DE10138375A1

DE10138375A1 - Demodulator

Info

Publication number: DE10138375A1
Application number: DE10138375A
Authority: DE
Inventors: Kurt Buehner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-11
Filing date: 2001-08-11
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-08-12
Also published as: DE10138375C2

Abstract

Um einen Demodulator für das Herausfiltern der mittels einer Puls-Weiten-Modulations(PWM)-Schaltung erzeugten, auf eine Trägerschwingung aufmodulierten Wechselspannung zum Erregen eines kapazitiven Verbrauchers anzugeben, wobei die Amplitudenabhängigkeit der herausgefilterten Wechselspannung von ihrer Frequenz linear, der Nutzwirkungsgrad des Herausfilterns gut und der Trägerrest am Verbraucher gering ist, wird ein Demodulator vorgeschlagen, der zwei miteinander elektrisch verbundene Transformatoren aufweist, wobei der eine Transformator mit der PWM-Schaltung und der andere Transformator mit dem Verbraucher elektrisch verbunden sind, daß der eine Transformator abwärts und der andere aufwärts transformieren und daß eine festgelegte Mindesteingangsinduktivität eingehalten ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Demodulator zum Herausfiltern der mittels einer Puls-Weiten-Modulations (PWM)-Schaltung erzeugten auf eine hochfrequente Trägerschwingung aufmodulierten Wechselspannung festgelegter Frequenz zum Erregen eines kapazitiven Verbrauchers. Die Frequenz der Wechselspannung ist im Vergleich zu der der Trägerschwingung relativ niedrig. Im folgenden wird die Wechselspannung zum Erregen des Verbrauchers kurz als Wechselspannung, und die hochfrequente Trägerschwingung, kurz als Trägerschwingung bezeichnet.
Es ist bekannt, eine Wechselspannung mit festgelegter, variabel einstellbarer Frequenz mittels eines Analogverstärkers oder einer PWM-Schaltung zu erzeugen. Der Analogverstärker ist relativ voluminös und schwer und die erzeugte Schwingung ist wegen der angewandten Analogtechnik bezüglich der Frequenz langzeitungenau und -instabil. Die Erzeugung einer Wechselspannung mittels einer PWM-Schaltung ist in dem Deutschen Gebrauchsmuster 200 06 180.1 und in der EU-Patentanmeldung 0 432 881 A1 im Zusammenhang mit einem Schwingfördersystem mit Piezoantrieb beschrieben. Die dabei erzeugte Wechselspannung muß (s. o.) zunächst demoduliert werden, bevor mit ihr ein piezoelektrisches Element erregt werden kann. Es ist bekannt, zum Demodulieren ein RC-Glied zu verwenden. Bei Verwendung des RC-Glieds tritt hinsichtlich der Abhängigkeit der Amplitude der erzeugten Wechselspannung von der Frequenz ein beachtlicher Linearitätsfehler auf, ist der Nutzwirkungsgrad bei der Demodulation unbefriedigend und am piezoelektrischen Element treten störende Oberwellen (Pfeifton) auf.
Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Demodulator für das Herausfiltern der genannten Wechselspannung anzugeben, welcher wenig Raum beansprucht und leicht und einfach aufgebaut ist und bei dessen Anwendung die Amplitudenabhängigkeit der herausgefilderten Wechselspannung von ihrer Frequenz eine gute Linearität aufweist, das Herausfiltern mit gutem Nutzwirkungsgrad möglich ist, und der Trägerrest am Verbraucher sehr gering ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Demodulator der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch