DE102004050060B4

DE102004050060B4 - Tiefsetzerschaltung

Info

Publication number: DE102004050060B4
Application number: DE102004050060.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Huber; Peter Niedermeier; Bernhard Reiter
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2024-10-14
Also published as: CN100505491C; DE102004050060A1; CN1783677A; US20060076942A1; US7330018B2; CA2523177A1; CA2523177C

Abstract

Tiefsetzstellerschaltung mit – einem Eingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss zum Anlegen einer Eingangsspannung (Ue); – einem Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluss, an dem eine Ausgangsspannung (Ua) bereitstellbar ist; – einer Serienschaltung aus einem Schalter (S1) und einer Induktivität (LT), die zwischen den ersten Eingangsanschluss und den ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, wobei der Schalter (S1) einen Steuereingang (St) zum Anlegen eines Steuerungssignals aufweist; – einer ersten Diode (D1), die zwischen den Verbindungspunkt zwischen dem Schalter (S1) und der Induktivität (LT) und einem Bezugspotential gekoppelt ist derart, dass beim Freilaufen der Induktivität (LT) ein Stromfluss durch die erste Diode (D1) möglich ist; wobei die Tiefsetzstellerschaltung weiterhin ein Entlastungsnetzwerk umfasst, das einen Entlastungskondensator (Cent), eine zweite Diode (D2), eine dritte Diode (D3) und eine Hilfsinduktivität (LH) umfasst, wobei eine Serienschaltung aus Entlastungskondensator (Cent), dritter Diode (D3) und Hilfsinduktivität (LH) parallel zur Induktivität (LT) gekoppelt ist, und die zweite Diode (D2) mit ihrem ersten Anschluss an das Bezugspotential und mit ihrem zweiten Anschluss mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Entlastungskondensator (Cent) und der dritten Diode (D3) gekoppelt ist, wobei die zweite Diode (D2) mit Bezug auf das Bezugspotential wie die erste Diode (D1) gepolt ist und die dritte Diode (D3) mit Bezug auf die zweite Diode (D2) derart, dass ein Stromfluss durch eine Serienschaltung aus zweiter (D2) und dritter Diode (D3) möglich ist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss ein Ausgangskondensator (Ca) angeordnet ist, wobei zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem Punkt, an dem die zweite Diode (D2) mit dem Bezugspotential gekoppelt ist, ein Shunt-Widerstand (Rsh) angeordnet ist, wobei die Tiefsetzstellerschaltung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie weiterhin einen Filterkondensator (CF) und eine Filterinduktivität (LF) umfasst, wobei die Filterinduktivität (LF) seriell zur Hilfsinduktivität (LH) zwischen Filterinduktivität (LF) und erstem Ausgangsanschluss angeordnet ist und der Filterkondensator (CF) zwischen dem Verbindungspunkt der Hilfsinduktivität (LH) und der Filterinduktivität (LF) und dem Bezugspotential.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tiefsetzstellerschaltung, insbesondere eine Tiefsetzstellerschaltung mit einem Eingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss zum Anlegen einer Eingangsspannung, einem Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluss, an dem eine Ausgangsspannung bereitstellbar ist, einer Serienschaltung aus einem Schalter und einer Induktivität, die zwischen den ersten Eingangsanschluss und den ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, wobei der Schalter einen Steuereingang zum Anlegen eines Steuersignals aufweist, und einer ersten Diode, die zwischen den Verbindungspunkt zwischen dem Schalter und der Induktivität und einem Bezugspotential gekoppelt ist derart, dass beim Freilaufen der Induktivität ein Stromfluss durch die erste Diode möglich ist.
Stand der Technik
Eine derartige, aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung ist in 1 dargestellt, wobei die Eingangsspannung mit U_e, die Ausgangsspannung mit U_a, der Schalter mit S₁, der Steuereingang mit St, die erste Diode mit D₁ und die Induktivität mit L_T bezeichnet sind. Vorliegend wird die Eingangsspannung U_e von einem Eingangskondensator C_e bereitgestellt. Die Ausgangsspannung U_a kann an einem Ausgangskondensator Ca abgegriffen werden. Zur Strommessung dient ein Shunt-Widerstand R_sh.
