der Strom I_TR von einem ersten Brennstrompegel I_BR1 auf einen zweiten Brennstrompegel I_BR2 ändert, wobei der erste Brennstrompegel I_BR1 dem Pegel Null entspricht. Der erste Brennstrompegel I_BR1 vom Betrag Null tritt zum vierten und sechsten Zeitpunkt T₄, T₆ auf. Zu diesen Zeitpunkten ist das induktive Element 13 jeweils vollständig entmagnetisiert. Der sich einstellende Betrieb des erfindungsgemäßen Spannungswandlers wird im zweiten Betriebszustand der Last 15 als Dreieckbetrieb bezeichnet.
Aufgrund des Erreichens des ersten Brennstrompegels I_BR1 vom Betrag Null bricht die Schaltspannung U_DS an der Schaltstrecke 23 des Schalters 24 zum sechsten Zeitpunkt T₆ zusammen, ausgehend von der Brennspannung U_BR auf den Pegel der Energiequelle 10. Aufgrund des gegenüber dem ersten Betriebszustand erhöhten Spannungssprungs, der aber die kapazitive Kopplungsschaltung 37 auf den zweiten Kondensator 32 des Zeitglieds 33 mitgekoppelt wird, springt in die Kondensatorspannung U_C, ausgehend vom dritten Brennspannungspegel U_BR3, bereits vor dem Erreichen des Brennspannungs-Sollpegels U_CBR,Soll zurück auf den ersten Brennspannungspegel U_BR1. Danach beginnt ein neuer Zyklus.
Der in der kapazitiven Kopplungsschaltung 37 enthaltene dritte Widerstand 39 hat strombegrenzende Wirkung. Zusammen mit dem ersten Kondensator 38 der kapazitiven Kopplungsschaltung 37 bildet er ein Zeitglied, das einen Einfluß auf die Schaltvorgänge zu den Zeitpunkten T₁–T₆ hat.
Ein Vergleich der Signalverläufe der Kondensatorspannung U_C in Abhängigkeit von der Zeit t gemäss den 2d und 3d zeigt, dass der erste Kondensator 38 der kapazitiven Kopplungsschaltung 37 derart bemessen werden kann, dass in Abhängigkeit von den wenigstens zwei Spannungsbereichen an der Last 15 in einem Fall die vom Zeitglied 33 bestimmte Ein- oder die Ausschaltzeit nicht beeinflußt und im anderen Fall dagegen beeinflußt wird.
In Abstimmung mit der Last 15, im gezeigten Ausführungsbeispiel die Gasentladungslampe 22, sind damit unterschiedliche Betriebszustände des erfindungsgemäßen Spannungswandlers vorgebbar. Die vom Zeitgleid 33 vorgegebene Zeit wird in einem Betriebszustand geändert und im anderen Betriebszustand dagegen nicht geändert. Die Betriebszustände unterscheiden sich dadurch, dass in einem Fall der Strom I_TR auf den Betrag von Null zurückfällt und im anderen Fall nicht, mit der Folge, dass in einem Fall ein höherer Strom I_TR bei kleinerer Spannung (Startspannung U_S) und im anderen Fall ein kleinerer Strom I_TR bei gleichzeitig höherer Spannung (Brennspannung U_BR) bereitgestellt werden kann.

Claims

Getakteter Spannungswandler mit einem induktiven Element (13), das über einen Schalter (24) mit einer Energiequelle (10) verbindbar ist, mit einer an einem Verbindungspunkt des induktiven Elements (13) mit dem Schalter (24) angeschlossenen Entkopplungsschaltung (14), die in Abhängigkeit von der Spannung am Schalter (24) eine Last (15) abtrennt, mit einem Zeitglied (33) in der Ansteuerung des Schalters (24), das die Ein- oder Ausschaltzeit des Schalters (24) vorgibt, wobei eine einen ersten Kondensator (38) enthaltende kapazitive Kopplungsschaltung (37) vorgesehen ist, die den Verbindungspunkt des induktiven Elements (13) und des Schalters (24) mit dem Zeitglied (33) verbindet und über die am Schalter (24) auftretenden Spannungssprünge (Null, U_S, U_BR) die vom Zeitglied (33) vorgegebene Zeit beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ansteuerung des Schalters (24) ein Komparator (28) vorgesehen ist, der die Spannung (U_C) an einem ersten Kondensator (32) des Zeitglieds (33) mit einem Sollwertpegel (U_CS,Soll, U_CBR,Soll) vergleicht, und dass ein vom Komparator (28) bereitgestelltes Schaltsignal (27) das Zeitglied (33) mit Spannung beaufschlagt.
Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitglied (33) ein RC-Glied (32, 34, 35, 36) ist.
Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Komparator (28) bereitgestellte Schaltsignal (27) einem Steuereingang (26) des Schalters (24) zugeführt ist.
Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Kopplungsschaltung (37) am ersten Kondensator (32) des Zeitglieds (33) angeschlossen ist.
Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu einem zweiten Kondensator (38) der kapazitiven Kopplungsschaltung (37) ein zweiter Widerstand (39) geschaltet ist.
Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitglied (33) unterschiedliche Zeiten für den Einschaltzustand und den Ausschaltzustand des Schalters (24) vorgibt.
Spannungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitglied (33) einen ersten und einen zweiten Widerstand (34, 35) enthält und dass der zweite Widerstand (35) in Reihe mit einer zweiten Diode (36) geschaltet ist.
Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Element (13) ein Transformator (16) ist.
Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Last (15) variabel ist und zu unterschiedlichen Zeitpunkten (T₁–T₆) eine unterschiedliche Betriebsspannung (U_S, U_BR) aufweist.
Spannungswandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (38) der kapazitiven Kopplungsschaltung in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Betriebsspannungen (U_S, U_BR) der Last (15) derart bemessen ist, dass beim Vorliegen eines ersten Pegels (U_S) und einem Auftreten eines Spannungssprungs (Null, U_S) vom Zeitglied (33) eine Ausschaltzeit ausgelöst wird, während der die Spannung am Kondensator 32 zunächst stetig absinkt und ein Strom (ITR) durch eine Sekundärwicklung des induktiven Elements (13) stetig absinkt, wobei die Spannung am Kondensator (32) einen Schwellenwert (UCS Soll) unterschreitet, bevor der Strom (ITR) durch die Sekundärwicklung des induktiven Elements (13) auf einen Wert Null absinkt und über einen Zusammenbruch der Schaltspannung (UDS) des Schalters (24) einen sprunghaften Rückgang der Spannung am Kondensator (32) auslöst.