den guten Nutzwirkungsgrad läßt sich ein höherer Leistungsbereich als mit dem RC-Glied erreichen. Durch den geringen Trägerrest am kapazitiven Verbraucher wird erreicht, daß das demodulierte Signal vollsinusförmig ist, wodurch eine störende Oberwellenbildung am Verbraucher vermieden wird. Zusätzlich trennt der erfindungsgemäße Demodulator die Endstufe des zum Ansteuern des Verbrauchers eingesetzten Stellglieds galvanisch vom Verbraucher, d. h. die Steuerung des Verbrauchers ist VDE- und CE- normgerecht. Außerdem kann bei Einsatz des erfindungsgemäßen Demodulators die aus dem Deutschen Gebrauchsmuster 200 06 180.1 bekannte Energierückgewinnung nach wie vor angewandt werden.
Es ist günstig, wenn die Transformatoren (genauer gesagt: die Übertrager) je zwei Wicklungen aufweisen, wenn die eine Wicklung des einen Transformators und die eine Wicklung des anderen Transformators in einem Stromkreis liegen, daß die andere Wicklung des einen Transformators mit den PWM-seitigen Eingangsklemmen und die andere Wicklung des anderen Transformators mit den verbraucherseitigen Ausgangsklemmen verbunden sind und daß der eine Transformator abwärts und der andere aufwärts jeweils in einem festgelegten Verhältnis transformieren und besonders günstig, wenn parallel zu der Verbindung mit dem Verbraucher ein Kondensator geschaltet ist.
Es ist vorteilhaft, wenn der kapazitive Verbraucher mindestens ein piezoelektrisches Element, insbesondere mindestens eine piezokeramische Platte, ist, mit der ein- oder beidseitig mindestens eine Blattfeder ausgestattet ist.
Es ist günstig, wenn das Übersetzungsverhältnis beim Abwärts- und beim Aufwärtstransformieren zwischen etwa 7,5 : 1 und etwa 12,5 : 1 bzw. zwischen etwa 1 : 7,5 und etwa 1 : 12,5 liegt. Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Übersetzungsverhältnis beim Aufwärtstransformieren etwa gleich dem reziproken Wert dieses Verhältnisses beim Abwärtstransformieren ist.
Es ist vorteilhaft, wenn eine Mindesteingangsinduktivität von etwa 1 H eingehalten ist. Bei einer geringeren Eingangsinduktivität besteht die Gefahr, daß dem Strom ein zu kleiner Widerstand entgegengesetzt wird. Andererseits bringen Induktivitätswerte von > 10 H keine weitere Verbesserung.
Es ist vorteilhaft, wenn die Transformatoren magnetisch gekoppelt sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von durch Zeichnungen erläuterten Anwendungsbeispielen genauer erläutert. Es zeigen
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Schaltanordnung des erfindungsgemäßen Demodulators und seine Einordnung in die Gesamtschaltung,
Fig. 2a in einem Diagramm die Trägeramplitude U_E der mit der Wechselspannung modulierten Trägerschwingung am Eingang des Demodulators aufgetragen gegen die Zeit in µsec,
Fig. 2b in einem Diagramm die demodulierte sinusförmige Wechselspannung U_A am Ausgang des Demodulators aufgetragen gegen die Zeit in msec, und
Fig. 3 in einem Diagramm die effektive Wechselspannung U_Aeff aufgetragen über dem Modulationsgrad.
Die im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele sind vorteilhaft und die Verbesserung läßt sich an ihnen anschaulich erläutern. Sie sind aber nur beispielhaft genannt und mannigfache Abweichungen von ihnen sind im Rahmen der Ansprüche möglich.