Aus der Schrift DE 26 39 589 A1 ist ein Vorwärtswandler mit isolierendem Transformator bekannt. Die Schrift US 5 602 463 A zeigt die Verwendung eines Shunts zu Strommesszwecken. Die Schriften DE 26 39 589 A1 , DD2 65 042 A1 , US 5 636 114 A und US 6 052 294 A zeigen eine Schalterentlastung.
Im Nachfolgenden soll die der Erfindung zugrunde liegende Problematik mit Bezug auf die in 1 dargestellte Tiefsetzstellerschaltung dargestellt werden: Nach Schließen des Schalters S₁ fließt Strom im Kreis S₁, L_T, C_a, R_sh, C_e. Durch diesen Stromfluss wird die Induktivität L_T aufmagnetisiert, der Ausgangskondensator Ca wird aufgeladen. Wird dann der Schalter S₁ geöffnet, versucht die Induktivität L_T den Stromfluss aufrecht zu erhalten und treibt einen Strom im Kreis L_T, C_a, R_sh, D₁. Aufgrund parasitärer Leitungsinduktivitäten im Diodenzweig der Diode D₁, die vorliegend in der Induktivität L_par zusammengefasst sind, wird jedoch anfänglich Stromfluss über den Diodenzweig der Diode D₁ verhindert. Die an der Diode D₁ abfallende Spannung U_D1 steigt, was sich in unerwünschten Spannungsspitzen und in deren Folge in EMI-Störungen (EMI = Elektromagnetische Interferenz) bemerkbar macht. Bei dieser bekannten Tiefsetzstellerschaltung wird dem dadurch begegnet, dass ein Trapezkondensator C_Tr vorgesehen ist, der beim Ausschalten des Schalters S1 den anfänglichen Stromfluss übernimmt. Irgendwann ist zwar dann der Trapezkondensator C_Tr geladen, aber zwischenzeitlich ist die parasitäre Induktivität Lear aufmagnetisiert, so dass der Stromfluss vom Diodenzweig der Diode D₁ übernommen werden kann. Ein weiterer Nachteil ergibt sich dadurch, dass der Schalter S₁ im Hinblick auf seine Verlustleistung recht groß dimensioniert werden muss. Dies resultiert aus einer begrenzten Schaltzeit, d. h. beim Ausschalten von S₁ liegt am Schalter S₁ eine Spannung U_S1 während er gleichzeitig von einem Strom durchflossen wird. Das Produkt dieser beiden Größen gibt die im Schalter S1 umgesetzte Verlustleistung wieder. In Folge dieser Verlustleistung muss der Schalter S1 überdimensioniert werden, d. h. deutlich größer dimensioniert werden als es eigentlich im Hinblick auf die von ihr zu treibende Last an den Ausgangsanschlüssen, vorzugsweise eine Lampe, nötig wäre. Überdies wird die im Trapezkondensator C_Tr gespeicherte Energie nicht sinnvoll verwendet, sondern im Schalter S₁ in Wärme umgesetzt. Wie für den Fachmann offensichtlich, ist das Aufladen des Trapezkondensators C_Tr unmittelbar über den Schalter S₁ infolge der hohen Belastung für den Schalter nicht gerne gesehen und deshalb ebenfalls unerwünscht.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von der gattungsgemäßen Tiefsetzstellerschaltung liegt deshalb der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Tiefsetzstellerschaltung bereitzustellen, die sich durch eine verbesserte EMI sowie durch eine geringere Verlustleistung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Tiefsetzstellerschaltung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine Verbesserung der EMI erreicht werden kann durch eine flachere Flanke der Spannung an der Diode D₁. Eine Verbesserung der Verlustleistung kann erreicht werden durch eine verzögerte Aufladung eines Entlastungskondensators C_ent. Um diese Idee umzusetzen umfasst die gattungsgemäße Tiefsetzstellerschaltung weiterhin ein Entlastungsnetzwerk mit dem bereits erwähnten Entlastungskondensator C_ent, einer zweiten Diode D₂, einer dritten Diode D₃ und einer Hilfsinduktivität L_H. Dabei wird eine Serienschaltung aus Entlastungskondensator, dritter Diode und Hilfsinduktivität parallel zur Induktivität gekoppelt. Die folgenden Ausführungen gelten für
Beim Schließen des Schalters S1 fließt ein Strom im Kreis C_ent, D₃, L_H, getrieben von der Spannungsdifferenz U_e – U_a. Durch diese Verschaltung wird der Stromanstieg beim Einschalten des Schalters S₁ durch die Induktivität L_H gebremst. Dadurch, dass die zweite Diode mit ihrem ersten Anschluss an das Bezugspotential und mit ihrem zweiten Anschluss mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Entlastungskondensator und der dritten Diode gekoppelt ist, wobei die zweite Diode mit Bezug auf das Bezugspotential wie die erste Diode gepolt ist, und die dritte Diode mit Bezug auf die zweite Diode derart gepolt ist, dass ein Stromfluss durch eine Serienschaltung aus zweiter und dritter Diode möglich ist, wird beim Ausschalten des Schalters S1 zunächst ein Stromfluss über L_T, C_a, D₂ und C_ent ermöglicht. Sobald C_ent geladen ist, fließt der Strom über D₂, D₃, L_H. Damit wird die im Entlastungstransistor C_ent enthaltene Energie nicht im Schalter S₁ in Verlustleistung umgesetzt, sondern dient zum Laden des Ausgangskreises.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist parallel zum Entlastungskondensator eine vierte Diode angeordnet, wobei die vierte Diode mit Bezug auf die zweite Diode derart orientiert ist, dass ein Stromfluss durch eine Serienschaltung aus zweiter und vierter Diode möglich ist. Durch eine auf diese Weise angeordnete vierte Diode wird ein ausgeprägtes negatives Unterschwingen der Spannung an der Kathode der ersten Diode und ein peakförmiger Aufladestrom durch den Entlastungskondensator C_ent, der Störungen der Stromwerterfassung und dadurch der Stromregelung verursachen kann, reduziert. Durch die Einführung der vierten Diode werden nämlich die parasitären Induktivitäten L_par bei der Kommutierung nicht sofort magnetisiert, da der Strom über die zweite Diode D₂, den Entlastungstransistor C_ent und die vierte Diode D₄ fließt. Diese Ausführungsform zeichnet sich daher aus durch einen geringeren negativen Unterschwinger, was in einer geringeren EMI-Störung resultiert. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht in einer freieren Platzierbarkeit der Leistungshalbleiter S1 und D1. Da die die parasitären Induktivitäten Lear nicht schnell magnetisiert werden müssen, dürfen sie größere Werte annehmen. Somit darf auch die Zuleitung zu D1 langer ausfallen.
Die Ursache für den geringeren negativen Unterschwinger liegt darin: Nach dem Öffnen des Schalters S1 schließt infolge der parasitären Induktivitäten L_par im Diodenzweig der Diode D₁ zunächst beispielsweise für ca. 100 ns-Sekunden ein Strom über die Serienschaltung der Dioden D₂ und D₄. Anschließend, d. h. wenn die parasitäre Induktivität L_par aufmagnetisiert ist, wechselt der Strom auf den Diodenzweig der Diode D₁. Der Grund hierfür liegt in der Dimensionierung der Dioden D₁, D₂, D₄, die vorliegend so gewählt ist, dass die Einschaltzeit der Diode D₁ etwa den Faktor 10 über der Einschaltzeit der Dioden D₂ bzw. D₄ liegt.
Bei den bisher vorgestellten Ausführungsformen ist ein Shunt-Widerstand zur Stromerfassung bevorzugt zwischen den zweiten Ausgangsanschluss und den Punkt, an dem die zweite Diode mit dem Bezugspotential gekoppelt ist, angeordnet. Der Shunt-Widerstand R_sh wird für eine Ansteuerung des Schalters S₁ über seinen Steuereingang St benötigt. Vorliegend wird über den Strom geregelt, d. h. wenn der Strom über einen bestimmten Wert steigt, wird der Schalter S1 ausgeschaltet, solange bis der durch die Induktivität L_T getriebene Strom wieder auf Null zurückgegangen ist, anschließend wird der Schalter S1 wieder eingeschaltet.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Stromerfassung in den Lastkreis verlegt ist, d. h. dass der Ausgangskondensator einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss mit dem ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist und zwischen den zweiten Anschluss des Ausgangskondensators und den zweiten Ausgangsanschluss der Shunt-Widerstand angeordnet ist. Durch diese Anordnung werden Störungen der Stromerfassung durch die Ladestromspitzen während der Ladung von C_ent und L_T verhindert. Allerdings ist diese Platzierung im Hinblick auf eine dynamische Stromregelung ungünstig.