Der in der Fig. 1 gezeigte Demodulator 1 ist zwischen eine PWM- Schaltung 2 und mindestens ein piezoelektrisches Element 3 geschaltet. Mittels der PWM-Schaltung läßt sich die Frequenz der Wechselspannung variabel einstellen. Am Ausgang der PWM-Schaltung erhält man eine mit der Wechselspannung modulierte hochfrequente Trägerschwingung. Im Demodulator wird die Wechselspannung herausgefiltert und zum piezoelektrischen Element geleitet. Als piezoelektrisches Element dienen bevorzugt zwei Piezokeramikplatten, deren beide Oberflächen mit je einer Ausgangsklemme des Demodulators, elektrisch kontaktiert sind und die beidseitig auf eine Blattfeder aufgebracht sind, welche von der(den) erregten piezokeramischen Platte(n) zum Schwingen gebracht wird, und beispielsweise eine Schwingfördereinheit antreibt.
Der Demodulator 1 bildet einen Vierpol, dessen Eingang (Eingangsklemmen 15 und 16) mit dem Ausgang der PWM-Schaltung 2 und dessen Ausgang (Ausgangsklemmen 17 und 18), mit dem piezoelektrischen Element 3 verbunden sind (s. o.). Mit dem Ausgang können auch mehr als ein piezoelektrisches Element verbunden sein.
Der Demodulator 1 enthält als zentrale Komponenten zwei hintereinander geschaltete Transformatoren (genauer gesagt: Übertrager) 4 und 5, die je zwei Wicklungen 6 bis 9 aufweisen. Die einander zugewandten Wicklungen 7 und 8 liegen in einem Stromkreis 10. Die Wicklungen der von einander abgewandten Übertrager 6 und 9 sind mit den Eingangsklemmen 15 und 16 bzw. den Ausgangsklemmen 17 und 18 verbunden. Die Wicklungswiderstände sind durch die Bezugszeichen 11 und 12 symbolisiert. Da in den Wicklungen 7 und 8 die Windungszahl der Spulen sehr gering ist, ist deren Wicklungswiderstand praktisch 0 Ω. Der Transformator 4 transformiert abwärts und der Transformator 5 aufwärts. Parallel zu den Ausgangsklemmen 17 und 18 ist ein Kondensator 13 zur Trägerrestsiebung geschaltet.
Am Demodulator ist eine Mindesteingangsinduktivität von bevorzugt etwa 1 H (Henry) eingehalten.
Die Rechteckimpulse in dem Diagramm der Fig. 2a haben eine festgelegte maximale Trägeramplitude U_Emax. Der Mittelpunktsabstand der (oberhalb der Abszisse liegenden) Rechteckimpulse ist gleich der Schwingungsdauer der Trägerschwingung. Die Breite der Rechteckimpulse ist durch den Modulationsgrad (M) bestimmt, der mittels der PWM-Schaltung eingestellt wird, und mit dem - bei festgelegter Eingangsspannung - beispielsweise die Geschwindigkeit der Förderteile über das mit piezoelektrischen Elementen erregte Schwingfördersystem geregelt werden kann. Beim maximalen Modulationsgrad sind die Lücken zwischen den Rechteckimpulsen in der Fig. 2a fast null, beim minimalen Modulationsgrad sind die Lücken etwa ebenso breit wie die Breite der Rechteckimpulse. Die Frequenz der Wechselspannung, mit der moduliert ist, (Modulationsfrequenz) ergibt sich, was man der Fig. 2a nicht entnehmen kann, aus der Geschwindigkeit, mit der die Breite der Rechteckimpulse oszilliert. Eine hohe Geschwindigkeit bedeutet, daß die Modulationsfrequenz hoch ist, eine niedrige, daß die Modulationsfrequenz niedrig ist. Die demodulierte Wechselspannung in dem Diagramm der Fig. 2b schwingt mit der Modulationsfrequenz. Die in das Diagramm der Fig. 2b eingezeichnete effektive Amplitude U_Aeff, hängt von U_Emax und M ab:

U_Aeff = k.f(U_Emax, M)

U_Aeff ist abgesehen von einem Formfaktor das arithmetische Mittel aus den entlang der Zeitachse gemessenen Spannungen oder auch gleich 1/√2.U_Amax.k ist eine Konstante. Das Diagramm in der Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit von U_Aeff (bei festgelegter U_Emax) von dem Modulationsgrad. Zwischen einem Modulationsgrad von 50% und einem von 99,5% ist die Abhängigkeit linear. Bei der Fig. 2b ist der Modulationsgrad 99,9%. Mit der Wechselspannung U_A wird das piezoelektrische Element erregt. Die Amplitude der Schwingung, mit der das piezoelektrische Element schwingt, ist U_A proportional. Deshalb ist (s. o.) die Fördergeschwindigkeit über den Modulationsgrad regelbar.
Unter bevorzugten Bedingungen ist das Übersetzungsverhältnis in beiden Transformatoren etwa gleich und liegt besonders bevorzugt zwischen etwa 7,5 : 1 und etwa 12,5 : 1 bzw. zwischen etwa 1 : 7,5 und etwa 1 : 12,5. Brauchbar als Transformatoren sind insbesondere solche der Typen EI 54, EI 48 und EI 60 oder die entsprechenden M-Schnitte. Werden Induktivitäten in den Wicklungen 6 bis 9 von 8,7 H, 0,15 H, 0,15 H bzw. 8,7 H, Übersetzungsverhältnisse von 10 : 1, im Transformator 4 und 1 : 10 im Transformator 5, Widerstandswerte zwischen etwa von 0,1 und etwa 100 Ω für die Widerstände 11 und 12 und eine Kapazität des Kondensators 13 von 10 nF zugrundegelegt und wird bei einer Trägerfrequenz von 15,625 kHz, einer Modulationsfrequenz zwischen 50 und 400 Hz, einer Trägeramplitude U_Emax der Rechteckimpulse (s. Fig. 2a) von etwa 320 V und einen Strom zwischen etwa 0,1 und etwa 500 mA gearbeitet, wird am Ausgang des Demodulators als Wechselspannung eine Vollsinusschwingung mit einer mit der Modulationsfrequenz identischen Frequenz und einer - bei einem Modulationsgrad von 99.9% - effektive Ausgangsspannung U_Aeff von 200 V erhalten. Der Linearitätsfehler hinsichtlich der Abhängigkeit der Amplitude der erzeugten Wechselspannung von der Frequenz liegt dabei bei < 5% und die Leistung bei > 50 VA.

Claims

1. Demodulator zum Herausfiltern der mittels einer Puls-Weiten- Modulations(PWM)-Schaltung (2) erzeugten auf eine hochfrequente Trägerschwingung aufmodulierten Wechselspannung festgelegter Frequenz zum Erregen eines kapazitiven Verbrauchers, dadurch gekennzeichnet, daß der Demodulator (1) zwei miteinander elektrisch verbundene Transformatoren (4, 5) aufweist, daß der eine Transformator (4) mit der PWM-Schaltung und der andere Transformator (5) mit dem Verbraucher elektrisch verbunden sind, daß der eine Transformator (4) abwärts und der andere aufwärts transformieren, und daß eine festgelegte Mindesteingangsinduktivität eingehalten ist.

2. Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatoren (4, 5) je zwei Wicklungen (6, 7 bzw. 8, 9) beinhalten, daß die eine Wicklung (7) des einen Transformators (4) und die eine Wicklung (8) des anderen Transformators (5) in einem Stromkreis (10) liegen, daß die andere Wicklung (6) des einen Transformators (4) mit den PWM-seitigen Eingangsklemmen (15, 16) und die andere Wicklung (9) des anderen Transformators (5) mit den verbraucherseitigen Ausgangsklemmen (17, 18) verbunden sind und daß der eine Transformator (4) abwärts und der andere aufwärts jeweils in einem festgelegten Verhältnis transformieren.

3. Demodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Verbindung mit dem Verbraucher ein Kondensator (13) geschaltet ist.

4. Demodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Verbraucher mindestens ein piezoelektrisches Element (3) ist.

5. Demodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als kapazitive Verbraucher mindestens eine piezokeramische Platte dient, welche ein- oder zweiseitig auf einer Blattfeder aufgebracht sind.

6. Demodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mindesteingangsinduktivität von etwa 1 H (Henry) eingehalten ist.

7. Demodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der anwendbare Bereich der Eingangsinduktivität zwischen etwa 2 und etwa 10 H liegt.

8. Demodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis zwischen etwa 7,5 : 1 und etwa 12,5 : 1 bzw. zwischen 1 : 7,5 und etwa 1 : 12,5 liegt.

9. Demodulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis bei etwa 10 : 1 bzw. etwa 1 : 10 liegt.

10. Demodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis beim Aufwärtstransformieren etwa gleich dem reziproken Wert dieses Verhältnisses beim Abwärtstransformieren ist.

11. Demodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatoren (4 und 5) magnetisch gekoppelt sind.