Bei einer derartigen Anordnung des Shunt-Widerstands wird nämlich der Stromfluss durch den Schalter S₁ nicht unverfälscht gemessen. Dann ergeben sich zwei Konsequenzen: Der Schalter S₁ kann kaputt gehen, falls er zu lange eingeschaltet ist. Zweitens ist es nur sehr schwierig möglich, durch Ansteuerung des Steuereingangs St des Schalters S₁ auf der Basis einer mit einem derart angeordneten Shunt-Widerstand vorgenommenen Strommessung auf Änderungen der Betriebsparameter einer an den Ausgangsanschlüssen angeschlossenen Lampe zu reagieren.
Eine Ausführungsform zeichnet dadurch aus, dass sie weiterhin einen Filterkondensator CF und eine Filterinduktivität L_F umfasst, wobei die Filterinduktivität L_F seriell zur Hilfsinduktivität L_H zwischen Filterinduktivität L_F und erstem Ausgangsanschluss angeordnet ist und der Filterkondensator CF zwischen dem Verbindungspunkt der Hilfsinduktivität L_H und der Filterinduktivität L_F und dem Bezugspotential. Durch das Einführen eines Filterkondensators CF wird der Stromfluss zum Aufladen des Entlastungskondensators C_ent über den Shunt-Widerstand R_sh verhindert. Der Strom fließt über den Filterkondensator CF und damit am Shunt-Widerstand R_sh vorbei. Die im Filterkondensator CF gespeicherte Energie wird über die Filterinduktivität L_F als kleiner DC-Strom in den Lastkreis eingespeist. Alternativ kann die in dem Filterkondensator gespeicherte Energie über eine Zusatzschaltung, insbesondere über einen Längsregler, einer Steuerschaltung zugeführt werden, die das Steuerungssignal für den Schalter S₁ bereitstellt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Tiefsetzstellerschaltung;
2 eine aus dem Stand der Technik bekannte Tiefsetzstellerschaltung;
3 eine aus dem Stand der Technik bekannte Tiefsetzstellerschaltung;
4 eine aus dem Stand der Technik bekannte Tiefsetzstellerschaltung; und
5 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tiefsetzstellerschaltung.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Bauelemente die bereits im Zusammenhang mit der Darstellung des Stands der Technik gemäß 1 eingeführt und erläutert worden sind, werden im Nachfolgenden nicht noch mal beschrieben.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Tiefsetzstellerschaltung ist ein Entlastungsnetzwerk vorgesehen, das einen Entlastungskondensator C_ent, eine zweite Diode D₂, eine dritte Diode D₃ und eine Hilfsinduktivität L_H umfasst. Eine Serienschaltung aus Entlastungskondensator C_ent, dritter Diode D₃ und Hilfsinduktivität L_H ist parallel zur Induktivität L_T gekoppelt. Die zweite Diode D₂ ist mit ihrem ersten Anschluss an das Bezugspotential und mit ihrem zweiten Anschluss mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Entlastungskondensator C_ent und der dritten Diode D₃ gekoppelt, wobei die zweite Diode D2 mit Bezug auf das Bezugspotential wie die erste Diode D1 gepolt ist und die dritte Diode D3 mit Bezug auf die zweite Diode D2 derart, dass ein Stromfluss durch eine Serienschaltung aus zweiter Diode D2 und dritter Diode D3 möglich ist.
Es ist darauf hinzuweisen, dass vorliegend die Ausgangsspannung U_a betragsmäßig kleiner oder gleich der Hälfte der Eingangsspannung U_e ist.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Tiefsetzstellerschaltung ist parallel zum Entlastungskondensator C_ent eine vierte Diode D₄ angeordnet, wobei die vierte Diode D₄ mit Bezug auf die zweite Diode D₂ derart orientiert ist, dass ein Stromfluss durch eine Serienschaltung aus zweiter Diode D₂ und vierter Diode D₄ möglich ist. Während bei der in 3 dargestellten Tiefsetzstellerschaltung der Shunt-Widerstand R_sh, der der Stromregelung dient, zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem Punkt, an dem die zweite Diode D₂ mit dem Bezugspotential gekoppelt ist, angeordnet ist, ist er bei der in 4 dargestellten Tiefsetzstellerschaltung, die ansonsten der in 3 dargestellten Tiefsetzstellerschaltung entspricht, lastkreisseitig angeordnet, d. h. der Ausgangskondensator C_a verfügt über einen ersten und einen zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss mit dem ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist und zwischen den zweiten Anschluss des Ausgangskondensators C_a und dem zweiten Ausgangsanschluss der Tiefsetzstellerschaltung der Shunt-Widerstand R_sh angeordnet ist.
Bei der in 5 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist weiterhin ein Filterkondensator CF und eine Filterinduktivität L_F vorgesehen, wobei die Filterinduktivität L_F seriell zur Hilfsinduktivität L_H zwischen Filterinduktivität L_F und erstem Ausgangsanschluss angeordnet ist und der Filterkondensator CF zwischen dem Verbindungspunkt der Hilfsinduktivität L_H und der Filterinduktivität L_F und dem Bezugspotential.

Claims

Tiefsetzstellerschaltung mit – einem Eingang mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss zum Anlegen einer Eingangsspannung (U_e); – einem Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluss, an dem eine Ausgangsspannung (U_a) bereitstellbar ist; – einer Serienschaltung aus einem Schalter (S₁) und einer Induktivität (L_T), die zwischen den ersten Eingangsanschluss und den ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, wobei der Schalter (S₁) einen Steuereingang (St) zum Anlegen eines Steuerungssignals aufweist; – einer ersten Diode (D₁), die zwischen den Verbindungspunkt zwischen dem Schalter (S₁) und der Induktivität (L_T) und einem Bezugspotential gekoppelt ist derart, dass beim Freilaufen der Induktivität (L_T) ein Stromfluss durch die erste Diode (D₁) möglich ist; wobei die Tiefsetzstellerschaltung weiterhin ein Entlastungsnetzwerk umfasst, das einen Entlastungskondensator (C_ent), eine zweite Diode (D₂), eine dritte Diode (D₃) und eine Hilfsinduktivität (L_H) umfasst, wobei eine Serienschaltung aus Entlastungskondensator (C_ent), dritter Diode (D₃) und Hilfsinduktivität (L_H) parallel zur Induktivität (L_T) gekoppelt ist, und die zweite Diode (D₂) mit ihrem ersten Anschluss an das Bezugspotential und mit ihrem zweiten Anschluss mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Entlastungskondensator (C_ent) und der dritten Diode (D₃) gekoppelt ist, wobei die zweite Diode (D₂) mit Bezug auf das Bezugspotential wie die erste Diode (D₁) gepolt ist und die dritte Diode (D₃) mit Bezug auf die zweite Diode (D₂) derart, dass ein Stromfluss durch eine Serienschaltung aus zweiter (D₂) und dritter Diode (D₃) möglich ist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss ein Ausgangskondensator (Ca) angeordnet ist, wobei zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem Punkt, an dem die zweite Diode (D₂) mit dem Bezugspotential gekoppelt ist, ein Shunt-Widerstand (R_sh) angeordnet ist, wobei die Tiefsetzstellerschaltung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie weiterhin einen Filterkondensator (C_F) und eine Filterinduktivität (L_F) umfasst, wobei die Filterinduktivität (L_F) seriell zur Hilfsinduktivität (L_H) zwischen Filterinduktivität (L_F) und erstem Ausgangsanschluss angeordnet ist und der Filterkondensator (C_F) zwischen dem Verbindungspunkt der Hilfsinduktivität (L_H) und der Filterinduktivität (L_F) und dem Bezugspotential.
Tiefsetzstellerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluss ein Eingangskondensator (C_e) angeordnet ist.
Tiefsetzstellerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Entlastungskondensator (C_ent) eine vierte Diode (D₄) angeordnet ist, wobei die vierte Diode (D₄) mit Bezug auf die zweite Diode (D₂) derart orientiert ist, dass ein Stromfluss durch eine Serienschaltung aus zweiter (D₂) und vierter Diode (D₄) möglich ist.
Tiefsetzstellerschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichet, dass sie ausgelegt ist, die in dem Filterkondensator (C_F) gespeicherte Energie über eine Zusatzschaltung, insbesondere über einen Längsregler, einer Steuerschaltung zuzuführen, die das Steuerungssignal für den Schalter (S1) bereitstellt.
Tiefsetzstellerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichet, dass die Ausgangsspannung (U_a) betragsmäßig kleiner oder gleich der Hälfte der Eingangsspannung (U_e) ist.